Накопление энергии. 
Электроэнергетические системы и сети

Анализ тенденций в потреблении электрической энергии показывает, что его неравномерность будет увеличиваться по мерс роста благосостояния населения и связанного с ним увеличения коммунальнобытовых нагрузок, по мере повышения энерговооруженности труда, уменьшения количества ночных смен, сокращения рабочих дней в неделе (внедрение безлюдных технологий, заводов-автоматов нивелирует влияние двух последних факторов, но лишь частично). В большинстве стран ЕС неравномерность такова, что в течение часа изменение нагрузки достигает 30% максимальной. Кардинально изменить характер потребления электроэнергии очень трудно, так как он зависит от установившегося ритма жизни людей и ряда не зависящих от людей объективных обстоятельств.

Энергетики принимают доступные организационные меры по выравниванию графика суммарной нагрузки потребителей. Так, вводится дифференцированная стоимость электроэнергии в зависимости от периода времени её потребления, что повышает заинтересованность потребителей в таких перестройках своей работы и быта, которые способствовали бы уменьшению электрической нагрузки в моменты её максимумов. Но в целом возможности выравнивания потребления электроэнергии невелики. Следовательно, электрические станции и сети должны быть достаточно маневренными, способными быстро изменять вырабатываемую и передаваемую мощность. Как известно, основные источники электрической энергии — тепловые и атомные электростанции — не приспособлены к быстрому изменению режимов работы. Применение накопителей энергии (НЭ) позволяет уменьшить капиталовложения в генерирующие мощности примерно на 30%, сэкономить топливо и снизить эксплуатационные затраты на базовых мощностях, уменьшить потери от межсистемных перетоков избыточных мощностей в периоды минимумов нагрузки.

Суммарный экономический эффект от применения накопителей энергии складывается из нескольких составляющих [47]:

• • разницы в тарифах при покупке электроэнергии в часы минимума нагрузок и ее продаже в часы максимумов;
• • экономии топлива на электростанциях за счет отказа от их разгрузки в часы минимума нагрузок и отказа от загрузки дополнительных мощностей в периоды максимума нагрузок;
• • отказа от покупки на оптовом рынке дорогостоящей электроэнергии станций, находящихся в резерве;
• • наличия быстровводимого резерва мощности и электроэнергии при возникновении аварийных отключений генераторов электрических станций и элементов электрической сети без необходимости поддержания дорогостоящего резерва мощности на электрических станциях и сетевого резерва. При этом достигается дополнительный экономический эффект за счет:
• ?S оказания системных услуг по регулированию частоты и поддержанию уровней напряжения;
• ?S создания локальных интеллектуальных электроэнергетических систем;

^ покупки электроэнергии в течение суток по интегральному тарифу и ее продажи в часы максимума нагрузок по максимальному тарифу;

S стабилизации графиков мощности электроэнергии, генерируемой электростанциями па нестабильных НВИЭ;

S переноса сроков или отказа от капиталовложений в реконструкцию элементов электрической сети.

В этой связи поиск и разработка способов аккумулирования больших объемов электрической энергии или энергоносителей, легко преобразующихся в неё, для выравнивания суточного графика нагрузки становится всё более актуальной задачей учёных и инженеров. Накопитель энергии (НЭ) является одним из технических средств реализации концепции Smart Grid и решения других важнейших задач управления режимами ЭЭС в рамках технологии FACS:

• • обеспечение статической и динамической устойчивости и, соответственно, повышение надёжности работы ЭЭС;
• • поддержание частоты и уровня напряжения, повышение качества электроэнергии;
• • повышение пропускной способности межсистемных связей. Успешное решение этих задач позволяет существенно улучшить

технико-экономические характеристики ЭЭС [48−50].

Можно выделить 4 параметра НЭ, определяющие его пригодность для решения перечисленных выше задач: а) максимальная мощность, б) полная энергоёмкость, в) длительность работы, г) длительность реверса мощности. В зависимости от конкретных задач, решаемых с помощью НЭ, на первое место выступает тот или иной параметр из числа названных (в [49] сопоставительный анализ НЭ выполнен по 12 параметрам).

Накопитель энергии содержит два основных элемента/блока: аккумулирующий элемент (АЭ), запасающий и хранящий энергию, и устройство управления потоком энергии (УУ), регулирующее и преобразующее энергию одной формы в другую в соответствии с требуемым законом изменения мощности.

На сегодня известны и освоены в той или иной мере десятки способов и устройств аккумулирования различных видов энергии. Далее будут кратко рассмотрены только те из них, которые отвечают названным выше требованиям ЭЭС и применяются (или в близкой перспективе пригодны для применения) в электроэнергетике. В основу классификации положены вид энергии, запасаемой в накопителе, и способы её накопления и передачи потребителю.

Как элемент ЭЭС, накопитель энергии должен работать и в нормальных, и в аварийных режимах. Собственных режимов работы НЭ три: накопление энергии (заряд), хранение, выдача (разряд).

В режиме накопления энергии НЭ работает, когда генерирующие станции вырабатывают энергии больше, чем требуется потребителю (в период «провала» нагрузки). При последовательном подключении накопителя электрической энергии к сети (линейный накопитель электрической энергии — ЛНЭЭ) характерен также режим «транспорт + накопление» — через ЛНЭЭ передаётся электроэнергия потребителю и одновременно происходит её накопление. Преобладающее большинство НЭ подключаются к ЭЭС по шунтовой схеме, рис. 12.1, а.

Рис. 12.1. Схемы подключения НЭ к ЭЭС: а) шунтован; б) линейная

Режим хранения энергии реализуется при равенстве производимой и потребляемой энергии. В этом случае ЛНЭЭ работает в режиме «транспорт», т. е. как линия, рис. 12.1, б.

При дефиците энергии в ЭЭС НЭ работает в режиме выдача/разряд, т. е. выдаёт энергию потребителю. ЛНЭЭ при этом не только передаёт потребителям энергию, генерируемую станциями, но и отдаёт запасённую энергию. Реализуется режим «транспорт + выдача».

При аварийных режимах ЭЭС (сбросах и набросах нагрузки, качаниях, отключениях генерирующего оборудования и др.) НЭ должен с достаточной скоростью выдавать или потреблять требуемое количество энергии для демпфирования колебаний, а для этого он должен обладать достаточной маневренностью и энергоёмкостью.

В качестве УУ в настоящее время используются быстродействующие устройства силовой электроники — преобразователи тока или напряжения.