Интелигентни електроенергийни мрежи

Smart Grid технологиите – предпоставки за развитие, функционални характеристики, специфични особености

      Независимо от многобройните технически подобрения, принципът на действие на съвременните електроенергийни мрежи (ЕЕМ) в основата си продължава да е същия, както при създаването им преди повече от 100 години. Непрекъснато нарастващите нужди от електрическа енергия и тревожното влияние на производството й върху околната среда очертават все по-ясно редица недостатъци, чието отстраняване изисква нови решения. Това доведе до идеята за интелигентните електроенергийни мрежи (Smart Grid, Smart Electric Grid, Smart Power Grid, Intelligent Grid) SG, за чието развитие са обединени усилията на множество електроенергийни компании, производители на електрооборудване и държавни институции. Интелигентните електроенергийни мрежи се различават от т.нар супермрежи (Super Grid), които са предназначени за пренос на значителна енергия на много големи разстояния и чиито проводници в някои случаи се охлаждат с течен водород за намаляване на съпротивлението и съответно на  загубите.

Конвенционалните електроенергийни мрежи

При класическия модел производството на електроенергия е съсредоточено в големи електроцентрали, където основно се контролира състоянието на генераторите и се следи да не се претоварват. Енергията се подава на преносната мрежа (в Европа дължината й е над 230 хил. км, а напрежението 220 и 400 kV), в която се контролира състоянието на линиите и на съоръженията в трансформаторните подстанции и се следи векторът (амплитудата и фазата) на напрежението. В последното е едно от сериозните съвременни технологични подобрения чрез използването на специализирани уреди (Phasor Monitoring Unit) PMU, които правят няколко хиляди измервания в секунда и се синхронизират чрез GPS системи. Следва електроразпределителната мрежа (дължина в Европа над 5 млн. километра), където напрежението чрез други подстанции се намалява последователно до 220 V и в която се следи състоянието на линиите и подстанциите. Най-накрая са дребните потребители, чието състояние и консумация не се контролира в реално време, а и те практически не участват в производството на електроенергия. Цялата събрана информация за състоянието на мрежата се предава в диспечерски пунктове, всеки обхващащ голяма територия, където се правят необходимите промени, най-вече включване и изключване на генератори в зависимост от консумацията. Реално, последното е основната реакция на непрекъснато променящите се условия на работа на ЕЕМ. Съсредоточеното генериране на електроенергията и естеството на управлението вече не съответстват на съвременните нужди и са два от сериозните недостатъци на съществуващите мрежи. Освен това, при изграждането им те се оптимизират за ефективна работа в рамките на дадена област или държава, докато обменът на електроенергия между по-големи региони се прави само при недостиг на такава в някои от тях.

Максималното количество на пренасяната електроенергия съществено зависи от температурата на проводниците на мрежата, а те – от условията на средата около тях (температура на въздуха, скорост и посока на вятъра, слънчева активност). Достатъчно е да се спомене фактът, че нарастването на скоростта на вятъра с 1 m/s позволява пренасянето на няколко десетки процента енергия повече. В съществуващите мрежи тези параметри на средата се приемат за неизменни за определени периоди от време (дори месеци) на основата на статистика от наблюдения и служат за определяне на максимално възможната пренасяна енергия. При непрекъснато следене на параметрите на околната среда, стойността на тази енергия може да се определя във всеки момент от време, което ще осигури оптимално използване на мрежите. Наблюдения и изчисления показват, че по този начин максималното количество пренасяна енергия може да се увеличи до 4 пъти.

Не по-малко съществени са загубите от преноса - 7 до 10% при нормално натоварване и до 30% във върховите часове. Например, намаляването на последното с 5% само в САЩ означава, че стават излишни 625 върхови електроцентрали и свързващите ги мрежи.

Все още голяма част от производството на електроенергия е свързано с изгаряне на въглища (50% от електроенергията в САЩ се произвежда от ТЕЦ) и нефт, при което в атмосферата се отделят вредни газове, между които СО2. Не по-малко важно е, че увеличаването на консумацията на електроенергия води до по-чести повреди в ЕЕМ и съответно, до повече средства за ремонти. Например, при надеждност на ЕЕМ в САЩ от 99,97% годишните загуби поради повреди са повече от 100 милиарда USD. Що се касае до Европейския съюз, общата оценка е, че има съществени слабости на ЕЕМ в производството и доставката на електроенергия и че те не отговарят на съвременните изисквания, включително влиянието им върху климата. Именно екологичните щети от производството са причина ЕС да приеме програмата 20/20/20 – през 2020 г. изхвърляните в атмосферата вредни газове да бъдат намалени с 20%, електроенергията от възобновяеми източници да стане 20% от общата и консумацията да намалее с 20% за сметка на по-малките загуби. Нещо повече, ЕС планира през 2050 г. вредните газове да бъдат намалени с 80%.

Не трябва да се пренебрегва и фактът на реално несъществуващата конкуренция поради монополното разпределяне на териториите от доставчиците на електроенергия, което определено е ограничаващ фактор за модернизация.

Необходимостта от сериозни промени в структурата на ЕЕМ се потвърждава и от случаите на претоварване – за избягване на повреди в ЕЕМ се използва автоматично изключване, често за продължително време, на цели градове и области, което далеч не е съвременен подход.

За несъвършенствата на съществуващите ЕЕМ могат да се прибавят още много неща, но е достатъчно обобщението, че големите загуби на енергия в тях и недостатъчно доброто нейно качество стават все по-трудно приемливи.

Необходимост от SG

В съвременния свят електроенергията е основен фактор за осигуряване на стабилна икономика и нейния растеж, както и на висок жизнен стандарт. Същевременно, нейното необходимо количество непрекъснато нараства, а много от новите индустриални и битови прибори изискват по-високо нейно качество. Все по-неравномерно става и разпределянето на консумацията й в рамките на денонощието, дните на седмицата и сезоните.

Споменатите прекъсвания на електрозахранването поради повреди имат особено неблагоприятен ефект върху транспорта, производствата с непрекъснат цикъл, здравните заведения и финансовия сектор. Затова, при настъпването им е необходимо автоматично и максимално бързо те да бъдат локализирани и дадени препоръки за отстраняването им, което в най-добрия случай също трябва да се извърши автоматично. Последното реално може да се осъществява само от SG и то в част от случаите в зависимост от нейното техническо ниво. По подобен начин при аварийно спиране на голям източник на енергия от ЕЕМ е необходимо да се изключи съответното количество консуматори, за да не се получи евентуално дестабилизация на мрежата. Най-добре е това също да става автоматично, например като се използва намаляването на честотата на мрежовото напрежение.

За намаляване на загубите поради наличието на реактивна енергия в ЕЕМ трябва нейната стойност непрекъснато да се следи и автоматично да се управляват устройствата за подобряване на cosj.

Друг съществен въпрос е, че алтернативните източници трябва да работят безпроблемно с EEМ, за да могат те да се превърнат от мрежи с централизирано производство на електроенергия в такива с разпределено производство, с което безспорно ще се намалят загубите поради пренасянето на енергията на по-малки разстояния.

Тези и множество други причини налагат преобразуване на съществуващите електроенергийни мрежи в интелигентни SG, подобно на необходимостта от автомагистрали в средата на миналия век и от новите информационни технологии през 80-те и 90-те години. Съвременните основни изисквания към SG са:

- Да осигуряват достатъчно количество електроенергия. Главната причина за това е, че съществуващите мрежи пренасят през значителна част от времето енергия около максималната, за която са проектирани, а често и по-голяма.

- Да доставят навсякъде качествена електроенергия независимо от условията. Доброто качество включва поддържане на синусоидалната форма на напрежението, на неговата амплитуда и фаза в границите на стандарта, както и работа без прекъсване на захранването при наличие на смущения и други външни въздействия.

- Производството, преноса и консумацията на електроенергията да става с минимални загуби и максимална надеждност. Едно от условията за постигане на последната е наличието на непрекъснат контрол на значително повече параметри на мрежите, което от своя страна изисква усъвършенствани прибори с бърза двупосочна връзка помежду им.

- Алтернативните източници (вятърни генератори, фотоволтаични модули, газови турбини, микротурбини, горивни клетки, биогоривни генератори и др.) да бъдат неразделна част от мрежата. Свързването на тези източници към сегашните ЕЕМ може да увеличи нестабилността им, която да се изрази дори в спиране на електрозахранването в големи райони.

- Да имат гъвкаво ценообразуване в зависимост от търсенето и предлагането на електроенергията.

- Да притежават достатъчна устойчивост (работа без прекъсване на електрозахранването или влошаване на качеството на електроенергията) при умишлено нарушаване на техническото и програмното осигуряване на мрежите, включително при терористични атаки.

- Да осигуряват участие на потребителите в оптимизиране на работата на мрежите, включително чрез автоматичен избор на източника на ползваната електроенергия – например в определени периоди да се консумира енергия от мрежата, а собствената фотоволтаична централа да доставя енергия в нея, като в други периоди потребителят да получава енергията си и от двата източника.

- Да удовлетворяват изискванията на всички отнасящи се до тях стандарти и законови разпоредби.

Друго изискване, което според специалистите не е основно, но има съществено значение, е SG да позволяват зареждането на акумулаторите на хибридните и електрическите автомобили и използването им за доставяне на електроенергия обратно в мрежата. Важността на това изискване ще нараства предвид очакваното бързо увеличаване на количеството на тези автомобили.

Освен за удовлетворяване на всички тези изисквания въвеждането на SG е необходимо и заради промените в климата, които усложняват работните условия, поради остаряването на съществуващите мрежи (съоръженията им изискват все повече средства за поддържане и ремонт) и заради увеличаването на цените на горивата. На SG се разчита за създаването на много по-големи от досегашните ЕЕМ с крайна цел една континентална мрежа, а в по-далечно бъдеще – на световна мрежа, което ще доведе до по-нататъшно намаляване на вероятността от прекъсване на електрозахранването при възникване на повреда.

За намаляване на вредните газове няма да се разчита само на алтернативните източници, които през 2020 г. би трябвало да осигуряват 5% от световния добив на електроенергия, а и на понижаване на количеството вредни емисии при изгарянето на въглища (през 2020 г. около 35% от електроенергията ще продължава да се произвежда от ТЕЦ). За целта включените в SG електроцентрали ще използват технологии за улавянето на СО2, чиито принципи са известни, но предстои въвеждането им в практиката.

Удовлетворяването на изложените многобройни изисквания към SG прави необходимо не само осигуряването на сериозни капиталовложения (ЕС е предвидил до 2020 г. да отдели 30 милиарда евро за SG), но и обединяване на усилията на правителствени институции, фирми, изследователски центрове и университети.

Същност на SG

Пет се основните характеристики на SG:

Активно участие на потребителите в работата на SG, което едновременно е от полза и за самите тях, и за мрежата. Класическият случай в съществуващите мрежи е цените на електроенергията да са фиксирани предварително за дълги периоди от време (дневна и нощна тарифа), докато стойността на произведената електроенергия се мени почти всеки час, като в рамките на едно денонощие максималната може да е до 10 пъти по-голяма от минималната. В интелигентните енергийни мрежи съществува двупосочна информационна връзка между доставчика и потребителя, при което последният е непрекъснато информиран за консумираната електроенергия и цената й. Има различни начини за това, които предстои да бъдат подробно разработени и оценени. Един от тях използва допълнителен модул след главния предпазител на жилището, в който потребителят програмира ценовите си предпочитания и блокът автоматично включва и изключва определени товари в зависимост от моментната стойност на електроенергията.

Задължителна работа на мрежата с всички източници на енергия и устройства за съхраняването й. Видовете източници вече бяха разгледани, но не по-малко важно от тях е съхраняването на електроенергията. Засега то се очаква да се използва главно в жилища и офиси, където количеството на съхраняваната електроенергия не е особено голямо. Няма принципни ограничения това да се прави и в индустриални предприятия, но там има повече технологични проблеми поради значително по-голямото количество на съхраняваната електроенергия. Принципът е, че тя се натрупва при ниска цена, а при висока цена се използва в жилището или се продава обратно на доставчика. Съхраняването ще се извършва в акумулатори, чиито съвременни разновидности позволяват използването им поне 10 години при един цикъл заряд/разряд в денонощието. По принцип акумулаторните батерии се състоят от множество модули, поради което изключването на някои от тях за профилактика или ремонт няма да се отрази съществено на използването им. Повишаването в бъдеще на цените на нефта, природния газ и въглищата ще прави все по-ефективно ползването на акумулаторите. Същевременно те са задължителен елемент при използването на вятърни генератори и фотоволтаични модули. Друго предимство е, че акумулаторите реално представляват буфер, който бързо и практически незабележимо за консуматорите поема захранването при липса на мрежово напрежение. И не на последно място, те са източник за бързо зареждане на хибридни и чисто електрически автомобили (които пък от своя страна също могат да играят ролята на акумулиращи модули, буфериращи пиковото потребление в мрежата, когато не се използват).

Интелигентните електроенергийни мрежи са гъвкави и към тях лесно могат да се свързват нови блокове, да се въвеждат нови услуги и да се правят промени в зависимост от пазарните условия.

Осигуряване на качествена електроенергия. Четири са основните изменения на мрежовото напрежение, които представляват влошаване на качеството – намаляването му (Sag, Undervoltage) главно поради включването на мощни товари, появата на хармоници заради наличието на товари  с нелинейна характеристика, отскоци на напрежението (Spike) с продължителност от няколко us до няколко ms, главно поради естеството на работа на повечето съвременни осветителни тела, и разбалансиране (появата на различни напрежения в трите фази) отново при включването и изключването на мощни товари. В SG тези изменения трябва да са значително по-малки отколкото в съществуващите ЕЕМ.

Оптимизиране на използваемостта на SG, за което има няколко основни начина. На първо място това е предвиждането (на основата на натрупани статистически данни) на промените на консумираната електроенергия, с което ще се намалят промените в напрежението поради включване и изключване на мощни консуматори. По подобен начин ще се правят прогнози за настъпване на повреди и съответните блокове предварително ще се проверяват или заменят. При все пак неизбежна повреда, специално разработена система (Outage Management System) ще позволява бързото й локализиране и ще дава препоръки за нейното отстраняване. Последният елемент на оптимизирането е наличието на система за моделиране на SG и симулиране на действието й в различни условия на работа, което ще позволи да се правят необходимите промени за подобряване на сигурността на работа.

Важна част на SG са преносните мрежи, през които трябва да преминава все повече електроенергия и те да стават по-надеждни. Първото изискване е поради съществуването на места с голямо производство на електроенергия и такива с голяма консумация. То отдавна е определило необходимостта от преносни супермрежи, част от които са постояннотокови (High Voltage Direct Current Line) HVDC и засега осъществяват връзка само между две точки. Те могат да се обединят със SG и да се образуват т.нар. интелигентни супермрежи (SuperSmart Grid) SSG. Един от проблемите, които трябва да бъдат решени при създаването им, е свързването една с друга на повече мрежи. Необходими са на първо място заради възможността от създаване на мощни фотоволтаични централи в пустинни райони. В момента действа европейският проект DESERTEC, имащ за цел да създаде  структурата на мрежа за добив на електроенергия в Сахара и доставянето й в Европа, идея която е дадена на фиг. 1. Съществена нейна особеност е, че преносът Сахара-Европа се извършва с мрежа HVDC. Нейното реализиране изисква не само много сериозни технически решения, но и големи капиталовложения – за пренасяне на мощности 5 GW стойността на изграждането ще е между 10 и 25 млрд. евро.

Друга алтернатива са гъвкавите променливотокови преносни системи (Flexible AC Transmission System) FACTS, които използват подходящо свързване  чрез тиристори на компенсиращи кондензатори за намаляване на загубите на енергия поради значителната собствена индуктивност на мрежата. Надеждността се осигурява чрез споменатия контрол на параметрите на околната среда и предаването на данните в управляващ център, където те бързо се обработват и се генерират управляващи сигнали за промяна на предаваната електроенергия.

Структура на SG

Тя е в процес на създаване и развитие и затова като готови продукти засега се предлагат само елементи на SG, а цялостните мрежи са в процес на експериментални изследвания. Един от специфичните примери за елемент от SG са виртуалните електроцентрали (Virtual Power Plant), които представляват съвкупност (клъстер) от алтернативни източници на електроенергия с общо управление, разположени на различни места. Част от източниците (микротурбини, газови турбини и биогенератори) се включват само при необходимост от осигуряване на достатъчно електроенергия, докато ползването на другата част (ветрогенератори и фотоволтаични модули) зависи от климатичните условия. Това съчетание позволява електроцентралата като цяло винаги да осигурява желаната електроенергия и от гледна точка на потребителите не се различава от класическа ТЕЦ. Важно е да се има предвид, че напрежението от алтернативните източници е до 1-2 kV, поради което виртуалните електроцентрали се свързват в нисковолтовите части на енергийните мрежи. Чрез двупосочна комуникационна мрежа виртуалната електроцентрала събира исканията на потребителите за желаните от тях количества електроенергия във фиксирани периоди от време и в съответствие с това включва необходимите източници. Един от важните резултати от това действие е ползване изцяло на произведената електроенергия от алтернативни източници. Пример за структурата на експериментална виртуална електроцентрала, разработена в рамките на Европейската програма FP5 и работеща в Щутензее - Германия, е дадена на фиг. 2. Трифазната мрежа ниско напрежение, означена като 400 V, е свързана към товарите заедно с когенерационната миницентрала СНР (Combined Heat and Power) за производство на електрическа и топлинна енергия, фотоволтаичният източник РV (панели и инвертор DC/AC) и батерията Bat (акумулатор и инвертор DC/AC). Включването и изключването на различните източници и определяне на работата на Bat в режим на зареждане или като източник на енергия се управляват от блока CNTR, свързан към Интернет.

Друг пример за елемент от SG, е системата iDigi Energy за дистанционно управление на различни прибори и изпълнителни механизми чрез някой от широко използваните информационни канали. Те са показани вдясно на фиг. 3, като на практика може да се ползва произволно количество от тях. Данните от информационния канал или канали управляват показаните вляво устройства. Двупосочните връзки означават, че системата осигурява събиране на данни от устройствата за работното им състояние и предаването им по съответния канал или канали, които могат да имат произволен IP адрес. Основното предназначение на системата е управление на термостати и задействане чрез релета на различни прибори (напр. лампи), събиране чрез сензори на данни за средата и получаване на визуална информация на дисплеи. Системата е отворена и позволява прибавяне на нови устройства и отстраняване на съществуващи. Основната цел на използването й е оптимизиране на консумацията на електроенергия в жилища и офиси чрез изключване на устройства или привеждането им в икономичен режим за интервалите от време с висока цена на енергията или, когато съответното помещение не се използва.

 Важна особеност на SG е, че класическото централизирано управление на енергийната мрежа при тях се замества с децентрализирано управление. Това означава създаване на микромрежи ниско напрежение (LV Microgrid), които могат да работят както свързани помежду си, така и самостоятелно. Последното означава, че продължават да работят самостоятелно със собственото си управление и след изключване от останалата част от общата мрежа, т.е. собствените им разпределени източници на енергия продължават да осигуряват захранването на товарите. Идея за микромрежа е дадена на фиг. 4. Показани са четири от възможните енергоизточници - горивни клетки FC (Fuel Cells), малки генератори mG, фотоволтаични системи РV и акумулаторна батерия BAT, като първите три имат преобразувател DC/AC на постоянно в променливо напрежение, а преобразувателят CONV има функции на DC/AC и AC/DC, тъй като ВАТ може да се зарежда от общата мрежа или да й дава енергия. Разпределителният блок COND свързва товарите към един или повече от източниците или към общата мрежа. Управлението на микромрежата се осигурява от нейния малък диспечерски модул mCU. В по-далечно бъдеще колите с водородно гориво също ще могат да бъдат използвани като източници на електроенергия, когато не са в движение.

Предимства на Smart Grid концепцията

Улеснено свързване и функциониране на източниците на електроенергия.

Подобрена структура на мрежите, което определя по-сигурното им действие и наличието на по-качествена електроенергия.

Предоставяне на потребителите много повече информация за работата на мрежата и възможността да участват в оптимизиране на работата й.

Възможност за автоматично отстраняване на някои повреди (Self-healing).

По-слабо въздействие върху околната среда поради намаленото отделяне на СО2 и намаляване на загубите от пренасянето на електроенергията.

Осигуряване на потребителите на по-рационално използване на необходимата им електроенергия и възможност да бъдат и нейни доставчици.

Интелигентните електроенергийни мрежи

представляват съчетание на централизирано (съществуващата мрежа) и разпределено (микромрежи) електрозахранване. В тях потребителите вече не са пасивни консуматори, а сами избират доставчика на енергия, както и генерират такава. Предварителното подаване на заявки за определени количества енергия в дадени интервали от време позволява по-добро използване на наличните мощности, което някои специалисти наричат “индиректно генериране на енергия”. Към това следва да се прибави значително по-добрият контрол на работата на всички възли на SG, което гарантира по-сигурното им функциониране.