Проблема так называемых «малых умных сетей» (Microgrid) весьма актуальна. Она включена в наиболее продвинутую программу EnergyNet, которая разрабатывается в стране.

В последнее время активно обсуждаются вопросы развития «умной» энергетики, «умных» городов и территорий, «умных» домов и т.д. При этом под «умной» энергетикой часто понимается такая система электроснабжения потребителей энергии, в которой мониторинг, управление и организация расчётов за потреблённую энергию осуществляется в цифровом формате на основе информационных технологий с обменом информацией между уровнями управления через облако данных. Очень ясно такая позиция была выражена на прошедшем 31 марта 2017 года Smart Energy Summit.

Важная для развития «умной» энергетики проблема законодательства была затронута, но достаточно вскользь, хотя от её решения во многом зависит существование этой самой энергетики.

Но самое удивительное, что состав основного генерирующего, передающего и накопительного оборудования, режим работы энергетического и электрического оборудования, безопасность и надёжность энергоснабжения, как можно сделать вывод из основных выступлений участников саммита, к построению «умной» сети не имеет отношения. Хотя совершенно ясно, что средства управления ничего не могут сделать без объекта управления, которым и является комплекс технических средств генерации, передачи, распределения, накопления и потребления энергии, в том числе электрической.

Именно на этом положении хотелось бы остановиться в этом докладе.

Не является открытием, что электрические станции на основе таких возобновляемых источниках энергии (ВИЭ), как ветер, солнечная радиация, энергия водотоков и водоёмов, не имеют гарантированной мощности, то есть мощности, которая с гарантией 95 % и выше может быть доставлена электропотребителю [1, 2]. Это связано с изменчивостью потоков первичной энергии — ветра, воды и солнечного излучения. Вследствие этого электростанции на основе ВИЭ не участвуют в балансе мощности электроэнергетической системы (ЭЭС), на потребителей которой они работают, а могут участвовать только в балансировании энергии ЭЭС за рассматриваемый промежуток времени (период регулирования).

Известно, что гидроэлектростанции («традиционные» ГЭС) имеют гарантированную мощность и участвуют в балансе мощности ЭЭС, вытесняя своей мощностью альтернативную мощность электростанций, работающих на иных, в том числе углеводородных, видах топлива. Гарантия мощности крупных гидроэлектростанций обеспечивается наличием у них водохранилищ (накопителей энергии в виде первичного ресурса), регулирующих сток рек и перераспределяющих при их помощи поток первичной энергии во времени.

Таким образом, для создания у электрических станций на основе возобновляемых источников энергии гарантированной мощности, то есть мощности, которая будет поставлена электропотребителю с надёжностью 95 % и выше, существует только один способ, а именно — включение электростанций на основе ВИЭ в гибридные энергетические комплексы (ГЭК) следующего вида:

  • ГЭК с генерацией на основе двух и более видов первичной энергии с асинхронным поступлением энергоресурса (компенсирующее регулирование мощности);
  • ГЭК с генерацией на основе ВИЭ и одного или нескольких видов энергоустановок, работающих на углеводородном или ином виде топлива, причём генерация на основе ВИЭ будет рассматриваться в качестве дублирующей по мощности;
  • ГЭК с генерацией на основе ВИЭ и подключением к гарантирующему источнику электроснабжения в виде электрической сети ЭЭС;
  • ГЭК с генерацией на основе ВИЭ и накопителя энергии (в любом виде, из которой может быть произведена требуемая потребителю энергия — электрическая, тепловая, механическая и др.);
  • ГЭК с генерацией на основе ВИЭ и управляемого потребителя.

Все перечисленные варианты гибридных энергокомплексов предполагают самобалансирование мощности в рассматриваемом энергоузле (ГЭК), то есть представляют собой первичную ячейку распределённой (по энергоузлам) ЭЭС с распределённой генерацией, распределённым накоплением и распределённым регулируемым потреблением энергии [3, 4] вида, потребляемого экономической и социальной системами (промышленностью, сельским хозяйством, транспортными системами, коммунально-бытовым сектором и т.д.).

Управление ГЭК как «умной» микросетью будет предполагать высокую степень автоматизации всех процессов управления: сбора данных, накопления, обработки, в том числе интеграции, мониторинга, контроля и выработки управляющих воздействий на исполнительные органы ГЭС (генераторы, накопители, средства передачи и распределения энергии, управляемые потребители энергии, средства автоматизированного привода и защиты).

Проектирование «умной» микросети будет состоять в определении структуры и параметров ГЭК [5] во всех его составляющих: генераторах различного типа, работающих на различных источниках первичной энергии, системе передачи и распределения энергии, управлении потреблением энергии у конечного потребителя, распределённых по элементам структуры ГЭК средств накопления энергии и средств управления ими. На рис. 1 показана принципиальная схема модели виртуального гибридного энергокомплекса, состав и структура которого оптимизируется в рамках разрабатываемого программного комплекса проектирования энергоузлов с возобновляемыми источниками энергии.

Возобновляемая энергетика в распределённых энергосистемах. 7/2018. Фото 1

Создание гарантированной мощности ГЭК с установками на основе ВИЭ позволит повысить коэффициент использования установленной мощности (КИУМ) всех работающих в ГЭК энергоустановок, экономить топливо на гарантирующих энергоустановках, работающих на углеводородном топливе, создать в проектируемой микросети возможность «вытеснения» мощности гарантирующих энергоустановок, то есть снижения их установленной мощности, повысить управляемость и энергетическую безопасность микросети, увеличить степень использования местных энергетических ресурсов в энергетическом балансе ЭЭС.

Выбор структуры и параметров энергетических установок ГЭК делается на основе виртуальной модели ГЭК, включающей в себя полный набор генерирующих, накапливающих, передающих, регулирующих, потребляющих и управляющих элементов. Построенный таким образом виртуальный ГЭК является в известной степени аналогом виртуальной электростанции. Таким образом, построение «умной» микросети или ГЭК состоит в выборе оптимального состава генерирующих установок, накопителей энергии, средств передачи и распределения энергии (электрической и тепловой), управляемых потребителей энергии, преобразователей и средств управления, которые необходимы для функционирования самобалансирующегося энергоузла ЭЭС, из всевозможных сочетаний функциональных элементов, образующих микросеть.

В заключение хотелось бы отметить ещё одно обстоятельство: прогнозы развития возобновляемой энергетики, которые делают без учёта технологии различные организации, преимущественно экономического профиля, например, прогноз развития энергетики на основании изучения инвестиционных трендов, не отражают реальную ситуацию в этой отрасли энергетики, что подтверждается, в частности, данными [6], и нуждаются в серьёзной проверке при попытке использовать эти прогнозы для управления развитием отечественной энергетики.