Распределенная генерация

• 1. Распределенная генерация
• 1.1 Предпосылки и тенденции
• 1.2 Технологии
• 1.3 Микротурбины
• 1.4 Топливные элементы
• 1.5 Возобновляемые источники
• 2. Режимы работы автономных систем электроснабжения
• Заключение
• Список использованной литературы

В настоящее время промышленно развитые страны производят основную часть электроэнергии централизованно, на больших электростанциях, таких как тепловые электростанции, атомные электростанции, гидроэлектростанции. Мощные электростанции благодаря «эффекту масштаба» имеют превосходные экономические показатели и обычно передают электроэнергию на большие расстояния. Место строительства большинства из них обусловлено множеством экономических, экологических, географических и геологических факторов, а также требованиями безопасности и охраны окружающей среды. Например, угольные станции строятся вдали от городов для предотвращения сильного загрязнения воздуха, влияющего на жителей. Некоторые из них строятся вблизи угольных месторождений для минимизации стоимости транспортировки угля. Гидроэлектростанции должны находиться в местах с достаточным энергосодержанием (значительный перепад уровней на расход воды).

Распределённое производство энергии подразумевает строительство дополнительных источников электроэнергии в непосредственной близости от потребителей. Мощность таких источников выбирается исходя из ожидаемой мощности потребителя с учетом имеющихся ограничений (технологических, правовых, экологических и т. д.) и может варьироваться в широких пределах (от двух-трех до сотен киловатт). При этом потребитель не отключается от общей сети электроснабжения.

В качестве дополнительных источников электроэнергии могут применяться как средства альтернативной энергетики (солнечные батареи, ветровые генераторы, топливные элементы), так и традиционные когенерационные установки (КГУ) малой и средней мощности. В последнем случае благодаря расположению когенерационных установок непосредственно у потребителей, становится возможным использование не только вырабатываемой электроэнергии, но и побочной тепловой энергии на нужды отопления, горячего водоснабжения или абсорбционного холодоснабжения самого владельца КГУ или сторонних потребителей, расположенных поблизости. Это позволяет добиться высокой эффективности использования топлива (до 90% от потенциальной энергии).

1. Распределенная генерация

Распределённое производство энергии — концепция строительства источников энергии и распределительных сетей, которая подразумевает наличие множества потребителей, производящих тепловую и электрическую энергию для собственных нужд, а также направляющих излишки в общую сеть (электрическую или тепловую).

1.1 Предпосылки и тенденции

Электроэнергетика экономически развитых стран мира, в том числе, бывшего СССР, интенсивно развивалась в течение ХХ века главным образом путем повышения уровня централизации электроснабжения при создании все более мощных электроэнергетических объектов (электростанций, ЛЭП). Следствием этого явилось формирование территориально распределенных протяженных электроэнергетических систем (ЭЭС). Это позволило достичь существенного экономического эффекта, повысить надежность электроснабжения и качество электроэнергии.

С начала XX века технологии традиционных паротурбинных агрегатов тепловых и атомных электростанций развивались по пути использования все более высоких параметров пара, это требовало применения более совершенных материалов котлов и турбин, при этом имела место тенденция увеличения единичной мощности установок. Все отмеченное позволяло улучшать технико-экономические параметры установок — удельные капиталовложения и постоянные текущие издержки на единицу мощности и удельные расходы топлива на единицу вырабатываемой электроэнергии. Указанная тенденция укрупнения агрегатов наблюдалась и в гидроэнергетике, хотя и в меньшей мере.

В 1980;е годы эта тенденция принципиально изменилась вследствие появления высокоэффективных (до 55−60% КПД) газотурбинных и парогазовых установок (ГТУ и ПГУ) широкого диапазона мощностей, в том числе малых — от единиц до одного-двух десятков МВт. Отличительной особенностью таких установок, особенно малых, является их высокая заводская готовность, что позволяет вводить их в эксплуатацию за период в пределах года. Одновременно появился большой ассортимент мини — и микро — ГТУ (от долей кВт до нескольких десятков кВт). На основе малых ГТУ начали сооружаться малые ГТУ-ТЭЦ для комбинированной выработки электроэнергии и тепла.

К малой энергетике относятся и многие типы энергетических установок на возобновляемых источниках энергии (ВИЭ), прежде всего ветроэнергетические установки (ВЭУ). Малые ГТУ, ПГУ и ВЭУ устанавливаются непосредственно у потребителей и подключаются к распределительной электрической сети на напряжениях 6−35 кВ. Эти установки получили название «распределенная генерация» .

Главными факторами, стимулирующими развитие распределенной генерации, являются:

адаптация потребителей к рыночной неопределенности в развитии электроэнергетики и в ценах на электроэнергию; это способствует снижению рисков дефицита мощности и повышению энергетической безопасности;

повышение адаптационных возможностей самих ЭЭС к неопределенности рыночных условий развития экономики и снижение тем самым инвестиционных рисков;

появление новых высокоэффективных энергетических технологий (ГТУ и ПГУ);

рост доли газа в топливоснабжении электростанций;

ужесточение экологических требований, стимулирующее использование ВИЭ (гидроэнергии, ветра, биомассы и др.) при протекционистской политике государств.

Требования к энергоснабжению формулируются просто — надёжность, постоянство. И для многих становится ясно, что на сегодня единственный путь иметь продукт высшего качества — произвести его самому. Военные во всём мире знают это давно, промышленники уже пришли к таким решениям, а семьи и предприятия малого бизнеса начали осознавать преимущества владения электрогенераторами и тепловыми котлами только сейчас. Кризис сложившейся монополизированной энергетической инфраструктуры и начавшаяся либерализация энергетических рынков одновременно и увеличивают степень неопределённости будущего, и привлекают открывающимися возможностями для бизнеса. И тот и другой фактор увеличивают спрос потребителей энергии на собственные генерирующие мощности.

Разбросанное по подвалам и задним дворам энергетическое оборудование, установленное владельцами на случай аварий в централизованных сетях, или в условиях отсутствия этих сетей, начинает восприниматься в мире как формирующаяся целостность — основа для возникновения новой отрасли, получившей название распределённой генерации (РГ). К процессам в этой отрасли привлечено внимание владельцев оборудования, существующих «старых» энергокомпаний, новых игроков, производителей оборудования, не говоря уже о государственных органах.

1.2 Технологии

Распространённые на сегодня технологии распределённой генерации при сравнении с централизованной генерацией во многих случаях дают для распределённой генерации более высокие капитальные затраты (долларов / кВт) и текущие затраты (долларов / кВт. ч). Однако дополнительные преимущества, такие как когенерация тепла, повышение надёжности, отсутствие сетевых издержек, уже сейчас делают распределённую генерацию выгодной во многих применениях, некоторые из которых описаны ниже. Справедливая рыночная оценка всех преимуществ является ключевым фактором для определения перспективности таких проектов. Развитие технологий выводит на уровень экономической оправданности всё больше вариантов использования РГ.

Пока что основными интересами потребителей остаются возможности резервирования, экономия за счёт снижения расходов, повышенный КПД одновременной генерации тепла и электроэнергии. Энергокомпании уже начинают рассчитывать на существенную поддержку от распределённых генераторов при пиковых нагрузках, на использование этих мощностей для снижения потерь и улучшения параметров работы сети.

Для распределённой генерации используются и ставшие традиционными установки, и продукты новейших технологий. К традиционным относятся все типы установок внутреннего сгорания, среди которых лидируют дизели и двигатели, работающие как на дизельном топливе, так и на газе. Несмотря на непрерывное усовершенствование, они остаются экологически грязными по сравнению с использованием более новых технологий.

1.3 Микротурбины

Микротурбины были разработаны ещё в 60-х для электроснабжения на борту авиалайнеров. КПД таких устройств находится в районе 25−30%. При утилизации тепла КПД достигает 60—70%. Микротурбины могут работать на широком спектре топлива — природный газ, метан, бензин, керосин. Содержание сажи в выхлопе современных моделей в 100 раз меньше чем у дизельного двигателя, и укладывается даже в строгие калифорнийские стандарты охраны окружающей среды.

Микротурбинные установки вырабатывают электроэнергию на месте потребления, или в непосредственной близости от точки, где необходимо электричество. Микротурбинные установки производят электроэнергию, высокого и стабильного качества из различных видов топлива.

Принцип действия

Воздух из атмосферы через воздухозаборник поступает в компрессор, где происходит его сжатие и нагрев, после чего он поступает в рекуператор, где происходит его дальнейший нагрев посредством отходящих выхлопных газов турбины. Такая агрегатная компоновка внутри установки повышает электрический КПД установки до 30%. При такой агрегатной компоновке соотношение получаемой на установке тепловой энергии к электрической равно 1,6 — 2/1. В отдельных случаях, когда заказчику необходимо большее количество именно тепловой энергии, а получаемая электрическая энергия второстепенна, возможна комплектация установки иная, без рекуператора. В этом случае электрической энергии вырабатывается порядка 14−20%. Из рекуператора нагретый и сжатый в компрессоре воздух смешиваясь с газом поступает в камеру сгорания. Предварительное смешение нагретого воздуха с газом очень сильно снижает уровень выбросов, доводя его до минимальных значений (около 15 ppm), особенно при неполной загрузке установки. Образующиеся в процессе сгорания выхлопные газы поступают на колесо турбины, где расширяясь, совершают работу, приводя тем самым в движение расположенные на одном валу с турбиной, компрессор и генератор. Из турбины выхлопные газы поступают в рекуператор, где нагревают выходящий из компрессора воздух, после чего направляются в котел-утилизатор, где нагревают сетевую воду до требуемых значений.

Стандартно установка комплектуется: микротурбиной с обвязкой внутри блок бокса, генератором, компрессором, рекуператором, котел утилизатор, системой автоматического управления с пультом, аккумуляторами, системой воздушного охлаждения и другим дополнительным оборудованием по заказу.

В процессе работы микротурбинной установки система управления и контроля осуществляет постоянный мониторинг всех основных рабочих узлов и параметров установки:

· работа газовой турбины

· работа системы утилизации тепла

· работа силовой электрической части

· работа аккумуляторного блока

· узла контроля загазованности,

при выходе за пределы заданных значений срабатывают автоматические блокировки, и происходит отключение.

Для эксплуатации установки не требуется оператор, контролировать ее работу и осуществлять связь с установкой можно через интернет, электронную или спутниковую связь из центральной операторной завода.

Отличительные особенности установок:

· Возможность применения установки, как в режиме автономной работы, так и в режиме параллельной работы с существующей электросетью.

· Возможности установки выдерживать очень высокие набросы и сбросы нагрузки (до 100%).

· Возможность работы на холостом ходу продолжительное время.

· Отсутствие скачков частоты получаемой электроэнергии.

· Возможность перенастройки комплектации установки для увеличения выхода тепловой энергии.

· Модульная конструкция предусматривает возможность сборки нескольких модулей в единый блок, позволяя получить необходимую мощность от 150 кВт до 10 МВт

· Низкий объем технического обслуживания и большой интервал меж сервисного обслуживания (замена масла не чаще 1-го раза в год при 100% -й круглогодичной работе).

· Малое количество и низкая стоимость расходных запасных частей.

· Очень малое время штатного технического обслуживания.

· Возможность работы на низкокалорийных газах.

· Долгий срок службы до капитального ремонта.

· Низкий уровень выбросов.

· Бесшумная и вибрационная работа

· Получаемая электроэнергия дешевле энергии получаемой из электросетей.

1.4 Топливные элементы

Рисунок 1. Топливный элемент

В основе топливных элементов лежит целое семейство технологий, основанных на катализаторном окислении водорода. Генерация электроэнергии осуществляется подобно генерации в обычной батарейке, без преобразования химической энергии в электричество через механическое движение. Все технологии работают практически без загрязнения окружающей среды, отходом является обычная вода. Кроме работы на чистом водороде, изготовление которого весьма дорого, топливные элементы могут использовать и другие виды топлива с высоким содержанием водорода.

Всего сейчас разрабатывается не менее дюжины различных типов элементов с КПД от 40% до 60%. Одни из самых перспективных — технологии с протонообменной мембраной, углеродные и на твёрдых оксидах. При утилизации тепла или при использовании газовой турбины в сочетании с топливным элементом в комбинированном цикле возможно и достижение сверхвысокого КПД в 80%.

Принцип действия

Обычно в низкотемпературных топливных элементах используются: водород со стороны анода и кислород на стороне катода (водородный элемент) или метанол и кислород воздуха. В отличие от топливных элементов, одноразовые гальванические элементы содержат твердые реагенты, и когда электрохимическая реакция прекращается, должны быть заменены, электрически перезаряжены, чтобы запустить обратную химическую реакцию, или, теоретически, в них можно заменить электроды. В топливном элементе реагенты втекают, продукты реакции вытекают, и реакция может протекать так долго, как поступают в неё реагенты и сохраняется работоспособность самого элемента.

Преимущества

Топливные элементы обладают рядом ценных качеств, среди которых:

1. Высокий КПД

§ У топливных элементов нет жёсткого ограничения на КПД, как у тепловых машин (КПД цикла Карно является максимально возможным КПД среди всех тепловых машин с такими же минимальной и максимальной температурами).

§ Высокий КПД достигается благодаря прямому превращению энергии топлива в электроэнергию. Если в дизель-генераторных установках топливо сначала сжигается, полученный пар или газ вращает турбину или вал двигателя внутреннего сгорания, которые в свою очередь вращают электрический генератор. Результатом становится КПД максимум в 53%, чаще же составляет порядка 35−38%. Более того, из-за множества звеньев, а также из-за термодинамических ограничений по максимальному КПД тепловых машин, существующий КПД вряд ли удастся поднять выше. У существующих топливных элементов КПД составляет 60−80%

§ КПД почти не зависит от коэффициента загрузки,

2. Экологичность

В воздух выделяется лишь водяной пар, что является безвредным для окружающей среды. Но это лишь в локальном масштабе. Нужно учитывать экологичность в тех местах, где производятся данные топливные ячейки, так как производство их само по себе уже составляет некую угрозу (ведь производство не может быть безвредным).

3. Компактные размеры

Топливные элементы легче и занимают меньший размер, чем традиционные источники питания. Топливные элементы производят меньше шума, меньше нагреваются, более эффективны с точки зрения потребления топлива. Применение топливных элементов позволит сократить затраты на логистику, снизить вес, продлить время действия приборов и оборудования.

1.5 Возобновляемые источники

Весь спектр установок, извлекающих электричество из возобновляемых источников, рассматривается как потенциальный вклад в инфраструктуру распределённой генерации. Ветер, солнце, приливы, геотермальные установки, микро-гидротурбины — любая технология, способная хотя бы частично обеспечить потребности здания или квартиры, может быть использована и в широкомасштабных проектах.

Преимущества возобновляемых источников энергии

· Возобновляемая энергетика базируется на самых разных природных ресурсах, что позволяет беречь невозобновляемые источники и использовать их в других отраслях экономики, а также сохранить для будущих поколений экологически чистую энергию.

· Независимость ВИЭ от топлива обеспечивает энергетическую безопасность страны и стабильность цен на электроэнергию.

· ВИЭ экологично чисты: при их работе практически нет отходов, выброса загрязняющих веществ в атмосферу или водоемы. Отсутствуют экологические издержки, связанные с добычей, переработкой и транспортировкой ископаемого топлива.

· В большинстве случаев ВИЭ-электростанции легко автоматизируются и могут работать без прямого участия человека.

· В технологиях возобновляемой энергетики реализуются новейшие достижения многих научных направлений и отраслей: метеорологии, аэродинамики, электроэнергетики, теплоэнергетики, генераторо — и турбостроения, микроэлектроники, силовой электроники, нанотехнологий, материаловедения и т. д. Развитие наукоемких технологий позволяет создавать дополнительные рабочие места за счет сохранения и расширения научной, производственной и эксплуатационной инфраструктуры энергетики, а также экспорта наукоемкого оборудования.

1. Применения

Распределённая генерация оказывается исключительно удобной во множестве случаев. При разработке нефтяных месторождений приходится сжигать огромное количество попутного газа — в регионах добычи нет возможностей ни для транспортировки, ни для переработки. При разработке полезных ископаемых приходится решать проблему шахтных газов. Использование микротурбин позволит и извлечь экономическую выгоду, и сберечь окружающую среду. Там, где нет централизованных сетей, электроэнергия и тепло могут быть использованы на самих месторождениях. А если нефть добывается по соседству с экономически развитым регионом, или есть сети, соединяющие район месторождений с населёнными районами — нефтяные скважины могут в совокупности стать огромной электростанцией. Попутный газ может превратить нефтяные поля Техаса в 400 МВт электростанцию.

Другая область применения — малонаселённые районы севера Европы или Америки, равно как и густонаселённые беднейшие районы Африки и Азии, где нет сетей. По оценкам Всемирного экономического совета, дотянуть линии электропередач хотя бы до одной трети из живущих без электричества людей будет стоить 10 000 долларов за километр. Стоит сравнить эту цифру с приведённой выше стоимостью генератора, способного снабдить током небольшую деревню.

В менее экзотических условиях для страны с развитой инфраструктурой энергоснабжения различные технологии распределённой генерации могут использоваться для решения самых разных задач.

Упоминавшаяся выше когенерация тепла и электричества, повышающая КПД любой энергетической установки, гораздо эффективнее в условиях распределённой генерации, так как тепло на большие расстояния не транспортируется.

Свалки больших городов и очистные сооружения городской канализации при утилизации метана в микротурбинах дадут не только дополнительную электроэнергию городу, но и примерно в 20 раз уменьшат загрязнение атмосферы по сравнению с его сжиганием.

Микрогенераторы обеспечивают наличие резервных мощностей для жизненно важных применений (госпитали, лифты, водопровод и канализация) или для тех отраслей, где цена сбоя слишком высока (телекоммуникации, финансы, непрерывное производство).

Привлекательной для потребителя оказывается и возможность экономии в периоды пиковых нагрузок и растущих цен. Развитие конкурентного рынка доведёт рано или поздно дифференциацию цен до уровня розничного потребителя, и близки уже те времена, когда цена кВт. ч будет меняться в реальном времени. Чем более адекватными будут ценовые сигналы, получаемые потребителем, тем выгоднее будет включать собственный генератор для арбитража между ценами топлива и электричества. С распространением топливных элементов даже электромобиль в гараже может стать выгодно подключать по вечерам к управляемой компьютером домашней электросети и использовать как дополнительный генератор.

распределенная генерация энергия электроснабжение Использование микрогенераторов может способствовать поддержанию высокого качества энергии в централизованной сети и снижать потребность в затратах на реконструкцию и обновление сетей и подстанций. Распределённые генераторы позволяют осуществлять поддержку напряжения и частоты, уменьшать потери в сетях и затраты на поддержание центральных резервов. Подробнее услуги, которые владельцы распределённых генераторов могут оказывать сетевой или генерирующей компании, рассмотрены ниже.

2. Новые возможности распределенной генерации

Дерегулирование энергетических компаний и либерализация рынков, как и любые реформы, вызывают озабоченность и ожидания снижения надёжности энергоснабжения. Такие ожидания могут объясняться обычными паникёрскими настроениями, но ошибки государственных регуляторов и самих дерегулируемых в процессе реформ (а иногда и до их начала) слишком часто превращают опасения в реальность. Поэтому спрос на резервные мощности на заднем дворе или в подвале будет в ближайшее время только расти.

Но, обезопасив себя от возможных сбоев, потребители начинают искать возможности сэкономить или даже заработать. Опыт показывает, что после дерегулирования рынка первые возможности для экономии появляются сразу.

Например, компания Tampa Electric ввела специальную программу для тех владельцев резервных генераторов, которые могут снизить потребление в период пиковых нагрузок более чем на 25 кВт. Радиосигнал, принимаемый специальным прибором, указывает владельцу на потребность энергокомпании в снижении нагрузки. Компания платит потребителю в месяц 3 доллара за каждый кВт средней нагрузки, перенесённой на резервный генератор. Если после получения сигнала оператор запустит свои мощности в течение 30 минут, экономия будет ещё больше. Потребитель получает деньги, даже если в течение месяца компания ни разу не просила его о переключении.

С развитием реформ возникает и самое привлекательное использование распределённых генераторов — превратить миллионы частных домов, офисных зданий и предприятий в производителей и продавцов электроэнергии.

Реализация этой «программы-максимум» позволяет не только рассчитывать на включение собственного генератора в случае аварии или перегрузки местной электрической сети, но и следить за разницей цен на газ и электричество и играть на этой разнице, получившей название «искровой маржи», или просто продавать энергию в периоды пиковых нагрузок и высоких цен. Чем ближе создание рынка электроэнергии с изменяющимися в реальном времени ценами, тем привлекательнее становится такой «дополнительный» бизнес, могущий при некоторых условиях стать даже прибыльнее основного.

Не исключено, что интересы энергокомпаний и их лоббистский потенциал в государственных органах приведут к ограничению права продавать энергию через общую сеть для индивидуальных владельцев микрогенераторов. Однако, ограничивая это право, те же энергокомпании не прочь сами воспользоваться преимуществами новых технологий.

Природоохранные ограничения, стоимость земли и воды, государственное регулирование — есть тысячи препятствий для энергокомпании, решившей построить новую мощную электростанцию. Гораздо привлекательнее объединить под единым управлением сотни, а то и тысячи микрогенераторов, расположенных в жилом секторе, в больницах, в маленьких мастерских или в небольших офисах.

3. Подключение и тарификация

Наличие подключения к сети даёт возможность владельцу микрогенератора в случае выгодного для него стечения обстоятельств использовать варианты действий, недоступные в случае отсутствия такого подключения. Поэтому владелец готов будет заплатить сетевой и генерирующей компаниям определённую цену за сохранение такого подключения. Открывающиеся для подключённого к сети владельца возможности включают:

· Возможность продавать излишки энергии сбытовику, сети, или напрямую другим потребителям (если это позволено регулированием).

· Возможность покупать дополнительную энергию.

· Возможность покупать резервную энергию по долгосрочным контрактам.

· Возможность отказаться от собственной генерации и вновь стать покупателем энергии у сбытов или генераторов.

· Возможность арбитража между ценами на топливо (в основном газ) и электричество.

· Возможность продавать сетевой компании услуги по поддержке сети.

4. Проблемы подключения

На пути создания виртуальных электростанций надо решить ещё множество задач. Начнём с технологических.

Как говорилось выше, основные споры сегодня разворачиваются вокруг подключения распределённых генераторов к единой сети. Владельцы микрогенераторов хотят иметь подключение и для покупок резервной энергии, и для возможности осуществлять продажу своего избытка. Различия в типах используемых генераторов, технологиях, режимах нагрузки на объекте владельца микрогенератора (в доме, офисе, на предприятии)" все эти факторы усложняют внедрение единых стандартов. Условия подключения к единой сети многих генераторов зависят от состояния сегментов сети, общей мощности нагрузки, отношения мощности нагрузки к мощности подключаемых генераторов. При высокой суммарной мощности синхронизация множества распределённых генераторов создаёт сложную задачу расчёта и диспетчеризации.

Важной проблемой становится, например, отключения участка сети при авариях, так как наличие работающего у потребителя генератора может представлять угрозу для тех, кто работает на линии, полагая её отключённой.

Управление распределёнными генераторами требует создания телекоммуникационной сети и центра диспетчеризации. В центре (а может быть, и в самих местах генерации) должны осуществляться мониторинг рыночных цен, состояния сети и нагрузки, обработка информации соседних производителей и сбытовиков, и на основании этих данных приниматься решения об использовании мощностей. В местах размещения генераторов должно стоять специальное «умное» оборудование, способное по сигналам от удалённого диспетчерского центра управлять режимами работы генератора и энергопотреблением помещения, в котором он установлен. Возможные варианты телекоммуникационной сети, связывающей центр и генерацию, включают как использование телефонных каналов, входящих в дома, так и передачу данных по тем же самым электрическим проводам.

Для подключения генерирующего оборудования к сети потенциальному поставщику электричества требуется специальное оборудование, отвечающее требованиям по возможности дистанционного управления. Специальные счётчики, передающие результаты измерений в режиме реального времени, также должны стать стандартным элементом архитектуры распределённой генерации.

Предвидя нарастающие сложности, сетевые компании зачастую предлагают весьма сложную и дорогостоящую процедуру сертификации каждого конкретного подключения, реально тормозящую развитие рынка.

Тарификация энергии для потребителей с установленными генераторами становится непростой задачей. Обычная практика на сегодня состоит в установлении единого тарифа за кВт. ч, включающего плату как за текущее потребление, так и за подключение, поддержку сети, возможность использовать резервы (надёжность), и иные «фиксированные» услуги. Тем самым снижение текущего потребления у владельца микротурбины или топливного элемента перекладывает оплату фиксированных издержек генерирующих и сетевых компаний на других потребителей, не владеющих своими генераторами, или на акционеров энергокомпаний. Возможность выбора поставщиков и установление рыночных цен на отдельные услуги из пакета, покупаемого потребителем, будет способствовать решению этой проблемы.

Сама процедура измерения потреблённой и произведённой энергии для владельца генерирующих мощностей представляет проблему. Если генератор потребителя работает, его счётчик будет вращаться медленнее. Если генератор производит больше энергии, чем потребляется из сети, счётчик просто закрутится в обратную сторону. Если использовать такой нетто-результат для определения оплаты по стандартному розничному тарифу, то получится весьма выгодный бизнес «владелец генератора продаёт свою энергию обратно сбытовой компании по розничным ценам. Сегодня в условиях единого тарифа оптовая цена включает плату за резервирование мощностей, а розничная цена включает ещё и плату за передачу и распределение, за надёжность и обслуживание. Тем самым потребитель-владелец генератора получает оплату за услуги, которых в реальности не оказывает. Разделение услуг и тарифов поможет решить и эту проблему. Альтернативным решением является установка более дорогого измерительного оборудования, позволяющего учитывать потребление и производство отдельно. Выход всё более широких слоёв производителей электроэнергии на дерегулированный рынок, на котором цены меняются ежечасно, потребует для организации продаж энергии от распределённых генераторов более совершенных счётчиков, способных учитывать распределение потреблённой и произведённой энергии по времени суток.

2. Режимы работы автономных систем электроснабжения

Как правило, выпускаемое ведущими производителями генерирующее оборудование, предназначенное для распределенной генерации электроэнергии (дизель-генераторы, микротурбинные или газопоршневые установки) имеет возможность работы в двух различных режимах:

· в «островном» (автономном) режиме — без присоединения к сетям

· параллельно с сетями

Отличие состоит в способе управления генерацией электрической энергии для каждой единицы оборудования.

1. Автономный (островной) режим

К выходным клеммам оборудования подключена только электрическая нагрузка объекта.

Нагрузка может изменяться от 0 до 100%, при этом оборудование генерирует электрическую энергию, обеспечивая постоянный уровень напряжения независимо от нагрузки (0,4; 6,3; 10,5 кВ). В этом режиме выходное напряжение — главный параметр, который поддерживается автоматикой генерирующего оборудования.

Если энергокомплекс состоит из параллельно включенных единиц оборудования, уровни напряжения и фазы между ними должны быть строго синхронизированы и автоматически регулироваться для обеспечения равномерной загрузки генерирующего оборудования. Для этого, как правило, используется специальная система управления, выполненная в виде отдельного модуля или поставляемая в составе каждой единицы оборудования.

Рисунок 2. Пример включения в автономном режиме

2. Режим параллельно с сетью

Генерирующее оборудование подключается параллельно к сетям и к локальной электрической нагрузке. Для генерирующего оборудования сеть представляет собой источник напряжения 400 В неограниченной мощности с внутренним сопротивлением, близким к 0. Потребляемая мощность локальной нагрузки пренебрежимо мала по сравнению с мощностью сети и в этих условиях нагрузка никак не влияет на параметры сети (напряжение, фаза, частота).

Генерирующее оборудование при таком соединении оказывается подключенным параллельно к источнику напряжения и может генерировать электрический ток (передавать электрическую мощность) в направлении локальной нагрузки и сети в любом количестве (в силу низкого внутреннего сопротивления сети), в пределах собственной выходной мощности.

Рисунок 3. Пример подключения параллельно с сетью

Таким образом, в отличие от «островного» режима, где происходит генерация напряжения, в данном случае генерируется ток (Current Mode). Количество электрической энергии (мощности), передаваемой в сеть и в локальную нагрузку, может регулироваться. Данная возможность позволяет при необходимости автоматически регулировать суммарную мощность генерации энергокомплекса.

Каждая единица оборудования самостоятельно синхронизируется с сетевым напряжением и контролирует его параметры. Специальные меры по синхронизации работы между единицами генерирующего оборудования в данном режиме не требуются, следовательно, теоретически параллельно с сетями может быть включено любое количество единиц оборудования.

Работа параллельно с сетями широко распространена в западных странах благодаря наличию законодательного разрешения и существующим тарифам передачи энергии от распределенных источников в сеть, благодаря чему использование этого режима экономически выгодно.

В РФ работа генерирующего оборудования параллельно с сетями в настоящее время встречается редко из-за отсутствия разрешений сетевых компаний на передачу энергии в сеть и отсутствия соответствующих тарифов.

3. Режим «следования за нагрузкой»

Рисунок 4. Пример включения в режиме «следования за нагрузкой»

Имеется возможность организации работы энергокомплекса параллельно с сетями, но без передачи электрической энергии в сеть. Этот режим работы имеет наименование «следование за нагрузкой» .

На основании показаний измерительного контроллера система определяет значение мощности, потребляемой от сети на вводе. При изменении локальной нагрузки это значение меняется: при росте локальной нагрузки — увеличивается, при её уменьшении — падает, при дальнейшем уменьшении нагрузки начинается передача мощности в сеть. Программно-аппаратный комплекс при любом уровне локальной нагрузки предотвращает такую передачу:

При настройке системы программно задается минимальное значение мощности, потребляемой от сети.

По достижении заданного минимального значения контроллер в соответствии с алгоритмом изменяет мощность генерации всех генерирующих установок таким образом, чтобы предотвратить передачу электрической энергии от генерирующих установок в сеть и поддерживать заданное минимальное значение мощности, то есть поддерживает соотношение Pлн>Pген (см. рис. 5, а)

Вследствие функционирования такого алгоритма энергоблок при любых значениях локальной нагрузки работает с некоторым потреблением энергии от сети.

Уровень минимальной потребляемой мощности от сети — настраиваемая величина, зависит от графиков изменения локальной нагрузки.

Рисунок 5. Распределение мощности генерирующих установок при различных соотношениях мощности нагрузки и генерации

Таким образом, реализация режима «следования за нагрузкой» для работы энергоблока позволяет выполнить одно из основных технических требований энергоснабжающих организаций — исключить передачу электрической мощности в сети и одновременно использовать преимущества работы оборудования параллельно с существующими сетями электроснабжения. При использовании такого режима потребление электроэнергии из сетей резко сокращается (при стабильной нагрузке — практически до 0), что при высоких тарифах дает существенную экономию средств.

Заключение

Тенденции развития электроэнергетики в мире связаны не только с ростом масштабов производства электроэнергии на традиционных крупных электростанциях, но и с увеличением доли распределенной генерации. Эти тенденции определяются появлением новых высокоэффективных энергетических технологий, ростом доли высококачественных видов топлива, ужесточением экологических требований, стимулирующем использованием ВИЭ при протекционистской политике государств.

Мировые тенденции органичного сочетания централизованной и распределенной генерации характерны и для России. Более половины территории России не электрифицировано вообще, и здесь распределенная генерация как нельзя кстати. Климатические и географические особенности порождают более высокую, чем в других странах, потребность в электроэнергии и тепле. Огромные расстояния в совокупности низкой плотностью населения делают централизованное энерго — и теплоснабжение очень дорогим. А доступность энергоресурсов, дополненная прочими достоинствами распределенной генерации, делают ее весьма привлекательной.

Рост доли распределенной генерации в ЭЭС не только имеет положительные стороны, но и создает определенные технические проблемы, которые связаны с изменением свойств систем, возможностей управления ими в нормальных и аварийных условиях. Эти проблемы решаемы, однако при этом усложняется диспетчерское и автоматическое управление ЭЭС, требуется разработка новых математических моделей по обоснованию развития ЭЭС и систем электроснабжения, анализу их режимов и управлению ими. В данной работе были рассмотрены три режима подключения отдельных генерирующих блоков к системе и представлен пример решения проблемы с передачей энергии в сеть.

1. Энергетика XXI века: Условия развития, технологии, прогнозы / Л. С. Беляев, А. В. Лагерев, В. В. Посекалин; Отв. ред.Н. И. Воропай. Новосибирск: Наука, 2004, 386 с.

2. Безруких П. П. Нетрадиционные возобновляемые источники энергии // Энергетическая бе-зопасность и малая энергетика. XXI век. Сб. докл. Всерос. н. — т. конф. Санкт-Петербург, 3−5 декабря 2002 г., с.30−45.

3. Воропай Н. И., Ефимов Д. Н. Требования к противоаварийному управлению ЭЭС с учетом изменения условия их развития и функционирования // Надежность либерализованных систем энергетики. Новосибирск: Наука, 2004, с.74−84.

4. http://raoreform. elektra.ru

5. http://www.electrosystems.ru/

6. http://www.rushydro.ru/industry/biblioteka/14 289.html

7. http://zodiak-energo.ru/articles/article/109/

8. http://ru. wikipedia.org