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

НАКОПИТЕЛИ

ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ

рименение быстродействую

щих систем накопления элек

трической энергии (СНЭЭ)

в электроэнергетических си

стемах является одним из ключевых

направлений развития энергетики.

В России это направление особен

но актуально для изолированных си

стем электроснабжения с автоном

ными электростанциями (автономных

энергосистем). Одна из наиболее

востребованных областей примене

ния СНЭЭ — работа в составе авто

номных гибридных энергоустановок

(АГЭУ), которые представляют собой

электростанции, работающие в авто

номных энергосистемах и имеющие

в своем составе традиционные гене

раторы, возобновляемые источники

энергии (ВИЭ) и СНЭЭ. Включение

последних в состав АГЭУ необходи

мо, прежде всего, для согласования

стохастических графиков генерации

ВИЭ и потребления электроэнергии.

Важной задачей СНЭЭ в автоном

ных энергосистемах является регу

лирование частоты [1]. Для автоном

ных энергосистем с высокой долей

промышленной нагрузки характерны

глубокие и интенсивные колебания

мощности, и наличие ВИЭ-генерации

в составе таких энергосистем еще бо

лее актуализирует задачу регулиро

вания частоты. Согласно ГОСТ 32144

в автономных энергосистемах откло

нение частоты не должно превышать

±1 Гц в течение 95% времени интер

вала в одну неделю и ±5 Гц в течение

100% времени интервала в одну не

делю [2]. Это значительно более мяг

кие требования по сравнению с дей

ствующими в ЕЭС России. Согласно

СТО 59012820.27.100.003-2012 [3],

в первой синхронной зоне ЕЭС России

установлены следующие показатели:

отклонение частоты ±0,05 Гц, кратко

временно до ±0,2 Гц с возвращением

в допустимые границы не более чем

за 15 минут.

Тот факт, что в автономных энер

госистемах предъявляются более

мягкие требования к отклонениям ча

стоты по сравнению с ЕЭС России,

объясняется технической сложно

стью обеспечения высокого качества

электроэнергии в условиях, когда

мощность наиболее крупного электро

приемника сопоставима с суммарной

установленной мощностью генера

торных агрегатов, что характерно для

автономных энергосистем. Тем не

менее, при наличии электроприемни

ков, чувствительных к отклонению ча

стоты, в автономных энергосистемах

могут устанавливаться более жесткие

договорные требования к качеству

электроэнергии, определяемые для

каждой системы в индивидуальном

порядке.

В условиях стохастического харак

тера генерации солнечной электро

станции (СЭС) и такого же характера

промышленной нагрузки автоматиче

ские регуляторы скорости (АРС) ди

Нестеренко Г.Б.,

младший научный сотрудник

Центра испытаний устройств

контроля и управления

режимами электроэнергети-

ческих систем НГТУ НЭТИ

Армеев Д.В.,

к.т.н., доцент кафедры

Автоматизированных

электроэнергетических

систем НГТУ НЭТИ

Гладков Д.С.,

аспирант кафедры

Автоматизированных

электроэнергетических

систем НГТУ НЭТИ

Зырянов В.М.,

к.т.н., с.н.с., доцент кафедры

Автоматизированных

электроэнергетических

систем НГТУ НЭТИ

Мячина А.В.,

магистрант кафедры

Автоматизированных

электроэнергетических

систем НГТУ НЭТИ

Ключевые слова:

система накопления

электрической энергии,

автономная энергосистема,

автономная гибридная

энергоустановка, солнечно-

дизельная электростанция,

регулирование частоты,

возобновляемые источники

энергии, солнечная

электростанция

Исследование эффективности

применения системы накопления

электрической энергии в составе

автономной гибридной энергоустановки

для регулирования частоты

УДК 621.311:621.3.072.6

Рассмотрено применение системы накопления электрической энергии (СНЭЭ) в ав-

тономной энергосистеме с солнечно-дизельной электростанцией с целью снижения

отклонений частоты до уровня, соответствующего ЕЭС России. Предложен алгоритм

управления СНЭЭ, сочетающий управление по возмущению и по отклонению частоты,

позволяющий добиться наименьшего отклонения частоты в условиях резкопеременной

нагрузки. Эффективность алгоритма подтверждена моделированием переходных про-

цессов в энергосистеме при периодическом скачкообразном изменении нагрузки,

а также при работе по графику резкопеременной нагрузки реального энергообъекта.

зель-генераторных установок (ДГУ), наиболее часто

используемых в автономных энергосистемах, в ос

новном справляются с задачей поддержания частоты

в указанном диапазоне. Это выполняется даже в ус

ловиях резкопеременной нагрузки со значительны

ми бросками мощности, причем отклонения частоты

остаются в пределах, регламентируемых ГОСТ. При

этом в случае применения газопоршневых устано

вок (ГПУ) даже нормальные технологические резкие

и значительные изменения нагрузки приводят к их от

ключению технологической защитой, так как для ГПУ

наиболее актуально не только отклонение частоты, но

и скорость ее изменения. Согласно [4], распростране

на ситуация, когда при кратковременных отклонениях

частоты более чем на 1,0–1,5 Гц происходят неселек

тивные отключения генераторных установок при от

сутствии угрозы их механического или термического

повреждения. Быстродействующая СНЭЭ способна

кардинально решить эту проблему.

Кроме того, отклонения частоты и, прежде всего,

ударные изменения частоты, происходящие с вы

сокой скоростью, негативно сказываются на работе

генерирующего оборудования и электроприемников,

что выражается в [5–8]:

– изменении производительности механизмов

электростанции и потребителей электроэнергии;

– снижении моторесурса оборудования;

– повышении расхода топлива;

– увеличении потерь электроэнергии;

– ускоренном износе оборудования, содержащего

магнитопроводы (электрические машины, транс

форматоры, реакторы);

– некорректной работе или повышении вероятно

сти полного отказа электронного оборудования.

Основная функция, возлагаемая на СНЭЭ

в АГЭУ, — согласование графиков генерации всех

источников энергии и графика нагрузки. Параметры

СНЭЭ определяются именно этой основной задачей.

К таким АГЭУ относятся, например, солнечно-ди

зельные энергоустановки в селах Мугур-Аксы и Кы

зыл-Хая в Республике Тыва [9]. В автономных энерго

системах на территории РФ СНЭЭ не привлекаются

к регулированию частоты. В то же время мощность

и энергоемкость, необходимые для участия СНЭЭ

в регулировании частоты, как правило, невелики по

сравнению со значениями этих параметров, выбран

ными для выполнения основной функции. В связи

с этим в статье предлагается алгоритм управления

для выполнения дополнительной функции СНЭЭ —

регулирования частоты в автономной энергосисте

ме. С учетом возможностей СНЭЭ, обусловленных

ее быстродействием, допустимое отклонение часто

ты можно значительно ограничить — до значения,

установленного в ЕЭС России (±0,2 Гц), а при необ

ходимости и сильнее. Поскольку технико-экономиче

ская целесообразность применения СНЭЭ в АГЭУ

обусловлена выполнением ее основной функции, то

использование СНЭЭ для регулирования частоты

обеспечит для потребителей автономных энергосис-

тем такое же качество электроэнергии по частоте,

как и в ЕЭС России (и даже лучше), без дополнитель

ных капитальных вложений.

В статье на примере солнечно-дизельной АГЭУ,

по параметрам и составу подобной АГЭУ в с. Му

гур-Аксы, рассматриваются алгоритмы управления

СНЭЭ для достижения этой цели, апробированные

на математической модели автономной энергосисте

мы с АГЭУ.

МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ

ЭНЕРГОСИСТЕМЫ

В состав исследуемой энергосистемы (рисунок 1)

входят:

1) ДГУ мощностью 800 кВт (1000 кВА);

2) СНЭЭ мощностью 670 кВА и энергоемкостью

460 кВт·ч на основе литий-железо-фосфатных ак

кумуляторов;

3) СЭС мощностью 400 кВт;

4) нагрузка (задается графиком нагрузки).

Исследование эффективности применения СНЭЭ

для регулирования частоты проводилось на матема

тической модели АГЭУ, созданной в программно-вы

числительном комплексе MATLAB/Simulink. Струк

турная схема модели представлена на рисунке 2.

В составе модели используется математическая

модель СНЭЭ, описанная в [10]. СЭС представлена

в виде управляемого источника мощности с задан

ным графиком генерации.

В рассматриваемой АГЭУ параметры СНЭЭ вы

браны для решения задачи согласования графиков

генерации СЭС и нагрузки. Это позволяет макси

мально использовать ресурс СЭС и минимизировать

расход топлива ДГУ.

Помимо выполнения данной задачи предлагается

привлечь СНЭЭ для участия в регулировании часто

ты. При этом, помимо эффекта экономии дизельного

топлива, СНЭЭ обеспечивает дополнительный эф

фект — повышение качества электроэнергии на ши

нах электростанции.

АЛГОРИТМ УПРАВЛЕНИЯ СНЭЭ ДЛЯ

РЕГУЛИРОВАНИЯ ЧАСТОТЫ

Разработка и оценка эффективности алгоритмов

управления СНЭЭ с использованием математиче

ской модели АГЭУ проводится без участия СЭС

в процессе регулирования. В качестве тестового

принимается возмущение, представленное на ри

Рис. 1. Состав АГЭУ

СЭС 400 кВт

–

Нагрузка

ДГУ 800 кВт

СНЭЭ

670 кВА 460 кВт

№ 6 (75) 2022

НАКОПИТЕЛИ

ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ

гулирования частоты предполагает применение эф

фективного алгоритма, обеспечивающего желаемый

уровень допустимого отклонения частоты. В каче

стве критерия эффективности алгоритма принимает

ся ограничение максимального отклонения частоты

не более +/–0,2 Гц. Рассмотрим три варианта из воз

можных алгоритмов управления.

Вариант № 1

. Оценим эффективность алгорит

ма управления по мощности (по возмущению), при

котором СНЭЭ выполняет сглаживание набросов/

сбросов нагрузки (разомкнутая система управле

ния без обратной связи). Структурная схема кана

ла управления по возмущению представлена на

рисунке 4. При реализации канала управления по

мощности в качестве возмущающего воздействия

на блок управления СНЭЭ подается сигнал мощно

сти нагрузки

нагр

, указанный на рисунке 2 как сигнал

«load». Далее, как показано на рисунке 4, формирует

ся управляющее воздействие

СНЭЭ

. Зона нечувстви

тельности СНЭЭ в тестовых расчетах задана равной

нулю.

На рисунке 5 представлены результаты работы

алгоритма управления СНЭЭ по возмущению. По

стоянная времени апериодического звена выбрана

опытным путем из серии расчетных экспериментов

и составляет

апер

= 5 с. Чем выше ее значение, тем

меньше отклонение частоты при сбросе/набросе

нагрузки, но тем больше длительность переходно

го процесса и тем больше должна быть энергоем

кость СНЭЭ. При большом значении энергоемкости

с учетом высокого быстродействия СНЭЭ можно

добиться такого положения, что любые колебания

нагрузки будут полностью компенсироваться изме

нением мощности СНЭЭ, обеспечивая постоянство

мощности ДГУ, а следовательно, и частоты в энер

госистеме. Тем не менее, ограниченная энергоем

кость СНЭЭ создает необходимость в процессе

Рис. 2. Структурная схема модели АГЭУ в MATLAB/Simulink

ДГУ

APC

СЭС

СНЭЭ

СЭС

Рсэс

Частота

Гц

Нагрузка, кВт1

Рсэс

Двигатель

Генератор

Базовая нагрузка

Нагрузка из файла

Нагрузка

Коммутируемая

нагрузка

Выключатель

Изме-

ритель

[

]

1/50

(

=0)

-C-

[

]

[load]

[load_file]

A B C

Рис. 3. Мощность нагрузки и отклонение частоты при

расчетном возмущении без участия СНЭЭ и СЭС в регу

лировании частоты

Рис. 4. Структурная схема канала управления СНЭЭ

по мощности (по возмущению)

сунке 3, при котором происходит периодическое

скачкообразное изменение нагрузки АГЭУ со значе

ния 160 кВт (0,2 о.е.) до 800 кВт (1,0 о.е.) и обратно,

с длительностью цикла 6 секунд. Без СНЭЭ измене

ния нагрузки приводят к колебаниям частоты с мак

симальным отклонением от номинальной частоты до

2,4 Гц. При этом в регулировании частоты принимает

участие только АРС ДГУ. Привлечение СНЭЭ для ре

Нагр

узк

а, о.е.

Отк

лонение част

оты, Гц

Время, с

1,5

0,5

–0,5

–1

–2

–3

Время, с

∑

нагр

сглаж

СНЭЭ

–

1 +

Искусственная

зона

нечувствительности

СНЭЭ

Рис. 5. Переходный процесс при набросах/сбросах на

грузки при работе СНЭЭ по алгоритму № 1 (по возму

щению),

апер

= 5 с

ощность, о.е.

1,5

0,5

–0,5

Время, о.е.

Нагрузка

ДГУ

СНЭЭ

Рис. 7. Переходный процесс при набросах/сбросах на

грузки при работе СНЭЭ по алгоритму № 2 (по часто

те),

= 240,

= 3,4

Отк

лонение част

оты, Гц

Время, о.е.

0,2

0,1

–0,1

–0,2

–0,3

ощность, о.е.

1,5

0,5

–0,5

Время, о.е.

Нагрузка

ДГУ

СНЭЭ

отработки возмущений «передавать мощность» на

ДГУ, ресурс которой, в свою очередь, определяет

ся только запасом дизельного топлива. Постоянная

времени

апер

определяет скорость «передачи мощ-

ности».

Участие СНЭЭ в регулировании частоты в до

полнение к АРС ДГУ уменьшает отклонение часто

ты до 0,2 Гц. Выбор величины постоянной времени

апериодического звена

апер

сводится к определению

желаемого соотношения между максимальным от

клонением частоты при небалансе мощности и дли

тельностью переходного процесса. Необходимо

обратить внимание на кратковременное резкое из

менение частоты в момент броска нагрузки. Помимо

электромагнитного переходного процесса в момент

коммутации нагрузки, оно объясняется конечным

значением времени отклика

откл

= 5 мс, в течение

которого СНЭЭ переходит из исходного состояния

в состояние, соответствующее сигналу управления

(требуемое значение мощности СНЭЭ устанавлива

ется только по прошествии времени отклика). Основ

ное достоинство алгоритма — компенсация, сглажи

вание любого возникающего небаланса мощности

по факту его возникновения без учета текущего зна

чения частоты за исключением интервала на время

отклика.

Вариант № 2.

Рассмотрим управление СНЭЭ по

отклонению частоты. Соответствующий канал управ

ления построен по принципу ПД-регулирования.

Структурная схема регулятора представлена на ри

сунке 6. При реализации алгоритма управления по

отклонению частоты на блок СНЭЭ подается сигнал

частоты, указанный на рисунке 2 как сигнал «

». Да

лее, как показано на рисунке 6, формируется управ

ляющее воздействие

СНЭЭ

Результаты работы СНЭЭ с каналом управления

по отклонению частоты представлены на рисунке 7.

Параметры ПД-регулятора выбраны опытным пу

тем из серии расчетных экспериментов:

= 240,

= 3,4.

Максимальное отклонение частоты при примене

нии алгоритма № 2 снизилось с 2,4 Гц (рисунок 3)

до 0,13 Гц. Отклонение частоты меньше, чем при ис

пользовании алгоритма № 1, но при этом изменение

частоты имеет ударный характер, существенно бо

лее жесткий, чем по алгоритму № 1, что негативно

сказывается на всех элементах АГЭУ и исполнитель

ных механизмах потребителей.

Вариант № 3.

Структурная схема двухканаль

ной системы автоматического регулирования

СНЭЭ, в которой объединены оба рассмотренных

варианта, представлена на рисунке 8. Совместная

работа каналов управления по мощности и по ча

стоте позволяет добиться большего снижения от

клонения частоты при возникновении небаланса

мощности, чем при работе каждого канала управ

ления по отдельности.

При использовании только управления по возму

щению возможно добиться аналогичного снижения

отклонения частоты только путем значительного

увеличения значения

апер

, что возможно только при

завышении энергоемкости СНЭЭ.

Рис. 6. Структурная схема канала управления СНЭЭ по

отклонению частоты

Рис. 8. Структурная схема системы автоматического

управления СНЭЭ с двумя каналами управления

Отк

лонение част

оты, Гц

Время, о.е.

0,2

0,1

–0,1

–0,2

–0,3

СНЭЭ

треб

(уставка)

(частота

сети)

Искусственная

зона

нечувствительности

СНЭЭ

треб

(уставка)

(частота сети)

Искусственная

зона

нечувствительности

СНЭЭ

∑

нагр

сглаж

–

1 +

Искусственная

зона

нечувствительности

СНЭЭ

№ 6 (75) 2022

НАКОПИТЕЛИ

ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ

СНЭЭ для выполнения задачи регулирования часто

ты (при тестовом возмущении).

Ввиду относительно малого значения энергии

СНЭЭ, необходимого для поддержания частоты,

возможно совмещение двух функций СНЭЭ в ав

тономной энергосистеме с солнечно-дизельной

электростанцией: функции регулирования частоты

и функции суточного регулирования, требующей зна

чительно большей энергоемкости СНЭЭ.

АПРОБАЦИЯ АЛГОРИТМА УПРАВЛЕНИЯ

СНЭЭ ПРИ РЕЗКОПЕРЕМЕННОЙ

НАГРУЗКЕ РЕАЛЬНОГО ЭНЕРГООБЪЕКТА

Характерная особенность большинства автономных

энергосистем промышленных предприятий — со

измеримость мощностей генераторных агрегатов

и отдельных единичных электропотребляющих уста

новок. Резкопеременный характер нагрузки в таких

энергосистемах способен оказывать негативное вли

яние на функционирование генерирующего и техно

логического оборудования, приводить к снижению

качества электроэнергии и значительным колеба

ниям частоты [11–14]. Причем при резкопеременной

нагрузке наиболее опасны не просто отклонения

частоты (с этим АРС генераторных агрегатов успеш

но справляются), а ее ударные

изменения (скорость изменения

в сочетании с амплитудой откло

нений). Именно в этих случаях

может в наибольшей степени про

являться эффективность приме

нения СНЭЭ для стабилизации

частоты.

Наличие солнечной генерации

в составе автономной энергосис-

темы, ввиду стохастического ха

рактера выходной мощности

СЭС, делает проблему стабиль

ности частоты еще более острой.

Апробация

предложенного

алгоритма управления СНЭЭ

с двумя каналами управления

для регулирования частоты в ав

тономной энергосистеме (рису

нок 1) при резкопеременной на

грузке проведена на примере

фрагмента нагрузочной диаграм

мы реального промышленного

объекта (рисунок 10). В таблице 1

представлены характеристики на

Отк

лонение част

оты, Гц

Время, с

0,2

0,1

–0,1

–0,2

–0,3

ощность, о.е.

1,5

0,5

–0,5

Время, с

Нагрузка

ДГУ

СНЭЭ

Рис. 9. Переходный процесс при набросе нагрузки при работе СНЭЭ по алгоритму № 3 (по мощности и по частоте),

= 240, К

= 3,4,

апер

= 5 с

На рисунке 9 представлен переходный процесс

при управлении СНЭЭ одновременно по возмуще

нию и по отклонению частоты. Настроечные параме

тры соответствуют определенным ранее значениям:

апер

= 5 с,

= 240,

= 3,4.

По сравнению с рисунком 3, когда СНЭЭ не уча

ствует в регулировании частоты, применение сис-

темы управления с двумя каналами, реализующей

алгоритм № 3, позволяет уменьшить отклонение

частоты в АГЭУ при исследуемом графике нагрузки

с 2,4 Гц до существенно меньших значений. Ударные

кратковременные отклонения, связанные с време

нем отклика СНЭЭ, составляют 0,14 Гц. Медленные,

в основном определяющие механическое воздей

ствие на генераторные агрегаты АГЭУ и электродви

гатели потребителей — до 0,06 Гц. Из трех рассмо

тренных алгоритмов этот алгоритм дает наилучшие

результаты для стабилизации частоты при резкопе

ременной нагрузке.

Количество энергии, которое требуется от СНЭЭ

для участия в стабилизации частоты на интервале

в 15 с (рисунок 9), не превышает 1 кВт·ч, что состав

ляет не более 0,22% энергоемкости СНЭЭ. На ука

занном интервале времени эта величина определяет

минимально необходимое значение энергообмена

Табл. 1. Характеристики нагрузочной диаграммы

Наименование параметра

Значение

Минимальное значение мощности, кВт

117,22

Максимальное значение мощности, кВт

863,14

Среднее значение мощности, кВт

313,06

Среднеквадратичное отклонение мощности, кВт

182,76

Максимальная скорость изменения мощности, кВт/с

4015,91

Средняя скорость изменения мощности, кВт/с

308,05

100

Время, с

ощность, кВ

1000

900
800
700
600
500
400
300
200
100

Рис. 10. Фрагмент нагрузочной диаграммы

грузочной диаграммы длительно

стью 100 секунд, показывающие

степень ее неравномерности.

На рисунке 11 представлены

графики переходного процесса

при работе АГЭУ на резкопе

ременную нагрузку, когда СЭС

выведена из работы. В случае

отсутствия СНЭЭ регулирова

ние частоты происходит только

с помощью штатного АРС ДГУ,

при этом максимальное отклоне

ние частоты составляет 1,25 Гц

(таблица 2). При участии СНЭЭ

в регулировании частоты в соот

ветствии с алгоритмом № 3 мак

симальное отклонение частоты

оказывается равным 0,07 Гц.

При включении в работу СЭС,

которая не участвует в регули

ровании частоты (рисунок 12),

качество регулирования частоты

с помощью АРС ДГУ (без СНЭЭ)

практически не изменяется по

сравнению с работой АГЭУ без

СЭС (таблица 2). Это обусловлено

тем, что мощность СЭС, соответ

ствующая текущему уровню инсо

ляции, изменяется относительно

медленно, АРС ДГУ справляется

с такими колебаниями мощности,

и определяющим фактором оста

ются колебания мощности нагруз

ки. Максимальное отклонение ча

стоты при совместной работе ДГУ

и СЭС по расчетному графику на

грузки составляет 1,23 Гц. В свою

очередь, участие в регулировании

частоты СНЭЭ позволяет умень

шить максимальное отклонение

частоты до 0,04 Гц. Важно отме

тить, что при наличии СЭС управ

ление СНЭЭ по возмущению про

исходит не по значению мощности

нагрузки, а по разности мощности

нагрузки и мощности СЭС — по

причине того, что сглаживать ко

лебания генерации СЭС также не

обходимо.

Как видно на рисунках 11 и 12,

уровень заряда СНЭЭ в процес

се регулирования изменяется не

значительно (не более чем на

0,4%). Это обусловлено тем, что

энергоемкость СНЭЭ выбрана по

условию согласования графиков

генерации ВИЭ и потребления на

длительных интервалах времени.

При таком объеме энергоемкости,

задействуемом в регулировании

частоты, поддержание частоты

не сказывается на сроке службы

Рис. 11. Осциллограммы мощности ДГУ, нагрузки, мощности и заряда

СНЭЭ, отклонение частоты сети с участием и без участия СНЭЭ в регу

лировании при резкопеременной нагрузке (алгоритм № 3)

ощность, о.е.

Отк

лонение част

оты, гЦ

Отк

лонение част

оты, гЦ

Отк

лонение част

оты, гЦ

Отк

лонение част

оты, гЦ

100

0,5

–0,5

0,5

–0,5

0,1

0,05

–0,05

–0,1

0,1

0,05

–0,05

–0,1

–1

–2

–1

–2

Время, с

Зар

яд СНЭЭ, %

100

49,9

49,8

49,7

49,6

Время, с

Нагрузка

ДГУ

СНЭЭ

При работе СНЭЭ

Без СНЭЭ

При работе СНЭЭ

Рис. 12. Осциллограммы мощности ДГУ, СЭС, нагрузки, мощности и заряда

СНЭ, отклонение частоты сети с участием и без участия СНЭЭ в регули

ровании при резкопеременной нагрузке (алгоритм № 3)

Зар

яд СНЭЭ, %

100

Время, с

50,2

50,1

49,9

Нагрузка

ДГУ

СЭС

СНЭЭ

№ 6 (75) 2022

НАКОПИТЕЛИ

ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ

ЛИТЕРАТУРА
1. Абрамов А.Ю., Богаченко П.В.,

Куликов А.В., Ряпин И.Ю. Приме

нение систем накопления энергии

в России: возможности и барьеры.

Экспертно-аналитический

отчет.

Под ред. Д.В. Холкина, Д.А. Корева.

М.: ИЦ Энерджинет, 2019. 158 с.

2. ГОСТ 32144-2013. Электрическая

энергия. Совместимость техниче

ских средств электромагнитная.

Нормы качества электрической

энергии в системах электроснаб

жения общего назначения. М.:

Стандартинформ, 2014. 15 с.

3. СТО 59012820.27.100.003-2012.

Регулирование частоты и пере

токов активной мощности в ЕЭС

России. Нормы и требования

(в редакции от 31.01.2017). Стан

дарт организации ОАО «СО ЕЭС».

Введ. 2012-12-05. Москва, 2012.

28 с.

4. Илюшин П.В., Куликов А.Л. Авто

матика управления нормальными

и аварийными режимами энерго

районов с распределенной генера

цией. Н. Новгород: НИУ РАНХиГС,

2019. 364 с.

5. Кузнецов Н.М., Бебихов Ю.В., Сам-

сонов А.В., Егоров А.Н., Семе

нов А.С. Качество электрической

энергии горных предприятий. М.:

Издательский дом Академии Есте

ствознания, 2012. 68 с.

6. Регулирование частоты в энергоси

стеме. URL: http://electricalschool.

info/sety/1819-regulirovanie-

chastoty-vjenergosisteme.html.

7. Алиев Ж.А., Пак И.А., Мухта-

ров Т.М., Турдыбеков М.К. Влияние

режимов эксплуатации на ресурс

дизельных двигателей // Между

СНЭЭ, так как при глубине разряда в доли процен

тов энергоемкости (или несколько единиц процентов)

срок службы литий-ионных аккумуляторов (ЛИА) не

зависит от количества циклов заряда-разряда и опре

деляется условиями хранения, эксплуатации и есте

ственным старением. Для современных ЛИА при экс

плуатации в нормальных условиях с такой глубиной

разряда срок службы составляет до 20 лет [15].

Апробация разработанного алгоритма управле

ния СНЭЭ для регулирования частоты в автономной

энергосистеме показала высокую эффективность

в условиях резкопеременной нагрузки как при работе

совместно с СЭС (не участвующей в регулировании

частоты, но создающей дополнительную неравно

мерность нагрузки на ДГУ), так и без нее. В рассмо

тренных случаях отклонение частоты не превышает

величины 0,07 Гц.

При необходимости изменить (увеличить или

уменьшить) допустимый диапазон отклонения ча

стоты следует, прежде всего, изменить мощность

СНЭЭ, задействованную в регулировании частоты.

При резкопеременном характере нагрузки она долж

на соответствовать величине бросков активной мощ

ности и желаемому диапазону отклонения частоты.

ВЫВОДЫ

СНЭЭ в составе АГЭУ целесообразно привлекать

к регулированию частоты. Энергоемкость СНЭЭ,

выбранная из условия выполнения основной функ

ции — согласования стохастического характера гра

фиков нагрузки и солнечной генерации, значительно

превышает требуемую для регулирования частоты

величину энергообмена. Это позволяет использовать

СНЭЭ для регулирования частоты в качестве допол

нительной опции, не требующей пересчета энерго

емкости и дополнительных капитальных вложений.

Предложен алгоритм управления СНЭЭ для ре

гулирования частоты, реализующий управление

по возмущению и по отклонению частоты. Канал

управления по возмущению позволяет сглаживать

резкие набросы и сбросы мощности нагрузки, не до

жидаясь отклонения частоты, а канал управления

по отклонению (на основе ПД-регулятора) реагиру

ет непосредственно на изменение частоты систе

мы. Использование в системе управления СНЭЭ

одновременно двух каналов позволяет добиться

наименьшего отклонения частоты и скорости ее из

менения при возмущении режима, что существенно

облегчает условия работы генераторных агрегатов

и технологического оборудования потребителей

электроэнергии при резкопеременной нагрузке, ха

рактерной для автономных энергосистем промыш

ленных предприятий.

Предложенный алгоритм позволяет уменьшить

отклонения частоты в автономных энергосистемах

до уровня, регламентируемого для ЕЭС России,

а при необходимости увеличить или уменьшить до

пустимый диапазон отклонения частоты в соответ

ствии с требованиями потребителя электроэнергии.

Апробация алгоритма управления СНЭЭ на мате

матической модели АГЭУ подтверждает его работо

способность и эффективность.

Исследование выполнено при финансовой поддерж

ке РФФИ в рамках научного проекта № 20-38-90182.

Табл. 2. Результаты исследования при резкопеременной нагрузке

Наименование параметра

Без СЭС

СЭС в работе

Без

СНЭЭ

в работе

Без

СНЭЭ

в работе

Максимальное отклонение частоты, Гц

1,25

0,07

1,23

0,04

Среднеквадратичное отклонение частоты, Гц

0,23

0,03

0,24

0,01

Максимальная скорость изменения частоты, Гц/с

14,3

0,33

20,13

16,8

Средняя скорость изменения частоты, Гц/с

1,04

0,02

1,41

0,19

Среднеквадратичное отклонение скорости изменения

частоты, Гц/с

1,65

0,03

2,10

0,79

REFERENCES
1. Abramov A.Yu., Bogachenko P.V.,

Kulikov A.V., Ryapin I.Yu. Application

of energy storage systems in Russia:

opportunities and obstacles. Expert

analytical report. Edited by Kholkin

D.V., Korev D.A. Moscow, EnergyNet

Infrastructure Centre, 2019. 158 p.

(In Russian)

2. GOST 32144-2013. Electric energy.

Electromagnetic compatibility of tech

nical equipment. Power quality lim

its in public power supply systems.

Moscow, Standartinform Publ., 2014.

15 p. (In Russian)

3. Company

Standard

STO

59012820.27.100.003-2012. Frequen

cy and active power flow regulation

in UES of Russia. Norms and re

quirements (edition of 31.01.2017).

JSC SO UES company standard.

Introduced on 2012-12-05. Moscow,

2012. 28 p. (In Russian)

4. Ilyushin P.V., Kulikov A.L. Automation

for normal and fault mode control of

power regions with distributed gen

eration. Nizhny Novgorod, RANEPA,

2019. 364 p. (In Russian)

6. Frequency regulation in a power

system. URL: http://electricalschool.

info/sety/1819-regulirovanie-chasto

ty-vjenergosisteme.html.

7. Aliyev Zh.A., Pak I.A., Mukhtarov T.M.,

Turdybekov M.K. Impact of opera

tion modes on the diesel motor re

source //

Mezhdunarodniy zhurnal

eksperimental'nogo obrazovaniya

[International journal of experimental

education], 2017, no. 1, pp. 52-56.

(In Russian)

8. Sapunov M. Issues of energy qual

ity //

Novosti elektrotekhniki

[News of

electric engineering], 2001, no. 5(11).

URL: http://www.news.elteh.ru/arh/2001/

11/10.php.

9. Zyryanov V.M., Kiryanova N.G.,

Nesterenko G.B., Rudiuk I.F., et al.

Analysis of energy storage systems

application in the Russian and world

electric power industry. Proceed

ings of the 2020 Ural Smart Energy

Conference (USEC) Ekaterinburg,

13-15 Nov. 2020. Ekaterinburg:

IEEE, 2020, pp. 106-109. URL:

https://ieeexplore.ieee.org/docu

ment/9281175.

10. Guzhavina V.V., Nesterenko G.B.,

Prankevich G.A., Gladkov D.S.,

Zyryanov V.M., Mokrousova J.V.

Experimental accuracy assessment

of energy storage system math

ematical model. Proceedings of the

2020 Ural Smart Energy Conference

(USEC) Ekaterinburg, 13-15 Nov.

2020. Ekaterinburg: IEEE, 2020,

pp. 110-113. URL: https://ieeexplore.

ieee.org/document/9281262.

11. Kal'm N.A., Nikolayeva E.A., Belyaev A.N.

Gas reciprocating machine control

in conditions of abruptly variable

load of a power system //

Nauchno-

tekhnicheskiye vedomosti Sankt-

Peterburgskogo gosudarstvennogo

politekhnicheskogo universiteta

[Sci

entific and technical journal of Peter the

Great St. Petersburg Polytechnic Uni

versity], 2014, no. 1(190), pp. 45-53.

(In Russian)

12. Ilyushin P.V., Kulikov A.L., Berezovs

kiy P.K. Effective use of energy ac

cumulators to prevent disconnection

of distributed generation facilities at

short-time frequency shifts //

Reley

naya zashchita i avtomatizatsiya

[Re

lay protection & Automation], 2019,

no. 4, pp. 32-39. (In Russian)

13. Favorskiy O.N., Aminov R.Z.,

Shkret A.F., Garievskiy M.V. Compar

ative efficiency of using gas-turbine

and gas-reciprocating machines for

the purpose of supplementary NPP

auxiliary backup //

Teploenerge

tika

[Heat power engineering], 2009,

no. 4, pp. 38-43. (In Russian)

14. Nesterenko G., Vakulenko V., Zy-

ryanov V., Potapenko A., Pranke-

vich G., Aleksandrov M. Analysis of

the frequency deviation in off-grid

power system of oil field. 4 Interna

tional Conference on Clean Energy

and Electrical Systems (CEES–2022),

Japan, Tokyo, 2–4 Apr. 2022. En

ergy Reports, 2022, vol. 8, iss. 10,

pp. 831-838.

15. Prankevich G.A. Development of

the mathematical model and the

procedure of parameter setting for

the energy accumulator as a power

system component. Ph.D. thesis

in Engineering Science. 05.14.02.

Novosibirsk,

Novosibirsk

State

Technical University, 2021. 159 p.

(In Russian)

народный журнал эксперимен

тального образования, 2017, № 1.

С. 52–56.

8. Сапунов М. Вопросы качества элек

троэнергии // Новости электротех

ники, 2001, № 5(11). URL: http://www.

news.elteh.ru/arh/2001/11/10.php.

9. Zyryanov V.M., Kiryanova N.G.,

Nesterenko G.B., Rudiuk I.F., et al.

Analysis of energy storage systems

application in the Russian and world

electric power industry. Proceed

ings of the 2020 Ural Smart Energy

Conference (USEC) Ekaterinburg,

13-15 Nov. 2020. Ekaterinburg:

IEEE, 2020, pp. 106-109. URL:

https://ieeexplore.ieee.org/docu

ment/9281175.

10. Guzhavina V.V., Nesterenko G.B.,

Prankevich G.A., Gladkov D.S.,

Zyryanov V.M., Mokrousova J.V.

Experimental accuracy assessment

of energy storage system math

ematical model. Proceedings of the

2020 Ural Smart Energy Conference

(USEC) Ekaterinburg, 13-15 Nov.

2020. Ekaterinburg: IEEE, 2020,

pp. 110-113. URL: https://ieeexplore.

ieee.org/document/9281262.

11. Кальм Н.А., Николаева Е.А., Бе

ляев А.Н. Управление газопорш

невыми агрегатами в условиях

резкопеременной нагрузки элек

троэнергетической системы // Науч

но-технические ведомости Санкт-

Петербургского государственного

политехнического университета,

2014, № 1(190). С. 45–53.

12. Илюшин П.В., Куликов А.Л., Бере

зовский П.К. Эффективное исполь

зование накопителей электриче

ской энергии для предотвращения

отключений объектов распреде

ленной генерации при кратковре

менных отклонениях частоты // Ре

лейная защита и автоматизация,

2019, № 4. С. 32–39.

13. Фаворский О.Н., Аминов Р.З., Шкрет

А.Ф., Гариевский М.В. Сравнитель

ная эффективность использования

газотурбинных и газопоршневых

установок для дополнительного

резервирования собственных нужд

АЭС // Теплоэнергетика, 2009, № 4.

С. 38–43.

14. Nesterenko G., Vakulenko V., Zyry

anov V., Potapenko A., Prankevich

G., Aleksandrov M. Analysis of the

frequency deviation in off-grid power

system of oil field. 4 International Con

ference on Clean Energy and Electri

cal Systems (CEES–2022), Japan,

Tokyo, 2–4 Apr. 2022. Energy Reports,

2022, vol. 8, iss. 10, pp. 831-838.

15. Пранкевич Г.А. Разработка мате

матической модели и методики

выбора параметров накопителя

энергии как элемента энергоси

стемы. Дис…. канд. техн. наук.

05.14.02. Новосибирск: Новосиб.

гос. техн. ун-т, 2021. 159 с.

№ 6 (75) 2022

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

Ключевые слова: система накопления электрической энергии, автономная энергосистема, автономная гибридная энергоустановка, солнечно-дизельная электростанция, регулирование частоты, возобновляемые источники энергии, солнечная электростанция

Читать онлайн

Рассмотрено применение системы накопления электрической энергии (СНЭЭ) в автономной энергосистеме с солнечно-дизельной электростанцией с целью снижения отклонений частоты до уровня, соответствующего ЕЭС России. Предложен алгоритм управления СНЭЭ, сочетающий управление по возмущению и по отклонению частоты, позволяющий добиться наименьшего отклонения частоты в условиях резкопеременной нагрузки. Эффективность алгоритма подтверждена моделированием переходных процессов в энергосистеме при периодическом скачкообразном изменении нагрузки, а также при работе по графику резкопеременной нагрузки реального энергообъекта.