Интелигентни електроенергийни мрежи

Технически и икономически аспекти на Smart Grid концепцията

    Въпросите относно необходимостта, действието и особеностите на интелигентните електроенергийни мрежи (Smart Grid) SG бяха разгледани в бр. 2/2010 г. на сп. Енерджи ревю. Практическата реализация на мрежите и ефективната им експлоатация изискват реализирането на решения на множество технически и икономически проблеми. По-голямата част от тях са все още в етап на принципно уточняване и първоначални варианти, които предстои да бъдат оценявани и усъвършенствани, докато други вече навлизат като технически средства и икономически методики в съществуващите електроенергийни мрежи. В рамките на Европейския съюз действа Европейската програма за интелигентни мрежи (European Technology Platform Smart Grids), целяща създаването на стратегия за тяхното развитие с фиксиране на основните проблеми, по които е необходимо да се работи.

Настоящата статия е посветена на вече постигнатите резултати в технически и икономически план, както и на проблемите, които предстои да бъдат решени за изграждането на мащабни и ефективно действащи интелигентни електроенергийни мрежи.

Осигуряване на качествена енергия

В споменатата статия от бр. 2/2010 на Енерджи ревю бе изяснено, че постигането на добро качество на електроенергията (Рower Quality) PQ изисква непрекъснато поддържане на амплитудата, фазата и формата на мрежовото напрежение, и липсата на прекъсвания в електрозахранването. В зависимост от вида на консуматорите се приема, че съществуват две степени на PQ – стандартната е за "обикновените" потребители, например битовите, докато високата (Premium PQ) е за някои индустриални производства (напр. с непрекъснат цикъл), болничните заведения, електротранспорта, определени обществени, правителствени и финансови институции. Степените се отнасят и за електронните устройства (често наричани електронни товари), захранвани от мрежата, чийто дял непрекъснато нараства (в скоро време се очаква те да са над 50% от всички товари), и за чиято нормална работа постигането на определено PQ е задължително.

За реализацията на интелигентни електроенергийни мрежи (SG) с желано PQ се използват две групи средства. Едната включва съвременни проводящи (вкл. свръхпроводящи) и изолационни материали, устройства за съхраняване на енергия и силова електроника, както и подходящо проектиране на електропреносните и разпределителни мрежи с цел намаляване на влиянието на външните фактори върху PQ. Втората обхваща методите и приборите за бързо и ефективно регистриране на всяка промяна на PQ и взимане на точното решение за възстановяването му. Съществуват прибори, например т. нар. Phase Measurement Unit (PMU), синхронизирани чрез GPS, които непрекъснато събират и предават информация за състоянието на мрежата. Създадени са и програмни продукти с такова предназначение (два примера са Smarter Dispatch за контрол на производството на електроенергия и Micro Grid Management за отговорни локални консуматори - болници, летища, нефтопреработвателни предприятия и др.

Контролът и поддържането на качеството на електроенергията изисква създаването на измерители на PQ (PQ Meter) и на силови електронни устройства за бързо коригиране на промените в мрежовото напрежение. За тези прибори няма фиксирана позиция – в зависимост от нуждите те се разполагат в местата на производство на електроенергия, в преносната и електроразпределителната мрежа и при консуматорите. Съществуват класически мрежи с такива прибори и наименование Flexible AC Transmission System (FACTS), като засега най-често те са преносни. Характерен пример са статичните VAR компенсатори SVC за мощности до няколко стотици MW и напрежения до няколко десетки kV. Те намаляват промените на мрежовото напрежение и хармониците и подържат cosj близък до 1. Принципът на действието им е включване и изключване чрез тиристори на кондензаторни блокове и дросели в зависимост от големината на реактивната мощност в мрежата. Чрез икономиите от по-малки загуби на електроенергия и от намалените повреди, SVC се изплащат за 1-2 години.

За ограничаване на повредите поради претоварването на мрежата са създадени т. нар. ограничители на тока на късо съединение (Short Circuit Current Limiter), намиращи приложение в преносни мрежи до 500 kV. Те са свързани последователно в мрежата и при незадействано състояние имат нищожен импеданс. Когато токът надхвърли определена стойност, бързо (за няколко ms) включват ограничителен дросел.

Интелигентните електромери

вече масово навлизат в класическите мрежи. Освен като непосредствени приложения, те позволяват натрупването на ценен опит за евентуални бъдещи усъвършенствания предвид специфичните изисквания на SG. Напълно естествено е да са електронни и да могат да измерват активна и реактивна мощност и енергия, а най-добре е и привидна. Съществуват еднофазни и трифазни разновидности, задължително снабдени с дисплей (практически винаги LCD), като трифазните могат да работят в мрежи триъгълник и звезда. Грешката на измерването най-често е 0,1% и 0,5% и по-рядко 0,2%.

Няколко са специфичните изисквания съм електромерите за SG, като на първо място е възможността да измерват поотделно консумираната и произвежданата от алтернативни източници енергия. Типичният динамичен обхват (отношението на максималната и минималната енергия, която може да бъде измерена с дадената грешка) трябва да е не по-малък от 1000:1, но вече има електромери с 2000:1 и 3000:1. С усъвършенстване на аналоговата част на електромерите и техните цифрово-аналогови преобразуватели, динамичният обхват може да продължи да се разширява, а измерваната мощност – да намалява. Част от съществуващите електромери могат да измерват и тока на нулевия проводник, което вероятно ще стане задължително за тези в SG. Това позволява установяване на опит за кражба на електроенергия чрез свързване на консуматор между фазата и земя, тъй като при това токът на нулевия проводник силно се различава от този на фазата.

Някои електромери измерват и качеството на доставяната енергия, което включва регистриране на краткотрайни значителни промени на напрежението и на краткотрайни големи токове, измерване на мрежовата честота и фазовата разлика между тока и напрежението с грешка от няколко десети от процента. Освен това имат вградена памет за измерваните величини и за постъпващата информация от доставчика, чието съдържание не се губи при липса на мрежово напрежение поради наличието на резервираща батерия.

Електромерите в SG ще бъдат индивидуални (за отделен краен потребител) и колективни, например общи за една жилищна кооперация, но отчитащи поотделно консумацията на всеки от потребителите. Като се имат предвид възможностите на съвременните комуникации, можем да сме сигурни, че в SG освен съществуващото вече предварително заплащане (след изчерпване на сумата доставчикът автоматично изключва потребителя), ще бъдат въведени разнообразни форми на онлайн заплащане на сметките. При неспазване на срока за плащане ще има възможност за дистанционно изключване на некоректните потребители. Всичко това предполага двупосочна комуникационна връзка на електромерите с доставчика на електроенергия. По нея те предават данните от измерванията (инкасаторите за отчитане на консумацията стават излишни) и получават такива за цените на електроенергията и друга необходима информация. Видът на комуникационната линия в SG засега не е фиксиран, като се натрупва опит чрез съществуващите електронни електромери. Някои от тях изискват допълнителна комуникационна линия, като за предаване използват един или повече от стандартните интерфейси (обикновено I2C, UART и SPI), при други връзката е безжична (включително през ZigBee, GSM и др.), а в трети за целта се използва самата електрическа мрежа.

Реализацията на електромерите ще се основава на модерни интегрални схеми, като ще се използват  микроконтролери с добре развита периферия и вградено подходящо програмно осигуряване, както и специализирани интегрални схеми за електромери.

Идея за опростената структура на еднофазен електромер е дадена на фиг. 1. Чрез токовия трансформатор СТ (вместо него се използва и резистор) се получава напрежение, право пропорционално на тока във фазовия проводник L, а чрез делителя – напрежение, право пропорционално на мрежовото. Мултиплексорът MUX периодично подава двете напрежения на аналогово-цифровия преобразувател ADC, на чийто изход се получават съответните числа. Те се умножават в СЕ за получаване на моментните стойности на мощността, на чиято основа микроконтролерът МС изчислява енергията. Нейните стойности се записват в паметта МЕМ, където е и програмното осигуряване на електромера. Всички измервани величини се изписват на дисплея DISPLAY, а връзката с комуникационната линия CL се осъществява чрез приемо-предавателя TR. Блоковете MUX, ADC, CE, MC и МЕМ практически винаги са в една ИС, а TR може също да е в нея или да е външен.

Според статистически наблюдения, въвеждането на интелигентни електромери дори на сегашния етап води до намаляване на консумацията с 5-10%, като се смята че в една SG, оборудвана само с такива електромери, икономията би била значително по-голяма.

Съхраняване на енергия

То има съществено значение за SG, тъй като осигурява натрупване на енергия в периодите на надхвърлящо консумацията производство и отдаването й в мрежата при обратно съотношение. Подходящо място за съхраняване на енергията е в мястото на производството й както при конвенционалните източници (ТЕЦ, ВЕЦ, АЕЦ), така и при алтернативните със съответните (до голяма степен условни) наименования централизирано (Centralized Storage) и децентрализирано (Decentralized Storage) съхраняване. Устройствата и за двата вида съхраняване са стационарни, като количеството на съхраняваната енергия (Storage Capacity) SC и осигуряваните мощности (Power Capacity) PC са твърде различни.

Централизираното съхраняване се прилага отдавна и е от особено значение за ТЕЦ, независимо дали ползват въглища, нефт или газ, тъй като позволява производството на електроенергия да е практически неизменно във времето. В зависимост от начина на съхраняване на електроенергията, съществуват две групи. Първата използва превръщането на електрическата енергия в друг вид и съдържа четири основни разновидности:

- Помпено-акумулиращи хидростанции.

- Инсталации за съхранение със сгъстен въздух (CAES).

- Водородни инсталации с производство на водород, който се сгъстява или втечнява чрез електроенергия, след което се изгаря за производството й.

- Термично съхраняване (с к.п.д. около 99%) - сол се нагрява от слънцето през деня и отделената от нея топлина в лошо време и през нощта се използва за производство на електроенергия.

Тези устройства ще продължават да бъдат използвани и в SG, като границите на техните SC и PC са показани в горната дясна част на графиката от фиг. 2.

Втората група са акумулаторните батерии с по-малки SC и РС от предните, чието използване датира още от първите постояннотокови мрежи, и понастоящем се приема за съществен елемент от реализацията на SG. В случая основните изисквания към батериите са да имат големи капацитет и разряден ток, малко време на зареждане и дълъг експлоатационен срок. Приема се, че целевата му стойност е около 30 години, и като се има предвид, че при работата на вятърните и фотоволтаичните електроцентрали се налагат до около 300 цикъла заряд-разряд годишно, броят на циклите на акумулаторите трябва да е не по-малък от 10 000.

За централизирано  съхраняване засега има две основни разновидности. Първата (Sodium Sulphur Battery, NAS Battery) използва втечнена сяра като положителен електрод и втечнен натрий - като отрицателен, с твърд електролит от двуалуминиев триокис в поликристална форма между тях. Работят при температура 300 °С, като една типична клетка осигурява мощност 50 kW при тегло около 4 тона и има 2500 цикъла заряд-разряд. Те вече се използват в конвенционалните мрежи в САЩ (обща мощност 150 MW) и Япония (270 MW). Другата разновидност е на основата на ванадиев окис (Vanadiun-Redox Battery) VRB, означени на фиг. 2 като VRB акумулатори. Те съдържат регенеративна горивна клетка, през двете части на която от два резервоара преминава течен електролит на основата на ванадий. Основните им предимства са големият брой цикли заряд-разряд (над 10 000) и лесното увеличаване на капацитета чрез използване на цилиндри с по-голям обем. Например VRB за енергия 2,8 MWh и мощност 500 kW е с тегло 50 тона. Основните им приложения засега са във вятърните електроцентрали. Към тази група се прибавят и акумулаторите от цинков бромид (ZnBr), работата върху които е в по-начален стадий. Досега са създадени батерии за мощност 45-500 kW с време на зареждане 4-7 часа и такива за домакинства с мощност 10 kW и зареждане за 5 часа. Описаните акумулаторни батерии се използват както в централизираното, така и в децентрализираното съхраняване на енергия.

Устройствата за децентрализирано съхраняване са специфични за SG и придобиват все по-съществено значение с нарастване на дела на вятърните и фотоволтаични електроцентрали. За удовлетворяване на гореспоменатите изисквания се очакват подобрения на класическите оловни акумулатори, които могат да осигурят SC и РС в сравнително широки граници (фиг. 2). Сред последните новости, но все още в етап на разработка,  са акумулатори на основата на бариев титанат с мощност до 50 kW, над 106 цикъла заряд-разряд и време на зареждане 15 минути. Също перспективно, главно заради големия разряден ток и съответно голяма отдавана мощност, е съхраняването на електроенергия чрез магнитно поле от свръхпроводници (Superconducting Magnetic Energy Storage) SMES. При тях през охладен до достатъчно ниска температура свръхпроводник се пропуска голям ток и енергията се съхранява в създаденото магнитно поле. Предимство е стойността на К.П.Д. над 95%, а недостатък – високата цена на устройствата.

Специфични за SG са подвижните устройства (Mobile Storage) за съхраняване с по-малки SC и РС в сравнение с предните два вида. От тях на фиг. 2 са отбелязани тези с маховици и с добиващите все по-голяма популярност суперкондензатори. Към тях се прибавят литиевите акумулатори на хибридните електрически автомобили, чието бързо развитие вече е в ход. Литиевите акумулатори имат К.П.Д. над 90%, но са скъпи и затова приложението им за по-големи енергии в централизираното и децентрализираното съхраняване изглеждат ограничени. Независимо от това има експериментални реализации - в САЩ е построена акумулаторна станция за енергия 500 kWh и мощност 2 MW с време на заряд 15 минути.

Практическото използване на акумулаторните батерии и SMES изисква съчетаването им с комбинирани токоизправители/инвертори за двупосочно преобразуване на променливото напрежение в постоянно със съответното управление и система за охлаждане. Част от батериите са с утвърдено приложение и могат да се използват в SG непосредствено или с малки допълнения и изменения. За останалите предстои включването им в експериментални мрежи с трите вида съхраняване на енергията с цел оценка на техните технически и икономически показатели. При всички устройства за съхраняване предстои сериозна оценка на системите за управление и обмен на данни между тях и източниците на енергия.

Елементи и прибори

Освен електромерите, са създадени и влезли в производство или са в процес на разработка множество други елементи и прибори, които не само ще са част от SG, но и сега водят до подобряване на параметрите и повишаване на експлоатационните възможности на съществуващите мрежи. За тяхното разнообразие може да се съди по следните няколко характерни групи.

Проводници. За мрежи с високо напрежение са създадени трапецовидни проводници с намалено съпротивление и с 30% по-голям максимален ток, а други, на основата на алуминиеви сплави (тип ACCR), работят нормално при температура до 240 °С.

Токоограничители. Предпазват съоръженията на мрежите от недопустимо големи токове. Основната разновидност (Current Limiting Conductor, Distributed Series Impedance, HTS Fault Current Limiter) при нужда включват чрез своята програмируема логика или дистанционно последователно в линията подходящ импеданс за намаляване на тока до 10 пъти.

Сензори. Тяхното основно предназначение е задължителният за SG контрол на състоянието на мрежите и промяната на техните параметри при външни въздействия. За връзка на сензорите с диспечерския център на мрежата се разработват и съответни устройства, сред които като особено перспективни се считат безжичните в обхватите 0,8-1,9 GHz и 2,4-5,2 GHz. Към класическите величини (напрежение, ток, мощност и cosj), следени чрез сензорите, се прибавят температурата на въздуха и скоростта на вятъра около проводниците на преносните и разпределителните мрежи, което позволява оценка във всеки момент на стойността на максимално възможната пренасяна енергия. Чрез сензори се измерва и температурата на няколко места в трансформаторите в подстанциите, токовете им и съдържанието на газове в маслото за следене на работния режим и вероятността от възникване на повреда, което е важно за осигуряване на PQ. По подобен начин и със същата цел трябва да се следят и акумулаторните батерии. За следене на състоянието на силови кабели средно напрежение се използват сензори за индуктивност, чрез които се регистрират слаби електрически разряди (признак за намалено изолационно съпротивление), предвестник на повреда.

Интелигентни прибори. Един от видовете е за автоматично включване и изключване на консуматори в зависимост от цената на електроенергията. Обикновено се свързват безжично, ползвайки стандартен интерфейс, например Zigbee и RedLink. Примери са термостат за автоматично регулиране на температурата в помещения с отчитане на цената на консумираната електроенергия и устройство за зареждане на акумулаторите на РНЕV и свързването им към SG.

Експериментални мрежи

Част от тях са микромрежите (Microgrid), обединяващи няколко алтернативни източника с устройства за съхраняване на енергия и консуматори. По принцип основното им предназначение е да работят автономно (без свързване към електрическата мрежа) в отдалечени места и да са с мрежово напрежение. В рамките на 2-3 години се очаква и създаването на постояннотокови микромрежи, които не могат да ползват класическите товари, но избягват използването на преобразувателите на постоянно в променливо напрежение.

Вече са създадени и работят експериментални мрежи за оценка на възможностите, които предлага така наречената енергия по желание

Според утвърдения в много страни принцип на ценообразуване на електроенергията, съществуват две или повече часови зони с фиксирана цена за всяка от тях. Обикновено тя се определя от съответния регулатор на основата на средностатистическата производствена цена за предишен достатъчно дълъг период от време. Същевременно реалната производствена цена не е постоянна, през която и да е от часовите зони, а в рамките на 1 денонощие максималната е 2 до 5 пъти по-голяма от минималната. Очевидно това ценообразуване е в ущърб на една от страните, по-вероятно на потребителите.

Тъй като консумацията на електроенергия от мрежата е важен фактор за определяне на производствената цена, е логично потребителите да я знаят във всеки момент и в зависимост от нея да решават колко ще консумират. Именно това е основната идея на т. нар. енергия по желание (Demand Response) DR, чието реализиране ще позволи на потребителите да намаляват (когато това е възможно) консумацията си при висока цена и да я увеличават, когато цената е по-ниска. Безспорно това ще намали разходите им за електроенергия, а за потребителите, притежаващи вторични източници, ще донесе допълнителна икономическа изгода – в периодите на висока цена те могат да задоволяват частично или изцяло нуждите си от тези източници, т. е. да заплащат по-малко или нищо и дори да предоставят срещу заплащане енергия в мрежата.

За производителите DR също е икономически изгодна – намаляването на консумацията във върховите часове определя по-малки загуби на електроенергия и по-редки повреди поради претоварване на мрежата. Тъй като проектирането на мрежите се прави на основата на максималната консумация, нейното намаляване означава по-малки разходи по изграждането и поддържането им. И не на последно място, по-малкото производство на електроенергия във върховите часове води до намаляване на нейната цена.

Стандарти

Важен фактор за създаването на SG e наличието на подходящи стандарти, обхващащи всички техни аспекти, например за горната граница на хармониците, създавани от товарите в мрежата. В САЩ към National Institute of Standards and Technology е създаден орган (Smart Grid Interoperability Panel), който до юни 2011 г. трябва да направи необходимите допълнения на съществуващите стандарти, засягащи съхраняването, пренасянето и разпределението на електроенергията и необходимите за целта протоколи. От своя страна организацията IEEE работи по създаването на 70 стандарта, които трябва да са готови до март 2011 г., а Society of Automotive Engineers вече е създало стандарт за свързване на електромобили към мрежата 220 V.

Основни фактори за въвеждането в експлоатация на SG

Те са технически, законодателни и образователни. Изложението дотук показва, че първите стъпки за техническата реализация на части от SG вече са направени. Освен интелигентните електромери, се работи сериозно за създаване на интелигентни климатични системи в рамките на една сграда, както и за свързването на “бялата техника” на едно жилище в обща система. Като алтернативни източници вече са създадени микрогенератори и се работи за използването на широколентовите комуникации по електрическата мрежа за връзка между устройствата на SG.

Създаването на подходящи нормативни актове от страна на държавните институции е задължително, например за съвместна работа на електрическите компании с комуникационните, и със собствениците на сгради. Разяснителната работа сред населението е не по-малко важна, като основно тя трябва да се съсредоточи върху финансовата изгода от SG в дългосрочен план и значението им за опазване на околната среда.