Локальная буферизация энергии, как эффективный способ ресурсо- и энергосбережения в электроэнергетических системах

Как известно, практически любой достаточно мощный потребитель имеет неравномерный по времени график энергопотребления. С другой стороны, все генерирующие установки требуют стабильную равномерную загрузку.

Ярким примером неравномерности энергопотребления является система тягового электроснабжения электрических железных дорог. На рис. 1. показаны результаты длительных замеров на фидере № 3 тяговой подстанции «Фили» Московской железной дороги. В данном случае показаны ток и напряжение фидера в течение 5-и суток с дискретностью 1мС. На рисунке хорошо заметны утренний и вечерний пики нагрузки, ночной и дневной провалы, а также и крайне неравномерный характер энергопотребления в рабочие часы.

Рисунок 1. Зависимость тока и напряжения фидера №3 тяговой подстанции «Фили» Московской железной дороги в течение 5-и суток

На рис. 2. показан увеличенный фрагмент осциллограммы тока того же фидера в течение 1-их суток. Здесь видно, что скачки тока достигают 2200А, хотя средний ток фидера составляет всего лишь порядка 400А.

Следует также отметить, что полным ходом ведутся работы по введению на электрических железных дорогах режима рекуперативного торможения. В этом случае неравномерность еще более увеличится, а именно появится отрицательная составляющая тока тяговой подстанции похожего неравномерного характера.

Рисунок 2. Зависимость тока фидера №3 тяговой подстанции «Фили» Московской железной дороги в течение 1-их суток

Решить вечную проблему несогласованности в режимах работы источника и потребителя частично или полностью можно с помощью локальной буферизации энергии, которая заключается в создании необходимой энергоемкости между источником и потребителем энергии, с целью разделить во времени требуемые величины генерируемой и потребляемой мощности. Выполнить это можно с помощью различных видов накопителей энергии (НЭ).

Сравнительный анализ всего разнообразия НЭ показал, что для электроэнергетической системы железных дорог наиболее подходят сверхпроводящие (СПИН), инерционные (ИНЭ) и емкостные (ЕНЭ) накопители энергии.

ЕНЭ – единственный тип накопителей, который можно устанавливать на электроподвижном составе, в основном с целью принятия энергии рекуперации. Использование ЕНЭ, расположенного непосредственно на электроподвижном составе (ЭПС), полностью снимает проблемы с приемом энергии рекуперации. Энергоемкость ЕНЭ, в случае его размещения на вагоне ЭПС, должна составлять 5-6 МДж.

ИНЭ целесообразнее устанавливать на тяговых подстанциях и на постах секционирования тяговой сети (ТС) в середине межподстанционной зоны, не только для принятия избыточной энергии рекуперации, но и для частичного сглаживания графика энергопотребления. При использовании НЭ на ТП и в ТС для приема избыточной энергии рекуперации, а также частичного выравнивания графика энергопотребления, технически оправданная для инерционных накопителей энергии энергоемкость должна составлять около 100-200МДж.

Самым энергоемким накопителем является СПИН. Его эффективно можно использовать на тяговой подстанции для описанных выше функций или даже вместо нее. Такой проект уже рассматривался при проектировании железнодорожной ветки с консольным питанием Москва-Шереметьево, но предпочтение, все же оставили традиционному техническому решению. Смысл использования НЭ в данном случае заключается в следующем: в конце зоны, у аэропорта, вместо тяговой подстанции устанавливается НЭ. В моменты незначительной нагрузки на зоне или ее отсутствия НЭ заряжается по тяговой сети от ближайших тяговых подстанций (особенно это выгодно ночью, когда электроэнергия в несколько раз дешевле). А в моменты дефицита мощности НЭ подключается к сети и работает как тяговая подстанция. Энергоемкость накопителя при этом должна быть уже довольно большой, т.к. она сосредоточена в одном месте и должна составлять величину, соизмеримую с дневным расходом электроэнергии, т.е. около 10¹⁰ Дж.

Технико-экономическое обоснование использования НЭ в проекте Москва-Шереметьево показало, что стоимость НЭ соизмерима со стоимостью тяговой подстанции и подходящей к ней ЛЭП. Однако в сравнении с ней НЭ обладает рядом преимуществ. А именно:

- выравнивается нагрузка соседних тяговых подстанций;

- экономятся эксплуатационные затраты на электроэнергию в связи с разницей дневных и ночных тарифов;

- отпадает необходимость в подведении к тяговой подстанции ЛЭП;

- появляется возможность принятия и сохранения в системе тягового электроснабжения энергии рекуперации.

Таким образом, ЕНЭ, ИНЭ и СПИН в особенности представляют огромный интерес для использования в электроэнергетических системах железнодорожного транспорта. Следует также отметить, что в настоящее время есть опытные образцы СПИН на основе теплой сверхпроводимости. Стоимость подобного НЭ на порядок меньше существующих низкотемпературных гелиевного уровня, что сделает его использование экономически необходимым.