Распределенная генерация, перспективы и научные проблемы

РАСПРЕДЕЛЕННАЯ  ГЕНЕРАЦИЯ, ПЕРСПЕКТИВЫ И НАУЧНЫЕ ПРОБЛЕМЫ

Введение. На протяжении многих десятилетий, вплоть до конца XX века, мировая энергетика развивалась по пути повышения концентрации и увеличения единичных мощ-ностей. В целях повышения КПД увеличивались мощности энергетических установок, по-вышались уровни номинального напряжения электрических сетей. За эти годы были соз-даны большие электроэнергетические системы (ЭЭС), покрывающие своей сетью огром-ные территории. Для обеспечения работы единых ЭЭС создавались многоуровневые ие-рархические системы диспетчерского управления, которые позволяли управлять режима-ми работы, повышать надежность и экономичность ЭЭС. Централизованный путь разви-тия энергетики привел к возникновению энергетических корпораций, монопольно обеспе-чивающих энергоснабжение потребителей на своей территории и совмещающих все ос-новные виды энергетического бизнеса: выработку, транспорт, продажу (сбыт) энергии, диспетчеризацию, ремонты, техобслуживание и другие вспомогательные услуги.

Либерализация электроэнергетики, распространившаяся в конце XX века практи-чески повсеместно, привела отрасль к конкуренции. В немалой степени этому процессу способствовало развитие новых энергетических технологий, связанных со снижением единичных мощностей энергоустановок и получивших название «распределенная генера-ция» (РГ). Новый уровень развития технологий позволяет рассматривать РГ как альтерна-тивный по отношению к централизованной энергетике путь обеспечения потребителей электрической энергией.

Определение распределенной генерации. РГ это принципиально новое явление в энергетике. Вследствие этого, как показал анализ литературы по данной проблеме, для этого термина общепринятое определение пока отсутствует. В зарубежной литературе для понятия «распределенная генерация» используется различная терминология. Например, в Австралии часто используют термин «встроенная генерация», в странах Северной Амери-ки – термин «рассредоточенная генерация», в Европе и некоторых азиатских странах – «децентрализованная генерация» [1]. Помимо терминологии существенно отличается и классификация устройств РГ, в частности классификация по установленной мощности. На международном уровне эти различия обусловлены особенностями политического и эко-номического устройства государств.

В некоторых странах  определение РГ основывается на классах  напряжений. Но, как известно, в разных странах существуют отличия классов напряжений для передающей и распределительной сетей, что также создает барьер для четкой формулировки понятия малой генерации. В зарубежных источниках рассуждения ведутся с позиций, что РГ под-ключается к электрическим сетям, питающим нагрузку напрямую. Также определение РГ зачастую дается исходя из присущих данным устройствам свойств (например, использо-вание возобновляемых источников энергии, возможность когенерационной работы, отсут-ствие диспетчерского контроля над агрегатами).

Приведем несколько  определений, предложенных различными организациями, на-учными сообществами и отдельными учеными.

Институт инженеров по электротехнике и электронике (IEEE) определяет РГ как генерацию электрической энергии при помощи агрегатов, значительно меньших по мощ-ности, нежели централизованные электрические станции, что позволяет реализовать под-ключение данных энергоустановок практически к любой точке энергосистемы.

Международный Совет по большим  Энергетическим Системам (CIGRE) определяет РГ как любую генерацию с максимальной установленной мощностью от 50 до 100 МВт, которая подключается к распределительным сетям и не подвергается централизованному планированию и диспетчеризации.

Донди и др. [2] определяют РГ как малый источник электрической энергии или устройство для ее запасания (мощностью от нескольких ватт до десятков мегаватт), которые не являются частью большой централизованной энергосистемы и расположены вблизи от места потребления. Здесь авторы включают в определение возможность запасания электрической энергии, что является достаточно нетипичным.

Акерман и др. [1] дают определение устройствам РГ с точки зрения мест присоединения РГ к сети и расположения, а не с позиции количественной оценки установленной мощности. Авторы определяют РГ как генерирующие установки, подключенные напрямую к распределительной сети или установленные с потребительской стороны от границы балансовой принадлежности.

Последнее определение является наиболее общим, поскольку оно не накладывает ограничений на технологии и установленную мощность потенциально используемых установок РГ, поэтому в данной статье оно будет принято в качестве вводного.

Область применения распределенной генерации На сегодняшний день РГ широко используется потребителями для обеспечения их электроэнергетических нужд. Например, для снижения стоимости счетов за электрическую энергию, покупаемую у элек-троснабжающей организации, для применения в качестве единственного источника мощности, либо в целях охраны окружающей среды. РГ также может быть использована энергокомпаниями для решения определенных эксплуатационных задач. Существует много других способов применения устройств РГ, основные из которых:

• постоянное (непрерывное) электроснабжение;
• совместная выработка тепла и мощности (когенерация);.
• работа в пиковые часы;
• экологически чистое производство электрической энергии;
• электроснабжение при наличии жестких требований к надежности и качеству;
• отсрочка модернизации передающей и транспортной сети;
• вспомогательные услуги по электроснабжению.

Научные проблемы распределенной генерации. Теперь обратимся к научным проблемам, связанным с РГ, которые обуславливают основные направления исследований в этой области. Они близки к традиционной проблематике больших электроэнергетических систем. Однако количественные отличия часто переходят в качественные, что требует изучения свойств и особенностей систем с источниками РГ. Можно выделить следующие основные направления научных исследований.

• Математические и оптимизационные модели для выбора мощности и располо 
жения различных типов объектов РГ. Расположение устройств РГ может значительно 
влиять на систему [3]. В случае если расположение и мощность устройства РГ не были 
выбраны должным образом, может возникнуть ряд режимных проблем, включая повыше 
ние напряжения в конце фидера, возникновение небаланса генерации и нагрузки при ава 
рии, увеличение потерь электрической энергии и снижение надежности [4]. В то же время 
корректно выбранная точка подключения РГ к сети может способствовать улучшению 
технико-экономических и эксплуатационных параметров.

Для решения данной задачи используются самые разнообразные  оптимизационные методики - от хорошо известных традиционных алгоритмов, включающих в себя методы

нелинейного, квадратичного  программирования, методы градиента, до эвристических алгоритмов, имитирующих эволюционные и прочие природные процессы.

Оптимизационные алгоритмы  позволяют учитывать технические  критерии снижения потерь электрической мощности, улучшения параметров напряжения, повышения показателей надежности электроснабжения, а также экономические, включающие в себя снижение стоимости покупаемой потребителями электрической энергии, ограниченность инвестиционных ресурсов и другие.

• Регулирование уровней напряжения и реактивной мощности за счет устройств 
РГ, располагающихся вблизи потребителей, существенно повышает управляемость реак 
тивной мощностью и напряжениями за счет возможности осуществления динамичной 
инъекции реактивной мощности в сеть. Таким образом, появляется возможность значи 
тельного увеличения показателя стабильности напряжения.

Стабильность напряжения - это способность энергосистемы  поддерживать напряжения установившегося режима во всех узлах после нарушения заданных первоначальных эксплуатационных условий системы [5]. Несмотря на то, что нестабильность напряжения - локальное явление, данный вопрос актуален для всей энергосистемы и особенно важен для эксплуатации и управления сильно нагруженными сетями, сетями с недостатком реактивной мощности и часто возникающими нарушениями нормальной работы.

• Реконфигурация распределительных сетей, содержащих источники РГ, формирует еще одно направление исследований. С ростом числа и мощности синхронных генераторов перераспределяются потоки мощности в сети, а также увеличиваются токи КЗ. Поэтому на стадии принятия решения о строительстве мини-станции необходимо выполнить предпроектное обследование по выбору мест заземления нейтрали и нормальных разрывов в сети, что особенно актуально в сетях мегаполисов с разветвленной распределительной сетью, неравномерным графиком нагрузки, большой удельной нагрузкой на источниках питания [6]. Помимо этого реконфигурация распределительных сетей является важной эксплуатационной задачей, эффективное решение которой помогает значительно снизить потери при распределении, сбалансировать нагрузки и улучшить надежность электроснабжения конечных потребителей, что, в свою очередь, в долгосрочной перспективе обеспечивает значительные экономические стимулы.
• Экономические аспекты РГ и управления распределительной сетью формируют отдельный блок исследований. В рыночных условиях принимаемые решения сопровождаются финансовыми рисками. Основными целями, которые ставят перед собой исследователи, являются обеспечение инвестиционной привлекательности в долгосрочной перспективе, повышение экономичности работы сетей, минимизация сроков окупаемости проектов посредством регулирования цен на энергоносители, снижение тарифов на электроэнергию и другие [7].

В действительности вопрос ценообразования в сетях  с РГ стоит достаточно остро и  требует всестороннего изучения для получения наиболее экономически эффективной схемы. Главной целью ценообразования в распределительных сетях является эффективное и экономичное распределение части или всех существующих и новых издержек на потребителей. В рыночных условиях, в краткосрочной перспективе, система должна работать эффективно, а в долгосрочной перспективе в развитие сети должны эффективно привлекаться инвестиции. Интеграция РГ в сеть делает ее активной. Следовательно, менеджмент активных распределительных сетей становится ключом к ценообразованию, что позволит влиять на поведение потребителей, обеспечивая наиболее экономичную работу распределительной сети.

• Чистые и возобновляемые источники энергии представляют большой интерес для 
исследований. Ввиду новизны технологий «чистой» генерации многие проблемы, связан- 
ные с применением, проектированием и эксплуатацией новых энергоустановок, требуют научного обобщения. Большое внимание уделяется повышению надежности электроснабжения, вопросам регулирования частоты и напряжения в сетях с большим количеством возобновляемых источников энергии. Следует отметить, что высокая доля выработки на возобновляемых источниках, режимы которых зависят от погодных условий и могут быть резкопеременными, приводит к существенным трудностям при планировании и управлении режимами работы «больших» ЭЭС.

Прогнозирование нагрузки при наличии в сети объектов РГ на возобновляемых источниках также сильно усложняется по сравнению с традиционными задачами прогнозирования графиков электропотребления [8].

• Параллельная работа РГ с электрической сетью значительно усложняет расчет 
статической и динамической устойчивости. Очевидно, что РГ может способствовать 
улучшению устойчивости системы, поскольку внедрение устройств РГ в распределитель 
ную сеть позволяет снизить нагрузки больших синхронных генераторов и линий электро 
передачи, уменьшить небаланс между нагрузкой и генерацией во время нарушения рабо 
ты сети.

В то же время  имеется ряд негативных явлений, оказывающих влияние на устойчивость системы. В первую очередь, это низкая инерционная постоянная малых генераторных установок по сравнению с большими синхронными генераторами. Другим важным вопросом остается наличие устройств РГ с резкопеременной выходной мощностью (например, ветровые генераторы), что исключает их использование для регулирования частоты в энергосистеме [9].

В любом случае остается очевидным тот факт, что переходные процессы в системах с РГ изучены мало и требуют научной проработки.

• Релейная защита распределительных сетей усложняется, так как сети при нали 
чии генерирующих источников имеют более сложную конфигурацию, а все связи имеют 
двухстороннее питание. Присутствие устройств РГ также меняет характеристики токов 
короткого замыкания в распределительной системе. Таким образом, с целью поддержания 
системной надежности распределительных систем с РГ, существующая система релейной 
защиты требует значительной модернизации [10].

Важнейшими вопросами  при разработке защит для активных распределительных сетей являются вопросы, связанные с местом установки  устройства РЗА, методами расчета параметров РЗА и координацией новых и существующих защит. Также ведутся разработки принципиально новых моделей и алгоритмов действия защит распределительных электрических сетей, а также алгоритмов и программного обеспечения устройств автоматики и регистрации событий для повышения эффективности и надежности работы сетей.

• Цифровые системы управления распределительной сетью формируют отдельный 
блок исследований. Электрическая сеть с большим количеством смешанной генерации 
требует наличия сложных автоматизированных систем управления, что приводит к даль 
нейшему развитию систем измерения, телемеханики и связи.

Разработки новейших цифровых технологий позволяют создавать  для энергообъектов низкого напряжения цифровые системы управления с искусственным интеллектом. Автоматизация процессов выработки и потребления энергии привела к формированию понятий «умная сеть» и «умный дом», оснащенных системой интерактивного мониторинга технологических процессов, средствами диагностики, а также автоматической системой принятия решений для повышения надежности электроснабжения в аварийных ситуациях.