На главную

Статьи, публикации, архив номеров  

«     2018     2017  |   2016  |   2015  |   2014  |   2013  |   2012  |   2011  |   2010  |   2009  |   2008  |   »
«     Январь  |   Февраль  |   Март  |   Апрель  |   Май  |   Июнь  |   Июль  |   Август  |   Сентябрь  |   Октябрь  |   Ноябрь  |   Декабрь     »

Актуально

01.08.2014 Выравнивание суточного графика нагрузки в энергосистеме с применением аккумуляторов электромобилей

 

Выравнивание суточного графика нагрузки в энергосистеме с применением аккумуляторов электромобилей

 

Выравнивание графика электрической нагрузки является важной задачей в электроэнергетике. Проведено много исследований по снижению суточных максимумов и выравниванию графиков нагрузки путем заполнения ночного провала и переноса нагрузки во внепиковые часы суток. Однако предложенные способы ориентированы прежде всего на регулирование самих нагрузок потребителей без учета применения каких-либо накопителей электрической энергии.

Один из возможных способов решения данной проблемы в коммунально-бытовом секторе, учитывая интенсивное развитие автомобилестроения, – применение современных электромобилей. Разработка данного подхода позволит существенно снизить затраты как на потребление электроэнергии, так и на ее производство.

 

The alignment of the diagram of electric energy is an important problem in electric power industry. Now there are a lot of studies on the subject – reducing of daily maximum indices and the alignment of the diagram of electric energy by filling a night dip and transfer of electric energy demand to the off-peak hours of the day. However the methods of control are based on the regulation of customers’ consumption, not taking into consideration any drives of electric energy. The possible method to solve the problem in a household sector is to use modern electro-mobiles due to the development of automotive industry. The approach of rational use of electric vehicles will reduce both the cost of energy consumption and the cost of production significantly.

 

В статье [1] авторы отмечают, что после ввода в 2018 г. Белорусской АЭС в энергосистеме образуется около 1 ГВт избыточной электрической мощности. В основном она будет представлена электрической мощностью конденсационных электростанций. Более 2/3 мощности ТЭЦ придется перевести в маневренный режим работы для покрытия полупиковой части суточного графика электрической нагрузки энергосистемы.

Подобное обстоятельство приведет к ухудшению технико-экономических показателей как ТЭЦ, так и ГРЭС. Главная причина – переход на невыгодные режимы работы в суточных циклах. Выход из ситуации авторы [1] видят «в появлении нового вида потребителей электроэнергии, которые в силу своего технологического процесса способны будут передавать организацию режима потребления ими электроэнергии целиком в руки энергосистемы». Такими потребителями являются электромобили. Их число в мире стремительно растет. Нефтяное топливо заменяется на экологически чистый вид энергии.

Электромобили в статье [1] рассматриваются как потребители электрической энергии, то есть задача выравнивания графика электрической нагрузки энергосистемы в данном случае заключается в заполнении ночных провалов нагрузки с увеличением их до пиковых (полупиковых). Подобный способ выравнивания нагрузок связан с ростом электропотребления в энергосистеме за счет сокращения потребления жидкого нефтяного топлива. В ряде зарубежных стран, например в Норвегии, за счет широкого использования электроэнергии во всех отраслях промышленности и в коммунально-бытовом секторе ее удельное ежегодное потребление на душу населения в 5 раз больше, чем в Беларуси. Подобный путь регулирования суточного графика эффективен и общепризнан, так как открывает возможности для роста электрооснащенности труда в подобном хозяйстве и для более широкого применения электроэнергии в коммунально-бытовом секторе.

Однако в настоящее время в Беларуси практически отсутствуют электромобили. Одна из причин этого – высокая стоимость. В таких условиях рассмотрение электромобилей только как потребителей электроэнергии ограничивает возможности регулирования графиков нагрузки по рассмотренному в [1] методу. Этот метод не единственный из возможных в теории управления. Проанализируем случай, когда потребитель электроэнергии выступает в двух качествах: потребителя и генератора, каким, в сущности, и является аккумулятор электромобиля. Если учесть, что длительность зарядки аккумулятора составляет в среднем 7 ч, электроемкость батареи – 85 кВт•ч, число зарядок в году равно 40, то время нахождения батареи в режиме зарядки с целью выполнения основной функции (обеспечение движения транспортного средства) составит 7 ´ 40 = 280 ч в течение года. Остальное время автомобиль эксплуатируется в дневное время и находится на стоянке в ночное время.

Рассмотрим вариант, когда автомобиль хранится в подземном гараже многоквартирного жилого дома (100 квартир, 50 автомобилей) с возможностями зарядки аккумуляторов через специальный центр и выдачи электроэнергии обратно в сеть в часы пиковых нагрузок.

Подобное вполне осуществимо, поскольку современные литийионные батареи с жидкостной системой охлаждения имеют гарантию на 160 тыс. км и 8 лет, то есть в среднем ежегодный пробег электромобиля должен быть не менее 20 тыс. км. В противном случае аккумулятор необходимо утилизировать. Исследования показывают, что использованный в автомобиле аккумулятор после гарантийного срока может успешно функционировать как стационарный еще 15 лет. Однако это не означает, что в качестве энергоисточников для потребителей нельзя использовать аккумуляторы, которые еще функционируют на электромобилях и при нагрузке ниже номинальной (при годовом пробеге автомобиля меньше 20 тыс. км), ведь в современных условиях развития техники 8 лет – достаточный срок, чтобы разработать новые, более эффективные решения. Например, уже рассматривается возможность использования в качестве источников тока не аккумуляторов, а суперконденсаторов. Они очень быстро заряжаются и имеют больший ресурс циклов зарядки/разрядки (до нескольких сотен тысяч).

На рис. 1 приведены два варианта режимов работы аккумуляторов электромобилей: первый (а) – режим исключительно зарядки, при котором она осуществляется только в часы минимальных нагрузок энергосистемы; второй вариант (б) – режим зарядки аналогично первому с последующим режимом выдачи электрической энергии в сеть, когда часть автомобилей круглосуточно находится на стоянке и аккумуляторы работают в переменном режиме зарядки/разрядки. Это аналогично варианту использования гидроаккумулирующих станций, когда в ночные часы при дешевых тарифах на избыточную электроэнергию вода с помощью насосных агрегатов перекачивается в верхний аккумулирующий бассейн, а в часы пиковых нагрузок используется гидроагрегатами для выработки электроэнергии. Заметим, что применение варианта гидроаккумулирования в странах с равнинной поверхностью ограниченно, вариант же использования электроаккумуляторов таких ограничений не предполагает.

 

 

Оценим возможные режимы работы аккумуляторов электромобилей с учетом их использования для отдачи электроэнергии в сеть в случаях, когда электромобиль не задействован как транспортное средство. Проведем следующие расчеты:

• при среднем пробеге за год, равном 20 000 км, средний пробег за сутки составит:

Lсут = 20 000 / 365 = 54,8 км;

• среднее время полной зарядки аккумулятора составляет 6 ч (tз = 6 ч);

• среднее время полной разрядки, рассчитанное по данным [1] (пробег 480 км при скорости 90 км/ч):

tр = 480 / 90 = 5,3 ч;

• число электромобилей, постоянно находящихся в гараже (10 % от их общего количества):

nэп = 0,1nэ = 5,

где nэ – число автомобилей в доме (50 автомобилей);

• суммарный объем электропотребления из сети для зарядки аккумулятора при среднесуточном пробеге Lсут = 54,8 км:

Wз = 54,8 / 480 ´ 85 = 9,7 кВт•ч;

• то же в расчете на 50 электромобилей:

WзS = 9,7 ´ 50 = 485 кВт•ч.

Как следует из приведенных расчетов, ежесуточно в ночные часы по гаражу в среднем используется 485 кВт•ч электроэнергии из энергосистемы на зарядку аккумуляторов (область 1 на рис. 1). Это способствует заполнению ночного провала нагрузок, то есть выравниванию их графика.

Поскольку по принятому допущению 5 из 50 электромобилей постоянно находятся в гараже и на цикл зарядки аккумулятора требуется 6 ч, примем следующий режим их работы: в пик утренних нагрузок аккумуляторы полностью разряжаются, отдавая электрическую энергию в сеть, в часы полупиковой нагрузки (днем) заряжаются и в часы вечернего пика нагрузки имеет место второй цикл частичной разрядки в течение 3 ч. Так, за два цикла отдачи электроэнергии в сеть каждым из 5 аккумуляторов суммарное значение WрS отдаваемой за сутки в сеть электроэнергии составит:

WрS = 5 ´ (85 + 3 ´ 85 / 6) = 637,5 кВт•ч.

Зарядка аккумуляторов после их использования для отдачи электроэнергии в сеть осуществляется в непиковые часы нагрузок. Следовательно, суммарное количество энергии, потребленной на зарядку аккумуляторов, составит:

Wn = WзS + WрS = 485 + 637,5 =

= 1 122,5 кВт•ч.

 

 

На рис. 2 представлены два варианта суточного графика электрических нагрузок жилого дома с подземной автостоянкой, в которой есть необходимые условия и оборудование для зарядки аккумуляторов и отдачи электроэнергии в сеть в пиковые часы нагрузок энергосистемы. В первом варианте графика (черная линия на рис. 2) имеются два пика нагрузки – утренний и вечерний (50 кВт). В полупиковом режиме потребляемая мощность составила 40 кВт, в ночные часы – 18,9 кВт. Всего суточное потребление энергии по дому составило 830 кВт•ч. Во втором варианте графика нагрузки (серая линия на рис. 2) на вводе в жилой дом получено существенное ее увеличение в часы полупиковых нагрузок:

Pзпп = WрS / tз = 637,5 / 9 = 70,8 кВт,

где tз – суммарное время разрядки 5 аккумуляторов (6 + 3 = 9 ч).

В часы пиковых нагрузок на зарядки батарей ежесуточно требуется мощность:

Pзн = WзS / 6 = 485 / 6 = 80,8 кВт.

Как видно из рис. 2, в часы пиковых нагрузок при принятом варианте графика электропотребления по дому в целом имел место даже обратный переток энергии в энергосистему (см. заштрихованные площади, 3). Таким образом, на вводе в здание в течение суток может произойти как прямой, так и обратный переток энергии, хотя сегодня расчет сечения кабеля осуществляется только исходя из перетока электроэнергии в одном направлении. С перетоком в обратном направлении придется решать проблему электроучета, что уже выполнимо, поскольку большинство трехфазных электронных счетчиков обеспечивает учет активной и реактивной энергии, передаваемой и в прямом, и в обратном направлениях. Проблема, которая может возникнуть с перетоком энергии в прямом направлении, связана с существенным ростом нагрузок при зарядке аккумуляторов в ночные или полупиковые часы. К традиционной жилищно-коммунальной нагрузке будет добавляться постепенно возрастающая по мере приобретения электромобилей нагрузка на зарядку аккумуляторов. Подобный случай показан на рис. 2, где в течение 6 ч (с 12 по 18 ч) суммарная нагрузка на вводе в здание составила:

PS = Pп + Pзпп = 40 + 70,8 = 110,8 кВт,

то есть в расчете на 1 квартиру средняя нагрузка в рассматриваемый период времени была равной 1,108 кВт. В реальных примерах сегодня нагрузка значительно ниже.

 

 

Рассмотрим ситуацию подробнее. На рис. 3 приведены суточные графики нагрузок на часовых интервалах рабочего и выходного дней апреля 2014 г. по 98-квартирному жилому дому в Минске, а в таблице представлены некоторые расчетные и фактические показатели. Как видно из графиков, их форма в рабочий и выходной дни не соответствует форме графиков нагрузки энергосистемы, поскольку часы утренних и вечерних пиков нагрузки не совпадают (в энергосистеме они имеют место с 6 до 8–9 ч и с 18 до 21 ч на суточном интервале). Кроме того, в те дни существенные значения имели и нагрузки в ночные часы, вероятно, по причине применения электрообогревателей, ведь централизованное отопление по городу было отключено. Что касается объемов электропотребления, то, по данным таблицы, потребление электроэнергии за сутки в выходной и рабочий дни составило приблизительно одинаковую величину – 315–320 кВт•ч. Максимальная мощность на вводе также существенно не отличалась – 21–24 кВт. Среднемесячное потребление на 1 квартиру составило от 96,9 до 98,12 кВт•ч, то есть фактически 100 кВт•ч. Полученные показатели свидетельствуют о том, что электрические нагрузки на вводах в жилые многоквартирные дома обычного типа пока еще далеки от расчетных и есть потенциал для их увеличения.

 

Таблица

Дата

День недели

Потребление электроэнергии W, кВт•ч/дом

Мощность, кВт

Потребление электроэнергии за месяц на 1 квартиру, W, кВт•ч

Максимальная на получасовом интервале

Средняя за сутки

13.04.2014 г.

выходной

316,62

23,52

13,192

96,9

14.04.2014 г.

рабочий

320,527

21,57

13,355

98,12

 

Из полученных выводов, однако, не следует, что такие же электрические нагрузки будут и во вновь строящихся жилых многоквартирных домах с подземными автостоянками и более развитым сервисом. Но можно предположить, что существенного роста электрических нагрузок в домах нового типа быть не должно, поскольку они относятся к разряду энергосберегающих.

Строительство домов с подземными автостоянками связано с существенным удорожанием жилья – до 15 % от общей стоимости. Если принять суммарную стоимость одного гаража в размере 15 тыс. долл., то средние годовые затраты на 1 год при 50-летнем сроке эксплуатации гаража составят:

Пгод = 15 000 / 50 = 300 долл./год,

или 3,0 млн руб.

Выполним ориентировочное технико-экономическое сравнение, позволяющее рассчитать долю окупаемости затрат на строительство гаража при различной степени использования в течение года аккумуляторной батареи для отдачи электроэнергии в сеть. Расчет проведем с учетом того, что стоимость электроэнергии в часы пиковых нагрузок в 2–3 раза дороже, чем в часы ночных нагрузок. Исходя из этого, зададим два значения границ экономии платы ∆Т за отпущенный в сеть киловатт-час:

1 000 ≤ ∆Т ≤ 2 000 руб./кВт•ч.

На рис. 4 приведены соответствующие зависимости годовой экономии ∆Э от числа зарядок/разрядок (nзр) аккумулятора с отдачей электроэнергии в сеть при условии, что емкость аккумулятора составляет 85 кВт•ч. Как видно из рисунка, при числе nзр = 36 достигается полная окупаемость ежегодной расчетной платы за стоянку при ∆Т = 1 000 руб./кВт•ч. При ∆Т > 1 000 руб./кВт•ч срок окупаемости относительно расчетной (50 лет) еще ниже при одинаковом числе зарядок/разрядок в течение года.

 

 

Вариант применения аккумуляторов электромобилей для выравнивания суточного графика нагрузки энергосистемы необходимо рассматривать в комплексе с другим важным нетрадиционным энергоисточником – солнечными батареями, которые устанавливаются на кровле дома. В Беларуси только начато внедрение обоих энергоисточников, причем законодательная база, определяющая условия и режимы их работы с энергосистемой, требует доработки. Будет своевременным приступить к обсуждению хотя бы подходов к комплексному решению вопросов использования данных энергоисточников. Уже есть ряд публикаций, касающихся принципов создания преобразователей постоянного напряжения в стабилизированное переменное синусоидальной формы как для фотоэлектрических систем, так и для систем нестационарных. Публикации затрагивают и принципы формирования тарифов на электрическую энергию, приобретаемую энергосистемой и блок-станцией, условия доступа к электрическим сетям энергосистемы, правила расчета электрических нагрузок и разработку принципиальных электрических схем для современных зданий, использующих «умные» энергосберегающие технологии.

Так, в [2] отмечено, что в большинстве фотоэлектрических систем применяют свинцово-кислотные аккумуляторы, специально предназначенные для солнечных батарей. Подобные аккумуляторы существенно отличаются от автомобильных, и по этой причине необходима разработка принципиальных технических решений, обеспечивающих совместную работу трех энергоисточников: солнечной батареи, аккумуляторов электромобилей и энергосистемы. Если, например, солнечную батарею первоначально рассматривать как автономный энергоисточник, то его схема выглядит так, как приведено на рис. 5. Энергия от солнечного генератора поступает на устройство отбора максимальной мощности, далее через регулятор зарядки/разрядки – на аккумулятор к потребителям постоянного тока и через инвертор – к потребителям переменного тока. Согласно схеме аккумулирование энергии возможно в любом случае работы солнечной батареи (если позволяет емкость аккумулятора). Отдача электроэнергии через инвертор может осуществляться в любое время, хотя наиболее выгодным будет режим ее отпуска в сеть в часы утренних и вечерних пиков нагрузки энергосистемы, если подобный отпуск стимулируется.

 

 

Но, согласно публикации [3], существенной разницы в ночных и пиковых тарифах на электроэнергию для подобных электроисточников устанавливать не планируется. Покупка электроэнергии в ночные часы составляет 0,7 от величины договорного тарифа. Хотя по действующим тарифам на электрическую энергию для юридических лиц и индивидуальных предпринимателей (введены в действие с 1 марта 2014 г.) тариф на электрическую энергию, расходуемую на нужды отопления и горячего водоснабжения в период минимальных и максимальных нагрузок, отличается в 3 раза. В рыночных условиях вопрос тарифообразования упрощается и появляется возможность получения своеобразного «ценового» сигнала, ежечасно формируемого на розничном рынке энергии [4]. Согласно такому сигналу владелец собственной генерации принимает решение, когда ему аккумулировать энергию, когда покупать и когда продавать, используя единую электрическую сеть как транспортное средство. К сожалению, сегодня в Беларуси система управления генерацией, распределением и потреблением энергии в условиях многообразия различных видов энергоисточников еще далека от совершенства. Правда, концепция закона «Об электроэнергетике» уже одобрена на заседании Президиума Совета Министров страны в начале текущего года. Будем полагать, что в концепции найдут отражение вопросы не только генерации энергии различными энергоисточниками, отличающимися формой собственности, но и вопросы их режимного взаимодействия, в результате чего будет обеспечено надежное и экономичное функционирование энергосистемы республики. Разумеется, серьезное внимание нужно уделить и принципам формирования тарифов на электрическую энергию, способствующим подобному взаимодействию всех сторон.

В рассмотренном варианте объекта энергообеспечения (жилой многоквартирный дом) схема автоматизированного учета энергии должна учитывать как объемы электропотребления каждым абонентом на основании данных абонентских электросчетчиков, так и объемы энергии, потребляемой на зарядку каждым аккумулятором и отдаваемой в сеть, объем генерации энергии солнечными батареями и отдачи ее в сеть. В последнем случае собственник солнечной батареи коллективный. Собственники же аккумуляторных батарей могут быть как индивидуальными лицами, так и выступать в роли коллективного объединения (юридическое лицо).

Таким образом, в основу технических и организационных решений при создании «интеллектуальной» системы энергопотребления и генерации энергии в жилом многоквартирном доме должен быть положен проект, выполненный с соблюдением норм и правил проектирования, которые на данный момент требуют доработки. Подобные проекты в некоторых странах уже существуют в различных вариантах. Если же говорить о возможностях развития электромобилестроения, то в 2005 г. индустрия электротранспорта достигла уровня продаж 31,1 млрд долл. По прогнозам, в 2015 г. цифра увеличится в 7 раз и достигнет 227 млрд долл. [5]. Можно надеяться, что и в Беларуси электромобили постепенно начнут занимать достойное место не только среди эффективных транспортных средств, но и выступят в роли источников покрытия пиковых электрических нагрузок наравне с выполнением функций заполнения их провалов.

 

Евгений ЗАБЕЛЛО,
доктор технических наук, профессор,
Виталий БУЛАХ,

аспирант БГАТУ

 

(Статья поступила в редакцию 08.07.2014 г.)

 

Контакты

Беларусь: 220121, г. Минск
а/я 72
Тел.: +375 (17) 385-94-44,
385-96-66

Факс: +375 (17) 392-33-33
Gsm: +375 (29) 385-96-66 (Vel)

Е-mail: energopress@energetika.by
E-mail отдела рекламы:
reklama@energetika.by

© ОДО Энергопресс, 2003—2009. Все права защищены.
Мониторинг состояния сайта
Создание сайта Атлант Телеком