Разработка передовых технологий для развития распределённой энергетики

ФЦП "Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014 - 2020 годы"

 

Проект № 05.604.21.0243 
Уникальный идентификатор прикладных научных исследований (проекта): RFMEFI60419X0243

Начало работ: 04.12.2019
Окончание работ: 30.09.2020

 

Масштабные задачи развития Сибири и Дальнего Востока требуют разработки новых эффективных и экологически чистых технологий распределённой энергетики, способных работать в широких диапазонах мощностей в различных климатических условиях.

Для решения этих задач разрабатываются новые структурные схемы распределённых энергетических систем, основанные на передовых технологиях генерации, преобразования и хранения электроэнергии (см. рисунок 1,2).

Ведётся разработка и отладка системного математического инструментария и компьютерных программ, позволяющих методами вычислительных экспериментов моделировать, оценивать эффективность и оптимизировать параметры распределенных энергосистем.

Разрабатываемые технологии будут использованы в Эскизном проекте распределённой энергосистемы для типового объекта промышленно-бытового назначения на Севере России с установленной мощностью до 10 МВт.

Рисунок 1 – Принципиальная  схема распределенной энергосистемы

 

Рисунок 2 – Облик пилотной распределённой энергосистемы

 

В качестве одной из особенностей разрабатываемой распределенной энергетической системы является то, что электропередача между объектами генерации и объектами потребления производится по постоянному току.

Выбор постоянного тока обусловлен способами производства, распределения и использования энергии от возобновляемых источников энергии и появления новых технологий генерации и хранения на топливных элементах, аккумуляторах и системах водородного цикла, которые, при использовании постоянного тока, значительно проще объединить в единый энергетический комплекс. Чтобы присоединить к единой сети такие станции, необходимо стабилизировать напряжение на оговоренном стандартном уровне. Если напряжение в единой сети упадет ниже определенного уровня, станции автоматически начнут отдавать электроэнергию в сеть. Если же напряжение сети приблизится к стандарту или достигнет его, потребление энергии от станций автоматически упадет.

Использование постоянного тока в сетях электроснабжения позволяет создавать удобные в эксплуатации и экономически эффективные конфигурации, которые были бы труднодостижимы при использовании в сети переменного тока. Объединение источников электроэнергии по постоянному току позволяет комбинировать в одной сети как мощные, так и маломощные генераторы энергии. Электроэнергию постоянного тока значительно легче сохранять и накапливать, так как системы накопления электроэнергии обычно работают также на постоянном токе.

Переход на постоянный ток в таких энергосистемах может в совокупности снизить финансовые затраты на электроэнергию - как капитальные, так и эксплуатационные, примерно на 15 - 20 процентов по сравнению с аналогами на переменном токе.

Примером является предлагаемая новая модельная схема реализации проектируемого типового объекта промышленно-бытового назначения на постоянном токе (см. рисунок 3).

Рисунок 3 – Схема организации пилотной распределенной энергосистемы

 

Потребителями на данном рисунке изображены домовладения, которые имеют постоянное подключение к общеобъектовой (общепоселковой) сети постоянного тока.

Отдельные потребители объекта могут иметь собственные источники генерации, которые состоят из солнечных панелей, ветрогенераторов,  дизель-генераторов, водородных, газовых и метанольных топливных элементов. Состав источников генерации подбирается в зависимости от района расположения объекта и доступных ресурсов первичных источников энергии.

Системы аккумулирования чаще всего основаны на классических электрохимических аккумуляторах. Для крупных потребителей возможно использовать системы аккумулирования на базе электролиза воды и получения водорода.

В данной схеме в каждом доме существует также собственная внутренняя сеть постоянного тока, которая объединяет в себе ресурсы всех источников собственной генерации, накопления и потребления и позволяет обмениваться электроэнергией через устройство учёта с другими домами-потребителями, также имеющими свои внутренние сети на постоянном токе.

Общеобъектовая (общепоселковая) электросеть на постоянном токе обеспечивает и общепоселковое потребление, в которое входит уличное освещение и различные объекты, связанные с жизнеобеспечением поселка.

Управление такой электросетью производится с помощью автоматизированной системы управления технологическим процессом (АСУ ТП) энергообеспечения объекта посредством поселковой информационно-коммуникационной инфраструктуры и локальных управляющих  контроллеров отдельных домовладений, которые в свою очередь производят управление и учёт состояния в каждом из них и передают данные, запросы и подтверждения в облачное хранилище АСУ ТП.

Тем самым создается единый массив информации о состоянии отдельных элементов и системы в целом. Используя необходимую информацию из облачного хранилища, АСУ ТП и контроллеры, посредством органов управления, которые подключены к каждому объекту генерации, хранения и потребления энергии, регулируют энергетические потоки в системе.

Стабильное функционирование распределенной энергосистемы обеспечивается автоматизированной системой управления АСУ ТП с использованием технологии так называемого «частного облака» (private cloud), в котором хранятся все данные об энергосистеме. АСУ ТП осуществляет контроль параметров работы всех элементов энергосистемы, включая клиентов-потребителей, анализ текущего спроса-предложения на электроэнергию, а также управление исполнительными устройствами, осуществляющими коммутацию цепей и перераспределение электроэнергии в энергосистеме.