ГЛАВА 3
МОДЕЛИРОВАНИЕ НАКОПИТЕЛЕЙ ЭНЕРГИИ
РЕЖИМНЫЕ ПАРАМЕТРЫ НАКОПИТЕЛЕЙ ЭНЕРГИИ
В связи с тем что НЭ является частью ЭЭС, он должен работать и в нормальных (рабочих), и в аварийных режимах. Существуют режимы: накопления энергии (заряд), хранения, выдачи (разряд), аварийные.
Режим накопления энергии (заряд). В этом режиме генераторные станции вырабатывают энергии больше, чем требуется потребителю. Этот режим в основном используется в ночные часы во время прохождения «провала» нагрузки. Накопитель заряжается избыточной энергией, вырабатываемой на станциях, что позволяет исключить остановки генерирующего оборудования. Для ЛНЭЭ характерен также режим «транспорт +накопление», при котором через ЛНЭЭ передается необходимая потребителю энергия и одновременно производится дальнейшее накопление.
Режим хранения энергии. В данном случае существует соответствие между энергиями: вырабатываемой на станциях и потребляемой нагрузкой. Накопитель переводится в режим хранения энергии, но на случай возникновения аварийных режимов от системы не отключается. Линейный накопитель электрической энергии работает только как ЛЭП, т. е. осуществляется режим «транспорт».
Режим выдачи энергии (разряд). В данном режиме потребитель требует энергии больше, чем вырабатывается генераторными ЭС. Накопитель энергии разряжается и отдает накопленную энергию потребителю. Линейный накопитель электрической энергии может передавать потребителю всю энергию, генерируемую станциями, и, кроме того, сам разряжается на потребителя (режим «транспорт+выдача»).
Аварийные режимы. Накопитель энергии обязан работать и в аварийных режимах: резких (в том числе и кратковременных) сбросах и набросах нагрузки, качаниях, отключениях генерирующего оборудования и т. д. При возникновении аварийных ситуаций необходимо, чтобы НЭ, во-первых, с достаточной скоростью выдавал или потреблял требуемое количество энергии, и, во-вторых, обладал достаточной маневренностью и аварийной энергоемкостью для демпфирования колебаний. Маневренность НЭ характеризуется: временем реверса мощности tрев, необходимым для перевода его из режима выдачи энергии в режим потребления, и наоборот, и величиной, характеризующей скорость изменения потребляемой или выдаваемой им мощности Pv=dP/dt. В аварийных режимах, связанных с отключением части генерирующих мощностей или нагрузок, ЛНЭЭ работает аналогично шунтовому накопителю.
Во всех указанных нормальных и аварийных режимах должен соблюдаться баланс мощностей в узле подключения НЭ, т. е.
где Рнагр, Рг, Qнагр, Qг — соответственно активные и реактивные мощности, втекающие (нагрузка) и вытекающие из узла (генерация); Рн, Qн — активная и реактивная мощности, потребляемые НЭ; Qфку — реактивная мощность фильтрокомпенсирующих устройств (ФКУ), которые могут быть установлены на шинах НЭЭ.
Поскольку НЭ должен работать в течение времени, определяемого из графика нагрузки, его рабочая энергоемкость
где tраб — время работы накопителя (tраб=mах{tзар, tразр}); tзар, tразр — соответственно время работы НЭ в режимах накопления (заряда), выдачи (разряда).
По конструктивным соображениям разряжать НЭ полностью не рекомендуется, поэтому его полная энергоемкость Эн>Эн.раб
Значение так называемого минимального уровня накопленной энергии (иногда применяется термин «мертвый объем») Э0 неодинаково для разных типов НЭ.
Оно должно определяться в каждом конкретном случае и, кроме того, для всех типов НЭ исходя из технических требований для обеспечения нормальной работы АЭ. Например, для механических накопителей — минимальная частота вращения маховика, для химических накопителей (ХН)—минимально допустимый уровень разряда и т. д. Для НЭЭ величина Э0 выбирается с учетом обеспечения нормальной работы преобразователей, а для ГАЭС должны учитываться также экологические требования и требования, обеспечивающие нормальную работу водопользователей.
Полная энергоемкость накопителя с учетом аварийных составляющих
где Эав— аварийная энергоемкость, необходимая для демпфирования колебаний, возникающих в ЭЭС в любом из его режимов работы.
Таким образом, можно выделить четыре параметра НЭ, определяющих его функциональные возможности в ЭЭС:
- максимальная мощность накопителя Рн;
- полная энергоемкость Эн;
- время работы tpaб,
- время реверса мощности tрев.
Для выяснения возможности и целесообразности использования каких-либо типов НЭ в энергосистеме необходимо определить ее требования к ним, т. е. очертить границы значений режимных параметров — минимально допустимой мощности Рн, энергоемкости Эн, времени работы tpaб и времени реверса мощности tpeв.
Накопители энергии можно использовать в качестве многофункциональных устройств, способных при работе современных энергосистем решать задачи:
обеспечения потребителя, имеющего переменный график нагрузки электроэнергией при постоянной загрузке генераторов ЭС; постоянных напряжений с заданной степенью точности в некоторых точках; статической устойчивости возможных режимов работы систем с заданным запасом; заданных пределов динамической устойчивости систем;
регулирования потоков обменных мощностей между ЭЭС.
Решение вышеперечисленных задач сложно, что обусловлено многосвязностью объектов регулирования, нелинейностью процессов в ЭЭС, многообразием установившихся режимов и возможных допущений. В связи с этим
данные задачи целесообразно разбить на решаемые последовательно частные подзадачи обеспечения:
потребителя, имеющего переменный график нагрузки электроэнергией при постоянной загрузке генераторов ЭС;
статической устойчивости и заданных показателей качества переходных процессов систем при малых возмущениях;
динамической устойчивости системы при больших возмущениях.
Такое разделение рационально, так как оно отвечает ранжировке процессов по времени их протекания; учитывает основные факторы, характеризующие функционирование современных ЭЭС; позволяет применять частные методы исследования для решения каждой подзадачи. Для их успешного решения необходимо создание серии моделей НЭ, действующих в ЭЭС: физических, математических и экономических. Информация для составления таких моделей может быть получена в основном с помощью экспериментов на реальном НЭ*.
Рассмотрим подробнее комплекс экономико-математической и физической моделей накопителей энергии, отражающий его поведение в ЭЭС.
