Файл: Применение автоматизированных систем накопления электрической энергии на базе литийионных аккумуляторных батарей в составе гибридных солнечных электростанций Содержание.docx

Применение автоматизированных систем накопления электрической энергии на базе литий-ионных аккумуляторных батарей в составе гибридных солнечных электростанций

Содержание

Введение

Рынок 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 энергии

Гибридные 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.

Номинальная активная мощность, (кВт)	100
Номинальное напряжение (3-ф, 50 Гц), кВ	380
Номинальный выходной фазный ток (А)	152
Диапазон напряжений звена постоянною тока	400...750
Коэффициент гармоник тока сети не более (%)	7
Энергоемкость (кВт*ч)	100
Время работы с полуторакратной перегрузкой по току сети (сек)	до 10
Время работы с номинальной на1рузкой (часы)	1,0
Диапазон регулирования реактивной мощности (квар)	(0- 100)
КПД в цикле заряд-разряд, не менее (%)	75
Регулировка реактивной мощности (кВАр);	-50 + 50
Технические характеристики батареи ЛИ Б -100.
Номинальная активная мощность, (кВт)	100
Энергоемкость, (кВт-час)	100
Время работы в установившихся режимах с номинальной мощностью, (час)	1,0
Ресурс, не менее (циклов заряд-разряд)	1500
КПД в цикле, не менее (%)	85
Назначенный срок эксплуатации, не менее (лет)	10
Технические характеристики БСК-100.
Номинальное статическое напряжение заряда, (кВ)	0,7
Напряжение при разряде, (В)	380
Номинальная динамическая активная мощность при разряде, (кВт)	100
Время работы в динамическом режиме с номинальной мощностью, в диапазоне, (сек)	5 -НО
Ресурс, не менее, циклов заряд-разряд	150000
КПД в цикле, не менее (%)	85

---

2. Моделирование работы опытного образца гибридного накопителя энергии на испытательном стенде

С 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.

---