Отличие применения СНЭ на объектах альтернативной генерации от объектов нефтегазового комплекса

1. Системы накопления энергии, спроектированные для объектов ВИЭ, нельзя напрямую применять на буровых нефтегазовых установках и иных объектах с резкопеременной нагрузкой.

Причина не в самой аккумуляторной технологии, а в принципиально другом назначении всей системы: составе силовой части, алгоритмах управления, быстродействии, кратности тока, перегрузочной способности, устойчивости к отклонениям частоты и напряжения, климатическом исполнении, промышленной безопасности и подтвержденном опыте эксплуатации.

Для ВИЭ накопитель чаще решает задачу энергетического сглаживания и переноса энергии во времени: заряд при избытке солнечной/ветровой генерации, разряд при дефиците, поддержка графика выдачи, иногда участие в сетевых сервисах. Для буровой накопитель решает задачу мгновенной стабилизации автономного энергоцентра, где скачок нагрузки может быть сопоставим с установленной мощностью генераторов, а ошибка в миллисекундном диапазоне приводит к просадке напряжения/частоты, срабатыванию защит и остановке технологического процесса.

2. Принципиальные отличие

Различный характер нагрузки.

На объектах ВИЭ нагрузка и генерация меняются преимущественно по прогнозируемым погодным и суточным профилям. В бурении, особенно при спуско-подъемных операциях, возникают резкие изменения мощности порядка 500 кВт и более за доли секунды, а аварийное отключение генераторной установки может составлять 10–70% всей генерирующей мощности ДЭС или ГПГУ .

Различается требуемое быстродействие.

Для ВИЭ достаточно минутных или часовых моделей распределения энергии. Для буровой даже шаг моделирования 1 секунда назван «базовым минимумом», поскольку более крупный шаг скрывает переходные процессы. Во многих системах зачастую прямо прописаны требования: реакция на изменение мощности — до 3 мс, выдача 100% мощности — до 20 мс, работа при существенных отклонениях частоты и напряжения .

Различается силовая архитектура.

СНЭ для ВИЭ часто проектируется как сетевой накопитель, работающий в системе с внешней опорной сетью. Буровая — это, как правило, слабая автономная сеть с дизель-генераторами или газо-поршневыми установками, где накопитель должен не только отдавать энергию, но и демпфировать переходные процессы, поддерживать качество электроэнергии, взаимодействовать с генераторными регуляторами, частотными преобразователями, защитами и АСУ энергоцентра .

Климатическое исполнения.

Дополнительным критическим требованием является климатическое исполнение оборудования — У1 (для макроклиматического района с умеренным климатом, размещение на открытом воздухе). Оборудование должно быть адаптировано к эксплуатации при температурах от -45°С до +40°С, повышенной влажности, обильных осадках и интенсивном солнечном излучении. Опыт выполнения проектов для стран Ближнего Востока, Юго-Восточной Азии, Африки с более теплым климатом не подтверждает способность оборудования и инженерных решений обеспечивать работоспособность в климатических условиях Российской Федерации, что дополнительно подтверждает необходимость наличия опыта реализации проектов именно на территории РФ в рамках установленных требований. Внешнее обслуживание контейнера станет серьезным негативным фактором при возможном ремонте установки на объекте в районах крайнего севера и не позволит качественно и оперативно произвести ремонт в условиях полярных зим. 

3. Принципиальные отличия СНЭ для ВИЭ и СНЭ для буровых установок

4. Почему опыт ВИЭ не доказывает применимость для буровых установок

Сетевые накопители для ВИЭ относятся к inverter-based resources: к этой категории относятся, в том числе солнечные станции, ветровые станции; их поведение определяется силовой электроникой и программным управлением, а не физическими свойствами синхронной машины. Такие системы имеют мало или вовсе не имеют инерции, обладают очень низким током КЗ и используют чувствительные силовые электронные ключи, тогда как синхронная генерация имеет вращающуюся инерцию, высокий ток КЗ и более «жесткое» электромеханическое поведение .

Для буровой это принципиально: при резком набросе нагрузки накопитель должен действовать не как «энергетический резерв на несколько часов», а как элемент динамической устойчивости. В мире силовая преобразовательная часть делится на  grid-following - инверторы, которые синхронизируются с уже существующей сетевой формой напряжения, и grid-forming-инверторы, которые формируют собственную внутреннюю опорную форму напряжения и способны работать более автономно . Именно второй класс ближе к требованиям буровых, но он требует другой настройки, другой верификации и иной силовой готовности.

Существенно и ограничение перегрузочной способности. Перегрузочная способность современных инверторных систем обычно термически ограничена примерно 1–2 номиналами, тогда как синхронные машины могут иметь существенно большую кратковременную перегрузочную способность . Если для буровой требуется кратковременная выдача высокой мощности, 3–10-кратные токовые режимы или работа вблизи предельных переходных режимов, то «обычный» ВИЭ-накопитель может быть недостаточен не по емкости АКБ, а именно по силовой электронике, алгоритмам и защите.

5. Почему энергетические модели ВИЭ не подходят для буровой динамики

Для ВИЭ типовая задача — оценка генерации, накопления и выдачи энергии за интервалы минут/часов. Например, для солнечной энергетике обычно предусматривается выходную детализацию Помесячно или Почасам. Это полезно для расчета солнечной выработки, но принципиально недостаточно для проверки переходных процессов в автономной буровой сети.

Для буровой нужны модели, которые видят момент наброса/сброса нагрузки, реакцию регулятора ДГУ, работу преобразователей, ограничение тока, изменение частоты, напряжения, SoC, DC-шины и защит. Поэтому расчеты уровня «час/минута» могут показать достаточную энергоемкость, но полностью пропустить момент, когда система фактически уйдет в аварию. Это совпадает с тезисом: укрупнение шага расчета фильтрует переходные процессы и может привести к ошибочному выводу о пригодности решения .

ENTSO-E указывает, что рост доли ветровой и солнечной генерации, подключенной через преобразователи, меняет динамические свойства энергосистемы из-за вытеснения синхронной генерации и появления быстрых временных констант силовой электроники . Это означает, что даже в больших энергосистемах ВИЭ-инверторы требуют специальной проработки устойчивости; в слабой автономной буровой сети запас устойчивости еще меньше.

7. Выводы

• Разная цель: ВИЭ-СНЭ хранит энергию; буровая СНЭ стабилизирует автономную сеть в переходных процессах.
• Разный временной масштаб: ВИЭ — минуты/часы; буровая — миллисекунды/секунды.
• Разная нагрузка: ВИЭ работает с плавной переменной генерацией; буровая — с резкопеременной технологической нагрузкой.
• Разная силовая нагрузка на инвертор: буровая требует высокой кратности тока, перегрузки и быстрого выхода на мощность.
• Разная сетeвая среда: ВИЭ часто подключается к внешней сети; буровая работает в слабой островной сети с ДГУ.
• Разная логика управления: ВИЭ-СНЭ может быть grid-following; буровой накопитель должен поддерживать устойчивость, напряжение, частоту и взаимодействовать с генераторами и защитами.
• Разные методы расчета: ВИЭ-модели с часовым/минутным шагом не подтверждают пригодность для буровой динамики.
• Разные условия эксплуатации: нефтегазовые объекты требуют климатического исполнения, пожарной и промышленной безопасности, ЗИП, сервисной службы и допусков.
• Разный опыт: проекты ВИЭ не доказывают компетенцию в бурении, так как не воспроизводят СПО, аварийные отключения ГУ и резкие изменения мощности.

Типовую систему накопления энергии для ВИЭ нельзя использовать на буровых нефтегазовых установках и иных объектах с резкопеременной нагрузкой как эквивалент специализированной СНЭ. Для таких объектов требуется специально рассчитанная, испытанная и подтвержденная система, ориентированная не на хранение энергии от ВИЭ, а на миллисекундную стабилизацию автономного энергоцентра, работу при резких переходных процессах, повышенную перегрузочную способность и промышленную безопасность.