Технологии «большой энергетики» — в домашней розетке

Госкорпорации Роснано и Росатом заявили о намерении развивать проекты ВИЭ, Системный оператор создал подразделение по сетевым микрогридам, а главной целью  Национальной технологической инициативы «Energynet» заявлено  развитие интеллектуальной энергетики.

Идея интеллектуальной энергетики состоит в том, чтобы сделать ее доступной, легко управляемой, гибкой. В «умных» сетях SmartGrid есть уровни MicroGrid и NanoGrid —  сети на уровне поселка или дома. Очевидно, что управлять ими  гораздо проще, чем зависеть от больших сетей. Или, например, сетевой микрогрид. Это сеть с собственной распределенной генерацией, которая может свободно входить и выходить в большую энергосистему, как мы входим в интернет через Wi-Fi без технических условий и других ограничений — говорит  Игорь Озерных, главный конструктор ООО «Интелион».

Концепция интеллектуальных сетей smart grid была определена как альтернатива строительству новых линий электропередач. Smart grid потребовали создания нового сетевого оборудования, способного гибко менять характеристики передачи и преобразования энергии. Такое оборудование получило название FACTS – аббревиатура от «Flexible Alternative Current Transmission Systems».

Из нескольких десятков устройств FACTS наиболее совершенным был признан статком (статический компенсатор). Его главное свойство -  способность генерировать ток любой фазы относительно напряжения сети за счет изменения реактивной мощности. Cтатком увеличивает пропускную способность сети, обеспечивает устойчивость работы в заданных диспетчером параметрах,  предотвращает потери электроэнергии до 40%.

Взять энергию «за счетчиком» — реально?

01Сетевой статком может иметь размеры с многоэтажный дом и выглядеть как на картинке.

Четыре года назад мы задались целью реализовать  технологию статкома на микроуровне, создать интеллектуальное устройство, которое оптимизировало бы баланс мощности в системе — рассказывает Игорь Озерных. – Мы использовали новейшую элементную базу: силовые ключи, качественные конденсаторы, микропроцессоры.

Идея воплотилась в устройстве с рабочим названием «Микростат». Зачем он  необходим  в домашней розетке? В наших сетях, как правило, источник генерации удален от потребителя. Электроэнергия идет по магистральным, распределительным и потребительским сетям, в которых постоянно наблюдаются динамические процессы возмущения. Сетевое оборудование изношено, потери достигают 50%. Все это ведет к нестабильности и низкому качеству энергии.  Мерцает лампочка или экран монитора, отключается питание компьютера, не запускается насос на даче, старая проводка не выдерживает больших токов – эти проблемы, увы, для нас  типичны и довольно регулярны. Что делает микростат?

Прибор берет на себя задачу стабилизации перепадов напряжения, возвращает сеть на ее «эталонные» 220В, — говорит Владимир Котов, ведущий инженер проекта ООО  «Интелион».

12

Диапазон работы микростата – плюс-минус 25% от 220 В. При этом прибор принципиально отличается от стабилизаторов предыдущих поколений». Чем? Ключевых отличий пять:

  1.  При частоте сети 50Гц  Микростат тестирует сеть с частотой 5000 Гц, практически сто и более раз отслеживая состояние каждого периода синусоиды напряжения. Если процессор Микростата «видит», что синусоида начинает отклоняться от стандарта, он корректирует её, возвращая к идеальному состоянию.
  2. Микростат реализует идеологию параллельного регулирования и ему не требуется пропускать через себя всю мощность нагрузки.  Он пропускает только реактивную мощность​, нужную для компенсации отклонения напряжения. Микростат компактен и в разы меньше ​традиционного ​стабилизатора-корректора.
  3. Компенсируя реактивную (паразитную) мощность, Микростат позволяет разгрузить электросеть и повысить ее качественные характеристики. По сути, Микростат ​повыша​ет  эффективность работы системы «сеть-нагрузка», используя энергию «за счетчиком».
  4.  Микростат, совмещает функции компенсации и коррекции, может работать как на конкретную нагрузку (холодильник, компьютер), так и на ближний энергетический контур (комната, квартира, дом), когда эффект стабилизации распространяется на несколько электроприёмеиков, например устраняется мерцание осветительных приборов.
  5. Традиционный стабилизатор-корректор защищает только ту нагрузку, к которой подключен. ​

13На рисунке продемонстрировано сравнение работы стабилизатора-корректора и Микростата. Стабилизатор-корректор регулирует напряжение на нагрузке (телевизор) в ущерб другой нагрузке (микроволновая печь). Микростат действует в интересах всей электротехники в заданном контуре.

Есть проекты домов. – говорит Владимир Котов, — где вся электрика запитана через один мощный стабилизатор. Но это исключение. А правило, когда невидимые глазу колебания напряжения отражаются на домашней технике, на освещении, а в конечном счете  на расходах потребителя и его здоровье. Есть выбор, сколько проработает  компьютер – 5 лет на хорошем напряжении или 2 года на плохом? Есть выбор, при каком освещении вы проводите большую половину дня, при мерцающей лампе или стабильном световом потоке?.

Во всех современных электроприборах есть встроенные источники электропитания с защитными элементами. Но эти элементы имеют свой ресурс и при частых срабатываниях сокращают срок службы не только источника питания, но и других узлов прибора. Например, в телевизоре, если перегорает блок питания, из строя часто выходит матрица и другие важные компоненты. Кроме того, у нас в домах еще много старой техники, не оснащенной встроенной защитой.

Как работает маленький аналог большого статкома?

Напряжение – это кран, который передает мощность на большие расстояния. В сильной сети при подключении даже большого числа пользователей напряжение не падает, а в слабой, удаленной от источника сети напряжение зависит от мощности очень сильно. Если  потребление мощности пользователями растет, напряжение снижается и может упасть настолько, что передача требуемой мощности через заданную сеть окажется невозможной.

Традиционное решение регулирования напряжения сводится к т.н. вольтодобавочным устройствам, либо в виде автотрансформатора, где меняется коэффициент автотрансформации, повышая или понижая напряжение, либо чистой вольтодобавки, когда в сеть врезается кусочек трансформатора. Все стабилизаторы используют эти схемы и вольтодобавочный метод продольного регулирования напряжения. В чем его слабые стороны? Во-первых, мощность зависит от напряжения на нагрузке, и при повышении напряжения ее потребление может увеличиться. Во-вторых, пропускная способность вольтодобавочного устройства должна быть рассчитана на всю мощность, при том что устройство, скорее всего, будет регулировать напряжение лишь на несколько процентов. И, наконец, вольтодобавочный метод никак не регулирует баланс мощности в системе.

В микростате заложен принцип попереченого регулирования. Параллельно с нагрузкой подключается дополнительный источник тока – конденсатор (с батареей), который уменьшает реактивный ток. Как следствие, на той же самой мощности поднимается напряжение.

В микростате заложен принцип попереченого регулирования. Параллельно с нагрузкой подключается дополнительный источник тока – конденсатор (с батареей), который компенсирует дефицит  реактивной мощности и как следствие регулирует напряжение. Мы научились управлять реактивной мощностью  и тем самым влиять на баланс мощности системы. Это технология больших сетей, впервые реализованная для домашнего потребителя — объясняет Игорь Озерных, Главный конструктор «Интелиона».

Микростат – это часть системы интеллектуального управления энергией

Создание Микростата, безусловно, прорыв российских инженеров и конструкторов. Однако Микростат, по сути, один из элементов управления как nanogrid, так и любой smartgrid, и предназначен не только для условий слабых и изношенных сетей. Представьте, что ваш дом подключен к сетям, но имеет и собственную генерацию – ветроустановку, солнечную панель, дизель-генератор. Эта сложная система должна иметь устойчивость, быть управляемой, эффективно сочетать энергию от разных источников: при избытке солнца или ветра брать энергию от установок на ВИЭ, при их отсутствии – из сети или дизель-генератора. Современные технологии на стыке электротехники и энергетики позволяет создавать комплексные решения. Опорное напряжение в них задает не генератор, а «умный» инвертор (G-инвертор, от «generation», генерирование) вместе с аккумуляторными батареями и конденсаторами. G-инвертор балансирует активную мощность, смешивает энергию от разных источников оптимальным образом. Микростаты, распределенные по системе, разгружают G-инвертор и берут на себя реактивную мощность. Третий элемент системы – контроллеры — работают с сетью передачи данных. В Европе, в отличие от России, малые энергосистемы с использованием ВИЭ и гибридной генерации, стремительно развиваясь, требуют решения задачи устойчивости и безопасности. И это решение – еще в поиске. А в России, где доля малой энергетики и гибридных систем еще ничтожно мала, на  технологическом и техническом уровне уже есть понимание и опыт управления устойчивостью и безопасностью таких систем.  И это хорошая новость.

«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.