Источник: generatorsource.com
Концепция микросетей существует уже много лет. Лишь в последнее время они получили значительный резонанс и прессу, так как многие новые проекты стали реальностью и запущены в производство. Bloom Energy недавно сообщила, что 500 новых микросетей находятся в процессе или будут развернуты по состоянию на этот год (2019), а общее количество по всему миру находится в диапазоне нескольких ГВт.
По сути, микросеть представляет собой миниатюрную систему энергосистемы, созданную для управления распределенными энергетическими ресурсами и которая может включать возобновляемые источники энергии (солнечную, ветровую и/или гидроэнергию) с другими невозобновляемыми источниками (такими как дизельные генераторы, газовые турбины, и т. д.). Эти микросети обычно управляют энергетическими нагрузками систем с несколькими генерациями, а также используют какой-либо тип системы накопления энергии. Они работают и управляют всем этим с помощью различных типов программного обеспечения и систем управления. Они могут быть настроены для работы параллельно с коммунальной сетью, а также для работы в автономном режиме во время чрезвычайных ситуаций или в зависимости от конкретных потребностей.
Основы микросети - Что такое микросеть
Министерство энергетики США (DOE) определяет микросеть как «группу взаимосвязанных нагрузок и распределенных энергетических ресурсов в пределах четко определенных электрических границ, которая действует как единый контролируемый объект по отношению к сети. Микросеть может подключаться и отключаться от сети для позволяют ему работать как в сетевом, так и в островном режимах».
Кроме того, Министерство энергетики утверждает, что «микросети были определены в качестве ключевого компонента Smart Grid для улучшения для повышения надежности и качества электроэнергии, увеличения
энергоэффективность системы и предоставление возможности независимости от сети для отдельных сайтов конечных пользователей». Преимуществами использования технологии микросетей могут быть:
- Интегрируется с сетями и несколькими технологиями интеллектуальных сетей.
- Интеграция распределенных и возобновляемых источников энергии, снижение пиковой нагрузки
- Обеспечивает энергоснабжение комплексов с критической потребностью в электроэнергии
Другие организации определяют микросети аналогичным образом, включая концепцию множественных нагрузок и островной генерации. Островная генерация — это энергия, обеспечиваемая ветром, солнцем, гидроэнергетикой или дизельным двигателем/ПГ.
Иллюстрация на первом рисунке представляет собой микросеть, использующую электроэнергию в качестве основного источника. Ветровая и солнечная фермы питают батарею для аварийного использования при отключении электроэнергии. Оба обычно подключены к сети, чтобы снизить эксплуатационные расходы объекта. При отключении электроэнергии комплекс переключается на питание от аккумуляторов от ветро-солнечной установки. Генераторы запускаются и берут на себя нагрузку от аккумуляторов. Здания на стороне нагрузки схемы не подвержены колебаниям мощности из-за конструкции распределительной сети. Когда питание от сети возвращается, нагрузка возвращается к сети, а резервные генераторы отключаются. Ветровая и солнечная фермы возвращаются к нормальной работе.
На проектирование и строительство микросети влияет множество факторов. Достижения в технологиях производства и распределения электроэнергии позволяют создавать системы, которые снижают энергопотребление, используют экологически чистые методы генерации и отвечают критическим требованиям к электроснабжению. Основная информация по каждому из источников питания и систем управления приведена ниже. Строительство этой микросети является вымышленным, но концептуально смоделировано из проектов Министерства энергетики США.
Электроэнергия и нагрузки
В наиболее распространенных микросетях в качестве основного источника питания используется электроэнергия, поставляемая местной энергетической компанией. Микросети, расположенные в удаленных местах, могут использовать гидроэлектростанции в качестве основной энергии или использовать электростанции, работающие на ископаемом топливе, в качестве основной энергии.
Электростанции вырабатывают электричество высокого напряжения. Некоторые используют повышающие трансформаторы для увеличения напряжения для передачи на подстанции. Подстанции получают напряжение от электростанций по высоковольтным линиям. Напряжения регулируются в соответствии с требованиями и распределяются среди клиентов.
Больницы, государственные исправительные учреждения и центры обработки данных — это лишь некоторые из отраслей, в которых требуются источники бесперебойного питания (ИБП). Многие из них имеют несколько зданий, которые требуют постоянного питания. В некоторых зданиях могут быть зоны, требующие изолированного источника питания из-за требований к напряжению, силе тока и/или частоте.
Эти установки потребляют огромное количество энергии для выполнения обычных повседневных операций. Они получают электроэнергию от линий высокого напряжения на подстанции, предназначенной для комплекса. Напряжение регулируется до желаемого уровня с помощью повышающих или понижающих трансформаторов. Вся мощность направляется через коммутационные панели и панели управления для распределения по зданиям.
Каждое здание представляет собой электрическую нагрузку. В здании может быть более одной выделенной нагрузки. Примером вторичной точки нагрузки в здании является преобразователь частоты. Один положительный пик напряжения и один отрицательный пик напряжения равны одному циклу (Гц). Обычное питание 50 Гц или 60 Гц. Некоторому оборудованию для работы требуется источник питания с частотой 400 Гц. Преобразователи частоты изменяют 50 Гц или 60 Гц на 400 Гц. Есть много других примеров второстепенных точек нагрузки в здании. В микросети все управляется из одной точки.
Резервная и пиковая мощность генератора
Резервные генераторы поставляют электроэнергию в сеть при отключении электроэнергии. Генератор состоит из двигателя и генератора (со стороны генератора). Двигатели, работающие на природном газе (NG) и дизельные двигатели, являются отраслевым стандартом. Двигатели, работающие на природном газе, могут работать неограниченно долго, пока не будет прекращена подача бытового газа. Резервное питание недоступно, когда питание обеспечено.
Генераторы на дизельном топливе могут работать при выходе из строя всей инфраструктуры, в том числе газоснабжения. Основные топливные баки должны контролироваться и пополняться при низком уровне. Автоматизированные системы могут уведомлять оператора, когда уровень топлива в баке достигает заданной точки, чтобы исключить остановку из-за нехватки топлива.
Применение внутреннего генератора
Двигатель, системы охлаждения и концы генератора установлены на салазках, изготовленных из стальных балок. Стеллаж крепится к полу здания. Резиновые опоры используются в ключевых местах для снижения вибрации во время работы.
Генератор этого типа не имеет топливных баков и требует внешнего источника топлива. Большой первичный топливный бак (баки) может обслуживать дневные баки. Они должны иметь вытяжку здания и подачу охлаждающего воздуха или установленную послепродажную систему охлаждения, такую как теплообменник (HEX).
Применение наружных генераторов
Генераторы, которые используются на открытом воздухе, монтируются в атмосферостойком или защищенном от непогоды корпусе. Многие корпуса звукоизолированы для снижения рабочего шума. Генератор смонтирован на салазках на топливном баке с двойными стенками. Эти генераторы не требуют внешних топливных, выхлопных или охлаждающих систем. Подсоедините выходные силовые кабели к генератору, и он готов принять на себя нагрузку.
Оба типа генераторов доступны с усовершенствованным электронным управлением и могут работать параллельно. Разделенная шина резервного генератора может быть организована для подачи большого количества различных напряжений. Чтобы просмотреть наш ассортимент новых и бывших в употреблении генераторов, перейдите на сайт Generator Source. Мы предоставляем услуги генератора, такие как техническое обслуживание, устранение неисправностей и ремонт, установка.
Зеленая энергетика
Агентство по охране окружающей среды (EPA) определяет зеленую энергию как электроэнергию, произведенную из солнечных, ветровых, геотермальных, биогазовых, биомассовых и гидроэлектрических систем. Наша модель включала энергию ветра и солнца. Ниже рассмотрены возможные варианты использования.
Солнечная энергия
Солнечные панели состоят из фотогальванических элементов. Эти элементы преобразуют солнечный свет в электричество постоянного тока. Создаваемая электроэнергия хранится в банках аккумуляторов. Как только батареи полностью заряжены, электроэнергия может быть возвращена с помощью инвертора и продана.
Инвертор является сердцем системы ИБП. При отключении питания батареи обеспечивают питание цепей, которые имеют критические требования к питанию. Инвертор изменяет постоянный ток на переменный ток (AC) для питания цепей, в то время как резервные генераторы готовятся принять нагрузку.
Ветровая энергия
Ветер используется для вращения турбин. Турбины производят электричество переменного тока во многом так же, как работают дизельные и паровые генераторы. Ветряные турбины также могут быть подключены к электросети коммунального предприятия через резервную аккумуляторную сеть ИБП.
Турбины, подключенные к электрической сети, должны соответствовать фазе и частоте. Чтобы согласовать фазу и частоту сети, мощность турбины направляется через преобразователь переменного тока в переменный. Переменный ток преобразуется в постоянный, затем выпрямляется обратно в переменный ток с помощью инвертора и направляется в сеть. Переменный ток от ветряной турбины также может быть направлен через преобразователь для облегчения зарядки аккумуляторной батареи.
Солнечная и ветровая энергия — отличные способы компенсировать затраты на энергопотребление зданий, но они недостаточно развиты, чтобы брать на себя обязательства по резервному питанию. Оба зависят от местных погодных условий и доступных аккумуляторных батарей. В пасмурный день без ветра банки аккумуляторов могут быстро разрядиться без усилий по зарядке.
Резервные аккумуляторные батареи
Зеленые энергетические решения часто используют резервные аккумуляторные батареи. Эти банки обеспечивают только кратковременное питание ИБП. Они предназначены для обеспечения электроэнергией при отключении электроэнергии на объекте, в то время как генераторы запускаются, чтобы взять на себя нагрузку.
Резервные аккумуляторные системы могут быть построены с тремя различными типами аккумуляторных батарей, перечисленных ниже:
Свинцово-кислотные элементы. Аккумуляторы со свинцово-кислотными элементами являются наименее дорогим решением. Это может быть хорошим автономным решением для небольших приложений.
Литий-ионные — легче и компактнее, служат дольше, чем свинцово-кислотные батареи. Однако они дороже
Соленая вода. Этот новичок полагается на электролиты в соленой воде. Аккумуляторы в основном не тестируются, но легко перерабатываются
Батареи, работающие от ветра, заряжаются с помощью преобразователя, который преобразует переменный ток в постоянный. Солнечные батареи не нуждаются в преобразователе, потому что солнечные панели генерируют постоянный ток.
При отключении сетевого питания потеря времени для положительного отклика генератора составляет около миллисекунды.
Объекты и комплексы, такие как больницы, центры обработки данных и муниципалитеты, не допускают отключения электроэнергии. Они полагаются на банки батарей для подачи электроэнергии в период отключения электроэнергии. Это отличное краткосрочное решение, но у аккумуляторных батарей есть свои ограничения.
Аккумуляторы, способные принимать электрическую нагрузку, стоят дорого при первоначальной покупке. В свинцово-кислотных батареях электролит представляет собой жидкость в элементах батареи. Необходимо часто проверять уровень электролита и плотность. Даже при тщательном уходе срок службы этих аккумуляторов может составлять всего от 5 до 15 лет.
Стоимость возобновляемых источников энергии и систем хранения энергии
Возобновляемые энергетические ресурсы, такие как ветряные электростанции, солнечные электростанции и гидроэлектростанции, имеют большую начальную цену покупки. Для установки закупленного оборудования требуются опытные техники и строительные бригады. После установки, испытаний и ввода в эксплуатацию оборудование необходимо обслуживать. Часто для поддержания оборудования в рабочем состоянии в соответствии со спецификациями требуется постоянный обслуживающий персонал.
Накопление энергии быстро развивается и станет ключевым игроком в будущем микросетей. Это может быть очень сложной темой, требующей инженеров и планирования, а стоимость зависит от ваших потребностей. В Microgrid Knowledge есть отличная недавняя статья о некоторых последних разработках в области накопления энергии с конференции 2019 года, в которую можно погрузиться здесь. В них подробно описывается путь к цели хранения энергии в ГВт, а также последние новости от компаний и политики FERC, которые в настоящее время продвигаются.
Станция управления
Станция управления предоставляет оператору возможности как управления, так и мониторинга. Каждая система может быть разделена на подсистему, в которой есть отдельные единицы оборудования.
Распределительные панели и панели управления - получают входное напряжение от всех источников и распределяют мощность по необходимым цепям.
Резервные генераторы — программное обеспечение станции управления отслеживает и имеет возможность изменять рабочую конфигурацию генератора для подачи питания на критические цепи.
Green Power — батареи ИБП контролируются. Поступление солнечной энергии в аккумуляторные батареи и сеть контролируется. Отслеживается статистика ветрогенераторов. Возможность переключения на резервный ветряк или аккумуляторную батарею.
По сути, станция управления предоставляет программное решение для обслуживания, мониторинга и управления всем оборудованием, связанным с конфигурацией микросети. Может быть несколько частей программного обеспечения, поддерживающих работу сети.
Избыточность является ключевым принципом при проектировании этих систем. Резервирование – это наличие готовой резервной единицы оборудования на случай выхода из строя основного оборудования. Генераторы, ветряные турбины и аккумуляторные батареи — все это примеры систем, которые могут иметь резервное основное и вспомогательное оборудование.
Некоторое резервное оборудование автоматически берет на себя обязанности назначенного основного оборудования и уведомляет оператора о проблеме. Затем оператор станции управления уведомляет техобслуживание о проблеме, чтобы ее можно было исправить. Резервное оборудование отвечает тем же требованиям, что и основное оборудование. Часто основное и резервное оборудование меняются местами оператором для проведения плановых испытаний.
Микросеть — это концепция. Это может быть как большая, так и маленькая конструкция, необходимая для установки. Это старая концепция, которая здесь, чтобы остаться. По мере развития технологий производства электроэнергии будет расти и использование микросетей.
