Сегодня зависимость от традиционных источников энергии снижается из-за их ограниченных запасов и загрязнения окружающей среды и в последнее время акцент сместился в сторону использования возобновляемых источников. Однако существует серьезное ограничение использования энергии из возобновляемых источников из-за их нестабильности в «генерации», т.е. те же ветровые турбины зависят от погодных условий, солнечные станции – от погоды и времени суток и т.д.

Поэтому единственным решением этой проблемы стала разработка систем накопления энергии и среди них – Pumped Hydro Energy System (PHЕS), Compressed Air Energy System (CAES), супермаховики, суперконденсаторы, Battery Energy Storage System (BESS), Superconducting Magnetic Energy Storage (SMES), Hydrogen energy storage (HES) и др.

Для систем хранения энергии:

• большей емкости (с высокими нагрузками потребления) обычно используются дорогие по инвестициям гидроаккумулирующие (PHЕS) и адиабатические (CAES) системы;
• средней емкости, как правило применяют проточные, свинцово-кислотные и натрий-серные (NaS) аккумуляторы;
• (условно) небольших объемов резервируемой энергии используют супермаховики, суперконденсаторы и аккумуляторные системы накопления энергии.

Аккумуляторные системы накопления энергии (BESS) - специализированное оборудование или система, которая используется в системах возобновляемой энергии, а также в электрораспределительных сетях для повышения общей надежности и качества электроснабжения. По факту BESS сегодня стала частью продвигаемых в нашей стране Smart Grid (или Micro-grid), состоящей из различных распределенных источников питания на низковольтной стороне распределительной сети, которые могут работать в двух режимах. Первый — режим сети, когда потребители делятся энергией, вырабатываемой их источниками (в основном солнечными батареями) с основной сетью, а второй - островной аварийный, когда при аварийной ситуации или нехватки электроэнергии Micro-grid автоматически переходит в изолированный режим и подключает свои BESS системы.

BESS, как правило, намного меньше, чем системы PHЕS или CAES, в основном из-за меньших геологических, географических, пространственных требований, а также потому, что установки BESS могут быть размещены близко к нагрузке. Здания, в том числе мобильные, контейнерные на объекте зависят от типа аккумулятора: свинцово-кислотные батареи размещаются в закрытой конструкции, в то время как для проточных нужно использовать отдельные внешние резервуары для хранения. Система питания из выпрямителей и инверторов постоянного и переменного тока, требует охлаждения в условиях высокой нагрузки и, соответственно компенсации реактивной мощности, нивелирования гармоник, а присутствие потенциально опасных жидких электролитов может ограничивать размещение и требовать дополнительного оборудования для мониторинга и локализации.

Специфика потребности в реактивной энергии и эмиссии гармоник в аккумуляторных системах накопления энергии (BESS).

Комплексная система BESS (упрощенно) состоит из АСУ ТП, аккумуляторных батарей, резервуаров для хранения и насосов для перекачки электролита, ШИМ преобразователей, т.е. здесь по факту есть весь «пакет» нагрузок, потребляющих реактивную энергию и генерирующих гармонические искажения в сеть.

Блоки BESS могут быть размещены на подстанциях для поддержки локального напряжения, или непосредственно на масштабных объектах разного назначения в качестве резервного источника питания. Однако несмотря на то, что эффективность аккумуляторных элементов может быть значительно выше, чем в системе PHЕS (более 90% для «проточных» ванадиево-окислительно-восстановительных батарей), дополнительные нагрузки существенно снижают чистый КПД систем. Для проточных аккумуляторных батарей требуются жидкостные насосы, которые снижают общий КПД примерно на 3%, а необходимость активного охлаждения приводит к дополнительным потерям.

В отличие от PHЕS или CAES, батареи BESS хранят и производят постоянный ток, для чего требуются преобразователи переменного тока в постоянный, а твердотельные компоненты (полупроводниковые вентильные переключатели) с одной стороны улучшили как эффективность работы преобразователей, но с другой - повысили стоимость и стали источником генерации большого спектра гармоник с быстрым изменением характеристик. Т.е. если даже абстрагироваться от типовых систем обеспечения условий эксплуатации BESS (вентиляция, кондиционирование, освещение, часто аспирация, отопление и пр.) основная нагрузка в аккумуляторных системах накопления быстроизменяющаяся с большой потребностью в реактивной энергии, эмиссией значительного спектра гармоник разных, в том числе критических амплитуд.

УКРМ, УКРМТ и фильтры гармоник в системах аккумулирования энергии солнечных и ветровых станций.

Солнечная и ветровая энергия считаются двумя крупнейшими источниками возобновляемой энергии, однако их производительность может значительно различаться в зависимости от времени суток, погоды, но внезапная потеря возобновляемой генерации потенциально может привести к коллапсу напряжения и частоты, что может сказаться на стабильности энергосистемы и приведет к нежелательным скачкам мощности, создавая дополнительные проблемы для сетевых операторов. Для устранения этих недостатков стоит использовать системы накопления энергии, но оборудованные дополнительно техническими средствами компенсации реактивной мощности и нивелирования гармоник.

Как и на промышленных объектах, предприятиях горнодобывающей отрасли, металлургии и т.д. (ссылки на 7, 4 и 1 соответственно) конденсаторные установки повышения коэффициента мощности и фильтры гармоник, включая активные АФГ для систем аккумулирования энергии солнечных и ветровых станций подбираются исключительно после анализа данных полного энергетического аудита объекта, что позволит определить способ компенсации (централизованный, групповой, индивидуальный или смешанный), место интеграции технического средства, а также обосновать необходимость и целесообразность использования:

• нерегулируемых конденсаторных установок коррекции коэффициента мощности для компенсации фоновой потребности в реактивной энергии, как силовым оборудованием, включая комплектные преобразователи для электропривода переменного (или постоянного) тока с регулируемой скоростью, ШИМ выпрямители и инверторы, так и системами обеспечения;
• автоматических конденсаторных установок коррекции коэффициента мощности – релейных (УКРМ) или на полупроводниковых ключах (тиристорных УКРМТ), которые целесообразно применять для (соответственно) монотонно или быстроизменяющейся потребности в реактивной энергии;
• L-C контуров в конденсаторных установках для защиты конденсаторов от наброса токов гармоник критических амплитуд («фильтровые УКРМФ и УКРМТФ) и пассивных фильтров гармоник (одно- или многозвенных), нивелирующих гармонические искажения резонансных частот;
• АФГ или гибридных активно-пассивных фильтров (из АФГ оптимальной мощности и пассивного многозвенного фильтра, настроенного на резонансные частоты нескольких критических гармоник) и т.д.