Выравнивание графика электрической нагрузки фермы КРС с применением накопителя электроэнергии

Введение.

Применение НЭ в системах электроснабжения ферм КРС может решать несколько задач. Это повышение надёжности электроснабжения за счёт использования НЭ в качестве резервного источника электроснабжения. Выравнивание суточных графиков электрической нагрузки при выдаче электроэнергии НЭ в часы её пикового потребления сельхозобъектом. Применение НЭ может быть альтернативой реконструкции линий электропередачи (ЛЭП) с целью увеличения их пропускной способности. Стабилизация резкопеременных нагрузок и повышение качества электроэнергии за счёт снижения уровня несимметрии и снижения уровней отклонения напряжения. Кроме того, применение НЭ в сельских электрических сетях позволяет достичь ряда других эффектов, среди которых социальные (за счёт повышения качества электроэнергии, поставляемой сельским потребителям и снижения отключений), экологические (снижение эмиссии парниковых газов) и другие, которые рассмотрены в [1, 2].

Применение НЭ в электрических сетях, в том числе сельских – одно из актуальных направлений. Так, в работах [3, 4] приводится анализ опыта применения НЭ для повышения качества электрической энергии, указаны направления совершенствования алгоритмов управления НЭ.

Разработаны способы и средства регулирования напряжения в сети с применением НЭ, например, в [5].

Различные аспекты применения НЭ рассмотрены в работах отечественных и зарубежных авторов. Ряд этих работ посвящён особенностям применения НЭ в энергосистемах, системах электроснабжения [6-8].

Выполняются работы, посвященные развитию инфраструктуры зарядных станций и применению НЭ в ней [9, 10].

Особенно актуальными являются исследования по применению НЭ совместно с возобновляемыми источниками энергии [11, 12]. Выполняются разработки по оценке состояния НЭ [13, 14].

Однако, недостаточно внимания в работах различных авторов уделяется вопросам применения НЭ для выравнивания графиков нагрузки с использованием НЭ, получению экономии от применения зонных тарифов на электроэнергию. Графики электрической нагрузки ферм КРС имеют выраженные пики утреннего и вечернего максимума, обоснованные суточной сезонностью технологического процесса. Максимальная потребляемая мощность может превышать минимальную в 3 и более раз. Как утренний, так и вечерний максимумы нагрузок ферм КРС происходят в периоды, когда стоимость электроэнергии наиболее высока, так как определяется по тарифу пиковой зоны. Уменьшить неравномерность графика потребляемой из сети электроэнергии и снизить стоимость электроэнергии позволяет применение накопителей электроэнергии (НЭ). Для оценки возможных эффектов по выравниванию графика и экономии на стоимости электроэнергии необходимо определить временные зоны, в которые рационально осуществлять зарядку НЭ с потреблением электроэнергии от сети и их разрядку с выдачей электроэнергии, компенсирующей пиковое потребление фермы.

Актуальной является задача оценки возможностей применения НЭ для выравнивания графиков нагрузки на примере животноводческого предприятия, оценки необходимых параметров НЭ для этого и определения возможной экономии на стоимости электроэнергии.

Материалы и методы. В работе применялся литературный обзор, методы инженерного эксперимента, изобретательской деятельности.

Результаты и обсуждение.

С применением таймера-электросчётчика мобильного портативного ТЭМП-3 [15, 16] получены недельный (рисунок 1) и суточный (рисунок 2) графики нагрузки фермы КРС. Измерения проводились в период с19 ноября по 25 ноября 2020 года.

Рисунок 1 – Недельный график нагрузки отходящей ЛЭП, питающей ферму КРС

Рисунок 2 – Суточный график нагрузки отходящей ЛЭП, питающей ферму КРС

Анализ полученных графиков позволил выявить несимметрию нагрузки по фазам. Определены значения утреннего и вечернего максимума нагрузки как по току, так и по мощности. В частности, на данной ЛЭП максимальная нагрузка наблюдается в утренние часы, её рост начинается в 5.00 и достигает максимального значения в 7.00 (порядка 20-23 кВт по фазе L1, 20-22 кВт по фазе L2 и 17-20 кВт по фазе L3). Затем наблюдается спад нагрузки до значений от 2-х до 7 кВт по фазам. Вечерний максимум нагрузки приходится на период времени от 17.00 до 22.00 с пиком в 19.00. В это время нагрузка достигает 20-22 кВт на фазах L1, L2 и 18-ти кВт на фазе L3. Минимальная нагрузка наблюдается от 0.00 до 3.00. Самый загруженный день за период наблюдений – понедельник, 23.11.2020г. Эти особенности графика нагрузки связаны с графиком осуществления технологического процесса на ферме. На рисунке 2 отмечены зоны возможной разрядки НЭ для снижения пиков потребления мощности из сети и зоны зарядки, в которые рационально осуществлять заряд НЭ для выравнивания графика нагрузки.

Использование зонных тарифов по времени суток совместно с выравниванием графика нагрузки позволяет достичь экономии электроэнергии. Анализ приведённых на рисунках 1 и 2 графиков показывает, что в целом пиковые значения потребляемой мощности совпадают по времени с временными пиковыми зонами (7:00 – 10:00; 17:00 – 21:00). Также характерны и полупиковые зоны (10:00 – 17:00; 21:00 – 23:00). В ночной зоне (23:00 - 07:00) нагрузки минимальны. В [17] приведены значения тарифов на электроэнергию для разных зон. В таблице 1 приведены данные по Орловской области для 2-й ценовой категории для потребителей мощностью менее 150 кВт (на ноябрь 2022 г.).

Таблица 1 - Предельный уровень нерегулируемых цен для трех зон суток, руб./МВт∙ч без НДС [17]

№ п/п	Группа потребителей	Уровень напряжения
		ВН	СН I	СН II	НН
1	Прочие потребители
1.1	Иные прочие потребители
1.1.1	ночная зона	3 502,93	4 006,76	4 901,46	5 702,14
	- средневзв. стоимость э/э (м)	827,40	827,40	827,40	827,40
	- услуги по передаче	2 046,10	2 549,93	3 444,63	4 245,31
	- сбытовая надбавка ГП	623,12	623,12	623,12	623,12
	- инфраструктурные платежи	6,31	6,31	6,31	6,31
1.1.2	полупиковая зона	5 682,35	6 186,18	7 080,88	7 881,56
	- средневзв. стоимость э/э (м)	3 006,82	3 006,82	3 006,82	3 006,82
	- услуги по передаче	2 046,10	2 549,93	3 444,63	4 245,31
	- сбытовая надбавка ГП	623,12	623,12	623,12	623,12
	- инфраструктурные платежи	6,31	6,31	6,31	6,31
1.1.3	пиковая зона	11 095,33	11 599,16	12 493,86	13 294,54
	- средневзв. стоимость э/э (м)	8 419,80	8 419,80	8 419,80	8 419,80
	- услуги по передаче	2 046,10	2 549,93	3 444,63	4 245,31
	- сбытовая надбавка ГП	623,12	623,12	623,12	623,12
	- инфраструктурные платежи	6,31	6,31	6,31	6,31

Для выравнивания графика нагрузки необходимо определить ёмкость и определить графики заряда и разряда НЭ. Анализ недельного графика показывает, что различия по дням недели в потребляемой мощности составляют по самой загруженной фазе менее 10%.

Среднеквадратичная мощность за период 6:15 – 9:15 (первый пик с потребляемой мощностью более 15 кВт) по фазам: Рф 1L1 = 18,61 кВт; Рф 1L2 = 15,18 кВт; Рф 1L3 = 14,19 кВт. Пиковая мощность за этот период Рфп 1L1 = 23,6 кВт; Рфп 1L2 = 22,1 кВт; Рфп 1L3 = 19,5 кВт.

Потребление электроэнергии за данный период составляет:

Wф 1L1 = 55.83 кВт·ч; Wф 1L2 = 45,54 кВт·ч; Wф 1L3 = 42,57 кВт·ч.

Предполагается такое снижение потребляемой мощности, чтобы её пиковые значения не превышали 15 кВт. В этом случае максимальная выдаваемая НЭ мощность по самой нагруженной фазе L1, Рм /,1 , кВт, составит:

Рм_1L1 = Рфп_1L1 - 15 = 23,6 - 15 = 8,6 кВт.                 (1)

Среднеквадратичная выдаваемая НЭ мощность НЭ по фазе L1, Рнэ1£1, составит 4,86 кВт при выдаче НЭ по данной фазе за время разряда Wфнэ1L1= 14,58 кВт^ч (при времени выдачи электроэнергии, равном 3 ч).

По фазе L2, Рнэ 1£ ₂ = 4 кВт; Wф_нэ1L2= 10 кВыч (при времени выдачи электроэнергии, равном 2,5 ч).

По фазе L3, Рнэ1£3 = 2,65 кВт; Wфнэ1L3= 5,3 кВт^ч (при времени выдачи электроэнергии, равном 2 ч).

Необходимая минимальная фазная ёмкость аккумуляторов по самой загруженной фазе, С ф _1L1 Нэ , А-ч, за данный период:

Сфи. 1нэ = k_HP • W^ = 1,3 • — = 86,2 ,                (2)

^ф ±^L± НЭ нр у ф            0,22          ^{,                        v 7}

где к _нр - коэффициент неполноты разряда аккумулятора, безразм. [18];

U ф - фазное напряжение, кВ.

По другим фазам ёмкость НЭ принимается не менее самой нагруженной фазы.

Среднеквадратичная мощность за период 18:12 – 20:33 (второй, вечерний пик с потребляемой мощностью более 15 кВт) по фазам: Рф 2L1 = 17,27 кВт; Рф 2L2 = 14,63 кВт; Рф 2L3 = 12,87 кВт. Пиковая мощность за этот период Рфп 2L1 = 21,3 кВт; Рфп 2L2 = 22,2 кВт; Рфп 2L3 = 19,6 кВт.

Потребление электроэнергии за данный период составляет:

Wф2L1 = 37,22 кВт^ч; Wф2L2 = 30,36 кВт^ч; Wф2L3 = 28,38 кВт^ч.

Предполагается такое снижение потребляемой мощности, чтобы пиковые значения не превышали 15 кВт. В этом случае максимальная выдаваемая НЭ мощность по самой нагруженной фазе L2, РмL1, кВт, составит Рм2L2= 7,2 кВт.

Среднеквадратичная выдаваемая НЭ мощность НЭ:

• -    по фазе L1, Рнэ_2L1= 3,15 кВт при выдаче НЭ по данной фазе за время разряда Wф_нэ2L1= 8,2 кВт^ч (при времени выдачи электроэнергии, равном 2,6 ч);

• -    по фазе L2, Рнэ_2L2 = 4,5 кВт; Wф    = 7,2 кВтч (при времени выдачи

нэ2 L2

электроэнергии, равном 1,6 ч);

• -    по фазе L3, Рнэ_2L3 = 2 кВт; Wф_нэ2L3= 2 кВт^ч (при времени выдачи электроэнергии, равном 1 ч).

Необходимая минимальная фазная ёмкость НЭ, С ф _2L1 Нэ , А-ч, за данный период:

С ф 1L1НЭ   ^ нр

WнЭ 2L1 U ф

=13·8,2

= 1,3 · 0,22

48,5.

Таким образом, минимально необходимая фазная ёмкость НЭ составляет 86,2 А·ч и определена по утреннему пиковому потреблению.

С учётом деградации элементов НЭ принимается запас в 10% [19] устанавливаемая фазная ёмкость аккумуляторов должна быть не менее СфНЭуст = 95 А·ч.

Потребляемая фазная мощность при равномерной зарядке в течение времени зарядки, tЗЗ2, равном 4,5 ч в первой зоне заряда по фазе L1, РфНЭ3З2L1, кВт, составит:

^РфНЭ33 1L1

W h3 2li = 8,2

t 33 2        ^4,5

По фазе L2 Р фНЭЗЗ _1L2 =

^1,6 кВт. По фазе L3 Р ФНЭЗЗ _1L3

= 0,44 кВт.

Потребляемая фазная мощность при равномерной зарядке в течение времени зарядки,

, кВт, составит:

t ₃₃ 1 , равном 4,5 ч во второй зоне заряда по фазе L1, Р ф_НЭ₃З 1_L1

Wнэ     14,58

Р ФНЭЗЗ 2L1 = — ~ -⁴

По ^фазе L2 Р ФНЭЗЗ_2L2

= 2,2 кВт. По фазе L3 Р фнэЗЗ _2L3=

1,2 кВт.

График с учётом применения НЭ при электроснабжении фермы КРС показан на рисунке 3.

---L1;---L2;---L3 Время суток, ч:м

Рисунок 3 – График нагрузки ЛЭП, питающей ферму КРС с учётом применения НЭ

Возможная экономия за счёт выравнивания графика нагрузки и переноса части потребления в ночную и полупиковую зону (компенсация пиковой мощности происходит за счёт выдачи электроэнергии НЭ) определиться сравнением стоимости электроэнергии, потребляемой и вырабатываемой НЭ в разные зоны зарядки и разрядки. Данное сравнение проведено с учётом данных таблицы 1 и результатов расчёта, приведённых выше. Результаты сведены в таблицу 2.

Таблица 2 – Экономия на стоимости электроэнергии за счёт применения НЭ

Цикл работы НЭ	Объём потребления электроэнергии, кВт·ч	Тариф на электроэнергию, руб./кВт·ч	Стоимость электроэнергии, руб.	Суммарная стоимость электроэнергии, руб.
Пиковое потребление в зоне утреннего максимума нагрузки L1 L2 L3 ∑	14,58 10 5,3 29,88	13,295	397,25	628,58
Пиковое потребление в зоне вечернего максимума нагрузки L1 L2 L3 ∑	8,2 7,2 2 17,4	13,295	231,33
Потребление в зоне зарядки 1 L1 L2 L3 ∑	8,2 7,2 2 17,4	5,702	99,21	334,69
Потребление в зоне зарядки 2 L1 L2 L3 ∑	14,58 10 5,3 29,88	7,881	235,48
Суточная экономия, руб.				293,89
Экономия в год, руб.				107269,85

Таким образом, с учётом ряда допущений (равномерность графика нагрузки в течение года, допущение о равенстве объёмов потребляемой в процессе зарядки и разрядки НЭ энергии и т.п.), ориентировочно экономия на стоимости электроэнергии составляет 107269,85 руб. за счёт переноса части потребления электроэнергии из пиковых периодов в полупиковые и ночные.

В дальнейших исследованиях необходимо обосновать тип и марку НЭ, его технические характеристики, рассмотреть другие эффекты от применения НЭ при электроснабжении ферм КРС.

Выводы. Обзор литературы выявил актуальность применения накопителей электроэнергии для выравнивания графиков электрической нагрузки, в том числе ферм КРС. Проанализированный график электрической нагрузки фермы КРС позволил определить значения параметров пикового потребления электроэнергии, в том числе пиковые значения потребляемой мощности (до 23 кВт на фазу). Выбраны зоны с минимальным потреблением, находящиеся в полупиковых и ночных зонах, в которые рационально перенести часть потребления электроэнергии. Рассчитана необходимая ёмкость НЭ, позволяющая устранить пики графика нагрузки и которая, для рассматриваемого примера, составила 95 А Построен график нагрузки с учётом применения НЭ. Определена, с учётом зонных тарифов на электроэнергию, ориентировочная экономия электроэнергии от выравнивания нагрузки с переносом части потребления электроэнергии в полупиковую и ночную зоны. Экономия составила более 100 тысяч рублей за год.

ч.