Опытно-промышленное внедрение ВИЭ
М.А. Калинкина, С.В. Полухин
Астраханский государственный технический университет, Астрахань, Российская Федерация
Для цитирования: Полухин С.В., Калинкина М.А. Опытно промышленное внедрение ВИЭ // Волгоградэнергосетьпроект http://vesp.ru/publish/vie/
Проект: "Разработка инновационных решений по снижению расхода на собственные нужды подстанций с использованием возобновляемых источников энергии"
Содержание:
- Введение
- Варианты интеграция ВИЭ в систему СН ПС
- Конструктивное исполнение опытного образца
- Состав опытного образца
- Сводные результаты мониторинга
- 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.
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):
- 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.
- 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.
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
№ п.п. |
Наименование |
Количество |
1. |
ФЭС (стационарная ОК) в составе: |
1 комплект |
1.1. |
Фотоэлектрические модули двусторонние гетероструктурные пиковой мощностью 380 Вт |
60 шт. |
1.2. |
Опорные конструкции для размещения на земле для крепления шт. ФЭМ |
1 шт. |
1.3. |
Инверторное оборудование сетевое номинальной мощностью 20 кВт |
1 |
2. |
ФЭС с ОКСС (ОС) в составе: |
1 комплект |
2.1. |
Фотоэлектрические модули двусторонние гетероструктурные пиковой мощностью 380Вт |
40 шт. |
2.2. |
Опорная конструкция для крепления ФЭМ с функцией слежения за солнцем (одноосевая) с набором датчиков |
1 шт. |
2.3. |
Инверторное оборудование сетевое номинальной мощностью 12.5 кВт |
1 шт. |
3. |
ФЭС с ОКСС (ДС) в составе: |
1 комплект |
3.1. |
Фотоэлектрические модули двусторонние гетероструктурные пиковой мощностью 380 Вт |
35 шт. |
3.2. |
Опорная конструкция для крепления ФЭМ с функцией слежения за солнцем (двухосевая) с набором датчиков |
1 шт. |
3.3. |
Инверторное оборудование сетевое номинальной мощностью 12.5 кВт |
1 шт. |
4. |
СНЭ в составе: |
1 комплект |
4.1. |
Двунаправленное преобразовательное оборудование номинальной мощностью 5кВт |
3 шт. |
4.2. |
Литий-железофосфатные АКБ 12,8V/200Ah, в комплекте с системой контроля и управления, комплектом болтов, межэлементых перемычек |
4 шт. |
4.3. |
Стойка сборная для АКБ |
1 шт. |
4.4. |
Щит постоянного тока с защитно-коммутационным оборудованием |
1 шт. |
5. |
ВЭУ в составе: |
1 шт. |
5.1. |
Ветрогенератор номинальной мощностью 5 кВт |
1 шт.
|
5.2. |
Башня |
1 шт.
|
5.3. |
Инверторное оборудование сетевое номинальной мощностью 5 кВт |
1 шт.
|
6. |
Система мониторинга и метеостанция, в составе |
1 комплект |
6.1. |
Панель визуализации и контроля параметров |
1 шт. |
6.2. |
Контроллер сбора данных метеодатчиков |
1 шт. |
6.3. |
Анемометр |
1 шт. |
6.4. |
Датчик температуры окружающего воздуха |
1 шт. |
6.5. |
Датчик температуры ФЭМ |
1 шт. |
6.6. |
Датчик потока солнечного излучения |
1 шт. |
7. |
СМиУ ВИЭ |
1 комплект |
7.1. |
АРМ СМИУ (ПО MASTER SCADA, ПО CMT viewer) |
1 шт. |
7.2. |
контроллер Modicon M241 |
1 шт. |
7.3. |
Операторская панель Weintek MT8150XE 15 |
1 шт. |
7.4. |
Сервер HMI Weintek cMT-SVR-102 |
1 шт. |
7.5. |
Коммуникационный модуль ТМ4- 4 |
1 шт. |
7.6. |
Конвертер протокола Modbus МКОН-24 |
1 шт. |
7.7. |
Устройство сбора данных ЭНКМ-3 |
1 шт. |
7.8. |
Устройство синхронизации времени ЭНКС-2 |
1 шт. |
7.9. |
Управляемый коммутатор DIS-100E-8W |
1 шт. |
7.10. |
блок питания NDR-240-24 |
1 шт. |
7.11. |
контроллер заряда батарей DR-UPS40 |
1 шт. |
7.12. |
аккумуляторных батареи DTM 12045 |
2 шт. |
7.13. |
выключатель нагрузки двухполюсный ВА47-60 2Р 10А 6кА |
1 шт. |
7.14. |
выключатель автоматический однополюсный ВА47-29 1Р 6А 4,5кА |
1 шт. |
7.15. |
релейные модули PLC-RPT-24DC/21-21 |
24 шт. |
8. |
Система мониторинга собственных нужд |
1 комплект |
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
- 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.
- 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.
- 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.
- В отдельные часы ОО ВИЭ полностью «покрывает» необходимую нагрузку СН ПС.
- 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.
- Опытно-промышленная эксплуатация проводилась в соответствии с «Программой опытно-промышленной эксплуатации опытного образца ВИЭ оборудования ПС».
- Состав программно-технических средств опытного образца, проходивших опытно-промышленную эксплуатацию, соответствует согласованной технической документации.
- Видимых неисправностей, коррозии частей системы и изменения внешнего вида установок за время опытно-промышленной эксплуатации не произошло.
- 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.