Система электроснабжения потребителей в сетях низкого напряжения с использованием различных источников энергии и управлением генерацией электроэнергии

Введение. В настоящее время использование локальных генерирующих мощностей, не связанных с магистральными сетями и работающих для обеспечения потребностей в электроэнергии небольших территорий является общемировым трендом. Преимуществом использования генерирующих мощностей малой мощности, функционирующих в локальных микросетях низкого напряжения, является возможность снижения себестоимости выработки киловатт-часа электроэнергии за счет снижения потерь на передачу электроэнергии, повышения эффективности использования генерирующих мощностей, снижения времени простоя оборудования и сокращения затрат на его обслуживание [1,2].

Одним из способов, позволяющим снизить себестоимость выработки электроэнергии в микросетях, является применение генерирующих мощностей, использующих возобновляемые источники энергии (ветроэнергетические установки, микро- и мини-ГЭС, солнечные электроустановки, газопоршневые установки, использующие биогаз в качестве топлива) [3].

Описание технического решения Для оптимизации работы распределенной системы с использованием источников генерации на различных физических принципах необходима система управления, обеспечивающая оптимальные ввод и вывод генерирующих мощностей, в зависимости от конкретных условий в каждый момент времени. Например, условием для использования ветроэнергетических установок в системе является наличие ветропо-тока достаточной мощности в данный конкретный момент времени, способного обеспечить нагрузочные требования и обеспечить потребителя электроэнергией, с нормами качества по ГОСТ 13109-97. При снижении мощности ветропотока необходимо осуществить постепенный вывод из генерации ветроэнергетической установки системы с одновременным вводом генерации на основе другого источника энергии в объеме, зависящем от потребности в электроэнергии со стороны потребителя в данный момент времени. Подобное оперативное управление генерацией электроэнергией в зависимости от графиков нагрузки позволит существенным образом снизить себестоимость выработки киловатт-часа за счет максимального использования возобновляемых источников энергии и осуществления оперативного управления генерацией при помощи распределенной системы управления [4, 5].

Структурная схема распределенной микросети приведена на рисунке 1.

Генерирующие мощности «Генератор 1», «Генератор 2» и «Генератор п» с возможностью управления объединены в единую систему, обеспечивающую электроэнергией потребителей «Потребитель 1», «Потребитель 2» и «Потребитель п», Распределенная система управления обеспечивает управление генерирующими мощностями таким образом, чтобы в каждый конкретный момент времени генерация энергии осуществлялась от источника с минимальной себестоимостью выработки электроэнергии. Отличительной особенностью рассматриваемой системы является отсутствие общего вычислительного центра и необходимости организации информационных каналов связи для обмена управляющей информацией в системе.

Локальная сеть п

Магистральная сеть СН

Рисунок I - Структурная схема распределенной микросети

При этом, определенным образом, можно организовать обмен электроэнергией с магистральными сетями среднего напряжения и осуществить подключение информационной распределенной системы управления к единому диспетчерскому пункту.

Отличительной особенностью использования способа организации информационного обмена и применения распределенной системы управления генерацией является возможность масштабирования микросети и объединения микросетей в энергетические системы, работающие под единым алгоритмом управления системой в целом [6].

Использование информационного обмена данными по электрической сети обеспечивает возможность реализации системы генерации электроэнергии, на основе возобновляемых и невозобновляемых источников энергии при совместной работе в единой электрической сети низкого напряжения для выработки электрической энергии и реализующей способ управления генерацией в зависимости от условий выработки и потребления электрической энергии на основе данных датчиков обратной связи для снижения себестоимости вы рабатываемой электроэнергии и повышения КПД системы в целом с возможностью обмена электроэнергией с энергосетями более высокого уровня [7].

Структурная схема системы, реализующая способ управления генерацией, представлена на рисунке 2.

Рисунок 2 - Структура системы, реализующая распределенный способ управления генерацией

Способ заключается в анализе данных окружающей среды (направления и скорости ветра, значения солнечной радиации, скорости водного потока, объема и давления биогаза в магистрали), напряжения и частоты на силовом вводе от магистральной линии электропередачи и мощности в нагрузке. На основе полученных данных реализуется алгоритм выбора наиболее оптимального источника генерации для обеспечения потребителя электроэнергией с качеством по ГОСТ 13109-97 и при наименьшей себестоимости выработки электроэнергии. При изменении состояния окружающей среды и (или) потребления электроэнергии производится изменение источника генерации.

Система, реализующая заявленный способ, включает стационарную систему управления 1, локальные модули управле ния 2, которые устанавливаются непосредственно на источники генерации, использующие невозобновляемую энергию Al... Ап (дизельное топливо, магистральный газ, котельное топливо), а также на источники генерации, использующие возобновляемую энергию Bl ..Вп (ветроуста-новки, мини-ГЭС, солнечные панели, биогазовые генераторы). Локальные модули управления, устанавливаемые на источники генерации с возобновляемой энергией, осуществляют трансляцию данных от датчиков окружающей среды 9 в стационарную систему управления 1 через информационный канал 6, использующий в качестве среды передачи данных локальную сеть низкого напряжения 3. Все источники генерации объединены в локальную сеть низкого напряжения 3, доставляющую электроэнергию непосредственно к потре- бителю. Локальная сеть низкого напряжения использует систему обмена электрической энергией 4 с магистральными электросетями среднего или высокого напряжения 5. Стационарная система управления 1 имеет информационный канал 7 для обмена данными и передачи управления системе верхнего уровня 8.

Заключение. Система, реализующая заявленный способ, работает следующим образом. Электрическая мощность из магистральной сети 5 через систему обмена электрической энергией 4 поступает к потребителям. Стационарная система управления 1 анализирует нагрузку в сети и состояние окружающей среды через датчики 9. При достаточном ветропотоке, солнечной радиации или напоре воды через локальные модули управления 2, установленные у каждого источника генерации, в локальную сеть 3 вводится замещающая генерация, при этом мощность магистральной сети выводится таким образом, чтобы в качестве основного источника генерации в микросети максимально использовалась генерация от возобновляемых источников энергии В1... Вп. В случае избытка мощности от локальных возобновляемых источников энергии В1... Вп осуществляется ее рекуперация через систему обмена электрической энергией 4 в магистральную сеть 5. При пиковой нагрузке в сети, если мощности генерации от возобновляемых источников энергии В1...Вп недостаточно, а также в случае отсутствия подключения к магистральной сети, осуществляется ввод в сеть генерации от источников возобновляемой энергии А1...Ап таким образом, чтобы преимущество имели источники с более дешевым видом топлива (использование газовой генерации имеет преимущество перед дизельной, дизельной - перед бензиновой). Стационарная система управления 1 осуществляет непрерывное управление источниками генерации Al...Ап и ВГ.Вп таким образом, чтобы в любой момент времени в зависимости от изменения нагрузки в локальной сети 3 осуществлять изменение локальной генерации в сети посредством управления источниками генерации через локальные модули управления

• 2,    а также обеспечивать оптимальный обмен энергией с сетями более высокого уровня. Каждая подобная локальная система может встраиваться как элемент более крупной сети и работать под управлением системы верхнего уровня 8 через информационный канал обмена данными 7.