Построение гибридных решений для систем накопления энергии
Один из способов увеличения технической и экономической эффективности накопителей энергии – их гибридизация, т. е. создание накопителей, состоящих из блоков разнотипных батарей. Такой подход оправдан для снижения стартовых инвестиций в СНЭ за счет применения в основном модуле более дешевых свинцово-кислотных АКБ.
В настоящее время доступны различные технологические решения аккумулирования энергии, в том числе свинцово-кислотные, литий-ионные, на основе никеля, на основе натрия и др. Все они имеют потенциал использования при различных условиях. Параметры выбора: производительность, безопасность, цена.
Недавно в наиболее авторитетном в Республике Беларусь энергетическом журнале «Энергетика. Известия ВУЗов и энергетических объединений СНГ» опубликована серия статей, подготовленных с участием руководителя проекта развития СНЭ центра научно-технических компетенций 1AK-GROUP профессора К. В. Добрего. Серия статей посвящена построению эффективных гибридных решений для СНЭ.
В статье [1] с технической и методической точек зрения рассматривается вопрос целесообразности гибридизации СНЭ. Определены понятия степени гибридизации (доли дополнительного модуля в общей емкости гибридной СНЭ), коэффициента синергетического эффекта гибридизации, степени внутренней буферизации электроэнергии. Приведены показатели стоимости буферизации электроэнергии литий-ионными, свинцовыми аккумуляторами и суперконденсаторами. Приводятся данные по компонентному составу полной инвестиционной стоимости СНЭ, построенных на свинцово-кислотных и литий-ионных технологиях.
Представлена методика определения экономической эффективности гибридизации СНЭ. Показано, что в общем случае дополнение литий-ионных аккумуляторов блоком суперконденсаторов не приводит к снижению стоимости буферизации электроэнергии ввиду высокой стоимости буферизации электроэнергии суперконденсатором. Экономическая целесообразность использования суперконденсаторов для компенсации высоких импульсных нагрузок может быть определена на основе анализа частотного спектра графика нагрузок накопительного блока.
В статье [2] рассматривается три типа гибридных накопителей: свинцово-кислотные аккумуляторы (АКБ), дополненные литий-ионными АКБ; свинцово-кислотные АКБ, дополненные суперконденсаторами; литий-ионные АКБ, дополненные суперконденсаторами. Рассматривается несколько вариантов организации взаимодействия между блоками, — подключение дополнительного блока по пороговому уровню тока, нелинейно- функциональное разделение нагрузки и разделение нагрузки L- фильтром. В качестве нагрузки СНЭ принимаются: 1 — вилочный электропогрузчик, 2 — 30-квартирный жилой дом, 3 — 300-квартирный жилой комплекс. Эффективность гибридизации оценивается путем сравнения стоимости буферизации электроэнергии основным типом АКБ и гибридным накопителем. Расчеты показывают, что эффективность гибридизации зависит от типа используемых АКБ, от характера графика нагрузки, от алгоритма взаимодействия блоков. Экономический эффект гибридизации свинцово- кислотных и литий — ионных АКБ может быть положительным при наличии высокочастотной составляющей графика нагрузки конкретного потребителя и высоких среднеквадратичного отклонений нагрузки. Гибридные решения целесообразны в случае дефицита инвестиционных средств на малых промышленных предприятиях, характеризующихся «рваным» графиком нагрузки, электропогрузчиках, штабелерах, на фермерских хозяйствах, использующих солнечные станции и ветрогенераторы. Причем положительный экономический эффект обеспечивается при малых значениях степени гибридизации.
Пороговый алгоритм разделения нагрузки оказывается наиболее эффективным для работы по графику электропогрузчика и наименее эффективным для сглаженной нагрузки (жилой комплекс). Однако ни один из методов разделения нагрузки не имеет универсального преимущества перед остальными для всех видов нагрузки и типов гибридных систем. Таким образом при проектировании СНЭ и оценке эффективности ее гибридизации, необходимо располагать информацией не только о стоимости АКБ и соответствующей стоимости буферизации электроэнергии, но также о предполагаемом графике нагрузки СНЭ и стоимости силового оборудования, необходимого для организации взаимодействия блоков.
Разработанные модели и методы учитываются компанией 1AK-GROUP при проектировании СНЭ и оценке экономической целесообразности гибридизации СНЭ.
В статье [3] освещается практический аспект реализации силового сопряжения блоков гибридного СНЭ. А именно, возможности наиболее простого пассивного сопряжения свинцово- кислотных и литий- ионных батарей. Промоделированы режимы работы гибридной системы накопления электроэнергии (СНЭ) при простом параллельном соединении, а также при коммутации блоков по пороговому алгоритму. Показано, что для выравнивания темпа разрядки основного и дополнительного блоков необходимо согласование емкости СНЭ, степени гибридизации, типа нагрузки и электрических параметров батарей.
При пороговой коммутации блоков появляется возможность изменять темп разрядки дополнительного блока и повышать экономическую эффективность гибридной СНЭ.
Приведены примеры расчета значения порогового напряжения коммутации литий-ионного блока для трех характерных нагрузок: вилочного электропогрузчика, 30-квартирного жилого дома и 300-квартирного жилого комплекса.
Полученные результаты могут быть использованы для проектирования гибридных СНЭ для небольших энергосистем, в том числе с солнечными и ветроэлектростанциями.
1. Добрего К. В. К вопросу создании гибридных систем накопления электроэнергии. Энергетика. Изв. высш. уч. заведений и энерг. объединений СНГ. 2023, т.66, № 3, с.215-232.
2. Добрего К. В., Козначеев И. А. Моделирование функционального взаимодействия блоков гибридного накопителя электроэнергии. Энергетика. Изв. высш. уч. заведений и энерг. объединений СНГ. 2023, т.66. № 5, с. 405-422.
3. Добрего К. В., Козначеев И. А. Моделирование пассивного сопряжения блоков гибридной системы накопления электроэнергии. Энергетика. Изв. высш. уч. заведений и энерг. объединений СНГ. 2024, т.67. № 3 (в печати).
