В практику энергоснабжения ряда стран уже несколько лет внедряются сети микрогридов (Networked Microgrids), представляющие собой энергосистемы, объединяющие несколько микрогридов - независимо контролируемых зон, способных работать в технологически изолированном режиме, с распределенными источниками энергии, внутренними сетями и устройствами управления.
Обзор разных конфигураций сетей микрогридов, специфики управления ими и путей решения возникающих при этом задач приводится в статье «Практические соображения по проектированию и управлению сетями микрогридов» Джеки Баум, Петера Кёртисса, Джеймса Ли, Майкла Хиггинсона и Боба Харвига, опубликованной в № 12 (т. 2) IEEE Electrification Magazine.
Преимущества сетей микрогридов по сравнению с централизованными сетями - это возможность независимой работы и поддержания локальных нагрузок каждого отдельного микрогрида в случае отключения от централизованной сети, либо совместное использование источников питания и ресурсов друг друга через систему скоординированной синхронизации. Объединение микрогридов позволяет получить сочетание полезных качеств децентрализованной и централизованной архитектур построения энергетики. Такая архитектура системы обеспечивает устойчивость потребления энергии (включая регулирование напряжения и частоты, возможности сглаживания пиков нагрузки), способность системы выдерживать сбои и быстро после них восстанавливаться, полезное использование избыточной генерации, а также более эффективную интеграцию разнородных источников энергии.
Совместное использование источников питания позволяет обеспечивать достаточный уровень генерации и повышает вероятность поддержания сетей под напряжением в случае потери какого-либо из них. Кроме того, архитектура сети микрогридов дает возможность оптимизировать размер генерации и сократить лишние источники, поскольку объединенная система имеет более высокий коэффициент использования мощности, чем изолированные системы.
Например, генератор микрогрида, по мощности избыточный для внепиковой работы, может использоваться для зарядки накопителей энергии в сети микрогридов, увеличивая коэффициент использования мощности генератора и эффективность его работы. В случае холодного запуска в сети микрогридов источники энергии могут быть запущены параллельно, что ускорит последовательное восстановление питания нагрузки.
В статье приводится топология сетей, описание преимуществ, особенностей управления и возникающих при эксплуатации проблем для трех видов сети микрогридов:
- Первый вид представляет объединение смежных микрогридов, локализованных в разных зонах сети и включающих разные активы в каждом из них (пример - коммунальная система с включением ВИЭ и СНЭ). Эта сеть микрогридов с расширяемыми границами может использоваться для питания нагрузок одного из входящих в него микрогридов в случае отключения электроэнергии на его территории.
- Второй вид - «матрешечная» сеть микрогридов, в которой один микрогрид может включать два или более меньших микрогрида, которые поддерживают нагрузку независимо друг от друга (пример - университетский кампус или военная база). Генерирующие ресурсы таких микрогридов (иногда питающих всего одно здание) часто имеют избыточную мощность, которая используется в полном объеме всего несколько раз в год для обеспечения пиковых нагрузок. В рамках «матрешечной» архитектуры эта дополнительная мощность может использоваться для покрытия нагрузок внешнего микрогрида в случае отключения его энергоснабжения.
- Третий вид - несколько микрогридов, расположенных вдоль радиальной распределительной шины, из которых только один имеет точку подключения к централизованной сети. Цепная архитектура управления позволяет экономически эффективно использовать комбинацию мощности централизованной сети, нагрузок зданий и распределенных источников энергии микрогридов. Она также позволяет поэтапно проектировать и вводить микрогриды в эксплуатацию.
В настоящее время большинство сетей микрогридов используют простые и относительно легко контролируемые архитектуры с одной точкой подключения к централизованной сети. Однако эти архитектуры создают новые проблемы, которые не могут быть решены традиционными методами управления, для их решения требуются новые алгоритмы управления и способы работы с данными.
К проблемным областям использования сетей микрогридов относится необходимость обеспечения следующих функций:
- Безопасная передача данных между контроллерами микрогридов;
- Синхронизация и распределение нагрузки между активами микрогридов;
- Совместное использование доступных мощностей и характеристик падения мощности;
- Реагирование на непредвиденное увеличение спроса;
- Согласование приоритетов нагрузок в разных местах;
- Размещение пакетов нагрузки между разрозненными микрогридами.
Объединение микрогридов порождает большее количество потенциальных комбинаций источников распределенной генерации в сети и тем самым усложняет управление системой. Например, координация защиты системы должна учитывать уровни и источники тока короткого замыкания во множестве сценариев. Характер активов может потребовать внедрения различных схем защиты в зависимости от того, какие источники питания работают в настоящее время. Если несколько микрогридов совместно используют источники питания, способные устанавливать системное напряжение и частоту, при их взаимодействии возникает риск потенциального конфликта между ними за установку параметров сети.
Объединение и работа нескольких микрогридов в рамках объединенной системы требует четкого определения и тестирования взаимодействия между сетевыми контроллерами микрогридов. Координация сети микрогридов должна учитывать следующее:
- цели управления каждой области микрогрида (например, более широкое покрытие нагрузки на короткое время или длительное локальное покрытие критической нагрузки);
- доступные режимы управления отдельными распределенными источниками генерации в каждом микрогриде;
- тип и частота обмена информацией, передаваемой между контроллерами;
- возможности синхронизации на границах микрогрида (пассивная или активная синхронизация и связанные с ними задачи связи);
- совместные цели управления сети микрогридов;
- координация и последовательность событий перехода (например, холодный запуск и повторное подключение к сети);
- реакция на неисправности и непредвиденные состояния системы.
В целом, в статье делается вывод о неизбежности изменений в системах электроснабжения как на уровне передачи, так и на уровне распределения энергии в связи с распространением сетей микрогридов, которые при правильном управлении повысят устойчивость и надежность энергоснабжения потребителей.
Необходимо отметить, что Инфраструктурный центр НТИ "Энерджинет" разработал в 2019-2020 гг. собственный подход, направленный на решение задач подобного класса. Им был предложен архитектурный фреймворк Интернета энергии – энергетических систем нового поколения [1]. В частности, в нем описан подход к решению, связанных с ростом сложности объектов управления, таких как микрогриды, а также приводится классификация топологий сетей микрогридов.
[1] Архитектура Интернета энергии IDEA. Версия 2.0 – ИЦ «Энерджинет», 2021
Источник: IEEE Electrification Magazine № 12 (т. 2).
Подготовлено АНО «Центр «Энерджинет» при поддержке Фонда НТИ и Минобрнауки России