Введение

Электрическая сеть с ограниченными локальными границами. Микросеть – это локальная электрическая сеть с чётко определенными электрическими границами, функционирующая как единое управляемое целое. Микросеть, подключенная к общей сети, обычно работает в соединении и синхронно с традиционной широкомасштабной синхронной сетью (макросетью), но способна отключаться от объединенной сети и функционировать автономно в "островном режиме" в зависимости от технических или экономических условий. Такие сети называются "микросетями, способными к островному режиму". Управление и защита микросетей представляют собой сложные задачи, поскольку все вспомогательные услуги для обеспечения стабильности системы должны генерироваться внутри микросети, а низкие токи короткого замыкания могут затруднять селективную работу систем защиты. Важной особенностью также является обеспечение различных потребностей в энергии, таких как отопление и охлаждение, помимо электроснабжения, поскольку это позволяет заменять энергоносители и повышать энергоэффективность за счет использования вторичных тепловых ресурсов для отопления, горячего водоснабжения и охлаждения (межотраслевое использование энергии).

Определения

Министерство энергетики США в рамках группы по обмену микросетями определяет микросеть как группу взаимосвязанных нагрузок и распределенных энергетических ресурсов в пределах четко определенных электрических границ, функционирующих как единое управляемое целое по отношению к энергосистеме. Микросеть может подключаться и отключаться от энергосистемы, обеспечивая работу как в подключенном, так и в изолированном режиме.

Лаборатория Беркли определяет: "Микросеть состоит из источников генерации и накопителей энергии, способных питать здание, кампус или населенный пункт при отключении от электрической сети, например, в случае стихийного бедствия". Микросеть, которую можно отключить от сети энергоснабжающей организации (в "точке общего соединения" или ТОС), называется "островной микросетью". В рамках исследовательского проекта ЕС микросеть описывается как система распределения низкого напряжения (НН) с распределенными энергетическими ресурсами (РЭР) (микротурбины, топливные элементы, фотоэлектрические установки (ФЭУ) и т.д.), накопителями энергии (аккумуляторы, маховики), системой хранения энергии и управляемыми нагрузками. Такие системы могут работать как подключенными к основной сети, так и отключенными от нее. Эксплуатация микроисточников в сети может повысить общую эффективность системы при условии эффективного управления и координации. Electropedia определяет микросеть как группу взаимосвязанных нагрузок и распределенных энергетических ресурсов с определенными электрическими границами, формирующую локальную электрическую энергосистему на уровнях напряжения распределительной сети, то есть как низкого, так и среднего напряжения до 35 кВ. Эта совокупность взаимосвязанных узлов потребления и производства функционирует как единое управляемое целое и способна работать в подключенном или изолированном режиме. Автономная или изолированная микросеть, иногда называемая "островной сетью", работает исключительно в автономном режиме и не может быть подключена к более широкой электроэнергетической системе. Обычно они предназначены для географически изолированных территорий или для электроснабжения сельской местности. Во многих развивающихся странах микросети, используемые для обеспечения доступа к электроэнергии в ранее необслуживаемых районах, часто называют "мини-сетями". Наносети охватывают один дом или здание, а объединение нескольких наносетей образует сеть (микросеть), обеспечивая обмен энергией между отдельными наносетями.

Микросети Сообщества

Микросети сообщества могут обслуживать тысячи потребителей и способствовать развитию локальной энергетики (электричество, отопление и охлаждение). В микросети сообщества некоторые дома могут быть оснащены возобновляемыми источниками энергии, способными покрывать как собственные потребности, так и потребности соседей в пределах этого же сообщества. Такая микросеть может также включать централизованные или несколько распределенных систем накопления энергии. Такие микросети могут быть реализованы как сети переменного и постоянного тока, объединенные посредством двунаправленного преобразователя мощности.

Микросети военных баз

Эти микросети активно развертываются, уделяя особое внимание физической и кибербезопасности военных объектов, чтобы обеспечить надежное электроснабжение без зависимости от централизованной энергосистемы.

Коммерческие и промышленные (КИ) микросети

Эти типы микросетей быстро развиваются в Северной Америке и Восточной Азии; однако отсутствие общепринятых стандартов для таких микросетей ограничивает их распространение во всем мире. Основные причины установки промышленных микросетей – это обеспечение надёжности и безопасности электроснабжения. Существует множество производственных процессов, где перебои в электроснабжении могут привести к значительным финансовым потерям и длительному времени простоя. Микросети также могут быть созданы крупными коммерческими предприятиями с существенной собственной генерацией для повышения устойчивости или по экономическим соображениям.

Топологии микросетей

Архитектуры необходимы для управления потоком энергии от различных типов источников в электрическую сеть. Таким образом, микросети можно классифицировать по трем топологиям:

Микросеть переменного тока

Источники питания с выходом переменного тока подключаются к шине переменного тока через преобразователь переменного тока в переменный ток, который преобразует переменный ток с изменяющейся частотой и напряжением в форму сигнала переменного тока с другой частотой и другим напряжением. Источники питания с выходом постоянного тока используют преобразователи постоянного тока в переменный ток для подключения к шине переменного тока.

Микросеть постоянного тока

В топологии микросети постоянного тока источники питания с постоянным током подключаются к шине постоянного тока напрямую или через DC/DC-преобразователи. С другой стороны, источники питания с переменным током подключаются к шине постоянного тока через AC/DC-преобразователи.

Гибридная микросеть

Гибридная микросеть имеет топологию как для подключения источников питания переменного тока, так и для вывода постоянного тока. Кроме того, шины переменного и постоянного тока соединены друг с другом через двунаправленный преобразователь, обеспечивающий возможность передачи мощности в обоих направлениях между этими шинами.

Местная генерация

Микросеть включает в себя различные типы источников генерации, обеспечивающих электроэнергией, теплом и холодом потребителя. Эти источники подразделяются на две основные группы – источники тепловой энергии (например, генераторы на природном газе или биогазе, или мини-ТЭЦ) и возобновляемые источники генерации (например, ветряные турбины и солнечные электростанции).

Потребление

В микросети под потреблением понимаются элементы, использующие электроэнергию, тепло и охлаждение – от отдельных устройств до систем освещения и отопления зданий, торговых центров и других объектов. В случае управляемых нагрузок потребление электроэнергии может изменяться в зависимости от потребностей сети.

Хранение энергии

В микросети накопление энергии способно выполнять множество функций, таких как обеспечение качества электроэнергии, включая регулирование частоты и напряжения, сглаживание выходной мощности возобновляемых источников энергии, обеспечение резервного питания для системы и играя решающую роль в оптимизации затрат. Оно включает в себя все технологии накопления – химические, электрические, на основе давления, гравитационные, маховики и тепловые. Если в микросети доступно несколько накопителей энергии различной емкости, предпочтительно координировать их заряд и разряд таким образом, чтобы накопитель меньшей емкости не разряжался быстрее, чем накопители большей емкости. Аналогично, предпочтительно, чтобы накопитель меньшей емкости не заряжался полностью раньше накопителей большей емкости. Этого можно достичь посредством координированного управления накопителями энергии на основе их состояния заряда. Если используются несколько систем накопления энергии (возможно, работающих по разным технологиям) и они управляются единым управляющим устройством (системой управления энергией – EMS), иерархическое управление, основанное на архитектуре «мастер-подчиненный», может обеспечить оптимальную работу, особенно в изолированном режиме. Микросети, не имеющие точки подключения к сети (PCC), называются изолированными микросетями и обычно встречаются в удаленных районах (например, в отдаленных населенных пунктах или на удаленных промышленных объектах), где подключение к основной сети не представляется возможным из-за технических или экономических ограничений.

Преимущества

Микросеть способна функционировать как в подключенном к сети режиме, так и в автономном, и обеспечивать переход между ними. В режиме подключения к сети вспомогательные услуги могут предоставляться посредством торговой деятельности между микросетью и основной энергосистемой. Существуют и другие потенциальные источники дохода. В автономном режиме суммарная генерируемая в микросети активная и реактивная мощность, включая мощность, обеспечиваемую системой накопления энергии, должна быть сбалансирована с потреблением местных нагрузок. Микросети предоставляют возможность сбалансировать необходимость сокращения выбросов углекислого газа с обеспечением надежного электроснабжения в периоды, когда возобновляемые источники энергии недоступны. Микросети также повышают устойчивость к неблагоприятным погодным условиям и стихийным бедствиям за счет отсутствия крупных объектов и протяженных воздушных линий электропередачи и другой инфраструктуры, требующей обслуживания или ремонта после подобных событий. Микросеть может переключаться между этими режимами из-за планового технического обслуживания, ухудшения качества электроэнергии, дефицита мощности в центральной сети, аварий в локальной сети или по экономическим соображениям. Путем изменения потоков энергии через компоненты микросети, они облегчают интеграцию возобновляемых источников энергии, таких как солнечные фотоэлектрические установки, ветрогенераторы и топливные элементы, без необходимости перепроектирования национальной распределительной сети. Современные методы оптимизации также могут быть интегрированы в систему управления энергопотоками микросети для повышения эффективности, экономической целесообразности и устойчивости.

Вызовы

Микросети и интеграция распределенных энергетических ресурсов (ДЭР) в целом создают ряд операционных проблем, которые необходимо учитывать при разработке систем управления и защиты, чтобы гарантировать сохранение текущего уровня надежности и полное использование потенциальных преимуществ распределенной генерации (ДГ). Некоторые из этих проблем возникают из-за допущений, обычно применяемых к традиционным распределительным системам, которые больше не актуальны, а другие – результат проблем стабильности, ранее наблюдаемых только на уровне систем передачи. Моделирование: Многие характеристики традиционных схем, такие как преобладание трехфазных сбалансированных режимов, преимущественно индуктивные линии передачи и постоянные нагрузки, не обязательно справедливы для микросетей, и, следовательно, модели требуют пересмотра. Неопределенность: Эксплуатация микросетей связана с решением множества неопределенностей, от которых зависит экономичная и надежная работа микросетей. Профили нагрузки и погодные условия – две неопределенности, усложняющие координацию в изолированных микросетях, где критически важен баланс спроса и предложения, а также более высокие показатели отказов компонентов, требующие решения тесно связанной задачи на расширенном временном горизонте. Эта неопределенность выше, чем в оптовых энергосистемах, из-за меньшего числа нагрузок и сильно коррелирующих изменений доступных энергетических ресурсов (эффект усреднения значительно ограничен). Другой инструмент – HOMER (Hybrid Optimization Model for Multiple Energy Resources), изначально разработанный Национальной лабораторией возобновляемых источников энергии. Существуют также инструменты для анализа потоков мощности и электрического проектирования, помогающие разработчикам микросетей. Тихоокеанская северо-западная национальная лаборатория разработала общедоступный инструмент GridLAB D, а Институт электроэнергетических исследований (EPRI) – OpenDSS. Европейский инструмент для моделирования потребности в электроэнергии, охлаждении, отоплении и технологическом тепле – EnergyPLAN из университета Ольборг в Дании. Открытый инструмент планирования сетей OnSSET был использован для исследования микросетей с помощью трехступенчатого анализа, начиная с типовых моделей поселений (на примере Боливии).

Управление микросетью

Что касается архитектуры управления микросетями или любой задачи управления, можно выделить два различных подхода: централизованный и децентрализованный. Полностью централизованное управление предполагает передачу большого объема информации между взаимодействующими устройствами перед принятием решения в единой точке. Реализация затруднена, поскольку взаимосвязанные энергосистемы обычно охватывают обширные географические области и включают в себя огромное количество устройств. С другой стороны, при полностью децентрализованном управлении каждое устройство контролируется своим локальным контроллером, не имея информации о состоянии других устройств. Компромисс между этими двумя крайними схемами управления можно достичь посредством иерархической схемы управления, состоящей из трех уровней: первичного, вторичного и третичного.

Вторичный контроль

Вторичное управление обычно имеет время дискретизации от секунд до минут (то есть медленнее, чем на предыдущем уровне), что обосновывает разделение динамики контуров первичного и вторичного управления и упрощает их индивидуальную разработку. Задание для первичного управления задается вторичным управлением, которое, выступая в качестве централизованного контроллера, восстанавливает напряжение и частоту микросети и компенсирует отклонения, вызванные изменениями нагрузок или возобновляемых источников энергии. Вторичное управление также может быть разработано для обеспечения требований к качеству электроэнергии, например, для балансировки напряжения на критических узлах. В случае аварийных ситуаций, таких как полное отключение электроэнергии, третичное управление может координировать группу взаимосвязанных микросетей, формируя так называемое "кластерирование микросетей" и функционируя как виртуальная электростанция для продолжения электроснабжения критически важных потребителей. В таких ситуациях центральный контроллер должен выбрать одну из микросетей в качестве опорной (т.е. главной), а остальные – в качестве шин с фотоэлектрическими установками и нагрузками, в соответствии с заранее определенным алгоритмом и текущими условиями системы (т.е. спросом и генерацией). В этом случае управление должно осуществляться в реальном времени или, по крайней мере, с высокой частотой дискретизации. Концепция базируется на 4 блоках: а) управление на уровне устройств (например, управление напряжением и частотой), б) локальное управление (например, передача данных), в) диспетчерское (программное) управление (например, перспективная оптимизация диспетчеризации генерирующих и нагрузочных ресурсов) и г) сетевые уровни (например, связь с энергоснабжающей организацией).

Элементарный контроль

Существует большое разнообразие сложных алгоритмов управления, что затрудняет внедрение систем управления энергопотреблением и контроля для небольших микросетей и домохозяйств, использующих распределенные энергетические ресурсы (РЭР). Модернизация систем связи и информационных систем может быть дорогостоящей. В некоторых проектах пытаются упростить и удешевить управление с помощью готовых решений (например, с использованием Raspberry Pi).

Хаджа и Ладж, Йемен

Проект ПРООН "Повышение устойчивости сельских районов в Йемене" (ERRY) использует солнечные микросети, принадлежащие общинам. Это снижает стоимость энергии до 2 центов в час (в то время как электроэнергия, вырабатываемая дизельными генераторами, стоит 42 цента в час). В 2020 году проект был удостоен премии Ashden Awards в области гуманитарной энергетики.

Остров Иу

Весной 2020 года была начата двухлетняя пилотная программа под названием Harmon’Yeu, целью которой было объединить 23 дома в районе Кер-Писо и близлежащих территориях с помощью микросети, автоматизированной как интеллектуальная сеть с использованием программного обеспечения Engie. На пяти домах были установлены 64 солнечные панели с пиковой мощностью 23,7 кВт, а на одном доме – аккумуляторная батарея емкостью 15 кВт⋅ч. Шесть домов используют избыточную солнечную энергию для нагрева воды. Динамическая система распределяет энергию, вырабатываемую солнечными панелями и накопленную в батарее и водонагревателях, между 23 домами. Программное обеспечение интеллектуальной сети динамически корректирует предложение и спрос на энергию с интервалом в 5 минут, определяя, брать ли энергию из батареи или от панелей, и когда накапливать ее в водонагревателях. Эта пилотная программа стала первым подобным проектом во Франции.

Английцы, Гаити

В сельской местности Ле-Зангле, Гаити, развернута микросеть с беспроводным управлением. Система имеет трехзвенную архитектуру, включающую облачный сервис мониторинга и управления, локальную встроенную шлюзовую инфраструктуру и беспроводную mesh-сеть интеллектуальных счетчиков, установленных более чем в 500 зданиях. Обширное моделирование данных, основанное на 72 днях данных беспроводных счетчиков из микросети, обслуживающей 430 домов в Ле-Зангле, позволило исследовать способы отделения потерь, связанных с несанкционированным отбором электроэнергии (NTL), от общих потерь мощности, что способствует выявлению фактов кражи электроэнергии.

Мпекетони, Кения

Проект электроснабжения Мпекетони, дизельная микросеть, ориентированная на нужды местного населения, была реализована в сельской местности Кении вблизи города Мпекетони. Благодаря внедрению этих микросетей, в Мпекетони наблюдается значительный рост инфраструктуры. Этот рост включает в себя увеличение производительности труда на одного работника на 100–200% и повышение уровня дохода на 20–70% в зависимости от вида продукции.

Винодельня "Стоун Эдж Ферм"

Микротурбина, топливный элемент, аккумуляторная батарея, водородный электролизер и винодельня с солнечными панелями в Сономе, Калифорния.