Исследование влияния энергетического роутера на продолжительность автономной работы системы электроснабжения с ВИЭ

В настоящее время к системам электроснабжения промышленности и хозяйства предъявляются всe более высокие требования по эффективности, качеству и надежности энергоснабжения. Одним из вариантов достижения этих требований является использование в современных системах электроснабжения энергетического роутера (ЭР).

Концепция ЭР основана на идее интернета энергии и впервые была предложена в [1], по аналогии с сетевыми маршрутизаторами. В рамках упомянутой концепции ЭР используется для управления потоками мощности в энергосети, содержащей возобновляемые источники энергии (ВИЭ) и распределенные системы накопления энергии (СНЭ), что позволяет рассматривать ЭР в качестве ключевого элемента интернета энергии [2].

Обобщая [3, 4], можно дать следующее определение ЭР: это устройство на основе силовых преобразователей, обеспечивающее управление величиной и направлением перетоков активной и реактивной мощности в месте его установки между несинхронизированными участками электрической сети. При этом важно отличать ЭР от устройства распределения потоков мощности (power flow router) [5], представляющего собой систему управления инверторами микросети.

Ввиду различных возможных топологий ЭР, в [6] он рассматривается в качестве связующего звена между трансформаторной подстанцией и сетью потребителя, в состав которой включена собственная электрогенерирующая установка малой мощности. В [4] к ЭР предъявляются требования по «смешиванию» энергии из различных несинхронизированных источников, по добавлению к ним мощности от накопителя, по балансировке нагрузки между фазами и компенсации реактивной мощности. ЭР могут рассматриваться и как устройства, связывающие системы постоянного тока разного напряжения [7]. В таких случаях они состоят из согласованно работающих преобразователей постоянного напряжения.

На рис. 1 представлена обобщeнная структура ЭР, составленная на основе встречающихся в литературе топологий ЭР.

На основании рис. 1 можно выделить следующие топологии ЭР:

– одноступенчатую с прямым преобразованием переменного напряжения – в такой топологии отсутствуют элементы 3, 4, 4’ и 5, а элементы 2 и 2’ являются необязательными. Реализация резервирования сети переменного напряжения представлена в [8] на примере ЭР одноступенчатой топологии;

– одноступенчатую с прямым преобразованием постоянного напряжения – в такой топологии отсутствуют элементы 1, 1’, 2, 2’ и 5;

– двухступенчатую, включающую низковольтное или высоковольтное звено постоянного напряжения. При такой топологии могут отсутствовать, например, элементы 3, 4, 5;

Рис. 1. Обобщeнная структура ЭР: 1, 1’ – сети переменного тока; 2, 2’ – резервируемые нагрузки переменного тока; 3, 3’ – шины постоянного тока; 4, 4’ – источники, потребители или накопители энергии постоянного тока; 5 – высокочастотный твердотельный трансформатор

Fig. 1. Common type structure of the ER: 1, 1’ – AC current side; 2, 2’ – redundant AC loads; 3, 3’ – DC bus; 4, 4’ – DC sources, consumers or energy; 5 – solid-state high-frequency transformer

– 880 –

– многоступенчатую, включающую звенья среднего и низкого постоянного напряжения. При такой топологии обычно, но не обязательно, отсутствуют элементы 2 и 2’.

Высокочастотный твердотельный трансформатор, представленный на рис. 1, используется для преобразования напряжения на шине постоянного тока [9, 10]. Примеры исследований по моделированию ЭР с твердотельными трансформаторами даны в [11–13]. Исследования показывают, что внедрение ЭР в такие системы позволяет добиться улучшения качества электрической энергии у потребителей, интегрировать установки распределeнной генерации, а также ограничить токи КЗ и снизить глубину провалов напряжения. При наличии в цепи постоянного тока накопителей энергии ЭР также выполняет функцию источника бесперебойного питания.

В [14, 15] представлены динамические модели ЭР, позволяющие управлять перетоками мощности между микроэнергосистемами. В [13, 16] проработаны особенности управления перетоками мощности с реализацией статизма инвертора по частоте и напряжению.

В [17] рассмотрены сценарии использования ЭР двухступенчатой топологии. В исследовании главным образом оценивалась стабильность напряжения на шине постоянного тока при различных сценариях работы ЭР. Аналогичные показатели оценивались и в работе [18], посвящeнной разработке систем управления ЭР при наличии нескольких ступеней постоянного напряжения. Моделированию ЭР посвящена и работа [19], где уделено особое внимание стабилизации колебаний распределяемой мощности.

В работе [20] предлагается использовать ЭР для увеличения КИУМ ВЭС и СЭС, снижения потерь в сети и колебаний нагрузки в активных распределительных сетях. При этом затрагивается вопрос использования преобразователей более высокой мощности, что, несмотря на их дороговизну, позволяет достичь экономических эффектов за счeт повышения эффективности работы системы и снижения затрат на эксплуатацию и техническое обслуживание

Эффективное применение ЭР ставит задачу оптимального распределения потоков мощности в условиях появления распределeнных источников энергии [14]. Для обеспечения безаварийной и устойчивой работы «умных» сетей необходима проработка системы управления объектами распределенной генерации (просьюмерами) в сетях 0,4 кВ и СНЭ [21], что зачастую возлагается на систему управления ЭР [22].

В работе [23] рассматривается проблема оптимизации режимов работы ЭР для обеспечения питания бытовых потребителей. В статье используется нечeткое управление переходами между режимами работы потребителей, при этом управление осуществляется не только за счeт воздействий на полупроводниковые устройства, но и посредством управления ключами в цепи переменного тока. В статье также показана целесообразность изучения работы системы не только на коротких промежутках времени, а в течение дня или более длительного времени, в том числе при различных нагрузках.

Настоящая статья посвящена вопросу эффективного использования ЭР на промежутках времени от одного дня и более.

Методы исследования

Для достижения поставленной в рамках настоящего исследования задачи в статье выполнена разработка цифровой модели ЭР двухступенчатой топологии с подключением девяти потребителей электрической энергии, двух источников на основе ВИЭ и двух вводов внешней

Кондиционеры         Вентиляция         Освещение                    Серверная                        Освещение         Кондиционеры Вентиляция

Рис. 2. Основное окно цифровой модели

Fig. 2. Simulation model general view электрической сети. Внешний вид основного окна цифровой модели представлен на рис. 2. Модель выполнена на базе внутренних блоков библиотеки «ЭЦ – Статика v.2.0» российской среды динамического моделирования SimInTech.

Основное окно цифровой модели содержит области внешнего источника питания и нагрузок первой секции (выделена желтым цветом), источников ВИЭ (выделены зеленым цветом), внешнего источника питания и нагрузок второй секции (выделены синим цветом), энергороутера (выделен красным цветом).

На модели реализованы следующие функции ЭР:

• –    автоматическое обеспечение перетока мощности от ввода, имеющего питание, к вводу с потерей питания;

• –    резервирование нагрузок при пропадании питания внешней сети по обоим вводам;

• –    автоматическое отключение инверторов и/или АКБ ЭР при превышении перетоками мощности допустимого значения, а также при перезаряде/переразряде АКБ ЭР;

• –    автоматическое поддержание заряда АКБ в пределах допустимых значений.

С целью оценки эффективности работы ЭР проведена оценка работы цифровой модели в режимах работы сети, при которых пропадает питание одновременно с двух вводов здания на 1, 4 и 8 часов. При этом оценивалась работа алгоритмов отключения нагрузок и генерации, заложенных в систему управления ЭР. Эти алгоритмы необходимы для обеспече-– 882 – ния наиболее продолжительного функционирования приоритетных нагрузок потребителя. В частности, в каждом из алгоритмов реализовано принудительное отключение источников и потребителей электрической энергии в случае достижения ЭР максимального допустимого заряда АКБ либо в случае превышения перетоками мощности через инверторы ЭР допустимых значений. Разновидности алгоритмов с их отличительными особенностями представлены далее:

• 1)    алгоритм с одновременным принудительным отключением потребителей электрической энергии в случае достижения ЭР минимально допустимого заряда аккумуляторных батарей (АКБ). Обозначим этот алгоритм далее как вар. 1;

• 2)    алгоритм с последовательным отключением источников и потребителей электрической энергии исходя из уровня остаточного заряда АКБ ЭР. Отключение серверной выполняется при достижении минимально допустимого заряда АКБ. В табл. 1 представлены три использующихся в исследовании варианта исполнения этого алгоритма, отличающиеся уставками отключения потребителей электрической энергии;

• 3)    алгоритм с последовательным отключением систем кондиционирования, освещения, вентиляции, розеточных групп и серверной исходя из оценки продолжительности оставшейся работы ЭР в условиях сохранения отсутствия внешнего электроснабжения. Промоделированы два варианта исполнения этого алгоритма: с последовательным отключением ступеней нагрузок при остаточном заряде АКБ менее 1 часа (вар. 3.1) и менее 0,5 часа (вар. 3.2) на обеспечение питания оставшейся нагрузки.

В вариантах 2.1–3.2 также реализовано последовательное возвращение нагрузок в работу в случае подзаряда АКБ ЭР за счeт избыточной генерации ВИЭ.

Для проведения моделирования заданы графики нагрузок, представленные на рис. 3. Каждая из нагрузок, за исключением серверной, дублируется в рассмотренной системе электроснабжения. Эти графики приняты за типовые для каждых суток моделирования.

График генерации ВИЭ, напротив, отличен для каждого из моделируемых суток. Для генерации ВЭУ создано 5 вариантов суточных графиков, представленных на рис. 4а. Они отличаются интенсивностью, временем и продолжительностью ветрового воздействия. Для пятого суточного графика выбран безветренный день.

Для суточного графика генерации СЭС создан вариант максимального солнечного излучения, на основе которого созданы ещe пять вариантов излучения с учeтом различной затененности по еe интенсивности, времени и продолжительности (см. рис. 4б).

Таблица 1. Уставки отключения нагрузок в режимах работы ЭР вар. 2.1–2.3

Table 1. Load turn-off settings under ER operating mode 2.1–2.3

Алгоритм	Процент заряда АКБ ЭР, при котором отключаются нагрузки
	кондиционеры	освещение	вентиляция	розетки
вар. 2.1	80 %	70 %	55 %	40 %
вар. 2.2	60 %	50 %	40 %	30 %
вар. 2.3	50 %	45 %	40 %	35 %

Время, ч

Рис. 3. Применяемые графики нагрузок

Fig. 3. Applied load curve

а)                                                          б)

Рис. 4. Суточные графики вариантов мощности генерации: а) ВЭУ; б) СЭС

Fig. 4. Day curves for types of generation: а) Wind turbine; b) Solar power plant

Таким образом, на каждые 5 вариантов излучения ВЭУ приходится по 6 вариантов излучения СЭС. Итого для каждого из планируемых сценариев требуется выполнить моделирование по 30 суток работы микросети.

Результаты моделирования

Результаты моделирования показывают, что использование ЭР позволяет продлить функционирование потребителей здания, что существенно зависит от алгоритмов работы систем ограничения нагрузок ЭР. В табл. 2 представлены длительности отключений нагрузок при разных алгоритмах защиты ЭР. В табл. 2 не представлены варианты для работы сети без ЭР – в этих случаях каждая из нагрузок остаeтся без питания на всe время отключения внешней сети. Также не представлены длительности отключения серверного оборудования, поскольку его отключений за время моделирования зафиксировано не было.

Таблица 2. Длительности потери питания нагрузок при различном времени отключений

Table 2. Load shading duration under different time-off

Время откл.	Алгоритм защиты ЭР	Длительность потери питания, ч
		Секция 1				Секция 2
		Розетки	Освещение	Кондиционеры	Вентиляция	Розетки	Освещение	Кондиционеры	Вентиляция
10:00– 11:00	вар. 1	8,56	14,08	20,21	12,55	3,79	11,69	14,28	8,23
	вар. 2.1	4,08	20,74	29,76	11,82	1,42	20,74	29,61	11,82
	вар. 2.2	4,77	16,04	25,7	10,6	1,51	16,04	24,5	10,6
	вар. 2.3	9,63	17,38	23,12	13,65	2,05	17,38	21,88	13,34
	вар. 3.1	6,63	17,78	30,01	16,49	6,63	17,78	27,7	16,49
	вар. 3.2	4,27	11,79	30	10,89	4,27	11,79	21,18	10,89
10:00– 14:00	вар. 1	77,71	103,02	110,15	99,13	31,77	87,91	100,81	73,63
	вар. 2.1	74,71	107,37	119,76	94,13	16,35	106,67	119,14	94,07
	вар. 2.2	76,41	101,54	115,71	93,54	16,64	101,54	113,99	92,79
	вар. 2.3	84,29	104,22	113,14	98,77	16,78	103,07	111,45	84,6
	вар. 3.1	68,57	102,12	120,01	99,28	68,57	102,12	118,09	99,28
	вар. 3.2	51,43	93,7	120	89,7	51,43	93,7	110,88	89,7
10:00– 18:00	вар. 1	164,02	219,03	229,69	205,68	50,4	173,72	212,12	133,78
	вар. 2.1	145,18	226,91	239,76	209,11	25,22	225,06	238,98	199,93
	вар. 2.2	146,83	220,69	235,71	206,87	25,7	216,49	233,69	194,96
	вар. 2.3	163,06	224,27	233,21	211,31	25,52	211,07	230,57	154,78
	вар. 3.1	149,76	197,29	239,95	191,86	149,76	197,29	237,68	191,86
	вар. 3.2	89,63	193,1	239,98	182,92	89,63	193,1	230,88	182,92

Из таблицы следует, что, несмотря на общую достаточно высокую продолжительность отключения нагрузок (от 30 до 240 часов за 30 моделируемых суток), в среднем каждый из потребителей электрической энергии оставался в работе примерно 40,3 % времени отсутствия внешнего напряжения. При этом в каждом из рассмотренных случаев серверная функционировала без перебоев.

В частности, на рис. 5 представлены усреднeнные длительности принудительного отключения питания потребителей, связанные с низким уровнем заряда АКБ ЭР, при пропадании напряжения внешней сети на 1, 4 и 8 часов. При сохранении в работе офисной техники и бытовых потребителей варианты ЭР 2.1 и 2.2 показали себя наиболее позитивно. При этом в варианте 2.1 наблюдается наименьшее время работы систем кондиционирования и освещения, что, вероятно, и привело к указанным результатам.

В плане комфорта нахождения в офисных помещениях наилучшие результаты показал алгоритм отключения ЭР согласно вариантам 1 и 2.3. С точки зрения работоспособности офисной техники упомянутые варианты выглядят также относительно привлекательно. При этом стоит отметить, что с увеличением продолжительности отключения питания на укорочение продолжительности использования розеточных групп даeт всe меньший эффект по повышению продолжительности комфортного микроклимата в помещениях.

вар.вар.вар.вар.вар.вар.

1 2.1 2.2 2.3 3.1 3.2

вар.вар.вар.вар.вар.вар.

1 2.1 2.2 2.3 3.1 3.2

вар.вар.вар.вар.вар.вар.

1 2.1 2.2 2.3 3.1 3.2

а)                                  б)                                   в)

Рис. 5. Длительности отключения нагрузок (в часах) при пропадании внешней сети: а) на 1 час; б) на 4 часа; в) на 8 часов

Fig. 5. Load shading duration under loss of external power supply for: а) 1 hour; b) 4 hours; c) 8 hours

Стоит отметить, что среди полученных результатов только в вариантах без ЭР и 3.1 генерация от ВИЭ использовалась не в максимальном объeме. Рассмотрим подробнее фрагмент моделирования режима работы ЭР варианта 3.1.

На рис. 6 представлен фрагмент изменений активной мощности и заряда АКБ ЭР за период времени, охватывающий отключение питания длительностью 8 часов.

Из рис. 6 следует, что за полтора часа до начала рабочего дня сумма нагрузок потребителя не превышает 31 кВт (см. также табл. 3). В то же время имеется существенный объeм генерации ВЭУ и СЭС. Поскольку генерация ВИЭ часть времени превышает потребление нагрузок, имеется переток мощности в ЭР: избыточная часть мощности запасается в АКБ ЭР. Так обеспечивается нулевая выдача избыточной мощности во внешнюю электрическую сеть.

В 8:00 имеет место резкое повышение нагрузок, связанное с началом рабочего дня. Поскольку АКБ ЭР заряжены выше 80 %, ЭР выполняет частичный разряд АКБ с целью поддержания оптимального уровня заряда.

В 10:00 происходит отключение питания здания по двум вводам. На графике заметны кратковременные снижения мощности, связанные с особенностью способа моделирования работы системы электроснабжения. На следующем шаге моделирования запас работы АКБ немногим превышает 1 час (см. табл. 3), что приводит к скорому отключению наименее приоритетных потребителей – систем кондиционирования.

Далее происходит последовательное отключение других потребителей согласно выставленным настройкам ЭР. После отключения розеточных групп генерация ВИЭ начинает преобладать над оставшейся в работе серверной нагрузкой и АКБ ЭР переходит в режим подзаряда. Поскольку на момент отключения розеточных групп их нагрузка составляла 64 кВт, то для того, чтобы ЭР вернул их в работу, ему требуется обеспечение заряда АКБ не ниже 73 кВт∙ч, что превышает максимальный уровень заряда АКБ моделируемого ЭР.

Рис. 6. Активные мощности и заряд АКБ ЭР при потере внешней сети на 8 часов

Fig. 6. Active power and ER ESS SOC curves in time under external power supply loss for 8 hours

Таким образом, АКБ ЭР постепенно заряжаются до предельных значений, не возвращая розеточные группы и другие нагрузки в работу, после чего срабатывает защита, отключающая избыточную генерацию ВИЭ. Далее АКБ ЭР начинают разряжаться, что через определeнные промежутки времени приводит к повторному включению и отключению объектов генерации на основе ВИЭ. К 18:00 появляется внешняя сеть и электроснабжение потребителей восстанавливается.

Данный пример демонстрирует, что подход по оценке запаса работы системы электроснабжения нецелесообразен к использованию, когда возможно создание условий, при которых возвращение нагрузок не представляется возможным. В случае алгоритма версии 3.1 решением проблемы могло бы быть деление розеточных групп на меньшие ступени отключения, что – 887 –

Таблица 3. Значения показателей режима для отдельных моментов моделирования

Table 3. Operating parameters values for different periods of simulation time

Время Мощность нагрузок, кВт Мощность ВИЭ, кВт Заряд АКБ,% Ост. время, ч Конд. Осв. Вент. Розетки Сервер Сумм ВЭУ СЭС 6:30 10 6 8 4 3 31 30 6,95 85,7 % - 8:00 20 4 8 46 4 82 15,15 13,94 81,0 % 0,52 10:01 17 2 8 36 4 67 14,75 25,15 82,6 % 1,04 11:15 0 2 8 36 4 50 8,75 28,37 49,3 % 1,02 11:24 0 0 8 36 4 48 8,04 28,58 45,5 % 1,01 12:00 0 0 0 64 4 68 5,05 29,48 38,5 % 0,25 13:00 0 0 0 0 4 4 0 30 97,3 % - позволило бы вводить их поэтапно. Также вариантом решения проблемы является изменение уставок отключения или приоритетности нагрузок.

Заключение

Представленная в настоящей работе модель ЭР и подключeнной к нему системы электроснабжения здания позволяет сделать следующие выводы.

В случаях потери питания на обоих вводах потребителя ЭР, при наличии АКБ, позволяет сохранить большую часть нагрузок в работе. Предоставив ЭР или системе управления более высокого уровня возможность отключения части потребителей и источников электрической энергии, можно добиться максимального сохранения в работе наиболее приоритетных нагрузок. При этом за счeт обеспечения ЭР параллельной работы с объектами ВИЭ-генерации достигается продолжительность автономной работы системы, недоступная для традиционных источников бесперебойного питания.

С точки зрения сохранения в работе наиболее приоритетных потребителей электроэнергии целесообразно применение таких алгоритмов отключения потребителей, при которых второстепенные нагрузки отключаются существенно раньше приоритетных. В рассмотренных примерах алгоритмы вариантов 2.1 и 2.2 показали наилучшие результаты сохранения в работе розеточных групп.

В плане наиболее длительного сохранения в работе всех имеющихся потребителей целесообразно применение алгоритмов, обеспечивающих отключение нагрузок исходя из расчeта оставшегося времени функционирования системы электроснабжения. При этом стоит учитывать, что в случае неудачного выбора значения минимального оставшегося времени может быть существенно снижен потенциал автономной работы системы электроснабжения.

Построение и тестирование систем наподобие рассмотренной в работе является интересной задачей, открывающей вызовы для оптимизации еe работы путeм создания наиболее эффективных алгоритмов работы системы управления. Синтез защитных алгоритмов, нахождение управляющих воздействий, повышающих эффективность работы систем электроснабжения актуальны как для потребителей, так и для электроснабжающих организаций.