В статье описана проблематика электроснабжения удаленных потребителей электрической энергии, рассматривается возможность применения систем накопления электрической энергии. Представлены сравнение различных вариантов конструкции мобильных систем накопления электрической энергии и критерии выбора объектов их размещения. Приведены реализованные технические решения и результаты опытной эксплуатации.
Акуличев В.О., заместитель генерального директора по цифровой трансформации ПАО «Россети Центр»
Микрюков В.В., руководитель Дирекции по инновационной деятельности и импортозамещению ПАО «Россети Центр»
Пацев А.А., главный специалист Дирекции по инновационной деятельности и импортозамещению ПАО «Россети Центр»
Аблазов Б.Г., старший руководитель проектов ООО «Литэко»
Богачев А.В., к.т.н., главный конструктор направления «Электрика» ООО «Литэко»
Куликов А.С., главный конструктор направления «Разработка САУ» ООО «Литэко»
Чаплыгин Д.С., ведущий инженер-конструктор направления «Механика» ООО «Литэко»
В ряде регионов остается актуальной проблема энергоснабжения удаленных потребителей малой мощности, в том числе находящихся в зоне единой энергетической системы РФ. Зачастую для питания нескольких домов электросетевая компания вынуждена содержать в нормативном состоянии протяженный участок сети, включая линии электропередачи и трансформаторные подстанции. При этом обеспечить таких потребителей надежным энергоснабжением становится все труднее с увеличением процента износа оборудования электрических сетей.
Использование мобильных систем накопления электроэнергии (СНЭЭ) с возможностью замены сменных блоков, их зарядки на объекте сетевой организации и доставки автотранспортом до места потребления позволит полностью решить данную проблему без изменения баланса электрической энергии для сетевой компании.
КОНЦЕПЦИЯ МОБИЛЬНОЙ БЛОЧНО-МОДУЛЬНОЙ СИСТЕМЫ НАКОПЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ
В 2020 году филиалом ПАО «Россети Центр» — «Тверьэнерго» была инициирована научно-исследовательская и опытно-конструкторская работа, ставящая своей целью разработку и создание блочно-модульной конструкции системы накопления электроэнергии (БМ СНЭЭ), позволяющей осуществлять бесперебойное питание удаленных потребителей без необходимости постройки и обслуживания ЛЭП. Научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы выполнялись совместно со специалистами компании ООО «Литэко».
В ходе реализации проекта НИОКР была разработана и установлена БМ СНЭЭ со сменным накопителем для автономного энергоснабжения удаленных потребителей. Данная система предназначена для накопления, хранения электрической энергии и отдачи ее в изолированную электрическую сеть и может использоваться для электроснабжения потребителей, не имеющих доступа к централизованному энергоснабжению.
БМ СНЭЭ изготовлена в теплоизолированном блок-контейнере, обеспечивающем защиту от внешних воздействий и оптимальные условия функционирования оборудования.
Установленная БМ СНЭЭ состоит из следующих компонентов:
- подсистема зарядки накопителя энергии;
- перевозимый накопитель энергии (ПНЭ);
- подсистема преобразования энергии и выдачи мощности потребителю.
Подсистема зарядки ПНЭ является стационарной и располагается в блок-контейнере на территории мастерского участка РЭС, приближенного к центру питания района. Данная подсистема состоит из распределительного устройства, обеспечивающего передачу электрического тока от электрических сетей электросетевой компании к зарядному устройству (ЗУ). ЗУ обеспечивает преобразование электрического тока и напряжение до параметров, необходимых для зарядки ПНЭ.
Подключение ПНЭ к ЗУ осуществляется быстроразъемными электрическими соединителями. Мощность ЗУ выбирается из условия обеспечения одновременной зарядки необходимого числа ПНЭ. Число заряжаемых одновременно ПНЭ определяется исходя из общего количества ПНЭ в системе, типового времени их разряда, времени зарядки и времени транспортировки. Подсистема зарядки оснащается системой автоматического управления и необходимыми вспомогательными системами.
Перевозимый накопитель энергии представляет собой литий-ионную аккумуляторную батарею, оснащенную системой контроля и управления (СКУ), устанавливаемую на прицеп для транспортирования.
Электрическая коммутация ПНЭ в пунктах зарядки и в пунктах потребления электроэнергии осуществляется быстроразъемными соединителями. Конструктивное исполнение электрических разъемов исключает возможность ошибочной коммутации силовых, контрольно-управляющих и интерфейсных цепей.
Подсистема преобразования энергии и выдачи мощности потребителю выполняется в блок-контейнере в стационарном исполнении и устанавливается непосредственно у потребителя, оснащается собственной САУ и необходимыми вспомогательными системами.
ВЫБОР МЕСТА УСТАНОВКИ БМ СНЭЭ
Первоочередным вопросом при реализации НИОКР был выбор места размещения БМ СНЭЭ. Одним из основных критериев такого выбора является постоянная транспортная доступность подсистемы преобразования энергии и выдачи мощности потребителю и, как следствие, возможность периодической замены перевозимых накопителей энергии и обеспечения надежного электроснабжения удаленных объектов.
Помимо транспортной доступности при реализации проекта НИОКР также учитывались следующие принципы выбора объекта опытного образца БМ СНЭЭ:
- Трансформаторная подстанция (ТП) 10(6)/0,4 кВ мощностью до 25 кВА с числом потребителей до 10 шт.
- Наибольшая протяженность отпайки высоковольтной линии (ВЛ) 6–10 кВ к одиночной ТП, которую можно заменить на СНЭЭ.
- Сложность обслуживания отпайки ВЛ 10 кВ (лесистая и болотистая местность).
- Незначительное суточное и часовое потребление электроэнергии.
- Отсутствие явного потенциального развития населенного пункта и предпосылок для заявок на присоединение.
На основании представленных критериев был проведен отбор потенциальных объектов для установки БМ СНЭЭ (рисунок 1). В ходе более детального анализа выбранных населенных пунктов было определено оптимальное место размещения опытного образца БМ СНЭЭ — д. Осипово (Старицкий район), имеющее следующие параметры: протяженность участка ВЛ 6–10 кВ, от которых можно отказаться — 5680 м; мощность трансформаторной ТП, от которой можно отказаться — 25 кВА; количество подключенных домов — 4 шт., количество постоянных жителей — 2 человека.
ВЫБОР КОНСТРУКЦИИ БМ СНЭЭ
При учете того, что системы накопления электрической энергии являются принципиально новым элементом энергетической системы, органически дополняющим объекты передачи и потребления электроэнергии, при этом открывающим широкие возможности по реализации потенциала новых видов сервисов, созданию активных потребителей, повышению эффективности использования энергетических объектов [1], возник вопрос технической реализации конструкции устанавливаемой системы. Было рассмотрено пять возможных реализаций конструкции:
- БМ СНЭЭ с передвижным накопителем энергии;
- БМ СНЭЭ с перегружаемыми блоками ЛИАБ;
- БМ СНЭЭ с передвижным и буферным накопителями энергии;
- БМ СНЭЭ с перегружаемыми модулями ЛИАБ;
- БМ СНЭЭ, заряжаемая от внешнего перевозимого накопителя энергии.
Сравнительный анализ предложенных решений представлен в таблице 1.
На основе проведенного сравнения и технико-экономического анализа приоритетным для реализации был принят вариант 3 — БМ СНЭЭ с передвижным и буферным накопителями электроэнергии.
Основные технические характеристики выбранного варианта БМ СНЭЭ представлены в таблице 2.
На рисунке 2 представлен общий вид БМ СНЭЭ с установленным передвижным накопителем энергии.
РЕАЛИЗАЦИЯ ТЕХНИЧЕСКОГО РЕШЕНИЯ И ОПЫТНАЯ ЭКСПЛУАТАЦИЯ
В ходе реализации проекта НИОКР в филиале ПАО «Россети Центр» — «Тверьэнерго» была разработана конструкторская и проектная документация на БМ СНЭЭ, изготовлен опытный образец БМ СНЭЭ с двумя сменными ПНЭ, выполнен комплекс работ по реконструкции существующей электрической сети и ТП на объектах размещения подсистем БМ СНЭЭ и монтаж разрядного и зарядного модулей БМ СНЭЭ. Реконструкция объектов велась с целью возможности отключения воздушной линии (ВЛ) от питающей подстанции 35/10 кВ «Степурино», по которой происходило питание потребителей, и их дальнейшее питание в продолжительном режиме от СНЭЭ. На рисунке 3 представлен разрядный модуль БМ СНЭЭ, установленной в деревне Осипово (Старицкий район, Тверская область).
После проведения всех подготовительных мероприятий и отладки систем БМ СНЭЭ был дан старт проведению опытно-промышленной эксплуатации (ОПЭ). В ходе ОПЭ питание удаленных потребителей полностью осуществлялось от БМ СНЭЭ, при достижении порогового значения заряда ПНЭ производилась его замена на заряженный, велся контроль и логирование показателей работы системы, анализировались сведения о продолжительности функционирования БМ СНЭЭ, отказах, сбоях, аварийных ситуациях, изменениях параметров объекта. На основании проведенного анализа вносились корректировки в документацию и программные средства. Существующая ВЛ на протяжении ОПЭ СНЭЭ использовалась как резервное питание нагрузки с автоматическим вводом в случае технологического отказа СНЭЭ. На рисунке 4 представлен процесс замены передвижного накопителя энергии.
В результате опытной эксплуатации БМ СНЭЭ была доказана ее реализуемость и эффективность в целях замещения протяженных участков линий 10/6 кВ и ТП 10(6)/0,4 кВ небольшой мощности в населенных пунктах с отсутствием перспектив развития и сокращающимся объемом потребления.
ВЫВОДЫ
Развитие возобновляемых источников энергии (ВИЭ) и быстрое распространение микросетей закономерно формируют спрос на СНЭЭ. Накопители все чаще воспринимаются как полезное дополнение к энергосистемам, позволяющее повысить их эффективность и предоставляющее важные вспомогательные услуги [2].
В рамках реализации в филиале ПАО «Россети Центр» — «Тверьэнерго» НИОКР «Разработка блочно-модульной системы накопления электроэнергии со сменными батарейными блоками для автономного энергоснабжения удаленных потребителей малой мощности» был разработан инновационный продукт, не имеющий в настоящее время аналогов и имеющий огромные перспективы внедрения и дальнейшего масштабирования.
К естественным ограничениям такой системы следует отнести ограничение транспортировки в межсезонье с учетом возможности обводнения территорий и разрушения целостности дорожного полотна шоссейных и грунтовых автомобильных дорог, что, в свою очередь, затруднит возможность использования техники специального назначения для транспортировки и установки БМ СНЭЭ на месте его размещения (в локации удаленных отдельных домохозяйств) в длительном интервале времени (от суток до недель).
Концепция БМ СНЭЭ показала свою работоспособность и эффективность и может быть рекомендована для дальнейшего внедрения. 
ЛИТЕРАТУРА
- Рынок систем накопления электроэнергии в России: потенциал развития. Экспертно-аналитический доклад. Под ред. Ю. Удальцова, Д. Холкина. Москва, 2018. 69 с.
- Новые рынки энергетических решений для Юго-Восточной Азии. Экспертно-аналитический доклад. Под ред. Д. Холкина. Москва, 2019. 40 с.
