Аккумуляторные электростанции, использование аккумуляторных батарей для хранения электрической энергии
Одним из наиболее эффективных и перспективных способов накопления электрической энергии, с точки зрения плотности ее хранения, является применение аккумуляторных электростанций на базе батарей, позволяющих запасать энергию в химической форме.
Электростанции на аккумуляторных батареях оказываются особенно полезными когда необходимо вспомогательно обеспечить кратковременную пиковую мощность, тем самым предотвратить аварийное отключение подачи электроэнергии к потребителям.
Таким образом, аккумуляторные электростанции, по принципу своей работы, имеют много общего с обычными источниками бесперебойного питания, отличаясь, однако, более крупным размером сооружения. Под размещение батарей станции выделяется отдельное помещение, похожее на большой склад, либо несколько контейнеров.
Так же как и в технологии бесперебойных источников питания, здесь существует характерная особенность, заключающаяся в том, что накопленную в аккумуляторах электрохимическую энергию можно использовать исключительно в форме постоянного тока.
Но поскольку для традиционных сетей необходим ток переменный, для его получения необходимо осуществить дополнительное преобразование накопленной в батареях энергии. Вот почему ток высокого напряжения, гораздо более подходящий для передачи энергии на расстояние, получают при помощи мощных тиристорных инверторов, обязательно входящих в состав электростанций.
То, какого типа аккумуляторы используются на конкретной станции, определяется ее стоимостью, требованиями к характеристикам (запасаемая энергия, доступная мощность) и предполагаемым сроком службы. В 80-е годы на аккумуляторных электростанциях можно было встретить лишь свинцово-кислотные батареи. В 90-е годы и в начале нулевых — появились никель-кадмиевые и натриево-серные аккумуляторы.
Сегодня, в связи со снижением стоимости на литий-ионные аккумуляторы (из-за стремительного развития автомобильной отрасли), главным образом применяются литий-ионные. Кое-где уже появились системы проточных батарей. Однако на некоторых бюджетных сооружениях все еще можно встретить свинцово-кислотные решения.
Преимущество аккумуляторных электростанций, по сравнению с гидроаккумулирующими, очевидно. Здесь нет постоянно движущихся частей, практически отсутствуют источники шума. Для запуска аккумуляторной электростанции достаточно нескольких десятков миллисекунд, после чего она сразу способна работать на полную мощность.
Данное преимущество позволяет аккумуляторным электростанциям легко выдерживать максимальные нагрузки, которые даже не воспринимаются оборудованием как что-то критическое, так что подобная станция способна работать на максимум часами.
Стоит ли говорить о том, что аккумуляторные станции легко справляются с задачей гашения колебаний напряжения, вызванных пиковыми нагрузками на сеть. Благодаря им города и целые регионы могут быть защищены от отключений электроэнергии вызванных перегрузками.
Ч то же касается работы аккумуляторных электростанций совместно с возобновляемыми автономными источниками энергии, то сегодня это — целая отрасль.
Возобновляемая энергетика [renewable energy production (renewable power engineering)] — Область хозяйства, науки и техники, охватывающая производство, передачу, преобразование, накопление и потребление электрической, тепловой и механической энергии, получаемой за счет использования возобновляемых источников энергии.
У аккумуляторов различных типов есть свои достоинства и недостатки. Одни (натриево-серные) хорошо работают в постоянном режиме, например в сочетании с автономными источниками энергии, однако подвержены коррозии и старению даже если не используются. Другие страдают от износа просто из-за большого количества быстрых циклов заряда-разряда.
Некоторые батареи требуют регулярного обслуживания (в свинцово-кислотные необходимо доливать воду), отвода газов во избежание взрыва и т. д.
Более современные герметичные литий-ионные аккумуляторы способны длительно работать без обслуживания, их состояние контролирует электроника, и если нужно — сигнализирует о необходимости замены ячейки.
В качестве современного примера можно привести одну из крупнейших в мире аккумуляторных электростанций — Hornsdale Power Reserve, работающую совместно с ветряной электростанцией Hornsdale. Компания Tesla построила ее в конце 2017 года.
В начале 2018 года, когда Южная Австралия несла экономические потери, станция принесла ее владельцам около миллиона долларов за поставку в сеть электричества по цене 14000 австралийских долларов за мегаватт-час. Станция способна непрерывно обеспечивать 30 МВт в течение 3 часов и 70 МВт в течение 10 минут.
100 МВт — общая проектная мощность электростанции. Вся аккумуляторная емкость станции в 129 МВт-ч набрана из нескольких миллионов литий-ионных элементов Samsung типоразмера 21700 (3000-5000 мАч).
Система надежно поддерживает сеть потребителей электроэнергии в стабильном состоянии даже в тех случаях, когда скорость ветра чрезвычайно мала. В 2020 году емкость станции была увеличена до 194 МВт-ч, а проектная мощность составила 150 МВт.
Пример старой технологии — существовавшая с 1988 по 1997 годы аккумуляторная электростанция в калифорнийском городе Чино. Станция включала в себя 8256 свинцово-кислотных батарей, размещенных в двух залах.
Сооружение служило в качестве статического компенсатора реактивной мощности и защищало потребителей от отключений электроэнергии при перебоях в работе электростанций. Ее пиковая мощность составляла 14 МВт при общей емкости аккумуляторов 40 МВт-ч.
Источник
Источники и сети постоянного оперативного тока
На подстанциях для питания оперативных цепей постоянного тока используются, как правило, кислотные аккумуляторные батареи (стационарные и переносные) и в отдельных случаях щелочные. Стационарные аккумуляторные батареи составляют из отдельных аккумуляторов, обычно соединенных последовательно.
Аккумулятором называют вторичный химический источник тока, работа которого заключается в накоплении электрической энергии (заряд) и отдаче этой энергии потребителю (разряд).
Основными частями кислотного аккумулятора (рис. 1) являются свинцовые положительные 2 и отрицательные 1 пластины, соединительные свинцовые полосы 5, электролит, сепараторы 3 и сосуд. В качестве положительных используются свинцовые пластины с большим числом ребер, что увеличивает рабочую поверхность пластин, в качестве отрицательных— пластины коробчатого типа. После формовки на положительных пластинах образуется двуокись свинца РbO2, а на отрицательных — губчатый свинец Рb.
Рис. 1. Аккумуляторы типа СК-24 в деревянном сосуде: 1 — отрицательная пластина, 2 — положительная пластина, 3 — сепаратор, 4 — подпорное стекло, 5 — соединительная полоса, 6 — наконечник для ответвления
Электролит состоит из серной кислоты повышенной чистоты и дистиллированной воды. Плотность электролита стационарного заряженного аккумулятора при 25 °С равна 1,21 г/см3.
Между положительными и отрицательными пластинами аккумулятора установлены изоляционные перегородки — сепараторы, препятствующие замыканию пластин при их возможном короблении и выпадению из них активной массы.
Аккумулятор характеризуется емкостью, ЭДС, зарядным и разрядным токами. Номинальной емкостью аккумулятора (в ампер-часах) является его емкость при 10-часовом разряде и нормальной температуре (25 °С) и плотности (1,21 г/см3) электролита.
На подстанциях преимущественно применяют аккумуляторные батареи напряжением 220 В, собранные из аккумуляторов С, СК, СН.
Аккумуляторы С (стационарные) предназначены для разрядов длительностью от 3 до 10 ч и более. Аккумуляторы СК (стационарные для кратковременных режимов разряда) допускают разряд в течение 1—2 ч. Поэтому в аккумуляторах СК применяют усиленные соединительные полосы между пластинами, рассчитанные на большой ток.
Сосуды аккумуляторов С и СК — открытые, для номеров С-16, СК-16 и меньше — стеклянные, а для больших номеров — деревянные, выложенные изнутри свинцом (или керамические). Аккумуляторы типа СН характерны тем, что они помещаются в герметичных закрытых сосудах. Эти аккумуляторы имеют сравнительно небольшую массу и габариты, их можно устанавливать в одном помещении с другим электрооборудованием.
Номер аккумулятора (после буквенного обозначения) характеризует его емкость. Емкость в ампер-часах равна номеру аккумулятора, умноженному на единичную емкость отдельного аккумулятора с типовым номером 1. Для аккумуляторов типов С-1 и СК-1 эта емкость равна 36 А-ч, а для типов С-10 и СК-10 — 360 А-ч.
На небольших подстанциях при отсутствии значительных толчковых нагрузок и резких колебаний в сети оперативного тока (при включении выключателей и т. д.) применяют переносные стартерные аккумуляторные батареи небольшой емкости напряжением 24 и 48 В. На таких подстанциях батарея обычно длительно работает в нормальном режиме разряда и через определенное время — после потери ею своей номинальной емкости (что определяют контрольными замерами напряжения батареи) — заменяется резервной. Иногда применяют щелочные аккумуляторы, у которых электролитом служит водный раствор едкого калия с плотностью 1,19—1,21 г/см3.
В положительных пластинах щелочных, аккумуляторов активным веществом служит гидрат окиси никеля, а в отрицательных — кадмий с примесью железа (никель-кадмиевые аккумуляторы) или только железо (никель-железные аккумуляторы). На подстанциях чаще всего находят применение железоникелевые аккумуляторы из элементов типов НЖ и ТНЖ.
Свинцовые и щелочные аккумуляторы имеют свои преимущества и недостатки: свинцовые имеют по сравнению со щелочными более высокое разрядное напряжение (1,8— 2 и 1,1—1,3 В), более высокую отдачу емкости и энергии. Поэтому при составлении батареи одинакового напряжения свинцовых аккумуляторов требуется почти вдвое меньше. Особенностями щелочных аккумуляторов являются компактность, герметичность, механическая прочность, малый саморазряд и возможность эксплуатации в условиях низких температур.
Аккумуляторные батареи являются наиболее надежным источником питания вторичных устройств, так как они обеспечивают независимое (автономное) питание оперативных цепей при исчезновении напряжения переменного тока.
В аварийном режиме батареи принимают нагрузку всех электроприемников постоянного тока, обеспечивая действие релейной защиты и автоматики, а также возможность включения и отключения выключателей. Предельная продолжительность аварийного режима принимается равной 0,5 ч для всех электроприемников и цепей оперативного постоянного тока, а для средств связи и телемеханики 1— 2 ч. Таким образом обеспечивается наличие оперативного тока в течение времени, необходимого для ликвидации аварии (0,5—2,0 ч).
Применение аккумуляторных батарей ограничено из-за их высокой стоимости и сложности эксплуатации. Поэтому они устанавливаются на наиболее крупных подстанциях. На подстанциях 500 кВ и выше устанавливают по две батареи и больше.
В настоящее время для заряда аккумуляторов используют статические выпрямительные устройства, называемые зарядными агрегатами. На старых подстанциях пока продолжает эксплуатироваться значительное количество двигателей-генераторов.
При эксплуатации электрическая энергия, накопленная в аккумуляторе, непрерывно расходуется. Для ее пополнения служат подзарядные агрегаты, в качестве которых также могут быть использованы двигатели-генераторы и статические выпрямительные устройства. Мощность подзарядных агрегатов обычно составляет 20—25 % мощности зарядных агрегатов. В ряде случаев один и тот же агрегат может выполнять функции зарядного и подзарядного агрегата.
Двигатели-генераторы состоят из приводного асинхронного электродвигателя и генератора постоянного тока с параллельным возбуждением. Обе машины устанавливаются на одной раме, а их валы соединяются эластичной муфтой. При заряде аккумуляторной батареи напряжение генератора зарядного агрегата должно изменяться, поэтому генератор постоянного тока выбирают с регулированием напряжения в широких пределах путем изменения его возбуждения шунтовым реостатом. В качестве статических зарядных и подзарядных агрегатов широко используются кремниевые выпрямительные устройства.
В отличие от двигателя-генератора статические выпрямительные устройства дешевле, не имеют движущихся частей, более удобны в обслуживании, имеют большой срок службы и большую перегрузочную способность и поэтому наиболее распространены.
Распределение постоянного тока, связь зарядных и подзарядно-зарядных агрегатов с аккумуляторной батареей осуществляется через щиты постоянного тока (ЩПТ), на которых размещаются коммутационная аппаратура и контрольно-измерительные приборы. Для удобства действий дежурного персонала на ЩПТ наносятся мнемонические схемы постоянного тока.
Аккумуляторные батареи, ЩПТ, зарядные и подзарядные агрегаты, электроприемники постоянного тока связаны между собой кабельными линиями, а в отдельных случаях шинопроводами. В совокупности они образуют схему электрических соединений сети постоянного тока.
Различают три основных режима работы аккумуляторных батарей: постоянный подзаряд, заряд—разряд и заряд—покой—разряд.
На подстанциях аккумуляторные батареи обычно работают в режиме постоянного подзаряда . В этом случае подзарядный агрегат, оснащенный устройством стабилизации напряжения (с точностью ±2%), все время питает постоянно включенные электроприемники сети оперативного тока (сигнальные лампы, обмотки реле, контакторов), а также подзаряжает аккумуляторную батарею, компенсируя ее саморазряд.
Вследствие этого аккумуляторная батарея все время полностью заряжена. Кратковременные толчки нагрузки воспринимаются в основном батареей.
На рис. 2 представлена схема аккумуляторной установки подстанции напряжением 500 кВ. На подстанции установлены две аккумуляторные батареи и три подзарядно-зарядных агрегата, один из которых резервный. Аккумуляторные батареи собраны из кислотных свинцовых аккумуляторов типа СК, в качестве зарядно-подзарядных агрегатов использованы полупроводниковые выпрямительные устройства ВАЗП-380/260-40/80 . Щит постоянного тока собран из комплектных панелей постоянного тока серии ПСН-1200-71.
Рис. 2. Принципиальная схема аккумуляторной установки без дополнительных элементов: АБ1, АБ2 — аккумуляторные батареи, ВУ1, ВУ2, ВУЗ — выпрямительные устройства, УМС — устройство мигающего света, УКН — устройство контроля уровня напряжения, УКИ — устройство контроля изоляции, ШУ — шинки управления, ШС — шинки сигнализации, ( + ) —шинка мигания, I, II, III, IV — номера секций, ШП — шины питания электромагнитов включения выключателей
Шины щита разделены на две основные (I и II) и две вспомогательные (III и IV) секции. Электроприемники питаются от I или II секции, вспомогательные секции служат для взаимного резервирования источников питания: аккумуляторных батарей и выпрямительных зарядно-подзарядных агрегатов.
Подключение электроприемников и источников питания осуществляется с помощью автоматических выключателей серий А3700 и АК-63. Эти выключатели выполняют функции коммутационных аппаратов и защищают присоединения ЩПТ от КЗ. Щит оборудован устройствами мигающего света УМС, контроля изоляции УКИ и уровня напряжения УКН.
В установках, где для включения мощных электромагнитов масляных выключателей требуется повышенное напряжение, устанавливают дополнительные элементы. Батареи с дополнительными элементами состоят из 120, 128, 140 элементов вместо 108. В таких случаях схема несколько изменяется.
Чтобы предотвратить сульфатацию пластин дополнительных элементов, между отрицательным полюсом и ответвлениями от 108-го элемента включается регулируемый резистор, с помощью которого создается ток разряда, равный току разряда основных элементов. Таким образом обеспечиваются одинаковые условия работы основных и дополнительных элементов и исключается возможность глубоких зарядов и разрядов, что предотвращает сульфатацию и увеличивает срок службы аккумуляторов. В режиме постоянного подзаряда батарея всегда находится в заряженном состоянии и готова к питанию потребителей постоянным током.
В нормальном режиме напряжение на каждом включенном элементе батареи должно быть 2,2 В с допустимым колебанием ±2 %. В тех случаях, когда для питания вторичных устройств необходим постоянный ток различного напряжения, используют переносные аккумуляторные батареи и ответвления от промежуточных элементов батареи.
Например, для большинства устройств релейной защиты необходимо напряжение 220 В, для устройств телемеханики 24, 48 или 60 В, а для питания мощных электромагнитных приводов масляных выключателей — напряжение до 250 В и выше, чтобы при больших токах включения компенсировать падение напряжения в кабеле от батареи до РУ, где установлены выключатели.
В некоторых установках аккумуляторные батареи эксплуатируют в режиме заряда—разряда. В этом случае напряжение на зажимах аккумуляторов не остается постоянным, а изменяется в сравнительно широких пределах (для свинцовых батарей при разряде напряжение меняетсz от 2 до 1,8—1,75 В, а при заряде от 2,1 до 2,6—2,7 В).
Для поддержания стабильного уровня напряжения батареи во всех режимах на сборных шинах щита постоянного тока ЩПТ в схемах батарей, работающих по методу заряд—разряд, предусматривается элементный коммутатор, служащий для изменения числа аккумуляторов, подключенных к сборным шинам установки или к зарядному агрегату.
Работа аккумуляторных установок в режиме заряд — покой — разряд здесь не рассматривается, поскольку этот режим на подстанциях не применяется.
Аккумуляторные батареи напряжением 24, 36 или 48 В обычно составляют из нескольких переносных батарей, которые соединяют последовательно. В большинстве случаев устанавливают два комплекта таких батарей, из которых один является резервным.
Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!
Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:
Источник