Динамическое управление режимами Smart Grid с использованием накопителей энергии
|
Введение
1 ПОТЕНЦИАЛ ПРИМЕНЕНИЯ СИСТЕМ НАКОПЛЕНИЯ ЭНЕРГИИ 11
1.1 Концепция Smart Grid (ИЭС ААС) 11
1.2 Назначение систем накопления энергии 13
1.3 Сценарии применения систем накопления энергии с наибольшим
потенциалом 16
2 СТРУКТУРА СИСТЕМЫ НАКОПЛЕНИЯ ЭНЕРГИИ 26
2.1 Состав системы накопления энергии 26
2.1 Подсистемы системы накопления энергии 30
3 ВЫБОР ПАРАМЕТРОВ СИСТЕМЫ НАКОПЛЕНИЯ ЭНЕРГИИ 44
3.1 Выбор мощности системы накопления энергии 44
3.2 Выбор энергоёмкости системы накопления энергии 46
4 МОДЕЛЬ СИСТЕМЫ НАКОПЛЕНИЯ ЭНЕРГИИ 54
4.1 Общие сведения 54
4.2 Структура модели 55
4.2 Изменение детализации модели 62
5 РЕЗУЛЬТАТЫ РАСЧЁТОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МОДЕЛИ СНЭ 72
5.1 Применение СНЭ для обеспечения сохранения устойчивости
параллельной работы синхронных генераторов 72
5.2 Применение СНЭ для ограничения скорости изменения мощности
нагрузки 84
5.3 Верификация модели на основании сравнения с результатами натурных
испытаний 96
6 РАСЧЁТ НОРМИРОВАННОЙ СТОИМОСТИ НАКОПЛЕНИЯ
ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ (LCOS) 106
6.1 Общая информация о показателе LCOS 106
6.2 Расчёт LCOS 107
6.3 Анализ чувствительности 112
6.4 Заключение по расчёту LCOS 113
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 115
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ 116
СЛОВАРЬ ТЕРМИНОВ 118
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ 120
ПРИЛОЖЕНИЕ. АКТ ВНЕДРЕНИЯ 123
1 ПОТЕНЦИАЛ ПРИМЕНЕНИЯ СИСТЕМ НАКОПЛЕНИЯ ЭНЕРГИИ 11
1.1 Концепция Smart Grid (ИЭС ААС) 11
1.2 Назначение систем накопления энергии 13
1.3 Сценарии применения систем накопления энергии с наибольшим
потенциалом 16
2 СТРУКТУРА СИСТЕМЫ НАКОПЛЕНИЯ ЭНЕРГИИ 26
2.1 Состав системы накопления энергии 26
2.1 Подсистемы системы накопления энергии 30
3 ВЫБОР ПАРАМЕТРОВ СИСТЕМЫ НАКОПЛЕНИЯ ЭНЕРГИИ 44
3.1 Выбор мощности системы накопления энергии 44
3.2 Выбор энергоёмкости системы накопления энергии 46
4 МОДЕЛЬ СИСТЕМЫ НАКОПЛЕНИЯ ЭНЕРГИИ 54
4.1 Общие сведения 54
4.2 Структура модели 55
4.2 Изменение детализации модели 62
5 РЕЗУЛЬТАТЫ РАСЧЁТОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МОДЕЛИ СНЭ 72
5.1 Применение СНЭ для обеспечения сохранения устойчивости
параллельной работы синхронных генераторов 72
5.2 Применение СНЭ для ограничения скорости изменения мощности
нагрузки 84
5.3 Верификация модели на основании сравнения с результатами натурных
испытаний 96
6 РАСЧЁТ НОРМИРОВАННОЙ СТОИМОСТИ НАКОПЛЕНИЯ
ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ (LCOS) 106
6.1 Общая информация о показателе LCOS 106
6.2 Расчёт LCOS 107
6.3 Анализ чувствительности 112
6.4 Заключение по расчёту LCOS 113
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 115
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ 116
СЛОВАРЬ ТЕРМИНОВ 118
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ 120
ПРИЛОЖЕНИЕ. АКТ ВНЕДРЕНИЯ 123
В настоящее время системы накопления энергии (СНЭ) широко применяются для решения различных задач по всему миру. В соответствии с исследованием компании Bloomberg New Energy Finance [1], к 2030 году суммарная установленная мощность накопителей электроэнергии в мире составит 125 ГВт. В последнее десятилетие интенсивное развитие технологий преобразования энергии и снижение стоимости аккумуляторных батарей привели к созданию СНЭ с такими характеристиками (мощность энергоёмкость, КПД и быстродействие), которые уже сейчас позволяют реализовывать проекты, эффективные с технической точки зрения и целесообразные - с экономической, в Единой энергетической системе России и, особенно, в автономных энергосистемах. В 2017 году Министерством энергетики РФ утверждена Концепция развития рынка систем хранения электроэнергии в Российской Федерации. Кроме того, конкретные задачи по внедрению систем накопления энергии в энергетический комплекс страны обозначены в дорожной карте «Энерджинет», являющейся частью долгосрочной комплексной программы Национальной технологической инициативы.
Для расчётов режимов и переходных процессов в энергосистемах со СНЭ необходимы соответствующие математические модели. На сегодняшний день в отечественной электроэнергетике имеет место практика разработки высокодетализированных математических моделей СНЭ в таких программных комплексах, как MATLAB и PSIM. Однако избыточно детальное моделирование устройств силовой электроники и элементов накопления энергии (аккумуляторных батарей, суперконденсаторов) делает модели СНЭ требовательными к вычислительным ресурсам и малопригодными для расчёта в составе энергосистем с большим количеством узлов, а также для расчёта
длительных электромеханических переходных процессов. Кроме того, для
использования детализированной модели СНЭ необходима информация о множестве параметров компонентов СНЭ, что усложняет процесс подготовки модели к расчёту специалистами проектных организаций и является одним из сдерживающих факторов применения подобных моделей. Рациональным подходом к разработке моделей СНЭ для практического применения является создание моделей с определённой степенью упрощения, достаточных для проведения расчётов установившихся режимов и электромеханических переходных процессов.
Цель работы: разработать и апробировать математическую модель системы накопления энергии (СНЭ), подходящую для анализа электромеханических переходных процессов в энергосистемах со СНЭ.
Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи:
• Разработать составную модель СНЭ для расчёта
электромеханических процессов;
• Разработать фреймы (модели) составляющих частей составной модели СНЭ;
• Обеспечить возможность адаптации модели СНЭ для расчёта электромагнитных переходных процессов;
• Рассчитать с использованием модели применение СНЭ для обеспечения сохранения устойчивости параллельной работы генераторов при потере связи системой, при трёхфазном КЗ, при несимметричных КЗ.
• Рассчитать с использованием модели применение СНЭ для ограничения скорости изменения мощности нагрузки в автономной энергосистеме с графиком нагрузки, полученным по результатам измерений на объекте.
• Верифицировать модель путём сравнения расчётов с натурными испытаниями СНЭ, реализующей функцию ограничения скорости изменения мощности нагрузки, функцию ограничения верхнего и нижнего предела мощности нагрузки.
В качестве программно-вычислительного комплекса для разработки модели СНЭ и дальнейших расчётов переходных процессов в энергосистемах со СНЭ выбрана комплексная система расчёта и планирования электрических режимов DIgSILENT PowerFactory, позволяющая рассчитывать установившиеся режимы, электромеханические переходные процессы (по действующим значениям), электромагнитные переходные процессы (по мгновенным значениям), а также предоставляющая пользователю широкий функционал по разработке моделей с использованием графических и скриптовых методов моделирования.
Для расчётов режимов и переходных процессов в энергосистемах со СНЭ необходимы соответствующие математические модели. На сегодняшний день в отечественной электроэнергетике имеет место практика разработки высокодетализированных математических моделей СНЭ в таких программных комплексах, как MATLAB и PSIM. Однако избыточно детальное моделирование устройств силовой электроники и элементов накопления энергии (аккумуляторных батарей, суперконденсаторов) делает модели СНЭ требовательными к вычислительным ресурсам и малопригодными для расчёта в составе энергосистем с большим количеством узлов, а также для расчёта
длительных электромеханических переходных процессов. Кроме того, для
использования детализированной модели СНЭ необходима информация о множестве параметров компонентов СНЭ, что усложняет процесс подготовки модели к расчёту специалистами проектных организаций и является одним из сдерживающих факторов применения подобных моделей. Рациональным подходом к разработке моделей СНЭ для практического применения является создание моделей с определённой степенью упрощения, достаточных для проведения расчётов установившихся режимов и электромеханических переходных процессов.
Цель работы: разработать и апробировать математическую модель системы накопления энергии (СНЭ), подходящую для анализа электромеханических переходных процессов в энергосистемах со СНЭ.
Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи:
• Разработать составную модель СНЭ для расчёта
электромеханических процессов;
• Разработать фреймы (модели) составляющих частей составной модели СНЭ;
• Обеспечить возможность адаптации модели СНЭ для расчёта электромагнитных переходных процессов;
• Рассчитать с использованием модели применение СНЭ для обеспечения сохранения устойчивости параллельной работы генераторов при потере связи системой, при трёхфазном КЗ, при несимметричных КЗ.
• Рассчитать с использованием модели применение СНЭ для ограничения скорости изменения мощности нагрузки в автономной энергосистеме с графиком нагрузки, полученным по результатам измерений на объекте.
• Верифицировать модель путём сравнения расчётов с натурными испытаниями СНЭ, реализующей функцию ограничения скорости изменения мощности нагрузки, функцию ограничения верхнего и нижнего предела мощности нагрузки.
В качестве программно-вычислительного комплекса для разработки модели СНЭ и дальнейших расчётов переходных процессов в энергосистемах со СНЭ выбрана комплексная система расчёта и планирования электрических режимов DIgSILENT PowerFactory, позволяющая рассчитывать установившиеся режимы, электромеханические переходные процессы (по действующим значениям), электромагнитные переходные процессы (по мгновенным значениям), а также предоставляющая пользователю широкий функционал по разработке моделей с использованием графических и скриптовых методов моделирования.
В диссертационной работе, помимо анализа возможностей применения СНЭ, описания структуры и принципов работы СНЭ, приведены описания разработанной методики выбора параметров СНЭ, доработанной методики расчёта нормированной стоимости накопления электрической энергии (LCOS) и, наконец, разработанной в программно-вычислительном комплексе DIgSILENT PowerFactory математической модели СНЭ.
С использованием разработанной модели проведены расчёты по применению СНЭ для обеспечения сохранения устойчивости параллельной работы генераторов (при потере связи с системой, при трёхфазном коротком замыкании, при несимметричных коротких замыканиях), для ограничения скорости изменения мощности нагрузки, для ограничения верхнего и нижнего значения мощности нагрузки. Расчёты двух последних режимов работы СНЭ были сопоставлены с результатами натурных испытаний СНЭ - и совпали с ними с достаточной точностью.
Разработанная модель СНЭ облегчает процесс подготовки модели энергосистемы к расчёту специалистами проектных и инжиниринговых организаций, в Приложении приведён Акт внедрения. Использование модели позволяет на начальном этапе оценить целесообразность применения СНЭ на объекте, модель может быть эффективно использована для выбора параметров СНЭ и отработки алгоритмов системы управления. При этом расчёт с использованием настоящей модели не требует больших вычислительных ресурсов и позволяет анализировать длительные электромеханические переходные процессы. Кроме того, модель предусматривает возможность адаптации для расчёта электромагнитных переходных процессов.
С использованием разработанной модели проведены расчёты по применению СНЭ для обеспечения сохранения устойчивости параллельной работы генераторов (при потере связи с системой, при трёхфазном коротком замыкании, при несимметричных коротких замыканиях), для ограничения скорости изменения мощности нагрузки, для ограничения верхнего и нижнего значения мощности нагрузки. Расчёты двух последних режимов работы СНЭ были сопоставлены с результатами натурных испытаний СНЭ - и совпали с ними с достаточной точностью.
Разработанная модель СНЭ облегчает процесс подготовки модели энергосистемы к расчёту специалистами проектных и инжиниринговых организаций, в Приложении приведён Акт внедрения. Использование модели позволяет на начальном этапе оценить целесообразность применения СНЭ на объекте, модель может быть эффективно использована для выбора параметров СНЭ и отработки алгоритмов системы управления. При этом расчёт с использованием настоящей модели не требует больших вычислительных ресурсов и позволяет анализировать длительные электромеханические переходные процессы. Кроме того, модель предусматривает возможность адаптации для расчёта электромагнитных переходных процессов.