Микросеть — это локальная электрическая сеть с определенными электрическими границами, действующая как единый и управляемый объект. [1] Он может работать как в сетевом, так и в изолированном режиме. [2] [3] «Единая микросеть» или « изолированная микросеть» работает только автономно и не может быть подключена к более широкой электроэнергетической системе. [4]
Микросеть, подключенная к сети, обычно работает подключенной к традиционной глобальной синхронной сети (макросети) и синхронно с ней, но может отключаться от взаимосвязанной сети и функционировать автономно в «островном режиме», как того требуют технические или экономические условия. [5] Таким образом, они повышают безопасность электроснабжения внутри ячейки микросети и могут обеспечивать аварийное питание, переключаясь между изолированным и подключенным режимами. [5] Такие сети называются « островными микросетями» . [6]
Автономная микросеть имеет собственные источники электроэнергии , дополненные системой хранения энергии . Они используются там, где передача и распределение электроэнергии от крупного централизованного источника энергии находится слишком далеко и дорого в эксплуатации. [1] Они предлагают возможность электрификации сельской местности в отдаленных районах и на небольших географических островах. [4] Автономная микросеть может эффективно интегрировать различные источники распределенной генерации (РГ), особенно возобновляемые источники энергии (ВИЭ). [1]
Управление и защита представляют собой трудности для микросетей, поскольку все вспомогательные услуги для стабилизации системы должны генерироваться внутри микросети, а низкие уровни короткого замыкания могут быть проблематичными 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). ). [7]
Группа обмена микросетями Министерства энергетики США [8] определяет микросеть как группу взаимосвязанных нагрузок и распределенных энергетических ресурсов (DER) в пределах четко определенных электрических границ, которая действует как единый управляемый объект по отношению к сети. Микросеть может подключаться и отключаться от сети, что позволяет ей работать как в подключенном, так и в изолированном режиме. [ нужна цитата ]
Лаборатория Беркли определяет: «Микросеть состоит из систем производства и хранения энергии, которые могут обеспечивать питанием здание, кампус или населенный пункт, когда они не подключены к электрической сети, например, в случае стихийного бедствия». Микросеть, которую можно отключить от коммунальной сети (в «точке общего соединения» или PCC), называется «изолированной микросетью». [6]
Исследовательский проект ЕС [9] описывает микросеть как включающую низковольтные (LV) системы распределения с распределенными энергетическими ресурсами (DER) ( микротурбины , топливные элементы , фотоэлектрические (PV) и т. д.), устройства хранения ( батареи , маховики ) энергии. система хранения и гибкие грузы. Такие системы могут работать как подключенными, так и отключенными от основной сети. Работа микроисточников в сети может повысить общую производительность системы при условии эффективного управления и координации. [ нужна цитата ]
Electropedia определяет микросеть как группу взаимосвязанных нагрузок и распределенных энергетических ресурсов 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 как в режиме подключения к сети, так и в изолированном режиме. [3]
Автономная микросеть или изолированная микросеть, иногда называемая «островной сетью», работает только автономно и не может быть подключена к более широкой электроэнергетической системе. Обычно они предназначены для географических островов или для электрификации сельской местности. [4] Во многих неиндустриально развитых странах микросети, которые используются для обеспечения доступа к электроэнергии в ранее неэлектрифицированных районах, часто называют « мини-сетями ». [10]
Целью кампусных микросетей является объединение существующей генерации на месте для поддержки нескольких нагрузок, расположенных в ограниченном географическом районе, где владелец может легко ими управлять. [11] [12]
Общественные микросети могут обслуживать тысячи клиентов и обеспечивать проникновение местной энергии (электричество, отопление и охлаждение). [13] В общественной микросети некоторые дома могут иметь возобновляемые источники энергии, которые могут удовлетворить их потребности, а также потребности их соседей в том же сообществе. Микросеть сообщества также может иметь централизованный или несколько распределенных накопителей энергии. Такие микросети могут иметь форму микросети переменного и постоянного тока, соединенных вместе через двунаправленный силовой электронный преобразователь. [14]
Эти микросети, как правило, не предназначены для подключения к макросетям , а вместо этого постоянно работают в изолированном режиме из-за экономических проблем или географического положения. Обычно «автономная» микросеть строится в районах, которые находятся далеко от любой инфраструктуры передачи и распределения и, следовательно, не имеют связи с коммунальной сетью. [11] [15] Исследования показали, что эксплуатация автономных микросетей в отдаленных районах или на островах, в которых преобладают возобновляемые источники, снизит приведенную стоимость производства электроэнергии в течение срока действия таких проектов микросетей. [16] [17] В некоторых случаях автономные микросети действительно включаются в национальную сеть или «макросеть», и этот процесс требует технического, нормативного и юридического планирования. [18]
Большие удаленные территории могут снабжаться несколькими независимыми микросетями, каждая из которых имеет своего владельца (оператора). Хотя такие микросети традиционно проектируются как энергетически самодостаточные, прерывистые возобновляемые источники энергии и их неожиданные и резкие изменения могут привести к неожиданному дефициту электроэнергии или чрезмерному выработке энергии в этих микросетях. Без хранения энергии и интеллектуального управления это немедленно приведет к неприемлемому отклонению 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. [19] [20] Этого можно добиться с помощью переключателя на основе силовой электроники [21] [22] после правильной синхронизации [23] или последовательного соединения двух силовых электронных преобразователей [24] и после подтверждения стабильности новая система. Определение необходимости соединения соседних микросетей и поиск подходящей микросети для сопряжения может быть достигнуто с помощью подходов оптимизации [25] или принятия решений [26] .
Поскольку удаленные автономные микросети зачастую небольшие и строятся с нуля, они обладают потенциалом для внедрения лучших практик мирового электроэнергетического сектора, а также для внедрения и стимулирования энергетических инноваций. [27] В настоящее время стало обычным явлением видеть удаленные автономные микросети, которые в основном питаются от возобновляемых источников энергии и управляются с помощью интеллектуальных средств управления на уровне клиента, что не всегда легко реализовать в более крупном энергетическом секторе из-за интересов действующих лиц и старых, предшествующих -существующая инфраструктура. [28] [29]
Эти микросети активно развертываются, уделяя особое внимание как физической, так и кибербезопасности военных объектов, чтобы обеспечить надежное электроснабжение, не полагаясь на макросети . [11] [30]
Эти типы микросетей быстро развиваются в Северной Америке и Восточной Азии; однако отсутствие общеизвестных стандартов для этих типов микросетей ограничивает их глобальное использование. Основными причинами установки промышленной микросети являются безопасность электроснабжения и его надежность. Существует множество производственных процессов, в которых перерыв в электроснабжении может привести к большим потерям дохода и длительному времени запуска. [11] [15] Промышленные микросети могут быть спроектированы для обеспечения промышленных процессов с циклической экономикой (почти) нулевыми выбросами и могут интегрировать комбинированное производство тепла и электроэнергии (ТЭЦ), питаемое как возобновляемыми источниками, так и переработкой отходов; Дополнительно можно использовать накопители энергии для оптимизации работы этих подсистем. [31] Микросети также могут быть закреплены крупным коммерческим розничным продавцом с большим объемом генерации по соображениям устойчивости или по экономическим причинам. [32]
Архитектуры необходимы для управления потоком энергии из различных типов источников в электрическую сеть. Таким образом, микросеть можно разделить на три топологии: [33]
Источники питания с выходом переменного тока подключаются к шине переменного тока через преобразователь переменного тока в переменный, который преобразует переменную частоту и напряжение переменного тока в сигнал 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.
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/постоянного тока.
Гибридная микросеть имеет топологию как для источника питания переменного, так и для выхода постоянного тока. Кроме того, шины переменного и постоянного тока соединены друг с другом через двунаправленный преобразователь, позволяющий передавать мощность в обоих направлениях между двумя шинами.
Микросеть представляет собой различные типы источников генерации, которые подают электроэнергию, отопление и охлаждение пользователю. Эти источники делятся на две основные группы – источники тепловой энергии (например, генераторы природного газа или биогаза или микрокомбинированные источники тепла и электроэнергии ) и возобновляемые источники генерации (например, ветряные турбины и солнечная энергия). [ нужна цитата ]
В микросети потребление просто относится к элементам, которые потребляют электроэнергию, тепло и охлаждение, которые варьируются от отдельных устройств до систем освещения и отопления зданий, коммерческих центров и т. д. В случае контролируемых нагрузок потребление электроэнергии может быть изменено в соответствии с требованиям сети. [ нужна цитата ]
В микросетях накопители энергии способны выполнять несколько функций, таких как обеспечение качества электроэнергии, включая регулирование частоты и напряжения, сглаживание выходной мощности возобновляемых источников энергии, обеспечение резервного питания для системы и играть решающую роль в оптимизации затрат. Он включает в себя все химические, электрические, давления, гравитационные, маховые технологии и технологии хранения тепла. Когда в микросети имеется несколько накопителей энергии различной емкости, предпочтительно координировать их зарядку и разрядку так, чтобы накопитель энергии меньшего размера не разряжался быстрее, чем накопители энергии большей емкости. Аналогичным образом, желательно, чтобы аккумулятор меньшего размера не заряжался полностью раньше, чем аккумулятор большей емкости. Этого можно достичь при скоординированном управлении накопителями энергии в зависимости от их заряда. [34] Если используются несколько систем хранения энергии (возможно, работающих на разных технологиях) и они контролируются единым контролирующим устройством ( системой управления энергопотреблением - EMS), иерархический контроль, основанный на архитектуре «главный/подчиненный», может обеспечить наилучшую работу. особенно в островном режиме. [31]
Это точка электрической цепи, где микросеть подключается к основной сети. [35] Микросети, не имеющие PCC, называются изолированными микросетями, которые обычно присутствуют в удаленных местах (например, в удаленных населенных пунктах или удаленных промышленных объектах), где соединение с основной сетью невозможно из-за технических или экономических ограничений. [ нужна цитата ]
Микросеть способна работать в подключенном к сети и автономном режимах и обеспечивать переход между ними. В режиме подключения к сети вспомогательные услуги могут предоставляться за счет торговой деятельности между микросетью и основной сетью. Существуют и другие возможные источники дохода. [36] В изолированном режиме активная и реактивная мощность, генерируемая в микросети, в том числе обеспечиваемая системой хранения энергии, должна быть в балансе с потребностями местных нагрузок. Микросети предлагают возможность сбалансировать необходимость сокращения выбросов углекислого газа с продолжением надежного обеспечения электроэнергией в периоды времени, когда возобновляемые источники энергии недоступны. Микросети также обеспечивают защиту от суровых погодных условий и стихийных бедствий за счет отсутствия крупных активов и миль надземных проводов и другой электрической инфраструктуры, которую необходимо обслуживать или ремонтировать после таких событий. [37] [38]
Микросеть может переключаться между этими двумя режимами из-за планового технического обслуживания, ухудшения качества электроэнергии или нехватки электроэнергии в главной сети, сбоев в местной сети или по экономическим причинам. [38] [39] Посредством изменения потока энергии через компоненты микросетей микросети облегчают интеграцию возобновляемых источников энергии, таких как фотоэлектрические, ветровые и топливные элементы, без необходимости перепроектирования национальной системы распределения. [39] [40] [41] Современные методы оптимизации также могут быть включены в систему управления энергопотреблением микросети для повышения эффективности, экономики и отказоустойчивости. [37] [42] [41] [43]
Микросети и интеграция блоков распределенных энергетических ресурсов (DER) в целом создают ряд эксплуатационных проблем, которые необходимо решить при проектировании систем управления и защиты, чтобы гарантировать, что нынешний уровень надежности не будет существенно затронут. и потенциальные преимущества установок распределенной генерации (DG) используются в полной мере. Некоторые из этих проблем возникают из-за допущений, обычно применяемых к традиционным распределительным системам, которые больше не являются действительными, в то время как другие являются результатом проблем со стабильностью, которые раньше наблюдались только на уровне передающей системы. [38] Наиболее актуальные проблемы в области защиты и контроля микросетей включают:
Для правильного планирования и установки микросетей 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 энергетических ресурсов (DER-CAM) Национальной лаборатории Лоуренса Беркли . Другой вариант — HOMER (модель гибридной оптимизации для нескольких энергетических ресурсов), первоначально разработанный Национальной лабораторией возобновляемых источников энергии . Существуют также некоторые инструменты управления потоками энергии и электрооборудования, которыми могут руководствоваться разработчики микросетей. Тихоокеанская северо-западная национальная лаборатория разработала общедоступный инструмент GridLAB-D, а Научно-исследовательский институт электроэнергетики (EPRI) разработал OpenDSS. Европейский инструмент, который можно использовать для моделирования потребностей в электричестве, охлаждении, отоплении и технологическом тепле, — это EnergyPLAN от Ольборгского университета в Дании. Инструмент планирования сети с открытым исходным кодом OnSSET был использован для исследования микросетей с использованием трехуровневого анализа, начиная с архетипов поселений (на примере Боливии ). [48]
Что касается архитектуры управления микросетью или любой проблемы управления, можно выделить два разных подхода: централизованный [37] [49] и децентрализованный. [50] Полностью централизованное управление основано на передаче большого объема информации между участвующими подразделениями, прежде чем решение будет принято в одной точке. Реализация затруднена, поскольку взаимосвязанные энергосистемы обычно охватывают обширные географические районы и включают в себя огромное количество энергоблоков. С другой стороны, при полностью децентрализованном управлении каждое подразделение контролируется местным контроллером, не зная ситуации других. [51] Компромисс между этими двумя крайними схемами управления может быть достигнут посредством иерархической схемы управления [52], состоящей из трех уровней управления: первичного, вторичного и третичного. [37] [38] [53]
Первичный контроль предназначен для удовлетворения следующих требований:
Первичное управление обеспечивает заданные значения для контроллера нижнего уровня, которым являются контуры управления напряжением и током DER. Эти внутренние контуры управления обычно называют контролем нулевого уровня. [54]
Вторичное управление обычно имеет время выборки от нескольких секунд до минут (т.е. медленнее, чем предыдущее), что оправдывает разделение динамики первичного и вторичного контуров управления и облегчает их индивидуальное проектирование. Уставка первичного управления задается вторичным управлением [55] , в котором, как централизованный контроллер, он восстанавливает напряжение и частоту микросети и компенсирует отклонения, вызванные изменениями нагрузок или возобновляемыми источниками. Вторичное управление также может быть разработано для удовлетворения требований к качеству электроэнергии , например, для балансировки напряжения на критических шинах. [54]
Третичный контроль — это последний (и самый медленный) уровень управления, который учитывает экономические аспекты оптимальной работы микросети (время выборки составляет от минут до часов) и управляет потоком энергии между микросетью и основной сетью. [54] Этот уровень часто включает в себя прогноз погоды, тарифов сети и нагрузок на ближайшие часы или дни для разработки плана диспетчеризации генератора, обеспечивающего экономию. [41] Более продвинутые методы также могут обеспечить сквозное управление микросетью с использованием методов машинного обучения , таких как глубокое обучение с подкреплением . [56]
В случае чрезвычайных ситуаций, таких как отключение электроэнергии, третичный контроль может управлять группой взаимосвязанных микросетей, образуя так называемую «кластеризацию микросетей», действуя как виртуальная электростанция для продолжения снабжения критически важных нагрузок. В таких ситуациях центральный контроллер должен выбрать одну из микросетей в качестве резервной (т. е. главной), а остальные — в качестве фотоэлектрических и нагрузочных шин в соответствии с заранее определенным алгоритмом и существующими условиями системы (т. е. спросом и генерацией). В этом случае контроль должен осуществляться в реальном времени или хотя бы с высокой частотой дискретизации. [44]
Менее подвержена влиянию коммунальных услуг структура контроллера, разработанная Институтом инженеров по электротехнике и электронике , IEEE 2030.7. [57] Концепция опирается на 4 блока: а) управление на уровне устройства (например, управление напряжением и частотой), б) локальное управление (например, передача данных), в) диспетчерское (программное) управление (например, перспективная диспетчерская оптимизация генерации и ресурсы загрузки) и d) уровни сети (например, связь с коммунальным предприятием). [ нужна цитата ]
Существует большое разнообразие сложных алгоритмов управления, что затрудняет внедрение систем управления и контроля энергопотребления небольшими микросетями и бытовыми пользователями распределенных энергетических ресурсов (DER). Модернизация систем связи и информационных систем может оказаться дорогостоящей. Некоторые проекты пытаются упростить и сократить расходы на управление с помощью готовых продуктов (например, с помощью Raspberry Pi). [58] [59]
Проект ПРООН «Повышение устойчивости сельских районов в Йемене» (ERRY) использует солнечные микросети, принадлежащие общинам. Это сокращает затраты на электроэнергию всего до 2 центов в час (тогда как электроэнергия, вырабатываемая дизельным двигателем, стоит 42 цента в час). В 2020 году он получил премию Ashden Awards в области гуманитарной энергетики. [60]
Весной 2020 года была запущена двухлетняя пилотная программа под названием Harmon'Yeu, призванная соединить 23 дома в районе Кер-Писсо и прилегающих районах с помощью микросети, которая была автоматизирована как интеллектуальная сеть с помощью программного обеспечения от Engie . На пяти домах установлены шестьдесят четыре солнечные панели пиковой мощностью 23,7 кВт, а на одном доме установлена аккумуляторная батарея емкостью 15 кВтч. Шесть домов хранят избыток солнечной энергии в водонагревателях. Динамическая система распределяет энергию, вырабатываемую солнечными панелями и хранимую в батареях и водонагревателях, на систему из 23 домов. Программное обеспечение для интеллектуальных сетей динамически обновляет спрос и предложение энергии с 5-минутными интервалами, решая, следует ли получать энергию из батареи или из панелей и когда хранить ее в водонагревателях. Эта пилотная программа стала первым подобным проектом во Франции. [61] [62]
Микросеть с беспроводным управлением развернута в сельской местности Ле-Англе на Гаити. [63] Система состоит из трехуровневой архитектуры с облачной службой мониторинга и контроля, локальной встроенной шлюзовой инфраструктурой и ячеистой сетью беспроводных интеллектуальных счетчиков, развернутых в более чем 500 зданиях. [64]
Нетехнические потери (NTL) представляют собой серьезную проблему при обеспечении надежного электроснабжения в развивающихся странах, где они часто составляют 11–15% от общей генерирующей мощности. [65] Обширное моделирование на основе данных на основе данных беспроводных счетчиков в течение семидесяти двух дней из микросети на 430 домов, развернутой в Ле Англе, исследовало, как отличить NTL от общих потерь мощности, что помогает в обнаружении хищений энергии. [66]
Проект электроэнергетики Мпекетони, общественная микросетевая система с дизельным двигателем, был создан в сельской местности Кении недалеко от Мпекетони. Благодаря установке этих микросетей в Мпекетони значительно выросла инфраструктура. Такой рост включает увеличение производительности на одного работника в пределах от 100% до 200% и повышение уровня дохода на 20–70% в зависимости от продукта. [67]
Винодельня в Сономе, Калифорния, оснащена микротурбиной, топливными элементами, несколькими батареями, водородным электролизером и фотоэлектрическими батареями. [68] [69]
группа взаимосвязанных нагрузок и распределенных энергетических ресурсов с определенными электрическими границами, образующая локальную электроэнергетическую систему на уровнях распределительного напряжения, которая действует как единый управляемый объект и может работать как в подключенном к сети, так и в изолированном режиме.
группа взаимосвязанных нагрузок и распределенных энергетических ресурсов с определенными электрическими границами, образующая локальную электроэнергетическую систему на уровнях распределительного напряжения, которая не может быть подключена к более широкой электроэнергетической системе
{{cite book}}
: CS1 maint: location missing publisher (link) CS1 maint: others (link)