Микросеть - Microgrid

Microgrid является децентрализованной группой электроэнергии источников и нагрузок , которые обычно работает , подключенные к и синхронных с традиционной шириной зоны синхронной сеткой (macrogrid), но могут отключиться от взаимосвязанной сетки и функционировать автономно в «островном режиме» , как технические или экономические условия диктуют. Таким образом, микросети повышают безопасность питания в ячейке микросети и могут обеспечивать аварийное питание, переключаясь между автономным и подключенным режимами.

Другой вариант использования - это автономное приложение, которое называется автономной, автономной или изолированной микросетью. Эти микросети лучше всего обслуживаются местными источниками энергии, где передача и распределение энергии от крупного централизованного источника энергии слишком велика и требует больших затрат. Они предлагают возможность электрификации сельских районов в отдаленных районах и на небольших географических островах. Как управляемый объект, микросеть может эффективно интегрировать различные источники распределенной генерации (DG), особенно возобновляемые источники энергии (RES).

Управление и защита представляют собой трудности для микросетей, поскольку все вспомогательные услуги для стабилизации системы должны создаваться внутри микросети, а низкие уровни короткого замыкания могут быть затруднительны для выборочной работы систем защиты. Важной особенностью также является обеспечение множества полезных потребностей в энергии, таких как отопление и охлаждение помимо электричества, поскольку это позволяет заменять энергоносители и повышать энергоэффективность за счет использования отработанного тепла для отопления, горячего водоснабжения и охлаждения (межотраслевое использование энергии ).

Определение

Группа обмена микросетями Министерства энергетики США определяет микросеть как группу взаимосвязанных нагрузок и распределенных энергоресурсов (DER) в четко определенных электрических границах, которая действует как единый контролируемый объект по отношению к сети. Микросеть может подключаться и отключаться от сети, что позволяет ей работать как в подключенном, так и в автономном режиме.

Исследовательский проект ЕС описывает микросеть как систему распределения низкого напряжения (LV) с распределенными энергоресурсами (DER) ( микротурбины , топливные элементы , фотоэлектрические элементы (PV) и т. Д.), Накопительные устройства ( батареи , маховики ), систему хранения энергии и гибкие нагрузки. Такие системы могут работать как подключенными, так и отключенными от основной сети. Работа микроисточников в сети может улучшить общую производительность системы при условии эффективного управления и координации.

Electropedia определяет микросеть как группу взаимосвязанных нагрузок и распределенных энергоресурсов с определенными электрическими границами, которые образуют локальную электроэнергетическую систему на уровнях распределительного напряжения, то есть как низкого, так и среднего напряжения до 35 кВ. Этот кластер связанных узлов потребителей и производителей действует как единый управляемый объект и может работать либо в режиме подключения к сети, либо в автономном режиме.

Типы микросетей

Среда кампуса / институциональные микросети

В центре внимания микросетей кампуса является агрегирование существующей локальной генерации для поддержки нескольких нагрузок, расположенных в ограниченном географическом районе, где владелец может легко управлять ими.

Микросети сообщества

Микросети сообщества могут обслуживать тысячи потребителей и поддерживать проникновение местной энергии (электричество, отопление и охлаждение). В микросети сообщества некоторые дома могут иметь некоторые возобновляемые источники, которые могут удовлетворить их спрос, а также спрос их соседей в том же сообществе. Микросеть сообщества может также иметь централизованное или несколько распределенных хранилищ энергии. Такие микросети могут быть в форме микросетей переменного и постоянного тока, соединенных вместе через двунаправленный силовой электронный преобразователь.

Удаленные автономные микросети

Эти микросети никогда не подключаются к макросети, а вместо этого постоянно работают в островном режиме из-за экономических проблем или географического положения. Как правило, «внесетевые» микросети строятся в районах, удаленных от любой инфраструктуры передачи и распределения и, следовательно, не имеющих связи с коммунальной сетью. Исследования показали, что эксплуатация внесетевых микросетей в удаленных районах или островах, где преобладают возобновляемые источники, снизит нормированную стоимость производства электроэнергии в течение срока реализации таких проектов микросетей.

Большие удаленные районы могут снабжаться несколькими независимыми микросетями, у каждой из которых свой собственник (оператор). Хотя такие микросети традиционно проектируются как энергонезависимые, прерывистые возобновляемые источники и их неожиданные и резкие изменения могут вызвать неожиданный дефицит мощности или чрезмерную генерацию в этих микросетях. Это немедленно вызовет недопустимое отклонение напряжения или частоты в микросетях. Чтобы исправить такие ситуации, можно временно соединить такие микросети с подходящей соседней микросетью для обмена мощностью и уменьшения отклонений напряжения и частоты. Это может быть достигнуто с помощью переключателя на основе силовой электроники после надлежащей синхронизации или прямого соединения двух силовых электронных преобразователей и после подтверждения стабильности новой системы. Определение потребности в соединении соседних микросетей и поиск подходящей микросети для соединения может быть достигнуто с помощью подходов к оптимизации или принятию решений.

Микросети военной базы

Эти микросети активно развертываются с упором как на физическую, так и на кибербезопасность военных объектов, чтобы обеспечить надежное энергоснабжение, не полагаясь на макрогрид .

Торгово-промышленные (C&I) микросети

Эти типы микросетей быстро развиваются в Северной Америке и Восточной Азии; однако отсутствие общеизвестных стандартов для этих типов микросетей ограничивает их во всем мире. Основными причинами установки промышленной микросети являются безопасность электроснабжения и его надежность. Существует множество производственных процессов, в которых отключение электропитания может привести к большим потерям дохода и длительному времени запуска. Промышленные микросети могут быть спроектированы для обеспечения промышленных процессов с замкнутой экономикой (почти) с нулевым уровнем выбросов и могут интегрировать комбинированное производство тепла и электроэнергии (ТЭЦ), питаемое как возобновляемыми источниками, так и переработкой отходов; Накопление энергии может быть дополнительно использовано для оптимизации работы этих подсистем.

Топологии микросетей

Архитектура необходима для управления потоком энергии от различных типов источников в электрическую сеть. Таким образом, микросеть можно разделить на три топологии:

Микросеть переменного тока

Источники питания с выходом переменного тока подключаются к шине переменного тока через преобразователь переменного тока в переменный, который преобразует переменную частоту переменного тока и напряжение в форму волны переменного тока с другой частотой и другим напряжением. В то время как источники питания с выходом постоянного тока используют преобразователи постоянного / переменного тока для подключения к шине переменного тока.

Микросеть постоянного тока

В топологии микросети постоянного тока источники питания с выходом постоянного тока подключаются к шине постоянного тока напрямую или с помощью преобразователей постоянного тока в постоянный. С другой стороны, источники питания с выходом переменного тока подключаются к шине постоянного тока через преобразователь переменного тока в постоянный.

Гибридная микросеть

Гибридная микросеть имеет топологию для выхода источника питания переменного и постоянного тока. Кроме того, шины переменного и постоянного тока соединены друг с другом через двунаправленный преобразователь, что позволяет энергии течь в обоих направлениях между двумя шинами.

Базовые компоненты в микросетях

Местное поколение

Микросеть представляет собой различные типы источников генерации, которые снабжают пользователя электроэнергией, обогревом и охлаждением. Эти источники делятся на две основные группы - источники тепловой энергии (например, генераторы природного газа или биогаза или микрокомбинированные источники тепла и энергии ) и возобновляемые источники генерации (например, ветряные турбины и солнечная энергия).

Потребление

В микросети под потреблением понимаются элементы, потребляющие электроэнергию, тепло и охлаждение, от отдельных устройств до систем освещения и отопления зданий, торговых центров и т. Д. В случае контролируемых нагрузок потребление электроэнергии может быть изменено в соответствии с к требованиям сети.

Хранилище энергии

В микросетях накопитель энергии может выполнять несколько функций, таких как обеспечение качества электроэнергии, включая регулирование частоты и напряжения, сглаживание выработки возобновляемых источников энергии, обеспечение резервного питания для системы и выполнение решающей роли в оптимизации затрат. Он включает в себя все химические, электрические, напорные, гравитационные, маховиковые технологии и технологии аккумулирования тепла. Когда в микросети доступно несколько накопителей энергии с различной емкостью, предпочтительно координировать их зарядку и разрядку таким образом, чтобы накопитель энергии меньшего размера не разряжался быстрее, чем накопитель с большей емкостью. Точно так же желательно, чтобы меньший по размеру не заряжался полностью, а не тот, у которого большая емкость. Этого можно достичь при скоординированном управлении накопителями энергии в зависимости от их степени заряда. Если используются несколько систем хранения энергии (возможно, работающих по разным технологиям), и они контролируются уникальным контролирующим устройством (система управления энергопотреблением - EMS), иерархическое управление на основе архитектуры ведущий / ведомый может обеспечить наилучшие операции, особенно в островной режим.

Общая точка соединения (PCC)

Это точка в электрической цепи, где микросеть подключена к основной сети. Микросети, не имеющие PCC, называются изолированными микросетями, которые обычно присутствуют на удаленных объектах (например, в удаленных населенных пунктах или удаленных промышленных объектах), где соединение с основной сетью невозможно из-за технических или экономических ограничений.

Преимущества и проблемы микросетей

Преимущества

Микросеть может работать в подключенном к сети и автономном режимах и обрабатывать переходы между ними. В подключенном к сети режиме вспомогательные услуги могут предоставляться посредством торговых операций между микросетью и основной сетью. Существуют и другие возможные источники дохода. В изолированном режиме реальная и реактивная мощность, генерируемая в микросети, включая мощность, обеспечиваемую системой накопления энергии, должна быть сбалансирована с потребностью местных нагрузок. Микросети предлагают возможность сбалансировать потребность в сокращении выбросов углерода с продолжением предоставления надежной электроэнергии в периоды времени, когда возобновляемые источники энергии недоступны. Микросети также обеспечивают защиту от суровых погодных условий и стихийных бедствий, поскольку не имеют больших активов и миль надземных проводов и другой электрической инфраструктуры, которую необходимо обслуживать или ремонтировать после таких событий.

Микросеть может переключаться между этими двумя режимами из-за планового технического обслуживания, ухудшения качества электроэнергии или нехватки в основной сети, сбоев в локальной сети или по экономическим причинам. Посредством изменения потока энергии через компоненты микросети, микросети облегчают интеграцию возобновляемых источников энергии, таких как фотоэлектрические, ветряные и топливные элементы, не требуя перепроектирования национальной распределительной системы. Современные методы оптимизации также могут быть включены в систему управления энергопотреблением микросети для повышения эффективности, экономики и отказоустойчивости.

Вызовы

Микросети и интеграция блоков DER в целом создают ряд эксплуатационных проблем, которые необходимо решить при проектировании систем управления и защиты, чтобы гарантировать, что нынешние уровни надежности не будут существенно затронуты, а также потенциальные выгоды. единиц распределенной генерации (DG) полностью задействованы. Некоторые из этих проблем возникают из-за допущений, которые обычно применяются к традиционным системам распределения, которые больше не действуют, в то время как другие являются результатом проблем со стабильностью, которые ранее наблюдались только на уровне системы передачи. К наиболее актуальным проблемам защиты и управления микросетями относятся:

• Двунаправленные потоки мощности: наличие блоков распределенной генерации (DG) в сети на низких уровнях напряжения может вызвать обратные потоки мощности, которые могут привести к осложнениям в координации защиты, нежелательным схемам потоков мощности, распределению тока повреждения и управлению напряжением .
• Проблемы устойчивости: Взаимодействие между системой управления блоков DG может создавать локальные колебания, требующие тщательного анализа устойчивости при малых возмущениях. Более того, переходные операции между подключенным к сети и изолированным (автономным) режимами работы в микросети могут создать переходную нестабильность. Недавние исследования показали, что интерфейс микросети постоянного тока (DC) может привести к значительно более простой структуре управления, более энергоэффективному распределению и более высокой пропускной способности по току для тех же номиналов линии.
• Моделирование: многие характеристики традиционных схем, такие как преобладание трехфазных сбалансированных условий, в первую очередь индуктивных линий передачи и нагрузок с постоянной мощностью, не обязательно справедливы для микросетей, и, следовательно, модели необходимо пересматривать.
• Низкая инерция: микросети обладают характеристиками низкой инерции, что отличает их от энергосистем большой мощности, где большое количество синхронных генераторов обеспечивает относительно большую инерцию. Это явление становится более очевидным, если в микросети имеется значительная часть блоков DG с силовым электронным интерфейсом. Низкая инерция системы может привести к серьезным отклонениям частоты в автономном режиме, если не реализован надлежащий механизм управления. Синхронные генераторы работают на той же частоте, что и сеть, тем самым обеспечивая естественный эффект демпфирования при резких изменениях частоты. Синхронные преобразователи - это инверторы, имитирующие синхронные генераторы для управления частотой. Другие варианты включают управление аккумулятором энергии или маховик для балансировки частоты.
• Неопределенность: работа микросетей связана с устранением значительной неопределенности, от которой зависит экономичная и надежная работа микросетей. Профиль нагрузки и погодные условия - две неопределенности, которые затрудняют эту координацию в изолированных микросетях, где критический баланс спроса и предложения и, как правило, более высокая частота отказов компонентов требует решения сильно связанной проблемы в течение длительного периода времени. Эта неопределенность выше, чем в крупных энергосистемах, из-за меньшего количества нагрузок и сильно коррелированных вариаций доступных энергетических ресурсов (эффект усреднения гораздо более ограничен).

Инструменты моделирования

Чтобы правильно спланировать и установить микросети, необходимо инженерное моделирование. Существует множество инструментов моделирования и оптимизации для моделирования экономических и электрических эффектов микросетей. Широко используемым инструментом экономической оптимизации является Модель принятия потребителями распределенных энергоресурсов (DER-CAM) Национальной лаборатории Лоуренса Беркли . Другой - Homer Energy, первоначально разработанный Национальной лабораторией возобновляемых источников энергии . Разработчики микросетей также могут воспользоваться некоторыми инструментами для управления потоком энергии и электрического проектирования. Northwest National Laboratory Pacific разработан общедоступный инструмент GridLAB-D и электроэнергии научно - исследовательский институт электроэнергетики (EPRI) разработан OpenDSS. Европейский инструмент, который можно использовать для моделирования потребности в электричестве, охлаждении, обогреве и технологическом тепле, - это EnergyPLAN от Университета Ольборга в Дании. С открытым исходным кодом инструмент планирования сетки OnSSET была развернут для исследования микросеть с помощью анализа трехуровневого начиная с расчетными архетипами (случай изученным с помощью Боливии ).

Управление микросетью

Что касается архитектуры управления микросетями или любой проблемы управления, можно выделить два разных подхода: централизованный и децентрализованный. Полностью централизованное управление зависит от передачи большого количества информации между задействованными единицами до того, как решение будет принято в единой точке. Внедрение затруднено, поскольку взаимосвязанные энергосистемы обычно охватывают обширные географические районы и включают огромное количество блоков. С другой стороны, при полностью децентрализованном управлении каждое устройство управляется своим локальным контроллером, не зная о ситуации других. Компромисс между этими двумя схемами крайнего управления может быть достигнут посредством иерархической схемы управления, состоящей из трех уровней управления: первичного, вторичного и третичного.

Первичный контроль

Первичный контроль разработан с учетом следующих требований:

• Для стабилизации напряжения и частоты
• Предлагать возможность plug and play для DER и должным образом распределять между ними активную и реактивную мощность, желательно без каких-либо каналов связи.
• Для уменьшения циркулирующих токов, которые могут вызвать явление перегрузки по току в силовых электронных устройствах.

Первичный регулятор обеспечивает уставки для нижнего регулятора, которые являются контурами регулирования напряжения и тока МЭД. Эти внутренние контуры управления обычно называют контролем нулевого уровня.

Вторичный контроль

Вторичный контроль обычно имеет время выборки от нескольких секунд до минут (т.е. медленнее, чем предыдущий), что оправдывает разделенную динамику первичного и вторичного контуров регулирования и упрощает их индивидуальные конструкции. Уставка первичного управления задается вторичным управлением, при котором он в качестве централизованного контроллера восстанавливает напряжение и частоту микросети и компенсирует отклонения, вызванные колебаниями нагрузок или возобновляемых источников. Вторичный регулятор также может быть спроектирован для удовлетворения требований к качеству электроэнергии , например, для балансировки напряжения на критических шинах.

Третичный контроль

Третичное управление - это последний (и самый медленный) уровень управления, который учитывает экономические аспекты оптимальной работы микросети (время выборки составляет от минут до часов) и управляет потоком мощности между микросетью и основной сетью. Этот уровень часто включает прогноз погоды, сетевых тарифов и нагрузок на следующие часы или день для разработки плана диспетчеризации генератора, который обеспечивает экономию. Более продвинутые методы также могут обеспечить сквозное управление микросетью с использованием методов машинного обучения , таких как глубокое обучение с подкреплением .

В случае возникновения чрезвычайных ситуаций, таких как отключение электроэнергии, третичное управление может управлять группой взаимосвязанных микросетей, чтобы сформировать так называемую «кластеризацию микросетей», действуя как виртуальная электростанция для продолжения питания критических нагрузок. В этих ситуациях центральный контроллер должен выбрать одну из микросетей в качестве резервной (т. Е. Ведущей), а остальные в качестве шин PV и нагрузки в соответствии с заранее определенным алгоритмом и существующими условиями системы (т. Е. Спросом и генерацией). В этом случае управление должно осуществляться в реальном времени или, по крайней мере, с высокой частотой дискретизации.

IEEE 2030.7

Менее зависимая от утилит структура контроллера разработана Институтом инженеров по электротехнике и радиоэлектронике IEEE 2030.7. Концепция основана на 4-х блоках: а) управление на уровне устройства (например, управление напряжением и частотой), б) локальное управление (например, передача данных), в) надзорное (программное) управление (например, упреждающая диспетчерская оптимизация ресурсов генерации и нагрузки) и d) сеточные уровни (например, связь с коммунальным предприятием).

Элементарный контроль

Существует множество сложных алгоритмов управления, что затрудняет внедрение систем управления и контроля энергопотребления для небольших микросетей и пользователей распределенных энергоресурсов ( РЭР) в жилых помещениях . Модернизация систем связи и информационных систем может быть дорогостоящей. Некоторые проекты пытаются упростить и сократить расходы на управление с помощью готовых продуктов (например, с помощью Raspberry Pi).

Примеры

Хаджа и Лахдж, Йемен

В проекте ПРООН «Повышение устойчивости сельских районов в Йемене» (ERRY) используются солнечные микросети, принадлежащие общинам. Это снижает затраты на электроэнергию до 2 центов в час (тогда как электроэнергия, произведенная на дизельном топливе, стоит 42 цента в час). Он получил награду Ashden Awards за гуманитарную энергию в 2020 году.

Иль-д'Ю

Весной 2020 года была начата двухлетняя пилотная программа под названием Harmon'Yeu для соединения 23 домов в районе Кер-Писсо и прилегающих районах с помощью микросети, которая была автоматизирована как интеллектуальная сеть с помощью программного обеспечения от Engie . Шестьдесят четыре солнечные панели пиковой мощностью 23,7 кВт были установлены на пяти домах, а аккумулятор емкостью 15 кВтч - в одном доме. В шести домах излишки солнечной энергии накапливаются в водонагревателях. Динамическая система распределяет энергию, вырабатываемую солнечными панелями и хранящуюся в батареях и водонагревателях, по системе 23 домов. Программное обеспечение интеллектуальной сети динамически обновляет предложение и спрос на энергию с 5-минутными интервалами, решая, извлекать ли энергию из батареи или из панелей, и когда хранить ее в водонагревателях. Эта пилотная программа была первым подобным проектом во Франции.

Les Anglais, Гаити

Микросеть с беспроводным управлением развернута в сельской местности Les Anglais , Гаити. Система состоит из трехуровневой архитектуры с облачной службой мониторинга и управления, локальной встроенной инфраструктурой шлюза и ячеистой сетью беспроводных интеллектуальных счетчиков, развернутых в 52 зданиях.

Нетехнические потери (NTL) представляют собой серьезную проблему при предоставлении надежных электрических услуг в развивающихся странах, где они часто составляют 11-15% от общей генерирующей мощности. Обширное моделирование на основе данных 72-дневных данных беспроводных счетчиков из 430 домашних микросетей, развернутых в Les Anglais, исследовало, как отличить NTL от общих потерь мощности, помогая в обнаружении кражи энергии.

Мпекетони, Кения

Проект Mpeketoni Electricity Project, общинная дизельная микросистема, была создана в сельской местности Кении недалеко от Мпекетони. Благодаря установке этих микросетей, Mpeketoni значительно расширила свою инфраструктуру. Такой рост включает повышение производительности на одного работника на уровне от 100% до 200% и повышение уровня дохода на 20–70% в зависимости от продукта.

Винодельня Stone Edge Farm

Микротурбина, топливный элемент, несколько батарей, водородный электролизер и фотоэлектрическая винодельня в Сономе, Калифорния.

Смотрите также

использованная литература