Система электроснабжения потребителей в сетях низкого напряжения с использованием различных источников энергии и управлением генерацией электроэнергии

УДК 631.311.6

СИСТЕМА ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ В СЕТЯХ НИЗКОГО НАПРЯЖЕНИЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ РАЗЛИЧНЫХ ИСТОЧНИКОВ ЭНЕРГИИ И УПРАВЛЕНИЕМ ГЕНЕРАЦИЕЙ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ

© 2015 г. С.А. Лапшин, В.В. Харченко

Статья посвящена исследованию возможности использования источников генерации, работающих на разных физических принципах для применения распределенной сети низкого напряжения с целью выработки электроэнергии с минимальной себестоимостью за определенный промежуток времени. Использование возобновляемых и невозобновляемых источников генерации в локальных и замкнутых электрических сетях низкого напряжения дают возможность снизить себестоимость вырабатываемого киловатт-часа электроэнергии и повысить надежность системы. Для повышения КПД выработки электроэнергии в замкнутой системе осуществляется оперативное управление генерацией в зависимости от потребления электроэнергии и возможности использования возобновляемых источников энергии. В качестве физической среды для передачи широкополосных сигналов управления генерацией в такой системе планируется использование физической среды передачи электроэнергии.

Ключевые слова: возобновляемые источники энергии, генерирующие мощности, система управления, сети низкого напряжения, распределенная генерация, система управления генерацией, широкополосный доступ, КПД.

The article investigates the possibility of using generation sources operating on different physical principles to work in a distributed network of low voltage for generating electricity with minimum cost for a certain period of time. The use of renewable and non-renewable generation sources in local and closed electrical low voltage networks provide an opportunity to reduce the cost of produced kWh of electric power and increase system reliability. To improve the efficiency of power generation in a closed system there is carried out operative generation management, depending on the power consumption and the possibility of using renewable energy sources. As a physical medium for the transmission of broadband signals to control the generation in such a system it is planned to use a physical medium transmission.

Key words: renewable energy sources, generating capacity, management system, low voltage network, distributed generation, managing generation system, broadband access, efficiency factor.

Введение. В настоящее время использование локальных генерирующих мощностей, не связанных с магистральными сетями и работающих для обеспечения потребностей в

электроэнергии небольших территорий является общемировым трендом. Преимуществом использования

генерирующих мощностей малой мощности, функционирующих в локальных микросетях низкого

напряжения, является возможность снижения себестоимости выработки киловатт-часа электроэнергии за счет снижения потерь на передачу электроэнергии, повышения

эффективности использования

генерирующих мощностей, снижения времени простоя оборудования и сокращения затрат на его обслуживание [1, 2].

Одним из способов, позволяющим снизить себестоимость выработки электроэнергии в микросетях, является применение генерирующих мощностей, использующих возобновляемые источники энергии (ветроэнергетические установки, микро- и мини-ГЭС, солнечные электроустановки, газопоршневые

установки, использующие биогаз в качестве топлива) [3].

Описание технического решения. Для оптимизации работы распределенной системы с использованием источников генерации на различных физических принципах необходима система

управления, обеспечивающая оптимальные ввод и вывод генерирующих мощностей, в зависимости от конкретных условий в каждый момент времени. Например, условием для использования

ветроэнергетических установок в системе

является наличие ветропотока достаточной мощности в данный конкретный момент времени, способного обеспечить нагрузочные требования и обеспечить потребителя электроэнергией, с нормами качества по ГОСТ 13109-97. При снижении мощности ветропотока необходимо осуществить постепенный вывод из генерации ветроэнергетической установки системы с одновременным вводом генерации на основе другого источника энергии в объеме, зависящем от потребности в электроэнергии со стороны потребителя в данный момент времени. Подобное оперативное управление генерацией электроэнергией в зависимости от графиков нагрузки позволит существенным образом снизить

себестоимость выработки киловатт-часа за счет максимального использования возобновляемых источников энергии и осуществления оперативного управления генерацией при помощи распределенной системы управления [4, 5].

Локальная сеть п

Структурная схема распределенной микросети приведена на рисунке 1.

Генерирующие мощности «Генератор 1», «Генератор 2» и «Генератор п» с возможностью управления объединены в единую систему, обеспечивающую электроэнергией потребителей

«Потребитель 1», «Потребитель 2» и «Потребитель п». Распределенная система управления обеспечивает управление генерирующими мощностями таким образом, чтобы в каждый конкретный момент времени генерация энергии осуществлялась от источника с минимальной себестоимостью выработки электроэнергии. Отличительной

особенностью рассматриваемой системы является отсутствие общего

вычислительного центра и необходимости организации информационных каналов связи для обмена управляющей информацией в системе.

Локальная сеть 1

I

Потребитель 1

Центр верхнего уровня

обработки | данных

Потребитель 2

Потребитель п -

Система рекуперации

К системе

Магистральная сеть СН

Рисунок 1 - Структурная схема распределенной микросети

4(32) 2015 Технологии, средства механизации и энергетическое оборудование

При этом, определенным образом, можно организовать обмен

электроэнергией с магистральными сетями среднего напряжения и осуществить подключение информационной

распределенной системы управления к единому диспетчерскому пункту.

Отличительной особенностью

использования способа организации информационного обмена и применения распределенной системы управления генерацией является возможность масштабирования микросети и

объединения микросетей в энергетические системы, работающие под единым алгоритмом управления системой в целом [6].

Использование информационного обмена данными по электрической сети

обеспечивает возможность реализации системы генерации электроэнергии, на основе возобновляемых и

невозобновляемых источников энергии при совместной работе в единой электрической сети низкого напряжения для выработки электрической энергии и реализующей способ управления генерацией в зависимости от условий выработки и потребления электрической энергии на основе данных датчиков обратной связи для снижения себестоимости

вырабатываемой электроэнергии и повышения КПД системы в целом с возможностью обмена электроэнергией с энергосетями более высокого уровня [7].

Структурная схема системы, реализующая способ управления генерацией, представлена на рисунке 2.

Рисунок 2 - Структура системы, реализующая распределенный способ управления генерацией

Способ заключается в анализе данных окружающей среды (направления и скорости ветра, значения солнечной радиации, скорости водного потока, объема и давления биогаза в магистрали), напряжения и частоты на силовом вводе от магистральной линии электропередачи и мощности в нагрузке. На основе

полученных данных реализуется алгоритм выбора наиболее оптимального источника генерации для обеспечения потребителя электроэнергией с качеством по ГОСТ 13109-97 и при наименьшей себестоимости выработки электроэнергии. При изменении состояния окружающей среды и

потребления электроэнергии производится изменение источника генерации.

Система, реализующая заявленный способ, включает стационарную систему управления 1, локальные модули управления 2, которые устанавливаются непосредственно на источники генерации, использующие невозобновляемую энергию А1.. .Ап (дизельное топливо,

магистральный газ, котельное топливо), а также на источники генерации, использующие возобновляемую энергию B1. Bn (ветроустановки, мини-ГЭС, солнечные панели, биогазовые

генераторы). Локальные модули управления, устанавливаемые на источники генерации с возобновляемой энергией, осуществляют трансляцию данных от датчиков окружающей среды 9 в стационарную систему управления 1 через информационный канал 6, использующий в качестве среды передачи данных локальную сеть низкого напряжения 3. Все источники генерации объединены в локальную сеть низкого напряжения 3, доставляющую электроэнергию

непосредственно к потребителю. Локальная сеть низкого напряжения использует систему обмена электрической энергией 4 с магистральными электросетями среднего или высокого напряжения 5. Стационарная система управления 1 имеет информационный канал 7 для обмена данными и передачи управления системе верхнего уровня 8.

Заключение. Система, реализующая заявленный способ, работает следующим образом. Электрическая мощность из магистральной сети 5 через систему обмена электрической энергией 4 поступает к потребителям. Стационарная система управления 1 анализирует нагрузку в сети и состояние окружающей среды через датчики 9. При достаточном ветропотоке, солнечной радиации или напоре воды через локальные модули управления 2, установленные у каждого источника генерации, в локальную сеть 3 вводится замещающая генерация, при этом мощность магистральной сети выводится таким образом, чтобы в качестве основного источника генерации в микросети

максимально использовалась генерация от возобновляемых источников энергии BL.. Bn. В случае избытка мощности от локальных возобновляемых источников энергии BL.. Bn осуществляется ее рекуперация через систему обмена электрической энергией 4 в магистральную сеть 5. При пиковой нагрузке в сети, если мощности генерации от возобновляемых источников энергии B1. Bn недостаточно, а также в случае отсутствия подключения к магистральной сети, осуществляется ввод в сеть генерации от источников возобновляемой энергии A1...An таким образом, чтобы преимущество имели источники с более дешевым видом топлива (использование газовой генерации имеет преимущество перед дизельной, дизельной - перед бензиновой). Стационарная система управления 1 осуществляет непрерывное управление источниками генерации А1... An и B1..Bn таким образом, чтобы в любой момент времени в зависимости от изменения нагрузки в локальной сети 3 осуществлять изменение локальной генерации в сети посредством управления источниками генерации через локальные модули управления 2, а также обеспечивать оптимальный обмен энергией с сетями более высокого уровня. Каждая подобная локальная система может встраиваться как элемент более крупной сети и работать под управлением системы верхнего уровня 8 через информационный канал обмена данными 7.

Литература

1. Стребков, Д.С. Проект энергетической стратегии сельского хозяйства России / Д.С. Стребков, А.В. Тихомиров,

В.В. Харченко // Техника и оборудование для села. - 2009. - № 2. - С. 12.

2. Долгов, И.Ю. Энергопотребление и энергоснабжение в сельскохозяйственном секторе Российской Федерации / И.Ю. Долгов, А.В. Тихомиров, В.В. Харченко // Механизация и электрификация сельского хозяйства. - 2012. - № 2. - С. 16.

3. Гусаров, В.А. Использование локальной генерации от возобновляемых источников энергии в тупиковых участках

протяженных линий электропередачи низкого напряжения / В.А. Гусаров, С.А. Лапшин, В.В. Харченко // Международный научный журнал "Альтернативная энергетика и экология". - 2013. - № 7. - С. 15-18.

4. Источники регулируемой мощности в микросетях / В. Адомавичюс, В.В. Харченко, И. Валицкас, В.А. Гусаров // Международный научный журнал "Альтернативная энергетика и экология" . -2013. - № 7. - С. 54-59.

5. Адомавичюс, В.Б. Особенности и проблемы построения микросетей / В.Б. Адомавичюс, В.В. Харченко // Труды 8-й Международной научно-технической конференции (16-17 мая 2012 года, г. Москва, ГНУ ВИЭСХ). Ч. 5. - С. 50-57.

6. Лапшин, С.А. Система управления генерацией и распределением энергии в локальных сетях низкого напряжения с использованием возобновляемых и невозобновляемых видов энергии // Материалы X Международной ежегодной конференции "Возобновляемая и малая энергетика 2013" / под ред. П.П. Безруких. - Москва, 2013.

7. Гусаров, В.А. Система электроснабжения потребителей в сетях низкого напряжения с использованием возобновляемых и невозобновляемых источников энергии и управлением генерацией электроэнергии / Гусаров В.А., Лапшин С.А., Харченко В.В. // Патент РФ № 2539875, 10.12.2014.

References

1. Strebkov D.S., Tihomirov A.V., Harchenko V.V Proekt jenergeticheskoj strategii sel'skogo hozjajstva Rossii [Project of Energy Strategy of Agriculture of Russia], Tehnika i oborudovanie dlja sela, 2009, No. 2, 12 p.

2. Dolgov I.Ju., Tihomirov A.V., Harchenko V.V. Jenergopotreblenie i jenergosnabzhenie v sel'skohozjajstvennom sektore Rossijskoj Federacii [Energy consumption and power supply in the agricultural sector of the Russian Federation], Mehanizacija i jelektrifikacija sel'skogo hozjajstva., 2012, No. 2, pp. 16.

3. Gusarov V.A., Lapshin S.A., Harchenko V.V Ispol'zovanie lokal'noj gene-racii ot vozobnovljaemyh istochnikov jenergii v tupikovyh uchastkah protjazhennyh linij jelektroperedachi nizkogo naprjazhenija [The use of local generation from renewable energy sources in dead-end stretch of power lines of low voltage], Al'ternativnaja jenergetika i jekologija, 2013, No. 7, pp. 15-18.

4. Adomavichjus V., Harchenko V.V., Valickas I., Gusarov V.A. Istochniki reguliruemoj moshhnosti v mikrosetjah [Sources of adjustable capacity in the microgrids], Al'ternativnaja jenergetika i jekologija, 2013, No. 7, pp. 54-59.

5. Adomavichjus V.B., Harchenko V.V. Osobennosti i problemy postroenija mikrosetej [Features and problems of designing microgrids], Trudy 8-j Mezhdunarodnoj nauchno-tehnicheskoj konferencii (16-17 maja 2012, Moskva, GNU VIJeSH), Part 5, pp. 50-57.

6. Lapshin S. A. Sistema upravlenija generaciej i raspredeleniem jenergii v lokal'nyh setjah nizkogo naprjazhenija s ispol'zo-vaniem vozobnovljaemyh i ne vozobnovljaemyh vidov jenergii [Management system of energy generation and distribution in local networks of low voltage using renewable and non-renewable forms of energy], Materialy X Mezhdunarodnoj ezhegodnoj konferencii "Vozobnovljaemaja i malaja jenergetika 2013", Moscow, 2013.

7. Gusarov V.A., Lapshin S.A., Harchenko V.V. Sistema jelektrosnabzhenija potrebitelej v setjah nizkogo naprjazhenija s ispol'zovaniem vozobnovljaemyh i nevo-zobnovljaemyh istochnikov jenergii i upravleniem generacii jelektrojenergii [The system of consumers power supply in the networks

of low voltage from renewable and non-renewable energy sources and management of electricity generation], Patent RF No. 2539875, 10.12.2014.

Сведения об авторах

Лапшин Сергей Александрович - генеральный директор ООО «ОКБ ВЭС» (г. Калуга, Россия). Тел.: 8(953)311-04-45. E-mail: okbves@gmail.com.

Харченко Валерий Владимирович - доктор технических наук, профессор, главный научный сотрудник отдела возобновляемых источников энергии, ФГБНУ «Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства» (г. Москва, Россия). Тел.: 8-916-075-19-56. E-mail: kharval@mail.ru.

Information about the authors

Lapshin Sergey Alexandrovich - General Director of LLC "OKB VES" (Kaluga, Russia). Phone: 8(953) 311-04-45. E-mail: okbves@gmail.com.

Harchenko Valerii Vladimirovich - Doctor of Technical Sciences, professor, chief researcher of the Renewable energy department, FSBSI "All-Russian Research Institute for Electrification of Agriculture" (Moscow, Russia). Phone: 8-916-075-19-56. E-mail: kharval@mail.ru.