После оценки спроса и собственных ресурсов возобновляемых источников энергии мы должны определить, какое сочетание контролируемой генерации, возобновляемой генерации и накопления энергии приведет к снижению стоимости энергии. На этом первом этапе проектирования цель состоит в том, чтобы найти сочетание генераторов, уравновешивающее изначально необходимые капиталовложения и эксплуатационные расходы, чтобы обеспечить наиболее экономичное и надежное электроснабжение.

Этот поиск оптимальной минимальной средней стоимости энергии часто ограничивается факторами, связанными с наличием места (для солнечных фотоэлектрических и ветряных установок), начальными инвестициями, доступностью капитала и т. д. Расчет оптимального сочетания генерации является многомерной задачей, поскольку на оптимальное сочетание различных технологий влияет множество факторов. Типичный профиль нагрузки, цена на топливо, количество солнечных и ветровых ресурсов в выбранном месте являются наиболее важными факторами, влияющими на расчеты.

Достижение оптимального сочетания генерации электроэнергии

Очень часто оптимальное решение сочетает в себе возобновляемую генерацию и хранение энергии с управляемыми дизельными генераторами, потому что система генерации 100% ВИЭ требует негабаритных генераторов и хранилищ, чтобы обеспечить весь спрос на электроэнергию в течение года. Производство ВИЭ имеет низкие эксплуатационные расходы, поскольку оно использует бесплатные местные энергоресурсы, но требует больших начальных инвестиций, в основном из-за необходимости хранения энергии. С другой стороны, дизель-генераторные установки имеют более низкие капитальные затраты и управляемы (что означает, что они не требуют накопления энергии).

Если гибридная электрическая мини-сеть предназначена для подачи электроэнергии 365 дней в году, система, которая означает более низкую стоимость энергии, во многих случаях сочетает выработку дизельного топлива и возобновляемых источников энергии (солнечные фотоэлектрические, ветряные или и то, и другое). Что касается мощности, мы рассматриваем гибридную электрическую мини-сеть с очень низким или низким уровнем проникновения, составляющим до 10-20% от пикового спроса; умеренное проникновение приведет к до 50% пиковой нагрузки; в то время как уровни, превышающие 50% пиковой нагрузки, считаются мини-сетями с высокой проникающей способностью. Эта классификация дается только в иллюстративных целях, поскольку для точной кластеризации требуется анализ конкретного случая.

Исследования стабильности, включая моделирование возможных наихудших сценариев и подробные модели, необходимы для обоснования требований к хранению энергии. Оптимальный процент образования ВЭ существенно варьируется в зависимости от местоположения гибридной электрической мини-сети ВЭ в результате действия вышеупомянутых факторов.

Архитектура сетевой энергосистемы

После того, как будет создана наилучшая комбинация генерации, необходимо выбрать тип напряжения (переменное или постоянное) и конфигурацию распределительной линии, которая будет связывать вместе различные компоненты. Есть несколько вариантов:

Производство электроэнергии, подключенное к шине переменного тока. Источники генерации синхронизируются с линией шины переменного тока либо напрямую, либо с помощью преобразователя постоянного / переменного тока. Обе альтернативы предполагают двунаправленный инвертор, отвечающий за управление потоками мощности в мини-сети, включая зарядку аккумулятора. Батарея также может напрямую питать нагрузки постоянного тока.

Производство электроэнергии подключено к шине постоянного тока. Источники генерации подключаются к распределительной шине постоянного тока через преобразователи мощности и заряжают аккумулятор напрямую, обеспечивая эффективность системы нагрузки переменного тока также могут питаться через инверторы постоянного / переменного тока. Кроме того, нагрузки постоянного тока могут быть напрямую подключены к шине постоянного тока.

Производство электроэнергии, подключенное к линиям шины постоянного / переменного тока. Главный инвертор отвечает за подачу энергии потребителям переменного тока. Нагрузки постоянного тока могут питаться от батареи. Источники генерации переменного тока могут быть напрямую подключены к линии шины переменного тока. В качестве альтернативы им может потребоваться преобразователь постоянного тока в переменный, чтобы обеспечить стабильное соединение компонентов.

Общего правила выбора наилучшей конфигурации не существует. Основные элементы, которые следует учитывать, включают дневной профиль нагрузки, существующую распределительную сеть, характер нагрузок, размер с точки зрения установленной мощности системы, размер системы с точки зрения расстояний и т. д.

Стабильность и стратегии управления в гибридных электрических мини-сетях

Солнечные и ветровые технологии — классические элементы гибридной мини-сети ВЭ. Поскольку солнечная энергия в изобилии, солнечные фотоэлектрические системы можно использовать практически везде. Однако солнечная фотоэлектрическая энергия не подлежит распределению из-за непостоянства ее источника.

Выходная мощность малых ветряных турбин сильно зависит от конкретных условий на месте и также является непостоянной. Чтобы свести к минимуму риски отключения электроэнергии, максимально продлить срок службы источников энергии (особенно аккумуляторных батарей) и снизить инвестиционные затраты, дизельные генераторы обычно интегрируются в качестве дополнительных источников энергии или просто резервных.

Система управления энергопотреблением является ключевым инструментом для координации всех агентов, задействованных в гибридных электрических мини-сетях. Он отвечает за оптимальную работу диспетчерских источников генерации, нагрузок и управление потоками энергии батарей. Эксплуатация гибридной мини-сети обычно требует многоуровневой стратегии управления. Такая стратегия позволяет поддерживать стабильность и качество электроэнергии. Это также позволяет достичь надежности и экономических и экологических целей.

Стратегия управления мини-сетью обычно представляет собой иерархическую операцию. На уровне эксплуатационной безопасности основной задачей является поддержание стабильности сети, в то время как на экономическом эксплуатационном уровне цель состоит в оптимальном распределении источников генерации, батарей и гибких нагрузок. Анализ устойчивости малых островных энергосистем существенно отличается от анализа больших взаимосвязанных энергосистем. В больших системах размер всех отдельных компонентов невелик по сравнению с размером всей системы. Внезапное изменение нагрузки, выход из строя одного генератора или любой дисбаланс обычно не приводит к нестабильной ситуации или нарушению баланса. значительное изменение частоты системы из-за высокой инерции системы (кинетическая энергия, запасенная во вращающихся массах многих генераторов).

Совершенно иная ситуация в островных или сельских мини-сетях. Эти системы имеют низкую инерцию и, следовательно, более восприимчивы к изменениям в отдельных компонентах. Для таких энергетических систем дисбаланс, вызванный внезапным повышением или уменьшением потребности в мощности, или отказом одного генератора составляет примерно порядок величины системы. Это может привести к значительному скачку частоты в случае потери генерации или большое изменение нагрузки. Это означает, что гибридные системы возобновляемых источников энергии должны иметь возможность быстро компенсировать эти внезапные изменения мощности, а резерв вращения генераторов и накопление энергии являются ключевыми параметрами, которые необходимо регулировать в зависимости от проникновения возобновляемых источников энергии и архитектуры системы.

Стратегии управления в гибридных электрических мини-сетях

Задачи управления мини-сетью можно условно разделить на два уровня:

Первичный контроль (нижний уровень). Реализовано на генераторах и инверторах, чтобы поддерживать мини-сеть в стабильном состоянии, балансируя выработку и потребление в краткосрочной перспективе.

Вторичный контроль (более высокий уровень). Обычно называется системой управления энергопотреблением или контроллерами электростанции для оптимизации работы системы. Он действует в более медленные временные рамки.

Для понимания различных архитектур управления в мини-сети важно знать различные роли, которые генератор и инвертор могут играть в работе мини-сети. Энергоблоки можно классифицировать следующим образом:

Сеткообразующий блок. Этот блок управляет частотой и напряжением, уравновешивая общую выработку и спрос. Дизель-генератор или аккумуляторный инвертор могут играть эту роль в мини-сети. Его можно смоделировать как источник напряжения.

Блок поддержки сети. Блоки поддержки сети могут адаптировать свои выходные данные на основе команд, отправляемых диспетчерским контроллером, который часто встроен в инвертор сети, формирующий сеть. Это случай ведомых инверторов в конфигурации ведущий-ведомый. Их можно смоделировать как управляемые источники тока.

Блок параллельной сети. Неконтролируемая нагрузка и генераторы, такие как неконтролируемые ветровые и солнечные фотоэлектрические системы, подпадают под эту категорию. Эти устройства предназначены для подачи максимальной мощности в мини-сеть. Их можно смоделировать как неконтролируемый источник тока.

В соответствии с географическим расположением управляемой генерации и спроса, мини-сети можно классифицировать как централизованные или децентрализованные:

В централизованных архитектурах управляемые блоки физически размещаются близко друг к другу, часто в здании электростанции. Небольшие расстояния позволяют прокладывать между ними кабели быстрой связи. Таким образом, централизованный диспетчерский контроль может посылать опорные сигналы для первичного управления другим блокам, используя промышленные протоколы связи. Такой вид связи между инверторами и генераторами обеспечивает дополнительную гибкость в работе системы.

В децентрализованной архитектуре управляемые блоки удалены друг от друга. Это может быть благоприятным с точки зрения потерь мощности и распределения, поскольку мощность может генерироваться ближе к нагрузкам. С другой стороны, это значительно удорожает быстрое соединение между устройствами. В этих случаях часто предпочтительнее реализовать стратегию первичного управления, основанную на локальных мерах на клеммах управляемых устройств, таких как регулирование активной мощности / частоты и реактивной мощности / падения напряжения. Централизованный диспетчерский контроль, который не требует такой быстрой связи, может использоваться для вторичного регулирования. В зависимости от типа (-ов) энергоблока (-ов) для первичного управления мини-сетью можно выделить три основные архитектуры управления.

Архитектура гибридной электрической мини-сети с преобладанием дизельного топлива

Дизель-генераторная установка — это элемент формирования сети, действующий как источник напряжения, с которым должны синхронизироваться другие источники (солнечные фотоэлектрические и аккумуляторные инверторы, синхронные генераторы или инверторы ветряных турбин), так что по крайней мере один из них должен быть в сети. В этом типе мини-сети качество электроэнергии и стабильность системы зависят от способности генератора реагировать на изменения в балансе электроэнергии и другие нарушения. Характеристики системы регулятора и возбуждения генератора являются ключевыми для стабильности систем с этой конфигурацией.

Чем выше проникновение возобновляемой энергии, тем сложнее для дизельного генератора поддерживать стабильность без помощи систем хранения, поскольку резкие изменения в возобновляемой генерации (проходящие облака, порывы ветра и т. д.) Представляют более высокие изменения в выработке энергии. генераторные установки. Когда одна генераторная установка обеспечивает первичное регулирование для всей мини-сети (блок резервирования), эта генераторная установка может работать в изохронном режиме (с фиксированной скоростью). Это означает, что изменения в полезной нагрузке (генерация, не контролируемая потреблением) первоначально преобразуются в отклонение скорости (частоты) до тех пор, пока регулятор регулятора, обычно основанный на пропорционально-интегральном контроллере, не восстановит крутящий момент для нового уровня мощности на опорной частоте. Тем не менее, при параллельной работе нескольких устройств с контролем спада это позволяет им распределять колебания мощности пропорционально их номинальной выходной мощности. С помощью этой стратегии управления дизельные генераторы уравновешивают выработку активной и реактивной мощности с нагрузкой на основе частоты и амплитуды напряжения на своих клеммах. Переходный дисбаланс приводит к установившейся ошибке частоты и величины напряжения по отношению к их эталонным значениям. Второй более медленный контур управления изменяет параметры управления спадом для восстановления опорных значений в установившемся состоянии. Генераторные установки обычно работают в условиях эксплуатационных ограничений, которые снижают затраты на эксплуатацию и техническое обслуживание, обеспечивая в то же время электроэнергию приемлемого качества и надежности.

Эти ограничения снижают способность генераторных установок реагировать на большие и быстрые изменения в электроэнергии, подаваемой в мини-сеть от источников возобновляемой энергии. Размер и способность работать при низких процентах нагрузки важны в этой конфигурации, поскольку она заставляет генераторные установки продолжать работать даже в периоды высокого проникновения возобновляемых источников энергии. Это означает, что некоторая возобновляемая генерация должна быть сокращена или переведена на управляемые нагрузки, чтобы генераторные установки работали на минимальном уровне мощности, таким образом, не извлекая максимальной выгоды из сокращения потребления топлива, которое должны обеспечивать источники ВИЭ.

Архитектура гибридной электрической мини-сети с одной коммутацией

Эти архитектуры типичны для небольших деревенских мини-сетей с более высоким проникновением возобновляемых источников энергии. В этой архитектуре задача формирования сети переключается между генераторной установкой и аккумуляторным инвертором, что позволяет мини-сети время от времени работать без работающего дизельного генератора для экономии топлива.

В этой конфигурации источники постоянного тока, такие как солнечные фотоэлектрические модули, могут быть напрямую подключены к батарее через контроллер заряда по схеме постоянного тока. Также возможно подключение солнечного фотоэлектрического модуля к переменному току или комбинация фотоэлектрических модулей, подключенных к постоянному току, которые напрямую заряжают батареи и массивы, связанные по переменному току. Выбор одной муфты по сравнению с другой зависит от требований системы и конкретных компонентов, и ни одна из муфт не является наиболее эффективной в каждой ситуации.

Возможно, проще управлять генерацией фотоэлектрических модулей с помощью связи по постоянному току. В этой конфигурации аккумулятор действует как резервуар, поглощая или обеспечивая разницу в мощности между производством солнечной энергии и потребляемой мощностью. Когда аккумулятор становится полностью заряженным, контроллер заряда, который сопрягает его с солнечным фотоэлектрическим генератором, предназначен для уменьшения потребляемой мощности, поддерживая номинальное значение напряжения на шине постоянного тока. Управление в системе со связью по переменному току является более сложным — хотя технология для него также коммерчески доступна в аккумуляторных инверторах, и она доказала свою пригодность во многих приложениях, — поскольку двунаправленный сеткообразующий инвертор батареи должен работать во всех четырех квадранты (поглощают / генерируют активную / реактивную мощность) и плавно переходят между ними.

Когда аккумулятор полностью заряжен, главный инвертор должен подать сигнал фотоэлектрическим инверторам, чтобы они снизили свою мощность, а не перезарядили ее. Это можно сделать через канал связи, хотя некоторые производители инверторов используют подход на основе спада, при котором главный инвертор увеличивает частоту мини-сети, а фотоэлектрические инверторы обнаруживают ее и при необходимости сокращают свою мощность для поддержания баланса мощности. Этот метод дает явное преимущество, когда инверторы находятся далеко друг от друга. Однако, когда инверторы размещены в одном месте, использование выделенной связи обеспечивает большую гибкость с точки зрения режимов работы. Хотя архитектура упоминается как машина с одним переключением, это не означает, что инвертор батареи всегда представляет собой одно устройство.

Дополнительные устройства могут быть подключены параллельно в конфигурации «главный-подчиненный» с использованием коммуникационных шин в зависимости от максимальной требуемой мощности. Вторичное управление часто программируется в главном инверторе батареи и имеет задачу синхронизации и включения дизельных генераторов в соответствии с алгоритмом, который зависит от состояния заряда аккумуляторов и текущей нагрузки. Некоторые более продвинутые системы будут иметь внешние алгоритмы для вторичного контроля, который прогнозирует факторную нагрузку и возобновляемую генерацию для экономии топлива, оптимизации использования батарей.

Архитектура гибридной электрической мини-сети с преобладанием инверторов с несколькими ведущими устройствами.

В отличие от архитектуры мастера с одной коммутацией, в этой схеме управления несколько генераторов и инверторов могут совместно выполнять задачу формирования сети. Таким образом, нет единого ведущего устройства, и повышается надежность. Эта архитектура наиболее подходит для децентрализованных архитектур, в которых система может быть расширена путем подключения дополнительных генераторов в любой точке мини-сети. В этих мини-сетях система управления не может использовать широкополосные каналы связи из-за их высокой стоимости.

По этой причине более удобны методы спада, в которых для первичного контроля используются только локальные измерения. При использовании этого метода опорная частота и напряжение инверторов, формирующих сеть, являются функцией их активной и реактивной выходной мощности, как это делается для параллельных дизель-генераторов. В этом режиме работы сетевые инверторы могут разделять задачу первичного управления с другими инверторами и дизельными генераторами. Точно так же изменения частоты применяются для управления энергопотреблением без использования канала связи. Например, когда имеется избыток солнечной фотоэлектрической энергии и батареи уже полностью заряжены, главные инверторы могут повышать частоту в качестве сигнала для солнечных фотоэлектрических и ветряных инверторов, чтобы уменьшить их выходную мощность.

Точно так же, когда мощности недостаточно для удовлетворения нагрузки, главные инверторы могут снизить частоту в качестве сигнала для отключения некоторых контролируемых нагрузок. 70. Наиболее подходящая стратегия контроля будет зависеть от уровня проникновения RE и расстояний между элементами мини-сети. В мини-сетях с низким проникновением ВЭ, в которых всегда работает дизельный генератор, стратегия управления заключается в использовании генераторных установок в качестве элементов формирования сети. Когда мини-сеть предназначена для работы без работающего дизельного генератора, чтобы иметь высокую долю, тогда стратегия управления должна позволять аккумуляторным инверторам формировать сеть.

Для небольших систем, в которых генерирующие блоки не очень разбросаны, может использоваться мастер с одной коммутацией, в котором инверторы и генераторы связаны с быстрыми промышленными каналами связи. Эта конфигурация предлагает большую гибкость в эксплуатации и более высокое качество электроэнергии. Когда проникновение является высоким и генераторы расположены далеко друг от друга, широкополосные каналы связи между генераторами становятся слишком дорогими, и лучше использовать стратегию с преобладанием инвертора с несколькими ведущими, которая использует только локальные измерения частоты и напряжения.

Управление гибридной системой на стороне потребителя и энергоэффективность

Управление со стороны спроса относится к способам формирования профиля потребления электроэнергии для снижения затрат за счет сокращения общего потребления или смещения спроса, чтобы приспособить его к неконтролируемой генерации и избежать больших пиков мощности. Мини-сети различаются по составу поколений, размеру и финансовой поддержке, поэтому в разных случаях подходят разные стратегии. Первое важное различие, которое может быть сделано для правильного планирования стратегии, — это выбор между мини-сетями с ограничением по мощности и с ограничением по энергии.

В мини-сетях с ограничением мощности должна сосредоточиться на более равномерном распределении спроса в течение дня, чтобы избежать пиков мощности, которые система не может выдержать. В мини-электросетях с ограниченным энергопотреблением, как и в случае мини-сетей, в основном, основанных на генерации и хранении батарей, также необходимо регулировать общее потребление энергии. Действия могут опираться на устройства, которые автоматически контролируют потребление электроэнергии (например, ограничители тока, счетчики с предоплатой и т. д.), на политики, принятые оператором мини-сети, которые направлены на формирование профиля спроса, чтобы лучше адаптировать его к генерации (планирование нагрузки, тарифные льготы и т. д.) или их сочетание.

Использование эффективного освещения и бытовой техники

Вероятно, наиболее эффективная и простая стратегия снижения потребления энергии — это инвестирование в более эффективные нагрузки. Даже если потребители не могут себе позволить или не хотят платить за более дорогие, энергоэффективные лампочки и другие устройства, выделение части доступного капитала для проекта мини-сети для финансирования эффективных лампочек может быть прибыльным за счет сокращения первоначальной генерирующей мощности. инвестиционные и топливные затраты. Лампы накаливания изначально дешевле, но компактные люминесцентные лампы и особенно светодиоды (LED) полностью превосходят их по эффективности и долговечности. В сельской местности освещение составляет значительную долю от общего спроса, и, таким образом, инвестиции в эффективные лампочки являются ключом к снижению первоначальных инвестиционных затрат на элементы генерации, а также эксплуатационных расходов на топливо и перебоев в поставках из-за перегрузки. Эффективные водонагреватели и приборы для приготовления пищи малой мощности также могут значительно снизить пиковый спрос.

График загрузки

Чтобы согласовать спрос с генерацией во времени, обычной практикой является перенос несущественной нагрузки на периоды низкого спроса или высокой возобновляемой генерации. Эта стратегия имеет наибольший смысл в больших и средних мини-сетях, которые обслуживают некоторые небольшие производственные процессы, а не в небольших сельских населенных пунктах, в которых домашние хозяйства составляют большую часть спроса. Эти графики могут применяться различными способами, такими как контракты и более продвинутые и дорогие устройства умных счетчиков, или стимулироваться более дешевыми тарифами в те часы, на которые должен быть переведен спрос. Помимо изменения уже существующего спроса, поощрение создания других видов деятельности, которые представляют собой отложенную нагрузку, таких как установки по опреснению воды или ледогенераторы, которые будут работать во времена избытка энергии в мини-сетях на основе возобновляемых источников энергии, может улучшить общие экономические показатели мини-сети.

Ограничение использования бытовой техники

В некоторых случаях не хватает капитала для установки генерирующих мощностей или для того, чтобы позволить себе стоимость топлива, которая позволила бы все желаемое потребление электроэнергии в домашних хозяйствах. Таким образом, необходимо ограничить количество и тип устройств, которые могут быть подключены к мини-сети. В недавно построенных сельских распределительных сетях это можно сделать, установив ограничители тока в каждом доме. Для существующих систем один из способов продвижения может быть больше ориентирован на просвещение сообщества и соглашения, хотя сами по себе эти меры будут неэффективными во многих случаях, и использование ограничителей тока может оказаться необходимым. Более продвинутый (и более затратный) способ наложения этих ограничений — использование «умных счетчиков», которые ограничивают потребление на основе максимальной мощности в каждый момент времени и максимальной энергии в течение определенного периода времени.

Структура тарифов

Правильно разработанные тарифы имеют решающее значение для обеспечения профиля спроса, который хорошо работает для мини-сети. Тарифы могут основываться на максимальной мощности, которую разрешено потреблять пользователю, максимальном количестве энергии за определенный период или комбинации того и другого. Логично, что в мини-электросетях с ограничением мощности акцент в тарифах должен быть на ограничении количества энергии для каждого потребителя, чтобы избежать возможных перегрузок, тогда как в системах, основанных в основном на возобновляемых источниках энергии и накопителях, общие суточные или еженедельные ограничения энергии могут быть более важными. Более продвинутые варианты, такие как изменение цен в реальном времени и текущие ограничения, были протестированы в более развитых странах с хорошими результатами, но все еще не являются очень жизнеспособным вариантом для сельской местности.

Счетчики с предоплатой

С этим типом счетчика пользователи покупают код, который добавляет определенное количество мощности к их счетчику. Эти счетчики позволяют потребителям лучше контролировать свое потребление, совершая более мелкие и более частые платежи. Хотя предоплаченные счетчики имеют более высокие начальные инвестиционные затраты, чем обычные счетчики, и требуют наличия торговой системы, они могут привести к экономии для оператора мини-сети за счет уменьшения части нагрузки на счетчики и подготовки счетов, что значительно упрощает процесс сбора денег. Еще одним важным преимуществом является то, что он позволяет операторам сети более точно прогнозировать спрос на электроэнергию в зависимости от количества закупленной энергии. Некоторые счетчики с предоплатой будут контролировать только количество потребляемой энергии, в то время как более сложные версии могут также позволять покупать энергию с различными пределами пиковой мощности.