CC BY
140
Секция «Энергетика»
УДК 621.311.1
РАЗРАБОТКА ЭНЕРГОРУТЕРА - БАЗОВОГО ЭЛЕМЕНТА «ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ИНТЕРНЕТА»
Е.Н. Соснина, Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева (Нижний Новгород, Россия) А.В. Шалухо, Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева
(Нижний Новгород, Россия) Н.В. Шумский, Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева (Нижний Новгород, Россия), e-mail: shumskii.n@gmail.com С.А. Ковтун, ООО «Энергороутер» (Саранск, Россия), e-mail: info@erouter.ru
Аннотация. В статье рассмотрены основные понятия интеллектуальной энергосистемы с активно-адаптивной электрической сетью. Приведено описание концепций микросети и виртуальной электростанции. Изложено понятие «Энергетический интернет» и произведена параллель с компьютерной сетью. Обоснована необходимость разработки энергетического роутера. Определены основные препятствия развития концепции и предложены пути решения.
Ключевые слова: энергороутер, энергетический интернет, интеллектуальная энергосистема.
DEVELOPMENT OF ENERGY ROUTER - BASIC ELEMENT OF «ENERGY INTERNET»
Abstract. The article deals with the basic concepts of an Intelligent Power System with an Active Adaptive Electrical Network. The description of the Microgrid and a Virtual Power Station concept is given. The "Energy Internet" concept is described and a parallel with the computer network is made. The necessity of developing an Energy Router is justified. The main obstacles to the development of the concept are identified and solutions are proposed.
Keywords: energy router, energy Internet, intelligent power system.
В настоящее время энергетика России столкнулась с новыми вызовами: нарастающий износ энергетической инфраструктуры, постепенное увеличение доли малой распределенной генерации (МРГ), повышение спроса на энергию как в количественном объеме, так и качественном, изменение модели поведения потребителей [6]. Решением данных проблем может стать эволюционный процесс перехода от традиционного уклада к интеллектуальной энергосистеме с активно-адаптивной электрической сетью (ИЭС ААС) [1].
Под понятием ИЭС ААС понимается система, в которой все субъекты электроэнергетического рынка принимают активное участие в процессах передачи и распределения электроэнергии. Реализация нового подхода повысит эффективность функционирования источников малой распределенной генерации, в том числе возобновляемых источников энергии (ВИЭ), и обеспечит надежное и качественное электроснабжение потребителей, позволит своевременно устранять дефицит мощности в системе, снижать нагрузку на сети. Помимо этого, внедрение современных технологий создаст устойчивую и постоянно растущую по-
требность в новом оборудовании, программном обеспечении, проектных решениях, различных технических и технологических сервисах, что позволит расширить энергетический рынок, организовать новые производства, создать рабочие места.
Технологии ИЭС ААС позволят воплотить концепцию микросети (microgrid). Микросеть в общем виде определяются как минимальная единица энергетической самодостаточной сети. В состав микросети входят источники МРГ, накопители энергии и контролируемая нагрузка. Микросети связываются с национальной электрической сетью через распределительные сети 10-35 кВ с помощью цифровых электрических подстанций [2]. Функционирование энергосистемы будет осуществляться путем обеспечения свободных двусторонних перетоков электроэнергии между всеми субъектами сети. Таким образом, электроэнергия в микросетях сможет направляться как к потребителям, так и обратно в региональную сеть в зависимости от условий спроса и предложения. Управление энергетическими и финансовыми потоками станет возможно за счет реализации концепции виртуальной электростанции (Virtual Power Plant) [3], которая объединит участников для их совместного участия в рынке электроэнергии, оказания системных услуг и взаимного резервирования.
Ведущая роль при модернизации электроэнергетики на новых принципах отводится электрической сети как структуре, обеспечивающей надежные связи генерации и потребителя, построенной на открытой сетевой архитектуре. Активные потребители, владельцы распределенных энергетических объектов, пользователи устройствами с управляемой нагрузкой должны иметь возможность также просто подключаться и пользоваться энергосистемой, как мы это делаем в случае использования Интернета (рис. 1). Эти тренды определяют облик новой энергетики как «Интернет энергии» (Internet of Energy) - экосистемы производителей и потребителей энергии, которые беспрепятственно интегрируются в общую инфраструктуру и обмениваются энергией [4].
В западных странах интеллектуальная сетевая инфраструктура или «Интернет энергии» - система, в которой частные домохозяйства включены в процесс отпуска электроэнергии и за счёт гибкого регулирования могут продавать избыток электроэнергии в общий рынок, уже стала частью повседневной жизни.
В России технология «Интернета энергии» сегодня представляется неосуществимой из-за технологических ограничений, обусловленных отсутствием ряда технологий и практик, обеспечивающих эффективное воплощение нового энергетического уклада:
- отсутствуют киберфизические преобразовательные и коммутационные устройства среднего и низкого напряжения;
- отсутствуют комплексные решения для цифровых подстанций и цифровых сетей среднего и низкого напряжения, микросетей, энергетической инфраструктуры зданий;
- отсутствуют plug&play интерфейсы для широкого класса энергетического оборудования и энергопринимающих устройств;
- отсутствуют динамически самоорганизующиеся мультиагентные системы управления.
Большим шагом в направлении развития «энергетического Интернета» может стать
разработка энергетического роутера, позволяющего на низком напряжении (0,4 кВ) объединять в единую систему генерирующие, накапливающие и потребляющие электроэнергию устройства (без интеграции в электрические сети среднего напряжения). Иными словами, энергороутер позиционируется как базовое устройство, обеспечивающее работу микросети, взаимодействие соседних микросетей на уровне энергетического и информационного обмена, интеграцию микросети в распределительные электрические сети среднего напряжения.
Рис. 1. Принцип «энергетического Интернета»
В качестве основных областей применения энергороутеров в существующих электрических сетях низкого напряжения можно выделить: участки электрических сетей с источниками малой распределенной генерации; «умные сети» отдельных объектов; системы электроснабжения ответственных объектов.
Одним из перспективных мест внедрения энергороутеров могут стать энергодефицитные территории Дальнего Востока. В соответствии с законом «О дальневосточном гектаре» №119-ФЗ от 01.05.2016 каждый гражданин может получить земельный участок размером до 1 гектара. Большинство интересующихся беспокоит проблема отсутствия коммуникаций на выделяемых землях. Решить вопрос дефицита электрической энергии на Дальнем Востоке и не зависеть от возможностей и сроков подведения коммуникаций можно путем строительства солнечных электростанций. Развитие централизованной системы электроснабжения вероятнее всего будет происходить параллельно с появлением местных электростанций на ВИЭ, что сделает возможным их объединение в единую структуру микросети.
В качестве ключевой и наиболее перспективной технологии создания энергороутера считается технология твердотельного трансформатора (Solid State Transformer, SST). Использование SST в micro-grid позволит: управлять потоками электроэнергии в сети 0,4 кВ; управлять передачей электроэнергии из сети 10-20 кВ в сеть 0,4 кВ и обратно; быстро и качественно регулировать напряжение; интегрировать автономные источники энергии без затрат на дополнительное оборудование [6, 7].
В настоящий момент работы по созданию твердотельного трансформатора, ведущиеся в США, Европе, Японии, Китае, а также в других странах, находятся в стадии экспериментальных исследований. Над разработкой трудятся такие коллективы как Future Renewable Electric Energy Delivery and Management (США) [8], лаборатория силовой электроники Швей-
царского федерального института технологий [9], европейская фирма Infineon и японская компания ROHM Co Ltd.
Организация серийного выпуска отечественных твердотельных трансформаторов в ближайшее время невозможна из-за необходимости разработки и развития новых материалов и элементов. Поэтому создание в России «энергетического Интернета» следует рассматривать как поэтапный процесс.
В качестве первого этапа предполагается создание опытного образца модуля энерго-роутера для сети низкого напряжения, который будет обладать следующими параметрами:
- один многофункциональный вход, позволяющий подключать источник или накопитель электроэнергии: переменного и постоянного тока, однофазный и трехфазный, в диапазоне выходного напряжения от 50 до 400 В;
- один выход для подключения нагрузки: переменного напряжения 380/220 В; частотой 50 Гц; с соблюдением требований ГОСТ 32144-2013 по качеству выдаваемой электрической энергии;
- установленная мощность модуля - 10 кВА.
Важными качествами модуля энергороутера будут являться:
- универсальность - возможность подключения к входу устройства источников малой генерации (в том числе возобновляемые источники энергии) и накопителей электроэнергии различных типов, моделей, производителей.
- реализация принципа Plug'n'Play - обеспечение самоидентификации и самонастройки подключаемых устройств.
Разработка алгоритмов системы управления энергороутером будет основана на выполнении принципа адаптивности - распределении потоков мощности в зависимости от протекания процессов генерации и потребления, стоимости электрической энергии в различное время суток для получения наилучшего результата (наиболее эффективное использование электрической энергии) (рис.2).
Потребитель 1 Потребитель 2
Рис. 2. Пример использования энергетороутера в сети низкого напряжения
Непосредственный эффект от внедрения энергороутера будет заключаться: - для владельцев источников малой генерации - в упрощении схемных решений за счет подключения источников, накопителей и нагрузки к одному блоку без дополнительных устройств; в повышении эффективности использования электрической энергии за счет полной автоматизации управления;
- для «умных сетей» - в упрощении подключения электрооборудования с различными выходными параметрами и обеспечении высокого качества электрической энергии;
- для ответственных объектов - в снижении рисков получения ущерба и потери информации от нарушения электроснабжения.
Уже сегодня компания ООО «Энергороутер» совместно с НГТУ им. Р.Е. Алексеева начала работу над реализацией модуля энергороутера для сети низкого напряжения. Данное устройство будет востребовано в существующих электрических сетях и станет заделом для создания полноценного твердотельного трансформатора. Модуль энергетического роутера будет обладать возможностью взаимодействия со ступенью низкого напряжения твердотельного трансформатора. С помощью модулей будет производиться подключение к низкой стороне твердотельного трансформатора источников малой генерации и накопителей электроэнергии.
Литература:
1. Основные положения концепции интеллектуальной энергосистемы с активно-адаптивной сетью. Москва, 2012. URL: http://www.fsk-ees.ru/upload/docs/ies_aas.pdf (дата обращения 12.02.2017).
2. Соснина Е.Н., Лоскутов А.Б., Чивенков А.И., Опытная цифровая подстанция с активно-адаптивной системой управления и автоматическим плавным регулирование напряжения и мощности // Промышленная энергетика. 2013. №12.
3. Соснина Е.Н., Шалухо А.В., Кечкин А.Ю, Вопросы создания виртуальных электростанций в масштабе micro-grid // Вестник НГИЭИ. 2015. №4 (47).
4. ПЛАН мероприятий («дорожная карта») «Энерджинет» Национальной технологической инициативы. Москва, 2016. URL: http://fasie.ru/upload/docs/DK_energynet.pdf (дата обращения 12.02.2017).
5. Doug Hurley Paul Peterson Melissa Whited, «Demand Response as a Power System Resource»: Program Designs, Performance, and Lessons Learned in the United States. Synapse Energy Economics, 2013.
6. She X., Huang A.Q., Burgos R. Review of Solid State Transformer technologies and their applications in power distribution system // IEEE J. Emerg. Sel. Topics in Power Electron. 2013. Vol. 1. № 3. P. 186-198.
7. Kolar J.W., Ortiz G. Solid-State-Transformers: Key Componentsof Future Traction and Smart Grid Systems // International Power Electronics Conference (IPEC). Hiroshima, 2014.
8. Stefanski K., Qin H., Chowdhury B.H. Identifying Techniques, Topologies and Features for Maximizing the Efficiency of a Distribution Grid with Solid State Power Devices // Proc. 2nd annual FREEDM conf. Tallahassee, 2010.
9. Kolar J.W. Research Challenges and Future Perspectives of Solid-State Transformers // Swiss Federal Institute of Technology (ETH) Zurich Power Electronic Systems Laboratory.
References:
1. Osnovnye polozhenija koncepcii intellektual'noj jenergosistemy s aktivno-adaptivnoj set'ju. Moskva, 2012. URL: http://www.fsk-ees.ru/upload/docs/ies_aas.pdf (data obrashhenija 12.02.2017).
2. Sosnina E.N., Loskutov A.B., Chivenkov A.I., Opytnaja cifrovaja podstancija s aktiv-no-adaptivnoj sistemoj upravlenija i avtomaticheskim plavnym regulirovanie naprjazhenija i moshhnosti // Promyshlennaja jenergetika. 2013. №12.
3. Sosnina E.N., Shaluho A.V., Kechkin A.Ju, Voprosy sozdanija virtual'nyh jelektro-stancij v masshtabe micro-grid // Vestnik NGIJel. 2015. №4 (47).
4. PLAN meroprijatij («dorozhnaja karta») «Jenerdzhinet» Nacional'noj tehnologicheskoj iniciativy. Moskva, 2016. URL: http://fasie.ru/upload/docs/DK_energynet.pdf (data obrashhenija 12.02.2017).
5. Doug Hurley Paul Peterson Melissa Whited, «Demand Response as a Power System Resource»: Program Designs, Performance, and Lessons Learned in the United States. Synapse Energy Economics, 2013.
6. She X., Huang A.Q., Burgos R. Review of Solid State Transformer technologies and their applications in power distribution system // IEEE J. Emerg. Sel. Topics in Power Electron. 2013. Vol. 1. № 3. P. 186-198.
7. Kolar J.W., Ortiz G. Solid-State-Transformers: Key Componentsof Future Traction and Smart Grid Systems // International Power Electronics Conference (IPEC). Hiroshima, 2014.
8. Stefanski K., Qin H., Chowdhury B.H. Identifying Techniques, Topologies and Features for Maximizing the Efficiency of a Distribution Grid with Solid State Power Devices // Proc. 2nd an-nual FREEDM conf. Tallahassee, 2010.
9. Kolar J.W. Research Challenges and Future Perspectives of Solid-State Transformers //
Swiss Federal Institute of Technology (ETH) Zurich Power Electronic Systems Laboratory.
— • —
Сведения об авторах
Елена Николаевна Соснина, доктор технических наук, профессор кафедры «Электроэнергетика, электроснабжение и силовая электроника», Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева (Нижний Новгород, Россия).
Андрей Владимирович Шалухо, кандидат технических наук, доцент кафедры «Электроэнергетика, электроснабжение и силовая электроника», Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева (Нижний Новгород, Россия).
Никита Васильевич Шумский, магистрант кафедры «Электроэнергетика, электроснабжение и силовая электроника», Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева (Нижний Новгород, Россия).
Сергей Александрович Ковтун, генеральный директор ООО «Энергороутер» (Саранск, Россия).
