Разработка элементов Microgrid для оптимизации режимов энергопотребления в условиях Севера

Электроэнергетика Республики Саха (Якутия) включает в себя зону централизованного и децентрализованного энергоснабжения. Централизованным электроснабжением охвачено 36% территории республики, где проживает 85% населения. Зона децентрализованного электроснабжения включает в себя обширную территорию республики с большим количеством автономных электростанций, которые снабжают отдельные поселки и горнодобывающие предприятия. Зона действия автономной энергетики охватывает площадь 2,2 млн. км2 (64%) с 15% проживающего в республике населения.

В перспективе зона автономного электроснабжения сохранится в силу больших расстояний между населенными пунктами и слабой транспортной инфраструктуры, что не позволяют существенно расширять централизацию электроснабжения. Потребители будут обеспечиваться электроэнергией от локальных энергоисточников малой мощности, в основном, дизельных электростанций. Отсутствие крупных потребителей на этой территории обуславливает нецелесообразность строительства энергоисточников большой установленной мощности. Исключение составляют круп- ные потребители при разработке перспективных месторождений.

В рамках исполнения Указа Президента Российской Федерации от 07.05.2018 г. №204 «О национальных целях и стратегических задачах развития Российской Федерации на период до 2024 года» принят «План модернизации неэффективной дизельной (мазутной, угольной) генерации в изолированных и труднодоступных территориях», утвержденный заместителем Председателя Правительства Российской Федерации Д.Н. Козаком 15.08.2019 г. В июне 2020 г. подписано Соглашение между Правительством Республики Саха (Якутия) и ПАО «РусГидро» «О сотрудничестве при реализации проектов по модернизации дизельной генерации», которым предусматривается сохранение в тарифах на электроэнергию экономии топлива в целях возврата инвестиций по энергосервисным договорам. На основании этого Соглашения будут реализованы проекты модернизации дизельной генерации с использованием ВИЭ-генерации и систем накопления энергии.

Электроснабжение потребителей в локальных энергетических системах с ВИЭ-генерацией в целом обеспечивает надеж- ное энергоснабжение и приводит к уменьшению потребления дизельного топлива. Локальные энергосистемы с ВИЭ-генерацией будут строиться с использованием принципа управляемых энергосистем с автоматическим управлением как производством, так и транспортом и потреблением электроэнергии.

Напряжение распределительных сетей 6-10 кВ и 0,4 кВ в сильной степени подвержено воздействию искажающей нагрузки, обусловленной широким применением преобразовательных устройств и электрических двигателей (крупный потребитель – коммунально-бытовой сектор), несимметричным распределением нагрузки потребителей. В результате в электрической сети создаются условия, при которых отклонения напряжения питания на зажимах электроприемников превышают допустимые значения, установленные для них ГОСТ Р 54149-2010. Напряжение подвержено колебаниям и фликеру, искажениям синусоидальности, появлению несимметрии. Отклонения напряжения в сети превышают 10%, в некоторых местах снижения напряжения в сети достигают 40%, в основном из-за протяженности распределительных сетей; несимметрия нагрузки по фазам достигает двукратной; превышение гармоник, кратных 3 (3, 15, 21), достигает 6,5%; общий коэффициент искажения синусоидальности превышает 8%.

Включение в сеть распределенной генерации, в том числе ВИЭ, может еще в большей степени ухудшить характеристики электрического напряжения в распределительной сети из-за колебаний параметров этих источников.

Комплексное и оптимальное решение подобных проблем осуществимо при применении технологии управляемых систем передачи переменного тока (FACTS), а также новые технологии активноадаптивных сетей (Smartgrid). Основная идея управляемых электропередач переменного тока состоит в том, чтобы создать распределительные сети, обеспечивающие в процессе работы режимные характеристики, отвечающие всем нормативным требованиям, заданным показателям качества, экономичности и надёжности передачи и распределения электрической энергии.

Вопросами развития и совершенствования методов регулирования и стабилизации напряжения занимаются многие разработчики и научные сообщества [1-7].

Недостатки традиционно используемых средств обеспечения качества электроэнергии инициируют освоение одного из наиболее эффективных специализированных устройств управления параметром напряжения на основе элементов сильноточной преобразовательной техники.

Для комплексного решения задачи компенсации реактивной мощности (стабилизации напряжения), симметрирования и динамичной фильтрации напряжения в распределительных сетях предлагается новое техническое решение на основе тиристорного стабилизатора параметров [8], разработанного в Институте физикотехнических проблем Севера им. В.П. Ларионова СО РАН. Структурная схема интеллектуальной подстанции представлена на рисунке 1.

Рис. 1. Структурная схема интеллектуальной подстанции

Интеллектуальная подстанция на основе тиристорного стабилизатора параметров предназначена для выполнения следующих функций:

• -    стабилизации напряжения за счет компенсации реактивной мощности;

• -    подавления обратной составляющей напряжения (симметрирование напряжения);

• -    фильтрации высших гармоник напряжения в статических и динамических режимах;

• -    демпфирования переходных процессов.

Для обеспечения статической и динамической устойчивости систем целесообразно чтобы подстанция работала совместно с накопителями электрической энергии. Применение накопителей энергии является перспективным направлением развития распределительной электрической сети, значительно повышающим надежность работы этой сети.

Исходя из рассмотренной проблематики, комплексным решением в области развития интеллектуализации подстанций является создание нового типа подстанций для распределительных сетей как единого комплекса, использующего наряду с традиционным оборудованием ПС (трансформаторы, коммутационное и измерительное оборудование, системы управления, защиты и автоматики) новые технологии, позволяющие существенно повысить надежность и качество электроснабжения в условиях появления распределенной генерации, в том числе ВИЭ.