Пилоты AC/DC
В Европе с сентября 2020-го идёт четырёхлетний проект TIGON по разработке и демонстрации решений для гибридных микросетей переменного/постоянного тока, финансируемый в рамках программы Евросоюза Horizon 2020. По его окончании должны быть решены проблемы, связанные с сопряжением традиционных сетей переменного тока среднего напряжения и инфраструктуры постоянного тока, используемой большинством объектов ВИЭ-генерации.
Для реализации проекта создан консорциум TIGON, который включает пятнадцать исследовательских организаций и производственных партнёров из восьми стран Евросоюза. Запланировано создание демонстрационных систем в испанском Центре развития ВИЭ (провинция Сориа) и в Институте солнечной энергии в Ле Бурже-дю-Лак на юго-востоке Франции. Найденные там решения для оценки перспектив планируется внедрить в пилотном режиме в метро Софии (Болгария) и в жилом микрорайоне Наантали (Финляндия).
В рамках проекта разрабатываются аппаратные и программные решения для управления сетями постоянного тока и их мониторинга. Создаются такие ключевые аппаратные компоненты, как твердотельные трансформаторы и преобразователи постоянного тока на карбид-кремниевых транзисторах, схемы защиты сетей постоянного тока и фотоэлектрические системы среднего напряжения. Программные разработки охватывают системы защиты и контроля, кибербезопасности, управления энергопотреблением, а также инструмент поддержки принятия решений для диспетчеров сетей постоянного тока.
Идеологи проекта рассчитывают, что его результаты помогут создать более эффективные энергосистемы, обладающие упрощённой электросетевой инфраструктурой, которая, тем не менее, обеспечит экономию электроэнергии при пиковых нагрузках и временной сдвиг максимума потребления мощности с помощью аккумуляторных батарей. Конечно же надеются на повышение устойчивости электросетей к технологическим нарушениям и увеличение доли возобновляемой генерации относительно существующих сетей.
Технический координатор проекта Иисус Мюноз - инженер по силовой электронике из испанского технологического центра Fundación CIRCE - объясняет, как такое возможно: «Для подобных проектов главное - успешное тиражирование, и мы готовы сотрудничать с производственными и внедренческими организациями, которые подхватят созданные нами технические решения. Но речь не только о технологиях: мы надеемся продемонстрировать бизнес-кейсы успешного применения микросетей».
Гибкость
Самая сложная задача у создателей гибридных сетей - связать цепи постоянного и переменного тока на нескольких уровнях напряжений. В проекте TIGON для этого предполагается использовать импульсные преобразователи и твердотельные трансформаторы. Подход очень прост: с помощью блоков нескольких видов, соединяемых последовательно и параллельно, получать необходимые для конкретного проекта напряжения и мощности. Таким образом микросеть сможет адаптироваться под разные задачи и меняющиеся условия.
У идеологов проекта нет сомнений, что гибридные сети способны обеспечить гибкость, необходимую для европейского энергоперехода. Остаются надёжность, устойчивость к внешним воздействиям и экономическая эффективность. Получить все эти свойства одновременно - сложная системная задача. Нужно добиться чёткой согласованной работы большого количества устройств, чтобы, как выразился Мюноз, «в каждом ящике правильно тикало».
«Мы намерены оптимизировать алгоритмы работы, управления и защиты сетей на постоянном токе, создав легко повторяемые решения. Это ключевой пункт, поскольку проект в какой-то момент завершится, а созданные в нём решения пойдут в широкое внедрение и в долговременную эксплуатацию, - объяснил он. - Помимо этого есть идея предложить услуги как оператору внешней сети, к которой будет присоединена гибридная микросеть, так и её пользователям».
Новые гибридные сети должны легко подключаться к унаследованным сетям переменного тока, задействуя большую долю энергии из возобновляемых источников, причём при минимальных инвестициях в инфраструктуру. Потому что конечная цель проекта - внедрение новаций по всей Европе.
Две площадки
Демонстрационные проекты, реализуемые в рамках TIGON, имеют много общего. В обоих предусмотрен одинаковый «хребет» системы - силовая линия постоянного тока напряжением 3 кВ. Предлагаются также твердотельные трансформаторы и импульсные преобразователи постоянного напряжения на транзисторах из карбида кремния, системы управления потоками энергии, релейной защиты и кибербезопасности. А теперь о различиях. На французской площадке построена солнечная фотоэлектрическая система среднего напряжения, а на испанской - батарейный накопитель энергии, который будет напрямик подсоединён к линии среднего напряжения.
Идёт строительство
В Испании уже установлены ветрогенератор Ryse E5 (3,5 кВт) и 54 фотоэлектрические солнечные панели по 410 Вт (см. рис. 1) с инвертором на 20 кВт, проложены кабельные линии 800 В и 3 кВ, построены четыре небольших здания, которые начинены инверторами и другим оборудованием. Помимо этого сконфигурирована сеть передачи данных, которая соединит всё оборудование в работе под управлением разрабатываемой системы управления микросетью.
При построении накопителя энергии исследователи не стали гнаться за новейшими технологиями. Он собран из ста двадцати кислотно-свинцовых батарей по 24 В каждая (см. рис. 2) и подключён к микросети через инвертор мощностью 20 кВт. Для моделирования потребителей различных видов смонтированы программируемые блоки электрических нагрузок.
среднего напряжения
На площадке во Франции исследователи должны подтвердить эффективность решения по подключению цепочки фотоэлектрических модулей непосредственно к линиям постоянного тока среднего напряжения. Предварительные расчёты обещают снижение потерь на 5-10% в сравнении с классической схемой малой солнечной электростанции, подключённой к сети по низкому напряжению через инвертор. Серьёзный выигрыш в гибридной структуре должен быть достигнут благодаря применению в инверторах транзисторных ключей на карбиде кремния. Они меньше теряют энергии сами и допускают работу на более высоких частотах, чем кремниевые, что позволяет снизить потери в импульсных трансформаторах и в частотных фильтрах.
Недостающее звено
Твердотельные трансформаторы на карбид-кремниевых силовых приборах для TIGON разрабатываются в рамках европейского проекта SSTAR, запущенного в мае 2022 года. Там сегодня поставлена задача довести напряжение трансформаторного модуля до 1,5 кВ, а частоту - до 50 кГц. При этом общая эффективность модульного трансформатора должна превышать 98,5%. Идут работы над управляющим каскадным конвертором, чтобы можно было увеличить число модулей в трансформаторе, достигнув напряжений распределительных электросетей.
