38
Май–июнь 2012
|
www.tdworld.com, www.tdworld.ru
ПЛАНИРОВАНИЕ
Распределения
Э
лектрические
сети
США
имеют
ряд
проблем
,
связанных
с
обеспечением
бесперебойной
подачи
электроэнергии
.
Необходима
модер
-
низация
или
замена
устаревшей
инфраструк
-
туры
,
увеличение
функциональной
связи
между
компо
-
нентами
электросети
,
а
также
увеличение
надёжности
поставки
электроэнергии
потребителям
.
Кроме
того
,
увеличивающийся
спрос
на
возобновляемые
источ
-
ники
энергии
(
ВИЭ
)
создаёт
проблемы
операторам
электросетей
из
-
за
нестабильности
генерируемой
этими
источниками
энергии
.
Точное
предсказание
ко
-
личества
производимой
ими
энергии
затруднительно
,
поэтому
может
возникнуть
необходимость
осущест
-
вления
мероприятий
по
обеспечению
устойчивой
ра
-
боты
электросети
.
Накопление
электроэнергии
рассматривается
как
способ
решения
некоторых
из
этих
проблем
.
Одна
-
ко
нахождение
экономически
выгодного
и
технически
реализуемого
решения
является
сложной
задачей
.
В
американской
энергосистеме
(American Electric
Power — AEP)
проведены
исследования
по
примене
-
нию
накопителей
электроэнергии
для
решения
некото
-
рых
проблем
электрических
сетей
.
Распределённое накопление
электроэнергии
Американская энергосистема использует энергию
аккумуляторных батарей в зоне своего обслуживания
Эмека Окафор (Emeka Okafor),
American Electric Power
В
системе
AEP
в
США
была
установлена
первая
NaS
аккумуляторная
батарея
мегаватт
-
ной
мощности
на
распределительной
подстанции
вблизи
Чарльстона
,
Западная
Вирджи
-
ния
.
Система
AEP
обеспечивает
мощность
11
МВт
за
счёт
NaS
аккумуляторной
батареи
,
включая
крупнейшую
в
стране
аккумуляторную
батарею
для
коммунальных
служб
на
4
МВт
в
Пресидио
,
штат
Техас
.
Отдельные
зоны
американской
энергосистемы
AEP
в
Чурубу
-
ско
,
Индиана
,
где
используется
NaS
аккумуляторная
батарея
.
Первая
мощная
аккумуляторная
батарея
на
основе
натрия
и
серы
(sodium-sulfur–NaS)
В
2006
г
.
в
системе
AEP
было
использовано
нако
-
пление
электроэнергии
за
счёт
применения
первой
NaS
аккумуляторной
батареи
в
элек
-
тросети
коммунальных
служб
вблизи
Чарльстона
,
Западная
Вирджиния
.
Использовалась
NaS
аккумуляторная
батарея
мощностью
1
МВт
при
энерго
-
ёмкости
7,2
МВт
•
ч
.
В
течение
первых
трёх
лет
работы
эта
батарея
обеспечивала
уровень
нагрузки
примерно
1
МВт
,
по
-
зволила
повысить
коэффициент
нагрузки
фидерной
линии
на
5%
и
снизить
температуру
масла
трансформатора
на
подстанции
.
Эта
система
аккумулирования
была
успешной
и
позволила
отложить
строительство
новой
подстанции
.
С
экономической
точки
зре
-
ния
использование
систем
ак
-
кумулирования
электроэнергии
в
распределительных
сетях
с
целью
уменьшения
скачков
на
-
грузки
(load leveling)
позволяет
39
www.tdworld.ru, www.tdworld.com
|
Май–июнь 2012
ПЛАНИРОВАНИЕ
Распределения
NaS
аккумуляторная
батарея
в
Милтоне
,
Западная
Вирджиния
,
вы
-
рабатывала
резервную
электроэнергию
во
время
аварийного
от
-
ключения
осенью
2010
г
.
отсрочить
модернизацию
или
замену
электрооборудова
-
ния
подстанции
.
Однако
этого
недостаточно
для
полного
покрытия
расходов
на
установку
системы
накопления
.
Чтобы
правильно
подойти
к
вопросу
определения
стоимости
внедрения
систем
накопления
,
необходимо
оценить
их
преимущества
в
каждом
отдельном
случае
.
Кроме
поддержания
необходимого
уровня
мощности
,
что
позволяет
значительно
отсрочить
строительство
новых
подстанций
,
эти
преимущества
могут
заклю
-
чаться
в
обеспечении
резервной
мощности
,
в
ценовой
разнице
между
спадом
и
пиком
потребления
электро
-
энергии
(energy arbitrage),
в
регулировании
частоты
в
системе
,
уменьшении
потерь
электроэнергии
и
инте
-
грации
ВИЭ
.
Большинство
этих
преимуществ
определя
-
ются
мощностью
и
энергоёмкостью
аккумуляторной
ба
-
тареи
,
поэтому
их
надо
тщательно
проанализировать
,
чтобы
расставить
приоритеты
,
так
как
для
выбранных
к
использованию
вариантов
могут
понадобиться
допол
-
нительные
ассигнования
(energy allocation).
Дальнейшее
использование
NaS
аккумуляторных
батарей
После
успешной
эксплуатации
системы
накопления
электроэнергии
в
Чарльстоне
руководство
AEP
решило
увеличить
количество
таких
установок
и
расширить
их
функции
в
качестве
резервного
источника
.
Это
позво
-
лит
увеличить
эффект
от
применения
NaS
аккумулятор
-
ных
батарей
.
Совместно
с
компанией
S&C Electric Co.
в
2009
г
.
были
установлены
три
системы
мощностью
2
МВт
и
энергоёмкостью
14,4
МВт
•
ч
.
Эти
проекты
ча
-
стично
финансировались
Министерством
энергетики
США
(U.S. Department of Energy — DOE)
по
заявке
компании
Sandia National Labs.
Системы
накопления
на
основе
NaS
аккумуляторных
батарей
вырабатывали
электроэнергию
напряжением
480
В
,
подаваемую
на
повышающий
трансформатор
,
чтобы
обеспечить
в
сети
напряжение
12,47
или
34,5
кВ
.
В
AEP
новые
системы
накопления
не
только
обеспе
-
чивали
поддержание
стабильного
уровня
мощности
при
скачках
нагрузки
,
но
и
резервную
мощность
потребите
-
лям
во
время
аварий
.
При
этом
определялась
макси
-
В
послед
-
ние
годы
интерес
к
нако
-
п и т е
-
лям
электрической
энергии
как
элементу
«
умной
сети
»
быстро
возрастает
.
Технологический
прорыв
,
осуществлённый
япон
-
ской
компанией
NGK
в
создании
натрий
-
серных
аккумулятор
-
ных
батарей
мощностью
до
нескольких
десятков
МВт
,
и
их
коммерциализация
,
а
также
стремительное
развитие
тех
-
нологии
литий
-
ионных
батарей
позволили
реализовать
несколь
-
ко
десятков
проектов
в
разных
странах
.
Принятый
до
настоя
-
щего
времени
подход
заключал
-
ся
в
установке
мощной
систе
-
мы
накопления
электроэнергии
(
СНЭ
)
для
решения
задач
регули
-
рования
частоты
,
сглаживания
графиков
нагрузки
,
обеспечения
«
горячего
»
резерва
и
т
.
д
.
В
ста
-
тье
описывается
новый
подход
к
расстановке
систем
накопления
электроэнергии
—
муниципаль
-
ная
система
накопления
.
Вместо
аккумуляторных
батарей
боль
-
шой
мощности
авторы
предлага
-
ют
применить
малогабаритную
распределённую
систему
нако
-
пления
электроэнергии
,
каждый
элемент
которой
мощностью
25
кВт
подключается
ко
вторич
-
ной
обмотке
распределительно
-
го
трансформатора
.
При
этом
обеспечивается
несколько
пре
-
имуществ
по
сравнению
со
СНЭ
большой
мощности
,
например
близость
к
потребителю
,
мень
-
шие
габариты
,
простота
обслу
-
живания
и
т
.
д
.
Кроме
того
,
выход
из
строя
отдельного
элемента
СНЭ
не
повлияет
существенным
образом
на
работу
сети
в
целом
.
Показано
,
что
применение
на
-
копителей
электроэнергии
на
базе
аккумуляторных
батарей
позволило
одновременно
с
по
-
вышением
коэффициента
на
-
грузки
фидерной
линии
снизить
температуру
масла
в
транс
-
форматоре
.
Этот
результат
является
весьма
важным
при
технико
-
экономическом
обосно
-
вании
применения
накопителей
электроэнергии
,
которые
ещё
остаются
весьма
дорогостоя
-
щими
изделиями
.
Например
,
срок
службы
силовых
трансформа
-
торов
во
многом
определяется
сроком
службы
его
изоляционной
системы
.
При
этом
повышение
температуры
изоляции
всего
на
6
о
С
приводит
к
снижению
срока
службы
в
2
раза
.
Эффект
очеви
-
ден
.
Однако
следует
отметить
,
что
в
настоящее
время
,
к
сожа
-
лению
,
отсутствуют
методики
технико
-
экономического
обосно
-
вания
применения
СНЭ
.
На
мой
взгляд
,
описанный
в
статье
подход
весьма
инте
-
ресен
и
перспективен
.
Правда
,
реализация
такого
подхода
воз
-
можна
пока
ещё
только
на
базе
технологий
литий
-
ионных
акку
-
муляторных
батарей
,
так
как
натрий
-
серные
батареи
могут
оказаться
дороже
в
качестве
распределённых
СНЭ
.
КОММЕНТАРИЙ
Леонид ДАРЬЯН, д.т.н., начальник Департамента технического
развития и регулирования ОАО «Холдинг МРСК»
40
Май–июнь 2012
|
www.tdworld.com, www.tdworld.ru
ПЛАНИРОВАНИЕ
Распределения
Преимущества
муниципальной
системы
накопления
электрической
энергии
.
Модуль
муниципальной
системы
накопления
электроэнергии
на
переднем
плане
и
установленный
на
плите
трансформатор
на
заднем
плане
в
макетном
исполнении
.
мальная
территория
,
которая
могла
бы
обслуживаться
этим
резервным
источником
электроэнергии
,
и
разби
-
валась
на
зоны
для
обеспечения
поставки
резервной
электроэнергии
потребителям
.
Управление
электроэнергией
в
каждой
зоне
осу
-
ществлялось
с
помощью
«
умных
»
реклоузеров
и
пере
-
ключателей
.
Во
время
сбоя
записывалась
последняя
информация
о
нагрузке
,
и
батарея
переключалась
в
ре
-
жим
«on-line»,
чтобы
подать
электроэнергию
как
можно
большему
количеству
потребителей
.
На
основе
послед
-
ней
информации
о
нагрузке
определялись
зоны
,
которые
можно
было
подключить
к
системе
накопления
электро
-
энергии
,
и
реклоузеры
отсоединяли
от
электросети
зоны
,
которые
не
могли
быть
подключены
к
системе
накопле
-
ния
электроэнергии
.
От
этой
системы
накопления
может
получать
электроэнергию
вся
территория
,
но
в
случаях
значительных
перегрузок
может
быть
подключено
мень
-
шее
количество
зон
,
с
тем
чтобы
гарантировать
,
что
мак
-
симальное
количество
потребителей
получает
электро
-
энергию
от
резервного
источника
.
Примером
использования
резервной
электроэнер
-
гии
может
служить
ситуация
,
когда
в
результате
ав
-
томобильной
аварии
первого
ноября
2010
г
.
была
по
-
вреждена
трёхфазная
сеть
и
прекратилась
подача
электроэнергии
с
подстанции
,
расположенной
в
Мил
-
тоне
,
Западная
Вирджиния
.
Тогда
аккумуляторная
ба
-
тарея
была
переведена
в
режим
выдачи
мощности
и
обеспечивала
электроэнергией
всю
территорию
,
около
700
потребителей
,
в
течение
одного
часа
и
17
минут
,
пока
не
была
устранена
неисправность
и
не
восста
-
новлена
подача
электроэнергии
.
Наряду
с
аккумуля
-
торными
батареями
в
распределительных
системах
специальная
группа
,
занимающаяся
распределением
электроэнергии
в
AEP,
ввела
в
эксплуатацию
систему
накопления
электроэнергии
с
NaS
аккумуляторной
ба
-
тареей
в
Пресидио
,
Техас
,
в
2010
г
.
Система
мощно
-
стью
4
МВт
и
энергоёмкостью
25
МВт
•
ч
и
сегодня
явля
-
ется
самой
крупной
системой
такого
рода
в
США
.
Следующий
шаг
AEP
в
накоплении
электроэнергии
Системы
накопления
электроэнергии
на
базе
NaS
аккумуляторных
батарей
оказались
успешными
и
по
-
зволили
AEP
их
совершенствовать
,
чтобы
они
отвечали
требованиям
потребителей
и
дали
возможность
комму
-
нальным
службам
использо
-
вать
систему
распределения
электроэнергии
более
эффек
-
тивно
.
На
подстанциях
всегда
будут
востребованы
системы
накопления
электроэнергии
,
которые
легко
подключаются
в
случае
длительной
аварий
-
ной
ситуации
.
Однако
AEP
использует
и
другой
подход
,
в
котором
системы
резерви
-
рования
электроэнергии
могут
быть
более
гибкими
и
эффек
-
тивными
для
потребителей
,
поддерживая
при
этом
работу
электрической
сети
в
целом
.
Этот
новый
подход
на
-
зывается
«
муниципальная
система
накопления
электро
-
энергии
» (Community Energy
Storage — CES).
Она
представляет
собой
малогаба
-
ритную
систему
накопления
электроэнергии
с
исполь
-
зованием
аккумуляторной
батареи
и
подключается
к
вторичной
обмотке
распределительного
трансформа
-
тора
муниципального
энергетического
предприятия
,
чтобы
обеспечивать
резервной
энергией
потребителей
.
Несколько
таких
систем
могут
быть
объединены
,
что
-
бы
использовать
преимущества
подключения
к
общей
энергосети
.
Выгоды
,
которые
получат
как
потребители
,
так
и
сетевые
операторы
от
использования
CES,
заклю
-
чаются
в
следующем
.
•
Размещение
.
Системы
накопления
электроэнер
-
гии
,
которые
размещаются
ближе
к
потребителям
,
надёжны
,
так
как
они
меньше
подвержены
влиянию
погодных
условий
,
способных
вызвать
повреждение
линий
электропередачи
.
•
Демпфирование
скачков
энергии
от
ВИЭ
.
Си
-
стемы
накопления
,
расположенные
ближе
к
потре
-
бителям
,
могут
более
эффективно
демпфировать
(
сглаживать
скачки
)
электроэнергию
,
поступающую
от
маломощных
ветряных
и
солнечных
источников
энергии
,
обслуживающих
потребителей
.
•
Связь
(
синергия
)
с
другими
отраслями
.
Сегод
-
ня
муниципальные
энергетические
предприятия
не
41
www.tdworld.ru, www.tdworld.com
|
Май–июнь 2012
ПЛАНИРОВАНИЕ
Распределения
Выравнивание
графика
нагрузки
в
зависимости
от
режима
работы
.
Выравнивание
графика
нагрузки
в
установленное
время
пуска
.
приобретают
в
больших
коли
-
чествах
системы
накопления
на
базе
аккумуляторных
батарей
.
Если
эти
предприятия
будут
вне
-
дрять
технологии
,
используемые
в
других
отраслях
,
таких
как
ав
-
томобильная
,
то
у
них
появится
больше
возможностей
снижать
стоимость
за
счёт
увеличения
количества
приобретаемых
акку
-
муляторных
батарей
.
•
Меньшие
габариты
.
Такое
обо
-
рудование
CES
будет
легче
уста
-
навливать
,
вводить
в
эксплуа
-
тацию
и
обслуживать
.
Аварии
в
распределённом
оборудовании
меньше
влияют
на
работу
элек
-
трической
сети
.
Пилотный
проект
CES
Как
часть
пилотного
проекта
Smart Grid
системы
AEP
в
штате
Огайо
,
частично
финансируемого
DOE,
муниципальное
энергетиче
-
ское
предприятие
планирует
ввод
в
эксплуатацию
80
установок
CES
в
центре
штата
Огайо
.
Все
установки
,
располагаемые
на
свободном
про
-
странстве
,
будут
присоединены
к
одной
линии
электропередачи
,
иду
-
щей
примерно
к
1700
потребителям
.
CES
обеспечивали
20%
этих
потре
-
бителей
.
Центр
управления
CES,
находящийся
на
электростанции
,
будет
объединять
их
для
исполь
-
зования
преимуществ
единой
сети
,
таких
как
выравнивание
пиков
на
-
грузки
и
коррекция
коэффициента
мощности
.
В
CES
будут
применяться
литий
-
ионные
аккумуляторные
батареи
,
аналогичные
тем
,
которые
будут
использоваться
в
электромобилях
.
Решение
использовать
этот
тип
ак
-
кумуляторных
батарей
обусловлено
их
большой
энер
-
гоёмкостью
и
возможным
значительным
уменьшением
стоимости
за
счёт
закупки
этих
батарей
автомобильной
промышленностью
в
больших
количествах
. AEP
рас
-
считывает
получить
от
ожидаемого
снижения
стоимо
-
сти
серьёзные
выгоды
,
что
позволит
в
будущем
исполь
-
зовать
большее
количество
CES.
Аккумуляторные
батареи
,
которые
будут
применять
-
ся
как
часть
этого
пилотного
проекта
,
рассчитаны
на
работу
в
течение
одного
часа
.
Однако
для
всей
энерго
-
сети
и
для
обеспечения
резервной
энергией
потребите
-
лей
муниципальным
энергетическим
предприятиям
по
-
требуются
аккумуляторные
батареи
,
обеспечивающие
номинальную
мощность
в
течение
3—4
часов
.
Преимущества
проекта
CES
Ожидается
,
что
реализация
пилотного
проекта
по
-
зволит
:
•
подавать
резервную
электроэнергию
потребителям
во
время
аварийного
отключения
;
•
выравнивать
график
нагрузки
;
•
корректировать
коэффициент
мощности
.
Резервная
электроэнергия
CES
рассчитаны
на
номинальную
мощность
25
кВт
и
энергоёмкость
25
кВт
•
ч
и
будут
размещаться
рядом
с
трансформаторами
,
расположенными
возле
домов
потребителей
.
Для
подачи
резервной
электроэнергии
потребителям
во
время
аварийной
ситуации
CES
будет
отключаться
от
электросети
и
подавать
энергию
потре
-
бителям
,
присоединённым
к
трансформатору
.
Система
накопления
будет
способна
в
течение
нескольких
часов
обеспечивать
подачу
резервной
электроэнергии
,
кото
-
рой
будет
достаточно
для
работы
коммунальных
служб
,
так
как
вырабатывать
номинальную
мощность
25
кВт
в
полном
объёме
в
течение
всего
времени
аварийного
от
-
ключения
CES
не
сможет
.
Выравнивание
графика
нагрузки
CES
будут
присоединены
к
общему
центру
управ
-
ления
на
подстанции
,
чтобы
можно
было
выравни
-
вать
график
нагрузки
в
установленных
на
подстанции
трансформаторах
.
Успешная
реализация
такой
систе
-
мы
позволит
на
длительное
время
избежать
модерни
-
42
Май–июнь 2012
|
www.tdworld.com, www.tdworld.ru
ПЛАНИРОВАНИЕ
Распределения
зации
или
замены
оборудования
.
Для
выравнивания
графика
нагрузки
будут
опробованы
две
различные
программы
.
•
Выравнивание
нагрузки
в
зависимости
от
ре
-
жима
работы
.
Используя
эту
программу
,
муници
-
пальные
энергетические
предприятия
смогут
анали
-
зировать
уровень
нагрузки
,
определить
стартовое
время
и
выбрать
режим
разряда
аккумуляторной
батареи
,
необходимые
для
выравнивания
графика
нагрузки
.
•
Выравнивание
нагрузки
в
установленное
вре
-
мя
.
Этот
более
сложный
,
но
и
более
интеллекту
-
альный
подход
предусматривает
использование
установленного
времени
для
пуска
CES.
В
заданное
время
проверяется
необходимость
выравнивания
графика
нагрузки
.
Если
нагрузка
равна
или
выше
предусмотренного
уровня
,
то
выравнивание
будет
выполнено
в
этот
же
день
.
Такой
подход
обеспечи
-
вает
экономичный
режим
работы
аккумуляторной
батареи
,
так
как
её
разряд
не
будет
приходиться
на
день
спада
нагрузки
.
Тем
самым
,
во
-
первых
,
увеличивается
срок
её
службы
за
счёт
уменьше
-
ния
количества
циклов
заряд
-
разряд
и
,
во
-
вторых
,
больше
накопленной
энергии
может
быть
отдано
потребителям
.
При
этом
необходимо
определить
как
время
,
когда
появляется
необходимость
вы
-
равнивания
графика
нагрузки
,
так
и
начало
вырав
-
нивания
,
потому
что
эти
два
времени
могут
разли
-
чаться
.
Коррекция
коэффициента
мощности
Последнее
из
перечисленных
преимуществ
,
кото
-
рое
должно
быть
подтверждено
во
время
работы
CES
пилотного
проекта
, —
это
возможность
использования
конденсаторов
в
электросети
.
В
CES
будут
использо
-
ваться
инверторы
,
способные
разряжаться
и
заряжать
-
ся
от
сети
,
а
также
запасать
энергию
в
конденсаторах
и
индуктивностях
.
Возможность
использовать
конденса
-
торы
даёт
значительные
преимущества
электросетям
.
Большая
часть
нагрузки
коммунальных
сетей
и
линий
электропередачи
является
индуктивной
,
а
высокие
ин
-
дуктивные
нагрузки
могут
вызвать
проблемы
,
связан
-
ные
с
падением
напряжения
.
Сегодня
большинство
муниципальных
энергетиче
-
ских
предприятий
использует
батареи
конденсаторов
,
чтобы
уравновесить
(
сбалансировать
)
эти
индуктив
-
ные
нагрузки
. CES
смогут
использовать
конденсаторы
,
чтобы
уравновесить
индуктивные
нагрузки
и
обеспе
-
чить
более
эффективную
работу
распределительных
систем
.
Следующие
шаги
Ожидается
,
что
CES-
проект
в
Огайо
будет
реализо
-
ван
и
исследован
в
течение
декабря
2013
г
.
Сейчас
раз
-
рабатываются
программы
измерений
,
чтобы
убедиться
в
преимуществах
,
которые
обеспечиваются
CES
в
рас
-
пределительной
системе
и
о
которых
будет
сообщено
в
DOE.
Эмека
Окафор
(
Emeka Okafor
работает
инженером
в
Управлении
исследовательских
программ
компании
American Electric Power
в
г
.
Колум
-
бусе
,
штат
Огайо
,
США
,
и
отвечает
за
исследования
новых
методов
накопления
электроэнергии
и
возмож
-
ности
их
внедрения
в
AEP.
В
настоящее
время
он
ру
-
ководит
строительством
муниципальных
систем
нако
-
пления
электроэнергии
,
использующих
литий
-
ионные
аккумуляторные
батареи
и
рассчитанных
на
мощность
2
МВт
при
энергоёмкости
2
МВт
•
ч
,
в
штате
Огайо
.
Он
закончил
Университет
Орал
Робертс
со
степенью
бака
-
лавра
в
области
энергетики
и
Университет
г
.
Оклахома
со
степенью
магистра
в
области
электроэнергетики
.
Упомянутые
в
статье
компании
:
American Electric Power | www.aep.com
S&C Electric Co | www.sandc.com
Sandia National Labs | www.sandia.gov
U.S. Department of Energy | www.energy.gov
Джон
Мандевиль
,
старший
инженер
-
технолог
,
работающий
в
компании
AEP,
проверяет
работу
экспериментального
образца
муниципальной
системы
накопления
электроэнергии
.
Оригинал статьи: Распределённое накопление электроэнергии
Американская энергосистема использует энергию аккумуляторных батарей в зоне своего обслуживания.
Комментарий к статье:
Леонид Дарьян, д.т.н., начальник Департамента технического развития и регулирования ОАО «Холдинг МРСК».
