Управление микрогридами

С 2013 по 2016 год мировой рынок микрогридов удвоил свою доходность, с 3 до 6 млрд долларов (источник – Navigant Recearch). Аналитики обещают дальнейший рост, и этот тренд  непременно затронет Россию. На международном конрессе  Reencon XXI (организован Российской Академией наук, Высшей школой экономики, МЦУЭР и Правительством Москвы, Сколково, октябрь 2016) фокус обсуждений сведется к главному вопросу: как сделать энергетику на ВИЭ эффективной? В каких технологиях, подходах и методах есть перспективный ресурс для увеличения КПД малой энергетики?

1+1+1=1,5?

В России традиционно строилась масштабная, централизованная энергетика. За десятилетия ее существования мы научились довольно умело ей управлять. Оператор отслеживает состояние системы каждые четыре часа, и этого вполне достаточно. Но технологический уклад сменился, стали возникать и развиваться  автономные энергетические  системы на ВИЭ – микрогриды. В процессе их экспуатации стало выясняться, что главная проблема микрогридов – стабильность. В 2015 году  Rocky Mountain Institure  исследовал  10 островных автономных энергетических систем, и в числе главных вызовов назвал проблему устойчивости, стабильности  их работы. Малые системы оказались  неустойчивы, инерционны, подвержены постоянным возмущениям.  Их КПД, или коэффициент смешения энергии (ветро, солнце, дизель)  колебался в диапазоне 50-70%. Если считать эффективность автономных систем  по уровню замещения топлива, то этот показатель может уйти в минус, что по факту будет означать увеличение расходов. Допустим, вы  установили  солнечную панель, ветряк и дизель-генератор. Какую общую мощность системы вы получите? Простая математика, складываем мощность каждого источника энергии, выводим общее значение. Но на практике 1+1+1 никогда не равно 3! Это может быть и два, и полтора, и даже ноль. Соответственно, встает задача – как эффективно управлять автономными системами, как повысить коэффициент смешения энергии?

Решение этой задачи идет по двум направлениям. Первое – это подбор оптимальной техники в системах  «солнце-ветер-накопитель-преобразовательная техника». И второе – это поиск той зоны, управляя которой, мы можем влиять на всю систему целиком.

Мощность свободного балансирования. Дайте мне точку опоры, и я переверну Землю?

На что именно можно повлиять в автономной системе, чтобы управлять ее мощностью? Мощность микрогрида S равна сумме мощности генерации, мощности нагрузки, мощности потерь и мощности свободного балансирования. Формула выглядит так: S=S1+S2+S3+S4. 

В этой формуле мы стали исследовать возможности последнего компонента -  свободного балансирования.

Перефразируя Архимеда, скажу  – научитесь управлять зоной свободного балансирования (это примерно 20% совокупной  мощности), и вы сможете эффективно влиять на всю систему.  Допустим,  пришло возмущение: ветер задул  гораздо сильнее, или наоборот, утих. Чтобы быстро отреагировать на это возмущение,  системе необходима достаточная чувствительность. Но, увеличивая чувствительность, мы одновременно уменьшаем ее инерционность и устойчивость. Какие риски для потребителя несет  потеря устойчивости и уход системы  в неэффективность? Среди самых очевидных — низкое качество электроэнергии (за счет падения  напряжения),  большие счета за электричество. Что делать?  Нужно научиться совмещать  совместить динамику и статику,  находить точки оптимальной мощности.

01Вот график нагрузки на ветрогенератор.  Секундные колебания ветра сглаживаются массой самой ветроустановки,  поэтому на графике мы видим  генерацию с возмущениями по минутам. Здесь используется только та мощность, что ниже красной черты. Все, что выше — мощность свободного балансирования — остается незадействованной.

Каков сейчас традиционный подход к балансировке свободной мощности? Вращающая машина с маховиком  за счет скорости его вращения  при избытке  поглощает мощность,  работает как потребитель. При недостатке мощности устройство  берет на себя функции генератора. Но маховик работает только в определенном диапазоне частот. А нам нужно устройство, которое способно переработать всю динамику ВИЭ, иметь достаточную емкость и чувствительность.

01Мы, долго занимаясь этим вопросом,  пришли к выводу, что зону свободного балансирования целесообразно увеличить за счет ее децентрализации, распределения  по нескольким точкам. И как более эффективную и экономически целесообразную альтернативу вращающим машинам  использовать  статкомы,  подключенные к виртуальной кинетике. Статком – это статический компенсатор реактивной мощности (или статический синхронный компенсатор), который контролирует состояние баланса системы прямым методом, а не через скорость вращения маховика. Такой статком – это виртуальная синхронная машина, где каждый узел работает автономно. Одна из батарей статкома  все время находится в разряде, другая – в заряде. Это статический аналог маховика, который поддерживает астатический режим и способен эффективно участвовать в обменных процессах с сетью – концентрировать или утилизировать мощность. Такой статком испытывается сейчас в составе мобильной электростанции, созданной для нужд инженерных войск. Мы ожидаем, что наше устройство, над которым не один год трудись почти десяток инженеров и констуркторов,  успешно интегрирует те самые 20% свободного балансирования,  а значит – на эти же 20% увеличит КПД системы.

Статкомы в каждой розетке. 

Мы говорили о целесообразности распределения зоны свободного балансирования. А раз так – значит, необходимы и малые формы статкомов, работающие непосредственно в электроприемных установках. В зависимости от мощности мы назвали их микро-, мини- и мультистатами, соответственно 2, 6 и 15 кВт. Представьте, у вас раздражающе мигает лампочка, или экран монитора, или на даче не запускается насос. Как вы с помощью микростата можете повлиять на ситуацию? Включаете его в розетку, и он, как маленький накопитель,  начинает балансировать мощность. Это актуально, когда, допустим, старая проводка не выдерживает больших пусковых токов. Или слабая, перегруженная, сильно удаленная от источника сеть  не поддерживает устойчивое напряжение. Такой микростат может работать как на всю нагрузку целиком, так и на конкретную, выделенную нагрузку (например, освещение).

Не добываем энергию, а концентрируем

В конце сентября  на заседании  Совета по модернизации при Президенте РФ была принята «дорожная карта» Национальной  технологической  инициативы  «Энерджинет». Это значит, что Россия признала важность и целесообразность развития распределенной автономной генерации. Кроме того, это значит, что усилия будут сосредоточены на следующих направлениях, цитирую зам. Министра энергетики России Алексея Текслера: «Это интеллектуальное коммутационное оборудование и информационные системы управления им, интеллектуальная распределённая энергетика, в том числе на базе ВИЭ (накопители и системы управления производством электроэнергии), потребительские сервисы, которые позволяют управлять накоплением и потреблением, и в будущем такие сервисы – это реальная альтернатива сбытовым организациям». Это  те направления, разработки  по которым мы ведем уже в течение  пяти-шести лет и сумели получить  готовые продукты для запуска в серийное производство. Это та философия, которой мы придерживаемся – уметь не просто добывать энергию, но концентрировать ее, а потом  преобразовывать нестабильную концентрацию этой первичной энергии.  Все, что мы делаем, в конечном счете работает на одну цель – сделать каждого  максимально независимым «интеллектуальным» субъектом энергетики.

Записала Инна Шевченко. 

«Большая энергетика» России разворачивается в сторону малых форм.

Докладчик Reencon XXI и главный конструктор ООО «Интелион», рассказывает о разработках российских инженеров и какое оборудование сможет увеличить КПД автономных систем.