Differentiated variants of reliability

OF ELECTRICAL POWER SUPPLY

FOR URBAN DISTRIBUTION NETWORKS

K.B. Korneev, E.V. Dolgopolaya, Osei- О wusu Raymond

Abstract. The article proposes a possible implementation of the provision of differentiated power supply reliability options for customers of urban distribution networks. To provide various reliability options based on customer preferences, the power supply company can both introduce backup power into the system and reconfigure the topology of the electrical networks to supply electricity to priority consumers. This problem is formulated as an optimization problem in order to minimize the responsibility of energy supplying companies while ensuring the power supply to priority consumers.

Keywords: reliability, electrical energy, urban, power drop.

Об авторах:

КОРНЕЕВ Константин Борисович – доцент кафедры электроснабжения и электротехники ФГБОУ ВО «Тверской государст-венный технический университет». Е-mail: [email protected]. SPIN-код: 1523-1526.

ДОЛГОПОЛАЯ Екатерина Валерьевна – магистрант кафедры электроснабжения и электротехники ФГБОУ ВО «Тверской государст-венный технический университет». Е-mail: [email protected]

Раймонд ОСЕИ-ОВУСУ – аспирант кафедры электроснабжения и электротехники ФГБОУ ВО «Тверской государственный технический университет». Е-mail: [email protected]

KORNEEV Konstantin Borisovich – associate professor of Department of Electricity and Electrical Engineering of Tver State Technical University.                  Е-mail: [email protected]

DOLGOPOLAYA Ekaterina Valerjevna – graduate student of Department of Electricity and Electrical Engineering of Tver State Technical University. Е-mail: [email protected]

Raymond OSEI-OWUSU – postgraduate student of Department of Electricity and Electrical Engineering of Tver State Technical University.                          Е-mail: [email protected]

 

 

УДК 621.31

 

ПОВЫШЕНИЕ НАДЕЖНОСТИ

ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СИСТЕМ

В.В. Степанов, А.С. Андреев

Аннотация. В статье рассматриваются требования к надежности энергосистем, как эти требования выполняются в настоящее время с использованием стандартных способов и ресурсов, а также современные методы и технологии, которые электро-энергетический сектор может использовать для поддержания высокого уровня надежности энергосистемы.

Ключевые слова: электроэнергетические системы, надежность, возобновляемые источники электроэнергии, повышение надежности.

Сектор электроэнергетики сейчас переживает переходный период. Недорогой природный газ, постоянно снижающаяся стоимость возобновляемой энергии, распределенная генерация и повсеместные требования к энергоэффективности приводят к необходимости изменений способов производства и передачи электроэнергии потребителям. Как следствие, многие из старых стандартов, охватывающих этот сектор, также должны развиваться. Традиционная модель централизованной генерации не только выполняла функцию производства электроэнергии, но и дополнительно обеспечивала достаточную надежность энергосистемы. Но поскольку использование традиционных генераторов из-за их морального и технического устаревания все больше будет сокращаться и на замену им будут приходить новые источники энергии (такие как возобновляемая генерация или генераторы на природном газе, обеспечивающие большую энергоэффективность, но в тоже время требующие иного подхода в работе совместно с энергосистемой), то встает вопрос о том, как будет обеспечиваться поддержание текущего уровня надежности.

Различные требования к надежности электроэнергетических систем могут быть сведены к основным правилам [1]:

генерируемой мощности и пропускной способности линий должно быть достаточно для питания нагрузки потребителей в режиме максимума;

энергосистема должна иметь высокую маневренность в случаях резких изменений нагрузок или отказов генераторов;

энергосистема должна поддерживать постоянную частоту, напря-жение в допустимых пределах.

Рассмотрим, как выполнение каждого из четырех правил достигалось исторически и как новые методы и технологии позволят соблюдать эти правила в период изменений, происходящих в энергетическом секторе, и после них.

Достаточность генерируемой мощности и пропускной способ-ности в часы максимальных нагрузок. Электрическая сеть должна иметь достаточно высокую пропускную и генерирующую способность для удовлетворения потребительского спроса на электроэнергию в режиме максимума нагрузок. Поскольку при планировании работы энергосистемы режим работы постоянно уточняется и любой элемент энергосистемы, отвечающий как за генерацию, так и за передачу электроэнергии, может выйти из строя, общий объем доступной для производства и передачи мощности должен превышать прогнозируемый спрос, то есть обязан существовать резерв мощности и пропускной способности.

Стандартные способы: крупные центры генерации обеспечивают большой запас мощности в соответствии с требованием максимума нагрузки и необходимого резерва мощности, а высоковольтные линии электропередачи проектируются с запасом по пропускной способности и категорийности энергоснабжения с учетом критерия N-1 (для электростанции отказ одного любого элемента схемы выдачи мощности электростанции не должен приводить к ограничению ее выдаваемой мощности, для сетей отказ одного любого элемента ЭЭС – к нарушению электроснабжения потребителей) [2].

Новые способы: хотя заранее неизвестно, какую мощность в определенный момент времени могут обеспечить возобновляемые источники энергии (ВИЭ), такие как ветер и солнце, эти ресурсы могут играть важную роль в сглаживании пиковой нагрузки с учетом вероятностных аспектов их профиля производства энергии (рисунок). Агрегация этих ресурсов может снизить общую неравномерность их генерации. Для снижения пиковой нагрузки могут использоваться технологии управления спросом (от анг. Demand Response) и умных сетей. Большое распространение получает использование хранилищ электроэнергии для работы в часы пиковых нагрузок. Их функционирование осуществляется по принципу экономии электроэнергии, когда дешевле ее генерировать и применять в часы максимума нагрузок. В качестве хранилищ используются гидроаккумулирующие электростанции, но в последнее время все                больше распространяются технологии с использованием литий-              ионных аккумуляторов, например Tesla Powerpack [3].

 

Время

Зависимость формы графика нагрузки и смещения пика мощности                     трех дней летнего максимума энергосистемы

от распространения солнечной электроэнергетики в Калифорнии

 

Высокая маневренность энергосистемы в случаях резких изменений нагрузок или отказов элементов сети. Спрос на электроэнергию меняется в течение суток, изо дня в день, он зависит от дня недели и времени года. С учетом возобновляемой энергетики, такой как ветер и солнце, особенно важным становится вопрос создания маневренной энергосистемы, которая может регулировать уровень производства электроэнергии с учетом изменений спроса и объема доступной мощности переменных ресурсов (например, при снижении скорости ветра или захода солнца).

Стандартный способ: маневренность энергосистемы в России обеспечивается гидроэлектростанциями; увеличение или уменьшение вырабатываемой ими энергии производится в течение нескольких секунд увеличением или уменьшением подачи воды к агрегату. Для снижения необходимости в маневренных электростанциях применяется планирование работы энергосистемы [3].

Новые способы: многие сетевые операторы либо планируют введение в работу, либо уже внедряют новые политики для повышения гибкости и маневренности своих энергосистем. Современные газогенераторы разрабатываются с возможностью обеспечения очень быстрых темпов увеличения выдаваемой мощности. Расширенное использование технологии управления спросом также обеспечивает бо́льшую маневренность. Все чаще находит применение технология диспетчеризации переменной генерации (например, Dispatchable Wind), позволяющая ВИЭ уменьшать генерацию или, если возможно, увеличивать ее, если они не используют всю доступную мощность.

Поддержание постоянной частоты энергосистемы. Непре-рывность производства электроэнергии и постоянное изменение потребляемой мощности требуют непрерывного контроля за соответствием количества генерируемой и потребленной электроэнергии. Показателем, характеризующим точность этого соответствия, является частота, которая в Единой энергосистеме России должна поддерживаться на уровне 50 Гц [4].

Стандартные способы: регулирование частоты осуществляется как автоматически, с использованием регуляторов частоты вращения турбин, так и по командам диспетчеров. Автоматическое регулирование основано на изменении подачи энергоносителя к турбине: если частота снижается, то подача энергоносителя возрастает, при увеличении частоты – подача энергоносителя уменьшается.

Новые способы: исследования показали, что увеличение уровня переменной генерации в сети увеличивает требования к резерву мощности, необходимой для поддержания постоянной частоты, но это увеличение весьма незначительно. Перераспределение потоков электроэнергии может использоваться для усреднения переменной составляющей и уменьшения необходимости в дополнительных резервах. Генераторы переменного тока могут использоваться как «синхронные компенсаторы», вращающиеся параллельно с сетью, не потребляющие топливо и служащие для снижения изменений частоты. Технологии управления спросом и хранилища электроэнергии также будут играть все более важную роль в поддержании постоянной частоты (применяются для баланса генерации и потребления).

Поддержание напряжения в допустимых пределах. В дополнение к поддержанию постоянной частоты электрическая сеть также должна обеспечивать передачу электроэнергии на заданном напряжении. Напряжение изменяется по всей сети; для его регулирования в центрах питания используются трансформаторы. Для поддержания правильного напряжения у потребителей применяется управление реактивной мощностью. Если величина реактивной мощности слишком высокая или слишком низкая, напряжение может сильно отклоняться от номинального значения, что может привести к ухудшению работы оборудования и уменьшению срока службы.

Стандартные способы: для поддержания необходимого значения напряжения применяются генераторы, которые могут регулировать выходные значения величины напряжения и реактивной мощности, используется изменение коэффициента трансформации силовых трансформаторов для поддержания необходимого напряжения на шинах. Применение конденсаторных установок, синхронных компенсаторов позволяет регулировать величину реактивной мощности в сети, тем самым поддерживая необходимый уровень напряжения [5].

Новые способы: как и в случае с частотным управлением, усовершенствованная силовая электроника может дать возобновляемой генерации способность контролировать реактивную мощность и напряжение. Не так давно FERC (Федеральная комиссия по регулированию энергетики в США) сделала заказ, в котором эти требования установлены для крупных генераторных установок ВИЭ. Все большее применение находит класс устройств под названием «Гибкие системы передачи переменного тока» (FACTS). Они существуют какое-то время, но становятся все менее дорогими и более распространенными, могут решать многие проблемы контроля напряжения, пропускной способности и повышения надежности, которые исторически потребовали бы увеличения количества генераторов, линий электропередачи или других электромеханических устройств.

Исторически сложилось так, что системные операторы имели в своем распоряжении ограниченный набор инструментов для балансирования потребления и генерации и поддержания постоянной частоты и напряжения в любое время и любом месте энергосистемы, но эти инструменты (в основном генераторы переменного тока в дополнение к специализированному оборудованию, используемому для поддержания напряжения) работали очень хорошо. Сегодня энергетические системы развиваются, многие из этих генераторов устаревают. Однако в то же время эволюция энергосистемы обеспечила новым набором инструментов для поддержания необходимой надежности. По мере появления большего количества распределенной генерации ее можно использовать для поддержания надежности способами, аналогичными заменяемой генерации, а более доступная «умная» силовая электроника создает новые возможности для программ управления спроса и других инструментов, использующихся для обеспечения баланса производства и потребления электрической энергии. Благодаря новому набору инструментов и продолжению тщательного планирования, координации и инвестирования надежность может поддерживать качество энергоснабжения, необходимое развивающейся энергосистеме.

 

Библиографический список

 

1. U.S. Department of Energy. Maintaining Reliability in the Modern Power System / U.S. Department of Energy, 2016. URL: https://www.energy.gov/epsa/ downloads/maintaining-reliability-modern-power-system (дата обращения: 21.11.2018).

2. Непомнящий, В.А. Проблемы надежности при проектировании и эксплуатации электрических сетей энергосистем / В.А. Непомнящий. СПб.: ПЭИПК, 2010.

3. Tesla. Powerpack Utilityand Business Energy Storage. URL: https://www.tesla.com/powerpack (дата обращения: 18.12.2018).

4. Системный оператор Единой энергетической системы. О частоте в Единой энергетической системе России. URL: http://so-ups.ru/index.php?id=freq_reg (дата обращения: 21.12.2018).

5. Розанов, М.Н. Надежность электроэнергетических систем / М.Н. Розанов. М.: Энергоатомиздат, 1984. 200 с.