ИСТОЧНИКИ РЕГУЛИРУЕМОЙ МОЩНОСТИ В МИКРОСЕТЯХ Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

ОСНОВНЫЕ ПРОБЛЕМЫ ЭНЕРГЕТИКИ

Статья поступила в редакцию 01.06.13. Ред. рег. № 1658 The article has entered in publishing office 01.06.13. Ed. reg. No. 1658

УДК 621.31

ИСТОЧНИКИ РЕГУЛИРУЕМОЙ МОЩНОСТИ В МИКРОСЕТЯХ

1 2 3 2

В.Б. Адомавичюс, В.В. Харченко, И.Ю. Валицкас, В.А. Гусаров

1 Каунасский технологический университет Литва, LT-51367 Каунас, Студенту 48-205 Центр возобновляемой энергетики, КТУ, Литва Тел. +370 37 351181, e-mail: vytautas.adomavicius@ktu.lt, www.ktu.lt

2 Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства (ГНУ ВИЭСХ) 109456, Москва, 1-й Вешняковский проезд, 2, ВИЭСХ. Тел.: (499)171-19-20, факс: (499) 170-51-01, e-mail: viesh@dol.ru, www.viesh.ru

3 Паневежский институт КТУ, факультет технологий, Литва С. Дауканто 12, ЛТ-35212 Паневежис, Литва Тел.: +370 45 514301, факс: +370 45 516161, e-mail: jonas.valickas@ktu.lt

Заключение совета рецензентов 03.06.13 Заключение совета экспертов 05.06.13 Принято к публикации 06.06.13

В статье анализируются источники энергии регулируемой мощности, пригодные для применения в микросетях, а также их свойства, необходимые для обеспечения надежного и эффективного функционирования микросети. Дается обзор существующих и перспективных источников энергии регулируемой мощности, пределы колебания их основных параметров, которые целесообразно учесть в стадии разработки экономически эффективной микросети.

Ключевые слова: микросети, возобновляемая энергия, источники регулируемой мощности.

ADJUSTABLE POWER SOURCES IN MICROGRIDS

1 2 3 2

V. Adomavicius, V.V. Kharchenko, J. Valickas, V.F. Gusarov

1 Kaunas University of Technology (KTU) Lithuania, LT-51367 Kaunas, Studentu 48-205 Тел. +370 37 351181, e-mail: vytautas.adomavicius@ktu.lt, www.ktu.lt

2 All-Russian Scientific Research Institute for Electrification of Agriculture (VIESH) VIESH, 1st Veshnyakovsky pr., 2, Moscow, 109456, Russia Tel. 171-19-20; e-mail: viesh@dol.ru, www.viesh.ru

3 Panevezys Institute at KTU, Faculty of Technologies, Lithuania S. Daukanto 12, LT-35212, Panevezys, Lithuania Tel.: +370 45 514301, fax: +370 45 516161, e-mail: jonas.valickas@ktu.lt

Referred 03.06.13 Expertise 05.06.13 Accepted 06.06.13

Results of analysis of the adjustable power sources suitable for usage in the microgrids are presented in the paper. Wanted peculiarities of the adjustable power sources making operation of microgrids reliable and efficient are discussed. The main technical and financial parameters of already existing and prospective adjustable power sources are presented and discussed. They have to be assessed in the designing stage on purpose to build efficient microgrid.

Keywords: microgrids, renewable energy, adjustable power sources.

Витаутас Адомавичюс

Сведения об авторе: Центр возобновляемой энергетики КТУ, инженер, доктор наук. Область научных интересов: возобновляемые источники энергии, микросети. Публикации: 157.

Ионас Валицкас

Сведения об авторе: Паневежский институт КТУ, радиоинженер, доктор наук.

Область научных интересов: возобновляемые источники энергии, исследования материалов.

Публикации: 17.

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 07 (129) 2013

© Scientific Technical Centre «TATA», 2013

Введение

Микросети являются быстро развивающейся перспективной и экономически эффективной технологией производства и распределения энергии с высокой степенью интегрирования возобновляемых источников. Чаще всего микросети целесообразно внедрять в отдаленных местностях. Они также строятся с целью повышения надежности снабжения энергией в тех случаях, когда частота и продолжительность перебоев снабжения становится неприемлемыми. За рубежом микросети применяются для обеспечения энергией небольших предприятий, сельских ферм, студенческих городков, военных частей разных родов войск, поселков, деревней и т.д. Быстрое развитие микросетей намечается и в будущем. Прогнозируемый рост доходов торговли в области микросетей в мире и в США в ближайшие годы показан на рис. 1.

14000 п

£ 12000 10000

н

§ 8000 ü

S 6000

о d

4000

2000

ОСША □ Мир

"шщ]

а

2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018

Рис. 1. Прогнозируемый рост объема торговли в области микросетей в мире и в США Fig. 1. Expected vendor revenue of microgrids in the World and USA (Source: Pike research)

отказаться от применения упомянутых бесплатных и не засоряющих окружающую среду возобновляемых источников энергии в широком масштабе, в микросеть необходимо включить источники энергии с регулируемой мощностью, а также накопители энергии. Такие источники энергии применяются потому, что в микросетях, как и в сети большой электрической энергосистемы, требуется постоянно поддерживать баланс генерируемых и потребляемых мощностей. Одна из возможных схем микросети с двумя источниками регулируемой мощности показана на рис. 2.

ЭСЭС

Как показано на рис. 1, в ближайшие пять лет можно ожидать развития микросетей в мире порядка 3-4 раз. Прогнозируемое дальнейшее снижение цен на солнечные электростанции и топливные элементы (ТЭ) положительно повлияет и на ускорение развития микросетей.

Структура и принципы работы микросети мало отличаются от сети большой (государственной) энергосистемы. В микросети также нужны базовые и регулируемые генераторы энергии. В этой статье основное внимание уделяется регулируемым источникам энергии микросетей.

Генераторы регулируемой мощности

Как известно, характерной чертой электростанций, работающих на основе таких возобновляемых источников как солнце и ветер, является нестабильность мощности, которая сильно зависит от природных условий и может меняться в широком диапазоне. В таком случае, стараясь удовлетворить все нужды потребителей энергии и не

Рис. 2. Схема микросети с источниками регулируемой мощности Fig. 2. Scheme of the microgrid with adjustable power sources

В схему микросети включена солнечная электростанция (СЭС) с фотоэлектрическими модулями ФЭМ, ветряная электростанция ВЭС с полупроводниковым выпрямителям ПВ и генератором Г, накопитель электроэнергии с аккумуляторной батареей АБ, регуляторы заряда батареи РЗ-1 и РЗ-2, когенерационная микроэлектростанция с регулируемой мощностью КМЭС, теплота которой используется потребителями тепловой энергии микросети ПТЭ. Электрическая энергия генераторов микросети используется соответствующими местными потребителями электрической энергии (ПЭЭ). СЭС, АБ и ВЭС имеют общую систему конверсии электроэнергии, в которой каждый источник управляется независимо друг от друга при помощи преобразователей ШУПТ-1-ШУПТ-3 (постоянный ток на входе и на выходе преобразователей). Схема

Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 07 (129) 2013 © Научно-технический центр «TATA», 2013

преобразователей ПТ/ПТ состоит из индукторов Ь, диодов УБ и транзисторов УТ. Все преобразователи работают параллельно на накапливающий конденсатор СК и сетевой инвертор СИ. Свойства системы конверсии электроэнергии нескольких источников с общим инвертором описаны во многих статьях [1-4]. Выключатель В коммутирует местную электросеть МЭС и сеть энергосистемы ЭСЭС, В1 -сетевой инвертор СИ, В2 - КМЭС и В3 - местные потребители электроэнергии. Эта схема позволяет независимо регулировать также и электрическую мощность, текущую в сеть МЭС от батарей АБ через общий инвертор СИ.

Для резервирования и балансирования мощности в микросети могут быть применены как дискретно регулируемые источники, когда сумарная генерируемая мощность всей микросети меняется путем включения или выключения электрических генерирующих установок, работающих на разных видах топлива, так и плавно регулируемые генераторы электроэнергии.

Подходящими регулируемыми источниками энергии в микросетях могут служить:

- системы дизель-генератор,

- топливные элементы с достаточно кроткими переходными процессами регулирования мощности,

- накопители электроэнергии с регулируемой выходной мощностью разных типов, имеющие большую продолжительность разрядки энергии [5],

- накопители электроэнергии с регулируемой выходной мощностью со средней продолжительностью разрядки энергии [5].

Системы дизель-генератор являются

когенерационными микроэлектростанциями

(КМЭС), совместно вырабатывающими

электроэнергию и тепловую энергию. В настоящее время системы дизель-генератор отличаются широким распространением благодаря высоким экономическим показателям. Из них самым важным является коэффициент использования топлива, достигающий 90 % и больше. Это значит, что энергетический потенциал топлива превращается в электрическую и тепловую энергию на 90 %. В микросети выработанная тепловая энергия может применяться для отопления помещений, нагрева воды, в технологических процессах сельского хозяйства, ремесла и других целей. Для отвода тепла от дизеля-генератора к ее потребителям применяется теплоутилизационное оборудование. С этой целью устанавливаются котлы-утилизаторы, отводящие теплоту от отработавших газов дизеля-генератора, и утилизационные теплообменники «вода-вода», отводящие теплоту из контура охлаждения дизельного двигателя.

Когда микросеть работает в автономном режиме, в ней требуется не только балансировать мощность, но одновременно поддерживать стабильную стандартную частоту в микросети (50 Гц). Для этого регулируемые источники энергии в микросети

должны иметь достаточно хорошие динамические характеристики. КМЭС нерегулируемой мощности могут быть применены для покрытия базовых потребностей электроэнергии. Работа КМЭС в микросети очень важна для поддержки стабильного снабжения электрической и тепловой энергии потребителям. От продолжительности их работы зависит себестоимость изготавливаемой энергии, степень загрязнения окружающей среды, и поэтому работа КМЭС должна управляться системой управления микросети по критерию минимальных затрат и минимального загрязнения природы.

Пригодные для применения в микросетях КМЭС разные по своей эффективности. Поэтому после экономического сравнения вариантов выбираются те КМЭС, у которых себестоимость вырабатываемой энергии будет минимальная.

Желательно, чтобы в микросетях работающие КМЭС имели бы следующие свойства:

- работали бы на недорогих местных возобновляемых и альтернативных источниках энергии (биодизельное топливо, растительное масло, биогаз, биомасса),

- высокий коэффициент использования энергетического потенциала топлива (до 90%),

- возможность плавного регулирования выходной мощности генератора КМЭС в широких пределах,

- достаточно высокий к.п.д. в широких пределах регулирования выходной мощности генератора,

- небольшую себестоимость производимой электрической и тепловой энергии,

- хорошие динамические характеристики (пуск за короткое время, просто и быстро достигаемая заданная мощность),

- возможность плавного автоматического регулирования мощности генератора КМЭС по сигналам системы управления микросети.

Когда в КМЭС как первичный преобразователь энергии используется дизельный двигатель внутреннего сгорания, то, как один из экономически наиболее выгодных вариантов для уменьшения себестоимости производимой энергии, может применяться растительное масло, приобретаемое за цену изготовителя. Экономически более выгодный вариант, когда сельскохозяйственная ферма занимается производством растительного масла и имеет собственную микросеть с КМЭС. Тогда растительное масло может быть использовано по себестоимости.

Как уже было упомянуто, с целью достижения высокого коэффициента использования топлива в КМЭС, обязательно надо использовать и тепловую энергию. В 21 веке не приемлемы такие расточительные технологии производства энергии, в которых коэффициент использования топлива достигает всего лишь 20-30%. По сути дела это можно назвать порчей топлива, так как около 70-80% его энергетического потенциала идет на термическое и химическое загрязнение окружающей среды

56

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 07 (129) 2013

© Scientific Technical Centre «TATA», 2013

ISJJli

(отапливаются озера или специально для этого созданы водохранилища). Уже самая первая в мире коммерческая электростанция, построенная в Нью-Йорке в 19 веке (1882 г.) Т.А. Эдисоном, была когенерационной, потому что она также отапливала соседние дома, и для тех времен достигался неплохой коэффициент использования

энергетического потенциала топлива (около 50%).

В таблице 1 представлены основные технологии и показатели когенерационных электростанций, среди которых высоким общим к.п.д. отличаются технологии ДВС-Г (высшие значения соответствуют дизельным двигателям), топливные элементы (ТЭ), электростанции комбинированного типа и газовые турбины.

При выборе из таблицы 1 типа КМЭС для микросети следует учесть не только к.п.д., но также и возможности плавно и экономически обосновано регулировать мощность генератора, динамические свойства системы регулирования мощности и возможность эту систему автоматизировать. Эти свойства КМЭС необходимы для осуществления балансирования мощности в микросети.

Таблица 1

Эффективность технологий когенерации (источник: UNEP)

Table 1

Efficiency of cogeneration technologies (source: UNEP)

.0

<u О

45 n 40 35 30 25 20 15 10 5 0

.__ --- ----

/

/у

У

у Зажигание искрой (Отто) — • — Зажигание комрессией (Дизель)

1,1,1,1,1,1,

0

10 12 14

16 18 Бар

Рис. 3. Эффективность ДВС типов Дизель и Отто в зависимости от давления Fig. 3. Efficiency dependence of internal combustion engines Diesel and Otto on pressure

Для микросетей небольшой мощности можно выбирать когенерационные микроэлектростанции меньшей мощности. Производители подобных КМЭС представлены в таблице 2.

Таблица 2

Производители когенерационных микроэлектростанций [7]

Table 2

Producers of micro-CHP [7]

Технологии Топливо Мощность, МВт Электрический к.п.д., % Общий к.п.д., %

Паровые турбины Любое 0,5-500 7-20 60-80

Газовые турбины Газ и ж. топливо 0,25-50 + 25-42 65-87

Комбин. цикла Газ и ж. топливо 3-400+ 35-55 73-90

ДВС-Г Газ и ж. топливо 0,003-20 25-45 65-92

Микротурбины Газ и ж. топливо 0,025-0,3+ 15-30 60-85

ТЭ Газ и ж. топливо 0,003-3+ ~37-50 ~85-90

Двигатели Стирлинга Газ и ж. топливо 0,003-1,5 ~40 65-85

КМЭС Компания Страна Технология Электр. мощность, кВт

DACHS SenerTec Германия ДВС-Г 5,5

Ecopower PowerPlus Technology Германия ДВС-Г 4,7

ECOWILL Honda & partners Япония, США ДВС-Г 1,0

Whisper-Gen Whisper-Tech Великобритания Стирлинг-Г 1,2

Genelight Yanmar Япония ДВС-Г 5,0

Как один из возможных вариантов выбора КМЭС для микросети можно рассматривать применения системы ДВС-Г, которые изготавливаются как с дизельными, так и с бензиновыми двигателями (двигатели Отто). На рис. 3 сравниваются к.п.д. двигателей Дизеля и Отто [6]. Как показано на этом рисунке, дизельные электрогенераторы имеют значительно лучший к. п. д. в широких пределах регулирования развиваемой мощности двигателя, поэтому с целью повышения экономической эффективности КМЭС рекомендуется выбирать системы ДВС-Г с дизельным двигателем.

Тепловая мощность КМЭС, перечисленных в таблице 2, превышает указанную электрическую мощность в среднем в 2-2,5 раза. Энергия таких КМЭС в настоящее время применяется во многих странах мира в небольших домах и офисах миллионами единиц, а для будущего намечены большие программы развития этой технологии.

Перспективные когенерационные электростанции для микросетей

Среди когенерационных электростанций, пригодных для использования в микросетях, хорошие перспективы, как источники энергии, имеют тепловые элементы двух типов - ТЭ с полимерной мембраной (РЕМБО) и ТЭ твердого оксида (80РС). Основные технические и экономические параметры этих ТЭ изложены в таблицах 3 и 4.

Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 07 (129) 2013 © Научно-технический центр «TATA», 2013

Таблица 3

Технические и экономические данные ТЭ с полимерной мембраной [8]

Table 3

Technical and financial data of fuel cells PEMFC [8]

SOFC - для балансирования мощностей Работают на природном газе

Технические и экономические показатели Ед. измер. 2015 2020 2030

Мощность электрическая МВт 0,1 0,5 0,5

Общий к.п.д. % 90 92 92

Электрический к.п.д. (нагрузка 100%) % >52,5 >55 >55

Время пуска нагретой установки сек 90 90 90

Максимальное время пуска холодной установки час 6 4 4

Рабочая температура °С 750 650 650

Продолжительность строительства год 1 1 1

Срок службы год 3 5 5

Инвестиции £/Вт 2,0 0,4 0,4

Техническое обслуживание £/МВтч 25 10 10

Таблица 4

Технические и экономические данные ТЭ твердого оксида [8]

Table 4

Technical and financial data of fuel cells SOFC [8]

PEMFC - для балансирования мощностей Работают на природном газе

Технические и экономические показатели Ед. измер. 2015 2020 2030

Мощность электрическая МВт 0,1 0,5 0,5

Общий к.п.д. % 85 92 92

Электрический к.п.д. (нагрузка 100 %) % >50 >55 >55

Время пуска нагретой установки сек 60 60 60

Рабочая температура °С 70 80 80

Продолжительность строительства год 1 1 1

Срок службы год 3 5 5

Инвестиции £/Вт 2,0 0,4 0,4

Техническое обслуживание £/МВтч 25 10 10

Надо отметить, что ТЭ имеют очень хорошие экологические характериститки, высокий к.п.д., а в недалеком будущем их экономические показатели будут среди самых лучших в секторе производства энергии. Их можно успешно применять в микросетях

как в качестве генераторов базовой энергии, так и для балансирования мощностей (таблицы 3 и 4).

Кроме ТЭ, хорошие перспективы для применения в микросетях имеют КМЭС, построенные на базе инновационных роторно-лопастных двигателей, которые, по мнению ученых и специалистов, работающих в этой области, обладают значительно высшим к.п.д., чем двигатели внутреннего сгорания.

Управление микросетью

Надежная и эффективная работа микросети зависит не только от эффективной работы отдельных электростанций и накопителей энергии, входящих в состав микросети, но также и от работы системы управления (СУ) микросети. СУ должна содействовать решению вышеупомянутых задач: она будет работать оптимально тогда, когда все управляемые генераторы и накопители энергии микросети будут работать таким образом, когда в пределах микросети будут покрыты все нужды потребителей энергии с оптимальными показателями, возможными для данной микросети: с максимальной надежностью ее снабжения, с минимальным загрязнением окружающей среды и с минимальной ценой вырабатываемой энергии.

На основе проведенных экономических расчетов разрабатывается алгоритм управления

энергетическими потоками в микросети. В алгоритме первенство генерирования энергии отдается бездымным, бестопливным и бесплатным возобновляемым источникам энергии (солнечная, ветреная энергия и гидроэнергия). Таким способом можно навсегда избавиться от такого неприятного явления как периодическое подорожание цен на ископаемые энергоносители или, по крайней мере, уменьшить влияние подорожаний в большей степени.

На основе разработанного алгоритма управления микросети вырабатывается программа оптимального управления, которая внедряется в систему управления микросети и должна обеспечить работу местной энергосистемы в соответствии с принятым критерием. Эта задача не из простых. Кроме исполнения функции балансирования мощности и поддержки стабильных и стандартных параметров качества энергии, «умная» система управления микросети должна учесть и прогнозы погоды, и возможность регулирования мощности нагрузок микросети [9], и все другие аспекты, имеющие влияние на эффективную и оптимальную работу микросети.

Выводы

Когенерационные микроэлектростанции в микросетях можно применять не только как базовые генераторы энергии. Если они отличаются достаточно хорошими динамическими

58

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 07 (129) 2013

© Scientific Technical Centre «TATA», 2013

ISJJli

характеристиками, их также целесообразно применять как регулируемые источники энергии для выполнения функции балансирования мощностей в микросети.

Бывают случаи, когда накопители энергии в микросетях экономически более выгодны, чем резервные генераторы. Они позволяют повысить коэффициент использования установленных мощностей, уменьшить потребление топлива, а заодно и засорение окружающей среды.

«Умная» система управления микросети позволяет еще раз повысить экономическую эффективность работы микросети и снизить себестоимость вырабатываемой энергии, повысить надежность снабжения энергией и снизить уровень загрязнения окружающей среды. В будущей энергетике, которая в настоящее время является одним из самых крупных загрязнителей природы, микросетям намечается роль «умной» энергетической системы.

Список литературы

1. Ramonas С., Adomavicius V., Kepalas V. Research of the power conversion processes in the system of power supply from a number of wind turbines over the one grid-tird inverter // Proceedings of International Conference "Electrical and Control Technologies - 2009". KTU, Kaunas, 2009. P. 368-373.

2. Ramonas С., Adomavicius V. Grid-tied converter with intermediate storage chain for multipurpose

applications. Electronics and Electrical Engineering. 2011, Nr. 7(113). P. 15-20.

3. Ramonas С., Adomavicius V. Research of the Reactive Power Control Possibilities in the Grid-tied PV Power Plant. Electronics and Electrical Engineering. 2013, Nr. 1(130) ^

4. Ramonas С., Adomavicius V., Gecys S. Research of Harmonic Minimization Possibilities in Grid-tied Photovoltaic System // Electronics and Electrical Engineering. 2011, Nr. 1(107). P. 83-86.

5. Харченко В.В., Адомавичюс В.Б., Гусаров В.А. Микросеть на основе ВИЭ как инструмент концепции распределенной энергетики // Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология». № 02 (119). 2013. С. 80-85.

6. Кривов В.Г., Синатов С.А., Гулин С.Д., Орлов А.Н., Поляков А.А. Комплексное электроснабжение на базе дизельных электростанций с внешней утилизацией отходящей теплоты // Двигателестроение. 1988. № 9. С. 3-7.

7. Slowe, J. Micro-CHP: Global Industry Status and Commercial Prospects. 23rd World Gas Conference, Amsterdam, 2006. 9 p.

8. Technology data for energy plants. Energinet. DK Styrelsen, Maj 2012. 211 p.

9. Stluka P., Godbole D. and Samad T. Energy Management for Buildings and Microgrids. 50th IEEE Conference on Decision and Control and European Control Conference. Orlando, Fl., USA. December 1215, 2011. P. 5150-5157.

Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 07 (129) 2013 © Научно-технический центр «TATA», 2013