Микросети — что это такое и как они работают
Почему различные материалы имеют разные удельные сопротивления
23/10/2022
Что такое децентрализованная энергетика
27/10/2022Что такое микросеть
Устойчивое развитие является основным принципом сохранения наших ограниченных, но жизненно важных ресурсов для будущих поколений.
В контексте электрических систем устойчивое развитие связано с применением и контролем возобновляемых источников энергии для производства электроэнергии вместо ископаемых видов топлива, таких как уголь, нефть или газ.
Кроме того, желательно производить электроэнергию вблизи центров потребления, чтобы свести к минимуму неблагоприятное воздействие на окружающую среду при строительстве линий электропередачи и распределения.
Растущий спрос на электроэнергию и неизбежность повышения надежности и снижения затрат мотивируют применение распределенных энергоресурсов в распределенных электрических сетях, а не их расширение.
Термин «микросеть» (Microgrid, MG) относится к маломасштабной системе производства и распределения электроэнергии, в которой кластер нагрузок снабжается локально несколькими источниками энергии и системами накопления и хранения энергии.
Это небольшие энергетические системы с важными преимуществами, такими как:
- возможность более дешевого производства электроэнергии на островах, удаленных районах и в сельской местности;
- обеспечение более эффективного использования энергии благодаря распределенной генерации;
- более бережное отношение к окружающей среде за счет с использования возобновляемых источников энергии.
Однако из-за различных факторов этот подход может быть особенно сложным. Необходимо учитывать такие аспекты, как тип работы микросети (подключенная или отключенная от внешней сети), ее управление, тип нагрузки и т. д.
Микросети повышают надежность и устойчивость электроснабжения отдельных кварталов и районов и могут позволить, лучше управлять спросом и предложением электроэнергии, а также помогают интегрировать возобновляемые источники энергии в электрическую систему.
Ключевой особенностью микросетей является то, что они могут работать в режиме подключения к сети или в изолированном режиме (автономно).
Она может интегрировать различные возобновляемые источники энергии, находящиеся вблизи центров нагрузки с системами накопления энергии и может координировать их для удовлетворения спроса.
С другой стороны, подключенные к сети микросети могут повысить отказоустойчивость и надежность работы электрической системы.
Такие решения часто используются в учебных заведениях, аэропортах, больницах, военных базах, промышленных перерабатывающих и производственных предприятиях и других объектах.
Обеспечение 100%-ного проникновения возобновляемых источников энергии является конечной целью микросетей, однако на нынешнем переходном этапе неизбежно использование в качестве некоторых источников электрической энергии небольших дизельных или газопоршневых синхронных генераторов.
Это связано с тем, что большинство возобновляемых источников энергии, в первую очередь зависят от меняющихся условий окружающей среды и, таким образом, являются неуправляемыми, за исключением случаев, когда они сопровождаются сглаживанием мощности с помощью систем накопления энергии.
Кроме того, их точное прогнозирование очень сложно в режиме реального времени. Неопределенности выходной мощности возобновляемых источников энергии, а также спроса потребления, а это, наряду с высокой стоимостью систем накопления энергии, усложняет рентабельную эксплуатацию автономной микросети в желаемом диапазоне напряжения и частоты.
Применение микросетей в сельской местности и удаленных районах
Микросети являются ценным вариантом для электрификации жилых домов в сельской местности.
Разнообразие технологий производства электроэнергии, применение возобновляемых источников энергии и достижения в области технологий накопления энергии предоставили большую гибкость для интеграции микросетей в удаленные сельские районы.
Спрос на электроэнергию в сельской местности, как правило, невелик, а потери, возникающие при передаче электроэнергии из централизованного источника, делают строительство линий электропередач экономически невыгодным.
Кроме того, существуют риски, связанные с децентрализованными проектами в районах с низким доходом, где рентабельность инвестиций не является привлекательной для государственных и частных организаций.
Почти 1 миллиард человек в мире не имеют доступа к электричеству. Только 78% сельских районов электрифицированы.
В развивающихся странах, особенно в сельской местности, быстро растет спрос на электроэнергию. Значительные капитальные и эксплуатационные инвестиции в новую инфраструктуру, необходимые для увеличения пропускной способности и распространения сети на сельские районы, могут быть непомерно высокими.
Использование автономных микросетей может рассматриваться как существенный шаг к обеспечению электрификации удаленных районов, которые имеют ограниченный доступ к электрической системе или вообще не имеют доступа к ней.
Соответствующая микросеть с подходящей системой накопления энергии может быть спроектирована на основе географических характеристик сельской местности и доступности отдельных компонентов системы в регионе.
Доступ к электричеству обеспечит постоянный импульс к социальным, медицинским и экономическим результатам и развитию сельских общин в развивающихся странах.
Успешная децентрализация производства энергии с использованием возобновляемых источников энергии может стимулировать увеличение инвестиций в развитие устойчивой энергетической инфраструктуры.
Успешная реализация микросетей с интеллектуальными счетчиками сможет повысить уверенность государственных и частных поставщиков энергии в возврате инвестиций.
Микросети переменного тока
Микросети переменного тока представляют собой источник питания переменного тока в электросистеме. Они могут быть легко подключены к существующей электросистеме без специальных требований.
С момента развития концепции микросетей микросети переменного тока заняли центральное место в исследованиях. Это происходит из-за хорошо зарекомендовавших себя за последние 130 лет сетей переменного тока.
Микросети переменного тока состоят из распределенных источников генерации, таких как возобновляемые источники энергии, и традиционных источников выработки электроэнергии, таких как дизельные или газопоршневые синхронные генераторы. Эти распределенные генераторы подключены через шинную систему переменного тока к накопителю энергии, такому как аккумуляторная система накопления энергии.
Возобновляемые источники энергии, такие как солнечные фотоэлектрические, ветряные турбины и т. д., производят постоянный ток, которы преобразуется в переменный ток с помощью силовых электронных преобразователей.
Преимущества микросетей переменного тока:
- Возможность интеграции с электрической системой, а также возможность в изолированном режиме делает их универсальными,
- Совместимость с любым оборудованием переменного тока, которое можно легко запитать от сети переменного тока.
Будущие тенденции микросетей переменного тока в основном движутся к кластерам микросетей. Контроль и координация группы микросетей будет самой сложной задачей. Здесь отдельные микросети могут договариваться об обмене мощностью между собой или с основной сетью. Такой подход требует наличия надежных межсистемных связяй и применения сложных алгоритмов управления.
Микросети постоянного тока
Концепция микросети постоянного тока, которая имеет лучшую защиту от короткого замыкания и повышенную эффективность, возникла благодаря широкому применению современного электронного оборудования и доступности экологически чистых источников постоянного тока (солнечных и топливных элементов).
Эти микросети демонстрируют более высокую эффективность при использовании нагрузок постоянного тока, чем микросети переменного тока.
Обычно нагрузки постоянного тока представляют собой электронные устройства с низким энергопотреблением, такие как ноутбуки, сотовые телефоны, беспроводные телефоны, DVD-плееры, пылесосы с батарейным питанием и интернет-маршрутизаторы.
В данном случае источники с выходом постоянного тока подключаются к шине постоянного тока напрямую, тогда как источники с выходом переменного тока подключаются к шине постоянного тока через преобразователь переменного тока в постоянный. Поскольку требуется меньшее количество силовых электронных преобразователей, общая эффективность повышается.
Микросети постоянного тока имеют ряд преимуществ:
- Они могут легко интегрироваться с возобновляемыми источниками энергии;
- Отсутсвует скин-эффект, соответсвенно ток будет течь по всему сечению кабеля и это уменьшит потери при передаче мощности по электричсекой сети;
- Синхронизация сети, компенсация гармоник и управление реактивной мощностью не требуются для систем постоянного тока, следовательно, эксплуатационная сложность системы снижается;
- Обеспечивается непрерывное электроснабжение во время перебоев в подаче электроэнергии и нарушений в сети с помощью аккумуляторных батарей (их используют в качестве резервного источника питания);
- В сети постоянного тока есть только один компонент, которым нужно управлять — мощность постоянного тока.
Гибридные микросети
Целями построения гибридных микросетей являются минимизация стадий преобразования, уменьшение количества устройств сопряжения, повышение надежности и снижение затрат на электроэнергию, тем самым повышая общую эффективность сети.
Такая структура позволяет подавать в распределительную сеть электроэнергию как переменного, так и постоянного тока, в то время как клиенты могут использовать электроэнергию в соответствии со своими потребностями (переменный или постоянный ток).
Гибридные микросети масштабируемы, поэтому их реализация может осуществляться на различных уровнях напряжения и в нескольких конфигурациях.
Управление микросетью
Микросеть представляет собой сетевую систему, обеспечивающую надежную, автономную и качественную электроэнергию с точки зрения потребителя. Получение электроэнергии со стабильной частотой и напряжением при создании микросетевой системы является сложной задачей.
Цели управления микросетью состоят из:
- независимого управления активной и реактивной мощностью,
- коррекции провалов напряжения и системных дисбалансов,
- выполнения требований к динамике нагрузки сети.
Для обеспечения надлежащей работы микросетей требуются надлежащие стратегии управления.
Управление микросетью состоит из:
- микроконтроллеров источника и нагрузки,
- центрального контроллера микросетевой системы,
- системы управления распределением электроэнергии.
Для обеспечения высокого качества и надежности микросети должны работать как управляемая система, своевременно реагирующая на изменения спроса. Они должны иметь возможность мониторинга и управления нагрузками и распределенными энергоресурсами, расположенные в каждом здании.
Большинство демонстрационных проектов микросетей по всему миру были сосредоточены на развертывании распределенных энергетических ресурсов и коммуникационной интеграции этих ресурсов с системой управления или центральным контроллером.
Центральный контроллер имеет множество функций для надлежащей координации распределенных энергоресурсов в соответствии с их мощностью выработки электроэнергии для обслуживания критических и некритических нагрузок.
Многие из этих проектов включали интеграцию систем на основе инверторов и системы хранения энергии, а также системы без инверторов, такие как дизельные или газовые генераторные установки и комбинированные системы производства тепла и электроэнергии различных размеров и производителей.
Для обеспечения стабильной и отказоустойчивой работы микросети в ее реализации необходимы протоколы связи и физические сети для передачи сообщений между распределенными источниками энергии и управляющим контроллером.
