Поиск по сайту
Начало >> Книги >> Архивы >> Накопители энергии в электрических системах

Накопители энергии - новая структурная единица - Накопители энергии в электрических системах

Оглавление
Накопители энергии в электрических системах
Введение
Тенденции развития потребителей энергии
Основные направления развития генерирующих мощностей
Накопители энергии - новая структурная единица
Параметры сопоставления накопителей энергии
Гидроаккумулирующие электростанции
Магнитогидродинамические электростанции
Тепловые накопители энергии
Накопители электрической энергии
Топливные элементы
Емкостные накопители энергии
Сверхпроводниковые индуктивные накопители энергии
Линейные накопители электрической энергии
Сравнение типов накопителей энергии
Режимные параметры накопителей энергии
Режимы потребления электроэнергии
Экономико-математическая модель электроэнергетической системы
Улучшение режима и повышение его надежности
Задача оптимизации режимов работы накопителя энергии
Методы решения задач оптимизации
Технико-экономические показатели функционирования
Заключение

НАКОПИТЕЛИ ЭНЕРГИИ — НОВАЯ СТРУКТУРНАЯ ЕДИНИЦА В ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЕ
Источники энергии, предназначенные для покрытия пиков нагрузки, делятся на две группы. К первой группе относятся различные газотурбинные генераторные установки, работающие на жидких нефтепродуктах, а также гидроэлектростанции. Возможности строительства ЭЭС в европейской части СССР практически исчерпаны, мощность их в определенной степени присутствует в базисной и полупиковой мощностях. Ко второй группе относятся устройства, позволяющие разделить во времени процессы выработки и потребления электроэнергии.
В них происходят накопление энергии, вырабатываемой ЭС, работающими в базисном режиме в часы прохождения минимума нагрузки, и выдача энергии во время прохождения максимумов нагрузки. При этом электроэнергия, вырабатываемая базисными станциями и обладающая самой низкой себестоимостью, идет на покрытие максимума нагрузки, т. е. превращается накопителем и пиковую. Такое превращение базисной энергии при КПД накопителей, большем или равном отношению ночного и дневного тарифов на электроэнергию ηΗ=Сноч/Сдн, может обеспечить минимальную стоимость покрытия пика.
При сопоставлении вариантов строительства установок пиковой мощности первой и второй групп, кроме сравнения удельных капиталовложений, необходимо учитывать значительные эксплуатационные расходы, требующиеся для работы газотурбинных установок. К ним в первую очередь относятся возрастающие расходы на топливо. Эта величина может превышать приведенные удельные капиталовложения на строительство газотурбинной установки, которая станет неконкурентоспособной по сравнению с НЭ. Следствием увеличения расходов на топливо является возрастание стоимости потерь электроэнергии при передаче ее к потребителю, создание вращающегося резерва в системе и т. п. В дальнейшем ожидается еще большее снижение рентабельности строительства газотурбинных установок, связанное с постепенным исключением нефтепродуктов из топливно-энергетического баланса.
Современные ЭЭС имеют характерные особенности:

  1. Появляется возможность превращения местной аварии в системную, вызванная усложнением структуры энергообъединений, включающей дальние и сверхдальние электропередачи переменного и постоянного тока. Такие аварии могут иметь тяжелые последствия для народного хозяйства, так как сопровождаются массовым отключением потребителей, нарушением устойчивости и разделением ЭЭС на отдельные части при снижении частоты и напряжения ниже допустимого уровня.
  2. Происходит неуклонный рост неравномерности графиков нагрузки. Отличительной чертой производства электроэнергии является необходимость выработки электростанциями в каждый момент времени такого ее количества, какое требуется потребителям. Однако нагрузка колеблется (и притом существенно) как в течение суток, так и в течение недели, месяца, года.
  3. Увеличивается крутизна графиков нагрузки. Наклон утренних максимумов в центрах нагрузок может достигать 1—3% в минуту.
  4. Происходит неизбежное укрупнение оборудования электростанций, что повышает их экономичность, но приводит к снижению маневренности. Это не позволяет эффективно работать по «крутым» графикам нагрузки, снижает экономичность покрытия пиков мощности. Требования к резким темпам набора и сброса нагрузки можно выполнить лишь при наличии достаточного числа высокоманевренных агрегатов мощностью 100, 150, 200 МВт. Но с укрупнением оборудования их доля неизбежно снижается.

Анализируя вышесказанное, можно сделать вывод о необходимости дальнейших поисков мер, которые смогли бы комплексно решить проблемы, вызванные указанными особенностями. Следовательно, необходимо создание принципиально новых устройств. Таким образом, задача заключается в создании установок, которые удовлетворяли бы требованиям как потребителей (получение необходимого количества энергии с достаточным качеством и необходимой надежностью), так и генерирующих ЭС (возможность выработки постоянной мощности в течение длительного периода времени).
Идеальным со всех точек зрения можно было бы считать устройство, позволяющее разделить во времени процессы выработки и потребления электроэнергии, имеющее высокий КПД и вступающее в работу мгновенно, т. е. НЭ. Они дают возможность улучшить технико-экономические показатели энергоблоков с высокими капиталовложениями (например, ядерных энергоблоков), используя их с постоянной загрузкой с целью минимизации эксплуатационных расходов. Подсчитано, что использование каких-либо накопителей для выравнивания графиков нагрузки ЭС США в 1990 г. привело бы к экономии капиталовложений на сумму 45·109 долл, (без учета стоимости самих НЭ).
Итак, применение аккумулирования энергии позволит удовлетворить потребность ЭЭС в маневренной мощности для покрытия пиков нагрузки; компенсировать ее кратковременные изменения; уплотнить графики нагрузки путем использования более дешевой ночной энергии; увеличить мощность и время работы базисных ЭС. Но но лишь часть задач, решаемая с помощью НЭ.
Из-за укрупнения станций возрастает их роль в балансе мощности ЭЭС. Поэтому даже при частичной потepe связи с ней возможно нарушение статической устойчивости, приводящее к отключению потребителей. Вопросы поддержания динамической устойчивости ЭЭС при различных авариях решаются в основном системной автоматикой. При этом отключаются не только аварийные объекты, но и часть потребителей. Использование ЭС для поддержания устойчивости возможно лишь при наличии «горячего резерва», что крайне неэкономично. Ликвидировать такие аварийные ситуации в ЭЭС с высокой экономичностью и эффективностью с помощью обычного оборудования трудно. Накопитель с хорошими маневренными характеристиками и высоким КПД, набирающий полную мощность за несколько периодов напряжения питающей сети, позволил бы положительно решить и эту часть задач.
При эксплуатации автономных энергосистем (АвЭС) остро встают вопросы надежности энергопитания и живучести; использование в АвЭС устройств аккумулирования энергии позволит успешно их решить. При этом параметры НЭ могут быть близки к параметрам накопителя, предназначенного для выравнивания графиков нагрузки.
В ближайшие годы возможно применение в ЭЭС турбогенераторов со сверхпроводниковой обмоткой возбуждения, которые будут иметь значительно большую удельную и единичную мощности, более высокий КПД. Однако постоянная времени цепи возбуждения у них может быть в сотни раз большей, чем у обычных генераторов, причем энергия, запасаемая в обмотке возбуждения турбогенератора при равных мощностях, может на порядок превышать энергию, запасенную в поле возбуждения традиционного генератора. Вместе с тем демпфирование качаний у таких генераторов почти отсутствует, поэтому необходимо применять специальные дорогостоящие устройства.

В связи с этим целесообразно использовать вместе с криогенераторами и СПИН. В этом случае гелиевый криогенный рефрижератор может обслуживать одновременно генератор и накопитель. При использовании СПИН совместно с криогенератором последний может быть значительно удешевлен, так как отпадает необходимость применения демпфирующего экрана на его роторе, позволяющая улучшить взаимосвязь обмоток якоря и индуктора, повысить индукцию магнитного поля в зоне якорной обмотки и открывающая перспективу значительного увеличения удельной и единичной мощности.
Интересные перспективы существуют у схемы выдачи мощности ГЭС в систему через линейный накопитель электрической энергии (ЛНЭЭ). В этом случае частота не обязательно должна быть постоянной. При этом вместо номинальной частоты появляется диапазон частот, в котором может работать агрегат. Это расширяет область использования универсальной характеристики агрегата; повышает его КПД и выработку энергии, позволяя направить через турбину часть холостого водосброса при паводках; уменьшает кавитацию рабочего колеса турбины; открывает возможность применения быстроходных пропеллерных турбин и уменьшения заглубления здания ГЭС.
Ввод энергии в крупные промышленные центры в будущем намечалось осуществлять с использованием сверхпроводниковых кабелей. Однако с учетом требований надежности электроснабжения эффективнее применять для этой цели ЛНЭЭ. В качестве схем ввода энергии в города и промышленные центры можно предложить как кольцевые на основе секционирования ЛНЭЭ, так и радиальные. С помощью ЛНЭЭ можно осуществить вывод энергии с магнитогидродинамических (МГД) генераторов, одновременно преобразуя постоянный ток, вырабатываемый ими, в переменный. Значения параметров накопителей определяются конструктивными и системными требованиями.
Питание собственных нужд АЭС, а в будущем и термоядерных ЭС должно отличаться повышенной надежностью, так как любой перерыв в их питании может привести к тяжелым последствиям. В связи с этим можно резервировать электроснабжение собственных нужд АЭС с помощью ЛНЭЭ. Повышение надежности питания собственных нужд (СН) достигается за счет снабжения их энергией от ЛНЭЭ как в случае аварии на шинах станции, так и в случае частичного повреждения самого ЛНЭЭ. Параметры таких НЭ зависят только от параметров генерирующего оборудования ЭС и независимы от параметров системы.

Для передачи электроэнергии из космоса на Землю предполагается использовать беспроводные электропередачи (БЭП). При этом по БЭП будут передаваться большие (более 6 ГВт) мощности. Таким образом, для ЭЭС солнечные космические электростанции (СКЭС) будут источниками базовой мощности, что налагает определенные требования на качество энергии, поступающей от приемной антенны СКЭС. Наиболее важные из них:

  1. передаваемая в ЭЭС энергия не должна зависеть от каких-либо внешних условий, определяемых не потребителем, например от метеорологических условий (облачности, ветра и т. п.). В противном случае в ЭЭС будет необходим «горячий резерв» генерирующих мощностей порядка 10—30% от мощности СКЭС (в среднем около 1 ГВт), что неприемлемо;
  2. случайные кратковременные изменения мощности, принимаемой антенной, связанные, например, с уходом луча, не должны отражаться на потребителе. Иными сломами, режимы работы источника энергии (приемной антенны) и потребителя не должны быть жестко связаны между собой.

В силу конструктивных особенностей БЭП — наличия м беспроводном канале земной атмосферы, «прозрачность» которой зависит от метеорологических условий и изменяется стохастически — потребители на земле получат энергию, значение которой будет меняться в больших пределах.
Таким образом, возможно возникновение двух аварийных ситуаций:

  1. во время прохождения в системе максимума нагрузки (из-за ухудшения метеорологических условий) пропускная способность БЭП снизилась;
  2. во время прохождения провала нагрузки произошло аварийное отключение части потребителей, БЭП же передает мощность, соответствующую полной нагрузке.

В первом случае в ЭЭС образуется недопустимый дефицит генерирующих мощностей, а во втором — выжигание приемной подстанции БЭП. В связи с этим необходима установка НЭ по крайней мере на приемной подстанции БЭП. При этом он будет обеспечивать баланс мощности в точке подключения — координировать два неравномерных графика с несовпадающими максимумами и минимумами.

Для выполнения вышеуказанного возможно применение НЭ, имеющих высокое быстродействие (0,02 с) и позволяющих регулировать потребляемую и выдаваемую мощности в достаточно широких пределах. В литератур( не приводятся конкретные требуемые значения мощности и энергоемкости таких НЭ, однако предполагается, что они будут того же порядка, что и НЭ, предназначенные для выравнивания графиков нагрузки ЭЭС.
Таким образом, применение накопителей энергии в ЭЭС на всех этапах их развития позволит комплексно решать существующие и возникающие в энергетике проблемы.



 
« Мощные трансформаторы   Наладка оборудования электрических подстанций »
Карта сайта + все метки | Контакты
© Электроэнергетика При перепечатке и цитировании активная гиперссылка на сайт обязательна.