Твердотельные подстанции
По мере перехода на экологически чистые источники энергии и распространения просьюмеров (потребителей-производителей), накопителей энергии и электромобилей кардинально меняются требования к распределительным и магистральным сетям.
В Департаменте энергетики США считают, что в основу будущих электрических сетей ляжет технология интеллектуальных универсальных силовых регуляторов SUPER (Smart Universal Power Electronics Regulator). Эти модульные преобразователи энергии призваны увеличить надёжность и сократить число отключений в сетях благодаря программно-аппаратным системам контроля состояния оборудования, улучшенной коммуникации и повышенной безопасности.
Электрические шлакоблоки
SUPER-преобразователи представляют собой базовые блоки силовой электроники с расширенными возможностями и интеллектуальным управлением. Речь идёт о преобразователях постоянного тока, которые могут быть сопряжены, при необходимости, с выпрямителями или инверторами. Блоки состыковываются друг с другом, что обеспечивает нужные номинальные значения напряжения и мощности. Например, входы нескольких преобразователей можно подключить последовательно, а выходы - параллельно, чтобы снизить напряжение. Благодаря стандартизованным соединениям и коммуникационным протоколам получаются универсальные изделия, пригодные для применения в самых разных системах.
Руководитель отдела интеграции энергосистем в Окриджской национальной лаборатории (ORNL) Матху Чинтавали отметил, что предлагаемая архитектура хорошо подходит как для систем генерации, так и для передачи чистой энергии по сетям. Между тем сегодня эти решения строятся беспорядочным образом на разномастном оборудовании, которое не стандартизовано, перегружает каналы связи и повышает уязвимость систем к кибератакам.
Кстати, концепция модульных преобразователей энергии не нова. Она развивается с конца 1990-х по заказам Управления военно-морских исследований США. Строительные блоки силовой электроники (Power Electronics Building Blocks, PEBB) изначально были созданы для корабельных энергосетей, питающих разнообразные бортовые системы. В 2004 году Институт инженеров электротехники и электроники оформил PEBB как рекомендацию для применения в гражданских электрических сетях. Недавно на этой основе была создана модульная подстанция среднего напряжения, предназначенная для питания электрозарядных станций. Подстанция содержит защитные выключатели, понижающий трансформатор и мощный инвертор.
Окриджская лаборатория участвовала в организации консорциума PACE (Power electronics Accelerator Consortium for Electrification) как площадки для ускоренной разработки новых технологий и устройств. «Управление потоками энергии - это серьёзный вызов, именно поэтому ORNL пытается объединить разработчиков в структурированную группу для дальнейшей шлифовки концепции SUPER и демонстрации первых прототипов в самом скорейшем времени», - объяснил Чинтавали.
Стоит отметить, что традиционные твердотельные преобразователи для электрических сетей не годятся. Дело в том, что оборудование подстанций должно одну-две секунды выдерживать токи короткого замыкания, в десятки раз превышающие номинальные. Полупроводниковые ключи к этому не способны (они разогреваются и выгорают за миллисекунды), а многократный запас мощности не пройдёт по экономическим соображениям. Требуются всесторонние исследования и инновационные разработки по защите твердотельных преобразователей от перегрузок токами короткого замыкания в 5-65 кА при высоких напряжениях, а также высокими пусковыми токами при подключении трансформаторов и других индуктивных нагрузок. В ORNL надеются, что эту проблему удастся решить.
Теперь всё будет иначе
Твердотельные инверторы и раньше можно было составлять из блоков, однако их возможности были сильно ограничены примитивными средствами диагностики, управления и связи. «В имеющихся системах отказ одного полупроводникового чипа приводит к полному выключению инвертора», - уточняет исследовательница Радха Кришна-Мурти (рис. 1). «Притом для замены дефектного блока можно использовать изделия только одного поставщика», - добавляет технический руководитель проекта Стивен Кемпбелл.
контролировать своё состояние» (Фото: ORNL)
Концепция твердотельных электрических подстанций SSPS (Solid State Power Substations) предполагает, что базовый элемент - каскад интеллектуального преобразователя IPS (Intelligent Power Stage) - можно извлечь и заменить, не отключая оборудование. Помимо этого IPS имеет множество датчиков и несколько вычислительных блоков, что позволяет ему отслеживать состояние собственных элементов и заранее выявлять проблемы. (Контролируется скорость заряда фильтрующих конденсаторов, сопротивление ключевых транзисторов в открытом состоянии и ток стока.) То есть речь идёт о предиктивной аналитике.
Скажем, SUPER-преобразователь в подстанции мощностью 250 кВт составлен из пяти каскадов IPS по 25 кВт. Если один из них выйдет из строя, подстанция потеряет часть мощности, но не отключится.
Внедряя в энергосистему твердотельные подстанции, можно преодолеть целый ряд инфраструктурных ограничений. Это, например, однонаправленные перетоки энергии, отсутствие средств быстрого регулирования напряжения, невозможность поддерживать надёжную системную защиту в постоянно меняющихся условиях. Более того, SSPS упрощают построение гибридных сетей и поддерживают запуск блоков традиционной генерации от батарейных накопителей.
Сами твердотельные подстанции делятся на три класса в зависимости от предельных характеристик используемых в них преобразователей: SSPS 1.0 (напряжение до 34,5 кВ, мощность до 10 МВт), SSPS 2.0 (до 138 кВ и 100 МВт) и SSPS 3.0 (без ограничений). Твердотельные подстанции будут вытеснять обычные по мере технологического развития, отражаемого повышением класса SSPS (см. рис. 2).
Хабы и узлы оптимизации
В сетях с твердотельными подстанциями можно использовать традиционные централизованные системы управления, но задачу оптимизации режима сети, к которой подключены тысячи разноплановых интеллектуальных устройств, нельзя решать в реальном времени. Для этого нужно определить иерархические уровни системы и передать им инструменты оперативной оптимизации с учётом их приоритетов. Каких? Например, в микросетях и гибридных сетях постоянного/переменного тока основные приоритеты - это обычно надёжность и устойчивость.
Концепция распределительных сетей на основе твердотельных электрических подстанций включает понятие узла. Он определяется как участок сети, где SUPER-преобразователи подключены к общей шине. Контроллеры узлов программируют SUPER-блоки на различные внутриузловые функции: введение активной и реактивной мощности, поддержание частоты и другие. Узлы чаще всего существуют в форме микро- или наносети.
Хаб сети определяется как совокупность SUPER-преобразователей, соединяющих несколько разных фидеров. Контроллеры хабов программируют SUPER-блоки на передачу мощности и поддержание требуемых напряжений. Кроме того, контроллер хаба обеспечивает стабильную совместную работу SUPER-блоков.
Хабы и узлы - это основные элементы для оптимизационной модели.
Окончание статьи вы найдёте, щёлкнув здесь.
Читайте другие наши материалы
