Перспективы применения накопителей энергии в ЕНЭС и ЕЭС России

Page 1

Page 2

Сборник докладов XIX заседания Ассоциации электроснабжения городов России «ПРОГРЕССЭЛЕКТРО»

НОВИКОВ Н.Л.,

заместитель научного руководителя,

НОВИКОВ А.Н.,

главный специалист, ОАО «НТЦ ФСК ЕЭС»

ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ НАКОПИТЕЛЕЙ
ЭНЕРГИИ В ЕНЭС И ЕЭС РОССИИ

настоящее время создание и развитие
технологии энергоаккумулирования явля-
ется важным направлением. Наличие в

электроэнергетической системе энергоёмких и
мощных накопителей в качестве промежуточ-
ного устройства между генерацией энергии и
потребителем позволило бы освободиться от
жёсткого соответствия генерации энергии и её
потребления.

Накопители электрической энергии являются

важнейшим элементом будущих интеллектуаль-
ных электроэнергетических систем и создают
значительные эффекты за счёт использования
принципа накопления энергии во время её
избыточного производства и выдачи энергии во
время её недостатка. Необходимо преодолеть
технологические проблемы, делающие в настоя-
щее время использование накопителей энергии
экономически не оправданным.

В настоящее время в ЕЭС России продолжают

оставаться напряжёнными режимы её работы,
сохраняется достаточно сложная топливная
проблема, возрастают трудности управления
энергосистемами в связи с большой долей недо-
статочно маневренных крупных энергоблоков
тепловых электростанций. Высокие требования,
предъявляемые к электроэнергетике, предопре-
деляют радикальную перестройку как принципов
её построения и управления, так и требуемого
оборудования, т.е. объективно необходимы каче-
ственные изменения в технике производства и
распределения электроэнергии. Необходимость
экономии топлива предъявляет высокие требо-
вания к экономичности режимов.

В настоящее время формирование мощных

электроэнергетических систем характеризуется
повышением доли блоков, работающих в базе

суточных графиков нагрузки. В определённой
мере этому способствует существующая прак-
тика обновления генерирующих мощностей,
при которой на станциях последовательно
демонтируются маневренные агрегаты мощно-
стью 50—200 МВт. В результате при нагрузках,
составляющих 50% от номинальной, расход
топлива увеличивается на 16—26 г/кВт·ч. Стати-
стический анализ работы объединённых энерго-
систем показывает, что наряду с повышением
надёжности энергоснабжения и снижением
затрат на резервирование уплотнения суточных
графиков нагрузки не наблюдается. Объек-
тивный учёт тенденций в развитии топливно-
энергетического комплекса также говорит о
том, что в ближайшие 30—40 лет основными
производителями электроэнергии останутся
тепловые электростанции, стоимость топли-
ва будет возрастать, а межсис

темные связи

ещё на долгие годы будут отнесены к разряду
«слабых связей». Вследствие этого включение
в электроэнергетическую систему накопителей,
позволяющих разделить во времени процессы
выработки и потребления энергии (при условии
их высокого КПД), имеет большое народнохо-
зяйственное значение.

Аккумулирование энергии позволит увеличить

мощность и время работы базовых электростан-
ций, улучшив тем самым технико-экономические
показатели крупных энергоблоков благодаря
существенному уменьшению эксплуатацион-
ных расходов, уплотнить график нагрузки и
компенсировать её пиковые изменения. Кроме
того, накопители могут существенно повысить
устойчивость крупной станции при обеспече-
нии баланса мощности электроэнергетической
системы. Включение накопителя в энергосистему

Page 3

6–8 февраля 2013 г. Ханты-Мансийск

в качестве са мостоятельной структурной едини-
цы является объективной необходимостью, и на
ближайшую перспективу нет альтернативных
решений для мощных ТЭС и АЭС с накопителя-
ми энергии, можно ожидать, что более 10% всей
вырабатываемой энергии, прежде чем попасть
к потребителю, будут проходить через системы
накопителей.

В тех случаях, когда крупные блоки привлека-

ются к регулированию переменной части графи-
ка нагрузки, значительно увеличивается расход
топлива.

Потери, возникающие на блоках станций

при колебаниях мощности, разделяют на две
основные группы: статические и динамические.
Статические потери являются функцией только
амплитуды колебаний, в то время как динамиче-
ские являются функцией и амплитуды, и частоты
колебаний.

Известно соотношение суммарных потерь от

колебаний мощности блоков станций при регу-
лировании частоты и обменной мощности:

M [

бл

] =

(



, M[

бл

]) ·

[

бл

где М [

бл

] — математическое ожидание

суммарных добавочных потерь от колебаний
мощности блоков станций; М [

бл

] — математиче-

ское ожидание мощности блока;

(



, M[

бл

]) —

функциональный коэффициент, зависящий
от частотного спектра и колебаний нагрузки
блоков станций, а также от место-
нахождения рабочей точки на
расходной характеристике блока;

[

бл

] — дисперсия колебаний

мощности блока.

Величина

существенно зави-

сит от колебаний нагрузки. Для
случая подавления небалансов
мощности с периодом менее трёх
минут функциональный коэффи-
циент

достаточно велик (



2), и

потери от колебаний мощности на
электростанциях ощутимы.

Накопители электрической

энергии являются важнейшим
элементом будущих интеллекту-
альных электроэнергетических
систем. Накопители энергии
выполняют ряд функций: вырав-
нивание графиков нагрузки в сети,

накопление электрической энергии в периоды
наличия избыточной (дешёвой) энергии и выдача
в сеть в периоды дефицита, обеспечение в соче-
тании с устройствами FACTS повышения преде-
лов устойчивости, обеспечение бесперебойного
питания особо важных объектов, собственных
нужд электростанций и подстанций, демпфи-
рование колебаний мощности, стабилизация
работы малоинерционных децентрализованных
источников электрической энергии.

Накопители энергии делятся на электростати-

ческие и электромеханические.

К электростатическим накопителям энергии

относятся аккумуляторные батареи большой
энергоёмкости (АББЭ) (рис. 1), накопители
энергии на основе молекулярных конденсаторов,
накопители энергии на основе низкотемператур-
ных (охлаждение жидким гелем) сверхпроводни-
ков.

Все типы электростатических накопителей

связываются с сетью через устройства силовой
электроники — преобразователи тока или напря-
жения.

В настоящее время рядом зарубежных фирм

начат выпуск и осуществляется довольно
масштабное практическое применение АББЭ.

Наиболее известными компаниями, выпускаю-

щими в настоящее время аккумуляторы большой
мощности, являются ZBB Energy Corporation
(Австралия), Premium Power Corporation (США) и
NGK (Япония).

Рис. 1. Аккумуляторные батареи большой энергоёмкости

(АББЭ, Япония)

Page 4

Сборник докладов XIX заседания Ассоциации электроснабжения городов России «ПРОГРЕССЭЛЕКТРО»

Табл. 2. Опыт применения АББЭ

Тип электролита

Объект

Мощность,

МВт

Время

работы, мин

Год уста-

новки

Серно-кислотный

BEWAG, электроснабжение Зап. Берлина;
Резервирование и поддержание частоты
маломощной сети Пуэрто-Рико;
Чинно (Калифорния), различные объекты для
исследования возможностей регулирования
нагрузки, частоты, напряжения и реактивной
мощности

8,5

240

1990

1998

1986

Никель-
кадмиевый

GVEA, обеспечение бесперебойного электро-
снабжения прибрежных районов Аляски
вблизи г. Анкоридж

2003

Серно-натриевый

Ветряная станция Rokkacho, Япония.
Всего внедрено — 100 объектов

600

2008 (самый

крупный)

Цинк-бромный

ПС Detroit Edison Site, Мичиган. Для поддержа-
ния напряжения собственных нужд

0,4

480

2001

Ванадиум-
редоксный

Один из крупных высокотехнологичных
заводов в Японии. Выравнивание
графика нагрузок

1,5

2001

Табл. 1. Основные технические характеристики химических аккумуляторов

различных производителей

Тип аккумулятора

NAS

TransFlow2000

ZESS 50

Компания

NGK, Япония

Premium Power

Corporation, США

ZBB, Австралия

Тип электролита

Твёрдый композит

(керамика+алюминий)

Раствор бромида

цинка в воде

Раствор бромида

цинка в воде

Номинальное напряжение, В

2,1

1,8

Теоретическая
энергоёмкость, Вт·ч/кг

780 438

Максимально допустимая
рабочая температура,

350

Вспомогательные эксплуа-
тационные мероприятия

Применение нагревателей

Применение насосов

Побочные реакции

Возможно незначительное

выделение сернистых летучих

соединений

Выделение водорода

Мощность модуля, кВт

Габаритные размеры
модуля, м

0,5х0,5х1

2х1х1

Количество циклов
заряд-разряд

4500 (300 циклов в год)

Не представлено

2000 (150 циклов в год)

Время заряда/разряда, ч

6/10

8/5

3/4

Гарантии (в зависимости от
условий контракта), лет

1—1,5

Не представлено

Действующие объекты

Объекты в Японии, общей

численностью более 100, в том

числе самый крупный —

Rokkasho, 34 МВт

Несколько объектов

США, 0,2 МВт

Detroit Edison system,

0,4 МВт

Page 5

6–8 февраля 2013 г. Ханты-Мансийск

В табл. 1 представлены основ-

ные технические характеристики
химических аккумуляторов.

Опыт применения АББЭ приве-

дён в табл. 2.

Аккумуляторные батареи боль-

шой энергоёмкости производства
компании NGK (Япония) —
модульного исполнения. Модуль
1 МВт, представляющий собой
20 ячеек по 50 кВт, заряжается
10 часов и разряжается 6—
7 часов. Общее количество циклов
заряд/разряд составляет 4500.
Габаритные размеры модуля
1 МВт составляют 10х3х5 м.

Молекулярные накопители

проходят стадию создания и испы-
тания опытных образцов.

Сверхпроводниковый индуктивный накопитель

энергии (СПИНЭ) — это одно из применений
сверхпроводимости. Практическое примене-
ние в настоящее время нашли передвижные
СПИНЭ сравнительно небольшой энергоёмкости
(до 10

Дж), широкое применение СПИНЭ

возможно после разработки и создания СПИНЭ
на базе высокотемпературных сверхпроводни-
ков. Ожидаемое время их практического приме-
нения — 2015—2020 гг. (рис. 2).

К электромеханическим накопителям электро-

энергии относятся два вида комплексов:
• синхронные машины с преобразователями

частоты в первичной цепи маховиками на валу;

• асинхронизированные машины с маховиками

на валу.
В настоящее время нет практических огра-

ничений по созданию агрегатов первого типа
мощности до 300—400 МВт и второго типа
мощности 800—1600 МВт. Первый тип агрегатов
имеет больший диапазон изменения скорости и
большую способность использования кинетиче-
ской энергии вращающихся машин, второй тип
способен работать в диапазоне регулирования
частоты вращения



50% от синхронной, имеет

меньшую мощность преобразовательного
устройства, чем в первом случае, меньшую
стоимость и может быть выполнен на большую
мощность. В России был разработан эскизный
проект маховикового накопителя на основе
асинхронизированной машины вертикального
исполнения мощностью 200 МВт (рис. 3).

Возможно выполнение накопителя энергии

на основе супермаховиков

[4]

. Cупермаховик

изготавливается из сверхпрочного углеродного
волокна, получаемого на основе нанотехно-
логий, и имеет удельную энергоёмкость 5—
15 MДж/кг или 1,4—4,17кВт·ч/кг, что недостижи-
мо для всех известных накопителей энергии —

Рис. 2. Проект транспортного модуля микро-СПИНЭ на 850 МДж

производства фирмы ASF(США)

Рис. 3. Проект маховикового накопителя

на основе АС-машины вертикального

исполнения мощностью 200 МВт

Page 6

Сборник докладов XIX заседания Ассоциации электроснабжения городов России «ПРОГРЕССЭЛЕКТРО»

электрохимических аккумуляторов, конденсато-
ров, пружин.

Это объясняется тем, что супермаховик можно

разогнать до огромных скоростей.

На рис. 4 приведено матричное располо-

жение супермаховиков в здании. Параметры:
мощность — 13,5 МВт, запасаемая энергия —
1,35 MВт·ч.

Сравнительные характеристики различных

накопителей энергии приведены в табл. 3 и на
рис. 5.

Экономический эффект от применения нако-

пителей энергии достигается благодаря:

Рис. 4. Проект «Beacon Power Smart Energy

Matrix» на основе супермаховиков

• разнице в тарифах при покупке электроэнер-

гии в часы минимума нагрузок и её продаже в
часы максимумов;

• экономии топлива на электростанциях за счёт

отказа от их разгрузки в часы минимума нагру-
зок с аккумулированием избытков электро-
энергии и отказа от загрузки дополнительных
мощностей в периоды максимума нагрузки с
выдачей накопленной электроэнергии;

• отказу от покупки на оптовом рынке дорого-

стоящей электроэнергии электрических стан-
ций, находящихся в резерве.
Кроме того, обеспечивается быстрый резерв

мощности и электроэнергии при возникновении
аварийных отключений генераторов электриче-
ских станций и элементов электрической сети
без необходимости поддержания дорогостояще-
го резерва мощности на электрических станциях
или наличия сетевого резерва и достигается
дополнительный экономический эффект за счёт:
• оказания системных услуг по регулированию

частоты;

• поддержания уровней напряжения в местах

установки;

• создания локальных интеллектуальных элек-

троэнергетических систем;

• покупки электроэнергии в течение суток по

интегральному тарифу и её продаже в часы
максимума нагрузки по максимальному тари-
фу;

• стабилизации графиков мощности электро-

энергии, генерируемой ветровыми и солнеч-

ными электростанциями;
• переноса сроков или
отказа от капиталовло-
жений в реконструкцию
элементов электрической
сети(ЛЭП, (А)Т).

Покрытие переменной

электрической нагрузки
ОЭС в настоящее время
осуществляется ГЭС и
ГАЭС.

Hеобходим скорейший

запуск рынка системных
услуг с адекватной опла-
той высокоманевренных
и резервных мощностей
ГЭС и ГАЭС. Это обуслов-
лено нехваткой мощно-
сти, обостряющейся в

Рис. 5. Сравнительные характеристики различных накопителей энергии

Page 7

6–8 февраля 2013 г. Ханты-Мансийск

Табл. 3. Сравнительные характеристики различных накопителей энергии

Тип накопителя

КПД,

Удельные капиталь-

ные затраты

Удельная

энергоём-

кость, Дж/м

Мощность

и энергия

накопителя

Степень

разработки

долл./кВт долл./кВт•ч

ГАЭС (Гидроаккуму-
лирующие)

65—75

1600

агрегат

2—15

10000

200—2000 МВт

600—6000

МВт•ч

Созданы и

используются для

выравнивания

графиков нагрузки

Пневматические
(сж. воздух и
газотурбина

65—75

1500

агрегат

3—10

1000000

200—1000 МВт

200—800 МВт•ч

Первая демонстра-
ция в ФРГ в 1977 г.

Тепловые

70—80

150—250

15—25

100000

50—200МВт

50—200МВт•ч

Разработаны

технические

предложения

Химические
аккумуляторы
свинцово-кислотные

60—75

125

1000

10 0000

20—30 МВт

20—30 МВт•ч

Имеют

практическое

применение

Химические
аккумуляторы
нового типа

70—80

125

800—1200

10 0000

20—50 МВт

20—100МВт•ч

Имеют

практическое

применение

Маховиковые

70—85

500

агрегат

50—100

1000000

10—150 МВт

10—50 МВт•ч

Имеют

практическое

применение

Маховиковые
(супер)

70—85

500

агрегат

50—100

1000000

10—150 МВт

10—50 МВт•ч

—

Маховиковые (СМ)

70—85

500

агрегат

50—100

1000000

150 МВт

1 МВт•ч

—

Маховиковые
(АСМ)

70—85

160

агрегат

50—100

1000000

200 МВт

0,1 МВт•ч

—

СПИНЭ
1000 МВт•ч

85—95

125

Преобра-

зователь

1000

1000000

1000 МВт

6000 МВт•ч

—

СПИНЭ
100 МВт•ч

85—95

125

Преобра-

зователь

4000

1000000

До 250МВт

100 МВт•ч

—

СПИНЭ
20МВт•ч

85—95

125

Преобра-

зователь

7000

1000000

До 250 МВт

20 МВт•ч

—

СПИНЭ
1 МВт•ч

85—95

125

Преобра-

зователь

40000

1000000

До 250

МВт

1 МВт•ч

—

СПИНЭ
0,1 МВт•ч

85—95

125

Преобра-

зователь

125000

1000000

До 50 МВт

0,1 МВт•ч

Внедрено в США

с энергоёмкостью

30 МДж

Page 8

Сборник докладов XIX заседания Ассоциации электроснабжения городов России «ПРОГРЕССЭЛЕКТРО»

последние годы, и практически полным исчерпа-
нием гидроэнергетического потенциала в евро-
пейской части страны. В этих условиях резко
возросла потребность в маневренных мощно-
стях, а лучшим способом её удовлетворить
является строительство накопительных систем
большой энергоёмкости.

В странах со значительной долей АЭС техно-

логические ограничения, связанные с режимом
их работы, во многом преодолеваются благо-
даря наличию в системе гидроаккумулирующих
станций, доля которых, например, во Франции
составляет 10% от мощности АЭС, а в Японии —
до 30%. То же самое можно сказать и в отноше-
нии эксплуатации маломаневренных мощных
ТЭС, особенно когда характерное для отече-
ственной энергетики укрупнение единичных
мощностей агрегатов вступает в противоречие с
маневренностью энергосистем.

В настоящее время намечается строитель-

ство гидроаккумулирующих станций, в том
числе Загорской ГАЭС-2 в Московской области,
Ленинградской, Центральной и Зеленчукской
(Ставропольский край) гидроаккумулирующих
станций.

Существенными недостатками ГАЭС являются

малая удельная энергоёмкость, низкий КПД,
высокие требования к месту установки.

ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ

НАКОПИТЕЛЕЙ ЭНЕРГИИ В АВТОНОМНЫХ

ЭНЕРГОСИСТЕМАХ И В СИСТЕМАХ С

РАСПРЕДЕЛЁННОЙ ГЕНЕРАЦИЕЙ

Применение накопителей энергии совместно с

мобильными газотурбинными электростанциями
обеспечивает:
• повышение пределов динамической устойчи-

вости ГТЭС, имеющих малые значения момен-
тов инерции (многовальные ГТЭС и др.) при
авариях в сети (к.з. и др.);

• стабильную работу системы собственных

нужд и системы возбуждения ГТЭС благодаря
поддержанию требуемого уровня напряжения
на зажимах ГТЭС при существенных колеба-
ниях напряжения в сети при автономной рабо-
те ГТЭС.
Работа ГТЭС с постоянной нагрузкой благо-

даря покрытию с помощью накопителей энергии
суточных колебаний нагрузки позволяет эконо-
мить топливо и улучшать экологическую обста-
новку.

Применение накопителей энергии совместно с

дизель-генераторными установками позволяет:
•

обеспечить работу дизель-генераторных
установок с постоянной, наиболее экономич-
ной нагрузкой. Результат — снижение затрат
топлива в среднем на 15—20%, улучшение
экологической обстановки;

•

улучшить динамические характеристики
дизель-генераторных установок;

• стабилизировать напряжение и частоту при

сбросах и набросах нагрузки;

• обеспечить надёжность параллельной рабо-

ты дизель-генераторных установок равной
и разной мощности в автономных режимах
работы;

•

обеспечить бесперебойное снабжение
потребителей при пусках и остановах дизель-
генераторных установок.
Применение накопителей энергии на объек-

тах нефтегазовой промышленности позволяет
обеспечить:
• запуск электростанции «с нуля» после её

внезапного выхода из работы из-за аварии в
сети (остановка турбин);

• снятие перегрузок распределительной сети

при прохождении максимумов нагрузки
(особенно экстраординарных: резкое похоло-
дание, в режимах высокого риска нарушения
электроснабжения из-за природных факторов
или аварийного состояния сети и т. п.).
Применение накопителей энергии на объек-

тах РЖД в системе тягового электроснабжения
позволит:
• выровнять график нагрузки;
• уменьшить установленную мощность пони-

жающих и преобразовательных трансформа-
торов тяговых подстанций;

•

улучшить использование установленной
мощности подстанций и сечения проводов
тяговой сети при увеличении размеров и веса
поездов;

• обеспечить условия для рекуперации энергии;
• уменьшить расход энергии на тягу за счёт

использования избыточной энергии рекупера-
ции на тягу поездов;

• снизить потери электроэнергии в тяговой сети;
• увеличить срок службы проводов контактной

сети и вентилей полупроводниковых агрега-
тов;

• улучшить качество напряжения на токоприём-

никах электроподвижного состава.

Page 9

6–8 февраля 2013 г. Ханты-Мансийск

Требуемая энергоёмкость накопителей энер-

гии на магистральных грузонапряжённых участ-
ках железных дорог — около 2000 МВт·ч. При
этом достигается 25% экономия электроэнергии
на тягу, уменьшаются потери электроэнергии в
тяговой сети на 30—40%.

Применение накопителей энергии в энергоси-

стемах, содержащих возобновляемые источники
энергии (ветровые и приливные электростан-
ции),

позволяет:

•  выравнивать переменные графики работы;
•  снизить колебания мощности;
•  обеспечить требуемое качество электроэнер-

гии;

• обеспечить бесперебойное электроснабжение

потребителей.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Применение в электрических сетях накопите-

лей энергии большой энергоёмкости является
перспективной технологией, которая может
найти широкое применение в электроэнергети-
ческих системах и электрических сетях России,
обеспечивая повышение энергоэффективности,
надёжности, устойчивости и экономичности.

Для применения в электроэнергетических

сетях накопителей энергии с выпрямительно-
инверторными преобразователями (ВИП) могут
рассматриваться многофункциональные устрой-
ства переменного тока, обладающие высоким
быстродействием с широким спектром возмож-
ных применений, такие как компенсаторы актив-
ной и реактивной мощности, демпферы периоди-
ческих и апериодических колебаний мощности,
источники бесперебойного
питания. Отечественные
предприятия принципиально
способны приступить к проек-
тированию и изготовлению
экспериментальных образцов
накопителей энергии двух
классов:
• энергоёмкостью до 10

Дж;

• энергоёмкостью 10

—10

Дж для многофункцио-
нального использования
в электро-энергетических
сетях.
Применение мощных энер-

гоёмких накопителей аккуму-
ляторного типа в настоящее

время находит применение в мировой практике
для повышения экономичности, управляемости,
устойчивости и режимной надёжности ЭЭС.

В настоящее время при необходимости пилот-

ные проекты можно выполнить на основе хими-
ческих аккумуляторов, имеющих существенно
меньшую стоимость, чем СПИНЭ, например
производства компании NGK (Япония). Ориенти-
ровочный срок окупаемости пилотных проектов,
выполненных на основе химических аккумулято-
ров, не будет превышать 7—8 лет.

После накопления опыта практического приме-

нения и объективной оценки эффективности
систем аккумулирования с различными страте-
гиями управления такими многофункциональны-
ми устройствами можно определить масштабы
внедрения в электроэнергетику России и рыноч-
ные перспективы использования различных
накопителей в электроэнергетических системах.

ЛИТЕРАТУРА

1. Энергетическая стратегия России на период

до 2030 года: Проект. М.: 2008, 151 с.

2. Бушуев В.В., Лизалек Н.Н., Новиков Н.Л. Дина-

мические свойства энергообъединений. М.:
Энергоатомиздат, 1995, 320 с.

3. N. G. Hingorani and L. Gyugyi. Understanding

FACTS concepts and technology of flexible AC
transmission systems. IEEE Press, New York,
2000.

4. Бут Д.А., Алиевский Б.Л., Мизюрин С.Р., Васю-

кевич П.В. Накопители энергии. М.: Энергоато-
миздат, 1991. 400 с.

Оригинал статьи: Перспективы применения накопителей энергии в ЕНЭС и ЕЭС России

Читать онлайн

В настоящее время создание и развитие технологии энергоаккумулирования является важным направлением. Наличие в электроэнергетической системе энергоёмких и мощных накопителей в качестве промежуточного устройства между генерацией энергии и потребителем позволило бы освободиться от жёсткого соответствия генерации энергии и её потребления.