В статье рассматривается возможность использования различных видов энергетических накопителей как один из способов, позволяющих предотвратить кратковременные нарушения электроснабжения (КНЭ). Стоимость накопителей быстро уменьшается, и интеграция данных технологий в энергосистему становится все более реальной, это становится все более актуальным с появлением активно-адаптивных сетей.
Ключевые слова: электроэнергия, электроснабжение, питание, суперконденсаторы, конденсаторы, накопители энергии
В течение последнего времени отмечается устойчивая тенденция расширения сферы практического применения различных видов накопителей электроэнергии [1]. Раньше накопители применяли для незначительного аккумулирования электроэнергии и источников бесперебойного питания нагрузок небольшой мощности в настоящее время накопители электрической энергии являются важнейшим элементом будущих активно-адаптивных сетей [2]. Основной аспект, способствующий более пристальному изучению применения накопителей электроэнергии в энергосистеме, — тенденция увеличения распределенной генерации на основе альтернативных источников электроэнергии (преимущественно за счёт использования энергии солнца и энергии ветра), не обходится и без экономической составляющей, а именно увеличивается стоимость электроэнергии в пиковые часы [1]. Возрастают требования к надежности электроснабжения. Основное свойство накопителей — способность аккумулировать электроэнергию с ее последующей выдачей в нужное время — имеет особое значение для создания принципиально новых методик оптимального управления энергосистемами.
К основным сферам применения накопителей относят:
- Выравнивание графиков нагрузки в сети (накопление электрической энергии в периоды наличия избыточной (дешевой) энергии и выдачу в сеть в периоды дефицита);
‒ Обеспечение в сочетании с устройствами FACTS повышения пределов устойчивости;
‒ Обеспечение бесперебойного питания особо важных объектов, собственных нужд электростанций и подстанций;
‒ Демпфирование колебаний мощности, стабилизация работы малоинерционных децентрализованных источников электрической энергии.
‒ Повышение надежности и качественных показателей электроснабжения, обеспечение интеграции возобновляемых источников электроэнергии в систему [2].
Для каждого из указанных применений имеет значение энергоемкость накопителя (количество электроэнергии, которое устройство способно накапливать и сохранять на протяжении определенного периода), выдаваемая в единицу времени мощность на протяжении периода разряда, длительность разряда (способность выдавать требуемую мощность в течение конечного временного интервала) и КПД.
В нашей работе основное внимание уделено применению накопителей для покрытия КНЭ, а именно для предотвращения провалов напряжения (ПН). Классические устройства автоматического включения резерва (АВР) и автоматического повторного включения (АПВ), предназначенные для восстановления питания потребителей, имеют время срабатывания порядка нескольких секунд. В результате при ПН нарушается работа чувствительных потребителей. Вследствие нарушения работы отдельных чувствительных элементов происходят сбои в работе технологических агрегатов с высокой степенью автоматизации. Нарушение условий технологического процесса приводит к браку и недоотпуску продукции. Для ряда производств ущерб от провалов напряжения с учетом перезапуска технологических процессов сопоставим с ущербом от длительных перерывов питания, в то время как частота возникновения провалов напряжения выше на несколько порядков.
Один из видов накопителей конденсаторы были вытеснены аккумуляторами, это было связано с тем, что аккумуляторы могли значительно больше накапливать электроэнергии. Другой причиной является то, что при разряде напряжение на выходе аккумулятора меняется очень слабо, так что стабилизатор напряжения или не требуется, или же может иметь очень простую конструкцию.
Главное различие между конденсаторами и аккумуляторами заключается в том, что конденсаторы непосредственно хранят электрический заряд, а аккумуляторы превращают электрическую энергию в химическую, запасают ее, а потом обратно преобразуют химическую энергию в электрическую. При преобразованиях энергии часть ее теряется. Поэтому даже у лучших аккумуляторов КПД составляет не более 90 %, в то время, как у конденсаторов он может достигать 99 %.
Проведенный анализ накопителей, представленных в таблице 1 показывает, что наиболее актуальным для предотвращения провалов напряжения становится использование суперконденсаторов — электрохимическое устройство, конденсатор с органическим или неорганическим электролитом, «обкладками» в котором служит двойной электрический слой на границе раздела электрода и электролита.
Использование суперконденсаторных систем накопления энергии для обеспечения комфортного электропитания потребителей путем компенсации провалов напряжения позволяет экономить значительные материальные ресурсы. Так, например, если среднее промышленное предприятие имеет около 20 провалов напряжения глубиной в 10 % от номинала и длительностью 0,1 сек. Последствия одного такого провала оценивается в среднем в 10 млн. руб. Таким образом, годовая экономия от использования систем электропитания на базе суперконденсаторов составляет более 200 миллиона рублей только для одного предприятия.
Полученные результаты позволяют сделать следующий вывод, применение накопителей электроэнергии, а именно суперконденсаторов может быть наиболее перспективным методом для развития технологий накопления электроэнергии для решения проблемы с ПН.
Литература:
1. Аблязов П. Н. Энергия впрок / П. Н. Аблязов // Энергоэксперт. — 2011. — № 1. — C. 31–32.
2. Воропай Н. И. Интеллектуальные электроэнергетические системы: концепция, состояние, перспективы / Н. И. Воропай // Автоматизация и IT в энергетике. — 2011. — № – С. 11–16.
- Electricity Energy Storage Technology Options. A White Paper Primer on Applications, Costs and Benefits // EPRI, Palo Alto, CA: December 2010. 1020676. — Р. 170. 4. E y e r, J. Energy Storage for the Electricity Grid: Benefits and Market Potential Assessment Guide.
