Лекции. Лекции НЭЭ 27.09.2021. Конспект лекций для специальности 5В071800 Электроэнергетика Алматы 2021 алматинский университет энергетики и
 Скачать 2.37 Mb.
|
|
Лекция 11 Накопители энергии в электрических системах. Накопители энергии - новая структурная единица Источники энергии, предназначенные для покрытия пиков нагрузки, делятся на две группы. К первой группе относятся различные газотурбинные генераторные установки, работающие на жидких нефтепродуктах, а также гидроэлектростанции. Ко второй группе относятся устройства, позволяющие разделить во времени процессы выработки и потребления электроэнергии. В них происходят накопление энергии, вырабатываемой ЭС, работающими в базисном режиме в часы прохождения минимума нагрузки, и выдача энергии во время прохождения максимумов нагрузки. При этом электроэнергия, вырабатываемая базисными станциями и обладающая самой низкой себестоимостью, идет на покрытие максимума нагрузки, т. е. превращается накопителем и пиковую. При сопоставлении вариантов строительства установок пиковой мощности первой и второй групп, кроме сравнения удельных капиталовложений, необходимо учитывать значительные эксплуатационные расходы, требующиеся для работы газотурбинных установок. К ним в первую очередь относятся возрастающие расходы на топливо. Эта величина может превышать приведенные удельные капиталовложения на строительство газотурбинной установки, которая станет неконкурентоспособной по сравнению с НЭ. Следствием увеличения расходов на топливо является возрастание стоимости потерь электроэнергии при передаче ее к потребителю, создание вращающегося резерва в системе и т. п. В дальнейшем ожидается еще большее снижение рентабельности строительства газотурбинных установок, связанное с постепенным исключением нефтепродуктов из топливно-энергетического баланса. Современные ЭЭС имеют характерные особенности: 1. Появляется возможность превращения местной аварии в системную, вызванная усложнением структуры энергообъединений, включающей дальние и сверхдальние электропередачи переменного и постоянного тока. Такие аварии могут иметь тяжелые последствия для народного хозяйства, так как сопровождаются массовым отключением потребителей, нарушением устойчивости и разделением ЭЭС на отдельные части при снижении частоты и напряжения ниже допустимого уровня. 2. Происходит неуклонный рост неравномерности графиков нагрузки. Отличительной чертой производства электроэнергии является необходимость выработки электростанциями в каждый момент времени такого ее количества, какое требуется потребителям. Однако нагрузка колеблется (и притом существенно) как в течение суток, так и в течение недели, месяца, года. 3. Увеличивается крутизна графиков нагрузки. Наклон утренних максимумов в центрах нагрузок может достигать 1—3% в минуту. 4 1 4. Происходит неизбежное укрупнение оборудования электростанций, что повышает их экономичность, но приводит к снижению маневренности. Это не позволяет эффективно работать по «крутым» графикам нагрузки, снижает экономичность покрытия пиков мощности. Требования к резким темпам набора и сброса нагрузки можно выполнить лишь при наличии достаточного числа высокоманевренных агрегатов мощностью 100, 150, 200 МВт. Но с укрупнением оборудования их доля неизбежно снижается. Анализируя вышесказанное, можно сделать вывод о необходимости дальнейших поисков мер, которые смогли бы комплексно решить проблемы, вызванные указанными особенностями. Следовательно, необходимо создание принципиально новых устройств. Таким образом, задача заключается в создании установок, которые удовлетворяли бы требованиям как потребителей (получение необходимого количества энергии с достаточным качеством и необходимой надежностью), так и генерирующих ЭС (возможность выработки постоянной мощности в течение длительного периода времени). Идеальным со всех точек зрения можно было бы считать устройство, позволяющее разделить во времени процессы выработки и потребления электроэнергии, имеющее высокий КПД и вступающее в работу мгновенно, т. е. НЭ. Они дают возможность улучшить технико-экономические показатели энергоблоков с высокими капиталовложениями (например, ядерных энергоблоков), используя их с постоянной загрузкой с целью минимизации эксплуатационных расходов. Использование каких-либо накопителей для выравнивания графиков нагрузки ЭС США в 1990 г. привело бы к экономии капиталовложений на сумму 45·109 долл, (без учета стоимости самих НЭ) [40]. Итак, применение аккумулирования энергии позволит удовлетворить потребность ЭЭС в маневренной мощности для покрытия пиков нагрузки; компенсировать ее кратковременные изменения; уплотнить графики нагрузки путем использования более дешевой ночной энергии; увеличить мощность и время работы базисных ЭС. Но лишь часть задач, решаемая с помощью НЭ. Из-за укрупнения станций возрастает их роль в балансе мощности ЭЭС. Поэтому даже при частичной потepe связи с ней возможно нарушение статической устойчивости, приводящее к отключению потребителей. Вопросы поддержания динамической устойчивости ЭЭС при различных авариях решаются в основном системной автоматикой. При этом отключаются не только аварийные объекты, но и часть потребителей. Использование ЭС для поддержания устойчивости возможно лишь при наличии «горячего резерва», что крайне неэкономично. Ликвидировать такие аварийные ситуации в ЭЭС с высокой экономичностью и эффективностью с помощью обычного оборудования трудно. Накопитель с хорошими маневренными характеристиками и высоким КПД, набирающий полную мощность за несколько периодов напряжения питающей сети, позволил бы положительно решить и эту часть задач. При эксплуатации автономных энергосистем (АвЭС) остро встают вопросы надежности энергопитания и живучести; использование в АвЭС 4 2 устройств аккумулирования энергии позволит успешно их решить. При этом параметры НЭ могут быть близки к параметрам накопителя, предназначенного для выравнивания графиков нагрузки. В ближайшие годы возможно применение в ЭЭС турбогенераторов со сверхпроводниковой обмоткой возбуждения, которые будут иметь значительно большую удельную и единичную мощности, более высокий КПД. Однако постоянная времени цепи возбуждения у них может быть в сотни раз большей, чем у обычных генераторов, причем энергия, запасаемая в обмотке возбуждения турбогенератора при равных мощностях, может на порядок превышать энергию, запасенную в поле возбуждения традиционного генератора. Вместе с тем демпфирование качаний у таких генераторов почти отсутствует, поэтому необходимо применять специальные дорогостоящие устройства. В связи с этим целесообразно использовать вместе с криогенераторами и СПИН. В этом случае гелиевый криогенный рефрижератор может обслуживать одновременно генератор и накопитель. При использовании СПИН совместно с криогенератором последний может быть значительно удешевлен, так как отпадает необходимость применения демпфирующего экрана на его роторе, позволяющая улучшить взаимосвязь обмоток якоря и индуктора, повысить индукцию магнитного поля в зоне якорной обмотки и открывающая перспективу значительного увеличения удельной и единичной мощности. Интересные перспективы существуют у схемы выдачи мощности ГЭС в систему через линейный накопитель электрической энергии (ЛНЭЭ). В этом случае частота не обязательно должна быть постоянной. При этом вместо номинальной частоты появляется диапазон частот, в котором может работать агрегат. Это расширяет область использования универсальной характеристики агрегата; повышает его КПД и выработку энергии, позволяя направить через турбину часть холостого водосброса при паводках; уменьшает кавитацию рабочего колеса турбины; открывает возможность применения быстроходных пропеллерных турбин и уменьшения заглубления здания ГЭС. Ввод энергии в крупные промышленные центры в будущем намечалось осуществлять с использованием сверхпроводниковых кабелей. Однако с учетом требований надежности электроснабжения эффективнее применять для этой цели ЛНЭЭ. В качестве схем ввода энергии в города и промышленные центры можно предложить как кольцевые на основе секционирования ЛНЭЭ, так и радиальные. С помощью ЛНЭЭ можно осуществить вывод энергии с магнитогидродинамических (МГД) генераторов, одновременно преобразуя постоянный ток, вырабатываемый ими, в переменный. Значения параметров накопителей определяются конструктивными и системными требованиями. Питание собственных нужд АЭС, а в будущем и термоядерных ЭС должно отличаться повышенной надежностью, так как любой перерыв в их питании может привести к тяжелым последствиям. В связи с этим можно резервировать электроснабжение собственных нужд АЭС с помощью ЛНЭЭ. Повышение надежности питания собственных нужд (СН) достигается за счет снабжения их энергией от ЛНЭЭ как в случае аварии на шинах станции, так и в случае 4 3 частичного повреждения самого ЛНЭЭ. Параметры таких НЭ зависят только от параметров генерирующего оборудования ЭС и независимы от параметров системы. Для передачи электроэнергии из космоса на Землю предполагается использовать беспроводные электропередачи (БЭП). При этом по БЭП будут передаваться большие (более 6 ГВт) мощности. Таким образом, для ЭЭС солнечные космические электростанции (СКЭС) будут источниками базовой мощности, что налагает определенные требования на качество энергии, поступающей от приемной антенны СКЭС. Наиболее важные из них: 1. передаваемая в ЭЭС энергия не должна зависеть от каких-либо внешних условий, определяемых не потребителем, например от метеорологических условий (облачности, ветра и т. п.). В противном случае в ЭЭС будет необходим «горячий резерв» генерирующих мощностей порядка 10— 30% от мощности СКЭС (в среднем около 1 ГВт), что неприемлемо; 2. случайные кратковременные изменения мощности, принимаемой антенной, связанные, например, с уходом луча, не должны отражаться на потребителе. Иными сломами, режимы работы источника энергии (приемной антенны) и потребителя не должны быть жестко связаны между собой. В силу конструктивных особенностей БЭП — наличия м беспроводном канале земной атмосферы, «прозрачность» которой зависит от метеорологических условий и изменяется стохастически — потребители на земле получат энергию, значение которой будет меняться в больших пределах. Таким образом, возможно возникновение двух аварийных ситуаций: 1. во время прохождения в системе максимума нагрузки (из-за ухудшения метеорологических условий) пропускная способность БЭП снизилась; 2. во время прохождения провала нагрузки произошло аварийное отключение части потребителей, БЭП же передает мощность, соответствующую полной нагрузке. В первом случае в ЭЭС образуется недопустимый дефицит генерирующих мощностей, а во втором — выжигание приемной подстанции БЭП. В связи с этим необходима установка НЭ по крайней мере на приемной подстанции БЭП. При этом он будет обеспечивать баланс мощности в точке подключения — координировать два неравномерных графика с несовпадающими максимумами и минимумами. Для выполнения вышеуказанного возможно применение НЭ, имеющих высокое быстродействие (0,02 с) и позволяющих регулировать потребляемую и выдаваемую мощности в достаточно широких пределах. В литератур( не приводятся конкретные требуемые значения мощности и энергоемкости таких НЭ, однако предполагается, что они будут того же порядка, что и НЭ, предназначенные для выравнивания графиков нагрузки ЭЭС. Таким образом, применение накопителей энергии в ЭЭС на всех этапах их развития позволит комплексно решать существующие и возникающие в энергетике проблемы. 4 4 Лекция 12 Накопители энергии в электрических системах. Типы накопителей энергии для электроэнергетических систем Для того чтобы накопитель обеспечивал дальнейшее использование энергии, он должен включать в себя по крайней мере два блока: устройство управления (УУ) потоком энергии, регулирующее и преобразующее энергию одного рода в другой в соответствии с законом изменения мощности; аккумулирующий элемент (АЭ), непосредственно запасающий и хранящий энергию. В энергетике возможно использование нескольких типов АЭ: маховиков, гравитационных установок, конденсаторов, химических и тепловых аккумуляторов, криопроводящих и сверхпроводниковых соленоидов. Существует два типа УУ накопителей энергии: электрическое (управляемый преобразователь); электромеханическое (асинхронизированная синхронная машина, машина постоянного тока или синхронная машина). Тип НЭ определяется аккумулирующим элементом, а характер устройства управления — потребителем энергии. Сопоставительный анализ типов НЭ проведем, используя сопоставление набора их параметров, позволяющих достаточно полно охарактеризовать эти устройства [40,41]: 1) осуществимость — существуют ли экспериментальные или промышленные образцы данного типа АЭ; 2) удельные капиталовложения на единицу энергоемкости АЭ; 3) технически оптимальная энергоемкость АЭ (предполагаемая или выявленная на основе опыта эксплуатации); 4) удельная энергоемкость — отношение энергоемкости НЭ к его объему (энергоемкость НЭ — это максимальная энергия, которую он может аккумулировать за цикл заряда наибольшей длительности); 5) требования к месту установки; 6) коэффициент полезного действия; 7) технически оптимальная мощность УУ; 8) номинальное напряжение или ток АЭ; 9) время работы — максимально возможное время заряда или разряда с заданной мощностью; 10) время реверса мощности — время, в течение которого НЭ может быть переведен из режима выдачи в режим накопления, и наоборот; 11) время хранения энергии — время, в течение которого сохраняется энергия, накопленная в АЭ; 12) число циклов работы. Рассмотрим типы накопителей энергии. Гидроаккумулирующие электростанции (ГАЭС) — старейший тип энергетических установок, предназначенных для работы в переменной части 4 5 графика нагрузки. Они эксплуатируются с конца XIX в. Суммарная установленная мощность ГАЭС в мире равна 44-103 МВт. Несколько ГАЭС суммарной мощностью 11 000 МВт находятся в стадии строительства. Принцип работы ГАЭС прост: имеются два резервуара с водой (верхний и нижний бьеф), расположенные друг от друга по высоте на несколько десятков метров. В период прохождения провала нагрузки насосная установка ГАЭС перекачивает воду из нижнего бьефа в верхний и происходит ее заряд. Во время прохождения максимума нагрузки ГАЭС работает как обычная гидростанция [42]: За последние 10—15 лет ГАЭС, используемые для покрытия пиковой части графиков нагрузки, получили широкое распространение во многих странах. Мощность отдельных ГАЭС достигает 1 ГВт, строятся и проектируются ГАЭС мощностью до 1,2—3,0 ГВт. Например, в Великобритании действует ГАЭС Festiniog, вводится в строй ГАЭС Dinorvic. В системе Центрального энергопроизводства (CEGB) Великобритании с помощью ГАЭС частично решается проблема замены вращающегося резерва. В Японии действуют пять ГАЭС энергоемкостью от 1000 до 8000 МВт-ч; запланировано сооружение еще девяти таких станций. Крупнейшей в мире является Лудингтонская ГАЭС (США) на берегу озера Мичиган, способная запасать до 15 000 МВт-ч (6-1013Дж) энергии. В качестве верхнего резервуара ГАЭС, по возможности, используется какое-нибудь ущелье в горах или долина, которые перегораживаются плотиной. Нижним резервуаром может быть озеро (как в Динорвике) или река (например, р. Теннесси в горах Рэкун Маунтин, США). При постройке ГАЭС используют горные районы, которые обычно значительно удалены от центров нагрузки, что приводит к большим затратам на ввод новых ЛЭП. Для расширения возможности выбора площадок для строительства ГАЭС используют схемы, где нижним резервуаром является море. Однако в этом случае необходимы специальные меры по защите оборудования от коррозии. В ряде стран уделяется внимание следующему способу строительства ГАЭС: верхний резервуар находится на поверхности земли, а в качестве нижнего используются глубоко расположенные подземные полости. Сама станция помещается вблизи нижнего резервуара и связана с верхним при помощи вертикальных водоводов, а с поверхностью земли — специальными шахтными стволами. Исследование таких станций производится в США, Канаде, СССР, Великобритании. В СССР только в последнее время начало уделяться достаточно серьезное внимание вопросам гидроаккумулирования. Первой ГАЭС, сооруженной в нашей стране, является Киевская ГАЭС на Днепре, водозаборные сооружения которой расположены в нижнем бьефе Киевской ГЭС. ГАЭС имеет невысокий напор (66 м) и установленную мощность 225 МВт при довольно высоких капиталовложениях (269 руб/кВт). В режиме разряда она работает около 3 ч, в режиме заряда — около 7 ч. 4 6 Загорская ГАЭС мощностью 1200 МВт при расчетном напоре 100 м строится на р. Кунье, левом притоке р. Дубны (рис. 12.1). В состав сооружений ГАЭС входят верхний 1 и нижний 5 аккумулирующие бассейны и станционный узел. Верхний аккумулирующий бассейн (его полный объем 29,7 млн. м3, площадь зеркала 260 га) образован из земляных дамб высотой от 8 до 35 м и примыкает к водоприемнику 2, предназначенному служить водозабором при работе ГАЭС в турбинном режиме и водовыпуском в насосном режиме. Дамбы длиной по гребню 8800 м трассированы в плане по наиболее высоким участкам местности. Нижний аккумулирующий бассейн расположен на р. Кунья, его полный обьем,см — 33,2 млн. м3, полезный — 22,0 млн. м3. В состав сооружений бассейна входят низовая плотина 6 с донным водоспуском для сброса части стока реки (в строительный и эксплуатационный периоды) и верховая плотина 7 с поверхностным водосливом для поддержания постоянного горизонта в черте города. Каждые сутки при работе ГАЭС колебание горизонтов воды в бассейнах составляет () м. В состав станционного узла, расположенного на левобережном склоне долины реки, входят водоприемник 2, сталежелезобетонные напорные трубопроводы 3, здание ГАЭС 4 с шестью обратимыми гидроагрегатами мощностью по 200 МВт, сопрягающие подпорные стенки, открытое электрическое распределительное устройство, рассчитанное на напряжение 500 кВ. Рисунок 12.1 - Схема Загорской ГАЭС В табл. 12.1 приведены основные технико-экономические показатели строящихся и проектируемых в СССР ГАЭС. Для ГАЭС характерно, что с увеличением напора снижаются удельные капиталовложения. Исследования показывают, что оптимальная эффективность ГАЭС может быть обеспечена при напорах не менее 100 м. Специалисты считают, что оптимальная мощность ГАЭС должна составлять 10—15% от суммы установленных мощностей ээс. За 90 лет с начала применения ГАЭС показатели их работы улучшились: мощность одной турбины с нескольких десятков киловатт увеличилась до 400 МВт и более; рабочий перепад высот увеличился с 50 до 1400 м и более; общий КПД возрос примерно с 10 до 77%. До 1920 г. большинство ГАЭС имели конструкцию, состоявшую из четырех основных узлов: турбины, генератора, двигателя и насоса. Турбина с генератором имела один общий вал, а двигатель и насос — другой. Достоинства данной конструкции: простота, доступность, возможность быстрого реагирования на 4 7 изменения нагрузки в системе. Однако постройка такой станции требует больших капиталовложений, что сводит к нулю все преимущества конструкции. Поэтому в течение многих лет предпочтение отдавалось конструкции из трех узлов: турбины, насоса и генератора-двигателя, расположенных последовательно на одном общем горизонтальном или вертикальном валу. ГАЭС Напор, м Мощность ГАЭС, МВт Мощность обратимой гидрома шины, МВт Удельные капитало вложения, руб/кВт Киевская 66 225 100 269 Загорская 109 1200 200 170 Кайшядорская 110 1600 200 165,5 Днестровская 149 2160 128,5 157 Пана-Ярвинская — 5000 — 130 Средне-Волжская — 2000 — 265 Краснодарский ирригационный комплекс — 2100 — 212 Такие ГАЭС широко распространены в Европе. На самых современных станциях используются установки, состоящие из двух узлов, один из которых представляет собой реверсивную турбину-насос. Благодаря этому достигается сокращение капиталовложений, но несколько снижается КПД и увеличивается время реверса мощности. Самая мощная ГАЭС, постройка которой уже осуществляется, будет иметь проектную мощность свыше 2800 МВт, что сравнимо с мощностью крупнейших ТЭС. Вращающиеся агрегаты ГАЭС принимают нагрузку в течение нескольких секунд из недогруженного состояния и 1,5—2 мин — из нерабочего состояния. Это позволяет ГАЭС выполнять функции частотного и аварийного резерва помимо покрытия кратковременных пиков нагрузки в ЭЭС. Кроме того, ГАЭС могут выполнять роль генераторов реактивной мощности при работе в режиме синхронного компенсатора как на холостом ходу, так и в процессе заряда и разряда. Время реверса мощности может быть уменьшено с помощью гидроаккумулирующей установки, которая не предъявляет специальных требований к месту сооружения. Принцип работы такой установки аналогичен работе ГАЭС. При прохождении минимума нагрузки гидроаккумулирующая установка переводится в режим накопления энергии. Ее обратимый генератор работает в режиме двигателя, нагрузкой которому служит погруженная в водоем полая емкость; чем глубже она опущена под воду, тем больше энергии накоплено. |