Микроэнергосистемы на постоянном токе: актуальные тренды

Новая волна интереса к микроэнергосистемам (микрогридам) на постоянном токе (DC-микрогридам) связана с распространением коммерческих и промышленных потребителей с особыми, повышенными требованиями к качеству электроэнергии и надежности электроснабжения. Микроэнергосистемы – сети низкого напряжения с распределенной генерацией, в том числе на основе ВИЭ, и накопителями электроэнергии – позволяют потребителям обеспечить контроль над качеством электроэнергии, резервировать электропитание и за счет этого повысить его надежность, снизить потребность в присоединенной мощности и, в конечном счете, стоимость электроснабжения. Еще одна причина возросшего интереса к DC-микрогридам в том, что они нашли применение в судовой энергетике, поскольку судовые энергетические установки, ставшие в последнее время гибридным, можно рассматривать как микроэнергосистемы.

В статье американского коллектива авторов Али Бидрама, Мэтью Рено, Саида Али-Хораши Халиля Абади, Мигеля Хименеса Апаричио и Даниеля Бауэра «Тренды в области микроэнергосистем на постоянном токе с точки зрения управления и защиты», опубликованной в №2 т. 12 IEEE Electrification Magazine за июнь 2024 года, разбираются преимущества и проблемы использования постоянного тока в микроэнергосистемах, дается обзор применяемых топологий, подходов к управлению режимом электропередачи и обеспечения устойчивости этого режима, а также решений по устройству технологических защит в сетях постоянного тока низкого напряжения.

Преимущества и недостатки

Постоянный ток в микроэнергосистемах обеспечивает ряд важных преимуществ перед переменным током:

• Более простую и эффективную интеграцию солнечных панелей, ветровых генераторов, электрохимических систем накопления электроэнергии, топливных элементов и других источников энергии, работающих исходно на постоянном токе и требующих инверторов для интеграции в сети переменного тока;
• Более простое обеспечение качества электроэнергии за счет отсутствия необходимости компенсировать реактивную мощность и поддерживать сетевую частоту;
• Возможность простой реализации распределенного, трансакционного управления рыночными отношениями просьюмеров, генераторов и потребителей за счет управления перетоками мощности посредством воздействия только на уровни напряжения в сети;
• Снижение технических потерь при передаче электроэнергии как в сетях за счет отсутствия реактивной мощности, так и на стороне нагрузки за счет отсутствия преобразования тока в адаптерах. Необходимо отметить, что с распространением энергоэффективных электродвигателей с частотно-регулируемыми приводами большая часть не только бытовых, но и промышленных нагрузок стала работать на постоянном токе;
• Снижение металлоемкости и стоимости кабельных и воздушных линий за счет отсутствия скин-эффекта и возможности использовать всего сечения проводов.

При этом остаются не до конца решенными ряд важных проблем, препятствующих массовому применению низковольтных сетей на постоянном токе:

• Управление перетоками мощности и уровнями напряжения;
• Обеспечение технологических защит и коммутации.

В качестве наиболее передового решения проблемы управления перетоками мощности в сетях постоянного тока и поддержания устойчивости режима передачи в них авторы статьи рассматривают применение гибридных систем накопления электроэнергии (HESS), состоящих из литий-ионных АКБ, батареи ионисторов (суперконденсаторов) и DC/DC-преобразователя, работающего в режиме источника напряжения (так называемом, формирующем сеть режиме). HESS в таком подходе к управлению микроэнергосистемой постоянного тока можно рассматривать как реализацию энергетического хаба из архитектуры Интернета энергии (IDEA), описанной в ПНСТ 913-2024.

Топология DC-микрогрида

Строительными блоками DC-микрогридов (MG) по мысли авторов обзора, как правило, служат DC-«наногриды» (NG), представляющие собой сети постоянного тока «за счетчиком» просьюмера или потребителя. NG включают в свой состав сравнительно простой локальный источник энергии, как правило, солнечные панели, подключенные через MPPT-контроллер, опционально аккумуляторную систему накопления энергии, а также нагрузки и локальную систему управления. Особенностью NG, которые можно рассматривать как простейшего просьюмера – потребителя с микрогенерацией, – является то, что в такой сети не решаются ни задача обеспечения автономности, ни поддержания баланса энергии и мощности, ни поддержания устойчивости режима передачи. Это означает, что NG является именно просьюмером, а не микроэнергосистемой, – в отличие от MG. В такой архитектуре NG выступают аналогом энергетической ячейки архитектуры IDEA. В статье описаны два варианта сборки NG из отдельных элементов на единой шине:

• Прямое подключение АКБ к шине NG. В этом случае напряжение на шине определяется напряжением на клеммах АКБ, а задача управления NG упрощается. Другие элементы присоединены через DC/DC-преобразователи, например MPPT-контроллеры в случае подключения солнечных элементов.
• Подключение АКБ через DC/DC-преобразователь, работающий в режиме источника напряжения для шины NG. Другие элементы сети также присоединены через DC/DC-преобразователи. В этом случае улучшается управляемость режима передачи в NG, но усложняется задача управления, поскольку возрастает влияние на режим передачи со стороны преобразователей напряжения в точках приложения нагрузки (POL-преобразователей) и преобразователей, работающих в режиме постоянной мощности (CPL).

Рисунок 1

Сборка NG в микроэнергосистему может осуществляться в соответствии со следующими топологиями, показанными на Рисунке 1:

• Радиальная топология (Рисунок 1а) имеет самую низкую стоимость, но и самую низкую надежность электроснабжения, поскольку не предполагает ни резервирования, ни секционирования.
• Многошинная топология (Рисунок 1б) вносит в систему секционирование шины и избыточность источников энергии (резервирование), что повышает надежность, но также и повышает стоимость системы. Как правило, эта топология используется в судовых энергетических установках.
• Многотерминальная топология (Рисунок 1в) предполагает подключение DC-шины микроэнергосистемы к сети переменного тока более высокого напряжения в двух точках, что позволяет повысить ресурс гибкости и надежность микроэнергосистемы, но ведет к усложнению управления режимом передачи. Эта топология используется при подключении групп морских ветрогенераторов к высоковольтным сетям переменного тока и пришла в практику DC-микрогридов из этой области.
• Кольцевая топология (Рисунок 1г) позволяет сформировать два альтернативных маршрута питания для каждой нагрузки в DC-микрогриде и за счет этого повысить надежность электроснабжения, не увеличивая существенно стоимость системы. Топология наиболее распространена в DC-микрогридах жилой и коммерческой недвижимости, поскольку предлагает эффективный компромисс между надежностью и стоимостью системы.
• Лестничная, или зональная топология (Рисунок 1д) является развитием кольцевой топологии, обеспечивая еще большую надежность электроснабжения за счет роста стоимости системы, но также обеспечивает больший ресурс гибкости при управлении балансом мощности, поскольку каждая зона, в которой находятся источники энергии и гибкости, а также нагрузки, запитана от двух шин постоянного тока. Эта топология нашла применение в современных судовых энергетических установках и системах.

Управление DC-микрогридом

Задачами управления микроэнергосистемами постоянного тока могут быть поддержание заданного уровня напряжения на всех шинах или на шине наиболее критического потребителя, а также выдача заданной активной мощности в сеть более высокого напряжения, например AC-сеть, к которой присоединен DC-микрогрид. Первая задача – поддержание заданного напряжения – связана с обеспечением качества электроэнергии у потребителей, особенно при работе микроэнергосистемы в изолированном (автономном) режиме при отключении от внешней сети по тем или иным причинам.

Важную роль в решении обеих задач играют распределенных энергетические ресурсы и «наногриды» в составе микроэнергосистемы, поскольку преобразователи, через которые они подключены к шинам микроэнергосистемы, могут работать как в режиме источников тока, так и источников напряжения и принимать активное участие в формировании уровней напряжения и режима передачи. При этом, как правило, в режиме источника напряжения работают DC/DC-преобразователи, через которые подключаются солнечные панели и АКБ, которые управляются как единое целое. Это позволяет использовать ресурс гибкости для управления балансом мощности и уровнем напряжения.

В DC-микроэнергосистемах, как правило, реализуется три иерархически вложенных контура управления:

• Первичное управление поддерживает напряжения в точках присоединения элементов микроэнергосистемы к шине при помощи локальной автоматики DC/DC-преобразователей.
• Вторичное управление поддерживает напряжение на DC-шинах после срабатывания первичного управления и использует общие для микроэнергосистемы ресурсы гибкости, такие как АКБ, присоединенные не на шины NG, а на общую шину.
• Третичное управление поддерживает напряжение и оптимизирует перетоки мощности и использование источников энергии и гибкости в составе микроэнергосистемы за счет управления перетоком между микроэнергосистемой и внешней сетью.

Вторичное и третичное управление могут быть реализованы за счет централизованной архитектуры, в которой система управления выполняет роль централизованного цифрового диспетчера. Но эти контуры управления могут быть и полностью децентрализованными, и в этом случае все блоки управления DC/DC-преобразователями взаимодействуют друг с другом для выработки оптимального значения уставок. По сути во втором случае такая система управления является мультиагентной, что совпадает с представлением о распределенном управлении микроэнергосистемами в Интернете энергии IDEA. Децентрализованное управление вторичным и третичным контурами регулирования напряжения и баланса мощности является более надежным по отношению к частным отказам контроллеров, лучше обеспечивает устойчивость режима передачи, а саму микроэнергосистему делает масштабируемой.

Проблема устойчивости и гибридные системы накопления энергии

Ключевой проблемой регулирования в микроэнергосистемах постоянного тока является обеспечение динамической устойчивости по напряжению. Классический и наиболее распространенный подход к управлению DC/DC-преобразователями на основе контроля спада напряжения далеко не всегда обеспечивает достижение оптимума распределения мощности по источникам и может приводить к колебаниям уровней заряда АКБ на разных участках DC-шин. Кроме того, поскольку активные элементы микроэнергосистемы подключены, как правило, через POL-преобразователи, имеющие отрицательное инкрементное сопротивление, а нагрузки – через CPL-преобразователи, в сети возникают или медленно затухающие колебания, или потеря шиной постоянного тока устойчивости по напряжению. Для решения этой проблемы предложено четыре основных подхода:

• Пассивное демпфирование колебаний за счет увеличения емкости шины постоянного тока,
• Активное демпфирование колебаний за счет введения виртуального импеданса – емкостного элемента с обратной связью к DC/DC-преобразователям,
• Применение нелинейных контроллеров DC/DC-преобразователей АКБ, работающих в режиме источников напряжения, например контроллеров скользящего режима или контроллеров с прогностическими моделями,
• Реализация сочетания DC/DC-преобразователя, работающего в режиме источника напряжения, с гибридной системой накопления электроэнергии (HESS), состоящей из электрохимической АКБ и быстродействующей батареи ионисторов (суперконденсаторов).

В последнем случае батарея суперконденсаторов присоединена через DC/DC-преобразователь параллельно с АКБ, имеющей свой DC/DC-преобразователь, через который HESS подключена к шине постоянного тока. HESS сочетает преимущества высокой плотности энергии АКБ, используемой для управления напряжением в устойчивом режиме, с быстродействием и высокой плотностью мощности батареи суперконденсаторов, используемой для управления напряжением и повышения динамической устойчивости в переходных режимах. Эффективность реализации HESS определяется ее системой управления, и сегодня эта область разработок – одна из самых бурно развивающихся в электротехнике.

Защиты в DC-микрогридах

Сети постоянного тока могут быть униполярными (аналог однофазной сети переменного тока) или биполярными с нейтралью (аналог трехфазной сети переменного тока). Первое решение проще, но менее надежное, второе – более надежное, но в нем возникают проблемы с асимметрией нагрузок, токов и напряжений между полюсами. При этом, как правило, существенной является асимметрия токов, приводящая к существенному току в нейтрали, из-за которого возможно срабатывание защит и даже повреждение оборудования.

Кроме того, значимой проблемой защит сетей постоянного тока является отсутствие в них прохождения тока через ноль при коротких замыканиях, не позволяющее применять методы защиты сетей переменного тока. Для этой цели используются твердотельные выключатели постоянного тока.

Кроме того, емкостная связь в AC/DC- и DC/DC-преобразователях создает в аварийных режимах быстро нарастающие (в течение миллисекунд) и значительные по величине токи переходных режимов, которые могут повреждать диоды. Для купирования таких токов также применяются твердотельные выключатели.

Варианты заземления в сети постоянного тока

В настоящее время применяются следующие варианты заземления в сети постоянного тока:

• Схемы «земля – нейтраль» (TN) предполагают заземление средней точки, а также подключение корпуса каждого устройства к нейтрали и проводу защитного заземления (PE). Используются в жилых домах, коммерческой недвижимости, на IT-объектах и в ЦОДах, на промышленных предприятиях. Могут быть трех типов: схема TN-S использует отдельные провода для PE и нейтрали и применяется в IT-сфере в силу высокой электромагнитной совместимости, схема TN-C совмещает функции PE и нейтрали в одном проводе и отличается большей экономичность. Наконец, схема TN-S-C является компромиссной между двумя другими и предполагает ограниченное использование отдельных линий PE для повышения экономичности в балансе с электромагнитной совместимостью.
• Схема «земля – земля» (TT) заземляет как среднюю точку преобразователя, так и корпуса оборудования в нескольких точках. Схема обеспечивает простоту реализации и повышенную защиту от замыканий на землю, но может приводить к возникновению циркулирующих токов и высокого напряжения.
• Схема «изолированная земля» (IT) заземляет корпуса оборудования всегда через отдельный провод, но необязательно включает заземление средней точки. Схема широко распространена в IT-сфере и телекоммуникациях. Она хорошо защищает в случае короткого замыкания, но имеет проблемы с выявлением этого короткого замыкания, снижая величины его токов, а также с перенапряжением и высокими токами в случае второго замыкания на землю.

Кроме того, в сетях постоянного тока 110, 220 и 400 В находит применение заземление в схемах TN и TT средней точки через проводник с высоким сопротивлением (более 10 кОм), которое обеспечивает очень высокий уровень электробезопасности персонала в нормальных и аварийных режимах работы микроэнергосистемы.

Алгоритмы технологических защит

Устройство технологических защит в сетях постоянного тока представляет собой сложную проблему с точки зрения нахождения оптимального баланса быстродействия, надежности, чувствительности и селективности. Среди распространенных методов защиты используются следующие:

• Защита от перегрузки по току,
• Анализ скорости изменения тока (RoC),
• Дифференциальная защита,
• Защита от моментального сверхтока,
• Защита от сверхтока с выдержкой по времени (TOC),
• Защита от сверхтока по анализу времятоковых характеристик (TCC),
• Схемы с анализом бегущей волны (TW).

Последний в этом списке метод относится к числу наиболее перспективных. В нем применяется анализ бегущих электромагнитных волн, возникающих при различных аварийных событиях и воздействиях, при помощи дискретного вейвлет-преобразования (DWT) и многомасштабного анализа (MRA). Сочетание этих методов позволяет на основе теоремы Парсеваля получить характеристические для каждого вида повреждения и неисправности значения энергий бегущих волн и использовать машинное обучение для их распознавания и выбора варианта реагирования в системах релейной защиты.

***

Как видно из приведенного обзора, проблемы, стоящие на пути массового применения низковольтных сетей постоянного тока, в настоящее активно решаются, в том числе с применением передовых возможностей цифровых технологий и силовой электроники. Это означает, что в ближайшем будущем появится практическая возможность воплощения архитектур распределенной энергетики типа IDEA на основе сетей постоянного тока и с использованием их преимуществ по простой интеграции различных типов абонентов в легко масштабируемые микроэнергосистемы.

Подробнее читайте в IEEE Electrification Magazine (т. 12, № 2 за 2024 год)

Подготовлено АНО «Центр «Энерджинет» при поддержке Фонда НТИ и Минобрнауки России.