CC BY
3
period of the climate controller software cycle, which ensures the required accuracy of maintaining the air temperature in the greenhouse.
Key words: temperature, time and level quantization, discrete transfer function.
Pevcheva Elena Viktorovna, postgraduate, [email protected], Russia, Ulyanovsk, Ulyanovsk State Technical University,
Kozlovsky Vladimir Nikolaevich, doctor of technical sciences, professor, head of the department, [email protected], Russia, Samara, Samara State Technical University,
Starikov Alexander Vladimirovich, doctor of technical sciences, professor, head of the department, star58@,mail.ru, Russia, Samara, Samara State Technical University
УДК 621.311
DOI: 10.24412/2071-6168-2024-1-537-538
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ СИСТЕМ НАКОПЛЕНИЯ ЭНЕРГИИ С ВОЗОБНОВЛЯЕМЫМИ ИСТОЧНИКАМИ ДЛЯ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ НЕФТЕГАЗОДОБЫВАЮЩИХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ
Р.Н. Хамитов, Г.А. Хмара, В.Р. Махмутова
В статье рассмотрены типы накопителей энергии, их возможность применения с возобновляемыми источниками энергии (ВИЭ) и влияния на параметры качества и надежность системы электроснабжения нефтегазодобывающих месторождений. Разработан алгоритм определения параметров систем накопления энергии (СНЭ) совместно с гибридными системами электроснабжения для нефтегазодобывающих месторождений с целью определения мощности и емкости СНЭ для повышения параметров качества поставляемой электроэнергии, обеспечения резервных мощностей и непрерывного питания.
Ключевые слова: возобновляемые источники энергии, система накопления энергии, параметры надежности энергосистемы, коэффициент свойства заряда, параметры качества электроэнергии.
Ветер используется как возобновляемый источник энергии (ВИЭ) с нулевыми затратами на топливо и отсутствием углеродных выбросов в атмосферу, на основании этого многие страны поставили перед собой цель включить значительную долю ветровой энергии в свои энергосистемы. Однако мощность ветровой генерации сильно варьируется и контролируется оператором лишь в ограниченной степени из-за ее прерывистого характера.
Скорость ветра имеет переменный характер и представляет серьезные проблемы в интеграции ветровых ресурсов, т.к. ветровой поток может быть минимальным в тот момент, когда система электроснабжения действительно нуждается в мощности ветрогенерации и это является одной из причин затруднения использования ветровых ресурсов [1].
Основной способ, который используют системный оператор для управления изменчивостью и прерывистостью ветра заключается в повышении уровня резервов, например, применение системы накопления энергии (СНЭ).
Одними из ключевых препятствий для использования систем хранения электроэнергии на территории Российской Федерации являются [2,3]:
537
1. Отсутствие определения «система хранения электроэнергии» в законодательных и технических документах, регулирующих отношения в электроэнергетике;
2. Недостаточное внимание к особенностям присоединения и функционирования СНЭ к электрическим сетям в существующих нормативных документах. При подключении СНЭ необходимы двунаправленные системы, которые могут принимать и отдавать электроэнергию в сеть в любой период времени с помощью двустороннего присоединения.
При использовании СНЭ происходит существенное влияние на работу энергосистемы: обеспечивается гибкость для смягчения воздействия переменных возобновляемых источников, а также повышаются надежность и параметры качества электроснабжения потребителей в связи с переводом в более стабильный режим работы генерирующих мощностей [4].
Накопители обеспечивают высокую степень надежности и непрерывности при электроснабжении нефтегазодобывающих месторождений, а именно, достижение номинальных параметров за несколько секунд, чем резервные генерирующие источники, т.к. последним необходимо больше времени на запуск и достижение номинальной мощности [5].
На нефтегазодобывающих месторождениях неравномерность потребления электроэнергии приводит к увеличению пиковой мощности и использования СНЭ позволяет оптимизировать график энергопотребления, компенсируя отклонения от запланированного графика, а также снижая потребления из внешней сети [6].
Накопитель энергии может использоваться в качестве генератора, нагрузки или просто в режиме ожидания в зависимости от потребностей системы. В связи с тем, как применяется СНЭ, оказывается большое влияние на параметры надежности энергосистемы.
Одной из целей использования накопителей энергии является повышение параметров надежности энергосистемы. Повышение параметров надежности обычно сопряжено с более высокими экономическими затратами, такими как ежегодная стоимость приобретение энергии и годовая стоимость хранения энергии [7].
На рис. 1 представлены типы накопителей энергии: энергоемкость и время, в течение которого каждый способен отдавать энергию. В левом нижнем углу размещены накопители энергии, гарантирующие соответствие параметров электропитания с выбранным значением, в правом верхнем углу - характеризующиеся понятным управлением и переключением режимов, а между ними находятся источники для резерва [8].
1 кВт 10 кВт 100 кВт 1 мВт 10 мВт 100 мВт 1 ГВт
Класс мощности системы
Рис. 1. Типы накопителей энергии
Применение СНЭ совместно с ВИЭ на нефтегазодобывающих месторождениях позволит решить проблемы, связанные с параметрами качества поставляемой электроэнергии, наличием резервных мощностей и непрерывным обеспечением питания. СНЭ позволяют сделать электрическую энергию гибкой, портативной при помощи накапливания и отдачи электроэнергии в течение коротких или длительных периодов времени, быстрых переключений между режимами работы, соотношения мощности и энергоемкости, а также допустимыми токами заряда/разряда [9,10].
На рисунке 2 представлен алгоритм определения параметров СНЭ: для начала
определяем Сст и Рснз для поглощения чрезмерной РВИэ, далее выходная суммарная мощность ВИЭ и СНЭ корректируется в соответствии с проверкой на ограничения, затем с помощью коэффициента свойства заряда Кс3 регулируется СсНз и Рснэ, и в завершении проводится контроль выходной суммарной мощности ВИЭ и СНЭ [11].
Выходной мощности присваивается нижняя граница
Расчет коэффициента свойства заряда (Ко)
Нет "'Батарея ""\Да
Рис. 2. Алгоритм определения параметров систем накопления энергии для нефтегазодобывающих месторождений
539
Необходимо сравнить графики выдачи мощности электростанции (ЭС) на базе ВИЭ и графика нагрузки для определения требуемой Рснэ и Сснэ. - Емкость СНЭ:
С СНЭ ^ (РВИЭ ,i Рнагр,1) ' At,
(1)
t < t з
i=t < T
(2)
на интервале времени ^ - 1 зарядки
- Мощность СНЭ:
Р'снэ = max{РВИЭл -Рнагр,1 } ,
Максимальное изменение выходной суммарной мощности СНЭ и ВИЭ принято в диапазоне 10% на 10-минутном интервале, то есть АРсумм < 0,1Рном, Рном - номинальная мощность на установки на базе ВИЭ.
Максимальное изменение мощности определяется:
£l0 = (max{WL}-min{w^ })/Рм. (3)
Если Sm < 0,1, то Рсу
сумм
Р Р
—сумм' сумм
это верхняя и нижняя допустимая
граница выдачи мощности, которые рассчитываются по формуле:
Р сумм = min
Р сумм = max
W }+0,]
I сумм J
У?}- 0,
сумм
(4)
1Ро
Тогда Рсумм в момент t:
Рсумм
Р если Р < Р
—сумм? сумм — —сумм'
Рсумм, если Рсумм
Рсумм , Рсумм
(5)
Рсумм , если Рсумм > Рс
Коэффициент свойства заряда:
K = C / C
сз тек макс~>
(6)
Если значение Ксз приближено к границам полного заряда/разряда, то применяются ограничения на прием/выдачу мощности батареи. В таблице 1 представлены значения ограничивающего коэффициента к.
Значение ограничивающего коэффициента
Таблица 1
C / C Значение коэффициента к
Заряд Разряд
0,3 1 0
0,3 - 0,4 1 1 - (0,4 - Стек / Cmax)/0,4
0,4 - 0,6 1 1
0,6-1 1 - (Стек / Cmax - 0,6)/0,4 1
Требуемая емкость батареи на интервале времени осреднения данных:
ДСснэ , = к- (РВИ^ — Рсумм;) -Дг, (7)
Мощность СНЭ, при работе батареи в допустимом режиме с учетом влияния
Ксз:
Р/ = Р — А С / А г (8)
^ СНЭ 1 ВИЭ л ^ ^СИЗЛ1 ^''
После сглаживания графика суммарной мощности СНЭ и ВИЭ проверяются ограничения по формулам (4-5), а также корректируется значение емкости и мощности по формулам (7-8).
Итоговая емкость и мощность СНЭ определяется по формуле:
T
ССНЭ = ^АССНЭ.1,
i=t (9)
РСНЭ = max {pCH3,i}. Коэффициент использования установленной мощности Киум ЭС на базе ВИЭ:
N
Киум =£ (Р • ti / Руст • T))-100%, (10)
где и, N - граница рассматриваемого интервала t, Pi - фактическая мощность ЭС на базе ВИЭ, Руст - установленная мощность ЭС на базе ВИЭ.
При неизменной доле энергии ветряной электростанции, подключенной к узлу нагрузке, необходимо наибольшее значение Сснэ и Рснэ для получения Киум. Дальнейшее увеличение Киум при конкретной Сснэ останавливается в связи с неосуществимостью выполнения энергии ветряной электростанции с учетом ограничений.
Неравномерное изменение Рснэ при повышении емкости происходит в связи с переменчивостью графика выдачи мощности ветряной электростанции. Предложенный алгоритм позволяет определить Рснэ и Сснэ совместно с гибридными системами электроснабжения с целью повышения параметров качества поставляемой электроэнергии, обеспечения резервных мощностей и непрерывного питания нефтегазодобывающих месторождений.
Список литературы
1. Maisonneuve N., Gross G. A production simulation tool for systems with integrated wind energy resources // IEEE Transactions on Power Systems, V. 26, no. 4 - November 2011. P.2285 - 2292.
2. Требования к обеспечению надежности электроэнергетических систем, надежности и безопасности объектов электроэнергетики и энергопринимающих установок «Методические указания по устойчивости энергосистем», утверждены приказом Минэнерго России от 03 августа 2018 г. № 630
3. Холкин Д.В., Корев Д.А., Абрамов А.Ю. [и др.]. Применение систем накопления энергии в России: возможности и барьеры // Инфраструктурный центр EnergyNet. Экспертно-аналитический отчет / Ред: Д.В. Холкин, Д.А. Корев, Москва 2019, 158 С.
4. Кононенко В.Ю., Вещунов О.В., Билашенко В.П. [и др.]. Эффекты применения накопителей энергии в изолированных энергосистемах России / В.Ю. Кононенко, О.В. Вещунов, В.П. Билашенко, Д.О. Смоленцев // Арктика: экология и экономика. -2014. - №2 (14). - С.61 - 66.
5. Зырянов В.М., Кирьянова Н.Г., Нестеренко Г.Б. [и др.]. Энергетические характеристики гибридной системы накопления электрической энергии / В.М. Зырянов,
Н.Г. Кирьянова, Г.Б. Нестеренко, Г.А. Пранкевич, А.М. Потапенко // Энергия единой сети. - 2018. - №6 (42). - С. 34 - 43.
6. Wen J., Zheng Y., Donghan F. A review on reliability assessment for wind power // Renewable and Sustainable Energy Reviews, V. 13, no. 9 - December 2009. P. 2485 -2494.
7. Куликов Ю.А. Накопители электроэнергии - эффективный инструмент управления режимами электроэнергетических систем / Электроэнергетика глазами молодежи - 2018: материалы 9 междунар. молодеж. науч.-техн. конф., Казань, 1-5 окт. 2018 г. В 3 т. - Казань: Казан. гос. энергет. ун-т, 2018. - Т. 1. - С. 38-43.
8. Zobaa A.F. Energy storage technologies and applications. Rijeka, Croatia: Intech, 2013. 328 p.
9. Robert A. Huggins / Energy Storage. Springer, 2010. 435 p.
10. Frank S. Barnes / Large Energy Storage Systems. Handbook. CRC Press, 2011.
254 p.
11. Балуев Д.Ю., Зырянов В.М., Кирьянова Н.Г., Методика расчета основных параметров накопителя энергии по экспериментальным нагрузочным диаграммам / Д.Ю. Балуев, В.М. Зырянов, Н.Г. Кирьянова, Г.А. Пранкевич // Вестник Иркутского государственного технического университета. - 2018. - Т. 22. - № 5.
12. Зырянов В.М., Елшин А.И., Борисов А.А. Задачи оптимизации структуры и алгоритмов управления автономными энергосистемами / В. М. Зырянов, А.И. Елшин, А.А. Борисов // Сибирский научный вестник. Новосибирский научный центр \ Но-осферные знания и технологии\, РАЕН, выпуск XIII. Новосибирск: Изд. НГАВТ, -2010, C. 16 - 22.
13. Shi N. Energy Storage System Sizing Based on a Reliability Assessment of Power Systems Integrated with Wind Power. 20 p.
14. Sioshansi R., Madaeni S.H., Denholm P. A dynamic programming approach to estimate the capacity value of energy storage / R. Sioshansi, S.H. Madaeni, P. Denholm. IEEE Trans. Power Syst. 2014. P. 395-403.
15. Степаненко В.П. Определение параметров накопителей энергии комбинированных силовых установок / В.П. Степаненко // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). -2016. - №8. - С. 166 -173.
16. Сокольникова Т.В. Определение оптимальных параметров накопителя для интеграции возобновляемых источников энергии в изолированных энергосистемах с активными потребителями / Т.В. Сокольникова, К.В. Суслов, Ломбарди Пио // Вестник Иркутского государственного технического университета. - 2015. - № 10. - С. 206 -211.
17. Кононенко В.Ю., Вещунов О.В., Билашенко В.П., Смоленцев Д.О. Эффекты применения накопителей энергии в изолированных энергосистемах России / В.Ю. Кононенко, О.В. Вещунов, В.П. Билашенко, Д.О. Смоленцев // Арктика: экология и экономика. - 2014. - №2 (14). - С. 61 - 66.
18. Махмутова В. Р., Хмара Г. А. Анализ коэффициента запаса статической устойчивости энергосистем с возобновляемыми источниками энергии // Новые технологии - нефтегазовому региону. Материалы Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых. В IV томах. Тюмень, 2022. С. 34 - 37.
19. Махмутова В. Р., Хмара Г. А. Анализ электромагнитных переходных процессов при трехфазных коротких замыканиях в энергосистемах с возобновляемыми источниками энергии // Инновации. Интеллект. Культура. Материалы V Международной научно-практической конференции, посвященной 435-летию основания г. Тобольска, году Данилы Чулкова в г. Тобольске. Тюмень, 2022. С. 157 - 161.
20. Степанов О. А., Чекардовский М. А., Махмутова В. Р., Хмара Г. А. Исследование влияния накопителей электрической энергии на параметры качества переход-
ных процессов в гибридных энергосистемах с ветроэлектрическими установками // Промышленная энергетика. 2023. №10. С. 25 - 33.
21. Р. Н. Хамитов, Г. А. Хмара, В. Р. Махмутова. Алгоритм выбора мест размещения накопителей энергии для системы электроснабжения нефтегазодобывающих месторождений // Известия Тульского Государственного университета. 2023. №11. С. 121 - 126.
Махмутова Валерия Рушановна, аспирант, [email protected], Россия, Тюмень, Тюменский Индустриальный Университет,
Хмара Гузель Азатовна, канд. техн. наук, доцент, [email protected], Россия, Тюмень, Тюменский Индустриальный Университет,
Хамитов Рустам Нуриманович, д-р техн. наук, профессор, Россия, Тюмень, Тюменский Индустриальный Университет
DETERMINATION OF PARAMETERS OF ENERGY STORAGE SYSTEMS WITH RENEWABLE SOURCES FOR ELECTRIC SUPPLY OF OIL AND GAS PRODUCING
FIELDS
R.N. Khamitov, G.A. Khmara, V.R. Makhmutova
The article discusses the types of energy storage devices, their possibility of use with renewable energy sources and their impact on the quality parameters and reliability of the power supply system of oil and gas fields. An algorithm has been developed for determining the parameters of energy storage systems together with hybrid power supply systems for oil and gas fields in order to determine the power and capacity of energy storage systems to improve the quality parameters of supplied electricity provide backup capacity and continuous power supply.
Key words: renewable energy sources, energy storage system, power system reliability parameters, charge property coefficient, power quality parameters.
Makhmutova Valeria Rushanovna, postgraduate, lera. maxmutova95@mail. ru, Russia, Tyumen, Tyumen Industrial University,
Khmara Guzel Azatovna, candidate of technical sciences, docent, [email protected], Russia, Tyumen, Tyumen Industrial University,
Khamitov Rustam Nurimanovich, doctor of technical sciences, professor, Russia, Tyumen, Tyumen Industrial University
