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:
- 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.
- 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.
- Увеличивается крутизна графиков нагрузки. Наклон утренних максимумов в центрах нагрузок может достигать 1—3% в минуту.
- 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:
- 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;
- 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:
- во время прохождения в системе максимума нагрузки (из-за ухудшения метеорологических условий) пропускная способность БЭП снизилась;
- 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.
