Проект: "Разработка инновационных решений по снижению расхода на собственные нужды подстанций с использованием возобновляемых источников энергии"

Содержание:

1. Введение
2. Варианты интеграция ВИЭ в систему СН ПС
3. Конструктивное исполнение опытного образца
4. Состав опытного образца
5. Сводные результаты мониторинга
6. Заключение

Введение

Одним из направлений сокращения расхода электроэнергии на собственные нужды (СН ПС) является замещение части потребляемой электроэнергии возобновляемыми источниками.

Для повышения надёжности электроснабжения одновременно с традиционными автономными источниками электроэнергии предлагается использовать несколько видов возобновляемых источников энергии (ВИЭ). В частности, комбинирование ветряной и солнечной генерации особенно эффективно в контексте круглогодичного потребления.

ВИЭ характеризуются высокой неравномерностью выработки мощности в зависимости от времени суток и погодных условий. График выработки мощности ветряных электростанций (ВЭС) и солнечных электростанций (СЭС) обычно не совпадает с графиком нагрузки потребителей, вследствие чего технически обоснованным является применение систем накопления электрической энергии (СНЭЭ).

Такой вариант решения разработан для ПС 500 кВ Астрахань в рамках НИОКР «Разработка и апробация инновационных технологий по снижению расхода на собственные нужды подстанций в рамках реализации Дорожной карты Национального проекта «Энергоэффективная подстанция».

Варианты интеграции ВИЭ в систему СН ПС

Рисунок 1 – Схема интеграции ВИЭ в систему СН ПС

 

Интеграция ВИЭ в имеющуюся систему СН переменного тока возможна в виде замены питания одной из секций щита СН от трансформаторов собственных нужд (ТСН) на питание от системы генерации, функционирующей на базе ВИЭ (при сходной мощности системы ВИЭ и ТСН, питание от ТСН в этом случае полностью заменяется генерацией, функционирующей на базе ВИЭ). При этом необходимо, чтобы система генерации, функционирующая на базе ВИЭ, интегрируемая в систему СН переменного тока, полностью резервировалась иным источником мощности (внешняя электрическая сеть, генерация на традиционном топливе, накопитель энергии).Интеграция ВИЭ в имеющуюся систему СН переменного тока также возможна в виде дополнения питания одной из секций щита СН от системы генерации, функционирующей на базе ВИЭ (при этом секций щита СН запитана одновременно от ТСН и от генерации, функционирующей на базе ВИЭ).

При малой мощности системы генерации, функционирующей на базе ВИЭ интеграция возможна на уровне отдельных нагрузок системы СН, например, в щитке освещения территории ПС (или отдельных отрытых распределительных устройств (ОРУ) разного напряжения) организуется возможность питания от генерации, функционирующей на базе ВИЭ.

Интеграция ВИЭ в систему СН ПС будет производиться с использованием отдельных элементов с известными принципами действия (ветроэнергетическая установка (ВЭУ), фотоэлектрический модуль (ФЭМ), СНЭЭ) соединённых между собой и управляемых системой автоматического управления (САУ). Схема интеграции ВИЭ в систему СН ПС изображена на Рисунке 1 (Схема интеграции ВИЭ в систему СН ПС).

Конструктивное исполнение опытного образца

Конструктивное исполнение опытного образца ГЭУ ВИЭ с системой накопления энергии, разработанного для апробации на ПС 500 кВ «Астрахань»

Структурная схема опытного образца ВИЭ – гибридной электроустановки ВИЭ (ГЭУ ВИЭ) представлена на рисунке 2.

Рисунок 2 -  Структурная схема ГЭУ ВИЭ

 

ГЭУ ВИЭ является комплексной системой, сочетающей работу различных источников энергии на базе ВИЭ и систему накопления электроэнергии для перераспределения объема выработки электроэнергии от источников комплекса с целью максимальной выработки. Все источники работают параллельно друг другу в синхронизированном с внешней сетью режиме, передавая на момент работы ГЭУ ВИЭ электроэнергию в сеть. Система состоит из следующих типов установок:

- ФЭС (стационарная ОК).

Фотоэлектрическая система с установкой фотоэлектрических модулей на опорной конструкции (ФЭМ на ОК), ориентированной на юг с жестко фиксированным углом наклона к горизонту. Энергия солнечного излучения преобразовывается в ФЭМ в электрическую энергию постоянного тока. ФЭМ объединяются в последовательные цепочки, которые подключаются параллельно на сетевой инвертор. В инверторном оборудовании постоянный ток преобразуется в переменный, далее подается в электросеть общего пользования синхронно и синфазно напряжению сети.

- ФЭС с ОКСС (ОС)

Фотоэлектрическая система с установкой ФЭМ на одноосевую опорную конструкцию с системой слежения за солнцем. Ось вращения конструкции ориентирована с юга на север и позволяет изменять ориентацию ФЭМ в течение суток с востока на запад (по ходу солнца). В случае пасмурной погоды, система устанавливает оптимальный угол с целью получения большего потока солнечного излучения. Режим слежения за солнцем автоматический, при необходимости систему возможно перевести в ручное управление с установкой определенного угла наклона. Энергия солнечного излучения преобразовывается в ФЭМ в электрическую энергию постоянного тока. ФЭМ объединяются в последовательные цепочки, которые подключаются параллельно на сетевой инвертор. В инверторном оборудовании постоянный ток преобразуется в переменный, далее подается в электросеть общего пользования синхронно и синфазно напряжению сети.

- ФЭС с ОКСС (ДС)

Фотоэлектрическая система с установкой ФЭМ на двухосевую опорную конструкцию с системой слежения за солнцем. Конструкция имеет две оси вращения, что позволяет изменять ориентацию ФЭМ относительна угла наклона к горизонту, а также угол азимута ориентации в течение суток с востока на запад (по ходу солнца). В случае пасмурной погоды, система устанавливает оптимальный угол с целью получения большего потока солнечного излучения. Режим слежения за солнцем автоматический, при необходимости систему возможно перевести в ручное управление с установкой определенного угла наклона и ориентации по азимуту. Энергия солнечного излучения преобразовывается в ФЭМ в электрическую энергию постоянного тока. ФЭМ объединяются в последовательные цепочки, которые подключаются параллельно на сетевой инвертор. В инверторном оборудовании постоянный ток преобразуется в переменный, далее подается в электросеть общего пользования синхронно и синфазно напряжению сети.

- СНЭ

Система служит для запаса части электроэнергии от других источников ГЭУ ВИЭ (режим заряда) с последующей выдачей данной энергии (режим разряда) в интервалы времени, когда мощность ГЭУ ВИЭ минимальна. Таким образом система позволяет перераспределить часть объема выработки ГЭУ ВИЭ во времени, а также  в случае ограничения выходной мощности ГЭУ ВИЭ в точке подключения. СНЭ состоит из трёх единиц двунаправленного преобразовательного оборудования (ДПО, для образования трехфазной системы), осуществляющие функции заряда и разряда, ЩПТ для коммутации и защиты оборудования и блока системы хранения энергии (СХЭ), состоящего из 4 шт. литий-ионных аккумуляторных батарей (ЛИАБ) с системой контроля.

СНЭ в ГЭУ ВИЭ работает в следующих случаях (режимах):

1. Мощность источников ВИЭ превышает значение мощности собственных нужд подстанции в точке подключения, возникает переток мощности. Данное событие является сигналом для системы управления включить СНЭ в режим заряда АКБ на величину избытка мощности (но ограничиваясь номинальной мощностью ДПО). Если СНЭ на данный момент находится в полностью заряженном состоянии, то система управления отдает сигнал на оборудование ИС для ограничения мощности.
2. Мощность источников ВИЭ упала ниже заданной уставки по мощности на выходе с ГЭУ ВИЭ. Данное событие является сигналом для системы управления включить СНЭ в режим разряда АКБ на величину дефицита мощности (но ограничиваясь номинальной мощностью ДПО) и с учетом уровня заряда СНЭ. Система управления отслеживает уровень заряда СНЭ и обеспечивает оптимальную эксплуатацию АКБ.

- ВЭУ

Ветроэнергоустановка служит для преобразования энергии ветра в механическую энергию вращения ротора ветрогенератора для дальнейшего преобразования энергии в электрическую в генераторе на постоянных магнитах. В инверторном оборудовании постоянный ток преобразуется в переменный, далее подается в электросеть общего пользования синхронно и синфазно напряжению сети.

Состав опытного образца

Таблица 1. Состав опытного образца

 

Основным генерирующим оборудованием ГЭУ ВИЭ являются фотоэлектрические модули и ВЭУ, которые производят постоянный ток, преобразуемый сетевыми инверторами в переменный для приоритетного питания потребителей. СНЭ служит для накапливания части энергии, производимой ФЭМ и ВЭУ для питания потребителей в ночные часы, когда выработка на СЭС отсутствует.

Рисунок 1 - Схема однолинейная ГЭУ ВИЭ

 

Фотографии смонтированной установки

 

Сводные результаты мониторинга

Сводные результаты мониторинга произведенной электроэнергии опытным образцом ВИЭ представлены на рисунках 4-5. Здесь же представлен суммарный отчетный расход на собственные нужды ПС по данным Метроскоп.

В целом в зависимости от периода опытный образец компенсирует от 20% до 5% расхода расходом электроэнергии СН ПС ПС 500 кВ Астрахань. В отдельные солнечные часы в июле при низком потреблении электроэнергии токоприёмниками СН ПС Астрахань опытный образец полностью покрывал необходимую мощность нагрузки.

В соответствии с техническим решением наибольшей мощностью обладает составной элемент ВИЭ – ФЭМ на стационарной опорной конструкции и за весь период ОПЭ данный элемент произвел наибольшее количество электроэнергии – 47% от суммарной выработки (рисунок 6).

На рисунке 7 представлена оценка удельной выработки электроэнергии элементами ФЭМ на 1 фотоэлектрический модуль. Из рисунка видно, что не смотря на наличие функции слежения за солнцем у трекеров составных элементов ФЭМ_оо и ФЭМ_до наибольшее удельное значение по производству электроэнергии в каждом периоде достигается ФЭМ_ст, с креплением на стационарной конструкции. 

Рисунок 4 – Динамика произведенной электроэнергии ОО ВИЭ по составным элементам

 

Рисунок 5 – Динамика произведенной электроэнергии ОО ВИЭ в сравнении с отчетным расходом электроэнергии СН ПС ПС 500 кВ Астрахань

 

Рисунок 6 – Структура произведенной электроэнергии ОО ВИЭ

 

Рисунок 7 – Оценка удельной выработки электроэнергии элементами ФЭМ на один фотоэлектрический модуль, тыс. кВт.ч на модуль

 

Заключение

1. Опытный образец ВИЭ предназначен для электроснабжения собственных нужд ПС 500 кВ «Астрахань» напряжением переменного тока с применением фотоэлектрических модулей, инверторного оборудования, ветроэнергетической установки и системы накопления электроэнергии на базе литий-ионных аккумуляторных батарей. Её применение позволит снизить расход электроэнергии на собственные нужды подстанции.
2. Преимуществами такой реализации являются: существенное снижение зависимости от погодных условий за счет разных используемых ресурсов и за счет применения функции накопления энергии; возможен автономный режим работы; возможность выступать в качестве гарантированного источника электроснабжения в ограниченном временном диапазоне (до суток); возможность выступать в качестве источника бесперебойного питания и подключения к электрической сети на постоянном напряжении.
3. Не смотря на малую мощность опытного образца в летние периоды, когда инсоляция высокая, а потребление электроэнергии на СН ПС снижается, процент покрытия сгенерированной электроэнергии опытным образцом существенен и достигает за рассматриваемый период в пять месяцев 8,87% от собственных нужд. В первые два периода процент покрытия составил 10,2% и 17,8% соответственно.
4. В отдельные часы ОО ВИЭ полностью «покрывает» необходимую нагрузку СН ПС.
5. Не смотря на наличие функции слежения за солнцем у трекеров составных элементов ФЭМ_оо и ФЭМ_до наибольшее удельное значение по производству электроэнергии в каждом периоде достигается ФЭМ_ст, с креплением на стационарной конструкции.
6. Опытно-промышленная эксплуатация проводилась в соответствии с «Программой опытно-промышленной эксплуатации опытного образца ВИЭ оборудования ПС».
7. Состав программно-технических средств опытного образца, проходивших опытно-промышленную эксплуатацию, соответствует согласованной технической документации.
8. Видимых неисправностей, коррозии частей системы и изменения внешнего вида установок за время опытно-промышленной эксплуатации не произошло.
9. Программно-технические средства в течение срока опытно-промышленной эксплуатации работали штатно, перезагрузок и зависаний программного обеспечения не зафиксировано.

За время опытно-промышленная эксплуатации опытный образец подтвердил свою работоспособность и правильность исполнения заложенных алгоритмов.

 

© ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ

Полухин Сергей Вячеславович – Россия, 414056, Астрахань; Астраханский государственный технический университет; магистрант кафедры электрооборудования и автоматики судов; pols_v@mail.ru.

Калинкина М.А. – Россия, Москва; АО НТЦ ФСК ЕЭС Центр энергоэффективных технологий и снижения потерь; канд. техн. наук. Начальник отдела энергоэффективных технологий в ЭСХ; Kalinkina_MA@ntc-power.ru.