Испытания промышленного образца системы накопления энергии СНЭ-10-1200-400 при совместной работе с ГПУ в составе экспериментальной энергосистемы

Page 1
background image

Page 2
background image

18

Испытания промышленного 
образца системы накопления 
энергии СНЭ-10-1200-400 
при совместной работе с ГПУ 
в составе экспериментальной 
энергосистемы

УДК 621.311:621.352

Приведены

 

результаты

 

испытаний

 

головного

 

промышленного

 

образца

 

системы

 

накоп

-

ления

 

энергии

 (

СНЭ

-10-1200-400) 

номинальной

 

мощностью

 1200 

кВ∙А

энергоемкостью

 

400 

кВт∙ч

 

и

 

напряжением

 10 

кВ

 

на

 

базе

 

литий

-

ион

 

ных

 

аккумуляторных

 

батарей

 

при

 

совмест

 

ной

 

работе

 

с

 

газопоршневыми

 

установками

 (

ГПУ

в

 

составе

 

экспериментальной

 

энергосистемы

 

с

 

активной

 

резкопеременной

 

нагрузкой

Описаны

 

ее

 

структура

состав

 

и

 

параметры

а

 

также

 

состав

 

и

 

параметры

 

системы

 

накопления

 

энергии

 (

СНЭ

).

Испытания

 

показали

 

работоспособность

 

испытуемого

 

образца

высокую

 

эффектив

-

ность

 

реализованных

 

алгоритмов

 

и

 

подтвердили

 

целесообразность

 

применения

 

СНЭ

для

 

сглаживания

 

набросов

/

сбросов

 

мощности

 

ГПУ

 

и

 

исключения

 

их

 

аварийного

отключения

 

из

-

за

 

бросков

 

мощности

 

нагрузки

.

Бачурин

 

П

.

А

.,

ассистент кафедры Элек тро-

ники и электро техники НГТУ

Гладков

 

Д

.

С

.,

магистрант кафедры Авто-

ма тизированных электро-

энергетических систем НГТУ

Зырянов

 

В

.

М

., 

к.т.н., с.н.с., доцент кафедры 

Автоматизированных электро-

энергетических систем НГТУ

Кучак

 

С

.

В

.,

старший преподаватель 

кафедры Электроники 

и электротехники НГТУ 

Лебедев

 

Д

.

Е

.,

ведущий инженер технической 

поддержки ООО «Системы 

накопления энергии»

Нестеренко

 

Г

.

Б

.,

аспирант кафедры 

Автоматизированных 

электроэнергетических систем 

НГТУ, инженер технической 

поддержки ООО «Системы 

накопления энергии»

Пранкевич

 

Г

.

А

.,

инженер технической 

поддержки ООО «Системы 

накопления энергии» 

Решетников

 

А

.

Н

.,

старший преподаватель 

кафедры Электроники 

и электротехники НГТУ 

Савицкий

 

А

.

М

.,

начальник службы испытаний 

и сервиса ООО «Системы 

накопления энергии»

Ключевые

 

слова

:

система накопления энергии, газопоршневая установка, экспериментальные 

исследования, автономная энергосистема, резкопеременная нагрузка, 

нагрузочная диаграмма, литий-ионная аккумуляторная батарея

ВВЕДЕНИЕ

В  настоящее  время  отечествен-

ные  технологии  накопления 

энергии вышли на уровень прак-

тического применения в электро-

энергетике.  Внедрение  систем 

накопления энергии (СНЭ) в элек-

троэнергетические системы всех 

типов  —  одно  из  ключевых  на-

правлений  развития  энергетики 

России. 

Быстродействующие 

СНЭ  позволяют  решать  ряд 

сложных  задач  гораздо  более 

эффективно,  чем  это  делается 

традиционными  методами  [1–5]. 

СНЭ  —  многофункциональное 

устройство,  способное  регули-

ровать  активную  и  реактивную 

мощность,  частоту,  выполнять 

функции активного фильтра выс-

ших  гармоник,  компенсировать 

несимметрию  трехфазного  на-

пряжения.

Наибольший  технический 

и экономический эффект от при-

менения СНЭ в настоящее время 

может быть получен, прежде все-

го, на объектах распределенной 

НАКОПИТЕЛИ

ЭНЕРГИИ


Page 3
background image

19

генерации,  в  Smart  и  Microgrids 

(в  том  числе  с  возобновляемы-

ми источниками энергии), на ав-

тономных  электростанциях  не-

фтегазового сектора экономики. 

Преобладающая  доля  выработ-

ки  электроэнергии  в  последнем 

случае  производится  в  основ-

ном дизельными, газотурбинны-

ми  и  газопоршневыми  установ-

ками. 

Газопоршневые  установки 

(ГПУ),  также  как  и  дизель-гене-

раторные установки (ДГУ), отли-

чаются  надежностью  конструк-

ции  и,  в  отличие  от  последних, 

работают не на дорогом дизель-

ном  топливе,  а  на  различных 

видах  газообразного  топлива 

(природный  газ,  пропан,  бутан, 

попутный  нефтяной  газ  и  т.д.), 

которые,  как  правило,  в  изоби-

лии  имеются  в  местах  нефте-

и газодобычи.

В то же время ГПУ, в отличие 

от  ДГУ,  имеет  ряд  характерных 

особенностей [6]: 

 

– при  мгновенных  набросах/

сбросах нагрузки в 10–20% от 

номинальной  мощности  ГПУ 

отключается  технологической 

защитой;

 

– скорость наброса/сброса мощ-

ности  должна  составлять  не 

Рис

. 1. 

Экспериментальная

 

установка

 

для

 

испытаний

 

совместной

 

работы

 

СНЭ

-10-1200-400 

и

 

ГПУ

более  1%  в  секунду  от  номи-

нальной мощности ГПУ;

 

– при длительной работе нагруз-

ка  ГПУ  должна  составлять  не 

менее 35–40% от номинальной 

мощности.

Необходимость  учета  этих 

особенностей  в  процессе  экс-

плуатации  ГПУ  особенно  важ-

на,  так  как  газопоршневые  агре-

гаты  широко  применяются  на 

автономных 

электростанциях 

нефте- и газодобывающих пред-

приятий, нагрузка которых имеет 

ярко выраженный резкоперемен-

ный  стохастический  характер. 

Такой  характер  нагрузки,  кроме 

всего  прочего,  приводит  к  повы-

шенному  износу  оборудования 

и, следовательно, к повышенным 

издержкам на ремонт и обслужи-

вание ГПУ. 

В  настоящей  статье  описыва-

ются результаты эксперименталь-

ных  испытаний  и  исследований 

системы  накопления  энергии, 

выполненные  ООО  «СНЭ»,  ООО 

«СПТ»  и  НГТУ  24  мая  2019  года 

в  Новосибирске.  Испытания  про-

водились  с  головным  промыш-

ленным  образцом  СНЭ-10-1200-

400  УХЛ1  мощностью  1200  кВ∙А, 

энергоемкостью  400  кВт∙ч,  номи-

нальным напряжением 10 кВ про-

изводства  ООО  «СНЭ»,  предна-

значенного для работы в составе 

автономной  системы  электро-

снабжения  на  базе  ГПУ  (рису-

нок 1).

Цель  испытаний  —  проверка 

соответствия  головного  образца 

СНЭ,  параметров  системы  в  це-

лом  и  каждой  из  ее  подсистем 

требованиям  технического  за-

дания,  подтверждение  эффек-

тивности  СНЭ  для  обеспечения 

режима  сглаживания  набросов/

сбросов  мощности  нагрузки 

(ограничения  скорости  нараста-

ния/убывания  мощности,  потре-

бляемой от ГПУ).

ОПИСАНИЕ

 

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ

 

УСТАНОВКИ

Схема  экспериментальной  уста-

новки для испытания СНЭ пред-

ставлена на рисунке 2. В соста-

ве  установки  две  ГПУ,  силовые 

трансформаторы,  секциониро-

ванная активная нагрузка, вели-

чина которой дискретно изменя-

ется с помощью коммутационных 

аппаратов,  система  накопле-

ния  энергии,  контрольно-изме-

рительное  и  регистрирующее 

оборудование,  сис тема  управ-

ления. 

 2 (59) 2020


Page 4
background image

20

Табл. 1. Технические характеристики 

MWM TCG 2020 V12K

на частоте 50 Гц

Параметр

Зна-

чение

Электрическая мощность, кВт

1125

Тепловая мощность, кВт

1253

Электрический КПД, %

40,9

Тепловой КПД, %

45,6

Общий КПД, %

86,5

Капитальный ремонт при рабо-

те на природном газе, через ч

64 000

Скорость вращения, об./мин.

1500

Средняя скорость поршня, м/с

9,8

Сухой вес агрегата, кг

11 700

Табл. 2. Технические характеристики GBS-LFP100AH

Параметр

Зна чение

Емкость, А∙ч

100

Материал положительного электрода

литий-феррум-

фосфат

Номинальное напряжение, В

3,2

Максимальный длительно допустимый ток разряда, А

300

Максимальный длительно допустимый ток заряда, А

100

Максимальный импульсный ток, А

1000

Внутреннее сопротивление, Ом, не более

0,6

Саморазряд в месяц, %, не более

1

Количество циклов зарядки, раз, более

2000

Масса, кг

2,8

Габаритные размеры, Д×Г×В, мм

126 × 65 × 253

Температура эксплуатации, °С

–20…+65

СОСТАВ

 

ОБОРУДОВАНИЯ

 

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ

 

УСТАНОВКИ

 

В  составе  экспериментальной 

установки использованы две ГПУ 

GmbH MWM TCG 2020 V12K с ге-

нераторами  АvK  DIG  120  i/4,  ра-

ботающие  на  природном  газе. 

Технические  характеристики  ГПУ 

приведены в таблице 1 [7].

Для  моделирования  активной 

резкопеременной  нагрузки  ис-

пользовался  модуль  коммутиро-

вания  нагрузки  (МКН),  позволяю-

щий  с  заданной  периодичностью 

подключать  и  отключать  блоки 

активной нагрузки:

 

– 2  нагрузочных  блока  (модуля) 

ИС-400-100, с активной нагруз-

кой 100 кВт каждый;

 

– 2  нагрузочных  блока  (LOAD 

BANKS),  с  активной  нагрузкой 

400  кВт  каждый  (мощность 

одного из блоков искусственно 

ограничена до 200 кВт);

 

– 2 нагрузочных блока (электро-

калориферы) КЭВ-60, с актив-

ной нагрузкой 200 кВт каждый.

В  качестве  испытуемой  сис-

темы  накопления  энергии  ис-

пользовалась  СНЭ-10-1200-400. 

В  ходе  испытаний  СНЭ  долж-

на  была  обеспечивать  режим 

сглаживания  набросов/сбросов 

мощности  нагрузки  в  экспери-

ментальной  автономной  систе-

ме.  Связь  между  литий-ионны-

ми  аккумуляторными  батареями 

и  энергосистемой  осуществля-

ется с помощью силового транс-

форматора  и  двунаправленного 

транзисторного  преобразовате-

Рис

. 2. 

Принципиальная

 

схема

 

испытательной

 

экспериментальной

 

уста

-

новки

: C

НЭ

 — 

система

 

накопления

 

энергии

ГПУ

1, 

ГПУ

2 — 

газопоршневые

 

установки

Т

4.1, 

Т

4.2 — 

силовые

 

трансформаторы

; R4.1–R4.6 — 

актив

-

ные

 

нагрузочные

 

сопротивления

; Q1, Q2, Q4.1–Q4.6 — 

выключатели

ТН

и

 TH2 — 

измерительные

 

трансформаторы

 

напряжения

ТТ

1.1–

TT4.3 — 

измерительные

 

трансформаторы

 

тока

ЧМИПУ

 — 

человеко

-

машинный

 

интерфейс

 

подсистемы

 

управления

ТТС

 — 

трансформатор

 

тока

 

суммирующий

НАКОПИТЕЛИ

ЭНЕРГИИ


Page 5
background image

21

Табл. 3. Технические данные

аккумуляторного модуля 

МА6×200.600

Параметр

Зна чение

Тип аккумуляторов

GBS-

LFP100AH

Количество аккуму-

ляторов, шт.

12

Количество аккумуля-

торных ячеек, шт.

6

Номинальное 

напряжение, В

19,2

ля,  собранного  по  классической 

трехфазной мостовой схеме.

В  подсистеме  накопления 

(ПН)  используются  аккумуляторы 

GBS-LFP100AH,  имеющие  тех-

нические  характеристики,  приве-

денные в таблице 2 [8]. Основным 

элементом  ПН  является  аккуму-

ляторный  модуль  МА6×200.600, 

представляющий  собой  сборку 

из  шести  аккумуляторных  ячеек 

емкостью  по  200  А∙ч,  собранных 

последовательно, элементов сис-

темы  управления  аккумулятор-

ной  батареей  и  корпуса.  В  СНЭ 

используются  две  модификации 

модулей  —  с  положительным 

и  отрицательным  электродами. 

Технические  характеристики  мо-

дуля представлены в таблице 3. 

Модули размещаются в шесть 

рядов  на  стеллажах.  Каждая  ба-

тарея  (из  трех)  состоит  из  двух 

стеллажей:  в  первом,  помимо 

15  модулей,  располагается  ком-

мутационное силовое оборудова-

ние и вторичные цепи, а во втором 

размещены  18  аккумуляторных 

модулей.

Подсистема  преобразования 

электрической  энергии  (ПП)  реа-

лизована  на  базе  трех  трехфаз-

ных  силовых  преобразователей 

по 400 кВ∙А каждый и выполняет 

следующие функции:

 

– преобразование  трехфазно-

го  напряжения  переменного 

тока  промышленной  частоты 

в напряжение постоянного тока 

и заряд аккумуляторов ПН;

 

– поддержание  аккумуляторов 

ПН  в  режиме,  обеспечиваю-

щем  их  работоспособность 

и наибольший ресурс;

 

– преобразование  напряжения 

постоянного  тока  в  напряже-

ние  переменного  тока  про-

мышленной  частоты  и  выдачу 

мощности  на  нагрузку  или 

в сеть.

В  системе  управления  преоб-

разователя  использованы  эле-

менты  теории  мгновенной  мощ-

ности и блок фазовой подстройки 

частоты (phase locked loop) [9, 10].

ПРОГРАММА

 

ИСПЫТАНИЙ

ГПУ  имеют  достаточно  серьез-

ные  ограничения  по  допустимой 

динамике  изменения  нагрузки, 

что  существенно  осложняет  их 

применение  в  энергосистемах 

с  резкопеременной  нагрузкой. 

Поэтому  основное  внимание 

в  ходе  испытаний  уделялось 

проверке  эффективности  и  от-

ладке  алгоритмов  управления 

СНЭ  для  уменьшения  скорости 

изменения  мощности  ГПУ  при 

резких бросках нагрузки. Особый 

интерес  при  этом  представляет 

анализ  переходных  процессов, 

поскольку  основные  характер-

ные  особенности  изменения  ре-

жимных параметров автономных 

энергосистем  с  ГПУ  на  нефте- 

и  газодобывающих  предприяти-

ях — резкие и глубокие просадки 

и  забросы  частоты  и  напряже-

ния,  сопровождающиеся  повы-

шенным расходом топлива и мо-

торесурса, а при бросках (более 

10–20%  мощности  нагрузки)  — 

отключением  ГПУ  технологиче-

скими защитами.

В  качестве  возможных  ал-

горитмов  управления  СНЭ  для 

совместного  применения  с  ГПУ 

в  автономных  системах  были  ис-

пытаны два алгоритма. 

Первый  алгоритм  предназна-

чен  для  ограничения  скорости 

изменения  мощности  генератора 

при  резких  изменениях  нагруз-

ки (далее — Режим компенсации

dP

/

dt

).  При  набросе  или  сбро-

се  нагрузки  СНЭ  обеспечивает 

плавное изменение генерируемой 

мощности, значительно уменьшая 

просадки  и  забросы  напряжения, 

частоты,  а  также  исключая  воз-

можность отключения ГПУ техно-

логическими защитами. 

Второй  алгоритм  предназна-

чен  для  ограничения  максималь-

ной  и  минимальной  мощности, 

генерируемой  ГПУ  (далее  —  Ре-

жим  ограничения  мощности). 

При  пиках  потребления  СНЭ  вы-

дает  мощность,  равную  разности 

между мощностью нагрузки и пре-

дельным  заданным  значением 

мощности ГПУ (верхняя уставка), 

а  при  малой  нагрузке  догружает 

ее  до  минимального  заданного 

значения  (нижняя  уставка),  нака-

пливая  при  этом  энергию.  Таким 

образом  сглаживается  график 

нагрузки  ГПУ,  что  позволяет  экс-

плуатировать генераторный агре-

гат в более благоприятном режи-

ме,  минимизируя  расход  топлива 

и  моторесурса.  Сглаживание  на-

грузочной  диаграммы  дает  воз-

можность  выбирать  установлен-

ную  мощность  ГПУ  существенно 

меньше максимума нагрузки.

Программа испытаний включа-

ла следующие опыты:

1.  Проверка  работоспособности 

СНЭ  при  реализации  первого 

алгоритма  в  режиме  ограниче-

ния  скорости  изменения  мощ-

ности ГПУ во время набросов и 

сбросов мощности нагрузки при 

разных рабочих циклах нагруз-

ки и разных уставках по скоро-

сти изменения мощности.

2.  Проверка  работоспособности 

СНЭ  при  реализации  второго 

алгоритма  в  режиме  ограни-

чения  максимальной  и  мини-

мальной мощности ГПУ в раз-

ных  нагрузочных  циклах  при 

различных уставках.

РЕЗУЛЬТАТЫ

 

РЕАЛИЗАЦИИ

 

ПЕРВОГО

 

АЛГОРИТМА

 «

РЕЖИМ

 

КОМПЕНСАЦИИ

 dP/dt»

При  проведении  испытаний  ско-

рость 

изменения 

суммарной 

мощности,  генерируемой  ГПУ 

1  и  2,  ограничивалась  значени-

ем 22,5 кВт/с — 1% от суммарной 

мощности  (2250  кВт)  двух  ГПУ. 

В алгоритме управления СНЭ реа-

лизован экспоненциальный харак-

тер изменения мощности. 

В  ходе  проведения  опытов 

исследовались  режимы  работы 

СНЭ  при  компенсации  набросов 

и  сбросов  нагрузки  различной 

мощности  —  100,  200,  400,  600, 

800, 1200 кВт.

Испытательная  схема  показа-

на на рисунке 2.

Начальное состояние схемы:

 

– выключатели  Q4.1–Q4.3  от -

клю чены;

 

– выключатели  Q1,  Q2,  Q4.4–

Q4.6 включены;

 

– мощность нагрузки составляет 

800 кВт;

 2 (59) 2020


Page 6
background image

22

 

– СНЭ находится в режиме ожи-

дания.

Рабочие  циклы  изменения 

нагрузки  (рисунок  3)  моделиро-

вались путем коммутации нагру-

зочных активных сопротивлений. 

При  этом  базовая  неотключа-

емая  нагрузка  составляла  35–

40 кВт (питание вентиляторов на-

грузки, осветительное и бытовое 

оборудование 

испытательной 

установки).

Запись  мгновенных  значений 

токов  ГПУ1,  ГПУ2,  СНЭ  и  напря-

жений на шинах 10 кВ производи-

лась  на  цифровой  осциллограф 

с частотой дискретизации 25 кГц. 

На основании их рассчитывались 

все остальные мгновенные значе-

ния режимных параметров.

Фрагмент  осциллограммы,  по-

лученной  при  реализации  рабо-

чего  цикла  для  участка  с  27  по 

36 минуту, представлен на рисун-

ке  4.  Без  участия  СНЭ  реализо-

вать  такой  график  нагрузки  было 

бы  невозможно  —  технологиче-

ская защита ГПУ отключила бы ее 

при первом же броске мощности. 

СНЭ в начальный момент полно-

стью «принимает на себя» наброс 

или  сброс  мощности  нагрузки 

и плавно «передает» ее на ГПУ по 

экспоненциальному закону.

Фрагмент 

осциллограммы, 

полученной  при  реализации  ра-

бочего  цикла  с  60  по  71  минуту, 

представлен на рисунке 5. Экспе-

римент  показал  высокую  эффек-

тивность  СНЭ  при  ограничении 

скорости  изменения  мощности 

ГПУ при набросах/сбросах нагруз-

ки в диапазоне намного большем, 

чем в предыдущем случае — 600, 

800  и  1200  кВт.  Без  СНЭ  такие 

броски мощности приводят к без-

условному  срабатыванию  техно-

логической защиты и отключению 

ГПУ.

На  рисунке  6  представлены 

осциллограммы, полученные при 

проведении опыта, аналогичного 

вышеописанным,  но  выполнен-

ному при более высокой частоте 

изменения нагрузки. Нагрузка из-

менялась  в  широком  диапазоне 

каждые  10  секунд  и,  поскольку 

допустимая  скорость  изменения 

мощности ГПУ была принята та-

кой  же,  как  и  в  описанных  выше 

опытах,  ГПУ  не  успевала  выйти 

на  режим  полного  покрытия  на-

грузки.  За  счет  этого  при  боль-

шей  частоте  резких  изменений 

нагрузки  значительно  бо́льшая 

доля ее переменной составляю-

щей  обеспечивается  ресурсами 

СНЭ.

Во  всех  описанных  опытах 

СНЭ при каждом набросе нагрузки 

переходила в режим выдачи мощ-

ности, а при сбросе — в режим по-

требления  избыточной  мощности 

ГПУ, выполняя роль демпфера.

На рисунках 7 и 8 приведены 

осциллограммы  частоты,  мощ-

ности ГПУ и нагрузки при крити-

ческом значении сброса нагрузки 

с  1200  до  1000  кВт  с  участием 

Рис

. 3. 

Фрагмент

 

переменной

 

части

 

рабочего

 

цикла

 

нагрузки

 

с

 

дискрет

-

ностью

 1 

минута

 

для

 

проверки

 

способности

 

СНЭ

 

компенсировать

 

набросы

 

и

 

сбросы

 

мощности

27

1200

900

600

300

0

P

, кВт

t

, мин.

51

39

63

33

57

69

45

72

30

54

42

66

36

60

75

48

78

Рис

. 4. 

Осциллограммы

 

мощности

 

нагрузки

 (

красный

 

цвет

и

 

мощности

ГПУ

 (

зеленый

 

цвет

при

 

допустимой

 

скорости

 

изменения

 

мощности

 (

устав

-

ке

) 22,5 

кВт

/c

27

1200

900

600

300

0

P

, кВт

t

, мин.

35

31

28

33

28

36

32

30

34

Рис

. 5. 

Осциллограммы

 

мощности

 

нагрузки

 (

красный

 

цвет

и

 

мощности

ГПУ

 (

зеленый

 

цвет

при

 

допустимой

 

скорости

 

изменения

 

мощности

 (

устав

-

ке

) 22,5 

кВт

/c

61

1200

900

600

300

0

P

, кВт

t

, мин.

69

65

63

67

62

70

66

64

68

Рис

. 6. 

Осциллограммы

 

мощности

 

нагрузки

 (

красный

 

цвет

и

 

мощности

ГПУ

 (

зеленый

 

цвет

при

 

допустимой

 

скорости

 

изменения

 

мощности

 (

устав

-

ке

) 22,5 

кВт

/c

1350
1200
1050

900
750
600
450
300
150

0

P

, кВт

t

, сек.

60

30

210

180

150

120

90

НАКОПИТЕЛИ

ЭНЕРГИИ


Page 7
background image

23

и без участия СНЭ. В этих опытах 

был реализован тот же алгоритм 

управления,  который  описан 

выше. Переходные процессы при 

участии  СНЭ  протекают  со  зна-

чительно  меньшими  отклонени-

ями  режимных  параметров,  пре-

жде  всего  частоты,  нежели  без 

СНЭ,  что  благоприятно  сказыва-

ется  на  условиях  эксплуатации 

ГПУ  и  подтверждает  эффектив-

ность реализованного алгоритма 

управления.

При  реализации  первого  ал-

горитма  во  всех  выполненных 

опытах  не  было  зафиксировано 

отключений ГПУ технологической 

защитой  по  причине  набросов 

и  сбросов  мощности  нагрузки. 

Время  реакции  СНЭ  на  наброс/

сброс  мощности  нагрузки  соста-

вило не более 10 мс. Значительно 

улучшилось качество переходных 

процессов.  Подтверждена  рабо-

тоспособность  СНЭ  и  показана 

эффективность алгоритма управ-

ления  для  сглаживания  бросков 

мощности нагрузки.

РЕАЛИЗАЦИЯ

 

ВТОРОГО

 

АЛГОРИТМА

 «

РЕЖИМ

 

ОГРАНИЧЕНИЯ

 

МОЩНОСТИ

»

В  ходе  этого  испытания  СНЭ 

с  предварительно  заряженными 

аккумуляторами  ПН  работала  на 

ограничение  суммарной  макси-

мальной  и  минимальной  мощно-

сти  двух  ГПУ  (нижняя  уставка  — 

900 кВт, верхняя — 1100 кВт). При 

выходе мощности нагрузки за пре-

делы указанных значений разница 

между уставкой и фактической на-

грузкой компенсировалась за счет 

СНЭ. Испытательная схема и на-

чальные условия при проведении 

испытаний были теми же самыми, 

что и в предыдущем случае.

Во  время  испытаний  задавал-

ся  резкопеременный  график  из-

менения  мощности  нагрузки  от 

800 кВт до 1200 кВт. Время реак-

ции СНЭ на изменение мощности 

нагрузки не превышало заданного 

ограничения в 20 мс, а мощность, 

генерируемая ГПУ 1 и 2, не выхо-

дила  за  установленные  пределы 

900 и 1100 кВт (рисунок 9).

По  такому  же  графику,  но 

с  разными  ограничениями  диа-

пазона  мощности  был  выполнен 

ряд  опытов,  которые  подтверди-

ли высокую эффективность СНЭ 

для  решения  поставленной  за-

дачи.  При  сближении  значений 

верхней  и  нижней  уставок  про-

исходит  все  большее  сглажива-

ние графика мощности ГПУ и его 

приближение  к  среднему  значе-

нию  графика  мощности  нагруз-

ки,  что  позволяет  ГПУ  работать 

в  более  экономичном  режиме  с 

меньшим  удельным  расходом 

топлива.  К  тому  же  появляется 

возможность замены «штатного» 

генераторного  агрегата  на  агре-

гат  меньшей  мощности,  близкой 

Рис

. 7. 

Осциллограммы

 

мощности

 

нагрузки

 (

красный

 

цвет

), 

мощности

 

ГПУ

 (

зеленый

 

цвет

и

 

мгновенного

 

значения

 

частоты

 

на

 

шинах

 

ГПУ

 

без

 

СНЭ

 

при

 

сбросе

 

мощности

 

нагрузки

 

с

 1200 

кВт

 

до

 1000 

кВт

Рис

. 8. 

Осциллограммы

 

мощности

 

нагрузки

 (

красный

 

цвет

), 

мощности

 

ГПУ

 (

зеленый

 

цвет

и

 

мгновенного

 

значения

 

частоты

 

на

 

шинах

 

ГПУ

 

со

 

СНЭ

 

при

 

сбросе

 

мощности

 

нагрузки

 

с

 1200 

кВт

 

до

 1000 

кВт

1350

1200

1050

900

1350

1200

1050

900

P

, кВт

P

, кВт

t

, сек.

t

, сек.

5

5

0

0

15

15

10

10

f

, Гц

51
50
49
48

f

, Гц

51
50
49
48

Рис

. 9. 

Осциллограммы

 

мощности

 

нагрузки

 (

красный

 

цвет

и

 

мощности

 

ГПУ

 

(

зеленый

 

цвет

при

 

ограничении

 

минимума

 

и

 

максимума

 

мощности

 

ГПУ

0

P

, кВт

t

, мин.

4

2

3

1

1350
1200
1050

900
750
600
450
300
150

к  среднему  значению  мощности 

графика нагрузки. Регулирование 

переменной  части  графика  на-

грузки  в  этом  случае  полностью 

выполняется  за  счет  СНЭ.  При 

этом  достигается  комплексный 

эффект: минимальный удельный 

расход  топлива,  минимальная 

стоимость  агрегата,  минималь-

ные  издержки  на  его  обслужи-

вание,  увеличение  моторесурса 

приводного двигателя, снижение 

потерь в генераторе от переход-

ных  процессов,  обусловленных 

резкопеременной нагрузкой. 

Время  реакции  СНЭ  на  из-

менение  мощности  нагрузки  при 

проведении  опытов  составило 

не более 10 мс, а суммарная вы-

ходная  мощность  ГПУ1  и  ГПУ2, 

не  выходила  за  установленные 

пределы  —  нижнюю  и  верхнюю 

уставки мощности.

ВЫВОДЫ

Впервые  проведенные  в  РФ  ис-

пытания  промышленного  образ-

ца  системы  накопления  энер-

гии 

СНЭ-10-1200-400 

(мощ-

ность  1200  кВА  и  энергоемкость 

400 кВт∙ч) при совместной работе 

с  ГПУ  на  резкопеременную  на-

грузку в составе эксперименталь-

 2 (59) 2020


Page 8
background image

24

ной  испытательной  установки 

подтвердили  работоспособность 

всех  подсистем  СНЭ  и  высокую 

эффективность  предложенных 

алгоритмов.  Реализованные  ал-

горитмы  управления  СНЭ  зна-

чительно  улучшили  условия 

эксплуатации  ГПУ  за  счет  суще-

ственного снижения интенсивно-

сти  переходных  процессов,  что 

ведет к повышению технико-эко-

номических показателей ГПУ. 

Применение  СНЭ  совместно 

с  ГПУ,  работающей  на  резкопе-

ременную  нагрузку,  позволяет 

ограничивать  скорость  измене-

ния мощности генератора до до-

пустимых значений. За счет этого 

существенно  снижаются  требо-

вания к типу генераторного агре-

гата, работающего на резкопере-

менную  нагрузку,  что  особенно 

актуально для автономных энер-

госистем, в составе которых экс-

плуатируются  ГПУ.  Кроме  того, 

при  ограничении  скорости  изме-

нения  мощности  генератора  при 

его  работе  на  резкопеременную 

нагрузку кардинально снижается 

амплитуда  крутильных  момен-

тов на валу генератора, обеспе-

чивается  более  благоприятный 

режим  его  работы,  снижается 

расход  топлива,  экономится  мо-

торесурс ГПУ.

Использование  СНЭ  в  режиме 

ограничения  максимальной  и  ми-

нимальной нагрузки на ГПУ позво-

ляет эксплуатировать ГПУ без ри-

ска отключений технологическими 

защитами  при  резкопеременном 

графике нагрузки и в режимах ма-

лой  нагрузки.  Также  может  быть 

достигнут  значительный  эконо-

мический  эффект  путем  выбора 

генераторного агрегата не по мак-

симальной  мощности  нагрузки, 

а с учетом ограничения ее пиков. 

За  счет  этого  уменьшаются  капи-

тальные затраты на основное обо-

рудование,  затраты  на  запасные 

части,  эксплуатационные  издерж-

ки  и  снижается  удельный  расход 

топлива  [5].  Наибольший  эффект 

от  замены  мощного  ГПУ  на  агре-

гат меньшей мощности по расходу 

топлива  достигается  при  низких 

значениях коэффициента исполь-

зования установленной мощности 

заменяемого агрегата.  

ЛИТЕРАТУРА
1.  Бердников Р.Н., Фортов В.Е., Шакарян Ю.Г., Деньщиков 

К.К. Гибридный накопитель энергии для ЕНЭС на базе 

аккумуляторов  и  суперконденсаторов  //  Энергия  еди-

ной сети, 2013, № 1. С. 40–51.

2.  Zobaa A.F. Energy storage technologies and applications. 

Rijeka, Croatia: Intech, 2013. 328 p. 

3.  Кононенко В.Ю., Вещунов О.В., Билашенко В.П., Смо-

ленцев Д.О. Эффекты применения накопителей энер-

гии в изолированных энергосистемах России // Арктика: 

экология и экономика, 2014, № 2(14). С. 61–66.

4.  Концепция  развития  рынка  систем  хранения  электро-

энергии  /  Министерство  энергетики  Российской  Феде-

рации. URL: https://minenergo.gov.ru/node/9029.

5.  Зырянов  В.М.,  Кучак  С.В.,  Бачурин  П.А.,  Харитонов 

С.А.,  Метальников  Д.Г.,  Гармаш  Т.Г.,  Ворошилов  А.Н., 

Фролов  Д.А.  Экспериментальные  исследования  и  ис-

пытания совместной работы системы накопления энер-

гии и ДГУ в составе автономной энергосистемы // Про-

мышленная энергетика, 2018, № 10. С. 2–10.

6.  Илюшин П.В., Куликов А.Л., Березовский П.К. Эффек-

тивное  использование  накопителей  электрической 

энергии  для  предотвращения  отключений  объектов 

распределенной  генерации  при  кратковременных  от-

клонениях  частоты  //  Релейная  защита  и  автоматиза-

ция, 2019, № 4. С. 32–39.

7.  Газовый  двигатель  TCG  2020.  URL:  https://www.mwm.

com.ru/gazovye-dvigateli-blochnye-tehc/gazovye-dvigate-

ligeneratorynye-ustanovki/tcg-2020/.

8.  Техническая  карта  GBS-LFP100AH.  URL:  https://pro-

metheusenergy.ru/product/litij-ionnyj-akkumulyator-gbs-

lfp100ah-a/.

9.  Akagi H., Watanabe E.H., Aredes M. Instantaneous Power 

Theory and Applications to Power Conditioning. IEE Press, 

John Wiley and Sons Inc., 2007. 389 p.

10. Dybko M.A., Brovanov S.V. Active power fi lter with battery 

energy storage based on NPC inverters / 16 International 

conference of young specialists on micro/nanotechnologies 

and electron devices (EDM): [proc.], Altai, Erlagol, 29 June - 

3 July 2015. IEEE, 2015, pp. 415–421.

REFERENCES
1.  Berdnikov  R.N.,  Fortov  V.E.,  Shakarjan  Ju.G.,  Den shhi-

kov K.K. Hybrid energy storage for unpgbased on batteries 

and supercapacitors // Energy of unifi edgrid, 2013, no. 1, 

pp. 40-51. (in Russian)

2.  Zobaa A.F. Energy storage technologies and applications. 

Rijeka, Croatia: Intech, 2013. 328 p. 

3.  Kononenko  V.Ju.,  Veshhunov  O.V.,  Bilashenko  V.P., 

Smolencev  D.O.  Eff ects  of  the  use  of  energy  storage  in 

isolated  power  systems  in  Russia  // Arctic:  Ecology  and 

Economy, 2014, no. 2(14), pp. 61-66. (in Russian)

4.  The fi rst Russian energy storage system of high power was 

developed  at  the  NSTU  / The  Ministry  of  Education  and 

Science  of  Russia,  2018.  URL:  https://minenergo.gov.ru/

node/9029 (in Russian).

5.  Zyryanov  V.M.,  Kuchak  S.V.,  Bachurin  P.A.,  Kharitonov 

S.A.,  Metal’nikov  D.G.,  Garmash  T.G.,  Voroshilov  A.N., 

Frolov  D.A.  Experimental  studies  and  tests  of  the  joint 

operation of the energy storage system and the DGU as 

a part of an autonomous power system // Industrial power 

engineering, 2018, no. 10, pp. 2-10. (in Russian) 

6.  Ilyushin  P.V.,  Kulikov  A.L.,  Berezovskiy  P.K.  Eff ective 

application  of  electric  energy  storage  for  prevention  of 

distributed  generation  units  tripping  due  to  short-time 

frequency  deviations  //  Relay  protection  and  automation, 

2019, no. 4, pp. 32-39. (in Russian)

7.  Gas  engine  TCG  2020.  URL:  https://www.mwm.com.

ru/gazovye-dvigateli-blochnye-tehc/gazovye-dvigateli-

generatorynye-ustanovki/tcg-2020/ (in Russian)

8.  Technical  specifi cations  GBS-LFP100AH.  URL:  https://

prometheusenergy.ru/product/litij-ionnyj-akkumulyator-

gbs-lfp100ah-a/. (in Russian)

9.  Akagi H., Watanabe E.H.,. Aredes M. Instantaneous Power 

Theory and Applications to Power Conditioning. IEE Press, 

John Wiley and Sons Inc., 2007, pp. 389.

10. Dybko M.A., Brovanov S.V. Active power fi lter with battery 

energy storage based on NPC inverters / 16 International 

conference of young specialists on micro/nanotechnologies 

and electron devices (EDM): [proc.], Altai, Erlagol, 29 June - 

3 July 2015. IEEE, 2015, pp. 415–421.

НАКОПИТЕЛИ

ЭНЕРГИИ


Читать онлайн

Приведены результаты испытаний головного промышленного образца системы накопления электрической энергии (СНЭ-10-1200-400) номинальной мощностью 1200 кВ∙А, энергоемкостью 400 кВт∙ч и напряжением 10 кВ на базе литий-ионных аккумуляторных батарей при совместной работе с газопоршневыми установками (ГПУ) в составе экспериментальной энергосистемы с активной резкопеременной нагрузкой. Описаны ее структура, состав и параметры, а также состав и параметры системы накопления электрической энергии (СНЭ). Испытания показали работоспособность испытуемого образца, высокую эффективность реализованных алгоритмов и подтвердили целесообразность применения СНЭ для сглаживания набросов/сбросов мощности ГПУ и исключения их аварийного отключения из-за бросков мощности нагрузки.

Поделиться:

«ЭЛЕКТРОЭНЕРГИЯ. Передача и распределение» № 6(75), ноябрь-декабрь 2022

Повышение надежности функционирования распределительных электрических сетей за счет эффективного применения систем накопления электроэнергии

Энергоснабжение / Энергоэффективность Возобновляемая энергетика / Накопители
Илюшин П.В.
«ЭЛЕКТРОЭНЕРГИЯ. Передача и распределение» № 6(75), ноябрь-декабрь 2022

Исследование эффективности применения системы накопления электрической энергии в составе автономной гибридной энергоустановки для регулирования частоты

Энергоснабжение / Энергоэффективность Возобновляемая энергетика / Накопители
Нестеренко Г.Б. Армеев Д.В. Гладков Д.С. Зырянов В.М. Мячина А.В.
«ЭЛЕКТРОЭНЕРГИЯ. Передача и распределение» № 3(72), май-июнь 2022

Способы обеспечения устойчивой работы ветроэнергетических установок ветровых электростанций в составе отечественных распределительных электрических сетей

Возобновляемая энергетика / Накопители
Симонов А.В. Илюшин П.В.
«ЭЛЕКТРОЭНЕРГИЯ. Передача и распределение»