Электротехнические комплексы газовой отрасли с многофункциональным применением систем накопления электроэнергии тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, доктор наук Токарев Иван Сергеевич

• Токарев Иван Сергеевич
• доктор наук
• 2025

Оглавление диссертации доктор наук Токарев Иван Сергеевич

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1 ОСОБЕННОСТИ ПОСТРОЕНИЯ И ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ ОБЪЕКТОВ ГАЗОВОЙ ОТРАСЛИ

1.1 Ключевые особенности функционирования ЭТК газовой отрасли

1.2 Архитектура построения систем электроснабжения ЭТК газовой отрасли

1.2.1 Состав ЭТК объектов добычи газа

1.2.2 Состав ЭТК объектов транспорта газа

1.2.3 Состав ЭТК объектов переработки газа

1.3 Специфика графиков электрических нагрузок ЭТК газовой отрасли

1.4 Анализ средств обеспечения бесперебойного и энергоэффективного электроснабжения ЭТК объектов газовой отрасли

1.5 Формирование методологии исследования функционирования СНЭЭ в составе ЭТК газовой отрасли

1.6 Выводы по Главе

ГЛАВА 2 ОЦЕНКА ВОЗМОЖНОСТИ МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ СНЭЭ В СОСТАВЕ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ ГАЗОВОЙ ОТРАСЛИ

2.1 Структура существующих систем накопления электроэнергии

2.2 Отечественный и зарубежный опыт применения систем накопления электроэнергии

2.3 Параметрический анализ электрохимических накопителей электроэнергии

2.4 Параметрический анализ электрических накопителей электроэнергии

2.5 Практический опыт применения электрохимических накопителей электроэнергии в составе ЭТК газовой отрасли

2.6 Практический опыт применения суперконденсаторов в составе ЭТК газовой отрасли

2.7 Выводы по Главе

ГЛАВА 3 РАЗРАБОТКА МЕТОДА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ СНЭЭ НА ОСНОВЕ УСОВЕРШЕНСТВОВАННОГО ПОКАЗАТЕЛЯ НОРМИРОВАННОЙ СТОИМОСТИ НАКОПЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ

3.1 Анализ существующих методов расчёта параметров систем накопления электроэнергии

3.1.1 Примеры расчета мощности СНЭЭ

3.1.2 Примеры расчета энергоемкости СНЭЭ

3.2 Показатель LCOS как целевая функция при расчете параметров СНЭЭ

3.3 Разработка метода определения параметров СНЭЭ в составе ЭТК газовой отрасли

3.4 Технико-экономическое обоснование применимости разработанного метода расчета параметров СНЭЭ

3.5 Выводы по Главе

ГЛАВА 4 СИНТЕЗ АЛГОРИТМОВ УПРАВЛЕНИЯ ЭТК РАЗЛИЧНОЙ СТРУКТУРЫ ПРИ МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНОМ ИСПОЛЬЗОВАНИИ СНЭЭ

4.1 Современные подходы к разработке систем управления ЭТК со СНЭЭ

4.2 Сценарный анализ работы ЭТК со СНЭЭ

4.3 Разработка алгоритма жестких правил управления ЭТК со СНЭЭ

4.4 Методы математической оптимизации

4.5 Разработка алгоритма динамического планирования работы ЭТК со СНЭЭ

4.6 Численное моделирование алгоритма динамического планирования работы ЭТК со СНЭЭ

4.7 Выводы по Главе

ГЛАВА 5 ОБОСНОВАНИЕ ПРИМЕНЕНИЯ СНЭЭ НА БАЗЕ СУПЕРКОНДЕНСАТОРОВ В СОСТАВЕ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ

КОМПЛЕКСОВ ГАЗОВОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

5.1 Современные методы обеспечения бесперебойной работы ЭТК при провалах напряжения

5.2 Теоретическое обоснование применения СНЭЭ для обеспечения устойчивой

работы ЭТК

5.3 Разработка метода определения параметров СНЭЭ на базе суперконденсаторов

5.4 Разработка алгоритма функционирования СНЭЭ на базе суперконденсаторов в составе ЭТК

5.5 Технико-экономическое обоснование применимости разработанных методов и алгоритмов

5.5.1 Анализ и систематизация исходных данных

5.5.2 Описание внедряемого технического решения

5.5.3 Расчет капитальных вложений и эксплуатационных затрат

5.5.4 Оценка окончательного экономического эффекта

5.6 Выводы по Главе

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ А Результаты расчетов экономической целесообразности

остальных вариантов обеспечения бесперебойной работы

ПРИЛОЖЕНИЕ Б Результаты расчета экономического эффекта от

применения СНЭЭ для замещения вращающегося резерва

ПРИЛОЖЕНИЕ В Акт о внедрении результатов диссертационного

исследования в компании ПАО «Газпром»

ПРИЛОЖЕНИЕ Г Акт о внедрении результатов диссертационного

исследования в компании ООО «Газпром трансгаз Ухта»

ПРИЛОЖЕНИЕ Д Акт о внедрении результатов диссертационного

исследования в компании ООО «Газпром СПГ Портовая»

ПРИЛОЖЕНИЕ Е Протокол совещания Министерства энергетики РФ по вопросу рассмотрения актов внедрения результатов диссертационного исследования

ПРИЛОЖЕНИЕ Ж Свидетельство о государственной регистрации базы

данных №2024621477

ПРИЛОЖЕНИЕ И Свидетельство о государственной регистрации базы

данных №2024621578

ПРИЛОЖЕНИЕ К Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2024618392

ВВЕДЕНИЕ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Электротехнические комплексы газовой отрасли с многофункциональным применением систем накопления электроэнергии»

Актуальность темы исследования

Газовая промышленность занимает ведущие место в топливно-энергетическом комплексе страны и является неотъемлемой частью экономики Российской Федерации. Россия занимает первое место в мире по запасам природного газа, а ПАО «Газпром», в свою очередь, является первой в мире газовой компанией по всем возможным сравнительным показателям.

Кластер газовой промышленности России включает в себя добычу, транспорт, подземное хранение и переработку природного газа. Активно ведется развитие рынка сжиженного природного газа (СПГ) [130, 139]. Технологические процессы в газовой отрасли значительно отличаются от других отраслей, связанных с добычей и переработкой углеводородов и полезных ископаемых. Так, например, для добычи газа, в отличие от нефти, не требуется задействование насосного энергоемкого оборудования, а магистральный транспорт нефти может быть осуществлен только с использованием электроприводных агрегатов. В совокупности основные особенности газовой отрасли заключаются в сложных климатических условиях, категорийности электроснабжения, больших потребляемых мощностях, характерных графиках нагрузок, наличием вращающегося резерва, удаленности крупных производственных объектов от централизованных сетей, повышенными требованиями к бесперебойному электроснабжению.

ПАО «Газпром» обладает самой крупной в мире магистральной трубопроводной системой протяжённостью 179,3 тысячи километров. В разработке находятся 151 месторождение, а для транспортировки газа функционируют 254 действующие компрессорные станции. Газ хранится в 22 подземных хранилищах, а газоперерабатывающие мощности включают 19 заводов, среди которых есть предприятия по производству СПГ. Кроме того, ПАО «Газпром» со всей своей производственной инфраструктурой является одним из крупнейших потребителей электроэнергии в России, ежегодно потребляя до 13,5 миллиардов кВтч. Количество электростанций, обеспечивающих электроснабжение

производственных объектов, составляет 165 единиц с газопоршневым и газотурбинным приводом.

Суровые природно-климатические условия в основных регионах присутствия нефтегазовых компаний в России диктуют определенные требования к созданию, применению и эксплуатации оборудования инфраструктурных объектов газовой отрасли, в том числе энергетического. Такие требования, как правило, изложены во внутрикорпоративных стандартах (СТО Газпром 2-6.2-10282015 Категорийность электроприемников промышленных объектов ПАО «Газпром», СТО Газпром 2-1.11-832-2014 Применение электростанций собственных нужд нового поколения с поршневым и газотурбинным приводом и т.д.) и нормативных документах в части создания и эксплуатации электротехнических комплексов.

Необходимо отметить, что останов технологического процесса добычи, транспорта и переработки газа имеет прямую зависимость от любого нарушения электроснабжения и несет значительные экономические издержки. Так, например, один останов и перезапуск завода СПГ может принести убытки до 1 млрд рублей, а останов и перезапуск подводного экспортного трубопровода - до 7 млрд рублей. Суммарное количество нарушений в работе объектов электрохозяйства на предприятиях газовой отрасли может оставлять до 100 в год и более, и большая часть из них приводит к остановам технологических процессов. Несовершенны действующие подходы к проектированию и строительству систем энергоснабжения, которые не позволяют обеспечить бесперебойность работы систем электроснабжения, что влечет значительные экономические издержки, которые могут исчисляться миллиардами рублей в денежном эквиваленте. Кроме этого, не учитываются современные высокотехнологичные решения в части применения систем накопления энергии, включая отсутствие алгоритма их применения.

Ключевой пункт актуальности заключается в том, что в существующей архитектуре систем электроснабжения объектов газовой промышленности в

большинстве случаев невозможно избежать останова технологического процесса при провалах и прерываниях питания в соответствии с ГОСТ 32144-2013.

Также на сегодняшний день необходимо комплексное исследование технологий и систем накопления электрической энергии, интегрированных в состав генерирующего оборудования систем электроснабжения производственных объектов добычи, транспорта, хранения и переработки газа с целью получения синергетического эффекта при их совместном функционировании, разработке типовых технических решений и требований к таким системам.

Степень разработанности темы исследования.

Большой вклад в исследования проблематики электроснабжения объектов газовой отрасли внесли такие ученые, как Б.Н. Абрамович, Ю.В. Хрущев, А.В. Егоров, М.С. Ершов, С.В. Бабурин, А.А. Трифонов, А.В. Голубовский, С.П. Петров, Ю.А. Сычев и др. Научные работы были направлены на повышение надежности работы электротехнических комплексов компрессорных станций (КС), устойчивости работы электростанций собственных нужд (ЭСН), оптимизации энергопотребления. Проблематика бесперебойного электроснабжения и повышения энергоэффективности за счет применения высокотехнологичного оборудования в составе узкоспециализированных электротехнических комплексов газовой промышленности и объектов ПАО «Газпром» в частности, ранее глубоко не рассматривалась.

Значительный вклад в исследование объектов распределенной энергетики, к которым в том числе относятся автономные энергосистемы газовой отрасли, внесли ученые школы «Иркутского национального исследовательского технического университета» под руководством д.т.н. К.В. Суслова, Центра «Интеллектуальные электроэнергетические системы и распределенная энергетика» ИНЭИ РАН под руководством д.т.н. П.В. Илюшина [33, 60, 78-95, 110-112]. Однако для газовой отрасли применяемые авторами подходы требуют значительного развития в соответствии с индивидуальными технологическими особенностями и требованиями к электроснабжению.

В решение вопросов, связанных с электроснабжением и энергоэффективностью работы электротехнических комплексов в газовой промышленности, внесли большой вклад работники ПАО «Газпром» и отразили эти результаты в своих научных исследованиях, к ним относятся А.Ф. Шкута, Г.Р. Шварц, И.В. Белоусенко, В.А. Шпилевой, А.А. Шаповало, В.Н. Толмачев, Ю.В. Сербин. Решение задач обеспечения бесперебойной работы и повышения энергоэффективности электротехнических комплексов с применением систем накопления электрической энергии (СНЭЭ) на инфраструктурных объектах газовой отрасли в работах выше указанных авторов не рассматривалась.

Исследованиями в области применения накопителей электрической энергии на транспорте и в автономных и централизованных энергосистемах занимались В.П. Степаненко, К.К. Деньщиков, В.П. Кузнецов и др. Большую работу по применению накопителей на объектах энергетики провела группа ученых Новосибирского государственного технического университета под руководством доктора технических наук, профессора С.В. Брованова совместно с ООО «СНЭ». Но касательно объектов газовой промышленности с привязкой к технологическим объектам и режимам их энергопотребления исследования по применению систем накопления энергии не проводились.

К зарубежному опыту исследований применения систем накопления энергии на объектах генерации можно отнести разработки B.E. Conway, K.C.Divya, C. Spataru и др. Большое внимание в этих работах уделено исследованию гибридных систем накопления энергии, применения накопителей энергии в возобновляемых источниках энергии, однако отсутствуют исследования в области применения накопителей на объектах газовой промышленности в составе электротехнических комплексов большой мощности.

Объект исследования - электротехнические комплексы инфраструктурных объектов добычи, транспортировки и переработки газа ПАО «Газпром».

Предмет исследования - структуры, параметры, характеристики, системы управления и режимы работы электротехнических комплексов инфраструктурных объектов добычи, транспортировки и переработки газа ПАО «Газпром».

Цель работы - обеспечение бесперебойного и энергоэффективного функционирования электротехнических комплексов в газовой отрасли путем применения многофункциональных систем накопления электрической энергии.

Идея работы заключается в повышении энергетической эффективности процессов добычи, транспортировки и переработки природного газа за счет внедрения систем накопления электроэнергии в состав ЭТК.

Основные задачи исследований:

1. Провести комплексное исследование проблематики эксплуатации электротехнических комплексов объектов добычи, транспорта и переработки газа в части обеспечения бесперебойного электроснабжения, выполнить анализ существующих схемно-технических решений и подходов к реализации новых стратегически важных проектов.

2. Определить теоретические предпосылки многофункционального применения СНЭЭ в различных топологиях систем электроснабжения электротехничексих комплексов газовой отрасли.

3. Разработать методологию исследования функционирования СНЭЭ в составе электротехнических комплексов объектов газовой отрасли на основе системного подхода к решению проблемы обеспечения бесперебойного и энергоэффективного электроснабжения.

4. Проанализировать российский и мировой рынок технологий накопления электроэнергии, существующие способы применения и алгоритмы управления СНЭЭ в составе электротехнических комплексов.

5. Разработать унифицированный метод определения основных параметров СНЭЭ.

6. Разработать алгоритм планирования работы электротехнического комплекса со СНЭЭ на примере типового объекта газовой отрасли.

7. Разработать метод расчета основных параметров и алгоритм функционирования СНЭЭ для поддержания бесперебойной работы электроприводного динамического компрессорного оборудования комплекса по производству СПГ.

8. Выполнить технико-экономическое обоснование и численное моделирование разработанных методов и алгоритмов на примере типовых объектов газовой отрасли.

9. Обеспечить внедрение разработанных методов и алгоритмов при реализации проектов в ПАО «Газпром».

Научная новизна работы:

1. Разработана оригинальная методология исследования на основе многофактоорного системного анализа, позволяющая создать обобщённую концепцию применения СНЭЭ в составе электротехнических комплексов газовой отрасли при условии их многофункционального использования для решения задач бесперебойной работы и повышения энергоэффективности систем электроснабжения.

2. Предложен усовершенствованный способ расчета показателя нормированной стоимости накопления электроэнергии, учитывающий выполнение СНЭЭ нескольких функций на предприятиях газовой отрасли.

3. Предложен метод выбора основных параметров СНЭЭ с использованием в качестве целевой функции минимизацию модернизированного показателя нормированной стоимости накопления электроэнергии.

4. Разработан алгоритм управления электротехнического комплекса большой мощности со СНЭЭ по принципу «жестких правил», обеспечивающий перераспределение электроэнергии, вырабатываемой за счет ЭСН: накопление в моменты достаточной выработки и реализацию в периоды дефицита.

5. Разработан алгоритм функционирования электротехнического комплекса большой мощности со СНЭЭ по принципу «динамического планирования», основанный на распределении требуемой для работы системы электроэнергии между активами ЭТК, позволяющий оптимально и эффективно с технико-экономической точки зрения обеспечивать автономное или смешанное электроснабжение промышленных потребителей за счет решения задачи выравнивания графиков электрических нагрузок и замещения доли вращающегося резерва.

6. Разработан метод выбора параметров СНЭЭ в составе электроприводного динамического оборудования газоперерабатывающих комплексов на базе полученных математических зависимостей количества применяемых ионисторов от их номинальных параметров для обеспечения бесперебойной работы технологического оборудования при провалах напряжения и кратковременных прерываниях питания.

7. Разработан алгоритм управления СНЭЭ на базе суперконденсаторов, учитывающий функционально-параметрические особенности работы накопителя и электротехнического комплекса, главным образом обеспечивающий бесперебойную работу электроприводного динамического оборудования газоперерабатывающих комплексов при провалах напряжения и кратковременных прерываниях питания.

Соответствие паспорту специальности

Полученные научные результаты соответствуют паспорту специальности 2.4.2. Электротехнические комплексы и системы по пунктам:

1. Развитие общей теории электротехнических комплексов и систем, анализ системных свойств и связей, физическое, математическое, имитационное и компьютерное моделирование компонентов электротехнических комплексов и систем, включая электромеханические аппараты, системы электропривода, электроснабжения и электрооборудования; разработка научных основ проектирования, создания и эксплуатации электротехнических комплексов, систем и их компонентов;

3. Разработка, структурный и параметрический синтез, оптимизация электротехнических комплексов, систем и их компонентов, разработка алгоритмов эффективного управления;

4. Исследование работоспособности и качества функционирования электротехнических комплексов, систем и их компонентов в различных режимах, при разнообразных внешних воздействиях, диагностика электротехнических комплексов.

Теоретическая и практическая значимость работы.

1. Доказана возможность и необходимость применения СНЭЭ для выполнения нескольких функций в составе электротехнических комплексов газовой отрасли.

2. Предложены практические рекомендации по выбору схемно-технических решений, компонентного состава, режимов работы и способов использования СНЭЭ в составе электротехнических комплексов объектов добычи, транспорта и переработки газа.

3. Установлено, что выбор в качестве целевой функции минимизацию усовершенствованного показателя LCOS позволяет проводить отбор наиболее эффективных комбинаций функций СНЭЭ при определении параметров системы, а также проводить комплексный анализ технико-экономических показателей при внедрении СНЭЭ в систему электроснабжения предприятия.

4. Выявлен положительный экономический эффект от внедрения СНЭЭ на реальных объектах генерации добычи и транспортировки газа, так, при замещении вращающегося резерва экономия капитальных затрат будет эквивалентна стоимости одного электроагрегата в составе ЭСН (минимум 150 млн рублей) и эксплуатационных затрат до 50 млн рублей в год (на примере ЭСН с газопоршневыми электроагрегатами мощностью 1500 кВт).

5. Доказано, что применение СНЭЭ для выравнивания графика электрических нагрузок в автономных системах электроснабжения целесообразно, так как, согласно расчетам, представленным в работе, даже незначительное изменение коэффициента заполнения позволит добиться экономии топливного газа в денежном эквиваленте до 2 млн руб. в год.

6. Выявлен положительный экономический эффект от внедрения СНЭЭ на базе суперконденсаторов в составе технологического оборудования на комплексе по производству СПГ ПАО «Газпром» с обеспечением бесперебойного электроснабжения при нарушениях в работе внешней питающей сети. Положительный эффект от внедрения может достигать более 1 млрд рублей в год (экономические издержки от одного останова до 90 млн рублей).

7. Результаты работы использованы в ПАО «Газпром» при разработке проектов в части автономного электроснабжения от электростанций собственных нужд и в рамках выполнения НИОКР (пилотный проект реализуется в ООО «Газпром трансгаз Ухта в целях замещения вращающегося резерва и выравнивания графика нагрузки), в АО «Газпром промгаз» при выборе СНЭЭ в составе электростанций собственных нужд, в том числе в перспективных проектах реконструкции электростанций для разработки и создания системы накопления энергии в составе электропривода динамического компрессора на заводе СПГ ООО «Газпром СПГ Портовая».

8. Получены акты внедрения: ПАО «Газпром» от 17.12.2024 г. №308/1 (Приложение В), ООО «Газпром трансгаз Ухта» от 18.11.2024 г. (Приложение Г), ООО «Газпром СПГ Портовая» от 13.12.2024 (Приложение Д). Акты внедрения результатов исследования утверждены протоколом совещания Минэнерго России от 25.12.2024 г. (Приложение Е).

Методология и методы исследований. Поставленные задачи планируется решать на основе анализа реальных эксплуатационных данных и схемно-технических решений, применения методов синтеза, индукции, теории электрического привода, теория формирования графиков электрических нагрузок, вычислительной математики, матриц, теории электрических цепей с использованием программно-вычислительных комплексов, методов экспериментальных и промышленных исследований на физических объектах инфраструктуры ПАО «Газпром».

Положения, выносимые на защиту:

1. Применение разаработанной методологии исследования на основе многофакторного системного анализа позволяет определить состав, основные параметры, алгорим функционирования СНЭЭ в составе электротехнических комплексов газовой отрасли для обеспечения бесперебойной и энергоэффективной работы производственных объектов.

2. Применение унифицированного метода расчета основных параметров СНЭЭ с использованием в качестве целевой функции минимизацию

усовершенствованного показателя нормированной стоимости накопления электроэнергии позволяет оптимизировать расчет мощности и энергоемкости СНЭЭ при выполнении нескольких функций для любых типов систем электроснабжения объектов газовой отрасли.

3. Разработанный в рамках методологии исследования алгоритм планирования работы электротехнического комплекса, включающего ЭСН и СНЭЭ, позволяет сократить количество электроэнергии, потребляемое из сети централизованного энергоснабжения, реализовать задачу выравнивания графиков электрических нагрузок с заданной степенью эффективности и произвести замещение вращающегося резерва.

4. Разработанный метод на базе нового аналитического подхода к выбору параметров системы накопления позволяет создать рациональную структуру СНЭЭ на базе суперконденсаторов для обеспечения бесперебойного электроснабжения электротехнического комплекса и избежать существенных экономических издержек.

Степень достоверности результатов исследований основывается на корректном использовании общепризнанных теорий, методов и подходов, адекватных математических моделей, рассматриваемых элементов электротехнического комплекса. Адекватность сформулированных в работе методов и алгоритмов подтверждается математическим обоснованием полученных графиков и зависимостей. Полученные результаты исследований по отдельным направлениям согласуются с аналогичными результатами отечественных и зарубежных авторов. Также достоверность результатов исследований подтверждается положительным опытом эксплуатации СНЭЭ на объектах ПАО «Газпром», которые включены в реестр инновационной продукции, рекомендованной к внедрению. Основные результаты работы используются при разработке СНЭЭ в составе ЭСН и технологического оборудования.

Апробация результатов диссертации за последние 10 лет проведена на 10 научно-практических мероприятиях с докладами, в том числе на 6 международных:

1. LXXVIII Международная научно-практическая конференция «WORLD SCIENCE: PROBLEMS AND INNOVATIONS» (апрель 2024 года, г. Пенза);

2. IV Международная конференция «Системные исследования в энергетике 2023» IV International Conference ENERGY SYSTEMS RESEARCH 2023 (сентябрь 2023 года, г. Иркутск);

3. Международная научно-практическая конференция «Экологическая, промышленная и энергетическая безопасность - 2023» (18-21 сентября 2023 года, г. Севастополь);

4. 2022 Conference of Russian Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering, ElConRus 2022 (25-28 января 2022 года, г. Санкт-Петербург);

5. 2021 IEEE Conference of Russian Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering, ElConRus 2021 (26-28 января 2021 года, г. Москва);

6. 2020 International Multi-Conference on Industrial Engineering and Modern Technologies, FarEastCon 2020 (06-09 октября 2020 года, г. Владивосток);

7. Двенадцатая Всероссийская конференция молодых ученых, специалистов и студентов «Новые технологии в газовой промышленности», (24-27 октября 2017 года, г. Москва, РГУ им. И.М. Губкина);

8. XI Всероссийская научно-техническая конференция «Актуальные проблемы развития нефтегазового комплекса России» (8-10 февраля 2016 года, г. Москва, РГУ им. И.М. Губкина);

9. XIX Международного симпозиума имени академика М.А. Усова студентов и молодых учёных, посвященного 70-летнему юбилею Победы советского народа над фашистской Германией (2015 год, г. Томск);

10. VII Международная научная конференция молодых ученых «Электротехника. Электротехнология. Энергетика» (6-8 июня 2015 года, г. Новосибирск).

Личный вклад автора. Проведены экспериментальные исследования эффективности применения накопителей электроэнергии в составе буферных гибридных батарей на электротехнических комплексах транспорта газа, выявлены закономерности, отражающие влияние внешних и внутренних факторов на

возможность применения систем накопления энергии в газовой отрасли, разработаны теоретические положения и методы по выбору и применению, компонентному составу и режимам работы СНЭЭ в составе объектов газовой отрасли. Проведен анализ и обобщение результатов экспериментов, сформированы основные выводы по полученным данным.

Публикации. Результаты диссертационного исследования в достаточной степени освещены в 37 печатных работах (пункты списка литературы № 12, 31, 32, 96, 123, 169-174, 176-193, 207-209, 229, 235, 243, 296, 297) в том числе в 12 статьях - в изданиях из перечня рецензируемых научных изданий, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертаций на соискание ученой степени кандидата наук, на соискание ученой степени доктора наук, в 1 статье - в изданиях, входящих в международные базы данных и системы цитирования Scopus. Получены 2 свидетельства о государственной регистрации баз данных (Приложения Ж, И) и 1 свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ (Приложение К).

Структура работы. Диссертация состоит из оглавления, введения, 5 глав с выводами по каждой из них, заключения, списка сокращений и условных обозначений, списка литературы, включающего 301 наименование, и 9 приложений. Диссертация изложена на 341 странице машинописного текста, содержит 76 рисунков и 55 таблиц.

Благодарности. Автор выражает искреннюю и глубокую благодарность и признательность доктору технических наук, профессору, заведующему кафедрой общей электротехники Санкт-Петербургского горного университета императрицы Екатерины II Шклярскому Я.Э. за поддержку, ценные советы и помощь на всех этапах подготовки докторской диссертации.

ГЛАВА 1 ОСОБЕННОСТИ ПОСТРОЕНИЯ И ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ ОБЪЕКТОВ ГАЗОВОЙ

ОТРАСЛИ

Газовая промышленность - относительно молодая отрасль отечественной экономики, однако активно развивающаяся. Развитие отрасли стало фокусным благодаря более дешевым методам добычи энергии (вдвое меньше затрат, чем на нефть и в 10-15 раз в сравнении с каменным углем). Особенно виды газовой промышленности развиты в дальних северных районах Сибири. Одним из лидеров газовой отрасли является газовая компания № 1 в мире ПАО Газпром, которая занимает ключевое место в экономике народного хозяйства Российской Федерации.

Газовая промышленность занимает ведущее место в топливно-энергетическом комплексе страны и является неотъемлемой частью экономики Российской Федерации [28]. Россия занимает первое место в мире по запасам природного газа, так как доказанные запасы составляют 47,8 трлн м3. Большая часть запасов газа (около 70 %) находится в Западно-Сибирском газовом бассейне. Также крупные месторождения находятся в Лено-Тунгусском, Лено-Вилюйском, Прикаспийском, Волго-Уральском нефтегазовых бассейнах. Стоит отметить, что около 18 % разведанных запасов находятся на шельфовых месторождениях, включая Штокмановское месторождение, уникальное по своим запасам. В свою очередь, ПАО «Газпром» обладает 71% всех запасов в Российской Федерации [131]. Мировой рынок природного газа является одним из наиболее динамично развивающихся рынков энергоносителей и постоянно растет, несмотря на высокую конкуренцию с другими видами топлива и возобновляемыми источниками энергии, в то же время прирост добычи и потребления за последние 20 лет в мире составил более 70 % [200].

Доля запасов природного газа, находящихся в сложных природно-климатических условиях, и доля многокомпонентных газов, требующих для эффективной разработки создания газоперерабатывающей инфраструктуры, будет постепенно увеличиваться. Увеличить общий объем добычи газа в ближайшие

годы позволит ввод новых месторождений. В географии добычи газа сохранится роль Западной Сибири (за счет разработки более глубоко залегающих продуктивных горизонтов и, в первую очередь, Надым-Пуртазовского региона, где сосредоточены основные разрабатываемые и вводимые в ближайшей перспективе месторождения). Расширение газодобычи намечается за счет регионов Восточной Сибири и Дальнего Востока, месторождений полуострова Ямал, Обской и Тазовской губ и других месторождений шельфа Охотского моря. Прирост добычи газа к 2030 году составит 73 - 254 млрд м3 к уровню 2011 года в зависимости от варианта развития [132].

Список литературы диссертационного исследования доктор наук Токарев Иван Сергеевич, 2025 год

е - и

е

е - и

(2.1)

где Е0 - постоянное ЭДС батареи (В),

К - постоянная поляризации (В/Ач) или сопротивление поляризации (Ом), е - емкость батареи (Ач),

г ■ г = |г ■ <и - мгновенное значение заряда батареи (Ач),

А - значение напряжения в экспоненциальной зоне (В), в - обратная постоянная времени экспоненциальной (1/Ач), Ябат - внутреннее сопротивление (Ом), 1 - мгновенное значение тока (А),

I - мгновенные значения низкочастотных составляющих тока (А). Принцип работы представленной схемы следующий:

1. АКБ разряжается через резистор и одновременно заряжается от источника постоянного напряжения;

2. Значение SOC меняется при изменении значения источника постоянного напряжения около 100 В;

3. Если напряжение постоянного тока больше номинального напряжения батареи, то SOC останется прежним, то есть 1;

4. Если напряжение постоянного тока меньше номинального напряжения батареи, SOC уменьшится.

Разрядных кривые, используемых при моделировании АКБ, приведены на рисунках 2.9 и 2.10.

а) б)

Рисунок 2.9 - Разрядные характеристики свинцово-кислотного (а) и литий-

ионного-LiFeMgPO4 (б) аккумуляторов с одинаковыми номинальными

параметрами [184]

а)

Time (Minutes) б)

Рисунок 2.10 - Разрядные характеристики никель-кадмиевого (а) и никель-металлогидридного аккумуляторов (б) с одинаковыми номинальными

параметрами [184]

Коэффициенты, характеризующие работу АКБ, получены при испытании существующих АКБ популярных фирм производителей, например, литий-железо-

фосфатной батареи A123 ANR26650M1 и литий-кобальт-оксидной батареи Panasonic CGR 18,650 AF.

По представленным графикам разрядных характеристик АКБ с различным типом электролита можно заключить, что данные математические модели с хорошей точностью описывает реальные химические источники тока.Можно выделить три участка в разрядной кривой: первый участок (выделен желтым) представляет экспоненциальное падение напряжения при полностью заряженной батарее, ширина данного участка зависит от типа батареи. На втором участке (выделен серым) представлен заряд, который можно извлечь из батареи до тех пор, пока напряжение не упадет ниже номинального значения. И третий участок (выделен голубым цветом), который представляет собой полный разряд батареи, когда напряжение быстро падает.

Экспериментальная проверка модели показывает максимальную ошибку 5 % (когда SOC находится в диапазоне от 10 % до 100 %) для динамики заряда (когда ток изменяется от 0 до 2С) и разряда (когда ток изменяется от 0 до 5С) [143, 200].

Далее будут представлены зависимости заряда-разряда, указанных выше АКБ (рисунки 2.11 и 2.12).

<Voltage (V)> <Voltage (V)>

а) б)

Рисунок 2.11 - Эксперимент с использованием свинцово-кислотного (а) и литий-

ионного - LiFeMgPO4 (б) аккумуляторов с одинаковыми номинальными

параметрами в одинаковых условиях [184]

•¡¡УоНаде (У)> «УоПаде (У)>

<Сиггеп1 {А)> <Си ггегЛ (А)>

а) б)

Рисунок 2.12 - Эксперимент с использованием никель-кадмиевого (а) и никель-

металлогидридного аккумуляторов (б) с одинаковыми номинальными параметрами в одинаковых условиях [184]

Условия проведение экспериментального моделирования режимов заряда/разряда выбраны следующие, основная задача проследить изменение тока и уровня заряда:

- с 0 по 4 секунду выполняется зарядка аккумулятора;

- с 4 по 6 секунду выполняется разрядка аккумулятора на нагрузку;

- с 6 по 10 секунду вновь зарядка аккумулятора.

Подводя итоги параметрического анализа электрохимических накопителей, установлено, что литий-ионные АКБ обладают лучшими характеристика по сравнению с другими типами накопителей [279, 284]. Особенно характерным является режим разряда рисунок 2.12 (б). Разряд происходит равномерно, без снижения разрядного тока по сравнению с другими типами АКБ, также можно отметить скорость восстановления уровня заряда. По всем прочим техническим характеристикам, необходимым для накопителей электроэнергии, литий-ионные аккумуляторы также превосходят все другие типы батарей. Касательно стоимости данных химических источников тока, то долгое время именно из-за их дороговизны их применение считалось экономически неэффективным, однако в настоящий момент наблюдается устойчивое снижение их стоимости, что объясняется массовостью производства и инновациями, позволяющими изготавливать литиевые элементы с меньшими затратами [301], однако может расти из-за применения редкоземельных металлов.

В результате выполненных исследований получено свидетельство о государственной регистрации базы данных электрохимических накопителей энергии, применяемых в газовой отрасли [146].

2.4 Параметрический анализ электрических накопителей электроэнергии

Совершенно другими свойствами по сравнению с электрохимическими накопителями электроэнергии обладают электрические накопители, к таковым следует отнести конденсаторы, суперконденсаторы и сверхпроводниковые магнитные накопители.

Традиционные электролитические конденсаторы в простейшем случае представляют собой устройство для накопления энергии электрического поля, состоящее из двух электродов в форме пластин, разделенных диэлектриком. Конденсаторы применяются для накопления малого количества электрической энергии и характеризуются высокой плотностью энергии и малым временем зарядки/разрядки. Электролитические конденсаторы широко применяются в различных электронных устройствах благодаря своей высокой емкости и способности эффективно сглаживать пульсации напряжения. В основном они используются в источниках питания, DC/DC преобразователях, аудиоусилителях и других схемах, где требуется стабильное напряжение или преобразование переменного тока в постоянный.

Суперконденсаторы (СК) - это устройства, накопление электрической энергии в которых происходит благодаря заряду двойного электрического слоя. Этот слой образован поверхностью проводника и слоем прилежащих к нему ионов электролита. Двойной электрический слой можно рассматривать как конденсатор с двумя обкладками, емкость которого пропорциональна площади обкладок и обратно пропорциональна расстоянию между ними. Благодаря тому, что расстояние между заряженной поверхностью проводника, из которого изготавливаются электроды, и слоем ионов очень мало (измеряется ангстремами), а величина поверхности проводника (например, активированного угля) достигает 1500...2000 м2/г, емкость угольного электрода массой 1 г может составлять 100...500 Ф.

Сверхпроводниковый магнитный аккумулятор (SMES) сохраняет энергию магнитного поля, созданную током, проходящим по соленоиду из сверхпроводящего материала, охлажденного до температуры ниже критической температуры сверхпроводимости. SMES является высокоэффективным накопителем электроэнергии с КПД более 95 % и обладает малой задержкой времени между процессами зарядки и разрядки.

Данный тип накопителей находят применение в различных областях, в основном связанных с улучшением качества электроэнергии и эффективным управлением энергопотреблением. Они могут использоваться в электросетях для стабилизации частоты и мощности, в системах возобновляемой энергетики для накопления энергии от солнца и ветра, а также в промышленности для повышения энергоэффективности и обеспечения бесперебойного питания.

Учитывая актуалный для газовой отрасли набор задач, возлагаемых на СНЭЭ, определнный в Главе 1, перспетивным является применение суперконденсаторов в составе СНЭЭ.

В настоящий момент активно ведутся исследования, связанные с особенностями функционирования, определения параметров, разработкой новых струтур данных накопителей [7, 42, 58, 108, 238, 247, 281, 291]. Из анализа литературных источников установлено, что наибольшее применение суперконденсаторы нашли в системах, где от накопителя требуется быстро накапливать и отдаввать большое количество энергии, а также выдерживать большое количество циклов заряда/разряда. Также отмечается минимальное время отклика данных устройств.

Принципиально электрохимический конденсатор представляет собой систему, состоящую из двух электродов, помещенных в электролит. В качестве электродов в данных накопителях применяется большое количество различных материалов и их окислов с целью достижения максимальных характеристик и ресурса в качестве электролита могут использоваться водные и органические электролиты. Водные электролиты обладают низкой стоимостью, просты в эксплуатации и экологически безопасны. Органические электролиты влияют на

технические параметры суперконденсаторв, их применение позволяет увеличить рабочее напряжение конденсатора и, соответственно, удельную запасаемую энергию, однако данный тип электролита отличаются дороговизной, трудностями в процессе производства и эксплуатации, часто небезопасными с точки зрения экологичности [196].

Стоит отметить, что суперконденсаторы имеют большой срок службы, обусловленный отсутствием химических процессов, которые в обычных аккумуляторах приводят к постепенному снижению их емкости. В процессе эксплуатации и хранения электрохимические конденсаторы не требуют обслуживания, работоспособны в широком интервале температур. Большинство суперконденсаторов имеют низкий саморазряд, что позволяет применять их в буферных системах. Энергия, запасаемая суперконденсаторами, может достигать 50...60 Дж/г, а мощность - 3...5 кВт/кг. Однако рабочее напряжение большинства суперконденсаторов равно 2,3-2,5 В. При повышении напряжения выше допустимого в электрохимических конденсаторах электрического пробоя не происходит, что выгодно отличает их от традиционных конденсаторов, но начинается процесс разложения электролита, а это вызывает увеличение тока утечки или разрушение корпуса. В случае неводного электролита работа при повышенном напряжении приводит к снижению характеристик конденсатора [256].

По характеристикам суперконденсатор занимает промежуточное положение между конденсатором и электрохимическими накопителями. СК способны быстро накапливать и отдавать более высокую энергию, чем традиционные конденсаторы (рисунок 2.13). В то же время СК обладают большей удельной мощностью, чем аккумуляторные батареи, позволяя, например, запускать большие двигатели. Также СК превосходят аккумуляторы по ресурсу (количеству зарядов и разрядов) на порядок и даже два. Стандартом является миллион циклов или 10-15 лет работы.

100 1000 Удельная мощность [Вт/кг]

Рисунок 2.13 - Удельная энергия, удельная мощность и время разряда различных

источников энергии [184] Пример типовых характеристи суперконденсаторных модулей представлены в таблице 2.9.

Таблица 2.9 - Технические характеристики суперконденсаторов производства Maxwell (составлено автором)

Тип

PC Series

HC Series

BC Series

K2 Series

Modules

Внешний вид

Электрическая емкость, Ф

10

1-150

310-350

650-3000

58-500

Номинальное напряжение, В

2.2-2.5

2.3-2.7

2.7

2.7

16-125

Эквивалентное

активное сопротивление (ESR), мОм

180

14-700

2.2-3.2

0.29-0.8

2.1-22

Токи утечки, мА

0.04

0.006-0.5

0.3-0.45

1.5-5.2

1.5-150

Удельная мощность, Втч/кг

1.38

0.7-4.34

5.06-5.63

4.11-5.96

1.51-3.81

Удельная энергия, Вт/кг

1900

1700-7010

9000-13400

1210014500

3420-6450

В таблице 2.10 приведено сравнение технических характеристик суперконденсатора с обычными конденсаторами и свинцовыми АКБ. Таблица 2.10 - Сравнение технических характеристик суперконденсатора с обычными конденсаторами и свинцовыми АКБ (составлено автором)

Характеристика Свинцово-кислотная батарея Обычный конденсатор Суперконденсатор

Время заряда 1-5 часов 10-3 -10-6 секунд 0,3-30 секунд

Время разряда 0,3 - 3 часа 10-3 -10-6 секунд 0,3-30 секунд

Энергия, Вт*ч/кг 10 - 100 < 0,1 1-10

Количество циклов заряда/разряда 1000 > 500 000 > 500 000

Удельная мощность, Вт/кг < 1000 < 100 000 < 10 000

Эффективность заряда/разряда 0,7 - 0,85 > 0,95 > 0,85-0,98

Емкость, Ф - До 1 До 3400

Подводя промежуточный итог, к достоинствам суперконденсаторов можно

отнести:

- возможность в работы при пиковых нагрузках (кратковременных);

- способность накапливать и отдавать заряд в короткий срок;

- безопасность (в отличие от обычного аккумулятора суперконденсатор не перегревается, не вздувается и не взрывается);

- очень высокий срок службы (более 15 лет);

- способность работать в экстремальных условиях и при резких перепадах температур (рабочий диапазон такого рода устройств - от -60 до +50 градусов по Цельсию).

К недостаткам:

- быстрое время разряда (невозможно использовать в качестве источника на часы/сутки);

- высокая стоимость 1 кВт*ч;

- отсутствие полного цикла производства в РФ.

В результате выполненных исследований получено свидетельство о государственной регистрации базы данных электрических накопителей энергии, применяемых в газовой отрасли [147].

Таким образом, установленные особенности данных накопителей позволят рассматривать их для решения задач, связанных с обеспечением бесперебойности электроснабжения ответственных потребителей, что является частью проведенного исследования. Безусловно, существует еще целый ряд различных накопителей электрической энергии: гравитационные, механические, водородные и другие системы накопления. Однако их применение в составе электротехнических комплексов газовой отрасли весьма затруднительно как с технической точки зрения, так и с экономической.

2.5 Практический опыт применения электрохимических накопителей электроэнергии в составе ЭТК газовой отрасли

Актуализированный перечень приоритетных технологий для научно-технологического развития отраслей топливно-энергетического комплекса России на период 2035 года представлен в одноименном прогнозе. Технология аккумулирования электроэнергии, включая электрохимические аккумуляторы, а также их системы управления, рассматривается здесь в качестве одной из перспективных.

Начиная с 2014 года предприятия газовой отрасли приступили к внедрению на производственных объектах СНЭЭ на базе ЛИА. Основные результаты работ по внедрению приведены в работах [72, 98].

В статье [132] рассмотрены вопросы актуальности разработки Концепции развития энергетики газовой отрасли в современных условиях. Приведена информация о предпосылках разработки и основных концептуальных положениях документа, предназначенного для повышения надежности, безопасности и энергоэффективности функционирования объектов энергоснабжения в условиях динамичного изменения требований к энергообеспечению со стороны обеспечиваемого производственного объекта и вновь введенных нормативных документов. Для каждого типового производственного объекта определен перечень и выполнена всесторонняя оценка перспективных технологий совершенствования энергоснабжения, одной из которых являются эффективные накопители электроэнергии большой емкости.

В статье [57] рассмотрены особенности построения и функционирования систем постоянного тока производственных объектов с использованием свинцово-кислотных аккумуляторов, имеющих ряд существенных недостатков. В качестве альтернативы для систем постоянного тока производственных объектов предложено использование литий-ионных аккумуляторов. Отмечены их преимущества, основные типы и характеристики. Показано, что в системах резервного электропитания, а также в системах накопления энергии наиболее целесообразно использование батарей на основе литий-железо-фосфатных аккумуляторов. Разрядные характеристики литий-ионных аккумуляторов при токе разряда 0,2 Сн при различных температурах окружающей среды приведены на рисунке 2.14.

4,30"

2,50'-1-1-1-1-1-1-г

0 20 40 60 80 100 120 140

Емкость, %

Рисунок 2.14 - Разрядные характеристики литий-ионных аккумуляторов при токе разряда 0,2 Сн при различных температурах окружающей среды [57] Основные результаты эксплуатации СНЭЭ напряжением 220 В на основе ЛИА на производственных объектах газовой отрасли рассмотрены в статье [214, 215]. Внешний вид литий-ионной аккумуляторной батареи 380 А-ч (тип ЬТ-ЬУР 380 - 70 шт.) в составе СПТ 220 В представлен на рисунке 2.15.

Рисунок 2.15 - Внешний вид литий-ионной аккумуляторной батареи емкостью

380 А-ч в составе СПТ 220 В [214] В работе представлены основные характеристики СПТ напряжением 220 В и результаты контроля эксплуатационных параметров ЛИАБ СНЭЭ компрессорного цеха. Рассмотрены цели и характерные особенности проведения автоматической балансировки ЛИАБ, которая реализуется системой контроля и управления (СКУ). После проведения балансировки батареи отмечена достаточно высокая стабильность основных ее параметров. Проведено технико-экономическое сравнение показателей эксплуатации аккумуляторных батарей СНЭЭ на основе литий-ионных и свинцово-кислотных аккумуляторов. Отмечено, что батарея на базе ЛИА, в отличие от батареи на базе свинцово-кислотных аккумуляторов, требует проведения ежегодного контрольного разряда.

В статье [214] рассмотрены основные результаты опыта разработки и эксплуатации многофункциональной СНЭЭ газораспределительной станции (ГРС) с функцией накопления энергии на основе применения литий-ионных аккумуляторов. Рассмотрены возможные режимы функционирования ГРС с интегрированной в ее состав СНЭЭ на базе ЛИА типа LT-LFP170, солнечной электростанции на основе солнечных фотоэлектрических модулей HVL 290 в качестве основного источника, внешней сети - в качестве резервного источника электроснабжения. Выполнен анализ результатов опытно-промышленной и подконтрольной эксплуатации многофункциональной системы постоянного тока. Величины максимальных и минимальных напряжений аккумуляторов и напряжения аккумуляторной батареи при контроле параметров аккумуляторов и

батарей в процессе опытно-промышленной и подконтрольной эксплуатации находились в заданных пределах. Фрагмент интерфейса САУ СНЭЭ ГРС изображен на рисунке 2.16.

DC/DC Статистика Измерения Журнал Настройки

Рисунок 2.16 - Фрагмент интерфейса САУ [214] В статье [194] изложены методические принципы оценки надежности функционирования энергетической системы на примере системы постоянного тока ГРС с функцией накопления электроэнергии на базе ЛИА. Рассмотрена структурная схема и режимы функционирования системы постоянного тока, на основе которых выполнена оценка надежности системы и проверка соответствия расчетных значений показателей безотказности энергетического оборудования требованиям нормативных документов ПАО «Газпром» и государственных стандартов. Приведены результаты моделирования отказов системы и расчета численных значений показателей ее надежности (коэффициент готовности системы, среднее время восстановления системы, средняя наработка на отказ, вероятность безотказной работы в течение года).

Структурная схема СНЭЭ ГРС представлена на рисунке 2.17.

Рисунок 2.17 - Структурная схема электроснабжения ГРС [96]

В нормальном режиме работы при превышении мощности генерации СЭС над мощностью потребления нагрузки и заряженной ЛИА питание нагрузки осуществляется от СЭС через ПМ. ЛИА при этом находится в режиме хранения (отключена от цепи заряда блоком заряда).

При просадке напряжения в звене постоянного тока (мощности СЭС недостаточно для обеспечения потребителей электропитанием) диод в БЗ открывается, и аккумуляторная батарея параллельно с СЭС обеспечивает электропитание нагрузки [96].

При превышении мощности генерации над мощностью потребления схема возвращается в исходное состояние (нормальный режим работы).

При недостаточной мощности генерации и разряде ЛИА ниже контрольного значения (остаточная емкость любого из элементов - 18 А-ч для обеспечения аварийного электроснабжения потребителей 1 категории и особой группы 1 категории) САУ дает команду на подключение резервного источника (сеть), который обеспечивает питание нагрузки и заряд ЛИА.

Заряд и балансировка ЛИА осуществляется через БЗ (шунтирующий контактор включен). Источником для заряда может являться как СЭС, если ее мощности достаточно, так и сеть. Критериями для включения режима заряда и балансировки являются: остаточная емкость ЛИА - 80 % от полной запасенной или

периодически один раз в месяц. Покрытие годового графика потребления

электроэнергии ГРС с помощью СНЭЭ приведено на рисунке 2.18.

2000

1500

8-1000 к

л о о.

н

и а> Ч

<Т)

500

о ------------

Янв. Фсв. Март Апр. Май Июнь Июль Авг. Сент. Окт. Нояб. Дек.

□ Потребление энергии из сети

■ Потребление энергии от СЭС (с учетом накопленной в АБ) Генерация СЭС

□ Потребление энергии

Рисунок 2.18 - Покрытие годового графика потребления электроэнергии ГРС с

помощью СПТ [9]

В 2018 году проведена опытно-промышленная эксплуатация СНЭЭ. В результате того, что нагрузка ГРС находилась в диапазоне (3-7) % от номинальной расчетной (6 кВт), система работала с очень низкой энергоэффективностью. Собственные потери СНЭЭ ГРС превысили потребление нагрузки. При этом, несмотря на высокую облачность во время проведения ОПЭ и низкое качество питающей сети, не было допущено перерыва в электроснабжении потребителей ГРС.

Несмотря на выявленные недостатки, связанные с недостаточной солнечной активностью в отдельные периоды года и низким качеством питающей сети, предложенная схема электроснабжения ГРС на базе ЛИА позволяет [194]:

- компенсировать пики потребления нагрузки и установить баланс потребления и генерации электроэнергии;

- интегрировать в систему электроснабжения и максимально эффективно использовать источники альтернативной энергии;

- повысить надежность электроснабжения объекта (ГРС).

2.6 Практический опыт применения суперконденсаторов в составе ЭТК

газовой отрасли

Для обеспечения электроснабжения таких объектов, как крановые узлы, станции катодной защиты, радиорелейные станции, используются автономные источники малой мощности, к которым относятся возобновляемые источники энергии, теплоэлектрогенераторы, электрохимические источники, микротурбинные установки и др. Специфика их эксплуатации обусловлена наличием буферной аккумуляторной батареи. Буферная батарея необходима для обеспечения бесперебойного электроснабжения потребителей при резких сбросах и набросах нагрузки, пока источник не выйдет в установившейся режим [186].

Основной недостаток буферных аккумуляторов - это относительно небольшой срок службы (около двух-трех лет) из-за ограниченного цикла их разрядов/зарядов (не более 1 тыс.), а также падение емкости при отрицательных температурах. Кроме того, промышленные аккумуляторы отличаются относительно высокой стоимостью.

Для определенного вида оборудования возможно использовать только конкретный тип аккумуляторных батарей. Рассмотрим в качестве примера автономную микротурбинную установку (МТУ) производства Capstone T+rbine Corporation (США) мощностью 65 кВт. Буферная батарея МТУ состоит из 24 аккумуляторов и требует замены каждые 2-3 года. Регламентированный заводом-изготовителем срок службы таких аккумуляторов не в составе буферной батареи составляет до 15 лет.

Частый выход из строя буферной батареи обусловлен тем, что все сбросы и набросы нагрузки принимают на себя аккумуляторы во избежание резкого изменения частоты вращения турбины. На рисунке 2.19 показан суточный график нагрузки, полученный с реального объекта, на котором в качестве основного источника используется МТУ Capstone.

20

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 Время, ч Time, h

Рисунок 2.19 - Суточный график нагрузки микротурбинной установки Capstone аварийно-восстановительного поезда Селихино Амурского линейного производственного управления магистральных газопроводов ООО «Газпром

трансгаз Томск» (составлено автором) Для решения данной проблемы была рассмотрена возможность применения устройств аккумулирования электрической энергии с неограниченным количеством циклов - суперконденсаторов (ионисторов) [135, 191]. Достаточная емкость суперконденсаторного накопителя в системе буферной батареи определяется временем выхода на установившийся режим работы турбины МТУ Capstone после сбросов/набросов нагрузки, которое может составлять 1-5 с в зависимости от изменяемой мощности нагрузки. В соответствии с этими параметрами работы и необходимо выбирать технические характеристики суперконденсатора.

В работе [135] показана методика расчета оптимальной конфигурации гибридной системы. В соответствии с данной методикой на чертеже (рисунок 2.20) суперконденсаторный накопитель представлен в виде номинальной емкости и эквивалентного сопротивления, аккумуляторная батарея смоделирована в виде идеального источника напряжения и внутреннего сопротивления.

* » ¿С lo

■о-1->-♦ +

Рисунок 2.20 - Электрическая схема модели гибридной буферной батареи [135] Один из основных параметров гибридной батареи - это доля тока нагрузки на суперконденсаторе, которая составляет в данном случае 75-85 %. На смоделированном графике распределения тока нагрузки между накопителем и аккумулятором (рисунок 2.21) хорошо видно, что ток нагрузки компенсирует накопитель, а аккумулятор работает в щадящем режиме.

--ток нагрузки

load current

battery current

--ток накопителя

storage current

Рисунок 2.21 - График распределения тока нагрузки в гибридной буферной

батареи [135]

В соответствии с техническими характеристиками буферной батареи МТУ 65 кВт была спроектирована гибридная буферная батарея (рисунок 2.22) по необходимым параметрам. Работа гибридной построена таким образом, что все

перепады нагрузки принимает на себя суперконденсатор, поскольку ток протекает через меньшее сопротивление, которым он обладает.

и

а

ГУ у з к а

+ 1

h Ниоо шлешь

и 1 1_1

1 ч L _ АКБ ^ 1 1 —г 1 1

Рисунок 2.22 - Схема работы гибридной буферной батареи [135]

Такое техническое решение позволяет собственными силами решить проблему малого срока службы аккумуляторов и повысить надежность работы МТУ Capstone.

Суперконденсаторы напряжением 384 В и емкостью 11 Ф эквивалентны существующим аккумуляторам в количестве 24 шт. напряжением 12 В и емкостью 26 А/ч производства США для работы в течении 1-5 секунд в соответствии с текущими показателями суточного потребления и пиковых значений сбросов/набросов. Использование суперконденсаторов в данной схеме работы предполагает создание гибридной буферной батареи, в которую войдут существующие аккумуляторные батареи, накопители и система контроля [135].

В 2017 г. головной опытный образец суперконденсаторного накопителя емкостью 11 Ф и напряжением 384 В для гибридной буферной батареи МТУ Capstone был произведен и направлен для установки на АВП КС-4 Амурского линейного производственного управления магистральными газопроводами (ЛПУМГ) ООО «Газпром трансгаз Томск» для тестирования в реальных условиях. За год опытно-промышленной эксплуатации никаких нареканий в работе гибридной батареи не выявлено. В завершении проведены измерения остаточной

емкости обычной буферной батареи и гибридной методом глубокого разряда. Оказалось, что за год работы аккумуляторы гибридной батареи после 6 ч разряда имеют остаточную емкость 90-94 %, а работавшие без накопителей аккумуляторы - 50-56 % [135].

Авторская разработка [217] подтвердила возможность продления срока службы АКБ в несколько раз и была внедрена в рамках рационализаторского предложения. В свою очередь, комиссия по внедрению инновационной продукции в ПАО «Газпром» внесла данную разработку в реестр инновационной продукции для применения и внедрения на объектах ПАО «Газпром». Несколько гибридных буферных батарей уже внедрены и успешно эксплуатируются на объектах ПАО «Газпром», выполняя возложенные функции.

Кроме того, накопители электрической энергии нашли применение в стартерных системах пуска дизельных и газопоршневых электростанций. В 2020 г. в ПАО «Газпром» проведены испытания применения суперконденсаторных накопителей в качестве стартерных систем пуска дизельных и газопоршневых электростанций, которые показали положительные результаты [187]. Благодаря применению высокотехнологичного оборудования аккумулирования энергии количество стартерных аккумуляторов для обеспечения всех нормативных требований можно будет снизить в 2 раза, а их емкость в 3 раза, а также значительно продлить их эксплуатационный ресурс и тем самым сократить эксплуатационные затраты, габариты и металлоемкость стартерной системы. На рисунке 2.23 приведена схема подключения накопителей в составе стартерной системы электростанций, которая надежно обеспечивает запуски основных и аварийных источников при любых температурах окружающей среды и разряженных аккумуляторах.

МСК-300-29

Стартер ДГУ

АКБ 12 В, 126 А/ч

АКБ 12 В, 126 А/ч

=-к

Рисунок 2.23 - Электрическая схема подключения накопителей в стартерную

Стартерная система пуска дизельных и газопоршневых электростанций успешно прошла опытно-промышленную эксплуатацию на объектах ООО «Газпром трансгаз Ухта» и ООО «Газпром трансгаз Санкт-Петербург». В ходе ресурсных испытаний гибридная стартерная батарея зарекомендовала себя как надежная и перспективная разработка. По результатам испытаний данная разработка [187] внедряется на всех ДЭС и ГПЭС мощностью от 500 кВт на объектах ПАО «Газпром».

1. Выполнена оценка структуры существующих систем накопления электроэнергии;

2. Установлено, что выбор стратегии управления подстистемы преобразования энергии зависит от конкретных условий эксплуатации. В ситуациях, где важно быстрое восстановление работы сети и простота реализации, предпочтителен CLC. Если требуется баланс между точностью регулирования и стабильностью, можно применять MSC. Виртуальный импеданс VIC полезен в системах с высокой чувствительностью к токовым перегрузкам, но требует более точной настройки.

3. Выполен комплексный анализ мирового и российского рынка технологий накопления электроэнергии, а также параметрический анализ электрохимических и электрических накопителей. Получено два свидетельства о государственной регистрации баз данных электрохимических и электрических накопителей энергии.

систему дизельной электростанции [187]

2.7 Выводы по Главе 2

4. Установлено, что применение литий-ионных аккумуляторных батарей различных модификаций может распространяться на решение «энергоемких» задач, таких как замещение вращающегося резерва ЭСН или выравнивание графиков электрических нагрузок. Суперконденсаторы могут быть применены в составе электроприводного динамического оборудования на газоперерабатывающих комплексах для обеспечения бесперебойной работы при провалах и прерываниях питания.

5. Представлены результаты практического применения электрохимических и электрических накопителей электроэнергии в составе ЭТК газовой отрасли.

ГЛАВА 3 РАЗРАБОТКА МЕТОДА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ СНЭЭ НА ОСНОВЕ УСОВЕРШЕНСТВОВАННОГО ПОКАЗАТЕЛЯ НОРМИРОВАННОЙ СТОИМОСТИ НАКОПЛЕНИЯ

ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ

3.1 Анализ существующих методов расчёта параметров систем накопления

электроэнергии

Системы накопления электроэнергии, подобно любым другим компонентам энергетической системы, обладают рядом физических характеристик, подробно представленных в Главе 2.

Рассматривая системы накопления электроэнергии с точки зрения обеспечения бесперебойности и повышения энергоэффективности электротехнических комплексов газовой отрасли, следует выделить два основных параметра: номинальную мощность и номинальную энергоемкость.

В [138] под номинальной мощностью понимается та мощность, на которую рассчитаны все силовые элементы подсистем СНЭЭ. При этой мощности система способна функционировать без ограничений по времени.

В исследованиях [27, 73, 74] используют термин «обменная энергоёмкость», подразумевая под ним количество энергии, которое СНЭЭ должна обмениваться с энергосистемой в процессе управления мощностью при решении поставленных задач. При одинаковой обменной энергоемкости, номинальная энергоемкость СНЭЭ может значительно отличаться для разных типов накопителей. Номинальная энергоемкость определяется с учетом расчётной обменной энергоемкости, а также при выбранном типе накопителя энергии и заданном ресурсе по количеству циклов.

Согласно анализу, представленному в Главе 2, СНЭЭ способны выполнять широкий спектр функций в различных электротехнических комплексах, в связи с чем требуется определить метод расчета основных параметров.

Задаче разработки методов определения параметров СНЭЭ посвящено большое количество работ в отечественной и зарубежной литературе. Условно существующие методы расчета можно разделить на несколько типов, исходя из определения целевой функции.

Учитывая, что активное внедрение СНЭЭ в электротехнические комплексы соответствовало интеграции систем с возобновляемыми источниками энергии, методы расчета параметров СНЭЭ базировались на задачах оптимизации их совместной работы. Так в [285] представлен метод выбора мощности и энергоемкости СНЭЭ для эффективной интеграции ВИЭ в электроэнергетическую систему с точки зрения требований по компенсации изменений генерируемой мощности ВИЭ по отношению к мощности энергосистемы. Доступная энергия (мощность) является основным фактором, влияющим на надежность работы накопителей энергии в энергосистемах, интегрированных с ВИЭ. В данной статье представлены показатели емкости накопителей энергии для количественной оценки вклада накопителей энергии в адекватность генерации. Представлен метод, соответствующий усовершенствованном подходе определения эквивалентной гарантированной мощности, основанном на усреднении мощности, вырабатываемой ВИЭ на заданном интервале времени (сегменте) с последующим расчетом минимально достаточной энергоемкости СНЭЭ. Для системы накопления энергии разработан алгоритм расчета минимально возможной энергоемкости с использованием численных методов оптимизации, позволяющий обеспечить требования по работе ВИЭ параллельно с сетью за счет того, что временной отрезок - сегмент меньше, чем отрезок усреднения из традиционного метода. Предложенный в статье метод позволяет уточнить расчет номинальной энергоемкости СНЭЭ по сравнению с традиционным методом.

В [124] предложен метод расчета параметров СНЭЭ солнечной электростанции при включении их в объединенную энергосеть. Учитывая особенность функционирования солнечных электростанция, которая заключается в зависимости от метеоусловий, что накладывает определенные к планированию выработки электроэнергии для покрытия нагрузок энергосистемы, СНЭЭ могут стать решением проблемы обеспечения стабильной работы таких установок. Представленный метод отличается простотой, однако основан на эмпирических формулах, описывающих работу солнечной электростанции, что, безусловно, приводит к погрешности расчета параметров СНЭЭ.

Также для расчета параметров СНЭЭ активно применяются различные методы математической оптимизации. Например, в [287] для расчета параметров СНЭЭ предложен метод на основе динамического программирования. В работе рассматривается задача обеспечения стабильной работы энергосистемы в аварийных и послеаварийных. Представленная методика представляет из себя инвертированный рекурсивных алгоритм, в котором решение основной задачи -обеспечение бесперебойности электроснабжения, на решение промежуточных задач, последовательное решение которых позволяет получить оптимальный результат, в нашем случае - оптимальную энергоемкость СНЭЭ. Достоинством предложенного метода является возможность учета дефицита энергии в системе на состояние заряда накопителя.

В литературе можно встретить применение и эвристических методов оптимизации, например, генетических. В [254] предлагается метод, основанный на генетическом алгоритме для определения параметров системы накопления энергии в сетях с распределенной генерацией. Расчет параметров СНЭЭ осуществляется с помощью алгоритма, который используется для задания нечетких правил и функций принадлежности экспертной системы, направленных на поиск таких значений параметров СНЭЭ, которые обеспечат минимальные капитальные и операционные затраты на всем сроке эксплуатации. Учитывая, что основные параметры системы накопления энергии оказывает существенное влияние на стратегию управления энергопотреблением, особенно в сетях с распределенной генерацией, в данной статье мощность и энергоемкость оптимизируются совместно. Дополнительно предлагаемый метод использует модель старения для прогнозирования срока службы СНЭЭ, что позволяет более точно определить затраты, связанные с эксплуатацией данных устройств.

Очевидно, что экономический эффект является немаловажной причиной применения того или иного решения, направленного на повышение эффективности функционирования системы электроснабжения, особенно в случае со СНЭЭ, которые требуют существенных капиталовложений. Учитывая это, разработано

несколько методов, в которых в качестве целевой функции выступает величина окончательного экономического эффекта.

Так в [251] предлагается определять параметры СНЭЭ, исходя из задачи минимизировать величину нормированной стоимости электроэнергии. Данный показатель позволяет соотнести сумму всех капиталовложений за период эксплуатации устройства к величине энергии, отданной СНЭЭ за весь срок службы. В работе рассматривается совместная работа СНЭЭ и ВИЭ, определены полная энергоемкость СНЭЭ, глубина разряда, тип электрохимии литий-ионных аккумуляторов, относительная величина токов заряда и разряда, оптимальный диапазон уровня заряда, срок службы, измеряемый количеством рабочих циклов, соответствующие минимальному значению нормированной стоимости накопления электроэнергии. Забегая вперед, данный показатель будет рассмотрен в качестве целевой функции и для решения задач, рассматриваемых в данной работе.

Также в [113] рассматривается вопрос выбора оптимальных параметров накопителя энергии и оценки результатов его использования по экономическому критерию. В работе представлена разработанная методика выбора параметров накопителя энергии, позволяющей с максимальной эффективностью оптимизировать систему энергоснабжения предприятия, и оценка с ее помощью экономических результатов применения накопителя энергии на примере конкретного предприятия. Так же, как и в большинстве методик определения параметров СНЭЭ, авторы рассматривают одну конкретную задачу -регулирование графика электрических нагрузок. Экономический эффект предполагается достигать за счет смещения пика потребления из одной тарифной зоны в другую, с меньшей ставкой. К достоинствам данной методики можно отнести простоту и гибкость расчета, к недостаткам - отсутствие учета эксплуатационных особенностей СНЭЭ как технических, так и экономических. Также отсутствует анализ основных капиталовложений и окончательного экономического эффекта от интеграции СНЭЭ, при этом возникает вопрос о степени выравнивания графика электрических нагрузок, позволяющей достичь

положительного эффекта. Данный вопрос будет также раскрыть в рамках данного диссертационного исследования.

В отличии от [113] в [154] представлена методика с подробным учетом затрат на установку и эксплуатацию СНЭЭ. Учитываются расходы: на топливо, дисконтированные инвестиционные затраты, затраты на недоотпуск электроэнергии вследствие недостаточности емкости накопителя, стоимость неиспользуемой (потерянной) энергии от ВИЭ в том случае, когда накопитель полностью заряжен, при этом расчет основных параметров выполняется исходя из величины дефицита мощности в изолированной энергосистеме.

Также широко освещены другие методы расчета параметров СНЭЭ для решения одной конкретной задачи и сконцентрированы на решении технических вопросов.

В [157] рассматривается решение технических задач повышения энергоэффетивности и ресурсосбережения горного локомотивного транспорта за счет применения различных типов накопителей энергии. Мощность и энергоемкость СНЭЭ предлагается определять исходя из условий обеспечения требуемой величины запаса энергии в установившихся режимах работы, а также мощности и величины разрядных токов в период разгона и приема тормозной энергии.

В статье [54] рассматривается две задачи СНЭЭ в распределительных электрических сетях: сглаживание пиков нагрузки и регулирование напряжения. Выбор основных параметров СНЭЭ для задачи регулирования графика электрических нагрузок производится по критерию увеличения доступной мощности технологического присоединения. Аналогичный выбор параметров для задачи регулирования напряжения производится по критерию поддержания заданного напряжения в наиболее «проблемном» узле. Преимуществом предложенной методики является учет фактических суточных графиков нагрузки и параметров сети.

В другом источнике [14], представлена методика расчета основных параметров СНЭЭ по результатам инструментального мониторинга нагрузочных

диаграмм. Основные параметры систем накопления предлагается рассчитывать с использованием метода линейной фильтрации, который заключается в анализе гармонического состава нагрузочных диаграмм генерирующих агрегатов, определении нежелательных частот колебаний мощности нагрузки и производить выбор параметров накопителя для их подавления.

В [138] предлагается методика расчета основных параметров СНЭЭ на основе мониторинга режимных параметров электроэнергетического объекта и анализа АЧХ его графика нагрузки для решения задачи подавления нежелательных колебаний мощности при резкопеременном характере нагрузки в автономных системах.

В [21] рассматривается возможность создания гибридной системы накопления электроэнергии для предотвращения кратковременных нарушений электроснабжения, а именно ограничений глубины провалов напряжения. Параметры СНЭЭ уточняются по результатам имитационного моделирования в программной среде Matlab Sim+link. Основная идея заключается в оптимизации параметров, массогабаритных и стоимостных характеристик гибридной СНЭЭ за счет комбинации накопителей энергии различных типов и нивелирования недостатков каждого из них.

Подводя итог по результатам анализа существующих методик расчета параметров СНЭЭ, можно заключить, что в настоящий момент отсутствует универсальная методика расчета основных параметров СНЭЭ. Большая часть существующих методик сформирована для решения одной конкретной задачи, и при этом для каждого случая предлагается новая целевая функция. При этом можно отметить, что при определении параметров СНЭЭ важно ориентироваться не только на технические аспекты внедрения СНЭЭ, но и на экономический эффект от внедрения, не разделять данные аспекты внедрения СНЭЭ.

Таким образом, при формировании метода определения параметров СНЭЭ будем учитывать следующие аспекты:

- необходимо учесть многофункциональность СНЭЭ, решение нескольких задач, безусловно, скажется на окончательном экономическом эффекте;

- при расчете параметров учитыват как технические, так и экономические аспекты внедрения СНЭЭ.

3.1.1 Примеры расчета мощности СНЭЭ

Мощность СНЭЭ определяется, с одной стороны, мощностью подсистемы преобразования, а с другой - той мощностью, которую может выдать аккумуляторная батарея. В зависимости от имеющихся проблем, для решения которых необходима СНЭЭ, расчет номинальной мощности выполняется одним (или несколькими) из способов, приведенными далее.

1. Расчет мощности СНЭЭ при регулировании графика элеккртических нагрузок

Необходимость ограничения потребляемой нагрузкой мощности может быть вызвана такими техническими ограничениями, как:

- недостаточная мощность трансформаторов,

- недостаточная мощность генераторов,

- недостаточная пропускная способность линий электропередачи.

Помимо технических ограничений, в некоторых случаях имеются и

организационные, в основном связанные с ограничением максимальной мощности, условия на технологическое присоединение.

На рисунке 3.1 представлен пример графика нагрузки. Пусть требуется, чтобы мощность для питания нагрузки, получаемая из энергосистемы, не превышала предельного значения, обозначенного пунктирной линией. Красным на рисунке обозначена область, в которой нагрузка превышает предельную мощность. Обеспечить устранение этого небаланса и призвана СНЭЭ.

На рисунке 3.2 приведен тот же график нагрузки при условии установки СНЭЭ.

При превышении мощностью нагрузки предельной мощности система накопления энергии переходит в режим выдачи электроэнергии (разряда) и обеспечивает устранение небаланса. Расчетная мощность СНЭЭ (кВт) должна соответствовать следующему неравенству (3.1):

^СНЭЭ — ^тах наг ^пред (3.1)

где Pmax наг - максимальная мощность нагрузки, кВт,

Pпpeд - предельная мощность, получаемая из энергосистемы, кВт.

О 6 12 13 24

Время, час

Рисунок 3.1 - Пример суточного графика электрической нагрузки

(составлено автором)

Ршж

г Разряд

/

'■'•-ч^^Заряд у/

О 6 12 1Н 24

Время, час

Рисунок 3.2 - Иллюстрация работы СНЭЭ на примере суточного графика электрической нагрузки (составлено автором) Заряд СНЭЭ (потребление электроэнергии из энергосистемы) производится в те периоды, когда мощность нагрузки не превышает предельной мощности - на рисунке 3.2 такие области показаны зеленым цветом. При этом стоит отметить, что в данном случае суммарная площадь зон заряда больше площади зон разряда в п2

раз для обеспечения баланса энергии на заданном промежутке времени (п -эквивалентный КПД трансформатора, фильтра и инвертора СНЭЭ).

Для более точного определения расчетной мощности СНЭЭ необходимо учесть коэффициент запаса Ь^, установленный требованиями объекта (3.2):

^СНЭЭ — |Ршах наг Рпред| • ^зап» (3.2)

где Pcнээ - расчетная мощность СНЭЭ, кВА, kзап - коэффициент запаса, о.е.

Если требований по наличию запаса нет, то принимается = 1.

2. Расчет мощности СНЭЭ при замещении вращающегося резерва

В этом случае мощность СНЭЭ рассчитать довольно просто, для этого достаточно определить мощность замещаемого агрегата вращающегося резерва, которая равна произведению установленной мощности генерирующего агрегата на коэффициент загрузки (без учета дерейтинга) (3.3):

ЛсНЭЭ = ^агр • Каг> (3.3)

где Рагр - расчетная мощность заменяемого агрегата, кВт,

кзаг - коэффициент загрузки агрегата, о.е.

Коэффициент загрузки агрегата зависит от количества работающих агрегатов и определяется внутренними нормативными документами, например, СТО Газпром 2-6.2-208-2008, СТО Газпром 2-6.2-1028-2015.

3. Расчет мощности СНЭЭ при сглаживании резкопеременного графика нагрузки (компенсация набросов мощности)

Быстрые изменения мощности нагрузки (обусловленные, например, пуском двигателей, коммутациями нагрузки, резкопеременным характером нагрузки и др.) могут приводить к колебаниям частоты в энергосистеме и колебаниям напряжений в узлах. Кроме того, такой режим приводит к повышенному расходу топлива и моторесурса генераторных установок. Для сглаживания резкопеременного графика мощности может применяться СНЭЭ. Расчетная мощность СНЭЭ для покрытия небалансов определяется разностью APmax между максимальной мощностью нагрузки Pmax и ее желаемым значением Pжел, как показано на рисунках 3.3 и 3.4.

Рисунок 3.3 - Пример резкопеременного графика нагрузки (составлено автором)

Рисунок 3.4 - Колебания мощности нагрузки на минутном интервале

(составлено автором) Расчет производится в следующей последовательности: Из графика нагрузки на исследуемом интервале времени определяется ЛР(1:), кВт (3.4):

АРЮ=Р0ПТЮ-РнаМ, (3.4)

При этом максимальное отклонение определяется как предельное значение мгновенных отклонений, кВт (3.5):

АРтах = шах |ДР(0|, (3.5)

tl<t<t 2

где Ъ и - моменты времени, ограничивающие исследуемый интервал.

Расчетная мощность СНЭЭ [кВт] может быть найдена следующим образом

(3.6):

^СНЭЭ > |АРтах| • кзап, (3.6)

где кзап - коэффициент запаса.

Если требований по наличию запаса нет, то принимается кзап = 1.

Газопоршневые установки не способны набирать мощность с высокой скоростью. Например, оптимальная скорость набора и сброса мощности для ГПУ составляет порядка 1-5 % от номинальной мощности в секунду. Значительное превышение данного значения может повлечь за собой останов генераторного агрегата. В то же время ряд нагрузок (в частности буровые установки) из-за технологического процесса характеризуются резкой неравномерностью потребляемой мощности (рисунок 3.5).

Р МВт

Время: 03.11-2016 0:26:0 Вт Осн. Мах 1 ММ Вт Оси Ми 1.01 М

Бремя, чч:мм:сс

Рисунок 3.5 - Характерная осциллограмма изменения мощности, потребляемой буровой установкой в течение 150 секунд (составлено автором) С учетом данных о номинальной мощности генерирующего оборудования, оптимальной скорости набора мощности генераторных агрегатов и скорости роста нагрузки определяется расчетное значение Рснээ^), кВт, необходимое для устранения несоответствия между скоростью роста мощности нагрузки и оптимальной скоростью набора мощности генераторными агрегатами (рисунок 3.6) (3.7):

ЛСНЭЭ(0 = ¿Нагр(0 — ¿ген.опт^Х (3-7)

где Рнагр(0 -значение мощности нагрузки в данный момент времени, кВт,

Ргет.опт(0 -значение оптимальной мощности генераторных агрегатов в данный момент времени, кВт.

Время, с

] Мощность накопителя, МВт Мощность нагрузки, МВт -Мощность генератора,МВт

Рисунок 3.6 - Графики изменения мощностей нагрузки, генерации и СНЭЭ

(составлено автором)

Расчетная мощность СНЭЭ, кВт, определяется как предельное значение мощностей Рснээ(1:), определенных по формуле (3.8):

^снээ ^ тах |РСНЭЭ(01 • ^зап, (3-8)

3.1.2 Примеры расчета энергоемкости СНЭЭ

При расчете энергоемкости СНЭЭ необходимо учесть два следующих условия:

- обеспечение необходимой мощности,

- обеспечение необходимой энергоемкости.

Определение энергоемкости производится в последовательности, приведенной ниже. При этом необходимо учитывать направление мощности: какой режим, разряд или заряд СНЭЭ является определяющим.

Если в режиме заряда и в режиме разряда СНЭЭ обменивается с энергосистемой одной и той же величиной мощности или мощность в режиме

разряда превышает мощность в режиме заряда, то определяющим является режим разряда (в этом случае ПН должна быть рассчитана на большую мощность).

Если мощность в режиме разряда ниже мощности в режиме заряда, то необходимо провести расчеты для обоих режимов.

1. Определяется мощность на АС-стороне инвертора с учетом КПД трансформатора и фильтра.

При отдаче мощности: (3.9)

■Я™ = ^ (3.9)

'/тр.ф

При потреблении мощности (3.10):

$ин = ^СНЭЭ • ^тр.ф, (310)

где Пр.ф - КПД трансформатора и фильтра, обычно находящееся в диапазоне 0,95 -0,97. В случае отсутствия точных данных КПД принимается равным 0,95.

2. Рассчитывается максимальная мощность, отдаваемая/потребляемая АБ (подсистемой накопления).

При отдаче (режим разряда) (3.11):

Раб=^ (3.11)

Vun

При потреблении (режим заряда) (3.12):

Раб = Sw • Лин, (3.12)

где Пмн - КПД полупроводникового преобразователя. В случае отсутствия точных данных принимается равным 0,95 при работе инвертора с номинальной мощностью.

3. Определяется минимальная энергоемкость подсистемы накопления для обеспечения требуемой мощности (3.13):

EESmin = (3.13)

Crate

где Crate - допустимая скорость заряда/разряда аккумулятора относительно его номинальной энергоемкости, о.е./час. Предоставляется производителем АБ и зависит от продолжительности выдачи/потребления мощности.

Окончательное определение номинальной энергоемкости СНЭЭ производится на этапе формирования компоновки СНЭЭ.

Задачу выбора минимально допустимой энергоемкости накопителя энергии можно разделить на следующие подзадачи, решаемые последовательно:

1. Определение обменной энергии.

2. Непосредственное определение минимальной энергоемкости подсистемы накопления.

Обменная энергия - это количество энергии, которым СНЭЭ обменивается с энергосистемой в процессе управления мощностью при выполнении заявленных функций.

1. Расчет обменной энергии СНЭЭ при регулировании графика электрических нагрузок

Рассмотрим расчёт обменной энергии на примере графика, изображённого на рисунке 3.7.

г6

Рисунок 3.7 - Пример графика нагрузки для определения расчетной

энергоемкости [296] Энергия, которую выдаёт подсистема накопления, численно равна площади красной зоны, поделенной на КПД СНЭЭ (3.14):

л

(3.14)

'СГвыд

где Pтeк(t) - текущая мощность, кВт, Pжeл(t) - желаемая мощность, кВт,

£ 1 ^СГвыд = /¿4 (^тек(0 — -^жел(О)^ • ^

П - КПД СНЭЭ (эквивалентный КПД трансформатора, фильтра и инвертора),

о.е.

Энергия, которую накапливает подсистема накопления, равна площади зеленой зоны, умноженной на КПД СНЭЭ (3.15):

Естнак = ¡{"(Ржел(0 - Ртек(О)^ • Г] + £5(Ржел(0 - РтеМ)^ • Г] (3.15)

В данном случае (на рассматриваемом суточном интервале времени) ПН выдаёт столько же энергии, сколько накапливает (Ествыд = ЕстнаК).

Однако возможны различные варианты конфигурации графика нагрузки и, соответственно, графика выдачи/потребления мощности СНЭЭ, когда режимы заряда/разряда в рассматриваемого интервала времени неоднократно чередуются, один режим непродолжительно сменяется другим и т.д. В таких случаях нужно индивидуально подходить к анализу графика и расчету энергоемкости, основываясь на подходе, приведенном выше.

В общем случае можно сформулировать два правила расчета энергоемкости:

1) пусть для достижения желаемой зависимости Р(1:) требуется выдать некоторую Ежел (определяется интегрированием) из СНЭЭ. Тогда для этого подсистема накопления должна быть способна выдать величину Ежел/п (большую величину).

2) пусть для достижения желаемой зависимости Р^) требуется потребить некоторую Ежел в СНЭЭ. Тогда для этого подсистема накопления должна быть способна потребить величину ЕжелП (меньшую величину).

2. Расчет обменной энергии СНЭЭ при замещении вращающегося резерва

Для расчета обменной энергии СНЭЭ, которая требуется для запуска в работу резервного агрегата, с учётом того, что время до запуска составляет 15 минут (максимальное возможное время) воспользуемся следующим выражением (3.16):

15

(3.16)

о

где Рагр - расчетная мощность заменяемого агрегата, кВт,

k - коэффициент запаса, о.е., учитывающий старение СНЭЭ, П - КПД СНЭЭ, о.е. Анализируя представленные выше выражения, можно заключить, что для определения минимальной энергоемкости подсистемы накопления необходимы следующие данные:

1. Требуемая обменная энергоемкость подсистемы накопления с учетом потерь на элементах (Еобм).

2. Требуемый срок службы (лет) аккумулятора или требуемый ресурс по количество циклов (в сутки/год/жизненный цикл СНЭЭ и т.п.)

3. Параметры срока службы применяемых АКБ (зависимость количества доступных циклов от глубины разряда, результаты ресурсных испытаний).

На основе данных, необходимых для определения минимальной энергоемкости, рассчитывается требуемый ресурс по количеству циклов заряда/разряда СНЭЭ на жизненном цикле проекта использования СНЭЭ.

Далее на основе параметров срока службы АКБ построить зависимость срока

службы в циклах от глубины разряда АКБ (рисунок 3.8).

10000 9000 8000 7000

3

4

| 6000 ъ

Ч 5000 ■

с;

£ 4000 о

О. U

3000 2000 1000 О

55 60 65 70 75 80 85 90 95 100 105

Глубина разряда/%

—* Данные производителя ........ Экспоненциальная аппроксимация