CC BY
10
УДК 621.31
Куксов Н.А. студент 4 курса Пастухова А.А. студент 3 курса научный руководитель: Добуш В.С., к.техн.н.
доцент
кафедра общей электротехники Санкт-Петербургский горный университет
РФ, г. Санкт-Петербург ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МИКРОСЕТЕЙ НА ПОСТОЯННОМ ТОКЕ В
ГОРОДСКИХ УСЛОВИЯХ
Аннотация. На данный момент процесс урбанизации ставит перед человеком ряд задач, связанных с быстрорастущей потребностью в электроэнергии и экологическими проблемами. В связи с этим, электроэнергетическая система будущего должна сочетать крупные (традиционные) источники генерации и распределенную генерацию на основе малых и возобновляемых источников энергии (ВИЭ). Возможность и целесообразность применения в этих целях микросетей на постоянном токе обоснованы подтвержденными техническими и экономическими преимуществами, а также тем, что большая часть потребителей — это потребители постоянного тока.
Ключевые слова: системы электроснабжения, распределенная энергетика, возобновляемые источники энергии, микросети.
Kuksov N.A.
4th year student St. Petersburg Mining University Russian Federation, St. Petersburg Pastukhova A.A.
3rd year student St. Petersburg Mining University Russian Federation, St. Petersburg Scientific adviser: Dobush V.S., Candidate of Technical Sciences Associate Professor, Department of General Electrical Engineering
St. Petersburg Mining University Russian Federation, St. Petersburg THE USAGE OF DIRECT CURRENT MICROGRIDS IN URBAN
SETTINGS
Abstract. At the moment, the process of urbanization poses several challenges related to rapidly growing environmental problems and demand for electricity. In this regard, the power grid of the future should combine large (traditional) sources of energy generation and distributed generation based on small and renewable energy sources. The possibility and practicability of using DC microgrids for this
purpose are justified by the confirmed technical and economic advantages, as well as by the fact that the majority of consumers are DC consumers.
Key words: power supply systems, distributed energetics, renewable energy sources, microgrids.
Очевидно, что население Земли с каждым годом растет, причем темпы роста человечества увеличиваются. Проблема плотности населения в наше время стоит очень остро. Так же тенденция роста населения показывает, что все большее количество людей старается переехать из сельской местности в развитые или развивающиеся города, в которых инфраструктура уже налажена и уровень жизни выше. Исследования в этой области показывают, что процентное соотношение населения в пользу городского в последующие годы будет расти. По данным доклада Департамента по экономическим и социальным вопросам ООН, в 2014 году уже 54% населения живет в городах и до 2050 года эта цифра уже достигнет отметки в 75% [1]. В таких условиях развитие в городских условиях инфраструктуры является приоритетной задачей. В свою очередь при таком высоком росте масштабов городов проблема электрификации становится на первое место.
С другой стороны, экология для больших городов является очень большой проблемой. [2] Для экологически чистой выработки электроэнергии уже во многих странах используются возобновляемые источники энергии. И хотя на сегодняшний день процент их использования сравнительно небольшой, но он стремительно растет с каждым годом, и по праву эту отрасль электроэнергетики можно считать одной из самых динамически развивающихся, в особенности в тех странах, где полезных ископаемых пригодных для топлива недостаточно. Развитие подобных технологий становится единственным выходом, чтобы не попасть в зависимость от стран, которые данными ресурсами владеют.
В этой ситуации использование возобновляемых источников энергии (ВИЭ) для электрификации отдельных участков города на основе микросетей (англ. Microgrids) представляется целесообразным. Очевидно, использование подобных источников обусловлено географическими условиями места, в котором расположены генераторы. Такие места могут быть удалены на значительные расстояния от города. В особенности это касается гидроэнергетики, для которой нужны большие объемы воды, такие как водохранилища или полноводные реки, и ветрогенераторов, для которых нужны больше открытые пространства. В больших городах движению ветра могут мешать высотные дома. Отсюда следует, что такие источники энергии обычно находятся за чертой города на значительном расстоянии. В этом случае для передачи энергии наиболее выгодно будет использовать постоянный ток. Использование микросетей направлено на минимизацию изменений уровней напряжения путем подбора элементов системы под конкретные условия использования. Такие сети не универсальны, но получаемые микросети обладают высокой эффективностью и высокой
надежностью, за счет уменьшения количества элементов системы. Таким образом, будет сведено к минимуму использование трансформаторов -единственного сдерживающего фактора для использования линий постоянного тока. [3]
Основным направлением в развитии микросетей является передача выработанной электроэнергии от ветровых электростанций станций (ВЭС) и солнечных электростанций (СЭС), как наиболее быстро развивающихся из всех возобновляемых источников энергии. Использование ВЭС с каждым годом становится все более и более выгодно и уже стало конкурентоспособным с классическими станциями на ископаемых энергоносителях. Электроэнергетический институт США провел исследования и по их данным, энергия от возобновляемых источников к концу десятилетия станет дешевле любых других видов ресурсов. За последние 15 лет стоимость одного кВт*ч произведенной энергии начиная с 80-х годов упала в шесть раз, с 30 центов за кВт*ч до 5 центов за кВт*ч, и тенденция, при росте заинтересованности в экологически чистых технологиях, сохраняется. Наибольший вклад на сегодняшний день вносят страны Евросоюза и страны тихоокеанского региона [4].
Одним из основных условий использования микросетей является передача энергии на постоянном токе. Последние исследования в области низковольтной энергетики показало целесообразность перехода на постоянный ток. Передача энергии подобным способом имеет ряд преимуществ перед трехфазной сетью. Постоянный ток лишен такого недостатка, как гармонические составляющие, которые присутствуют в любой энергосети на переменном токе, вызывая потери при передаче и неисправности оборудования. Линия на постоянном токе лишена магнитного поля, образующегося из реактивной составляющей мощности, что сильно влияет на безопасность вокруг подобных линий. Доказано, что магнитные поля могут стать причиной некоторых серьезных болезней, в том числе рака. Для оборудования, не защищенного от магнитных полей, это может стать причиной скачка тока в проводниках и последующего перегорания проводников.
При передаче энергии на дальние дистанции, падение напряжения меньше, за счет того, что общее сопротивление линии ниже, чем при передаче переменного тока, следовательно, потери на одинаковых расстояниях передачи, при одинаковом сечении кабеля на постоянном токе значительно ниже. В Лаппеенрантском технологическом университете были получены некоторые зависимости при одинаковых сечениях кабеля 50 мм и напряжении 1500 VDC и 1000 VAC, а также классическом 400 VAC:
ей
X
0
1
?
о
5 «
яз
и
«о
о. 01 с
Лнспишпн передает, м
Рисунок 1. Зависимость предела передаваемой мощности при различных методах передачи электроэнергии
Линии на графике отражают максимальные передаваемые мощности на определенные дистанции. Передача энергии на постоянном токе целесообразна на малых уровнях напряжения, превосходя аналог по длине передачи на переменном в несколько раз [5].
Если рассмотреть типичных потребителей в городских условиях, то можно сказать, что большая часть из них в конечном счете - потребители постоянного тока. Уличное освещение, светофоры, иллюминация - сегодня все эти вещи основаны на светодиодных технологиях, которые потребляют постоянный ток. Нагревательные элементы - начиная от электрических батарей и заканчивая подогревом асфальта на улице, как это уже делается в Японии или Исландии на многих оживленных улицах - также потребители постоянного тока. Многие бытовые приборы, такие как кухонные комбайны или миксеры, большая часть цифровой техники в доме основаны на потреблении постоянного тока, для совместимости с сетью используется выпрямитель. В его отсутствии, надежность приборов вырастет, а себестоимость упадет. Сюда же можно отнести управляемые электроприводы, контролирующие вентильные или асинхронные двигатели, которые представляют собой инверторы и электродвигатели, то есть питаются постоянным током, также полученным из сети переменного тока через выпрямитель [6].
Такая система не лишена своих сложностей и особенностей. Используя возобновляемые источники энергии всегда подразумевается, что источник энергии - природа, и производство энергии зависит от климатических условий. Поэтому подобные системы должны содержать в себе резерв от другой сети или от аккумулирующих станций. В первом случае встает вопрос о статической и динамической устойчивости сети при подключении к
основной сети или отдаче излишков выработанной электроэнергии в общую сеть. При условии использования полупроводниковых преобразователей, могут возникнуть резкие скачки электроэнергии, что может негативно сказаться на безопасности сети. Необходимо установить защиту, как со стороны трехфазной сети, так и со стороны микросети, для устранения возможности появления таких инцидентов.
Основной принцип при проектировании микросети - выбор уровня напряжения, при котором будет минимальное количество раз этот уровень меняться от генератора до потребителя. Так как микросети - это индивидуальный проект, то и уровень напряжения должен выбираться индивидуально для каждого потребителя. На сегодняшний день общая методика расчета для таких систем отсутствует и одной из целей в развитии данных технологий станет разработка подобных методик [7].
Микросети получают широкое распространение в мире, так как они идеально вписываются в концепцию возобновляемых источников энергии и могут стать универсальным решением проблем электрификации для любых видов потребителей, а использование постоянного тока для транспортировки электрической энергии может существенно повысить КПД энергосети в целом. Несмотря на это, развитие науки в этом направлении идет очень медленно. Сдерживающим фактором являются как низкие цены на ископаемые энергоносители, так и медленная работа над разработкой нормативных документов для сетей на постоянном токе. Если подобные документы будут разработаны, то не исключен резкий всплеск интереса к данной отрасли электроэнергетики.
Использованные источники:
1. World urbanization prospects. 2014 год. Department of Economic and Social Affairs, ООН.
2. Старцев А. А., Особенности рекультивации нарушенных земель, находящиеся на федеральном или муниципальном балансе // Экологический вестник России. - 2014. - № 10. - С.38-41
3. Семенов В. А., Развитие децентрализованной энергетики // Энергетик. -2006. - №8. С. 22-26
4. Вопросы и ответы. Экономика ветровой энергетики. Германия. США. Индия СБ2 — [Электронный ресурс] — Режим доступа. — URL: http://vetrodvig.ru/ (дата обращения: 13.01.2015)
5. «Possibilities of the low voltage DC distribution systems.», Lappeenranta university of technology, J. Partanen, T. Kaipia, J. Lassila, P. Salonen.
6. Зотин О.Т., В преддверии возрождения постоянного тока. DC Rematch Upcoming // Энергосовет. - 2013. - № 1 (26) . - С.39-42
7. «Micro- Grid Integration with Renewable Energy in Indian Perspective», S. S. Murthy, Life Senior Member, IEEE
