Благодаря развитию литий-ионных аккумуляторов в России появилось новое решение для электрических сетей – система накопления электрической энергии (СНЭ или СНЭЭ, далее – накопитель). Это решение настолько новое и непривычное для сетей, что за каждым реально установленным накопителем стоит разрешение множества нетривиальных задач. Ключ к экономической эффективности использования накопителей – поиск и разрешение оптимизационных задач. В статье я расскажу о решении задач, которые помогли снизить стоимость накопителей по трем основным на сегодняшний день применениям.

Основные параметры накопителя энергоемкость и мощность, чем меньше эти параметры, тем меньше конечная стоимость решения. Поэтому чтобы повысить экономическую эффективность применения накопителя, нужно чтобы его параметры были минимальными, но достаточными для разрешения проблем электрических сетей.

В зависимости от разрешаемых проблем сейчас сформировались три направления применения накопителей в электрических сетях:

• поддержание нормативного уровня напряжения в распределительной перегруженной сети;

• обеспечение надежности энергоснабжения (резервный источник питания);

• замена протяженных незагруженных линий мобильными накопителями.

Для каждого направления задача поиска оптимального накопителя будет своя.

Поддержание нормативного уровня напряжения в распределительной перегруженной сети

Механизм этого применения основан на выравнивании нагрузки потребителей в течение суток. Потребление большинства абонентов не равномерно в течение дня. Электроэнергия наиболее востребована в утренние и, особенно, вечерние часы. Поэтому и линии, перегруженные в пиковые часы, ночью загружены не очень сильно. Накопитель может ночью зарядиться, а в пиковые часы выдать дополнительную энергию в сеть. Из-за перегруза линий потери в них растут, а напряжение у потребителей падает ниже нормативно допустимого. Соответственно накопитель снимает перегрузки и напряжение возвращается к нормативному уровню.

Оптимизационная задача, позволяющая снизить энергоемкость и мощность накопителя, заключается в выборе оптимального места в электрической сети для его установки.

Распределительная сеть на уровне питания потребителей сильно разветвлена, и установка накопителя в любой ее точке изменяет потоки мощности по всем ее ветвям. Это влияние зависит от точки установки накопителя. Поэтому можно подобрать такое место установки, в котором для обеспечения нормативного качества электрической энергии во всей сети потребуется минимальный накопитель.

Для решения этой задачи требуется:

• для каждого узла сети (опоры) рассчитать минимальный накопитель, который обеспечит заданное напряжение во всех узлах сети;

• выбрать наименьший из полученных в каждом узле минимальных накопителей.

Логически задача не выглядит сложной, но основные проблемы связаны с тем, что расчет каждого варианта накопителя (сочетания заданных значений энергоемкости и мощности) – это итерационный расчет установившегося режима для всей сети. При этом для определения оптимального накопителя нужно делать несколько таких расчетов для каждого узла, пошагово увеличивая параметры накопителя до достижения требуемого уровня напряжения.

Более того, для сетей 0.4 кВ нужно учитывать несимметрию нагрузки по фазам. Из-за наличия нулевого провода изменение напряжения в одной фазе влияет на напряжения, а значит и на параметры накопителя, в двух других фазах. Поэтому для каждой из трех фаз подбираются свои параметры накопителя, а начиная со второй итерации расчет корректируется с учетом взаимного влияния режимов фаз друг на друга.

Важно учитывать, что у этой оптимизационной задачи есть ограничения по максимальной энергоемкости накопителя, создаваемые суточным графиком нагрузки потребителей сети. Поскольку для выполнения своих задач накопитель должен заряжаться, то в какое-то время он потребляет энергию из сети. Поэтому нужно подобрать его энергоемкость и время зарядки так, чтобы нагрузка зарядки накопителя совместно с нагрузкой потребителей не снижали напряжение больше, чем это допустимо.

Не смотря на объемность расчета, его результаты позволяют снизить размеры в несколько раз, и определить узлы в которых задача не решается.

Решение задачи тестировалось на трех распределительных сетях с количеством опор более 30. По результатам расчетов получились следующие выводы:

• Установка накопителя на первых опорах (5-10 опор ближайших к питающей подстанции) и последних опорах линии не позволяет поднять напряжение до необходимого уровня;

• Разница между минимально необходимыми для обеспечения заданного напряжения накопителями на разных опорах составила до 30% от энергоемкости выбранных для установки накопителей (в рассмотренных сетях это 15 кВтч или 1,5 млн.рублей при цене накопителей 100 тыс.руб/кВтч).

Обеспечение надежности энергоснабжения

В этом случае накопитель – большой источник бесперебойного питания, при пропадании внешнего питания он берет на себя питание нагрузки.

Оптимизационная задача, позволяющая снизить энергоемкость и мощность накопителя, заключается в прогнозировании возможного времени перерыва питания и оценке возможного потребления в это время.

Оценка этих параметров носит вероятностный характер. За вероятность равную единице можно принять время устранения аварии – 24 часа и мощность потребителей равную мощности их технологического присоединения. Но такой накопитель будет многократно преразмерен от фактически необходимого. Поэтому для решения этой задачи требуется:

• оценка времени устранения аварий на основании статистических данных в районе установки;

• оценка максимально возможного потребления за время устранения аварий на основании данных почасового учета резервируемых потребителей;

• прогнозирование изменения нагрузки резервируемых потребителей за время эксплуатации накопителя.

Скорость устранения аварий в электрических сетях постоянно растет. В центральных регионах подавляющее большинство аварий устраняется менее чем за четыре часа. То есть накопитель с емкостью на четыре часа работы с вероятностью близкой к единице обеспечит бесперебойное питание потребителя.

Решение этой задачи тестировалось на пяти потребителях. Расчеты показали, что за календарный год их максимальное потребление в четырехчасовом интервале составило не более 60% от потребления, которое можно было предположить, умножая на 4 часа мощность их технологического присоединения. Это позволило на 40% снизить энергоемкость накопителей.

Замена протяженных незагруженных линий мобильными накопителями

Механизм этого применения основан на замене протяженной недозагруженной линии электропередачи системой мобильных накопителей энергии.

Например, из удаленной деревни постепенно разъезжаются жители, остается два-три дома, но для питания деревни продолжает поддерживаться протяженная питающая линия. Эта линия требует технического обслуживания и ремонта, восстановительных работ в случае аварий, расчистки под ней растительности и прочих расходов. Если затраты достаточно велики, аварийность участка высокая, то линию можно заменить на два попеременно выезжающих накопителя. Один заряжается пока другой питает деревню.

Оптимизационная задача, позволяющая снизить энергоемкость накопителя, заключается в определении оптимальной частоты замены накопителей и оценке возможного потребления в периоды между заменами.

Чем больше накопитель энергии, тем он дороже, но тем меньше требуется совершать выездов для его замены, а значит и уменьшаются расходы на выезды. В этой части оптимизационная задача решается моделированием денежных потоков на периоде эксплуатации накопителя.

В части выбора минимально достаточной емкости, аналогично предыдущему применению, требуется:

• оценка максимально возможного потребления за время между заменами накопителя, осуществляемая на основании данных почасового учета питаемых потребителей;

• прогнозирование изменения нагрузки питаемы потребителей за время эксплуатации накопителя.

Поэтому решение этой оптимизационной задачи требует интеграции анализа «больших данных» о потреблении объекта и финансового моделирования жизненного цикла накопителя. Существенное упрощение расчетов позволяет сделать ограничение вариантов периодов выезда неделями и месяцами, поскольку на практике организовать выезды в произвольное количество дней труднореализуемо.

Показанные задачи – первые, с которыми пришлось столкнуться при моделировании проектов применения накопителей. Как любые новые технические решения они создают возможности поиска и решения новых оптимизационных задач, а значит и требуют создания новых инструментов для их решения. И на данном этапе развития литий-ионных аккумуляторов именно от них зависят скорость и масштабы развития накопителей в электрических сетях.