Микросеть — это локальная электрическая сеть с определенными электрическими границами, действующая как единое и управляемое целое. [1] Она может работать в режиме подключения к сети и в островном режиме . [2] [3] « Автономная микросеть » или « изолированная микросеть » работает только вне сети и не может быть подключена к более широкой системе электроснабжения. [4] Очень маленькие микросети называются наносетями. [5]
Микросеть, подключенная к сети, обычно работает подключенной и синхронизированной с традиционной широкополосной синхронной сетью (макросетью), но может отключаться от взаимосвязанной сети и функционировать автономно в «островном режиме» в зависимости от технических или экономических условий. [6] Таким образом, они повышают безопасность поставок в ячейке микросети и могут поставлять аварийное питание, переключаясь между островным и подключенным режимами. [6] Такие сети называются « островными микросетями» . [7]
Автономная микросеть имеет собственные источники электроэнергии , дополненные системой хранения энергии . Они используются там, где передача и распределение электроэнергии от крупного централизованного источника энергии слишком далеки и дороги в эксплуатации. [1] Они предлагают вариант для сельской электрификации в отдаленных районах и на небольших географических островах. [4] Автономная микросеть может эффективно интегрировать различные источники распределенной генерации (DG), особенно возобновляемые источники энергии (RES). [1]
Управление и защита являются трудностями для микросетей, поскольку все вспомогательные услуги для стабилизации системы должны быть созданы в микросети, а низкие уровни короткого замыкания могут быть сложными для выборочной работы систем защиты. Важной особенностью также является обеспечение множественных полезных энергетических потребностей, 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 (межсекторальное использование энергии). [8]
Группа обмена микросетями Министерства энергетики США [9] определяет микросеть как «группу взаимосвязанных нагрузок и распределенных энергетических ресурсов в пределах четко определенных электрических границ, которая действует как единое контролируемое целое по отношению к сети. Микросеть может подключаться и отключаться от сети, что позволяет ей работать как в режиме подключения к сети, так и в режиме острова». [10]
Лаборатория Беркли определяет: «Микросеть состоит из генерации и хранения энергии, которые могут питать здание, кампус или сообщество, когда они не подключены к электросети, например, в случае катастрофы». Микросеть, которая может быть отключена от коммунальной сети (в «точке общего присоединения» или PCC), называется «отдельной микросетью». [7]
Исследовательский проект ЕС [11] описывает микросеть как состоящую из низковольтных (LV) распределительных систем с распределенными энергетическими ресурсами (DER) ( микротурбины , топливные элементы , фотоэлектрические элементы (PV) и т. д.), накопителями ( батареи , маховики ), системой хранения энергии и гибкими нагрузками. Такие системы могут работать как подключенными, так и отключенными от основной сети. Работа микроисточников в сети может обеспечить преимущества для общей производительности системы, если они эффективно управляются и координируются. [ требуется цитата ]
Electropedia определяет микросеть как группу взаимосвязанных нагрузок и распределенных энергетических ресурсов с определенными электрическими границами, которые образуют локальную систему электроснабжения на уровнях напряжения распределения, 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 режиме острова . [3]
Автономная микросеть или изолированная микросеть, иногда называемая «островной сетью», работает только вне сети и не может быть подключена к более широкой системе электроснабжения. Они обычно предназначены для географических островов или для электрификации сельской местности. [4] Во многих неиндустриальных странах микросети, которые используются для обеспечения доступа к электричеству в ранее неэлектрифицированных районах, часто называют « мини-сетями ». [12] Наносети принадлежат одному дому или зданию, а взаимосвязь нескольких наносетей образует сеть (микросеть), облегчая распределение электроэнергии между отдельными наносетями. [5]
Целью микросетей кампуса является объединение существующей локальной генерации для поддержки нескольких нагрузок, расположенных в ограниченном географическом районе, где владелец может легко ими управлять. [13] [14]
Микросети сообщества могут обслуживать тысячи клиентов и поддерживать проникновение местной энергии (электричество, отопление и охлаждение). [15] В микросети сообщества некоторые дома могут иметь некоторые возобновляемые источники, которые могут обеспечить 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 микросети переменного и постоянного тока, соединенных вместе через двунаправленный электронный преобразователь мощности. [16]
Эти микросети, как правило, не предназначены или не предназначены для подключения к макросети , а вместо этого работают в режиме острова в любое время из-за экономических проблем или географического положения. Обычно «внесетевая» микросеть строится в районах, которые находятся далеко от какой-либо инфраструктуры передачи и распределения и, следовательно, не имеют подключения к коммунальной сети. [13] [17] Исследования показали, что эксплуатация удаленных районов или островов внесетевых микросетей, в которых преобладают возобновляемые источники, снизит нормированную стоимость производства электроэнергии в течение срока действия таких проектов микросетей. [18] [19] В некоторых случаях внесетевые микросети действительно включены в национальную сеть или «макросеть», процесс, который требует технического, нормативного и юридического планирования. [20]
Большие удаленные районы могут снабжаться несколькими независимыми микросетями, каждая из которых имеет своего владельца (оператора). Хотя такие микросети традиционно проектируются как энергонезависимые, непостоянные возобновляемые источники и их неожиданные и резкие изменения могут вызвать неожиданный дефицит мощности или избыточную генерацию в этих микросетях. Без накопления энергии и интеллектуального управления это немедленно вызовет неприемлемое отклонение напряжения или частоты в микросетях. Чтобы исправить такие ситуации, можно временно соединить такие микросети с подходящей соседней микросетью для обмена энергией и улучшения отклонений напряжения и частоты. [21] [22] Этого можно добиться с помощью коммутатора на основе силовой электроники [23] [24] после надлежащей синхронизации [25] или встречного соединения двух силовых электронных преобразователей [26] и после подтверждения стабильности новой системы. Определение необходимости объединения соседних микросетей и поиск подходящей микросети для сопряжения могут быть достигнуты с помощью подходов оптимизации [27] или принятия решений [28] .
Поскольку удаленные автономные микросети часто небольшие и строятся с нуля, у них есть потенциал для внедрения передового опыта мирового электроэнергетического сектора, а также для внедрения и стимулирования инноваций в области энергетики. [29] Сейчас часто можно увидеть, как удаленные автономные микросети в основном работают на возобновляемых источниках энергии и управляются с помощью интеллектуальных элементов управления на уровне клиента, что не всегда легко реализовать в более крупном энергетическом секторе из-за существующих интересов и старой, уже существующей инфраструктуры. [30] [31]
Эти микросети активно развертываются с упором на физическую и кибербезопасность военных объектов, чтобы обеспечить надежное электроснабжение без опоры на макросеть . [13] [32]
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 прерывание электроснабжения может привести к высоким потерям доходов и длительному времени запуска. [13] [17] Промышленные микросети могут быть спроектированы для обеспечения циклических экономических промышленных процессов с (почти) нулевым уровнем выбросов и могут интегрировать комбинированную генерацию тепла и электроэнергии (ТЭЦ), питаемую как возобновляемыми источниками, так и переработкой отходов; накопление энергии может дополнительно использоваться для оптимизации работы этих подсистем. [33] Микросети также могут быть закреплены крупным коммерческим ритейлером с большим количеством генерации для обеспечения устойчивости или экономических причин. [34]
Архитектуры необходимы для управления потоком энергии из разных типов источников в электросеть. Таким образом, микросеть можно разделить на три топологии: [35]
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 форму волны переменного тока с другой частотой и другим напряжением. В то время как источники питания с выходом постоянного тока используют преобразователи постоянного тока в переменный для подключения к шине переменного тока.
В топологии DC microgrid источники питания с выходом постоянного тока подключаются к шине постоянного тока напрямую или через преобразователи 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 имеет топологию как для источника питания переменного тока, так и для выхода 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.
Микросеть представляет 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 тепло- и электроэнергия ) и возобновляемые источники генерации (например, ветряные турбины и солнечная энергия). [ необходима цитата ]
В микросети потребление относится только к элементам, которые потребляют 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 требованиями сети. [ необходима цитата ]
В микросети накопители энергии выполняют множество функций, таких как обеспечение качества электроэнергии, регулирование частоты и напряжения, сглаживание выходных данных возобновляемых источников энергии, обеспечение резервного питания для системы и играя решающую роль в оптимизации затрат. Накопление энергии может быть достигнуто путем сочетания химических, электрических, давления, гравитационных, маховиковых и тепловых технологий хранения. Когда в микросети имеется несколько накопителей энергии с различной емкостью, предпочтительно координировать их зарядку и разрядку таким образом, чтобы меньшие накопители энергии не разряжались быстрее, чем те, у которых большая емкость. Аналогично, предпочтительно, чтобы меньшие накопители не заряжались полностью раньше, чем те, у которых большая емкость. Этого можно достичь при скоординированном управлении накопителями энергии на основе их состояния заряда. [36] Если используются несколько систем хранения энергии (возможно, работающих на разных технологиях) и они контролируются уникальным контролирующим блоком ( системой управления энергией - EMS), иерархическое управление на основе архитектуры ведущий/ведомый может обеспечить наилучшую работу, особенно в изолированном режиме. [33]
Это точка в электрической цепи, где микросеть подключается к основной сети. [37] Микросети, не имеющие PCC, называются изолированными микросетями, которые обычно присутствуют в удаленных местах (например, удаленные сообщества или удаленные промышленные объекты), где соединение с основной сетью невозможно из-за технических или экономических ограничений. [ необходима цитата ]
Микросеть способна работать в режимах, подключенных к сети, и автономном режиме, а также управлять переходом между ними. В режиме, подключенном к сети, вспомогательные услуги могут предоставляться посредством торговой деятельности между микросетью и основной сетью. Существуют и другие возможные источники дохода. [38] В изолированном режиме реальная и реактивная мощность, вырабатываемая в микросети, включая ту, что обеспечивается системой хранения энергии, должна быть в равновесии со спросом на локальные нагрузки. Микросети предлагают возможность сбалансировать необходимость сокращения выбросов углерода с продолжением надежного обеспечения электроэнергией в периоды времени, когда возобновляемые источники энергии недоступны. Микросети также предлагают безопасность, будучи защищенными от суровых погодных условий и стихийных бедствий, не имея больших активов и миль надземных проводов и другой электрической инфраструктуры, которые необходимо обслуживать или ремонтировать после таких событий. [39] [40]
Микросеть может переходить между этими двумя режимами из-за планового обслуживания, ухудшения качества электроэнергии или дефицита в хост-сети, неисправностей в локальной сети или по экономическим причинам. [40] [41] Благодаря изменению потока энергии через компоненты микросети микросети облегчают интеграцию возобновляемых источников энергии, таких как фотоэлектрические, ветровые и топливные элементы, без необходимости перепроектирования национальной распределительной системы. [41] [42] [43] Современные методы оптимизации также могут быть включены в систему управления энергией микросети для повышения эффективности, экономичности и устойчивости. [39] [44] [43] [45]
Микросети и интеграция распределенных энергоресурсов (DER) в целом представляют ряд эксплуатационных проблем, которые необходимо решить при проектировании систем управления и защиты, чтобы гарантировать, что существующие уровни надежности не будут существенно затронуты, а потенциальные преимущества распределенной генерации (DG) будут полностью использованы. Некоторые из этих проблем возникают из-за предположений, обычно применяемых к обычным распределительным системам, которые больше не являются действительными, в то время как другие являются результатом проблем со стабильностью, которые ранее наблюдались только на уровне системы передачи. [40] Наиболее актуальные проблемы защиты и управления микросетями включают в себя:
Для правильного планирования и установки микросетей необходимо инженерное моделирование. Существует множество инструментов моделирования и инструментов оптимизации для моделирования экономических и электрических эффектов микросетей. Широко используемым инструментом экономической оптимизации является модель адаптации клиентов распределенных энергетических ресурсов (DER-CAM) от Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли . Еще одним бесплатным инструментом является Solar Alone Multi-objective Advisor (SAMA), программное обеспечение для оптимизации микросетей с открытым исходным кодом , разработанное для экономичной оптимизации размеров гибридных энергетических систем (в первую очередь, работающих от солнечных фотоэлектрических систем ) с использованием метаэвристических алгоритмов на основе определенных профилей нагрузки и метеорологических данных. [50] [51] Еще одним является HOMER (модель гибридной оптимизации для нескольких энергетических ресурсов), первоначально разработанная Национальной лабораторией возобновляемой энергии . Существуют также некоторые инструменты проектирования потоков мощности и электрооборудования, которыми руководствуются разработчики микросетей. Тихоокеанская северо-западная национальная лаборатория разработала общедоступный инструмент GridLAB-D, а Научно-исследовательский институт электроэнергетики (EPRI) разработал OpenDSS. Европейским инструментом, который может быть использован для моделирования спроса на электроэнергию, охлаждение, отопление и технологическое тепло, является EnergyPLAN из Университета Ольборга в Дании. Инструмент планирования сетей с открытым исходным кодом OnSSET был развернут для исследования микросетей с использованием трехуровневого анализа, начиная с архетипов поселений (кейс-исследование с использованием Боливии ). [52]
Что касается архитектуры управления микросетью или любой проблемы управления, можно выделить два различных подхода: централизованный [39] [53] и децентрализованный. [54] Полностью централизованное управление опирается на большой объем информации, передаваемой между вовлеченными блоками, прежде чем решение будет принято в одной точке. Реализация затруднена, поскольку взаимосвязанные энергосистемы обычно охватывают обширные географические местоположения и включают огромное количество блоков. С другой стороны, при полностью децентрализованном управлении каждый блок контролируется своим локальным контроллером, не зная о ситуации других. [55] Компромисс между этими двумя крайними схемами управления может быть достигнут с помощью иерархической схемы управления [56], состоящей из трех уровней управления: первичного, вторичного и третичного. [39] [40] [57]
Первичный контроль призван удовлетворять следующим требованиям:
Первичный контроль обеспечивает уставки для нижнего контроллера, которые являются контурами управления напряжением и током DER. Эти внутренние контуры управления обычно называются контролем нулевого уровня. [58]
Вторичное управление обычно имеет время выборки от нескольких секунд до нескольких минут (т. е. медленнее, чем предыдущее), что оправдывает разъединенную динамику первичного и вторичного контуров управления и облегчает их индивидуальные конструкции. Уставка первичного управления задается вторичным управлением [59], в котором, как централизованный контроллер, он восстанавливает напряжение и частоту микросети и компенсирует отклонения, вызванные изменениями нагрузок или возобновляемых источников. Вторичное управление также может быть спроектировано для удовлетворения требований к качеству электроэнергии , например, балансировки напряжения на критических шинах. [58]
Третичный контроль — это последний (и самый медленный) уровень управления, который учитывает экономические проблемы при оптимальной работе микросети (время выборки составляет от минут до часов) и управляет потоком электроэнергии между микросетью и основной сетью. [58] Этот уровень часто включает прогнозирование погоды, тарифа на сеть и нагрузки на следующие часы или день для разработки плана распределения генератора, который обеспечивает экономию средств. [43] Более продвинутые методы также могут обеспечить сквозной контроль микросети с использованием методов машинного обучения, таких как глубокое обучение с подкреплением . [60]
В случае чрезвычайных ситуаций, таких как отключения электроэнергии, третичный контроль может управлять группой взаимосвязанных микросетей для формирования так называемого «кластера микросетей», действуя как виртуальная электростанция для продолжения подачи критических 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 предопределенным алгоритмом и существующими условиями системы (т. е. спросом и генерацией). В этом случае контроль должен осуществляться в режиме реального времени или, по крайней мере, с высокой частотой дискретизации. [46]
Менее подверженная влиянию коммунальных служб структура контроллера разработана Институтом инженеров по электротехнике и электронике , IEEE 2030.7. [61] Концепция основана на 4 блоках: a) Управление на уровне устройства (например, управление напряжением и частотой), b) Управление локальной областью (например, передача данных), c) Контрольное (программное) управление (например, прогнозируемая оптимизация распределения ресурсов генерации и нагрузки) и d) Уровни сетки (например, связь с коммунальной службой). [ требуется ссылка ]
Существует широкий спектр сложных алгоритмов управления, что затрудняет внедрение систем управления и контроля энергии для небольших микросетей и пользователей распределенных энергоресурсов (DER) в жилых домах. Модернизация связи и информационные системы данных могут быть дорогими. Некоторые проекты пытаются упростить и сократить расходы на управление с помощью готовых продуктов (например, с помощью Raspberry Pi). [62] [63]
Проект ПРООН «Повышение устойчивости сельских районов Йемена» (ERRY) использует принадлежащие сообществу солнечные микросети. Он сокращает расходы на электроэнергию до 2 центов в час (тогда как стоимость электроэнергии, вырабатываемой дизельным топливом, составляет 42 цента в час). В 2020 году он получил премию Ashden Awards за гуманитарную энергетику. [64]
Двухлетняя пилотная программа под названием Harmon'Yeu была инициирована весной 2020 года для соединения 23 домов в районе Кер-Писсо и прилегающих районах с помощью микросети, которая была автоматизирована как интеллектуальная сеть с программным обеспечением от Engie . Шестьдесят четыре солнечные панели с пиковой мощностью 23,7 кВт были установлены на пяти домах, а батарея с емкостью хранения 15 кВт·ч была установлена на одном доме. Шесть домов хранят излишки солнечной энергии в своих водонагревателях. Динамическая система распределяет энергию, вырабатываемую солнечными панелями и хранящуюся в батарее и водонагревателях, по системе из 23 домов. Программное обеспечение интеллектуальной сети динамически обновляет предложение и спрос на энергию с 5-минутными интервалами, решая, следует ли извлекать энергию из батареи или из панелей, и когда хранить ее в водонагревателях. Эта пилотная программа стала первым подобным проектом во Франции. [65] [66]
Беспроводная управляемая микросеть развернута в сельской местности Les Anglais , Гаити. [67] Система состоит из трехуровневой архитектуры с облачной службой мониторинга и управления, локальной встроенной шлюзовой инфраструктурой и ячеистой сетью беспроводных интеллектуальных счетчиков, развернутых в более чем 500 зданиях. [29]
Нетехнические потери (NTL) представляют собой серьезную проблему при предоставлении надежного электроснабжения в развивающихся странах, где они часто составляют 11–15 % от общей мощности генерации. [68] Обширное моделирование на основе данных, полученных за семьдесят два дня с помощью беспроводных счетчиков из микросети, состоящей из 430 домов и развернутой в Ле-Англе, позволило изучить, как отличить NTL от общих потерь электроэнергии, что поможет обнаружить хищение энергии. [69]
Mpeketoni Electricity Project, основанная на сообществе система микросетей на дизельном топливе, была создана в сельской местности Кении недалеко от Мпекетони. Благодаря установке этих микросетей, Мпекетони увидел большой рост своей инфраструктуры. Такой рост включает в себя увеличение производительности на одного работника в значениях от 100% до 200% и увеличение уровня дохода на 20–70% в зависимости от продукта. [70]
Микротурбина, топливный элемент, несколько аккумуляторов, водородный электролизер и фотоэлектрические системы на винодельне в Сономе, Калифорния. [71] [72]
группа взаимосвязанных нагрузок и распределенных энергетических ресурсов с определенными электрическими границами, образующая локальную электроэнергетическую систему на уровнях напряжения распределения, которая действует как единый управляемый объект и может работать как в режиме подключения к сети, так и в режиме острова
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: местоположение отсутствует издатель ( ссылка ) CS1 maint: другие ( ссылка )