Кіріспе

Жергілікті шекарамен шектелген электр желісі. Микрожелі – электрлік шекаралары анықталған, біртұтас және басқарылатын жүйе ретінде жұмыс істейтін жергілікті электр желісі. Желіге қосылған микрожелі әдетте дәстүрлі кең аумақты синхронды желімен (макрожелімен) байланысты және синхронды жұмыс істейді, бірақ қажет болған жағдайда, техникалық немесе экономикалық жағдайларға байланысты, өзара байланысқан желіден ажыралып, "аралдық режимде" автономды түрде жұмыс істей алады. Мұндай желілер "аралдық микрожелілер" деп аталады. Микрожелілерді басқару және қорғау қиындықтар тудырады, себебі жүйені тұрақтандыру үшін қажетті барлық қосымша қызметтер микрожелінің ішінде жасалуы керек, ал қорғау жүйелерінің таңдамалы жұмыс істеуі үшін төменгі қысқа тұйықталу деңгейі мәселе тудыруы мүмкін. Сондай-ақ, маңызды ерекшелік – электр энергиясынан өзге жылу және салқындату сияқты бірнеше пайдалы энергия қажеттіліктерін қамтамасыз ету, себебі бұл энергия тасымалдаушыны алмастыруға және жылу беру, тұрмыстық ыстық су және салқындату мақсатында пайдалы қалдық жылуды қолдану арқылы (секторлар аралық энергия қолданысы) энергия тиімділігін арттыруға мүмкіндік береді.

Анықтамалар

АҚШ Энергетика министрлігінің микрожелілер алмасу тобы микрожеліні «желіге қатысты бірыңғай басқарылатын бірлік ретінде әрекет ететін, бір-бірімен байланысты жүктемелер мен таратылған энергия ресурстарының тобы» деп анықтайды. Микрожелі желіге қосылып, ажыратылуы мүмкін, бұл оған желіге қосылған немесе аралдық режимде жұмыс істеуге мүмкіндік береді. Беркли зертханасы былай анықтайды: «Микрожелі энергия өндіру және энергия сақтаудан тұрады, ол электр желісіне қосылмаған кезде, мысалы, апат болғанда ғимаратты, кампусты немесе қауымдастықты қуатпен қамтамасыз ете алады». Коммуналдық желіден ажыратылатын (жалпы байланыс нүктесінде немесе ЖБН) микрожелі «аралдық микрожелі» деп аталады. Еуроодақтың зерттеу жобасында микрожеліге төмен кернеулі (ТК) тарату жүйелері, таратылған энергия ресурстары (ТЭР) (микротурбиналар, отын ұяшықтары, фотоэлектрлік құрылғылар (ФЭҚ) және т.б.), энергия сақтау құрылғылары (аккумуляторлар, инерциялық дөңгелектер), энергия сақтау жүйесі және икемді жүктемелер кіреді. Мұндай жүйелер негізгі желіге қосылған немесе ажыратылған күйде жұмыс істей алады. Желідегі микрокөздердің жұмысы тиімді басқару және үйлестіру арқылы жүйенің жалпы тиімділігіне пайда әкелуі мүмкін. Electropedia микрожеліні бір-бірімен байланысты жүктемелер мен анықталған электрлік шекаралары бар, тарату кернеу деңгейлерінде (яғни, төмен және орта кернеуде 35 кВ-қа дейін) жергілікті электр қуатын беру жүйесін құрайтын таратылған энергия ресурстарының тобы деп анықтайды. Бұл тұтынушылар мен өндірушілердің кластері бірыңғай басқарылатын бірлік ретінде әрекет етеді және желіге қосылған немесе аралдық режимде жұмыс істей алады. Жеке микрожелі немесе оқшауланған микрожелі, кейде «аралдық желі» деп аталады, тек желіден тыс жұмыс істейді және оны кеңірек электр қуат жүйесіне қосуға болмайды. Олар әдетте географиялық аралдарға немесе ауылдық жерлерді электрмен қамтамасыз етуге арналған. Көптеген дамып келмеген елдерде бұрын электр желісі болмаған жерлерде электр энергиясына қол жеткізу үшін пайдаланылатын микрожелілерді көбінесе «минижелілер» деп атайды. Наножелілер бір үйге немесе ғимаратқа жатады, ал бірнеше наножелілердің өзара байланысы желі (микрожелі) құрайды, бұл жеке наножелілер арасында қуатты бөлісуді жеңілдетеді.

Қоғамдық микрожелілер

Қоғамдық микрожелілер мыңдаған тұтынушыға қызмет көрсете алады және жергілікті энергияның (электр энергиясы, жылу және салқындату) таралуын қолдайды. Қоғамдық микрожелідегі кейбір үйлерде жаңартылатын энергия көздері болуы мүмкін, олар өздерінің және сол қоғамдағы көршілерінің қажеттіліктерін қамтамасыз ете алады. Қоғамдық микрожеліде орталықтандырылған немесе бірнеше тараптап орналасқан энергия сақтағыштары да болуы мүмкін. Мұндай микрожелілер екі бағытты қуат электронды түрлендіргіш арқылы байланыстырылған айнымалы ток (AC) және тұрақты ток (DC) микрожелілері түрінде болуы мүмкін.

Әскери базаның микрожелілері

Бұл микрожелілер әскери объектілердің физикалық және киберқорғанысына баса назар аудара отырып, макрожеліге тәуелділіксіз сенімді қуат беру мақсатында белсенді түрде қолданылуда.

Коммерциялық және өндірістік (К&I) микрожелілер

Микрожелілердің осы түрлері Солтүстік Америкада және Шығыс Азияда қарқынды дамуда; алайда, осы микрожелілерге арналған жақсы қалыптасқан стандарттардың болмауы олардың жаһандық қолданысын шектейді. Өнеркәсіптік микрожелілерді орнатудың басты себептері – электрмен жабдықтаудың қауіпсіздігі және оның сенімділігі. Электрмен жабдықтаудың тоқтауы үлкен кіріс шығындарына және ұзақ іске қосылу уақытына әкелетін көптеген өндірістік процестер бар. Микрожелілерді тұрақтылықты немесе экономикалық тиімділікті қамтамасыз ету үшін көп мөлшерде электр энергиясын өндіретін ірі коммерциялық сауда ұйымдары да қолдай алады.

Микрожелілердің топологиясы

Электр желісіне әртүрлі көздерден келетін энергия ағынын басқару үшін архитектуралар қажет. Сондықтан, микрожелілерді үш топологияға жіктеуге болады:

АЖ микрожелісі

Кеңаймалы ток шығысы бар қуат көздері, кеңаймалы ток шинасына кеңаймалы токтан кеңаймалы токқа түрлендіргіш арқылы қосылады, ол кеңаймалы ток жиілігі мен кернеуін басқа жиіліктегі және басқа кернеудегі кеңаймалы ток толқын түріне түрлендіреді. Ал тұрақты ток шығысы бар қуат көздері, кеңаймалы ток шинасына қосылу үшін тұрақты токтан кеңаймалы токқа түрлендіргіштерді пайдаланады.

DC микрожелісі

DC микрожелі топологиясында DC шығысы бар қуат көздері DC шинасына тікелей немесе DC/DC түрлендіргіштер арқылы қосылады. Ал, AC шығысы бар қуат көздері AC/DC түрлендіргіш арқылы DC шинасына қосылады.

Гибридті микрожелі

Гибридтік микрожеліде қуат көзінің AC және DC шығысы үшін топология қарастырылған. Сонымен қатар, AC және DC шиналары екітаралы түрлендіргіш арқылы бір-бірімен байланыстырылған, бұл екі шина арасында қуаттың екі бағытта да ағынын қамтамасыз етеді.

Жергілікті өндіріс

Микрожелі пайдаланушыға электр энергиясын, жылуды және салқындатуды жеткізетін әртүрлі энергия өндіру көздерін ұсынады. Бұл көздер екі негізгі топқа бөлінеді: жылу энергиясы көздері (мысалы, табиғи газ немесе биогаз генераторлары немесе шағын жылу-электр станциясы) және жаңартылатын энергия көздері (мысалы, жел турбиналары және күн энергиясы).

Тұтыну

Микрожеліде тұтыну – электр энергиясын, жылуды және салқындатуды пайдаланатын элементтерді қамтиды, бұл жеке құрылғылардан бастап ғимараттардың, коммерциялық орталықтардың және басқа да нысандардың жарықтандыру және жылыту жүйелеріне дейін болуы мүмкін. Басқарылатын жүктемелер болған жағдайда, электр энергиясын тұтыну желінің қажеттіліктеріне сәйкес өзгертілуі мүмкін.

Энергияны сақтау

Микрожелілерде энергия сақтау электр қуатының сапасын қамтамасыз ету, оның ішінде жиілік пен кернеуді реттеу, жаңартылатын энергия көздерінің өнімділігін тегістеу, жүйеге резервтік қуат беру және шығындарды оңтайландыру сияқты көптеген функцияларды атқара алады. Ол химиялық, электрлік, қысымдық, гравитациялық, инерциялық және жылу сақтау технологияларының барлығын қамтиды. Микрожеліде әртүрлі сыйымдылықтағы бірнеше энергия сақтау құрылғысы болған жағдайда, олардың зарядталу және разрядталу процестерін үйлестіру қажет, нәтижесінде кішкентай энергия сақтағышы үлкен сыйымдылықтағылардан тез разрядталмайды. Сол сияқты, үлкен сыйымдылықтағылардан бұрын кішкентайы толық зарядталмауы тиіс. Бұл энергия сақтағыштардың зарядталу деңгейіне негізделген үйлестірілген басқару арқылы жүзеге асырылады. Егер бірнеше энергия сақтау жүйесі (әртүрлі технологиялармен жұмыс істейтін болса) қолданылса және оларды бірыңғай бақылаушы құрылғы (Энергия басқару жүйесі – EMS) басқарса, мырза/құл архитектурасына негізделген иерархиялық басқару ең тиімді жұмысты қамтамасыз ете алады, әсіресе аралдық режимде. PCC (Point of Common Coupling) жоқ микрожелілер оқшауланған микрожелілер деп аталады, олар көбінесе шалғай орналасқан жерлерде (мысалы, шалғайдағы қауымдастықтар немесе шалғайдағы өнеркәсіптік объектілерде) кездеседі, онда техникалық немесе экономикалық шектеулерге байланысты негізгі желімен байланыс мүмкін емес.

Артықшылықтар

Микрожелі желіге қосылған және автономды режимдерде жұмыс істей алады, сондай-ақ екеуінің арасындағы ауысуды басқара алады. Желіге қосылған режимде микрожелі мен негізгі желі арасындағы сауда-саттық арқылы қосымша қызметтер ұсынылуы мүмкін. Басқа да кіріс көздері бар. Автономды режимде микрожелідегі нақты және реактивті қуат, энергия сақтау жүйесінен алынатын қуатты қоса алғанда, жергілікті тұтынушылардың сұранысына тең болуы керек. Микрожелілер көміртегі шығарындыларын азайту қажеттілігімен, жаңартылатын энергия көздері қолжетімді болмаған кезде сенімді электр энергиясын қамтамасыз етуді үйлестіруге мүмкіндік береді. Микрожелілер сондай-ақ ауа райының нашарлауы мен табиғи апаттардан қорғанышпен қамтамасыз етеді, себебі оларға мұндай жағдайларда күтіп-жөндеуді қажет ететін үлкен активтер мен көптеген жер үсті сымдары және басқа да электр инфрақұрылымы тән емес. Микрожелі жоспарлы техникалық қызмет көрсету, электр қуаты сапасының нашарлауы, негізгі желідегі тапшылық, жергілікті желідегі ақаулар немесе экономикалық себептерге байланысты осы екі режимнің арасында ауысуы мүмкін. Микрожелі компоненттері арқылы энергия ағынын өзгерту арқылы, микрожелілер ұлттық тарату жүйесін қайта жаңарту қажеттілігінсіз, фотоэлектрлік, жел және отын элементтері сияқты жаңартылатын энергияны интеграциялауды жеңілдетеді. Энергияны басқару жүйесіне қазіргі заманғы оңтайландыру әдістерін қосу арқылы тиімділікті, экономикалық тиімділікті және сенімділікті арттыруға болады.

Қиындықтар

Микрожелілер және, жалпы алғанда, таратылған энергия ресурстары (ТЭР) құрылғыларын интеграциялау басқару және қорғау жүйелерін жобалау кезінде бірқатар операциялық қиындықтар тудырады. Бұл қиындықтар қазіргі сенімділік деңгейлеріне елеулі әсер етпеуін және таратылған генерация (ТГ) құрылғыларының әлеуеттік мүмкіндіктерін толыққанды пайдалануды қамтамасыз ету үшін шешілуі керек. Кейбір қиындықтар дәстүрлі тарату жүйелеріне қатысты әдетте қолданылатын, бірақ енді қолдануға жарамсыз болған болжамдардан туындайды, ал басқалары бұрын тек беру жүйесі деңгейінде ғана байқалған тұрақтылық мәселелерінің салдары болып табылады. Модельдеу: Микрожелілер үшін дәстүрлі схемалардың көптеген сипаттамалары, мысалы үш фазалық теңдестірілген жағдайлардың кең таралғандығы, негізінен индуктивті беру желілері және тұрақты қуат жүктемелері міндетті түрде орын алмайды, сондықтан модельдерді қайта қарау қажет. Белгісіздік: Микрожелілерді пайдалану экономикалық және сенімді жұмыс істеуі үшін көптеген белгісіздіктерді ескеруді қажет етеді. Жүктеме профилі мен ауа райы – бұл координацияны, әсіресе оқшауланған микрожелілерде қиындататын екі белгісіз фактор. Ондағы маңызды сұраныс-ұсыныс тепелдігі және компоненттердің жоғары іркілу деңгейі ұзақ уақыт аралығында күшті байланысты проблеманы шешуді талап етеді. Бұл белгісіздік, жүктемелер санының азаюы және қол жетімді энергия ресурстарының өзгеруінің жоғары корреляциясы салдарынан, ірі электр жүйелерімен салыстырғанда жоғары (ортақ эффект шектеулі). Тағы бір құрал – National Renewable Energy Laboratory (Ұлттық жаңартылатын энергия зертханасы) әзірлеген Hybrid Optimization Model for Multiple Energy Resources (HOMER). Микрожелілерді әзірлеушілерге бағыт беру үшін электр ағыны мен электрлік жобалауға арналған бірнеше құралдар бар. Pacific Northwest National Laboratory (Тынық мұхитының солтүстік-батысындағы ұлттық зертханасы) жалпыға қолжетімді GridLAB D құралын, ал Electric Power Research Institute (EPRI) – OpenDSS құралын жасады. Даниядағы Aalborg университетінің EnergyPLAN құралы электр, салқындату, жылыту және процестік жылу сұранысын модельдеуге арналған еуропалық құрал болып табылады. Ашық кодты желілік жоспарлау құралы OnSSET микрожелілерді зерттеу үшін үш деңгейлі талдауды қолданады, ол қоныс архетиптерімен басталады (Боливия мысалы ретінде зерттелді).

Микрожелілік басқару

Микрожелінің басқару архитектурасына немесе кез келген басқару мәселесіне қатысты екі түрлі тәсілді анықтауға болады: орталықтандырылған және орталықтандырылмаған. Толық орталықтандырылған басқару, шешім бір нүктеде қабылдалуы алдында қатысатын құрылғылар арасында көп көлемде ақпарат алмасуға тәуелді. Бір-бірімен байланысқан электр жүйелері көбінесе кең географиялық аймақтарды қамтиды және өте көп құрылғыларды қамтиды, сондықтан оларды іске асыру қиын. Ал толық орталықтандырылмаған басқаруда әрбір құрылғы басқалардың жағдайын білмей, тек жергілікті басқарушымен басқарылады. Осы екі еңкейген басқару схемалары арасындағы шарттылыққа үш деңгейлі басқару схемасы арқылы қол жеткізуге болады: бірінші, екінші және үшінші деңгейлер.

Екіншілік бақылау

Екінші реттік басқарудың үлгі алу уақыты әдетте секундтан минутқа дейін (яғни бұрынғысына қарағанда баяу) болады, бұл негізгі және екінші реттік басқару контурларының байланыссыз динамикасын негіздеп, олардың жеке-жеке жобалануын жеңілдетеді. Негізгі басқарудың белгіленген мәні екінші реттік басқарумен беріледі, ол орталық басқарушы ретінде микрожелінің кернеуі мен жиілігін қалпына келтіріп, жүктемелердің немесе жаңарушы көздердің өзгеруінен туындаған ауытқуларды жояды. Екінші реттік басқару қуат сапасы талаптарын, мысалы, маңызды тіректе кернеуді теңестіруді қамтамасыз ету үшін де жобалануы мүмкін. Төтенше жағдайларда, мысалы, тоқырауларда үшінші реттік басқару өзара байланысқан микрожелілер тобын басқарып, «микрожелілер кластерлеуін» құруға болады, ол сындарлы жүктемелерді жалғастырып беру үшін виртуалды электр станциясы ретінде әрекет етеді. Мұндай жағдайларда орталық басқарушы алдын ала белгіленген алгоритм мен жүйенің қазіргі жағдайларына (яғни сұраныс пен генерацияға) сәйкес микрожелілердің біреуін бос (яғни басшы) деп, ал қалғанын PV және жүктеме тіректері ретінде таңдауы керек. Бұл жағдайда басқару нақты уақыт режимінде немесе кем дегенде жоғары үлгі алу жиілігінде жүргізілуі тиіс. Концепция 4 блокқа негізделген: а) Құрылғы деңгейінде басқару (мысалы, кернеу және жиілікті басқару), б) Жергілікті аумақты басқару (мысалы, деректерді байланыстыру), в) Бақылау (бағдарламалық) басқару (мысалы, генерация және жүктеме ресурстарын болашаққа бағдарланған оңтайландыру) және г) Желілік қабаттар (мысалы, коммуналдық қызметтермен байланыс).

Элементарлық бақылау

Күрделі басқару алгоритмдерінің көптеген түрлері бар, бұл шағын микрожелілер мен тұрғын үй шаруашылықтарындағы таратылған энергия ресурстарын (ДЭР) пайдаланушыларға энергияны басқару және басқару жүйелерін енгізуді қиындатады. Коммуникациялық жабдықтарды жаңарту және деректерді ақпараттандыру жүйелері қымбатқа түсуі мүмкін. Кейбір жобалар стандартты өнімдерді пайдалану арқылы (мысалы, Raspberry Pi қолдану) басқаруды жеңілдетуге және шығындарды төмендетуге тырысады.

Хаджах пен Лахдж, Йемен

БҰҰДБ-ның "Йемендегі ауылдық тұрақтылықты арттыру" (ERRY) жобасы, қауымдастықтарға тиесілі күн энергиясының шағын желілерін қолданады. Бұл энергия құнын сағатына бар болғаны 2 центке дейін төмендетеді (ал дизельмен өндірілген электр энергиясының құны сағатына 42 цент). 2020 жылы жоба гуманитарлық энергия саласындағы "Ашден" сыйлығына ие болды.

Иль д'Ю

2020 жылдың көктемінде "ХармонЕу" деп аталатын екі жылдық пилоттық бағдарлама басталды. Ол Кер-Писо ауданындағы және оның айналасындағы 23 үйді "Энжи" бағдарламалық жасақтамасымен автоматтандырылған ақылды желі ретінде микрожеліге қосты. Бес үйдің шатырына 23,7 кВт ең жоғары қуаты бар 64 күн панелі, ал бір үйге 15 кВт⋅сағ сыйымдылығы бар аккумулятор орнатылды. Алты үй күн энергиясының артық бөлігін ыстық су жылытқыштарында сақтайды. Динамикалық жүйе күн панельдерінен және аккумуляторда сақталған энергияны 23 үйдің жүйесіне бөліп береді. Ақылды желі бағдарламалық жасақтамасы энергияны ұсыну мен қажеттілікті 5 минут сайын жаңартып отырады, энергияны аккумулятордан немесе панельдерден алуды және оны ыстық су жылытқыштарында қашан сақтауды шешеді. Бұл пилоттық бағдарлама Франциядағы осындай алғашқы жоба болды.

Ағылшындар, Гаити

Гаитидегі Лес-Англис ауылында сымсыз басқарылатын микрожелі орнатылды. Жүйе үш деңгейлі архитектурадан тұрады: бұлттық бақылау және басқару қызметі, жергілікті кіріктірілген шлюз инфрақұрылымы және 500-ден астам ғимаратқа орналастырылған сымсыз ақылды есептегіштердің тор желісі. Лес-Англисте орналасқан 430 үйден тұратын микрожелінің жетпіс екі күндік сымсыз есептегіш деректеріне негізделген кең ауқымды деректерді модельдеу, жалпы қуат жоғалтудан NTL-ді (желідегі емес техникалық жоғалтуларды) ажырату қалай екенін зерттеді, бұл энергия ұрлығын анықтауға көмектеседі.

Мпекетони, Кения

Мпекетони электр энергиясы жобасы – дизельдік қуатпен жұмыс істейтін шағын желілік жүйе, Кенияның Мпекетони ауылына жақын орналасқан. Осы микрожелілерді орнату нәтижесінде Мпекетони инфрақұрылымында айтарлық өсім байқалды. Бұл өсімге жұмысшы өнімділігінің 100%-дан 200%-ға дейін артуы және өнім түріне қарай табыс деңгейінің 20%-дан 70%-ға дейін өсуі кіреді.

Stone Edge фермасы шарапханасы

Калифорния штатының Сонома аймағындағы шарап зауытында микротурбина, отын жасушасы, бірнеше аккумулятор, сутек электролизері және күн энергиясын пайдалану мүмкіндігі қарастырылған.