Разработка математической модели и методики выбора параметров накопителя энергии как элемента энергосистемы
ВВЕДЕНИЕ ………………………………………………………………………………………………………. 6
ГЛАВА 1 НАКОПИТЕЛИ ЭНЕРГИИ В ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ
СИСТЕМАХ. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ
ПРИМЕНЕНИЯ ………………………………………………………………………………………………. 13
1.1 НАКОПИТЕЛЕЙ ЭНЕРГИИ В ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКЕ ……………………………………………….. 13
1.2 ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ СНЭ ……………………………………………………………………….. 18
1.3 МИРОВОЙ И ОТЕЧЕСТВЕННЫЙ ОПЫТ ПРИМЕНЕНИЯ СНЭ ……………………………………. 25
1.3.1 МИРОВОЙ ОПЫТ ПРИМЕНЕНИЯ СНЭ ……………………………………………………………… 25
1.3.2 ОТЕЧЕСТВЕННЫЙ ОПЫТ ПРИМЕНЕНИЯ СНЭ ……………………………………………………. 28
ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 1 ……………………………………………………………………………………………. 31
ГЛАВА 2 МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ СНЭ В СОСТАВЕ
ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ ……………………………………………………. 32
2.1 ОЦЕНКА ПРИМЕНИМОСТИ ПРОМЫШЛЕННЫХ ПРОГРАММНО-ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ
КОМПЛЕКСОВ ДЛЯ РАСЧЁТОВ ПЕРЕХОДНЫХ ПРОЦЕССОВ В СНЭ В СОСТАВЕ ЭНЕРГОСИСТЕМЫ. 32
2.2 ТРЕБОВАНИЯ К МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ СНЭ В СОСТАВЕ ЭНЕРГОСИСТЕМЫ ………. 41
2.3 СТРУКТУРЫ СНЭ НА БАЗЕ АККУМУЛЯТОРНЫХ БАТАРЕЙ БОЛЬШОЙ МОЩНОСТИ И
СУПЕРКОНДЕНСАТОРОВ, ИХ ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ …………………………………………… 42
2.4 МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ СИСТЕМЫ НАКОПЛЕНИЯ ЭНЕРГИИ ДЛЯ РАСЧЁТА РЕЖИМОВ И
ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ ПЕРЕХОДНЫХ ПРОЦЕССОВ В ЭНЕРГОСИСТЕМЕ …………………………. 51
2.4.1 БЛОК «ПАРАМЕТРЫ СНЭ» …………………………………………………………………………… 55
2.4.2 БЛОК «ОГРАНИЧЕНИЕ МИНИМАЛЬНОГО И МАКСИМАЛЬНОГО УРОВНЯ ЗАРЯДА СНЭ»… 59
2.4.3 БЛОК «ОГРАНИЧЕНИЕ ПО РАСПОЛАГАЕМОЙ МОЩНОСТИ ПОДСИСТЕМЫ НАКОПЛЕНИЯ
СНЭ» ………………………………………………………………………………………………………………. 60
2.4.4 БЛОК «РАСЧЕТ УРОВНЯ ЗАРЯДА СНЭ» ……………………………………………………………. 62
2.4.5 ОГРАНИЧЕНИЯ ПОДСИСТЕМЫ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ СНЭ……………………………. 66
2.4.6 МОДЕЛЬ ПОДСИСТЕМЫ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ЭНЕРГИИ СНЭ……………………………………… 70
2.5 ПРИМЕРЫ ПРИМЕНЕНИЯ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ СНЭ …………………………………. 71
2.5.1 СНЭ НА БАЗЕ ЛИТИЙ-ИОННЫХ АККУМУЛЯТОРОВ………………………………………………. 73
2.5.2 СНЭ НА БАЗЕ СУПЕРКОНДЕНСАТОРОВ …………………………………………………………….. 76
2.5.3 СНЭ НА БАЗЕ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОГО (МАХОВИКОВОГО) НАКОПИТЕЛЯ ЭНЕРГИИ…. 78
ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 2 ……………………………………………………………………………………………. 82
ГЛАВА 3 ВЕРИФИКАЦИЯ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ СИСТЕМЫ
НАКОПЛЕНИЯ ЭНЕРГИИ ……………………………………………………………………………… 83
3.1 СРАВНЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ФИЗИЧЕСКИХ ЭКСПЕРИМЕНТОВ И РАСЧЁТОВ ПО
МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ…………………………………………………………………………………… 87
3.1.1 КОНТРОЛЬНЫЙ ОПЫТ (БЕЗ СНЭ)………………………………………………………………… 87
3.1.2 ОПЫТ ОГРАНИЧЕНИЯ МИНИМАЛЬНОЙ И МАКСИМАЛЬНОЙ МОЩНОСТИ ДИЗЕЛЬ-
ГЕНЕРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ С ПОМОЩЬЮ СНЭ ……………………………………………………. 90
3.1.3 ОПЫТ ОГРАНИЧЕНИЯ СКОРОСТИ ИЗМЕНЕНИЯ МОЩНОСТИ ДИЗЕЛЬ-ГЕНЕРАТОРНОЙ
УСТАНОВКИ С ПОМОЩЬЮ СНЭ …………………………………………………………………………… 93
ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 3 ……………………………………………………………………………………………. 97
ГЛАВА 4 АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ МОНИТОРИНГА ЭНЕРГООБЪЕКТА ДЛЯ
РАСЧЁТА ПАРАМЕТРОВ СНЭ ……………………………………………………………………… 98
4.1 ПРИМЕНЕНИЕ ТЕОРИИ МГНОВЕННОЙ МОЩНОСТИ ДЛЯ ОБРАБОТКИ РЕЗУЛЬТАТОВ
МОНИТОРИНГА РЕЖИМНЫХ ПАРАМЕТРОВ …………………………………………………………………. 98
4.1.1 РАСЧЕТ ЧАСТОТЫ……………………………………………………………………………………….. 99
4.1.2 РАСЧЕТ МОЩНОСТИ ……………………………………………………………………………………. 99
4.1.3 ПРИМЕР ОБРАБОТКИ ОСЦИЛЛОГРАММ ТОКОВ И НАПРЯЖЕНИЙ…………………………….. 103
4.2 ПРИМЕНЕНИЕ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ФУРЬЕ ДЛЯ АНАЛИЗА НАГРУЗОЧНЫХ ДИАГРАММ ….. 106
ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 4 ………………………………………………………………………………………….. 109
ГЛАВА 5 МЕТОДИКА ВЫБОРА ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ СИСТЕМЫ
НАКОПЛЕНИЯ ЭНЕРГИИ ……………………………………………………………………………. 110
5.1 ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ СИСТЕМЫ НАКОПЛЕНИЯ ЭНЕРГИИ КАК ЭЛЕМЕНТА
ЭНЕРГОСИСТЕМЫ И ОБЗОР МЕТОДИК ИХ РАСЧЕТА ……………………………………………………… 110
5.2 РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ РАСЧЕТА МОЩНОСТИ И ОБМЕННОЙ ЭНЕРГОЁМКОСТИ СНЭ .. 116
5.2.1 РАСЧЁТ ПАРАМЕТРОВ СНЭ ДЛЯ АВТОНОМНОЙ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ
ПРОМЫШЛЕННОГО ОБЪЕКТА ……………………………………………………………………………… 116
5.2.2 РАСЧЁТ ПАРАМЕТРОВ НАКОПИТЕЛЯ ЭНЕРГИИ ДЛЯ ДЕМПФИРОВАНИЯ НЧК В УЗЛАХ
НАГРУЗКИ С РЕЗКО ПЕРЕМЕННЫМ ХАРАКТЕРОМ ПОТРЕБЛЕНИЯ ……………………………… 121
5.2.3 РАСЧЁТ ПАРАМЕТРОВ СНЭ НА ОСНОВЕ РАСЧЕТА ПЕРЕХОДНОГО ПРОЦЕССА ПРИ
ЗАДАННОМ АЛГОРИТМЕ УПРАВЛЕНИЯ ………………………………………………………………… 125
5.2.4 ПРОЦЕДУРА ВЫБОРА МОЩНОСТИ И ОБМЕННОЙ ЭНЕРГОЁМКОСТИ СНЭ ………… 128
5.3 РАСЧЕТ НОМИНАЛЬНОЙ ЭНЕРГОЕМКОСТИ СНЭ………………………………………………. 130
5.3.1 ОПРЕДЕЛЕНИЕ МИНИМАЛЬНОЙ ЭНЕРГОЕМКОСТИ ДЛЯ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ТРЕБУЕМОЙ
МОЩНОСТИ СНЭ ……………………………………………………………………………………………… 131
5.3.2 РАСЧЕТ МИНИМАЛЬНО НЕОБХОДИМОЙ ЭНЕРГОЕМКОСТИ, ТРЕБУЕМОЙ ДЛЯ ВЫПОЛНЕНИЯ
ЗАЯВЛЕННЫХ ФУНКЦИЙ И СРОКА СЛУЖБЫ СНЭ ………………………………………………………. 132
5.3.3 ОКОНЧАТЕЛЬНЫЙ РАСЧЕТ НОМИНАЛЬНОЙ ЭНЕРГОЕМКОСТИ СНЭ ………………………. 134
ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 5 ………………………………………………………………………………………….. 135
ГЛАВА 6 ПРИМЕРЫ ПРИМЕНЕНИЯ РАЗРАБОТОК АВТОРА ДИССЕРТАЦИИ
В ПРАКТИЧЕСКОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ ПРОИЗВОДСВЕННОГО ПРЕДПРИЯТИЯ
……………………………………………………………………………………………………………………… 136
6.1 НАТУРНЫЕ ИСПЫТАНИЯ СНЭ В ДИНАМИЧЕСКИХ РЕЖИМАХ ……………………………… 136
6.1.1 НАТУРНЫЕ ИСПЫТАНИЯ СНЭ В СОСТАВЕ АВТОНОМНОЙ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ …………. 136
6.1.2 НАТУРНЫЕ ИСПЫТАНИЯ СНЭ В СОСТАВЕ СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ
ПРОМЫШЛЕННОГО ПРЕДПРИЯТИЯ …………………………………………………………………………. 139
6.1.3 ВЫВОДЫ ПО РЕЗУЛЬТАТАМ НАТУРНЫХ ИСПЫТАНИЙ …………………………………………. 142
6.2 ПРИМЕРЫ ПРИМЕНЕНИЯ РАЗРАБОТАННЫХ МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ И МЕТОДИК В
ПРАКТИЧЕСКОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ ПРОИЗВОДСТВЕННОГО ПРЕДПРИЯТИЯ ………………………….. 142
ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 6 ………………………………………………………………………………………….. 143
ЗАКЛЮЧЕНИЕ …………………………………………………………………………………………….. 144
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ ………………………… 148
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ………………………………………………………………………………. 150
ПРИЛОЖЕНИЕ «А» ПАТЕНТ НА ИЗОБРЕТЕНИЕ ………………………………………. 157
ПРИЛОЖЕНИЕ «Б» АКТЫ ВНЕДРЕНИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ
ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ …………………………………………………………………. 158
Актуальность и степень разработанности темы исследования
Активизация интереса к современным быстродействующим системам
накопления энергии (СНЭ) в отечественной научной среде и промышленности
началась в конце 60-х начале 70-х годов XX века, практически одновременно с
другими передовыми странами мира. Но в связи с тяжелым экономическим
положением страны в конце 80-х и в 90-ые годы многие научно-исследовательские
и опытно-конструкторские работы в области СНЭ были свернуты и прекращены.
Экономическая ситуация в стране, а также резкий, скачкообразный переход от
плановой экономики к рыночной не позволяли развивать направления науки и
производства, которые не приносили быстрого роста экономических показателей.
Тематика и рынок СНЭ относились именно к таким направлениям. Поэтому работы
по накопителям энергии в нашей стране в это время были заторможены.
За последние десятилетия технологии накопления энергии получили
значительное развитие, существенно снизились стоимости компонентов СНЭ
(аккумуляторы, силовые преобразователи), что в свою очередь повысило
рентабельность проектов с применением СНЭ. Возросшие экономические
показатели СНЭ резко увеличили интерес к данной тематике, в том числе и в РФ.
Но всё же за последние два десятилетия отставание нашей страны от общемирового
уровня в практическом применении систем накопления энергии только
усугублялось. В теоретических разработках это отставание не было так ярко
выражено, благодаря работам научных школ МЭИ, СибНИИЭ, НГТУ и др.
Значительный вклад в развитие научного направления по применению
накопителей энергии внесли такие российские учёные и специалисты, как:
Астахов Ю.Н., Гулиа Н. В., Тер-Газарян А.Г., Бердников Р.Н., Н.Л. Новиков,
Харитонов С. А., Смоленцев Н.И., Зырянов В.М., Смоленцев Д.О., Илюшин П.В.,
Глускин И.З., Якимец И.В., Кузнецов О.Н. и др.
Зарубежные разработки в тематике СНЭ представлены большим
количеством публикаций. Вопросам применения СНЭ в электроэнергетических
системах посвящены работы авторов: Boom R.W., Rogers J.D., Hassenzahl W.V.,
Masuda M., Shintomi T., Sato N., Robyns, B., François, B., Delille, G., Saudemont C,
N.Shi, Dulout J., Amjad Anvari-Moghaddam, Adriana Luna, Bruno Jammes, Corinne
Alonso, Sioshansi R. Madaeni, S.H. Denholm, Fossati J.P., M. Rampazzo, M. Luvisotto,
N. Tomasone, I. Fastelli, M. Schiavetti и д.р.
Темпы развития и внедрения СНЭ в РФ несопоставимы с мировыми, но в
последние годы динамика развития приобрела явно выраженную позитивную
тенденцию. Министерством энергетики РФ опубликована концепция развития
рынка систем хранения энергии в РФ [1], в которой освоение и внедрение СНЭ в
практику электроэнергетики определено, как одно из ключевых направлений
развития отрасли на ближайшую перспективу.
Современные быстродействующие СНЭ являются принципиально новыми
энергетическими силовыми устройствами, предназначенными для управляемого
энергообмена с энергосистемой с целью организации желаемого режима или для
управления динамическими процессами.
Достаточно широко распространено мнение, согласно которому роль СНЭ в
энергосистеме сводится лишь к роли источника бесперебойного питания. Но в
действительности − это лишь одна (причём, далеко не основная) из функций,
которые способна выполнять СНЭ. Накапливая энергию при её избытке в
энергосистеме, сохраняя в течение достаточно длительного времени с приемлемым
уровнем потерь и возвращая в нужный момент в энергосистему, СНЭ способна,
практически безынерционно управлять балансом активной мощности по любому
заданному алгоритму, в соответствии с решаемой задачей. Кроме этого СНЭ может
быть использована для компенсации реактивной мощности, в качестве активного
фильтра высших гармоник и как средство компенсации несимметрии в трёхфазных
сетях. Учитывая многофункциональность и быстродействие систем накопления,
можно рассчитывать, что при широком внедрении в электроэнергетику и при
достижении значений мощности и энергоёмкости систем накопления, актуальных
для ЕЭС, многие задачи регулирования и управления, в том числе
противоаварийного, могут решаться с помощью СНЭ.
Возможны различные сценарии применения СНЭ в объединённых,
изолированных и автономных энергосистемах. К автономным энергосистемам
целесообразно относить изолированные энергосистемы, если в составе их
потребителей есть хотя бы один потребитель, имеющий номинальную мощность,
соизмеримую с мощностью всего генерирующего оборудования. Коммутации
таких потребителей и изменения их режима работы способны приводить к
глубоким, нередко критическим, колебаниям режимных параметров
энергосистемы даже в нормальных технологических условиях эксплуатации.
Примерами таких энергосистем могут служить автономные системы
электроснабжения промышленных предприятий, объектов строительства,
нефтегазовой отрасли, судовых энергосистем и многих других объектов, имеющих
собственные электростанции.
В силу новизны технологий СНЭ их освоение и внедрение в практику
российской электроэнергетики начинается с относительно малых мощностей и
энергоёмкостей. В настоящее время в РФ реализуется ряд проектов со СНЭ в
автономных энергосистемах, которые характеризуются высокой экономической и
технической эффективностью.
Позитивный опыт реализации вышеупомянутых проектов позволит
приступить к более масштабным проектам по применению СНЭ, в том числе, на
объектах ЕЭС России. Оценка их эффективности и целесообразности применения
в ЕЭС и в высоковольтных изолированных энергосистемах требует детальной
проработки в каждом рассматриваемом случае при условии надёжности и
экономической доступности технологий.
СНЭ принципиально новый многофункциональный элемент энергосистемы.
Внедрение накопителей в состав энергосистемы придаёт ей новые свойства и
характеристики, влияет на её схемно-режимные параметры, способы и методы
управления. Новизна и многофункциональность СНЭ обусловливают
необходимость разработки методик выбора её параметров и математических
моделей. Для исследования работы СНЭ в составе энергосистемы, для расчётов
нормальных, переходных и аварийных режимов, электромагнитных и
электромеханических переходных процессов необходимы соответствующие
математические модели разной степени идеализации и детализации. Имеющиеся в
настоящее время математические модели СНЭ в составе промышленных
вычислительных комплексов далеко не в полной мере удовлетворяют потребности
специалистов.
Цель диссертационной работы – разработка математической модели и
методики выбора основных параметров системы накопления электроэнергии.
Для достижения поставленной цели в диссертации ставятся и решаются
следующие задачи:
1. Формулирование требований к математической модели СНЭ для
расчета электромеханических переходных процессов.
2. Разработка математической модели СНЭ, как элемента
электроэнергетической системы.
3. Верификация разработанной математической модели.
4. Апробация математической модели при исследовании эффективности
СНЭ для целей управления электромеханическими процессами в энергосистеме.
5. Разработка технологии обработки результатов мониторинга
электроэнергетического объекта для выбора параметров СНЭ.
6. Разработка и апробация методики выбора и расчёта параметров СНЭ
для актуальных функциональных назначений на основе результатов мониторинга.
7. Проведение натурных испытаний СНЭ в динамических режимах.
Объект исследования – система накопления энергии в составе
электроэнергетической системы.
Предмет исследования – математическая модель и методики выбора
основных параметров СНЭ.
Научная новизна диссертации:
1. Предложен новый способ моделирования СНЭ, позволяющий
рассчитывать переходные электромеханические процессы с учётом динамики
энергообмена для различных типов подсистем накопления энергии.
2. Разработана математическая модель СНЭ совместимая с основными
промышленными вычислительными комплексами, для расчёта переходных
электромеханических процессов в энергосистемах с накопителями энергии.
3. Разработана методика выбора основных параметров СНЭ на основе
анализа амплитудно-частотных характеристик графиков нагрузки для задач
демпфирования колебаний мощности нагрузки заданной частоты.
4. Разработана методика выбора основных параметров СНЭ на основе
анализа результатов расчета переходного процесса с заданным алгоритмом
управления.
Практическая значимость:
1. Разработан способ построения математической модели СНЭ (получен
патент РФ RU 2736701 C1).
2. Модель СНЭ реализована в ПВК Matlab Simulink и DigSilent
PowerFactory, позволяет проводить полноценные научные и научно-
производственные исследования, расчёты режимов и переходных процессов в
энергосистемах со СНЭ.
3. Наиболее актуально применение математической модели для
разработки алгоритмов управления СНЭ и расчете её основных параметров в
составе энергосистем.
Методология и методы исследования
Для исследования характеристик и особенностей работы СНЭ в составе
энергосистем использованы методы математического (ПВК Matlab, PowerFactory)
моделирования и натурные эксперименты.
В диссертационной работе использовались: теория автоматического
управления, теория имитационного моделирования, теория обработки сигналов,
теория непрерывного и быстрого преобразования Фурье, теория мгновенной
мощности.
Положения, выносимые на защиту:
1. Способ моделирования, учитывающий взаимосвязь уровня заряда и
располагаемой мощности, обеспечивает единство расчета переходных процессов в
энергосистеме и в СНЭ.
2. Методика выбора основных параметров СНЭ на основе мониторинга
режимных параметров электроэнергетического объекта и анализа АЧХ его графика
нагрузки позволяет оптимизировать мощность и энергоёмкость накопителя при
решении задач подавления нежелательных колебаний мощности при
резкопеременном характере нагрузки.
3. Методика выбора основных параметров СНЭ по результатам расчёта
переходного процесса по разработанной модели даёт минимально необходимые
значения мощности и энергоёмкости для реализации заданного алгоритма
управления накопителем энергии.
Степень достоверности и апробация результатов
Достоверность результатов подтверждена натурными экспериментами СНЭ
в составе электроэнергетической системы и расчётами с использованием
промышленных ПВК.
Основные положения и результаты диссертационного исследования
докладывались и обсуждались на научных семинарах кафедры
автоматизированных электроэнергетических систем Новосибирского
государственного технического университета (НГТУ), городской научно-
практической конференции «Aspire to Science» в 2016 году в г. Новосибирске, на
международной научно-технической конференции «Электроэнергетика глазами
молодежи – 2017» в 2017 году в г. Самара, всероссийской научно-технической
конференции «Электропитание-2018» в 2018 году в г. Новосибирске,
четырнадцатой международной научно-техническая конференция “Актуальные
проблемы электронного приборостроения” в 2018 году в г. Новосибирске.
Публикации
По теме диссертации опубликовано 28 печатных научных работ, в том числе
4 статьи в изданиях согласно перечню российских рецензируемых научных
журналов, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты
диссертаций на соискание ученых степеней доктора и кандидата наук (перечень
ВАК РФ), 9 публикаций, индексируемых в наукометрических базах данных Scopus
и Web of Science, 15 публикаций в сборниках материалов и трудов научных
конференций, форумов всероссийского и международного уровня. Получен 1
патент на изобретение. Внедрение результатов диссертационного исследования
подтверждено актами внедрения.
Структура и объем диссертации
Интенсивное развитие технологий накопления и хранения энергии в
промышленных масштабах в последние десятилетия и их практическое
применение открыли новый этап в развитии современной электроэнергетики.
Многофункциональные, быстродействующие системы накопления энергии (СНЭ)
позволяют принципиально по-новому решать многие сложные задачи по ведению
режимов, управлению энергосистемами в переходных режимах, по
противоаварийному управлению и автоматике, повышению надёжности и
живучести энергосистем, повышению качества электроэнергии.
При выполнении диссертационной работы поставлены две основные цели:
1. Разработать математическую модель системы накопления электроэнергии,
совместимую с современными промышленными программными
вычислительными комплексами.
2. Разработать методики выбора основных параметров СНЭ.
Объектом исследования выбрана система накопления энергии в составе
энергосистемы и в автономной системе электроснабжения.
Для оценки целесообразности разработки модели СНЭ (в составе
энергосистем) для расчета электромеханических переходных процессов и
установившихся режимов выполнен анализ применимости современных ПВК
(PowerFactory, MATLAB – Simulink, ETAP, EUROSTAG, RUSTab, PSCAD) для
расчётов электромеханических переходных процессов в энергосистемах с
накопителями энергии. Результаты анализа различных ПВК, показали, что они
либо не имеют в своем инструментарии готовые к использованию математические
модели СНЭ, либо предлагаемые ими модели не учитывают в достаточной мере
характеристики основных элементов СНЭ и особенности их функционирования в
составе энергосистемы.
При разработке методики расчёта параметров СНЭ предварительно выполнен
анализ методик, предлагаемых зарубежными и отечественными авторами. Было
показано, что:
1. Отсутствуют методики для расчета параметров для группы задач в которых
СНЭ работает в условиях резкопеременной нагрузки.
2. Отсутствуют методики для расчета параметров, основывающиеся на
расчётах электромеханических переходных процессов в энергосистемах со
СНЭ при заданном алгоритме её работы.
С учетом выявленных недостатков существующих моделей СНЭ и с учётом
особенностей расчета электромеханических переходных процессов
сформулированы следующие требования к разрабатываемой математической
модели СНЭ:
1. Модель должна быть пригодна для моделирования основных
актуальных типов СНЭ – на базе аккумуляторных батарей, суперконденсаторов,
сверхпроводниковых индуктивных накопителей, электромеханических
(кинетических) накопителей.
2. Модель должна устанавливать взаимосвязь основных параметров
режима (токов, напряжений, мощностей) на зажимах СНЭ без учёта её внутренней
структуры (принцип «чёрного ящика»).
3. Для расчёта режимов и переходных процессов в энергосистеме модель
СНЭ должна быть совместима с ПВК, используемыми в практике расчётов
режимов и переходных электромеханических процессов в энергосистемах по
действующим значениям переменных.
4. Модель должна учитывать изменение заряда подсистемы накопления и
изменение связанных с ним характеристик СНЭ в процессе энергообмена с
системой.
5. Модель должна учитывать процесс саморазряда в подсистеме
накопления.
6. Модель должна учитывать потери мощности в подсистемах
преобразования и распределения при заряде/разряде СНЭ.
7. В модели должна быть предусмотрена возможность создания
пользователем (исследователем) системы управления СНЭ верхнего уровня,
связывающую любой набор режимных параметров энергосистемы и желаемые
значения активной и реактивной мощности на зажимах СНЭ.
Разработанная математическая модель, учитывает структуру, параметры,
основные характеристики СНЭ. Модель позволяет вести расчет по действующим
значениям переменных, что является необходимых условием для расчета
электромеханических переходных процессов в энергосистемах. Модель построена
по модульному принципу. Каждый элемент модели СНЭ по необходимости может
быть изменен, удален или добавлен новый в зависимости от решаемых задач.
Модель включает в себя основные подсистемы СНЭ, которые влияют на
энергообмен в точке подключения к сети: подсистема накопления энергии,
подсистема преобразования энергии, подсистема распределения энергии.
Выполнена верификация разработанной модели СНЭ. Верификации модели
проводилась сопоставлением результатов натурных опытов, выполненных на
экспериментальной автономной энергосистеме в составе: ДГУ мощностью 125
кВА, ступенчато коммутируемая активно-индуктивная нагрузка и СНЭ мощностью
100 кВА и энергоёмкостью 153 кВт∙час, с результатами расчётов на
математической модели. Математическая модель СНЭ для расчётов
электромеханических переходных процессов показала достаточное хорошее
качественное и количественное совпадение результатов эксперимента и расчётов
по основным характерным режимным параметрам.
Показана универсальность модели при расчете переходных процессов с
разными типами накопителей. Примеры расчетов приведены для СНЭ с
использованием в качестве аккумулирующего элемента ЛИА, суперконденсаторов,
маховика. Модель также позволяет исследовать любые другие типы накопителей
при известной (или рассчитанной) зависимости располагаемой мощности от уровня
заряда, свойственной рассматриваемому типу аккумулирующего элемента.
Получен патент РФ RU 2736701 C1 «Система и способ построения модели
энергосистемы и проведения расчетов режимов энергосистемы и модель системы
накопления электрической энергии, предназначенная для включения в систему».
Предложены две методики расчёта параметров СНЭ:
1. Методика выбора основных параметров СНЭ на основе анализа
амплитудно-частотных характеристик графиков нагрузки для задач
демпфирования колебаний мощности нагрузки заданной частоты.
2. Методика выбора основных параметров СНЭ на основе анализа
результатов расчета переходного процесса с заданным алгоритмом
управления.
Автор принимал непосредственное участие в проведении испытаний
промышленного образца СНЭ-10-1200-400 мощностью 1200 кВА и
энергоёмкостью 400 кВт∙час, в том числе в части разработки программ и методик
испытаний. При проведении испытаний были использованы разработки автора по
моделированию СНЭ и методик расчета её параметров.
Испытания проведены в 2019 г. и в 2020 в г. Новосибирске совместно с
сотрудниками ООО «СНЭ», ООО «СПТ», Институтом силовой электроники НГТУ.
Продолжение и дальнейшее развитие работы связано с решением ряда
актуальных задач по оптимизации структуры, состава оборудования и режимов
работы электростанций автономной и распределённой генерации, в том числе с
возобновляемыми источниками энергии. Применение для решения этих задач СНЭ
с оптимально выбранными параметрами и эффективными алгоритмами управления
может дать значительный технико-экономический эффект за счёт рационального
использования местных источников энергии (прежде всего природного и
попутного газа, а также ВИЭ). В основном это относится к предприятиям,
связанным с добычей, транспортировкой и переработкой полезных ископаемых,
располагающихся в удалённых районах Сибири и Дальнего Востока, для которых
недоступно электроснабжение от ЕЭС РФ (или которые имеют с ней слабые связи).
Ещё одна актуальная задача – выбор параметров и разработка алгоритмов
управления СНЭ для повышения качества электроэнергии и надёжности
электроснабжения в узлах с резкопеременной нагрузкой, что особенно важно для
промышленных предприятий с электроустановками значительной мощности,
имеющих циклическую или стохастическую нагрузку, получающих питание по
тупиковым линиям электропередачи.
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ
AC – alternating current (переменный ток)
BMS – battery management system (система управления батареями)
DC – direct current (постоянный ток)
IGBT – insulated-gate bipolar transistor (биполярный транзистор с
изолированным затвором)
SCADA – supervisory control and data acquisition (диспетчерское
управление и сбор данных)
АББМ – аккумуляторная батарея большой мощности
АВР – автоматический ввод резерва
АКБ – аккумуляторная батарея
АСУ – автоматизированная система управления
АЧХ – амплитудно-частотная характеристика
БПФ – быстрое преобразование Фурье
ВАЭС – воздушно-аккумулирующая электростанция
ВИЭ – возобновляемые источники энергии
ГА – генераторный агрегат
ГАЭС – гидроаккумулирующая электростанция
ГПУ – газопоршневая установка
ГЭС – гидроэлектростанция
ДГУ – дизель-генераторная установка
ЕЭС – единая энергетическая система
КИУМ – коэффициент использования установленной мощности
КПД – коэффициент полезного действия
ЛИА – литий-ионный аккумулятор
МЭИ – Московский энергетический институт
НГТУ – Новосибирский государственный технический университет
НЧК – низкочастотные колебания
НЭ – накопитель энергии
ПА – противоаварийная автоматика
ПВК – программно-вычислительный комплекс
ПН – подсистема накопления
ПС – электрическая подстанция
РЗиА – релейная защита и автоматика
СибНИИЭ – Сибирский научно-исследовательский институт энергетики
СК – суперконденсатор
СНЭ – система накопления энергии
СПИН – сверхпроводниковый индуктивный накопитель
СУ – система управления
СЭС – солнечная электростанция
ТММ – теория мгновенной мощности
ТЭС – тепловая электростанция
ЭДС – электродвижущая сила
ЭМН – электромеханический накопитель
ДПФ – дискретное преобразование Фурье
1. Концепция развития рынка систем хранения электроэнергии в Российской
Федерации [Электронный ресурс] // Министерство энергетики Российской
Федерации,2017.URL:https://minenergo.gov.ru/view-pdf/9013/74739(дата
обращения: 15.04.2019).
2. The Strategic Energy Technology Plan [Электронный ресурс] // European
Commission,2017.URL:https://ec.europa.eu/energy/en/topics/technology-and-
innovation/strategic-energy-technology-plan (дата обращения: 15.04.2019).
3. Globalenergystoragedatabase.[Электронныйресурс]URL:
http://www.energystorageexchange.org/projects. (дата обращения: 07.05.2017).
4. Удальцов Ю., Холкин Д. Рынок систем накопления электроэнергии в России:
потенциал развития/ экспертно-аналитический доклад/ Москва, 2018, 70 С.
5. Куликов Ю.А. Накопители электроэнергии – эффективный инструмент
управления режимами электроэнергетических систем / Электроэнергетика глазами
молодежи – 2018: материалы 9 междунар. молодеж. науч.-техн. конф., Казань, 1–5
окт. 2018 г. В 3 т. – Казань: Казан. гос. энергет. ун-т, 2018. – Т. 1. – С. 38–43.
6. Применение систем накопления энергии в России: возможности и барьеры.
Инфраструктурный центр EnergyNet. Экспертно-аналитический отчет. Ред: Д.В.
Холкин, Д.А. Корев, Москва 2019, 158 С.
7. Бушуев В.В., Лизалек Н.Н., Новиков Н.Л. Динамические свойства
энергообъединений. М.:Энергоатомиздат, 1995. 319 C.
8. Илюшин П.В., Куликов А.Л., Березовский П.К. Эффективное использование
накопителей электрической энергии для предотвращения отключений объектов
распределенной генерации при кратковременных отклонениях частоты / Релейная
защита и автоматизация – 2019, № 4. стр. 32–39.
9. Испытания промышленного образца системы накопления энергии СНЭ-10-
1200-400 при совместной работе с ГПУ в составе экспериментальной
энергосистемы + Testing of industrial design energy storage system (ESS-101200-400)
and gas piston units in experimental power system / П. А. Бачурин, Д. С. Гладков, В.
М. Зырянов, Г.А. Пранкевич, С. В. Кучак, Г. Б. Нестеренко, Д. Е. Лебедев, А. Н.
Решетников [и др.] // Электроэнергия. Передача и распределение. – 2020. – № 2 (59).
– С. 18-24.
10. Гибридный накопитель энергии для ЕНЭС на базе аккумуляторов и
суперконденсаторов / Р.Н. Бердников, В.Е. Фортов, Ю.Г. Шакарян, К.К.
Деньщиков // Энергия единой сети, 2013. №1. С. 40-51.
11. Zobaa, A.F. Energy storage technologies and applications. Rijeka, Croatia: Intech,
2013., – 328 pp.
12. Эффекты применения накопителей энергии в изолированных энергосистемах
России / В.Ю. Кононенко, О.В. Вещунов, В.П. Билашенко, Д.О.Смоленцев //
Арктика: экология и экономика. – 2014. – №2 (14). – С.61-66.
13. Зырянов В.М., Кучак С.В., Бачурин П.А., Харитонов С.А., Метальников Д.Г.,
Гармаш Т.Г., Ворошилов А.Н., Фролов Д.А. Экспериментальные исследования и
испытания совместной работы системы накопления энергии и ДГУ в составе
автономной энергосистемы/ Промышленная энергетика, 10, 2018, С.2 – 10.
14. Накопительнаясилаэнергии.Тематическоеприложениекгазете
«Коммерсантъ». Среда 18 сентября 2019 №169, С.13.
15. Энергетическиехарактеристикигибриднойсистемынакопления
электрической энергии / В. М. Зырянов, Н. Г. Кирьянова, Г. Б. Нестеренко, Г. А.
Пранкевич, А. М. Потапенко // Энергия единой сети. – 2018. – №6 (42). – С. 34–43.
16. ИБП и сетевые накопители: MO – 150V53F – 0 [Электронный ресурс] //
Компания“ТЭЭМП”.URL:http://teemp.ru/products/ehnergetika/setevye-
nakopiteli/mo-150v53f-0/ (дата обращения: 01.11.2018).
17. Specification of LiFePO4 Prismatic Module: 3.2V 100Ah, 3C Rate (320Wh). –
USA: AA Portable Power Corp, 2010. – 4 p.
18. A. Stepanov, I. Galkin, Development of supercapacitor based uninterruptible
power supply, Doctoral school of energy- and geo-technology, January 15–20, 2007.
Kuressaare, Estonia, pp. 136-141.
19. А.Ворошилов,А.Петров,Е.Чудинов.Литий-железо-фосфатная
аккумуляторнаябатарея.Моделированиережимазарядки//Новости
ЭлектроТехники, 2017. № 2(104)–3(105). C. 44-49.
20. Преобразователь напряжения двунаправленный производства ООО «СПТ»:
каталог. – Новосибирск: ООО «Системы Постоянного Тока», 2018. – 2 с.
21. ГОСТ Р 58092.1-2018 Системы накопления электрической энергии (СНЭЭ).
Термины и определения . – Введ. 2019-03-01.
22. Robert A. Huggins / Energy Storage. Springer, 2010, p. 435
23. Чудинов, Е.А. Применение литий-железо-фосфатных аккумуляторных
батарей в составе СОПТ на распределительных подстанциях и электростанциях /
Е. А. Чудинов, А. Н. Ворошилов, С.В. Кучак // Энергоэксперт: информационно-
аналитический журнал – Москва: Издательский дом «Вся электротехника», 2016 –
№ 2 – С. 46 – 54
24. Мунасыпов, Р.А., Таназлы, Г.И., Таназлы, А.И. Подбор параметров и
режимов работы зарядных устройств емкостный накопителей, Журнал “Вестник
УГАТУ. Энергетика, Электрификация, Электрическое машиностроение”, Т.16,
№8(53), 2012. – С.155-164. УДК 621.319.4:681.5
25. Frank S. Barnes / Large Energy Storage Systems. Handbook. CRC Press, 2011, p.
254
26. Chien, Hsing-Chi; Cheng, Wei-Yun; Wang, Yong-Hui; Lu, Shih-Yuan (2012-12-
05). “Ultrahigh Specific Capacitances for Supercapacitors Achieved by Nickel
Cobaltite/Carbon Aerogel Composites”. Advanced Functional Materials. 22 (23): 5038–
5043. doi:10.1002/adfm.201201176. ISSN 1616-3028. Volume 22, Issue 23 p. 5038-
5043
27. Crompton, T.R. (20 March 2000). Battery Reference Book (third ed.). Newnes. p.
Glossary 3. ISBN 978-0-08-049995-6. Retrieved 18 March 2016, p. 800.
28. Load leveling for a diesel generator using an energy storage and instantaneous
power theory / M. A. Dybko, S. V. Kuchak, P. A. Bachurin, S. V. Brovanov, S. A.
Kharitonov//The19internationalconferenceofyoungspecialistson
micro/nanotechnologies and electron devices, EDM 2018 : proc., Erlagol, Altai, 29 June
– 3 July 2018. – IEEE Computer Society, 2018. – P. 567-573. – ISBN 978-153865021-9.
– DOI: 10.1109/EDM.2018.8434936.
29. NESSCAP 2.7V/ 1200F Cell Datasheet. 2014 Nesscap Co., Ltd. All Rights
Reserved, 2 p.
30. Lithium Iron Phosphate (LiFePO4) Battery Protocol 12.8V, 32AH – Datasheet.
BatterySpace. AA Portable Power Corp / dba BatterySpace.com, 4 p.
31. Вольдек А.И. Электрические машины. Учебник для студентов втузов. — Изд.
2-е перераб. и доп. — Л.: Энергия, 1974. – 840 с.
32. Эффективностьприменениянакопителейэнергиивавтономных
энергосистемах с резкопеременной нагрузкой / В.А. Алемасов, Д.И. Баранов, М.Д.
Бимуханов, В.М. Зырянов, А.Б. Мосиенко // Научные проблемы транспорта Сибири
и Дальнего Востока, 2007. №2. C. 113-120.
33. Маховичные накопители кинетической энергии НКЭ-3Г для подъёмно-
транспортного оборудования. Буклет ООО «КИНЕМАК» [Электронный ресурс],
URL: http://www.kinemak.ru/wp-content/uploads/2014/07/List2s.pdf (дата обращения
02.04.2020).
34. Экспериментальные исследования и испытания совместной работы системы
накопления энергии и ДГУ в составе автономной энергосистемы / В. М. Зырянов,
С. В. Кучак, П. А. Бачурин, С. А. Харитонов // Промышленная энергетика. – 2018. –
№ 10 – С. 2-10.
35. IEEE Std 421.5-2016, Recommended Practice for Excitation System Models for
Power System Stability Studies (Redline Revision of IEEE Std 421.5-2005). – USA:
IEEE Power and Energy Society, 2016, p. 453.
36. G. Sybille, T. Zavaiou, Emergency Diesel-Generator and Asynchronous Motor
[Электронныйресурс]URL:
https://www.mathworks.com/help/physmod/sps/examples/emergency-diesel-generator-
and-asynchronous-motor.html. (дата обращения: 18.01.2018).
37. Черных И.В. SIMULINK: среда создания инженерных приложений. М.: 2003.
496 с.
38. Важнов А.И. Переходные процессы в машинах переменного тока. Л.:
Энергия. Ленинградское отд-ние, 1980. 256 с.
39. Черных И.В. Моделирование электротехнических устройств в MATLAB.
SimPowerSystems и Simulink. М.: ДМК Пресс, 2007. 288 с.
40. Балуев Д.Ю., Зырянов В.М., Кирьянова Н.Г., Пранкевич Г.А. Методика
расчета основных параметров накопителя энергии по экспериментальным
нагрузочным диаграммам // Вестник ИрГТУ. – 2018. – №5 (22). – С. 105 – 114.
41. Akagi. H. Instantaneous Power Theory and Applications to Power Conditioning /
H. Akagi, E.H. Watanabe, M. Aredes // IEE Press, John Wiley and Sons Inc. 2007. – P.
389.
42. Лайонс, Р.Р. Цифровая обработка сигналов [Текст]: уч. пособие/ Лайонс, Р.Р.
– М: Бином-Пресс, 2006. — 656 с.
43. Снеддон И. Преобразование Фурье [Текст]:учебник/ Снеддон И.- М:,1955 г –
268 с.
44. Нуссбаумер Г. Быстрое преобразование Фурье и алгоритмы вычисления
[Текст] : учебник /перевод с английского Ю. Ф. Касимова и И. П. Пчелинцева под
редакцией чл.-кор. АН КазССР В. М. Амербаева и Т. Э. Кренкеля.- М.: Радио и
связь , 1985 – 640 с.
45. Зырянов В.М. Основные характеристики сверхпроводящего индуктивного
накопителя как элемента энергосистемы и оценка возможности его применения для
аварийного управления. дис. канд. тех. наук: 05.14.02, 1985 г.
46. Задачи оптимизации структуры и алгоритмов управления автономными
энергосистемами / В. М. Зырянов, А.И. Елшин, А.А. Борисов // Сибирский научный
вестник. Новосибирский научный центр “Ноосферные знания и технологии””,
Публикации автора в научных журналах
Помогаем с подготовкой сопроводительных документов
Хочешь уникальную работу?
Больше 3 000 экспертов уже готовы начать работу над твоим проектом!