Возможность применения накопителей энергии в национальной электрической сети Республики Казахстан



В статье автор пытается определить возможность применения накопителей энергии в национальной электрической сети Казахстана.

Ключевые слова: национальная электрическая сеть Казахстана, накопители энергии.

На сегодняшний день самым распространенным и продвинутым типом накопителей энергии (НЭ) являются литий-ионный тип НЭ, получивший распространение за счет широкого использования в транспорте. Также в промышленных масштабах применение литий-ионных систем накопителей энергии (СНЭЭ) является более оптимальным вариантом, вследствие высокого КПД, а также в связи с тем, что маховики имеют низкую максимальная мощность, у свинцово-кислотных аккумуляторов низкая плотность тока по сравнению с литий-ионным накопителем, проточные НЭ являются более дорогим вариантом, хоть и с более продолжительным сроком эксплуатации.

Электрохимический тип НЭ получил наибольшее распространение в виду того, что такие устройства могут выдерживать ежедневные заряды/разряды, при средней продолжительности циклов 5–10 часов, а также могут практически мгновенно изменять собственный режим работы и позволяют масштабировать систему накопления в сторону увеличения номинальной энергоемкости [1].

В связи с вышесказанным для дальнейшего исследования возможности применения НЭ в Национальной электрической сети (НЭС) Казахстана, далее будут рассматриваться только электрохимический тип НЭ, а именно литий-ионные аккумуляторы.

На сегодняшний день в Казахстане отсутствуют нормативно-технические документы, регламентирующие методику выбора НЭ, в части выбора мест размещения, выполняемых функций, параметров НЭ, таких как максимальная мощность и электроемкость. В странах, где применяются накопители энергии, имеются свои требования к СНЭЭ.

Расчет оптимальных параметров СНЭЭ (по энергоемкости и мощности) зависит от функций и применения. Выбор параметров СНЭЭ был осуществлен для следующих функций:

1) резерв регулирования;

2) обеспечение мощности для покрытия неравномерности суточного графика нагрузки в связи с внедрением объектов ВИЭ в НЭС Казахстана;

3) гибридные станции ВИЭ-СНЭЭ для сглаживания профиля ВИЭ.

В связи с вышеперечисленным, установленная мощность СНЭЭ выбрана в зависимости от установленной мощности ВИЭ:

1) поскольку ошибка прогнозирования генерации ВИЭ составляет 15–20 %, для покрытия неравномерности суточного графика нагрузки объектов ВИЭ, мощность СНЭЭ целесообразно выбирать в диапазоне 15–20 % от установленной мощности станции ВИЭ;

2) для полного сглаживания профиля выработки ВИЭ и обеспечения мощности в часы пиковой нагрузки, понадобятся СНЭЭ мощностью в 50 % от установленной мощности ВИЭ.

В случае применения СНЭЭ в гибриде с СЭС, целесообразнее использовать как минимум половину номинальной мощности станции, рассчитанной, по меньшей мере, на 4 часа работы, в соответствии с рисунком 1. Зимний пик нагрузки в энергосистеме Казахстана приходится приблизительно на 19:00 ч, а солнечная генерация снижается с 15:00 до 17:00, следовательно, для покрытия пиковой нагрузки с использованием солнечной энергии, накопленной в СНЭЭ в дневное время, потребуется 4-часовая система СНЭЭ.

Рис. 1. Работа СЭС в гибриде с СНЭ

В соответствии с рисунком 2 изображена самая распространенная схема СНЭЭ в гибриде с ВИЭ с [2].

Рис. 2. Схема подключения СНЭЭ

СНЭЭ могут подключаться к НЭС как в гибриде со станциями ВИЭ, так и автономно к подстанциям.

Местоположение установки СНЭЭ выбирается по критерию близости к станциям ВИЭ, подключенных к НЭС. Учесть другие критерии выбора мест установки, таких как в случае подключении СНЭЭ автономно к подстанциям, наличие свободных ячеек, и другой информации необходимой для подключения к НЭС не представляется возможности в виду отсутствия данной информации в свободном доступе. Однако в этом случае оптимальным решением будет подключение СНЭЭ в узких местах НЭС и энергодефицитных зонах Казахстана.

На основе карта-схемы электрических сетей Единой энергосистемы Казахстана [3] были выбраны станции ВИЭ, подключенные непосредственно к НЭС указанные в таблице 1.

Данные по установленным мощностям и КИУМ были взяты с карты объектов ВИЭ, находящихся в свободном доступе на информационном сайте [4]. Среднегодовая выработка была рассчитана как произведение КИУМ и максимально возможной выработки станции за год.

Таблица 1

Субъекты ВИЭ, подключенные к НЭС Казахстана

Область	Установленная мощность, МВт	Среднегодовая выработка, тыс.кВт*ч	КИУМ
Актюбинская область	96	336 384	40 %
Акмолинская область	145	508 080	40 %
	100	113 880	13 %
Карагандинская область	76	99 864	15 %
Восточно-Казахстанская область	50	262 800	60 %
Алматинская область	100	131 400	15 %
	50	83 220	19 %
	100	122 640	14 %
Туркестанская область	78	109 325	16 %
Жамбылская область	100	131 400	15 %
	100	262 800	30 %
Итого	995	2 161 793	26 %

Согласно 1 таблице, установленная мощность станций ВИЭ, подключенных к НЭС, составляет 995 МВт. Как ранее отмечалось, для полного сглаживания профиля выработки ВИЭ и обеспечения мощности в часы пиковой нагрузки, понадобятся СНЭЭ мощностью в 50 % от установленной мощности объектов ВИЭ.

Анализ эффективности применения СНЭЭ

Предполагается что мощность СНЭЭ равная 500 МВт, покроет дефицит мощности величиной 0,3 ГВт с 15 по 23 час. Однако в течении суток может наблюдаться многочасовой дефицит мощности, что не сможет покрыться СНЭЭ мощностью 500 МВт, емкостью 1190 МВт*ч в соответствии с рисунком 3. СНЭЭ может зарядиться в период с 3 по 6 час емкостью 779 МВт*ч, т. е. сможет выдавать мощность 500 МВт только 1,5 часа. Следует иметь ввиду, что СНЭЭ может продолжительное время хранить заряд.

Рис. 3. Суточный график с применением СНЭЭ

Причиной неэффективности применения СНЭЭ в зимний период является в целом недостаток генерирующих мощностей в Единой энергосистемы Республики Казахстан (ЕЭС РК).

В соответствии с суточным графиком на 26.08.2020 г (рисунок 4) максимум мощности потребления в ЕЭС РК пришелся на 21 час и составил 12,1 ГВт, в то время как производство составило 11,7 ГВт.

Дефицит мощности на 21 час составил 0,3 ГВт и длился до 24 часа. В соответствии с рисунком 4 СНЭЭ мощностью 500 МВт, покроет дефицит мощности величиной 0,3 ГВт продолжительностью 4 часа с 20 по 23 час. Стоит отметить, что в летний день энергосистема была избыточной, в часы избытка СНЭЭ имела бы возможность зарядиться. Накопление возможно производить с 0 по 17 час и с 18 по 20 час. В данном моделировании накопление производилось с 0 по 6 часы.

Рис. 4. Суточный график 26.08.2020г с применением СНЭЭ

Исходя из вышесказанного, мощностей гибрида ВИЭ-СНЭЭ, подключенных к НЭС Казахстана недостаточно. Связанно это с наблюдающейся тенденцией нехватки генерирующих мощностей в ЕЭС РК. В соответствии с прогнозным балансом мощности ЕЭС РК на час совмещенного максимума нагрузок в период 2022–2028 гг, в 2022 году ожидается дефицит мощности на уровне 4,6 ГВт, а к 2028 году этот показатель достигнет 5,2 ГВт [5]. Данное обстоятельство ставит вопрос нехватки мощностей в целом по стране.

Также согласно утвержденному балансу мощности ЕЭС РК на час совмещенного максимума нагрузок в период 2022–2028 гг, в 2022 году ожидается дефицит регулирующих мощностей на уровне 894 МВт, а к 2028 году этот дефицит достигнет значения 1110 МВт.

На примере моделирования применения СНЭЭ в летний период в ЕЭС РК, показало, что данное решение покрытия дефицита маневренных мощностей в пиковые часы является эффективным.

Предлагается субъектам ВИЭ присоединяться к НЭС в гибриде с СНЭЭ мощностью не менее 50 % от установленной мощности станции ВИЭ с продолжительность работы в 4 часа, а также регламентировать следующие функции НЭ:

– смещение пиков нагрузки путем накопления энергии в период повышенной выработки ВИЭ и низкой нагрузки в ЕЭС РК и разряд в период пиковой нагрузки;

– быстрое изменение мощности для компенсации быстрого изменения выработки ВИЭ;

– первичное и вторичное регулирование частоты.

Также необходимо регламентировать требования правила присоединения НЭ к НЭС, как минимум следующих:

1. Регулирование мощности. Рабочий диапазон СНЭЭ должен быть промежутком между ее предельной способностью принимать активную мощность и ее предельной способностью принимать активную мощность. Также СНЭЭ должны иметь возможность регулирования активной мощности командами системного оператора.
2. Регулирование скорости изменения нагрузки. Скорость изменения нагрузки для регулирования активной мощности должно быть от 1 % до 100 % номинальной мощности в минуту. Также необходимо учитывать, что СНЭЭ имеет ограничение по энергоемкости, в этой связи необходимо устанавливать допустимую скорость изменения нагрузки при достижении предела энергоемкости.

Необходимо также учитывать при размещении СНЭЭ фактор безопасности, т. к. в литий-ионных накопителях содержатся горючие химикаты.

Заключение

Предлагается наиболее эффективный тип накопителя, а именно литий-ионные аккумуляторы, которые показал наибольшую эффективность в связи с высоким КПД, высокой плотностью тока, а также довольно быстрой установки и монтажа данной СНЭЭ.

Выбраны параметры НЭ, устанавливающие мощность на уровне не менее 50 % от установленной мощности станции ВИЭ, в гибриде с которой будет подключена СНЭЭ. Смоделированы суточные графики производства-потребления электроэнергии в ЕЭС РК при применении НЭ.

Литература:

1. Energy storage in the energy transition context: A technology review / A. B. Gallo, J. R. Simões-Moreira, H,K Costa [и др.]. — Текст: непосредственный // Renewable and Sustainable Energy Reviews. — 2016. — № 65. — С. 800–822.
2. Астахов, Ю. Н. Накопители энергии в электрических системах: Учеб, пособие для электроэнергетических спец. вузов / Ю. Н. Астахов, В. А. Веников, А. Г. Тер-Газарян. — 1-е изд. — Москва: Высшая школа, 1989. — 158 c. — Текст: непосредственный.
3. Карта-схема электрических сетей 1150–500–220–110 кВ ЕЭС Республики Казахстан. — Текст: электронный // KEGOC: [сайт]. — URL: https://www.kegoc.kz/ru/about/natsionalnaya-energosistema/ (дата обращения: 10.06.2022).
4. Карта объектов ВИЭ в Казахстане. — Текст: электронный // ТОО «Расчетно-финансовый центр по поддержке возобновляемых источников энергии»: [сайт]. — URL: https://rfc.kegoc.kz/vie/yamaps (дата обращения: 10.06.2022).
5. Утвержденный баланс электроэнергии и мощности ЕЭС РК на 2022–2028 года. — Текст: электронный // КЕGОС: [сайт]. — URL: https://www.kegoc.kz/upload/iblock/261/2610a50d24b9baeff333bbd472f493c6.pdf (дата обращения: 10.06.2022).