Можно ли использовать BESS для сглаживания пиковых нагрузок в городских электросетях?

Принципы сглаживания пиковых нагрузок и стрессовые ситуации в городских электросетях

Городские электросети сталкиваются с фундаментальным несоответствием между предложением и спросом. Потребление электроэнергии резко возрастает утром и вечером, когда коммерческие здания, транспортные системы и жилые потребители одновременно подключаются к сети. Разрыв между базовой нагрузкой и этими пиковыми значениями вынуждает энергоснабжающие компании поддерживать резервную генерирующую мощность — электростанции, работающие на частичной мощности и потребляющие топливо в ожидании скачков спроса, которые могут и не произойти.

Сглаживание пиковой нагрузки устраняет эту неэффективность за счёт снижения максимальной мощности, забираемой из сети в периоды высокого спроса. Вместо увеличения генерации коммунальные службы или крупные потребители используют накопленную энергию для покрытия разницы. Экономическое обоснование сглаживания пиковой нагрузки усиливается по мере того, как тарифы на электроэнергию по времени суток становятся стандартом на городских рынках, где пиковые тарифы могут превышать вне-пиковые в три раза и более.

BESS — системы аккумулирования энергии на основе аккумуляторов (BESS) — стали доминирующей технологией для этой задачи. В отличие от традиционных гидроаккумулирующих электростанций, требующих особых географических условий, или систем на маховиках, ограниченных кратковременными импульсами, аккумуляторные системы масштабируются от применения в коммерческих зданиях до установок масштаба электросети, обслуживающих целые городские районы.

Как BESS реализует сглаживание пиковой нагрузки в городской среде

Логика циклов зарядки–разрядки

А bESS установка, подключённая к городской подстанции, заряжается в периоды минимального спроса — обычно с полуночи до 6 утра, когда базовая выработка превышает потребление. Накопленная энергия поступает обратно в сеть в утренний пик (7–10 утра) и вечерний пик (17–21 час), сглаживая чистую кривую нагрузки, которую должен обеспечивать вышестоящий передающий сетевой комплекс.

Аккумуляторы на основе литий-железо-фосфата (LiFePO4) доминируют в городских развертываниях систем хранения энергии (BESS) по нескольким причинам. Их термическая стабильность снижает риск возгорания в густонаселённых районах, где событие теплового разгона имеет неприемлемые последствия. Ресурс циклов превышает 6000 циклов зарядки-разрядки при глубине разряда 80 %, что означает: система, установленная сегодня, сохранит экономическую эффективность в течение 15–20 лет ежедневной эксплуатации для сглаживания пиковой нагрузки.

Муниципальная энергетическая компания в Юго-Восточной Азии развернула систему накопления энергии на основе аккумуляторов (BESS) мощностью 20 МВт / 40 МВт·ч на перегруженной городской подстанции, где физические ограничения по площади не позволили установить третий трансформатор. Аккумуляторная система поглотила пиковую нагрузку от кондиционеров мощностью 15 МВт во второй половине дня, отложив капитальные затраты на модернизацию подстанции примерно на семь лет — на сумму около 12 млн долларов США.

Интеграция с существующей инфраструктурой подстанции

Городские BESS, как правило, подключаются на уровне среднего напряжения (10–35 кВ) через повышающие трансформаторы, встроенные в контейнер с аккумуляторами или установленные рядом с ним. Система преобразования мощности (PCS) управляет двунаправленным потоком электроэнергии, мгновенно переключаясь с режима выпрямления при зарядке на режим инвертирования при разрядке — в течение миллисекунд после получения сигнала диспетчерского управления от сети.

Конфигурации систем хранения энергии (BESS), устанавливаемые в стойки, подходят для размещения внутри подстанций в городских условиях, где ограничено пространство на полу. Конструкции BESS, допускающие вертикальное объединение в стопки, позволяют коммунальным службам постепенно наращивать ёмкость — начиная с контейнера на 5 МВт·ч и добавляя новые блоки по мере изменения спроса. Такой модульный подход снижает первоначальные капитальные затраты по сравнению со строительством специализированного объекта BESS.

Технические требования к размещению BESS в городской среде

Требования к площади и безопасности

На городских подстанциях редко имеется свободный участок земли, достаточный для крупномасштабных батарейных установок. Контейнерные решения BESS решают эту проблему за счёт заводской сборки всей системы — аккумуляторов, преобразователей мощности (PCS), систем теплового управления и противопожарной защиты — в стандартных морских контейнерах, которые можно разместить непосредственно на существующих бетонных площадках подстанций.

Протоколы пожарной безопасности требуют многоуровневой защиты: контроль на уровне элементов для выявления отклонений напряжения до начала термического разгона, обнаружение газов на уровне модулей с запуском вентиляции до накопления воспламеняющихся паров электролита и автоматическое срабатывание аэрозольных систем подавления пожара на уровне контейнеров. Стандарт NFPA 855 определяет требования к монтажу систем накопления энергии, включая расстояния разделения и параметры вентиляции, которые должны соблюдаться при городской эксплуатации из-за близости к зданиям с постоянным пребыванием людей.

Стандарты подключения к электросети

Стандарт IEEE 1547 регулирует подключение распределённых источников энергии, включая системы хранения энергии на аккумуляторах (BESS), к электросети. При размещении в городских условиях система должна демонстрировать способность к устойчивой работе при кратковременных провалах напряжения — оставаться подключённой, а не отключаться; иначе это усугубит нестабильность сети именно в период пиковых нагрузок, которые система как раз призвана смягчить. Преобразовательная система питания (PCS) должна синхронизироваться с частотой сети в пределах ±0,5 Гц и реагировать на команды диспетчерского управления посредством интеграции с системой SCADA.

Часто задаваемые вопросы

Какой ёмкости система хранения энергии на аккумуляторах (BESS) требуется для сглаживания пиковых нагрузок в городских условиях?

Для коммерческих зданий типичный объём BESS составляет от 500 кВт·ч до 2 МВт·ч, чтобы сгладить пиковую нагрузку объекта. Для сглаживания пиковых нагрузок на уровне распределительной подстанции требуется от 10 до 50 МВт·ч — в зависимости от профиля нагрузки фидеров. Городские проекты масштаба электросетевой компании начинаются от 100 МВт·ч и выше. Расчёт ёмкости зависит от величины пиковой нагрузки, её продолжительности и целевого процента снижения, а не от какой-либо фиксированной формулы.

Как долго система хранения энергии на аккумуляторах (BESS) может поддерживать разряд при сглаживании пиковых нагрузок?

Большинство городских систем сглаживания пиковых нагрузок рассчитаны на непрерывную разрядку в течение 2–4 часов при номинальной мощности. Это покрывает типичное утреннее или вечернее пиковое окно. Системы длительного действия (6–8 часов) существуют, но их стоимость за кВт·ч выше, и дополнительная ёмкость редко оправдана исключительно для сглаживания пиковых нагрузок, хотя такие системы добавляют ценность за счёт вспомогательных услуг, например, регулирования частоты.

Эффективно ли сглаживание пиковых нагрузок с помощью аккумуляторных энергосистем (BESS)?

Да. Комбинирование BESS с солнечными панелями на крышах зданий или городскими ветрогенераторами создаёт гибридную систему, в которой избыточная выработка возобновляемой энергии в полдень заряжает аккумулятор для разрядки в вечерний пик. Это решает проблему «утиной кривой», когда выработка солнечной энергии снижается как раз в тот момент, когда возрастает вечерний спрос. Поставщики, такие как Liaoning Sinotech Group, предлагают интегрированные решения BESS и солнечной энергетики для этой задачи.

В чём разница между модульными (в стойках) и штабелируемыми BESS?

Система хранения энергии с креплением в стойку устанавливается в стандартные серверные стойки шириной 19 дюймов для внутренних установок в контролируемых средах. Система хранения энергии, состоящая из блоков, устанавливается в пыле- и влагозащищённые наружные шкафы, которые соединяются электрически и обмениваются данными через центральный контроллер. Крепление в стойку подходит для зданий управления подстанциями; блочная система — для наружного размещения на фундаменте там, где отсутствует подходящее внутреннее пространство.

Как снижение пиковой нагрузки с помощью BESS позволяет сократить расходы на электроэнергию?

Коммерческие и промышленные потребители, использующие тарифы с дифференциацией по времени суток, избегают платы за пиковую мощность, потребляя энергию из BESS в периоды максимальных тарифов. Плата за пиковую мощность — рассчитывается исходя из самого высокого объёма потребления за 15-минутный интервал в течение месяца — может составлять от 30 до 70 % от общей суммы счёта за электроэнергию объекта. Снижение пиковой нагрузки полностью устраняет или сокращает такие платежи без снижения фактического объёма потреблённой энергии.

Какое техническое обслуживание требуется для городской установки BESS?

Ежеквартальный осмотр системы теплового управления, испытания ёмкости дважды в год и непрерывный удалённый мониторинг через систему управления аккумулятором (BMS). Химический состав LiFePO4 не требует пополнения электролита, в отличие от свинцово-кислых аналогов. Уравнивание элементов происходит автоматически через BMS при работе с частичным зарядом, характерной для циклов сглаживания пиковой нагрузки.