Локальные интеллектуальные энергосистемы

Локальные интеллектуальные энергосистемы в действии: успешная трансформация энергорайона в Новосибирске

Введение

Энергетическая система России стоит перед рядом вызовов, таких как устаревшая инфраструктура, рост спроса на электроэнергию и необходимость перехода на более экологичные и эффективные технологии. В свете этих вызовов, развитие локальных интеллектуальных энергосистем (ЛИЭС) становится одним из ключевых направлений модернизации энергетики. ЛИЭС позволяют повысить энергоэффективность, снизить зависимость от централизованных сетей и повысить устойчивость энергоснабжения.

Локальные интеллектуальные энергосистемы или Минигрид – это сбалансированные по генерации и потреблению энергорайоны или локальные системы энергоснабжения (ЛСЭ), способные работать как автономно, так и параллельно с внешними сетями, управляемые современными цифровыми технологиями. Они дают возможность гибко управлять режимом работы энергорайона, повышая надежность и эффективность всей системы.

Характеристика объекта

Электроснабжение жилого массива «Березовое» с помощью распределенной генерации было выбрано девелопером на этапе его строительства из-за высокой стоимости и сложности подключения к внешним сетям. В 2012 году была введена в эксплуатацию мини-ТЭЦ с установленной электрической 13.2 МВт и тепловой 40 МВт мощностью, состоящей из пяти газопоршневых установок (ГПУ) мощностью по 2 МВт каждая и 2-х дизельных. Схема выдачи мощности станции и ее внешний вид представлены на рис.1.

Рис. 1 Схема выдачи мощности мини-ТЭЦ и ее внешний вид

До внедрения ЛИЭС в 2021 году станция работала исключительно в автономном режиме, что порождало проблемы, связанные с частыми отключениями при резких изменениях нагрузки. В 2019 году было установлено автоматическое устройство ввода резерва (АВР) от внешней сети без права параллельной работы генераторов ЛИЭС с внешней сетью, что позволило сократить время нарушения электроснабжения потребителей, но не решало проблему живучести станции. В 2021 году был введен в эксплуатацию программно-технический комплекс, обеспечивший безопасную параллельную работу генераторов мини-ТЭЦ ЛИЭС с внешней сетью, устранивший проблему надежности генерации энергии и увеличивший ее энергетическую и экономическую эффективность.

Краткое описание технических решений

Локальная система электроснабжения жилмассива «Березовое» стала пилотной площадкой для внедрения инновационной системной автоматики ПТК Минигрид, разработанной при поддержке НТИ Энерджинет и АО «Россети Тюмень». Основная задача этой системы — безопасное и эффективное управление параллельной работой ЛСЭ с внешней сетью, что позволяет получить все преимущества параллельной работы МиниТЭЦ с внешней сетью и устранить связанные с этим риски:

• Возникновение недопустимых ударных моментов на валах генераторов при коротких замыканиях (КЗ) во внешней сети. 
• Увеличение токов КЗ, что может привести к повреждению оборудования и нарушению работы защит.
• Необходимость интеграции в систему оперативного управления внешней энергосистемы.

Автоматика ПТК Минигрид снимает эти риски за счет высокоэффективных алгоритмов, использующих инновационные способы противоаварийного и режимного управления, которые обеспечивают: быстродействующее сбалансированное отделение ЛСЭ от внешней сети при возникновении аварийных ситуаций, таких как проходящие во внешней сети КЗ, с последующим переходом в автономный режим, автоматическую синхронизацию и повторное подключение к внешней сети после восстановления нормальных условий, что минимизирует риск развития аварийных ситуаций и время отключения потребителей.

Осуществляется комплексное управление ЛИЭС в котором:

• Режимная автоматика обеспечивает баланс между генерацией и потреблением по одному из нескольких сечений на пути выдачи мощности в сеть, что позволяет поддерживать возможность сбалансированного противоаварийного отделения в условиях меняющихся нагрузок и внешних факторов.
• Противоаварийная автоматика выявляет аварийные ситуации и, опережая действия защит внешней сети и генерирующего оборудования, осуществляет сбалансированное отделение по подготовленному сечению, предотвращая повреждения оборудования и сохраняя в работе станцию с собственной нагрузкой.
• Автооператор — ключевой элемент решения. Осуществляется автоматический выбор состава генерирующего оборудования и его загрузка, выбор сечения балансирования и режима работы (параллельный или автономный). Более подробно о технологии изложено в [1-5]

Опыт эксплуатации ЛИЭС

Одним из главных эффектов внедрения автоматики стало радикальное снижение времени нарушения электроснабжения потребителей. Так при работе в автономном режиме и погашении станции из-за значительного наброса или сброса нагрузки время восстановления нормального режима всех потребителей занимало до 20 минут. После установки АВР со стороны внешней энергосистемы восстановление электроснабжения потребителей при остановке станции было равно времени работы АВР, но из-за отсутствия возможности параллельной работы, переход на электроснабжение от станции также занимал 20 минут, но только ночью, когда большинству потребителей этот переход был незаметен. Теперь же благодаря сбалансированному противоаварийному отделению ЛИЭС при параллельной работе прерывания электроснабжения потребителей практически нет. Примерная частота отделений от внешней сети находится около 2-х раз в месяц. На рис. 2 представлена осциллограмма реального сбалансированного отделения от внешней сети из-за проходящего внешнего КЗ, за 59 мс после возникновения возмущения, с последующей работой в автономном режиме.

Рис. 2. Работа быстродействующего пускового органа, автоматики опережающего сбалансированного деления

Благодаря переходу на параллельной работы и эффективному управлению мощностью энергоблоков, удалось снизить удельный расход газа до 10% за счет отсутствия реакции регуляторов на колебания частоты в ЕЭС и работы ЛИЭС с перетоком мощности в коридоре допустимых небалансов.

Также увеличился коэффициент использования установленной мощности ГПУ, как за счет выдачи свободных мощностей в сеть, так и за счет увеличения вырабатываемой энергии за один и тот же моточас ГПУ при параллельной работе по отношению к автономному режиму, поскольку все динамические небалансы сглаживаются внешней энергосистемой и нет необходимости поддерживать соответствующий им вращающийся резерв. Таким образом, при одинаковой мощности нагрузки в автономном режиме будут работать 4 ГПУ, с загрузкой по 1350 кВт, а в параллельном режиме 3 ГПУ с загрузкой 1800 кВт, что на 25% уменьшает расход моторесурса станции.

При управлении режимом ЛИЭС в летнее время выяснилась необходимость реализации загрузки станции и выбора сечения балансирования из условия теплофикационного режима ЛСЭ, как наиболее экономически эффективного режима станции.

Перспективы и масштабируемость проекта

ЛИЭС жилмассива «Березовое» в городе Новосибирск, стала первым объектом такого типа и представляет собой успешный пример минигрид, который может быть масштабирован и адаптирован для других регионов. В будущем планируется разработка и внедрение мультиагентной системы управления, которая позволит объединять несколько ЛИЭС в единую сеть или энергосистему.

Мультиагентная парадигма управления предполагает децентрализованное взаимодействие локальных систем управления различных ЛИЭС по определенным правилам, что позволит эффективно распределять ресурсы и гибко реагировать на аварийные возмущения и изменения в потреблении энергии. Это особенно актуально для районов с отсутствием централизованного электроснабжения.

Таким образом, ЛИЭС жилмассива «Березовое» может стать основой для перехода к новой модели распределенной энергетики, где локальные энергосистемы будут играть ключевую роль в обеспечении устойчивого и надежного энергоснабжения.

Заключение

Трансформация энергорайона «Березовое», г. Новосибирск в ЛИЭС продемонстрировала успешное решение проблемы надежного энергоснабжения. Внедрение передовых технологий управления и параллельная работа с внешней сетью позволили улучшить качество энергоснабжения, снизить эксплуатационные расходы и повысить эффективность использования ресурсов.

Проект также открыл перспективы для дальнейшего развития и масштабирования применения в других районах и городах.

Список литературы:

1. Режимы и автоматика минигрид, работающих в составе распределительных электрических сетей ЕЭС / Фишов А.Г. Ивкин Е.С. Гилев О.В. Кокоша Ю.В // Релейная защита и автоматизация. – 2021. – №3. – С. 22-37;
2. Синхронизация Microgrid с внешней электрической сетью и между собой в нормальных и послеаварийных режимах при разных схемах объединения / Фишов А.Г., Гуломзоде А.Х., Ивкин Е.С., Семендяев Р.Ю // Релейная защита и автоматизация. – 2021. – №2. – С. 32-42
3. Системная автоматика для интеграции локальных систем электроснабжения с синхронной малой генерацией в электрические сети/ Гежа Е.Н., Ивкин Е.С., Сердюков О.В., Глазырин В.Е., Глазырин Г.В., Марченко А.И., Семендяев Р.Ю., Фишов А.Г. // Релейщик. 2018. № 2 (32). С.24-31;
4. Decentralized emergency control of AC power grid modes with distributed generation / A. Fishov, A. Osintsev, A. Ghulomzoda, A. Marchenko [et al.]. – DOI 10.3390/en16155607. – Text : direct // Energies. – 2023. – Vol. 16, iss. 15. – Art. 5607.
5. Fishov A. G. Synchronization of the parts of electrical networks with distributed energy sources after emergency or accident-prevention separation / A. G. Fishov, A. A. Osincev, A. K. Gulomzoda. – DOI 10.1007/s10749-023-01634-5. – Text : direct // Power Technology and Engineering. – 2023. – Vol. 57, iss. 1. – P. 136–144.