MicroGrid

MicroGrid — ответ на новые вызовы электроэнергетики

Опубликовано в номере:
PDF версия
Современные тенденции на рынке электрической энергии, такие как использование MicroGrid, еще десять лет назад казались неосуществимыми. Новый подход к выработке энергии и ее доставке конечным потребителям влечет за собой появление вопросов, требующих ответа от ученых и специализированных компаний. АВВ следит за такими тенденциями и постоянно занимается разработкой необходимых решений.

Основным драйвером для продвижения технологии MicroGrid стала задача обеспечения энергоэффективности. С самого начала ее решением считался целенаправленный поиск потенциальных источников энерго­сбережения. Ими могут служить передача электроэнергии на постоянном токе в магистральных сетях, применение частотно-регулируемых приводов, установка низкозатратных силовых трансформаторов, использование населением LED-технологий взамен классических ламп и т. д. В области генерирующих мощностей инвесторы активно поддерживали подход к возобновляемым источникам как логическому дополнению к существующему традиционному топливу — в основном углю, газу и ядерному топливу.

На фоне повышающихся цен на сырье и уменьшения его запасов возникли жесткие требования по снижению расходов. Энергетика, долгое время находившаяся в стабильном состоянии, пережила серию кризисов и оказалась не готова к новым рыночным условиям, в которых появился еще один фактор — субсидии на возобновляемые источники.

В связи с появлением альтернативных источников энергии возникли новые вызовы для разработчиков и поставщиков связанных с ними технологий. Перед учеными была поставлена задача превратить теоретические наработки в «коммерческие», а у производителей — реализовать их.

Благодаря субсидиям на новом рынке появилось много игроков, и использование возобновляемых источников энергии (ВИЭ) становилось все популярнее. Но поскольку существующая инфраструктура не была готова к изменениям, многие источники подключались к сетям, неспособным к работе с электростанциями подобного типа. Также из-за технических особенностей применения новых источников требовался другой опыт эксплуатации. Мощности исчислялись в большей степени в единицах или десятках мегаватт, что тоже отрицательно влияло на электрическую сеть. При этом в каждом случае требовался достаточный активный резерв, который бы реагировал на изменения в работе альтернативных источников. Если в крупных сетевых системах такие задачи более-менее выполнимы, то в изолированных сетях (т. е. тех, которые не подключены к магистральной сети или в которых она слабо поддерживается) это было нереализуемо или возможно только за счет поставки энергии несоответствующего качества. В то время как основные качественные характеристики для потребителей — это постоянное напряжение и частота. Именно решение этих проблем, связанных с работой традиционных и возобновляемых источников в изолированных сетях, является сегодня наиболее важным вопросом в электроэнергетической отрасли.

 

Принцип работы

MicroGrid — это локальная изолированная сеть. Четкой границы мощности для нее не существует, поэтому обычно она не указывается. Компания АВВ установила себе границу на мощности около 20 МВт, чтобы сфокусироваться на решении определенных задач. Существует и такое понятие, как NanoGrid, но данные сети характеризуются малыми мощностями — до 50 кВт.

Типичная сеть MicroGrid

Рис. 1. Типичная сеть MicroGrid

MicroGrid включает набор генерирующих источников и набор потребителей (рис. 1). Генерирующие объекты представлены комбинацией традиционных источников, работающих на дизеле (дизель-генераторы) или газе (газо-поршневые двигатели), малыми гидростанциями и ВИЭ (в основном ветроустановками и солнечными станциями). Возможна любая комбинация указанных источников, и если основной причиной для использования ВИЭ является чисто экономический эффект (субсидии, гарантированный тариф и т. д.) или снижение расхода основного топлива, то тип источника электроэнергии особого значения не имеет. Стоит отметить, что замещение традиционного источника «зеленым» также позитивно отразит­ся на экологическом аспекте. Если конечному потребителю важно снизить вредные выбросы от традиционных источников и улучшить уровень жизни, то для владельцев генерации применение ВИЭ еще и снижает налогообложение за вредные выбросы. В некоторых странах этот фактор стал решающим для применения ВИЭ в локальных сетях.

Основные негативные факторы применения ВИЭ и их воздействия на локальную сеть кроются в самом принципе выработки энергии, так как она зависит от климатических условий. К примеру, исключается чисто островной режим работы: ВИЭ отключаются оператором сети при появлении островного режима, в котором участвуют или участвовали бы только альтернативные источники. Второй важный фактор — это высокая волатильность при выработке самой энергии. Также можно отметить слабую прогнозируемость объема выработанной энергии.

Рис. 2. Колебание выработки энергии ВИЭ

Сравним графики на рис. 2. На верхнем показан пример работы солнечной станции, на нижнем — ветростанции. В обоих случаях особую роль играют климатические условия и их изменения на протяжении года. Именно в связи с этим в островных сетях, изолированных от магистральных, невозможно вырабатывать качественную электроэнергию без параллельного подключения традиционных источников.

Рис. 3. Карта применения решений MicroGrid компании АВВ

Все вышеперечисленные факторы формируют основную задачу для MicroGrid — обеспечение сбалансированной сети. Рассмотрим подробнее комплексные решения для изолированных сетей MicroGrid, которые предлагает компания АВВ (рис. 3, табл. 1).

Таблица 1. Реализованные проекты
Название объекта/страна Описание технологии Преимущество
Gorona Del Viento /
Канарские острова
Интеграция ветровых установок 5×2,3 МВт с ГАЭС мощностью 11,32 МВт и дизель-генераторами на 11 МВт. Первая в мире интеграция гидроаккумулирующей станции с возобновляемыми источниками, эффективное управление системой.
Ross Island /
Антарктика
Интеграция ветровых установок 3×330 кВт с дизель-генераторами 9×125 кВт, установка стабилизатора PowerStore на 500 кВт. Минимизация эксплуатации дизель-генераторов, экономия в топливе 463 000 литров/год, снижение выбросов CO2 на 2800 тонн/год.
Марбл-Бар /
Австралия
Интеграция фотоэлектрической установки 1×300 кВт с дизель-генераторами 4×320 кВт, установка стабилизатора PowerStore на 500 кВт. Минимизация эксплуатации дизель-генераторов, экономия в топливе 405000 литров/год, снижение выбросов CO2 на 1100 тонн/год.
Медный рудник DeGrussa / Австралия Интегрированное решение с применением фотовольтаической установки 10,6 МВт с системой накопления с дизель-генераторной установкой, установка стабилизатора PowerStore. Минимизация эксплуатации дизель-генераторов, экономия в топливе 5 млн литров/год, снижение выбросов CO2.
Остров Кадьяк / Аляска Стабилизация островной сети. Стабилизация сети с колебаниями 9 МВт, продление срока жизни аккумуляторных батарей, эффективное управление.

 

Стабильность и баланс

Решение задачи по установлению сбалансированной сети усложняется за счет малых мощностей, колебаний нагрузок и ограничений на стороне генерации. Если бы генерация была построена только за счет традиционных источников с выполнением ее надлежащего резервирования, то для контроля такой сети и ее управления требовалось бы обеспечить только мониторинг источников, правильную настройку регуляторов и вынос их на групповой уровень. Скорость регуляции выработки электрической энергии при изменении нагрузок была бы достаточной для ее качественной поставки. В случае пуска или, наоборот, неожиданного отключения «больших» потребителей это могло бы кратковременно влиять на сеть.

В случае подключения ВИЭ в такую сеть помимо нестабильности в потреблении возникает риск уже на стороне генерации, что повышает требования к быстродействию всей системы в целом. Решить данную проблему можно только за счет применения эффективных инструментов стабилизации.

При этом важно не только повысить КПД, но и мгновенно реагировать на любые изменения в сети, чтобы избежать потерь, которые могут привести к убыточности микросети. Для управления такой сетью необходимо использовать надежные быстрые контроллеры. Компания АВВ применяет контроллеры собственной разработки — MGC (MicroGrid Controller) (табл. 2). Для сбора данных используются как цифровые, так и аналоговые модули ввода/вывода линейки IDC, а для стабилизации сети — два основных элемента: накопитель, работающий с применением аккумуляторных батарей линейки ESV, и стабилизатор сети PowerStore, который функционирует на механическом принципе вращающего маховика с генераторным или моторным режимом работы. Основная задача накопителя — сохранение баланса сети в случае длительных изменений, т. е. накопление при избытке электрической энергии или выдача при ее дефиците. В то же время PowerStore обеспечивает стабильность сети благодаря возможности кратко­временно поглощать избыток или покрывать дефицит. Время реакции такой системы составляет менее чем 150 мс, а перегрузочная способность — до 10 номинальных мощностей.

Таблица 2. Контроллеры ABB для MicroGrid
Название/обозначение Описание
Дизель / Газовый генератор / MGC600G Для контроля, мониторинга и подключения дизель-газовых генераторов
Вывод в распределительную сеть / MGC600F Для контроля, мониторинга и подключения выводов и их защит
Солнечная станция / MGC600P Для контроля, мониторинга и подключения солнечных инверторов
Нагрузка / MGC600L Для управления, мониторинга и подключения больших нагрузок, таких как дробилки, котлы, мощные промышленные насосы и т. д.
Гидрогенератор / MGC600H Для контроля, мониторинга и подключения гидростанций
Накопитель энергии / MGC600E Для контроля, мониторинга и подключения накопителей АВВ или других накопителей — механических или аккумуляторных батарей
Подключение MicroGrid к сети / MGC600N Для контроля, мониторинга и подключения к другой сети или магистральной сети
Ветростанция / MGC600W Для контроля, мониторинга и подключения ветростанций

АВВ производит стабилизаторы сети PowerStore трех номиналов — 500, 1000 и 1500 кВт. Соответственно, при перегрузке эффективно стабилизировать можно сети мощностью до 15 МВт. Система с контролем, накоплением, стабилизацией и параллельной эксплуатацией традиционных и возобновляемых источников называется MicroGrid Plus (рис. 4).

остроение системы MicroGrid Plus

Рис. 4. Построение системы MicroGrid Plus

Решение PowerStore включает в себя инверторы и специальное программное обеспечение (виртуальный генератор). PowerStore поддерживает интеграцию с часто неустойчивым использованием ВИЭ и обеспечивает их эффективное применение и защиту отдаленных населенных пунктов от скачков в сети. Также PowerStore снижает вредные выбросы от традиционных источников (в основном дизельных) и общую зависимость от такого рода топлива. Высокоскоростное прикладное обеспечение контролирует поток энергии в маховике с высокой инерционностью. Это позволяет мгновенно уменьшать колебания мощности, вырабатываемой ветряками или солнечными батареями. При подключении к сети аккумуляторных батарей в виде накопителей получается полностью сбалансированная сеть, устойчивая к изменениям на стороне генерации и независимая от потребления (конечно, только до начала эффективной работы накопителей).

В рамках применения решения MicroGrid в России компания АВВ видит большой потенциал в удаленных регионах, таких как Дальний Восток, Республика Саха, а также на промышленных предприятиях (добыча, переработка), которые либо не получают энергию от магистральных сетей, либо испытывают трудности с качеством поставляемой энергии (из-за колебаний напряжения и частоты, отключения питания и т. д.).

Основные компоненты для построения MicroGrid:

  • газовые или дизельные генераторы;

  • ветростанции;

  • солнечные станции;

  • гидростанции;

  • другие возобновляемые источники, например геотермальные электростанции;

  • выводы в распределительную сеть;

  • подключение к магистральной сети или локальный сети (опционально);

  • накопители энергии:

    • механические накопители и стабилизаторы (кратковременные),

    • аккумуляторные батареи (долгосрочные);

  • контролируемые потребители:

    • промышленные (предприятия, заводы и т. д.),

    • коммерческие (освещение, отопление, охлаждение офисов, магазинов и т. д.),

    • частные (освещение, отопление, охлаждение, насосы для бассейнов, мелкие приемники и аппараты и т. д.).

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *