Плюсы постоянного тока

Как упростить и удешевить низковольтные распределительные сети
30.07.2020
Алексей Батырь

Аналитики из консалтинговой компании PWC предсказывают постепенный перевод низковольтных распределительных сетей на предприятиях и в сфере ЖКХ на постоянный ток. По прогнозам PWC в ближайшие 25 лет многие игроки энергорынка, включая конечных потребителей, смогут снизить свои расходы на энергоснабжение (капитальные и операционные) на 30% именно за счёт применения постоянного тока.

Конечно, можно долго спорить о том, какую роль экономическая целесообразность играет в такой крайне зарегулированной области, как энергоснабжение, если существующие стандарты позволяют строить сети только на переменном токе. Проблема «курицы и яйца», то есть отсутствия нормативов на системы постоянного тока, требует рискованного волевого решения, на которое отраслевые регуляторы вряд ли пойдут. Тем не менее переход действительно назрел.

Технологии созрели

Специалисты PWC отмечают существенный рост доли устройств, работающих на постоянном токе. Речь не только о смартфонах. Например, многие системы электрического привода, потребляющие львиную долю электроэнергии в промышленности, оснащены полупроводниковыми частотными преобразователями, которые питаются от выпрямленного переменного напряжения.

Вся вычислительная техника работает от постоянного тока, а многочисленные выпрямители и импульсные преобразователи напряжения в компьютерах генерируют лишнее тепло, снижая энергоэффективность. Такие компании, как Microsoft и Facebook, уже смонтировали в своих центрах обработки данных гибридные системы переменного/постоянного тока, получив экономию энергии порядка 20%. Помимо энергии гибридные системы сберегают площади помещений.

В PWC ссылаются также на потребность усилить сетевую инфраструктуру, к которой сегодня подключаются станции зарядки электромобилей, и на необходимость передачи больших мощностей на большие расстояния. Стоит отметить и то, что твердотельные преобразователи напряжения, используемые в системах и сетях постоянного тока, быстро совершенствуются.

Есть идея!

В рамках проекта IDEA (Internet of Distributed Energy Architecture) научно-технической инициативы «Энерджинет» создан вариант архитектуры распределительных сетей жилого микрорайона, составленного из малоэтажных домов - таунхаусов (см. рис. 1). Разработчики проекта отмечают, что схема распредсети переменного тока начинается со ввода среднего напряжения (20 или 10 кВ) в распределительный пункт (РП). К его выходным линиям подключены понижающие трансформаторные подстанции (ТП) 20/0,4 кВ или 10/0,4 кВ, содержащие по два трансформатора (основной и резервный). В подсоединённых к ним домах имеется по два питающих ввода 0,4 кВ, из которых один - резервный. Каждая ТП может обслуживать 10-15 таунхаусов, создающих нагрузку от 400 до 1000 кВт.

На замену всему этому хозяйству предлагается схема электроснабжения микрорайона на постоянном токе на основе кольцевой линии 880 В (см. рис. 2). Кольцо запитывается от двух понижающих подстанций, которые построены по принципу тяговых подстанций (ТПС) железной дороги, то есть каждая из них содержит трансформатор и активные выпрямители напряжения. Кольцевая линия проходит через все здания микрорайона. В зданиях есть питательный ввод и вывод, которые в случае аварии могут автоматически меняться ролями. Такое решение обеспечивает существенное повышение надёжности без необходимости резервировать трансформаторы.

Самый интересный элемент предложенной системы - это размещаемые в зданиях двухступенчатые преобразователи постоянного тока, выполненные на ёмкостных делителях напряжения (ДН). На них напряжение последовательно понижается до 440 В и затем до 220 В. Балансировка плеч в делителях 880/440 и 440/220 осуществляется динамически за счёт переноса заряда порциями с помощью коммутируемых конденсаторов. Для этого потребуются полупроводниковые силовые ключи и цифровая система управления перетоками мощности между плечами делителя.

К плечам 440 В удобно подключать установки микрогенерации (солнечные панели) и батарейные накопители энергии, не тратясь на дорогостоящие инверторы. Предусмотрена информационная система, которая позволит организовать торговлю избытками электроэнергии между жителями внутри микрорайона.

При такой схеме можно сэкономить на кабеле за счёт упрощения топологии в распределительной сети и более чем двукратного увеличения напряжения в ней (880 В на постоянном токе против 380 В на переменном). Как следствие уменьшается сечение проводов.

Скрытые расходы

Конечно, в квартирах у жителей должны быть розетки для старых бытовых устройств, работающих на переменном токе. Это, например, вентиляторы с асинхронными электродвигателями и люминесцентные лампы с индуктивным пускорегулирующим аппаратом. Миксеры, кухонные комбайны, дрели и другие электроинструменты, как правило, способны работать на постоянном токе. Светодиодное освещение на нём можно организовать без особого труда, а самые серьёзные проблемы возникнут, видимо, с подключением старых холодильников, у которых компрессоры при старте потребляют большую мощность - до 2 кВт. (После выхода на рабочий режим компрессору достаточно 150 Вт.) Применять инвертор на 2 кВт только из-за того, что такая мощность требуется кратковременно, нецелесообразно. Нужно озаботиться и покупкой подходящей стиральной машины.

Без учёта расходов на смену бытовых и офисных электроприборов экономия капитальных затрат при внедрении распределительных сетей постоянного тока получается весьма значительной - до 60% относительно стоимости решения на переменном токе. Кстати, именно такой результат показала американская компания ARDA Power на пилотном объекте - офисном здании с проточной батареей и солнечными панелями на крыше.

Тем временем стандарты электроснабжения на постоянном токе уже маячат на горизонте. Их разрабатывает отраслевая ассоциация EMerge Alliance (шт. Калифорния). Члены этой ассоциации уже начали внедрять системы постоянного тока в коммерческих зданиях.

Источник: Энерговектор

Читайте другие наши материалы