Реферат. Применение автоматизированных систем накопления электрической энергии на базе литийионных аккумуляторных батарей в составе гибридных солнечных электростанций Содержание
Скачать 1.1 Mb.
|
Применение автоматизированных систем накопления электрической энергии на базе литий-ионных аккумуляторных батарей в составе гибридных солнечных электростанций Содержание Введение 2 1. Гибридная система накопления энергии 3 2. Моделирование работы опытного образца гибридного накопителя энергии на испытательном стенде 9 Заключение 21 Список литературы 22 ВведениеРынок систем накопления энергии стремительно развивается: развиваются технологии и накапливается практический опыт применения. Эти системы позволяют по-новому решать многие задачи управления нормальными и аварийными режимами энергосистем. Первичная выработка электроэнергии на малых электростанциях производится дизельными двигателями, поршневыми газовыми турбинами и газотурбинными установками. При этом внедряются приводы с предельно низкими требованиями к мощности и энергии, что позволяет разрабатывать алгоритмы и правила управления ими. По мере развития технологий и неизбежного падения общей стоимости системы потребность в «большой» мощности будет возрастать. В данной работе представлен опыт разработки и использования автономной системы накопления энергии на основе литий-ионных аккумуляторов в составе автономной гибридной солнечно-дизельной электростанции для повышения энергоэффективности последней. Результаты показывают, что накопление энергии может решить многие ключевые проблемы выбора оборудования энергосистемы, организации проектирования, метода обслуживания, стабильности и надежности более эффективно, чем традиционные методы. Были рассмотрены варианты для решения таких вопросов, как снижение пиковой нагрузки на генерирующее оборудование, управление потоками электроэнергии, улучшение качества электроэнергии (частота, напряжение), экономика проекта (затраты и выгоды), хранение энергии (автономное/резервное) и т. д. 1. Гибридная система накопления энергииГибридные системы накопления энергии представляют собой сложные электротехнические комплексы. Основными компонентами являются элементы накопления энергии в виде литий-ионных аккумуляторов и суперконденсаторов, преобразователь токового режима из постоянного в переменный, система управления преобразователем и система управления электротехническим комплексом в целом. В то же время аккумуляторы с приемлемой энергоемкостью (90 - 150 Втч/кг для литий-ионных систем) имеют относительно небольшой ресурс (от 500 до 3000 циклов заряда-разряда). Кроме того, работа батареи (и любого другого химического источника тока) в режиме высокой мощности может значительно снизить ее энергопотребление и срок службы. Суперконденсаторы легко выдерживают высокие токи нагрузки. Сочетание аккумуляторов и суперконденсаторов в одном приводе может дать впечатляющие результаты. Таким образом, без подключенной батареи суперконденсатор может компенсировать помехи, длящиеся до первых нескольких минут. На более длительные перерывы (минуты, часы) включается аккумуляторная часть привода. Наличие суперконденсаторной части накопителя (при параллельном подключении к аккумулятору) сглаживает передний фронт импульсов тока и напряжения, тем самым уменьшая мгновенную мощность, отдаваемую или принимаемую аккумуляторной частью накопителя. Параллельное соединение аккумуляторов и суперконденсаторов также обеспечивает как минимум двукратное увеличение емкости накопителя. На рис. 1 показано сравнение принципов работы тканевых аккумуляторов и гибридных накопителей. Рис.1. Упрощенные схемы накопителей. а) аккумуляторный; б) гибридный. Более широкие функциональные характеристики гибридного накопителя символически иллюстрируются возможностью реализовать различные схемы включения батареи и конденсатора путем различных комбинаций замкнутых и разомкнутых ключей Рис.2. Удельные стоимости накопителей – аккумуляторных, суперконденсаторных и гибридных в зависимости от времени непрерывной работы а) б) z z 3 (емкости). Линии ГТУ, ДГУ – удельные стоимости газотурбинных и дизельных генераторов с учетом топливной составляющей. Здесь параметр k = t/tsc – отношение максимального времени непрерывной работы накопителя (t) ко времени работы (tsc) суперконденсаторной части. n – максимально возможное количество циклов заряд-разряд. На рис.2 представлена зависимость стоимости установленной мощности в киловаттах от времени непрерывной работы (энергоемкости) трех типов накопителей: аккумуляторов, суперконденсаторов (две зеленые пунктирные линии) и гибридных аккумуляторов (различные сочетания энергоемкости) и суперконденсаторной сборки - красный провод). На этом же графике приведены аналогичные оценки для газодизельных (ДГУ) и газотурбинных (ГТУ) электростанций. На рис. 2 показано, что использование накопителей на основе литий-ионных аккумуляторов экономически оправдано при времени разряда менее 1 часа по сравнению с резервной газовой дизельной электростанцией и 2 часов по сравнению с резервной газотурбинной электростанцией. Аналогичный показатель у суперконденсаторного накопителя в несколько раз лучше. Последнее обусловлено значительно большим ресурсом суперконденсатора. Однако следует учитывать, что удельная энергия суперконденсаторов в 20-100 раз ниже, чем у аккумуляторов. Видно, что использование суперконденсаторных накопителей с высоким энергопотреблением в большинстве случаев экономически не приемлемо. Эти диски слишком большие и тяжелые. На рисунке 2. Красная линия показывает свойства гибридной системы при разной степени гибридизации (определяемой параметром k). Степень смешивания позволяет оптимизировать конструкцию ЗУ, варьируя его стоимость, вес и габаритные характеристики в соответствии с ее функциональными требованиями. Эта возможность оптимизации является важным преимуществом гибридных решений. Разработанный гибридный накопитель энергии ГНЭ-100 состоит из трех модулей (Рис. 3.): - Батарея литий-ионных аккумуляторов ЛИБ-100 - Батарея суперконденсаторов БСК-100; - Устройств согласования с сетью УСС-100. Каждая единица хранения также содержит независимые системы защиты, контроля и мониторинга параметров батареи. Блок-схема и однолинейная схема гибридного хранилища GNE-100 показаны на рисунке 3. Рис. 3. Структурная схема (а) и однолинейная схема (б) гибридного накопителя ГНЭ-100 Литий-ионный аккумулятор ЛИБ-100 предназначен для накопления электрической энергии из сети и возврата ее в сеть при нагрузке на сеть ниже номинальной. В периоды нагрузки выше номинальной батарея сбрасывает накопленную энергию в сеть. LIB-100 также оснащена интеллектуальными элементами управления. Суперконденсаторная батарея БСК-100 предназначена для компенсации кратковременных колебаний сетевого напряжения и состоит из 20 суперконденсаторов. Сетевой согласователь УСС-100 состоит из двух одинаковых модулей: один для использования с ЛИБ-100, а другой для использования с БСК-100, и состоит из двух преобразователей постоянного тока в переменный и соответствующих согласователей уровня напряжения (наоборот). Модуль обеспечивает независимое управление активной и реактивной мощностью. USS-100 одновременно служит системой управления GNE-100 и активным сетевым фильтром и использует алгоритм компенсации тока обратной последовательности для компенсации основных гармоник и гармоник, близких к основной мощности, что значительно улучшает качество электроэнергии (рис. 5). Принципиальная схема прототипа гибридного накопителя энергии ГНЭ-100 с активной накопительной мощностью 100 кВт и энергоемкостью 100 кВтч представлена на рисунке 4. Технические параметры см. в таблицах 1, 2, 3 и 4 для характеристик соответствующего оборудования. Рис.4. Общий вид гибридного накопителя энергии ГНЭ-100 Таблица 1 – Технические характеристики накопителя ГНЭ-100.
2. Моделирование работы опытного образца гибридного накопителя энергии на испытательном стендеС целью определения функциональных возможностей прототипа гибридного накопителя мощностью не менее 100 кВт и энергопотреблением 100 кВтч были проведены экспериментальные исследования в условиях, приближенных к реальным. Для этих задач была разработана специализированная тестовая платформа (далее Bench), состоящая из следующих подсистем: – Газотурбинная электростанция (ГТЭ-1500) напряжением 6,3 кВ установленной мощностью 1250 кВт, имитирующая работу сетевой электростанции – Понижающий трансформатор 6,3 кВ/0,4 кВ; – Блоки активной и реактивной тестовой нагрузки для имитации возмущений в сети в моделируемых условиях. Помимо достижения заданных сетевых возмущений путем включения и выключения устройств нагрузки, в систему управления испытаниями входят также устройства защитной коммутации, предназначенные для переключения силовых устройств, защищая их от токов перегрузки и коротких замыканий. С помощью этой тестовой установки была исследована совместная работа батареи и батареи суперконденсаторов в определенных условиях. Кроме того, определите, в какой степени компенсационный режим работы влияет на эффективность всей системы хранения и эффективность использования гибридных решений хранения при работе с сетью и потребителями электроэнергии в гибридных и сплит-сценариях. При тестировании ГНЭ-100 были выявлены особые преимущества гибридного решения: – Ток заряда и разряда аккумулятора характеризуется плавным нарастанием и спадом (по сравнению с работой без суперконденсаторов), что благоприятно сказывается на системе балансировки аккумулятора (выравнивание напряжения); – Возможность компенсации кратковременных помех в сети без подключения аккумуляторной части. Нагрузка изменяется периодически с периодами 1, 2, 5, 10 секунд в диапазоне от 0 до 100 кВт, а использование суперконденсаторов обеспечивает стабильный поток активной и реактивной мощности из сети. Следовательно, можно компенсировать возмущающее влияние нагрузки без использования аккумуляторной части привода; – Возможность кратковременного принудительного режима хранения с вдвое большей номинальной выходной мощностью. Протестировано с HNE в следующих режимах работы: – Автономный режим работы ГНЭ под нагрузкой. Этот режим предполагает, что GNE работает на модуле нагрузки при отсутствии (или отсутствии) сетевого напряжения переменного тока. В этом случае преобразователь ГНЭ работает в режиме источника напряжения, формируя величину и частоту напряжения в локальной сети. – Компенсирует помехи сети переменного тока и частоты, вызванные сбросом/скачками нагрузки. В этом режиме GNE компенсирует помехи, возникающие в сети из-за провалов/скачков нагрузки. Помехи возникают при переключении нагрузок. Кроме того, система управления преобразователем сконфигурирована таким образом, что мощность, подаваемая/потребляемая ГПД, компенсирует любой вносимый шум. Цель эксперимента состояла в том, чтобы определить степень (и частотную характеристику), в которой помехи в сети могут быть компенсированы. Одновременно контролировать величину напряжения, частоту и фазу сети. – Контроль реактивной мощности. Известно, что USS GNE вырабатывает реактивную мощность от минус 100% до плюс 100%. Цель эксперимента - подтвердить этот факт. – Источник бесперебойного питания (ИБП). В этом режиме один из преобразователей выполняет роль управляемого выпрямителя, передавая мощность из сети в звено постоянного тока, подключенного к ЛИБ-100 или БСК-100, а второй преобразователь используется в режиме инвертора, преобразовывая постоянный ток в переменный. Поскольку накопительный элемент подключен к звену постоянного тока, нагрузка продолжает получать питание при сбое или отключении питания. Рисунок (5-8) представляет собой типичную экспериментальную форму волны, полученную в режиме компенсации мощности сети переменного тока и частотных помех от батареи [5]. Рис.5. Режим отсутствия компенсации мощности. 1 – интервал включенной нагрузки; 2 – интервал выключенной нагрузки. При включенной нагрузке ток равен 100 8 А, при выключенной нагрузке ток нулевой. При включенной нагрузке мощность – 25 kW (потребление), при выключенной нагрузке мощность 0 kW (потребления нет) Рис.6. Режим полной компенсации мощности. 1 – выключение нагрузки; 2 – включение нагрузки. Графики тока и мощности на рисунке 6 показывает: – Ток и мощность сбрасываются после каждого включения/выключения нагрузки, что означает полную компенсацию потребления при включении нагрузки; – Каждое включение/выключение нагрузки сопровождается всплеском тока и мощности, что зависит от точности установки режима компенсации ГНЭ. Рис. 7. Режим отсутствия стабилизации частоты. 1 – интервал включенной нагрузки; 2 – интервал выключенной нагрузки. На рис.8. при включенной нагрузке ток равен 100 А, при выключенной нагрузке ток нулевой. При включенной нагрузке 9 мощность – 25 kW (потребление), при выключенной нагрузке мощность 0 kW (потребления нет). Как показано на рис. 7, после включения/выключения нагрузки наблюдается всплеск частоты, который компенсируется системой компенсации частоты ГТУ за время, соответствующее времени переходного процесса компенсатора ГТУ. Рис. 8. Режим полной компенсации частоты. 1 – включение нагрузки; 2 – выключение нагрузки. График частоты (рис. 8) показывает, что включение/выключение нагрузки не сопровождается скачком частоты. На рис. 9 представлена блок-схема регулирования напряжения в рабочей точке суперконденсатора. Рис. 9. Структурная схема алгоритма обеспечения компенсации с использованием суперконденсатора Функция сравнения применяет измеренное напряжение суперконденсатора к максимальному и минимальному допустимым уровням напряжения суперконденсатора (экспериментально 650 В и 450 В соответственно), генерируя сигнал, пропорциональный разнице между измеренным значением и средним значением A. Учитывайте предельные значения. Затем сигнал нормализуется, чтобы сформировать сигнал со значениями от нуля до единицы. Одиночное значение соответствует номинальному среднему значению напряжения на суперконденсаторе, нулевое - равному или больше предельного значения. Кроме того, сигнал подвергается нелинейному преобразованию для формирования специфических характеристик для заданного тока в области номинальных значений напряжения и областях, близких к граничным значениям на суперконденсаторе. По мере увеличения тока напряжение на суперконденсаторе увеличивается и устанавливается на верхней границе диапазона. Для жесткого ограничения используются гистерезисные компараторы напряжения (минимальный и максимальный диапазон гистерезиса 4 В), формирующие дискретные сигналы. Для того чтобы гарантировать гашение колебаний интегратора и динамического звена (эквивалентного системе второго порядка), содержащего конденсаторы, используется переменный коэффициент отрицательной обратной связи (ООС), по сути, переменная пропорциональная составляющая ПИ-регулятора отклоняется от стандарта на формируемое модельным методом значение блока. Чем больше отклонение, тем меньше пропорциональная часть регулятора. Поэтому, когда есть возмущение и значение напряжения близко к пределу, скачок тока подавляется в соответствии с настройкой ошибки напряжения суперконденсатора, то есть чем больше ошибка напряжения, тем ниже пусковой ток. Структура коэффициента ФОС (пропорциональная часть определяется коэффициентом К1), напряжение на суперконденсаторе равно опорному напряжению 550В, режим работы при работе вблизи границы, монолитная структура (нулевая пропорциональная часть). В номинальном режиме колебания гасятся наибольшей пропорциональной составляющей. Ток удержания в средней точке не должен превышать 15-20% тока компенсации, определяемого коэффициентом нелинейной обратной связи. Рисунок 10 – Переходные процессы при коммутации нагрузки и включённой компенсации : А) суперконденсатором, Б) – гибридный режим с суперконденсатором и литий-ионной батареей На рис. 10А) показан переходный процесс в системе, состоящей только из суперконденсаторов с использованием схемы управления. В интервале времени 1 скачок нагрузки компенсируется при разрядке суперконденсатора в сеть, создавая плавный скачок перед нагрузкой. Когда напряжение суперконденсатора приближается к своему минимальному значению (общая рассеиваемая мощность), опорный ток падает до нуля и меняет знак на заряд. В момент времени 2 суперконденсатор заряжается, но током намного меньшим, чем ток разряда, что обеспечивает нормированный диапазон токов для поддержания «средней точки» суперконденсатора, соответствующей номинальному напряжению и энергии, необходимой для компенсации возмущения. В частности, при падении нагрузки суперконденсатор продолжает потреблять ток из сети, генерируя спадающий фронт с заданным временем затухания и одновременно заряжаясь, что отражается во временном интервале 5. В течение интервала 6 суперконденсатор постепенно разряжается в сеть, стабилизируя напряжение в средней точке за счет снижения потребляемого тока до нуля. 4. Уровень 7 равен нулю, а уровень 3 соответствует номинальному току нагрузки. В этом случае устройство можно использовать для динамической стабилизации параметров частоты и напряжения во избежание превышения коэффициента преобразования мощности и, таким образом, возможных перерегулирований (выбросов, дожигания) в системе управления генератором, приводящих к перерасходу топлива. Рисунок 10B) показывает настройку режима наложения. Устройства УСС-100-СК и УСС-100-ЛИБ подключены параллельно к общей сети и нагрузке. на рис. Рисунок 10 B) показывает различные этапы гибридного привода. В момент времени 1 нагрузка отключена. Суперконденсатор продолжает потреблять ток из сети и заряжать ее. В интервале 5 завершается энергетическая компенсация импульса суперконденсатора, и аккумуляторный преобразователь начинает снижать ток до нуля, обеспечивая при этом плавное нарастание и спад тока аккумулятора. В интервале времени 2 суперконденсатор разряжается до номинального значения напряжения рабочей точки. В момент времени 3 включается нагрузка, и одновременно суперконденсатор начинает разряжаться в сеть, задерживая загрузку выпрямителя.Где-то после временного интервала 6 регулятор батареи вырабатывает достаточный ток, чтобы компенсировать ток нагрузки. Установите временной интервал 4. В это время суперконденсатор Capacitor Charging. Разработан алгоритм поддержания максимальной мощности, например, при использовании генераторов переменного напряжения, что может быть величиной солнечных батарей, ветряных турбин и других источников с экстремальными значениями мощности и кривыми мощности нулевого напряжения холостого хода и короткого замыкания. . Все проведенные эксперименты подтвердили возможность достижения заявленных свойств за счет сетевых согласующих устройств. Результаты теста GNE-100 можно резюмировать следующим образом: 1. Процедуры и методы испытаний при разработке опытного образца ГНЭ-100 позволили оценить технические характеристики изделия в целом и его отдельных подсистем (ЛИБ-100, БСК-100 и УСС-100) в условиях реальной эксплуатации. условия. 2. Использовать суперконденсаторы для периодического изменения нагрузки в диапазоне 0-100кВт, с периодами 1, 2, 5 и 10 секунд, чтобы обеспечить стабильную подачу активной и реактивной мощности в сеть. Таким образом, возмущающее воздействие нагрузки полностью компенсируется. 3. Использовать аккумуляторные батареи для обеспечения стабильной подачи активной и реактивной мощности в сеть при условии периодического изменения нагрузки в диапазоне 0-100кВт в течение более 10 секунд. Таким образом, возмущающий эффект указанной спектральной нагрузки полностью компенсируется. 4. Нагрузка изменяется периодически в диапазоне 0-100кВт, с периодами 1, 2, 5, 10 и 100 секунд Гибридные приводы используются для обеспечения стабильной подачи активной и реактивной мощности из сети, и при этом В то же время спектр, на который воздействуют сильные помехи (период 1–10 с), компенсируется суперконденсаторами, а воздействие слабой спектральной нагрузки (период 1–10 с, более 10 с) компенсируется батареями. 5. Проверить способ бесперебойного электроснабжения. При отключении питания сеть GNE-100 может стабильно обеспечивать питанием потребителей и поддерживать заданный уровень напряжения локальной нагрузки. 6. Алгоритм работы ГНЭ-100 обеспечивает рекуперативный режим работы - компенсацию помех, вызванных зарядкой суперконденсаторной батареи при перепадах нагрузки. 7. ГНЭ-100 работает параллельно с батареями и суперконденсаторами для обеспечения кратковременного механизма удвоения максимальной мощности. На основе этих испытаний было оценено влияние GSE на работу энергосистемы и работу микросети GSE, а также следующие приложения: – Покрытие кривых пиковой нагрузки КВЭ вблизи или непосредственно на КВЭ для подстанций с установленной мощностью 1,0 МВт, 5 МВт, 20 МВт и временем работы от 15 минут до 5 часов в сутки; – Размещение ГПЭ в подстанциях сетевой инфраструктуры для повышения качества электроэнергии и надежности системы за счет регулирования реактивной мощности, что позволяет воздействовать на такие факторы, как: низкое напряжение, низкий коэффициент мощности, недостаточный запас устойчивости при возникновении кратковременных возмущений в сети. система питания. Установленная мощность ГКЛ «Новая энергия» должна составлять от 5 МВт до 20 МВт, а время работы в сутки не должно превышать 2 часов. – Регулирование частоты энергосистемы (замещение постоянного резерва), ведение графиков диспетчеризации нагрузки ГНЭ с установленной мощностью от 10 до 20 МВт, время работы 1 минута (регулировка частоты), не более 1 часа (плановое ТО) и максимум 2 часа (замена резервного цикла обслуживания); – В качестве резервного источника питания для ключевых пользователей, обеспечивающего мобильное резервное питание во время плановых и внеплановых отключений электроэнергии, а также поддерживая установленную мощность 1 МВт TBE и от 3 до 12 часов работы часов отключения. В течение одного дня; – Интеграция с распределенной генерацией, включая ВИЭ (ветровые и солнечные), балансировка колебаний генерации, улучшение ветряных и солнечных электростанций и распределительных сетей, установленная мощность ГНЭ (соответствует мощности оборудования ВИЭ) 100 кВт, 500 кВт, 1 мегабайт, 5 мегаватт, рабочий день 2-6 часов в день; – Ответственность перед потребителями за снижение затрат на техническое обслуживание и увеличение установленной мощности (соответственно потреблению) 500 кВт, 1,5 МВт, 5 МВт, 20 МВт Конкорд Новая Энергия и качество электроснабжения в период эксплуатации (1...12 в сутки) часов. ЗаключениеМировой рынок систем хранения энергии стремительно развивается: развиваются технологии, накапливается практический опыт применения. Система позволяет по-новому решить многие задачи управления нормальным и аварийным режимами энергосистемы. Наиболее активно разрабатываемым электрохимическим накопителем энергии является литий-ионный аккумулятор, цена которого за последнее десятилетие снизилась вдвое, что сильно повлияло на его инвестиционную привлекательность. Анализ опыта применения систем накопления энергии в мировой энергетике показывает, что Россия сильно отстает от многих стран, внедривших технологии накопления энергии. В современных реалиях в изолированных энергосистемах с распределенной генерацией, микроэнергетическими системами, интеллектуальными и микросетями (включая возобновляемые источники энергии) максимальный технико-экономический эффект может быть получен при использовании систем накопления энергии на российском технологическом уровне, автономных энергосистем. установки в нефтегазовом секторе экономики, потребители которых имеют в основном случайные и резко меняющиеся нагрузки, мощность которых соизмерима с мощностью электростанции. Большая часть электроэнергии, вырабатываемой этими электростанциями, производится дизельными двигателями, поршневыми газовыми турбинами и газотурбинными агрегатами. В этих случаях в настоящее время вполне осуществимы приводы с очень низкими энерго- и энергозатратами, что позволяет накопить опыт их эксплуатации и разработать для них алгоритмы и законы управления. По мере развития технологий и неизбежного снижения стоимости систем хранения они будут активно востребованы в «большой» энергетике. Список литературыБушуев В.В., Лизалек Н.Н., Новиков Н.Л. Динамические свой ства энергообъединений. М.: Энергоатомиздат, 1995. 319 с. ГОСТ 32144-2013. Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения. М.: Стандартинформ. 2014, H., et Гибридный накопитель электроэнергии для ЕНЭС на базе аккумуляторов и суперконденсаторов / Бердников Р.Н., Фортов В.Е., Сон Э.Е., Деньщиков К.К., Жук А.З., Новиков Н.Л., Шакарян Ю.Г. // Энергия Единой сети. 2013, № 2. С. 40–51. Кувшинов В.В., Морозова Н.В., Кузнецов П.Н. Установки для солнечной энергетики. М.: Спутник +, 2017, 177 с. Куликов Ю.А. Накопители электроэнергии – эффективный инструмент управления режимами электроэнергетических систем / Электроэнергетика глазами молодежи – 2018: материалы 9 междунар. молодеж. науч.-техн. конф., Казань, 1–5 окт. 2018 г. в 3 т. – Казань: Казан. гос. энергет. ун-т, 2018. Т. 1. С. 38–43. Накопительная сила энергии. Тематическое приложение к газете «Коммерсантъ». Среда, 18 сентября 2019 г., № 169. Применение систем накопления энергии в России: возможности и барьеры. Экспертно-аналитический отчет / Инфраструктурный центр EnergyNet, Москва, 2019. 158 с. Экспериментальные исследования и испытания совместной работы системы накопления энергии и ДГУ в составе автономной энергосистемы / Зырянов В.М., Кучак С.В., Бачурин П.А., Харитонов С.А., Метальников Д.Г., Гармаш Т.Г., Ворошилов А.Н., Фролов Д.А. // Промышленная энергетика. 2018, № 10. С. 2–10. |