Nr 187 11 mgr inż. Kazimierz JAROSŁAWSKI

Instalacje elektryczne
mgr inż. Kazimierz JAROSŁAWSKI
Stowarzyszenie Elektryków Polskich
SYSTEM WSPOMAGANIA ELEKTROENERGETYKI
KONDENSATOROWYMI i AKUMULATOROWYMI
MAGAZYNAMI ELEKTRYCZNOŚCI WEKiAMEL
Zawartość opracowania
1.Wstęp
• Przedmiot opracowania
• Opracowania wcześniejsze związane z Systemem WEKiAMEL
• Założenia i dane wyjściowe opracowania
2. Nośniki energii elektrycznej w Systemie WEKiAMEL
2.1. Baterie z akumulatorami niklowo-kadmowymi Ni-Cd
• Informacje internetowe angielskiej firmy SEC dotyczące akumulatorów Ni-Cd,
• Przybliżone obliczenia doboru baterii akumulatorów Ni-Cd,
• Wykresy pracy akumulatorów Ni-Cd.
2.2. Baterie z superkondensatorami
• Informacje internetowe angielskiej firmy Maxwell dotyczące superkondensatorów,
• Przybliżone obliczenia doboru baterii kondensatorów,
• Podstawowe charakterystyki superkondensatorów .
3. System współpracy baterii akumulatorów i superkondensatorów
• Zasadnicze wykresy pracy akumulatorów Ni-Cd i superkondensatorów,
• Analiza współpracy baterii akumulatorów Ni-Cd i superkondensatorów,
• Układ ideowy Systemu WEKiAMEL.
4. Zespoły energoelektroniczne w Systemie WEKiAMEL
4.1.Wprowadzenie,
4.2. Kondycjoner szeregowy z przekształtnikiem AC-DC/DC-AC dwupoziomowym,
4.3. Kondycjoner równoległy (przekształtnik dwupoziomowy),
4.4. Przekształtnik trójpoziomowy z diodami poziomującymi,
4.5. Trójfazowy 5 – poziomowy przekształtnik z diodami poziomującymi,
4.6. Metody sterowania w przekształtnikach wielopoziomowych,
4.7. Realizacja w IEL przekształtnika czteropoziomowego z diodami poziomującymi.
Nr 187
11
Instalacje elektryczne
5. Możliwości wykorzystania Systemu WEKiAMEL w stanach nieustalonych systemu elektroenergetycznego.
6. Rozwój przyszłościowy magazynów energii elektrycznej – baterii litowo – jonowych:
• Baterie litowo-jonowe w sieci przesyłowej,
• Energia i moc różnych typów baterii. Rozwój baterii litowo-jonowych. Wykresy.
7. Podsumowanie i wnioski.
8.Bibliografia.
1. Wstęp
Przedmiot opracowania
Przedmiotem niniejszego artykułu jest opracowanie studialne Systemu Wspomagania Elektroenergetyki Kondensatorowymi i Akumulatorowymi Magazynami
ELektryczności WEKiAMEL. Celem pracy jest wskazanie zasadności stosowania
takich Systemów w kraju. Praca adresowana jest do Elektroenergetyki Polskiej w intencji wsparcia budowy modelu doświadczalnego tegoż Systemu w Instytucie Elektrotechniki w Warszawie, a w przyszłości do budowy i aplikacji tychże Systemów
o wielkościach dostosowanych do potrzeb i wymagań krajowego systemu elektroenergetycznego.
Opracowania wcześniejsze związane z Systemem WEKiAMEL
Niniejsze opracowanie stanowi kontynuację trzech wcześniejszych opracowań
tegoż Autora systemów wspomagania elektroenergetyki bateryjnymi i superkondensatorowymi magazynami elektryczności, stanowiących materiał pomocniczy informacyjny dla IEL:
1)Systemu WEBMEL – Wspomaganie Elektroenergetyki Bateryjnymi Magazynami ELektryczności – 01.2012.
2)Systemu WEKMEL – Wspomaganie Elektroenergetyki Kondensatorowymi
Magazynami ELektryczności – 04.2012.
3)Systemu WEKiAMEL – Wspomaganie Elektroenergetyki Kondensatorowymi
i Akumulatorowymi Magazynami ELektryczności – 02.2014.
Założenia i dane wyjściowe opracowania
Opracowanie niniejsze, podobnie jak opracowania poprzednie posiada charakter
informacyjny. W pracy zamieszczono informację Instytutu Elektrotechniki dotyczącą przekształtników energoelektronicznych (własnych rozwiązań technicznych),
odpowiednich dla systemu WEKiAMEL. W opracowaniu wykorzystano dostępne
w Internecie publikacje na tematy magazynowania energii wybranych krajowych
ośrodków naukowych oraz znanych na polskim rynku firm światowych produkujących superkondensatory oraz akumulatory dla elektroenergetyki. System WEKiAMEL opracowano w aspekcie coraz szerszych zastosowań energetyki odnawialnej
12
Instalacje elektryczne
promowanej przez Unię Europejską. W opracowaniach Systemu WEBMEL i WEKMEL podstawowe analizy odniesiono do przekształtnika tyrystorowego nn o mocy
1 MVA, którego zastosowanie w omawianych systemach przewidywano pierwotnie
w IEL. W niniejszym opracowaniu systemu WEKiAMEL przyjęto również takie
odniesienie.
W opracowaniu przedstawiono przybliżone wyniki obliczeń (z poprzednich
wyżej wymienionych opracowań) doboru baterii akumulatorów i superkondensatorów w celu uzyskania określonych informacji uzasadniających stosowanie systemów
WEKiAMEL. Załączone do opracowania artykuły (publikacje internetowe p. 8)
stanowią przegląd aktualnej dostępnej wiedzy na temat technologii magazynowania elektryczności w zasobnikach akumulatorowych i kondensatorowych, celowości
i potrzeby ich stosowania oraz uwarunkowania odnośnych aplikacji w warunkach
krajowych.
2. Nośniki energii w Systemie WEKiAMEL
2.1. Baterie z akumulatorami niklowo-kadmowymi Ni-Cd
Informacje internetowe angielskiej firmy SEC dotyczące akumulatorów Ni-Cd
W niniejszym opracowaniu przyjęto akumulatory angielskiej firmy SEC z informacji internetowej (www.sec.com), przedstawiającej podstawowe wielkości i dane dla
wykonania wykresów pracy akumulatorów podanych w opracowaniu. Dla rozwiązań perspektywicznych zalecane jest zastosowanie akumulatorów litowo-jonowych
(p. 6).
Przybliżone obliczenia doboru baterii akumulatorów Ni-Cd
Przybliżone obliczenia doboru baterii akumulatorów podano w opracowaniu
systemu WEBNEL, wersja I – styczeń 2012 r. W niniejszym opracowaniu ograniczono się do podania danych wyjściowych do obliczeń oraz wyników końcowych.
Dane wyjściowe
W niniejszym opracowaniu przyjęto niżej podane dane wyjściowe do określenia
podstawowych parametrów baterii akumulatorów:
a) moc znamionowa przekształtnika 1 MVA,
b) napięcie znamionowe przekształtnika po stronie prądu stałego Unf DC wynoszące 930 V=,
c) napięcie znamionowe falownika po stronie prądu przemiennego Unf AC wynoszące 3 × 690 V~,
d) pracę odwracalną falownika,
e) pracę Systemu WEKiAMEL w okresach szczytów (rozładowywania) oraz dolin
(ładowania) systemu elektroenergetycznego.
Jako kryterium wyjściowe doboru baterii przyjęto napięcie gałęzi akumulatorów
zbliżone do napięcia znamionowego falownika Unf DC ( p. 2.2).
Nr 187
13
Instalacje elektryczne
Dobór baterii akumulatorów
Przyjęto 2 równoległe baterie akumulatorów Ni-Cd firmy SEC, typ KGL- 1570P,
napięcie ogniwa 1,4 V. Sumaryczne napięcie baterii = 938 V.
Rys. 1. Zależność napięcia akumulatorów Ni-Cd [U(V)] od stopnia rozładowywania akumulatora [A(h)] przy różnych pojemnościach rozładowywania: C/2, 2C, 4/C. Najmniejsze spadki
napięć występują przy rozładowywaniu z połową pojemności znamionowej (C/2) akumulatora.
Wzrost napięcia ładowania w końcowej fazie
Rys. 2. Zależność napięcia akumulatorów Ni-Cd [U(V)] od czasu trwania rozładowania akumulatora [t(h)] przy różnych pojemnościach: C/2, C/5, C/10. Najszybsze spadki napięć występują przy rozładowywaniu z pojemnością C/2, najwolniejsze przy rozładowywaniu z pojemnością C/10
14
Instalacje elektryczne
Rys. 3. Zależność prądu rozładowania akumulatorów Ni-Cd [I(A)] od czasu trwania rozładowania akumulatora [t(h)] przy różnych napięciach końcowych: 1 V, 1,05 V, 1,10 V, 1,15 V.
Największe wartości prądu występują w początkowym okresie rozładowania, w czasie 5, 10, 20,
30 minut. Wykres dotyczy akumulatora Ni-Cd typu KGL-1570P o napięciu 14 V (10 ogniw)
o pojemności 1570 Ah produkcji angielskiej firmy SEC
2.2. Baterie z superkondensatorami
Informacje internetowe angielskiej firmy MAXWELL dotyczące superkondensatorów
W opracowaniu do obliczeń przyjęto dane techniczne superkondensatorów według informacji internetowej MAXWELL-a (sup.maxwell.com). Wykresy pracy superkondensatorów podano według dostępnych ogólnych informacji internetowych.
Nr 187
15
Instalacje elektryczne
Przybliżone obliczenia doboru baterii superkondensatorów
Przybliżone obliczenia doboru baterii superkondensatorów podano w opracowaniu systemu WEKMEL, wersja I – kwiecień 2012 r. W niniejszym opracowaniu ograniczono się do podania danych wyjściowych do obliczeń oraz wyników końcowych.
Dane wyjściowe
W niniejszym opracowaniu przyjęto superkondensatory angielskiej firmy
Maxwell. Podstawowe dane techniczne superkondensatorów niezbędne do uproszczonych obliczeń w aspekcie ich zastosowań w opracowywanym systemie WEKiAMEL przedstawiono poniżej:
1) typ BCAP3000,
2) pojemność 3000 F,
3) napięcie 1 superkondensatora 2,7 V,
4) oporność wewnętrzna 1 superkondensatora 0,29 mΏ,
5) temperatura pracy –45 °C do + 65 °C,
6) moc 1 superkondensatora 5900 W/kg,
7) moc maksymalna 1 superkondensatora 14800 W/kg,
8) energia maksymalna 1 superkondensatora 5,96 Wh/kg.
Dane znamionowe przekształtnika oraz transformatora pośredniczącego
nn/WN przyjęto analogicznie jak w opracowaniu studialnym systemu WEBMEL:
moc zespołu 1 MVA, napięcie falownika DC 930 V, AC 690 V, napięcie transformatora 690/6300 V/(15 000 V, 110 000 V) pracę odwracalną przekształtnika oraz wykorzystywanie odpowiednio w szczytach i dolinach systemu elektroenergetycznego.
Dobór baterii superkondensatorów
Przyjęto 1 baterię superkondensatorów firmy MAXWELL (345 szt. połączonych
szeregowo) typu BCAP 3000, 3000 F, 2,7 V. Sumaryczne napięcie baterii = 931 V.
W opracowaniu przyjęto podstawowe charakterystyki superkondensatorów
z danych ogólnych dostępnych w internecie. Są to charakterystyki ładowania i rozładowania superkondensatorów, samorozładowania oraz charakterystyki cieplne.
W materiałach firmy MAXWELL brak jest odnośnych szczegółowych danych do
sporządzania wykresów. Przedstawione wykresy posłużyły do opracowania wykresów porównawczych pracy akumulatorów niklowo-kadmowych i superkondensatorów oraz do analizy ich współpracy z bateriami akumulatorowymi (p. 3). Podstawowe charakterystyki superkondensatorów podano na rys. 4.
Charakterystyki ładowania i rozładowania przedstawiają szybkie wykładnicze zmiany napięcia superkondensatorów w początkowych fazach ładowania i rozładowania, powolne zmiany w fazach końcowych oraz proporcjonalne do zmian
pojemności zmiany rezystancji wewnętrznej. Charakterystyki samorozładowania
przedstawiają zjawisko spadku napięcia superkondensatorów w czasie samorozładowania przy różnych pojemnościach. Przy mniejszych pojemnościach napięcie maleje
szybciej w krótkim czasie rozładowywania, przy większych zaś maleje wolniej przy
16
Instalacje elektryczne
Rys. 4. Podstawowe charakterystyki superkondensatorów
Nr 187
17
Instalacje elektryczne
wydłużonym czasie rozładowywania. Charakterystyki cieplne przedstawiają wzrost
oporności wewnętrznej superkondensatorów w temperaturach ujemnych, stałą
oporność oraz pojemność w temperaturach dodatnich odniesioną do 25 °C (100%).
Zwiększona oporność wewnętrzna w niższych temperaturach wpływać będzie na obniżenie mocy rozładowania superkondensatorów. Superkondensatory mogą pracować w szerokich zakresach temperatur. Według wykresu w temperaturze od –40 °C
do +60 °C.
3. System współpracy baterii akumulatorów i superkondensatorów
Rys. 5. Zasadnicze wykresy pracy akumulatorów Ni-Cd i superkondensatorów
18
Instalacje elektryczne
Analiza współpracy baterii akumulatorów Ni-Cd i superkondensatorów
Analizę przeprowadzono na podstawie zasadniczych wykresów pracy akumulatorów Ni-Cd firmy SEC (p. 2.1) oraz wykresów pracy superkondensatorów firmy MAXWELL (p. 2.2) z informacji internetowej. Wykresy pracy akumulatorów
[rys. 1. – U = f(Q), rys. 2. – U = f(t)] odnoszą się do warunków „normalnej” pracy
akumulatorów. Wykres na rys. 3 przedstawia rozładowanie akumulatorów w warunkach załączenia „awaryjnego” na sieć. Prąd rozładowania baterii akumulatorów
znacznie przekracza prąd znamionowy baterii, wynoszący w warunkach pracy „normalnej” ca 1075 A DC. Na rys. 4 przedstawiono wykresy ładowania, rozładowania
oraz zmiany oporności superkondensatorów w czasie tychże procesów. Na rys. 5
przedstawiono zestawienie porównawcze wykresów „normalnej” i ekstremalnej pracy akumulatorów oraz „normalnej” pracy superkondensatorów. Odniesienie wielkości charakterystycznych pracy baterii akumulatorów do odnośnych wielkości pracy
superkondensatorów jest w tym przypadku tylko poglądowym. Charakterystyki
akumulatorów sporządzono bowiem na podstawie danych współrzędnych firmy
SEC, zaś charakterystyki superkondensatorów przyjęto z informacji internetowej.
Jako bardziej miarodajne będzie w tym przypadku porównanie charakterystycznych
wielkości pracy baterii akumulatorów i superkondensatorów określonych na podstawie przybliżonych obliczeń doboru odnośnych baterii. Dane z obliczeń zamieszczono w tabeli poniżej:
Lp.
Wyszczególnienie
1
Producent urządzeń
2
Typ urządzenia
3
Pojemność
4
Moc rozładowania
5
Energia rozładowania
Uwagi
i odniesienia do opisu
Akumulatory
Superkondensatory
Firma ang. SEC
Firma ang. MAXWELL
KGL 1570 P
BCA P3000 P270 K05 02
1570 Ah
3000 F
–
1043,562 kW
Dane firmowe
akumulatorów
i superkondensatorów
Dane firmowe
akumulatorów
i superkondensatorów
Dane obliczeniowe
1 472,660 kWh
0,6849 kWh
Dane obliczeniowe
Z porównania energii rozładowania baterii akumulatorów i superkondensatorów
wynikają znaczne korzyści ze stosowania systemów WEKiAMEL. W opracowaniu
nie podano mocy rozładowania akumulatorów. Wysoka moc rozładowania baterii
superkondensatorów jest uzasadnieniem ich stosowania w wyżej wymienionym połączonym systemie. Oba zasobniki energii elektrycznej: akumulatorowy i superkondensatorowy wzajemnie się uzupełniają i mogą ze sobą współpracować.
W układzie ideowym Systemu WEKiAMEL – rys. 6. poniżej – magazynami
energii są:
• dwie baterie akumulatorów (67 akumulatorów każda) typu KGL – 1570 P, 1570 Ah,
1,4 V,
• jedna bateria superkondensatorów typu BC AP3000, 3000F, 2,7 V.
Nr 187
19
Instalacje elektryczne
Każda z baterii dostosowana jest do mocy przekształtnika 1 MVA wymienionego
w p. 4.7. ładowanie baterii w pracy odwracalnej przekształtnika w okresach „dolin”
obciążenia systemu elektroenergetycznego. Dwie baterie akumulatorów przyjęto w aspekcie możliwości dłuższej pracy sytemu przy mniejszym obciążeniu, przy
względnie stałym napięciu. Zależność ta ilustrowana jest na rysunku 2. Włączanie
do systemu kolejno superkondensatorów (obciążenia udarowe), następnie akumulatorów (obciążenia ustalone, kilkugodzinne) według określonych algorytmów. Wybór
aplikacji pracy przekształtnika odpowiednio do wybranych stanów pracy systemu
elektroenergetycznego – wymienionych w p. 5. Energia oddawana do sieci elektroenergetycznej może być transformowana na napięcie 6 kV, 15 kV, 110 kV – wybiórczo. Odnośnie poziomu napięć (rozdzielnice SN, WN) istnieją w IEL. możliwe będą
prace doświadczalne z wyżej wymienionymi poziomami sieci elektroenergetycznych.
Rys. 6. Układ ideowy Systemu WEKiAMEL
4. Zespoły energoelektroniczne w Systemie WEKiAMEL
mgr. inż. Zbigniew Zakrzewski – Instytut Elektrotechniki Warszawa
4.1.Wprowadzenie
Dążenie do zachowania wysokiej jakości energii dostępnej w sieci elektroenergetycznej stanowi jedno z podstawowych wyzwań dla współczesnej energoelektroniki.
20
Instalacje elektryczne
Ocena jakości energii jest sprecyzowana w normach EN 50160 oraz IEC 6100.
W większości przypadków poprawa jakości energii w danym punkcie systemu energetycznego polega nie na usunięciu głównej przyczyny (np. eliminacja odbiorników
nieliniowych), ale na ratowaniu sytuacji poprzez instalowanie różnego rodzaju filtrów, symetryzatorów i kompensatorów.
Odpowiednią jakość energii można zapewnić za pomocą kondycjonera energii
elektrycznej. W literaturze zagranicznej bardzo często pojawiają się określenia „conditioning” oraz „conditioner” w odniesieniu do urządzeń elektrycznych. Słownik
podaje cztery znaczenia dla słów „conditioning”. Są to: kondycjonowanie, klimatyzowanie, dopasowanie oraz poprawianie. Na podstawie dwu ostatnich znaczeń można
w uzasadniony sposób zdefiniować pojęcie „kondycjonowanie energii” i wynikającej
z tej definicji grupy urządzeń służących do realizacji tych zadań. Także urządzenia
składające się z przekształtnika/ów i magazynów (zasobników) energii stanowią
układ APC – Activ Power Conditioner, który w najbardziej rozbudowanym przypadku zawiera przekształtnik aktywny i zasobnik energii np.: w postaci superkondensatorów, akumulatorów elektronicznych lub innych zasobników.
Kondycjoner energii zapewnia stabilizację kształtu napięcia (jego amplitudy
i częstotliwości), jego symetrię oraz zapewnia zasilanie odbiornika chronionego przy
przerwach w sieci zasilającej, kompensację mocy biernej, filtracje wyższych harmonicznych i eliminacje przeciążeń. Realizacja wybranej funkcji lub paru jednocześnie
następuje w wyniku adaptowania odpowiedniego algorytmu sterownia.
4.2.Kondycjoner szeregowy z przekształtnikiem AC-DC/DC-AC dwupoziomowym
Rys. 7. Schemat kondycjonera
Kondycjoner szeregowy zapewnia również zasilanie odbiornika chronionego
przy przerwach w sieci zasilającej.
Nr 187
21
Instalacje elektryczne
4.3. Kondycjoner równoległy (przekształtnik dwu poziomowy)
Rys. 8. Schemat kondycjonera
4.4. Przekształtnik trójpoziomowy z diodami poziomującymi
Przekształtnik umożliwiający uzyskanie napięć wyjściowych o lepszym kształcie niż w przypadku klasycznego 2-poziomowego jest przekształtnik 3-poziomowy.
Przekształtnik ten charakteryzuje się tym, że elementy przełączalne (tranzystory
IGBT, tyrystory GTO i IGCT) pracują przy napięciu równym połowie napięcia obwodu pośredniczącego Udc.
Rys. 9. Schemat przekształtnika
W porównaniu z klasycznym trójfazowym przekształtnikiem 2-poziomowym
przekształtnik 3-poziomowy ma 2 razy więcej tranzystorów – w sumie jest ich 12
(T1 ÷ T12) oraz dodatkowo zawiera 6 diod poziomujących (D1 ÷ D6). Diody te są
22
Instalacje elektryczne
przyłączone pomiędzy tranzystory górne lub dolne oraz do punktu neutralnego 0.
Kondensatory C1 i C2 mają taką samą pojemność.
4.5. Trójfazowy 5-poziomowy przekształtnik z diodami poziomującymi
Kolejnym przekształtnikiem wielopoziomowym, który powstał jako rozwinięcie
przekształtnika trójpoziomowego jest n-poziomowy przekształtnik z diodami poziomującymi. W porównaniu z przekształtnikiem trójpoziomowym n-poziomowy
umożliwia przyłączenie wyjścia danej fazy do n różnych poziomów napięć. Napięcia
obwodu pośredniczącego powinno być rozłożone na n-1 kondensatorach, np. w przypadku przekształtnika 5-poziomowego w obwodzie pośredniczącym są cztery kondensatory C1, C2, C3 i C4 (rys. 10).
Rys. 10. Schemat przekształtnika
Ważną zaletą tego przekształtnika jest to, że napięcie na dowolnym z wyłączonych zaworów jest równe napięciu UDC/4.Natomiast na diodach poziomych są one
różne i wynoszą: D1, D6 – UDC/4 D2, D5 – UDC/2 i D3, D4 – 3UDC/4. Można zatem
stwierdzić, że przekształtniki z diodami poziomującymi mogą być konstruowane
przy użyciu sterowanych zaworów energoelektronicznych o niższej klasie napięciowej.
Nr 187
23
Instalacje elektryczne
4.6. Metody sterowania w przekształtnikach wielopoziomowych
Wszystkie metody modulacji można podzielić na dwie grupy, tj. na metody o niskiej częstotliwości przełączania oraz metody o wysokiej częstotliwości. W pierwszej grupie metod zawory przekształtnika przełączane są raz lub kilka razy na okres
podstawowej harmonicznej napięcia wyjściowego. W drugiej grupie metod modulacji częstotliwość przełączania jest znacznie wyższa niż w pierwszej. Główną zaletą
metod o niskiej częstotliwości przełączania jest to, że zawory przełączane są raz lub
kilka razy na okres podstawowej harmonicznej, a zatem straty mocy przełączania są
tutaj minimalne. Ta grupa metod modulacji nadaje się do przekształtników dużej
i bardzo dużej mocy, gdzie używa się wysokonapięciowych zaworów o dużych czasach przełączania. Zaletą metod o wysokiej częstotliwości przełączania jest bardziej
wierne odtwarzanie sygnałów zadanych (modulujących).
4.7. Realizacja w IEL przekształtnika czteropoziomowego z diodami poziomującymi
W Instytucie Elektrotechniki zbudowano przemiennik częstotliwości o pracy
czterokwadrantowej w oparciu o tranzystory IGBT klasy napięciowej UCE = 6,5 kV.
Przekształtnik aktywny, jak i falownik wykonany jest na strukturze przekształtnika wielopoziomowego czteropoziomowego z diodami poziomującymi. Moc znamionowa 1 MVA, napięcie zasilające 3 × 6 kV. Układ został przebadany w laboratorium IEL z wynikiem pozytywnym. Konstrukcja przekształtnika w tej wersji jest
rozwiązaniem uniwersalnym w aspekcie zastosowania. Przekształtnik będzie spełniał wymagania pracy różnych trybów systemu elektroenergetycznego wymienionych w p. 5.
Ogólnie zasadniczym wyróżnikiem i zarazem celem stosowania aktywnych układów kondycjonowania energii elektrycznej układów APC jest umożliwienie i optymalizacja współpracy różnych źródeł i odbioru. Układ APC stanowi więc podstawę
budowy rozproszonych systemów zasilania.
5. Możliwości wykorzystania Systemu WEKiAMEL w stanach nieustalonych
systemu elektroenergetycznego
System WEKiAMEL może działać w kilku różnych trybach roboczych:
1. Stabilizacji napięcia w stanach ustalonych i awaryjnych.
2. Reakcji na ubytki wytwarzanej mocy w innych źródłach systemu elektroenergetycznego.
3. Tłumienia oscylacji napięć sieci.
4. Automatycznego awaryjnego dociążania – zwiększania wydawanej mocy w razie
wyłączania generatora lub linii zasilającej.
5. Planowanego dociążenia – regulacji napięcia i częstotliwości sieci przy załączeniach dużych odbiorów.
6.Automatycznej regulacji generowanej mocy.
24
Instalacje elektryczne
W pracy systemu WEKiAMEL możliwe jest zasilanie systemu elektroenergetycznego w zakłóceniach w stanach początkowych (udarowych) znaczną mocą superkondensatorów, przy możliwości zasilania w stanach ustalonych (poudarowych)
– kilkugodzinnych, znaczną energią baterii akumulatorów. Liczące się aplikacje
WEKiAMEL dla systemu elektroenergetycznego powinny mieć znaczącą moc i odpowiednie napięcie wyjściowe (W.N.) odpowiadające miejscu ich instalowania w systemie elektroenergetycznym.
Na obecnym etapie konieczna jest budowa modelu doświadczalnego o niewielkiej mocy (1 MVA – 2 MVA) w Instytucie Elektrotechniki w Warszawie, który posiada odpowiednie zaplecze techniczne i naukowo-badawcze.
6. Rozwój przyszłościowy magazynów energii elektrycznej – baterii litowo-jonowych
Baterie litowo-jonowe w sieci przesyłowej – WNP.PL (WGK) 21-04-2013
Jednym z podstawowych problemów elektroenergetyki jest brak magazynów
energii. W zasadzie poza elektrowniami szczytowo-pompowymi nie udało się opracować ekonomicznych i efektywnych rozwiązań. Ale w pewnych przypadkach opłacają się nawet rozwiązania kosztowne.
Żeby sieć elektroenergetyczna działała prawidłowo, wytwarzana moc musi być
bilansowana przez obciążenie – produkcja musi odpowiadać potrzebom. Jeśli ten
warunek nie jest spełniony, może dojść do zmian generowanego napięcia (ze względu
na zmianę prędkości obrotowej wału turbiny i połączonego generatora). Stąd potrzeba regulacji mocy i, co za tym idzie, regulacji częstotliwości. A to wymaga utrzymywania rezerw mocy wytwórczych. Amerykańska spółka AES Energy Storage opracowała i wdrożyła nowe rozwiązanie – stosuje potężne zestawy baterii (a w zasadzie
akumulatorów) litowo-jonowych. Takie magazyny energii są bardzo drogie, jednak
w przypadku regulacji częstotliwości sieci przesyłowej stają się opłacalne. Firma na
potrzeby regulacyjne dostarczyła od października 2011 roku 400 GWh energii elektrycznej na potrzeby PJM Interconnection, operatora regionalnej sieci przesyłowej
w USA. Jak to działa? 16 połączonych baterii (o mocy 64 MW) jest ładowanych
prądem wytwarzanym przez 61 turbin wiatrowych zgrupowanych w farmę o łącznej
mocy 98 MW. Ładowanie i rozładowywanie odbywa się w tempie 32 MW na 15 minut. Co więcej, zestaw baterii reaguje w ciągu sekund, co dla elektrowni cieplnych
jest nieosiągalne. Rozwiązania AES Energy Storage nie jest jedyne: firma Duke Energy oddała do użytku Nortress Battery Storage – 36-megawatową baterię połączoną
z farmą wiatrową w Teksasie. Jej zadanie to, oprócz regulacji częstotliwości, łagodzenie gwałtownych zmian w pracy farmy wiatrowej.
Nr 187
25
Instalacje elektryczne
Rys. 11. Wykresy energii i mocy różnych typów baterii. Rozwój baterii litowo-jonowych
7. Podsumowanie i wnioski
W opracowaniu przedstawiono podstawowe problemy związane z pracą baterii
akumulatorów i superkondensatorów w Systemie WEKiAMEL. Opracowanie oparto na informacjach internetowych firm angielskich: firmy SEC dotyczących akumulatorów oraz firmy Maxwell dotyczących superkondensatorów oraz na informacjach
internetowych ogólnych z dziedziny magazynowania energii elektrycznej. Analizę
26
Instalacje elektryczne
współpracy baterii akumulatorów i superkondensatorów opracowano na podstawie
przybliżonych obliczeń doboru tychże baterii. W obliczeniach przyjęto dane techniczne dotyczące akumulatorów i superkondensatorów wyżej wymienionych firm.
W opracowaniu przedstawiono również możliwości rozwojowe różnych zasobników magazynowania energii elektrycznej, ze szczególnym uwzględnieniem rozwoju
i aplikacji baterii litowo-jonowych. Z opracowania wynikają uzasadnione wnioski
stosowania współpracujących ze sobą baterii akumulatorów i superkondensatorów
w systemie WEKiAMEL. Podano również zasadnicze autorskie informacje Instytutu Elektrotechniki dotyczące zespołów przekształtników częstotliwości (nowatorskie rozwiązania), które mogą być zastosowane w Systemach WEKiAMEL, dla
różnych warunków pracy systemu elektroenergetycznego. Załączony do opracowania wykaz literatury (p. 8.) przedstawia aktualną dostępną wiedzę na temat magazynowania energii elektrycznej, jak również celowości, potrzeby oraz aktualne uwarunkowania ich aplikacji w kraju. W p. 6 przedstawiono informację na temat stosowania
akumulatorowych magazynów energii elektrycznej dużej mocy w elektroenergetyce
światowej.
8. Bibliografia
1. Andrzej Czerwiński. Akumulatory, baterie, ogniwa. Wydawnictwo Komunikacji i Łączności. Sp. z o.o. Warszawa. 2.
2. Battery Energy Storage System. Power Engineering 1/2006. USA.
3. Dr inż. Karol Bednarek. Budowa i własności funkcjonalne superkondensatorów.
4. Prof. dr hab. inż. Antoni Dmowski, mgr inż. Kamil Kompa, mgr inż. Łukasz
Rosłaniec, mgr inż. Bernard Szymański – Politechnika Warszawska. Nowoczesne elektrownie fotowoltaiczne z zasobnikami energii połączone z systemem
elektroenergetycznym.
5. Prof. dr hab. inż. Antoni Dmowski, mgr inż. Łukasz Rosłaniec – Politechnika
Warszawska. Odnawialne źródła energii – możliwości i ograniczenia w warunkach polskich.
5. A. Oudalov, D. Chartouni, C. Ohler, G. Linhofer. Value Analysis of Battery
Energy Storage Aplications in power Systems. Źródło informacji: Google 11.
2011 r.
6. George Hunt and Joseph Szymborski. Exide Technologies. Achievements of
an ABSOLYTE Valve Lead-Acid Battery Operating in a utility Battery Energy
Storage System (Bess) for 12 yers. Źródło informacji: Google 11.2011 r.
7. Prof. dr hab. Anna Lisowska-Oleksiak, dr inż. Andrzej P. Nowak, mgr inż. Monika Wilamowska – Politechnika Gdańska. Superkondensatory jako materiały
do magazynowania energii.
8. Prof. dr hab. Anna Lisowska-Oleksiak, mgr inż. Katarzyna Szybowska, mgr
inż. Monika Wilamowska – Politechnika Gdańska. Superkondensatory w systemach do magazynowania i konwersji energii elektrycznej.
Nr 187
27
Instalacje elektryczne
9. Dr inż. Henryk Kocot – Politechnika Śląska. Energetyka rozproszona w scenariuszach rozwojowych polskiej elektroenergetyki do 2020 roku.
10. Prof. Jan Iwaszkiewicz – Instytut Elektrotechniki O/Gdańsk. Superkondensator
– Nowy element w układach elektroenergetycznych.
11. Henryk Majchrzak, Grzegorz Tomasik – Polskie Sieci Elektroenergetyczne –
Operator SA Mieczysław Kwiatkowski – Centrum Zastosowań Zaawansowanych Technologii Sp. z o.o. – Wykorzystanie technologii magazynowania energii do integracji energetyki wiatrowej z systemem elektroenergetycznym.
12. Dr hab. Artur Moradewicz, dr hab. Michał Janasek – Instytut Elektrotechniki
w Warszawie. Superkondensatorowo-akumulatorowy układ zasilania z szybkim ładowaniem.
13. Dr hab. Bogdan Sedler – Fundacja Naukowo-Techniczna „Gdańsk”, Bałtycki
Klaster Eko-Energetyczny, doc. dr hab. Hab. Iwaszkiewicz – Instytut elektrotechniki O/Gdańsk. Superkondensatory – magazyny energii elektrycznej.
14. Dr hab. Bronisław Szubzda – Instytut Elektrotechniki / Oddział Technologii
i Materiałoznawstwa Elektrotechnicznego we Wrocławiu. Superkondensatory
– zasada działania i możliwości zastosowań.
15. Dr hab. Andrzej Zawadzki, Prof. dr hab. Maciej Włodarczyk – Politechnika
Świętokrzyska, Zakład Energoelektroniki. Modelowanie procesów ładowania
i rozładowania superkondensatora. Opracowanie 16 marca 2011 r.
16. Zeszyt Wydziału Elektrycznego Politechniki Śląskiej w Gliwicach. Wprowadzenie do Superkondensatorów.
17. Informacje internetowe angielskiej firmy SEC dotyczące akumulatorów niklowo-kadmowych KLG-1570P, 1570 Ah, 1,4 V, www.secbattery.com.
18. Informacje internetowe angielskiej firmy MAXWELL dotyczące superkondensatorów typu BC AP 3000, 3000 F, 2,7 V, www.maxwell.com.
19. Informacja internetowa Polskiego Towarzystwa Wspierania Przedsiębiorczości.
Portal www.wnp.pl. Polskie Towarzystwo Wspierania Przedsiębiorczości 1997–
2013. Baterie litowo-jonowe w sieci przesyłowej.
Materiał prezentowany na II Kongresie Elektryki Polskiej
28