Автономные источники электроэнергии: Что представляет собой автономный передвижной источник питания?

Автономные источники электроснабжения

Пример HTML-страницы

К возможности иметь автономный источник электроснабжения сегодня стремятся, как частные пользователи, так и крупные промышленные предприятия. Это связано, в первую очередь, с возможными трудностями у электроснабжающих организаций с обеспечением бесперебойной подачи электроэнергии. Продолжительные перебои в электроснабжении приводят не только к финансовым затратам, но и могут стать угрозой для человеческой жизни, если отключения происходят в медицинских учреждениях либо на опасных и вредных технологических производствах.

Основные причины, определяющие наличие независимых источников электроснабжения

— низкое качество тока (резкие скачки, перепады, колебания и пр.), получаемого от энергоснабжающей организации;

— наличие потребителей особой и первой категории, требующих непрерывного электроснабжения;

— отсутствие возможности подключения к существующим электросетям.

Главным достоинством автономного электроснабжения считается бесперебойная работа технологического оборудования. Автономные источники могут использоваться, как в качестве основного, так и в роли резервного источника. Аварийных источник комплектуют устройством АВР, способным подавать напряжение на обесточенный участок электросети за несколько долей секунд.

Разновидности автономных источников

Источником электрической энергии могут являться:

— дизельные или бензиновые генераторы;

— фотоэлектрические батареи;

— ветрогенераторы;

— ветроустановки.

Двигатели в электростанциях могут использоваться, как бензиновые, так и дизельные. Первые, как известно, экономичнее, легче запускаются, характеризуются более значительным моторесурсом. Но их стоимость примерно в 2-3 выше аналогичных по мощности бензиновых. Поэтому дизельные электростанции рекомендуется применять, в случаях, когда перерывы в электроснабжении случаются достаточно часто, что требует продолжительной работы станции. В противном случае целесообразнее использовать бензиновые генераторы.

Солнечные батареи сегодня устанавливаются на частных домах и дачах, в качестве домашней электростанции, и могут использоваться в качестве основного или резервного источника электроснабжения. Они не требуют значительных затрат на выработку электроэнергии, генерация электроэнергии в них происходит практически «даром». К недостаткам данных устройств относят большой объем стартовых финансовых вложений, к тому же особенности насыщения энергией солнца создают некоторые трудности в их эксплуатации. Это связано с тем, что Солнце способно светить не круглый год, а только днем и только в ясную погоду, поэтому в комплекте с фотоэлектрическими батареями используются аккумуляторы, предназначенные для накопления электроэнергия, и конвертеры – устройства, трансформирующее постоянное напряжение от батарей в переменное 220В, 50Гц.

Ветро- и гидрогенераторы — это оборудование, которое уже достаточно давно применяется для генерации электроэнергии. Их использование ограничено различной ветровой активностью местности и наличием водоемов с активным движущимся водным потоком. Также их эффективная эксплуатация сопряжена с использованием дополнительного оборудования (аккумуляторных батарей, преобразователей и пр. ).

Практически 100% надежность системы электроснабжения обеспечивается при параллельной работе с внешними электросетями. Собственная генераторная установка обеспечивает энергетическую независимость, что позволяет увеличить моторесурс, продолжительность периода эксплуатации оборудования на 25-30%.

Использование автономных источников питания

Вы смотрите информацию
для

Все филиалыАрхангельская областьВологодская областьМурманская областьНовгородская областьПсковская областьРеспублика КарелияРеспублика Коми

Расширенный поиск

Автономный передвижной источник питания электроэнергией позволяет осуществить питание потребителей

независимо от стационарных источников электроэнергии — энергосистемы.

Автономные источники электропитания применяются в качестве резервных у потребителей, для которых недопустим перерыв в электроснабжении. Частные лица пользуются ими при прекращении электроснабжения.

Наиболее распространенный вариант  — автономная дизельная электростанция. Также существуют модели автономных генераторов, которые работают на газе или бензине.

•  

  С началом весны активизируется дачное строительство. Некоторые жители садоводческих хозяйств и сельских поселений в нарушение законодательства принимают решение самостоятельно подключить  автономные источники питания (генераторы) к линям электропередачи.

  При самовольном подключении напряжение от автономного источника питания может быть подано в электрические распределительные сети энергоснабжающей организации. При этом при включении установки персонал энергетических предприятий, выполняющий в это время ремонтные или профилактические работы, окажется под воздействием электрического тока.

  Помните: нарушая нормативные требования по подключению автономных источников питания к внутренним сетям, вы подвергаете опасности не только свою жизнь, но и жизнь персонала сетевой компании, создаете угрозу возникновения пожара и нарушаете бесперебойное и качественное электроснабжение других потребителей.

  Владельцы, нарушившие порядок присоединения автономных электростанций к электросети и их допуска в эксплуатацию, несут

  дисциплинарную, административную или уголовную  ответственность в соответствии с действующим законодательством.
  • • В 2009 г. При проведении ремонтных работ на канализационно-насосной станции в вагоноремонтном депо трое рабочих спустились в колодец, взяв с собой в нарушение правил техники безопасности переносной дизель-генератор. В результате несчастного случая один рабочий погиб, двое госпитализированы.
    • В 2011 г. В строительном вагончике частной фирмы, специализирующейся на установке противопожарных систем, были обнаружены пятеро погибших мужчин. Работники самостоятельно установили в вагончике, где спали, бензиновый генератор и ночью отравились угарным газом.
•  

  • Установка автономных источников электропитания должна быть в обязательном порядке согласована с электросетевой организацией, в зоне ответственности которой находится электросеть — Россети Северо-Запад.
  • При подключении генератора к внутренним сетям дома необходимо согласовать с сетевой компанией схему присоединения генератора и оформить новые акты разграничения эксплуатационной ответственности сторон. При этом разрабатываются технические мероприятия, исключающие возможность одновременной подачи напряжения в сеть Потребителя и в сеть энергоснабжающей организации.
  • Региональные органы Госэнергонадзора и Россети Северо-Запад помогут вам в вопросах регистрации и подключения автономных источников питания.
  • Осуществлять подключение должен электротехнический персонал, прошедший инструктаж по охране труда и имеющим III группу по электробезопасности, эксплуатирующим эту электрическую сеть, или персоналом специализированных организаций.
  • Владельцы автономных источников питания в целях собственной безопасности и безопасности обслуживающего персонала обязаны указывать в договоре энергоснабжения, в соглашении о взаимоотношениях с энергоснабжающей организацией сведения о наличии дизельных, бензиновых электростанций и других компактных устройств — источников электрической энергии.
     

•  

  • Подключение генераторов должно осуществляться по заранее разработанным схемам подключения, исключающим ошибочную подачу напряжения от источника питания во внешние сети электроснабжения.
  • При приемке в эксплуатацию автономной электростанции режим работы нейтрали электростанции и защитные меры электробезопасности должны соответствовать режиму работы нейтрали и защитным мерам, принятым в сети энергоснабжающей организации. Нейтраль, как правило, должна быть изолирована.
  • Подключение аварийной или резервной автономной электростанции к сетям (электроприемникам) потребителя вручную разрешается только при наличии блокировок между коммутационными аппаратами, исключающих возможность одновременной подачи напряжения в сеть потребителя и в сеть энергоснабжающей организации.
  • Автоматическое включение аварийной или резервной автономной электростанции в случае исчезновения напряжения со стороны энергосистемы должно осуществляться с помощью устройств автоматики, обеспечивающих предварительное отключение коммутационных аппаратов электроустановок потребителя от сети энергоснабжающей организации и последующую подачу напряжения электроприемникам от электростанции.
  • Для обеспечения автоматического отключения питания применяются устройства защиты и контроля. Их вид и номенклатура определяется при согласовании подключения с сетевой компанией.
     

•  

  Проверки проводятся в специализированных центрах по обслуживанию автономных источников питания.

  • Периодическая проверка проводится не реже одного раза в 6 месяцев. В проверку входит:
    • внешний осмотр;
    • проверка работы на холостом ходу в течение не менее 5 мин;
    • измерение сопротивления изоляции;
    • проверка исправности цепи заземления электроприемников и вспомогательного оборудования.
  • Осмотр станции, находящейся в резерве проводится не реже одного  раза в 3 месяца.
  • Техническое обслуживание, испытания и измерения, планово-предупредительные ремонты проводятся в соответствии с указаниями заводов-изготовителей и нормами испытания электрооборудования.
  • Испытания в соответствии с государственными стандартами, указаниями завода-изготовителя, нормами испытаний электрооборудования проводятся после ремонта автономного источника питания.
     

•  

   

  • Эксплуатация автономных источников электропитания, включая переносные и передвижные электростанции, должна проводиться в соответствии с главой 3.5 «Правил технической эксплуатации электроустановок потребителей», утвержденных приказом Министерства энергетики РФ от 13 января 2003 года № 6, и учитывать дополнительные требования к ним, изложенные в документации завода-изготовителя, государственных стандартах, правилах безопасности.
  • Автономные электростанции должны соответствовать требованиям государственных стандартов или технических условий, иметь российские сертификаты соответствия (для оборудования, подлежащего сертификации), инвентарные номера.
  • Не используйте генераторы электроэнергии в закрытых помещениях. Нельзя включать дизель-генераторы внутри жилых помещений или не приспособленных для этого транспортных средств, а также в замкнутых пространствах. От стен здания требуется отступить
    минимум на 1,5 метра. Отработавшие газы содержат крайне токсичное соединение —  окись углерода. При высокой концентрации  окиси углерода в окружающем воздухе возможен смертельный исход. Следует эксплуатировать дизельные и бензиновые электроустановки только в хорошо проветриваемом месте.
  • Прежде чем использовать автономные генераторы, необходимо тщательно изучить руководство и инструкции по безопасности пользователя, чтобы в случае необходимости быстро остановить генераторную установку. Желательно провести несколько тренировочных занятий по изучению назначения всех элементов управления генераторной установки, всех разъемов и соединений.
  • Не допускайте к эксплуатации автономной электростанции необученных людей и детей. Не допускайте к работающему генератору животных
  • • В 2011 г. 13-летняя девочка пригласила двух подружек в загородный дом. Так как в доме было отключено электроснабжение, дети самостоятельно включили дизель-генератор. В результате нарушения техники эксплуатации от угарного газа они задохнулись.

•  

  • Для защиты от поражения электрическим током проверяйте надежность заземления генераторной установки. Заземление должно быть доступным для его осмотра. Запрещается использовать в качестве заземляющих проводников алюминиевые провода.
  • Перед пультом управления генератора должен быть постелен проверенный резиновый коврик, а все работы с электрической частью генератора должны производиться в проверенных резиновых перчатках.
  • Не прикасайтесь к  автономному источнику питания,  если у вас мокрые руки или ноги. Обеспечьте защиту установки от влаги и атмосферных воздействий. Запрещается устанавливать передвижную электростанцию на мокрой площадке.
  • • В 2014 г. электрик и его помощник получили тяжелые поражения электрическим током, работая в курятнике. В результате короткого замыкания взорвался генератор, оба получили обширные ожоги и впали в кому.
    • В 2011 г. во время свадебного торжества  в селе прекратилась подача электроэнергии. Мужчина, работавший в доме, где проходило торжество, попытался завести генератор, в результате чего его ударило током. С тяжелыми ожогами мужчина доставлен в больницу.

•  

   

  • Топливо (бензин, дизельное топливо)  является легковоспламеняющейся жидкостью, его пары взрывоопасны.  
  • Запрещается накрывать чем-либо генераторную установку во время ее работы или сразу после останова.
  • Запрещается наносить на генераторную установку слой смазки для ее защиты от коррозии. Некоторые применяемые для консервации масла легко воспламеняются, а их испарения опасны при вдыхании. Не допускается наличие краски и смазки в болтовых соединениях заземляющих устройств.
  • Любые легковоспламеняющиеся или взрывоопасные вещества (бензин , масло   ветошь) следует держать на удалении от работающей  автономной электростанции.
  • Запрещается курить во время заправки бака,  а также осуществлять заправку бака вблизи источника пламени или искр.
  • Запрещается заправка топливного бака на работающем двигателе.
  • Все следы пролива топлива следует насухо вытереть чистой ветошью. При обнаружении течи  необходимо немедленно принять соответствующие меры.
  • Рядом с генератором должен всегда находиться порошковый огнетушитель.
  • Не модифицируйте своими силами выхлопную и топливную системы автономного источника питания. Частые последствия экспериментов с оборудованием: выход оборудования из строя,  утечке отработанных газов, пожару.
  • • Двое мужчин решили попариться в дровяной бане,  обустроенной в подвальном помещении гаража. Баня освещалась с помощью бензинового генератора. Любители парилки запустили генератор и начали закладывать дрова в топку. Выхлопные газы от бензинового генератора быстро заполнили закрытое помещение гаража. Одному из мужчин стало плохо — он упал в предбаннике,  задохнувшись угарным газом. Хозяин гаража, чувствуя недостаток кислорода, бросился к двери, чтобы открыть ее, но, потеряв сознание, упал на пороге и также задохнулся. Когда родственники обнаружили тела, оказывать помощь было уже поздно.
    • В 2014 г. на крупном автомобильном заводе произошел пожар в помещении, где был установлен дизель-генератор. Пожару был присвоен повышенный номер сложности. Выгорел ряд производственных помещений.
    • В 2007 г. на стройке загорелась бытовка, в которой располагался дизель-генератор и канистры с соляркой. Пластмассовые емкости быстро расплавились и топливо вспыхнуло. По словам очевидцев, огненный столб поднимался до третьего этажа. Пожарный наряд в последний момент предотвратил угрозу взрыва.

 

Автономные энергетические системы | Модернизация сети

Автономные энергетические системы (АЭС) обеспечивают интеллектуальные и надежные решения для эксплуатации сильно электрифицированные, гетерогенные энергетические системы.

Интегрированные энергетические пути

Это исследование соответствует одной из важнейших целей NREL.

Энергетические системы становятся все более неоднородными из-за распространения солнечная энергия, ветер, хранение энергии, электромобили и автоматизация зданий. Энергия будущего системы потребуют безопасной, автономной и надежной связи, управления и взаимодействие между миллионами распределенных точек генерации и миллиардами зданий, транспортные средства и многое другое. NREL создал концепцию AES и провел фундаментальные исследования работать над разработкой интеллектуальных и надежных решений для эксплуатации сильно электрифицированных, гетерогенные энергетические системы.

AES позволит эффективно управлять ростом распределенных ресурсов и поток данных, поступающих из этих систем. АЕС обеспечивает:

Автономные энергетические системы: Новый взгляд на оптимизацию и управление энергетическими системами будущего

Посмотрите наш видеообзор автономных энергетических систем.

Текстовая версия

• Эффективные и рентабельные подходы к рационализации использования переменной возобновляемой генерации и инновационных технологий
• Операции в реальном времени для балансировки нагрузки/потребления и генерации/поставки каждую секунду и наиболее эффективного использования асинхронных данные и управление для адаптации к изменяющимся условиям и задержкам в связи
• Надежная устойчивость к помехам, сбоям, отключениям и сбоям как в кибер-, так и в физических сетях
• Взаимодействие с интеграцией решений, устройств, платформ и данных с помощью стандартных протоколы
• Масштабируемость для управления сотнями миллионов энергоресурсов в сети, возобновляемых источников энергии, хранение, мобильность, здания, инверторы и микроконтроллеры — от сообществ до кварталы в регионы.

NREL утвердил технологии AES для различных применений как в лаборатории, и посредством небольших реальных демонстраций. Мы сотрудничаем с коммунальными службами, земельными разработчики, муниципалитеты и города для улучшения существующих и создания новых энергетических систем для районов, военных объектов и племенных земель. Теперь NREL берет на себя следующий шаг через партнерства — государственные и частные — для быстрого ускорения перехода к крупномасштабным, интеллектуальным, автономным энергетическим системам будущего с низким уровнем выбросов.

Работайте с нами

Воспользуйтесь передовыми возможностями, передовым опытом и стратегическими партнерами — и оставьте свой след в нашем автономном энергетическом будущем. Партнеры, заинтересованные в сотрудничестве с NREL для продвижения своих энергетических систем рекомендуется подключиться и узнать больше.

Fei Ding
Менеджер группы, автоматизация и управление сетью
[email protected]
303-275-4590

Тай Ферретти
Менеджер по развитию стратегического партнерства
[email protected]
303-384-6357

Текстовая версия

Алгоритмы управления для автономных энергетических систем

Компания NREL разработала и протестировала эффективные алгоритмы оптимизации и управления для операций в реальном времени, которые ежесекундно и постоянно балансируют нагрузку и генерацию следить за состоянием системы. NREL также добился фундаментальных успехов в областях такие как обучение с подкреплением для оптимизации без использования моделей и данных, а также на основе консенсуса. оптимизация для распределенного принятия решений. Кроме того, алгоритмы позволяют отключить из сети в изолированный режим, который может обеспечить надежность и отказоустойчивость клиентов в случае сбоя питания.

Системные архитектуры для поддержки автономных энергетических систем

Управление разнородными элементами высокораспределенной энергетической системы требует целостного операционные и коммуникационные архитектуры, которые органично интегрируют рассредоточенные контроллеры с недавно разработанными алгоритмами и существующими унаследованными системами, каждая из которых может быть отдельного владельца, платформы или производителя. Таким образом, системная архитектура является еще одним важным рабочим потоком для обеспечения успешной реализации автономных энергетические системы.

Автономная урбанизация и проверка ARIES

Применение AES для удовлетворения потребностей города или сообщества может быстро ускорить график достижения своих целей в области чистой энергии. Гибкий и модульный подход NREL для проверки и демонстрации автономной урбанизации, способной быстро и гибко поддерживать сообщества, когда они проверяют энергетический переход. инвестиции до развертывания.

Продемонстрированные решения решают ключевые задачи

Виртуальная электростанция — ферма Stone Edge, Калифорния

Когда алгоритмы NREL были реализованы на контроллерах Heila Technologies, команда продемонстрировали, что 20 микросетевых активов фермы могут функционировать вместе как отказоустойчивая виртуальная электростанция. Микросеть мощностью 785 кВт питает ферму площадью 6,5 га через комбинация солнечных батарей, топливных элементов, микротурбины, работающей на природном газе и водород, и хранение в виде батарей и водорода.

Resilient Community—Basalt Vista, Colorado

NREL и Holy Cross Energy объединили усилия для устранения географических ограничений, бытовых нагрузок, взаимодействующих с сетью, и использовать экологически чистую энергию местного производства с делает акцент на доступности и преодолении перебоев в подаче электроэнергии во время экстремальных явлений. В настоящее время планируется масштабирование этого продемонстрированного автономного управления распределенной сетью. энергоресурсы и системы хранения энергии от нынешних нескольких домов до вся система.

Крупнейшая микросеть в Северной Америке в неблагополучном сообществе — Боррего-Спрингс, California

NREL и San Diego Gas & Electric Co. построили масштабированную виртуальную модель, включающую распределенные энергетические ресурсы с питанием и аппаратным обеспечением контроллера. Модель протестирована микросеть, особенно отключение и повторное подключение, для подтверждения ее производительности до того, как он был развернут.

Военная энергетическая безопасность и устойчивость — авиабаза морской пехоты (MCAS) Мирамар, Калифорния

Это партнерство 2008 года было основано на планировании нулевого энергопотребления: установка распределенных возобновляемые источники энергии и повышение энергоэффективности. Теперь MCAS и NREL занимаются микросеть всей установки, которая гарантирует, что линия полета MCAS и другие В критически важных вспомогательных объектах всегда есть питание, даже во время отключения электроэнергии.

Предстоящие семинары

Семинар по автономным энергетическим системам, 6–8 сентября 2023 г.

Предыдущие семинары

Виртуальный семинар по автономным энергетическим системам (2022)

Публикации

Автономные энергетические системы, Информационный бюллетень NREL (2022 г.)

Электросеть завтрашнего дня станет автономной

В районе Базальт-Виста, штат Колорадо, микросеть позволяет 27 домохозяйствам беспрепятственно делиться электричеством, когда это необходимо. Пока что счета за коммунальные услуги примерно на 85 процентов ниже, чем обычные счета за электричество в штате. Местная электроэнергетическая компания Holy Cross Energy в партнерстве с Национальной лабораторией возобновляемых источников энергии реализовала эту автономную энергосистему.

Здорово иметь соседей , на которых можно положиться, одолжите ли вы чашку сахара или вам нужно, чтобы кто-то выгулял вашу собаку, пока вас нет в городе. В районе Базальт-Виста на западе Колорадо жители даже ближе, чем большинство: они делят электричество. Но в отличие от вашего соседа с сахаром, жители Базальтовой Висты могут даже не знать, когда они щедры. Обмен энергией происходит автоматически, за кулисами. Жители знают, насколько дешевой, надежной и возобновляемой является их электроэнергия.

27 умных домов в Базальт-Виста, расположенном примерно в 290 км к западу от Денвера, являются частью пилотного проекта по совершенно новому подходу к энергосистеме. Весь район соединен микросетью, которая, в свою очередь, соединяется с основной сетью. В каждом доме каждое интеллектуальное устройство и энергоресурс, например аккумуляторная батарея, водонагреватель или солнечная фотоэлектрическая (PV) система, контролируются для обеспечения максимальной энергоэффективности.

В более широком масштабе дома по соседству могут быстро распределять энергию, обеспечивая надежное электричество для всех — солнечная энергия, вырабатываемая в одном доме, может использоваться для зарядки электромобиля по соседству. Если бы лесной пожар вывел из строя линии электропередач в этом районе, жители по-прежнему получали бы электричество и хранили его в этом районе. С весны до осени фотоэлектрические системы могут обеспечивать достаточное количество электроэнергии и заряжать батареи в течение нескольких дней. В разгар зимы, когда тепло и снег на солнечных панелях, резервного питания хватит примерно на 2 часа.

Теоретически энергетические системы любого размера могут быть покрыты лоскутным одеялом Basalt Vistas, многоуровневыми регионами и даже целой страной в интеллектуальных сетях для автоматического управления производством и использованием энергии на миллионах контролируемых распределенных энергетических ресурсов. Эта концепция лежит в основе автономная энергетическая сеть (AEG), видение того, как будущее энергетики может определяться устойчивостью и эффективностью.

Концепция и основная технология автономной энергосистемы разрабатываются нашей командой в Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии в Голдене, штат Колорадо. С 2018 года NREL и местное коммунальное предприятие Holy Cross Energy претворяют эту концепцию в жизнь, начиная со строительства первых четырех домов в Basalt Vista. В каждом доме есть 8-киловаттная фотоэлектрическая система на крыше с литий-железо-фосфатными аккумуляторными батареями, а также энергоэффективное, полностью электрическое отопление, охлаждение, водонагреватели и бытовая техника. Все эти активы контролируются и могут контролироваться AEG. До сих пор средние счета за коммунальные услуги были примерно на 85 процентов ниже, чем обычные счета за электричество в Колорадо.

Полностью электрические дома в районе Базальт-Виста в Колорадо используют интеллектуальные контроллеры от Heila Technologies (справа) для управления фотогальваническими панелями, батареями, зарядкой электромобилей, обогревом и охлаждением. В случае отключения региональной сети район все еще может получать электроэнергию от аккумуляторных батарей и солнечных батарей на крыше. Фото: Джош Бауэр/NREL

AEG создадут как минимум столько же преимуществ для коммунальных служб, сколько и для клиентов. С AEG, отслеживающими распределенные энергетические ресурсы, такие как солнечные батареи на крыше и бытовые аккумуляторные батареи, диспетчерская коммунального предприятия станет больше похожа на высокоавтоматизированный центр управления воздушным движением. В результате энергия, вырабатываемая в AEG, используется более эффективно — она либо сразу потребляется, либо сохраняется. Со временем оператору придется меньше инвестировать в строительство, эксплуатацию и техническое обслуживание более крупных генераторов, включая дорогостоящие «пиковые» установки, которые используются только при необычно высоком спросе.

Но может ли такая большая и сложная сеть, как национальная энергосистема, работать децентрализованно и автоматически? Наше исследование говорит определенно да. Такие проекты, как проект Basalt Vista, помогают нам разобраться в наших представлениях об AEG и продемонстрировать их в реальных условиях и, таким образом, играют решающую роль в определении будущего энергосистемы. Вот как.

Сегодня операторы сети должны решить две большие проблемы. Во-первых, к сети подключается постоянно растущее количество распределенных энергоресурсов. В Соединенных Штатах, например, ожидается, что солнечные установки в жилых домах будут расти примерно на 8 процентов в год до 2050 года, в то время как домашние аккумуляторные системы, по оценкам, достигнут почти 1,8 гигаватт к 2025 году, а к 2030 году на дорогах США может находиться около 18,7 миллионов электромобилей. При таком ожидаемом росте вполне возможно, что через десять лет большинство потребителей электроэнергии в США смогут иметь в своих домах несколько контролируемых распределенных энергоресурсов. Согласно этой математике, 4 миллиона клиентов Pacific Gas & Electric Co. в районе залива Сан-Франциско могут иметь в общей сложности около 20 миллионов подключенных к сети систем, которыми коммунальное предприятие должно будет управлять для надежной и экономичной работы своей сети. Это в дополнение к обслуживанию столбов, проводов, трансформаторов, выключателей и централизованных электростанций в своей сети.

Автономная энергетическая сеть Basalt Vista использует 900-мегагерцовую радиоантенну для связи с диспетчерским центром Holy Cross Energy, расположенным примерно в 50 километрах. Фото: Деннис Шредер/NREL

Из-за стремительного роста числа подключенных к сети устройств операторы больше не смогут использовать централизованное управление в не столь отдаленном будущем. В географически распределенной сети одни только задержки связи делают централизованную систему непрактичной. Вместо этого операторам придется перейти на систему распределенной оптимизации и управления.

Домашние хозяйства полагаются на литий-железо-фосфатные батареи от Blue Planet Energy. ..»> Фото: Джош Бауэр/NREL

Другая проблема, с которой сталкиваются операторы, заключается в том, что сеть работает во все более неопределен- ных условиях, включая колебания скорости ветра, облачный покров и непредсказуемый спрос и предложение. Следовательно, оптимальное состояние сетки меняется каждую секунду и должно надежно определяться в режиме реального времени.

Централизованно управляемая сеть не может справиться с такой степенью координации. Вот тут-то и появляются AEG. Идея автономной энергосистемы выросла из участия NREL в программе под названием NODES (сетевые оптимизированные распределенные энергетические системы), спонсируемые передовым энергетическим агентством Министерства энергетики США, ARPA-E. Вклад нашей лаборатории в NODES заключался в создании алгоритмов для модельной энергосистемы, полностью состоящей из распределенных энергоресурсов. Наши алгоритмы должны были учитывать ограниченные вычислительные возможности многих клиентских устройств (включая солнечные батареи на крышах, электромобили, аккумуляторы, умные бытовые приборы и другие нагрузки) и при этом позволять этим устройствам обмениваться данными и самооптимизироваться. NODES, завершившийся в прошлом году, был успешным, но только как структура для одной «ячейки», то есть одного сообщества, контролируемого одной AEG.

Наша группа решила развить идею УЗЛОВ дальше: распространить модель на всю сетку и множество ее составляющих ячеек, позволяя ячейкам взаимодействовать друг с другом в иерархической системе. Генерация, хранение и нагрузки контролируются с помощью строительных блоков сотовой связи в распределенной иерархии, которая оптимизирует как локальную работу, так и работу ячейки, когда она подключена к более крупной сети.

В нашей модели каждый AEG состоит из сети технологий производства, хранения и конечного использования энергии. В этом смысле AEG очень похожи на микросети, которые все чаще развертываются в Соединенных Штатах и ​​других странах мира. Но AEG более продвинута в вычислительном отношении, что позволяет ее активам взаимодействовать в режиме реального времени для согласования спроса и предложения в посекундных временных масштабах. Подобно автономному транспортному средству, в котором транспортное средство принимает локальные решения о том, как передвигаться, AEG действует как автономная система питания, которая решает, как и когда передавать энергию. В результате AEG работает с высокой эффективностью и может быстро восстанавливаться после сбоев или даже вообще избегать сбоев. Энергосистема, полностью состоящая из AEG, может ловко решать проблемы на всех уровнях, от отдельных потребителей до системы передачи.

Чтобы развить идею, нам нужно было с чего-то начать. Basalt Vista предоставила прекрасную возможность перенести концепцию AEG из лаборатории в сеть. Район разработан с нулевым потреблением энергии, и он относительно близок к Центр интеграции энергетических систем NREL, где базируется наша группа.

Более того, компания Holy Cross Energy искала решение для управления энергетическими ресурсами, принадлежащими клиентам, и оптовым производством в своей системе. В последние годы подключенные к сети ресурсы, принадлежащие клиентам, стали намного более доступными; В сети Holy Cross каждую неделю появляется от 10 до 15 новых солнечных установок на крышах. К 2030 году коммунальное предприятие планирует установить летнюю пиковую систему мощностью 150 мегаватт, работающую на солнечных батареях. Между тем, однако, коммунальному предприятию приходилось иметь дело с нестандартными устройствами, вызывающими нестабильность в его сети, случайными отключениями из-за суровых погодных условий и лесных пожаров, переменным производством солнечной и ветровой энергии, а также нестабильным рынком солнечной и другой энергии, генерируемой ее клиентами.

Короче говоря, то, с чем столкнулся Holy Cross, очень похоже на то, с чем сталкиваются другие сетевые операторы по всей стране и большей части мира.

Для разработки концепции AEG наша группа работает над объединением двух областей: теории оптимизации и теории управления. Теория оптимизации находит решения, но может игнорировать реальные условия. Алгоритмы управления работают для стабилизации системы в далеко не идеальных условиях. Вместе эти два поля образуют теоретическую основу для AEG.

Конечно, эти теоретические леса должны соответствовать беспорядочным ограничениям реального мира. Например, контроллеры, которые запускают алгоритмы AEG, не являются суперкомпьютерами; это обычные компьютерные платформы или встроенные контроллеры на границе сети, и они должны выполнять свои вычисления менее чем за 1 секунду. Это приводит к более простому коду, и в данном случае чем проще, тем лучше. Между тем, однако, расчеты должны учитывать задержку в коммуникациях; в распределенной сети все еще будут временные задержки, когда сигналы проходят от одного узла к другому. Наши алгоритмы также должны быть в состоянии работать с разреженными или отсутствующими данными и бороться с вариациями, создаваемыми оборудованием от разных поставщиков.

Даже если мы производим красивые алгоритмы, их успех все равно зависит от физики топологии линий электропередач и точности моделей устройств. Для большого коммерческого здания, где вы хотите выбирать, что включать и выключать, вам нужна точная модель этого здания в нужных временных масштабах. Если такой модели не существует, вы должны построить ее. Сделать это становится на порядок сложнее, когда оптимизация включает множество зданий и множество моделей.

Мы обнаружили, что определить абстрактную модель сложнее, чем оптимизировать поведение реальной вещи. Другими словами, мы «устраняем посредников» и вместо этого используем данные и измерения для непосредственного изучения оптимального поведения. Используя передовые методы анализа данных и машинного обучения, мы значительно сократили время, необходимое для поиска оптимальных решений.

На сегодняшний день нам удалось преодолеть эти препятствия в небольших масштабах. Центр интеграции энергетических систем NREL представляет собой передовой испытательный стенд для проверки новых моделей энергетической интеграции и модернизации энергосистемы. Мы смогли проверить, насколько практичны наши алгоритмы, прежде чем развертывать их в полевых условиях; они могут хорошо выглядеть на бумаге, но если вы пытаетесь решить судьбу, скажем, миллиона устройств за 1 секунду, вам лучше убедиться, что они действительно работают. В наших первоначальных экспериментах с реальным силовым оборудованием — более 100 распределенных ресурсов одновременно общей мощностью около половины мегаватта — мы смогли проверить концепции AEG, запустив системы в различных сценариях.

Выйдя за пределы лаборатории, мы впервые провели небольшую демонстрацию в 2018 году с микросеть на виноградниках и винодельнях Stone Edge Farm Estate в Сономе, штат Калифорния, в партнерстве с производителем контроллеров Heila Technologies, в Сомервилле, штат Массачусетс. , и микротурбина, работающая на природном газе и водороде, а также хранилище в виде аккумуляторов и водорода. Находящийся на территории электролизер питает водородную заправочную станцию ​​для трех электромобилей фермы, работающих на топливных элементах.

Микросеть подключена к основной сети, но при необходимости может также работать независимо в «островном» режиме. Например, во время лесных пожаров в октябре 2017 года основная сеть в Сономе и ее окрестностях вышла из строя, и ферму эвакуировали на 10 дней, но Микросеть продолжала работать без сбоев. Наша демонстрация AEG на ферме Stone Edge Farm соединила 20 энергоресурсов микросети, и мы показали, как эти активы могут функционировать вместе как единое целое. виртуальная электростанция устойчивым и эффективным способом. Этот эксперимент послужил еще одним доказательством концепции AEG.

Basalt Vista развивает концепцию AEG еще дальше. Чистая нулевая энергия Район доступного жилья, разработанный Habitat for Humanity для школьных учителей и других местных рабочих, уже многое сделал для этого. Окончательные результаты этого эксперимента в реальном мире еще не доступны, но наблюдение за тем, как первые жители с радостью осваивают этот новый рубеж в энергетике, вызвало у нас новый уровень волнения по поводу будущего AEG.

В Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии исследователи разработали алгоритмы оптимизации автономной энергосистемы и протестировали их на реальных энергосистемах (вверху), таких как зарядные станции для электромобилей (внизу). Фотографии: Dennis Schroeder/NREL

Мы разработали наши первые демонстрации таким образом, чтобы другие коммунальные службы могли безопасно и легко проводить испытания подхода AEG, используя стандартные протоколы взаимодействия. Теперь наша группа рассматривает дополнительные проблемы, с которыми столкнется AEG, когда мы расширим масштабы и когда мы перейдем от развертывания Holy Cross Energy в сельской местности к сети плотного города. Сейчас мы изучаем, как эта идея будет выглядеть во всей энергетической системе — внутри ветряной электростанции, внутри офисного здания, на заводском комплексе — и какое влияние она окажет на передачу и распределение электроэнергии. Мы также изучаем рыночные механизмы, которые благоприятствовали бы AEG. Понятно, что для продвижения концепции потребуется широкое сотрудничество между дисциплинами.

Наша группа в NREL не единственная, кто изучает AEG. Исследователи из ряда ведущих университетов присоединились к NREL, чтобы создать фундаментальную науку, лежащую в основе AEG. Эмилиано Далл’Анезе из Колорадского университета в Боулдере; Флориан Дерфлер из ETH Zurich; Ян А. Хискенс из Мичиганского университета; Стивен Х. Лоу из Netlab Калифорнийского технологического института; и Шон Мейн из Университета Флориды внесли свой вклад в концепцию AEG и приняли участие в серии семинаров по этой теме. Это сотрудничество уже выпускает десятки технических документов каждый год, которые продолжают закладывать основы для AEG.

В NREL также расширяется круг участников AEG, и мы смотрим, как эта концепция может применяться к другим формам генерации. Одним из примеров является ветроэнергетика, где будущее с поддержкой AEG означает, что методы управления, подобные тем, которые развернуты в Stone Edge Farm и Basalt Vista, будут автономно управлять большими ветряными электростанциями. Взяв большую проблему и разбив ее на более мелкие ячейки, алгоритмы AEG резко сокращают время, необходимое для того, чтобы все турбины пришли к консенсусу относительно направления ветра и отреагировали, повернувшись лицом к ветру, что может увеличить общее производство энергии. . В течение года это может означать миллионы долларов дополнительного дохода для оператора.

В нашем исследовании мы также рассматриваем вопрос о том, как оптимально интегрировать переменный запас энергии ветра в более крупную ячейку, включающую другие энергетические домены. Например, если система управления энергопотреблением здания имеет доступ к прогнозам ветра, она может перераспределять свою нагрузку в режиме реального времени, чтобы соответствовать имеющейся ветровой энергии. Во время дневного затишья скорости ветра кондиционер в здании можно было автоматически настроить на несколько градусов выше, чтобы снизить потребность, с дополнительной мощностью, потребляемой от аккумуляторной батареи.

Мы также смотрим на коммуникационную инфраструктуру. Для достижения быстрого отклика, необходимого для ячейки AEG, связь не может быть заблокирована одновременным подключением к миллионам устройств. В новом партнерстве NREL с беспроводной компанией Антерикс из Вудленд-Парка, штат Нью-Джерси, демонстрирует, как будет работать выделенная сеть LTE для связи между устройствами.

Надежная работа, разумеется, предполагает, что каналы связи защищены от киберугроз и физических угроз. Возможность таких атак направляет разговор в энергосистемах в сторону отказоустойчивости и надежности. Мы считаем, что AEG должны свести к минимуму воздействие как преднамеренных атак, так и стихийных бедствий и сделать сеть более устойчивой. Это связано с тем, что состояние каждого объекта, подключенного к сети, в каждой ячейке AEG будет проверяться каждую секунду. Любое внезапное и неожиданное изменение статуса вызовет соответствующую реакцию. В большинстве случаев радикальных действий не требуется, поскольку изменение находится в пределах обычной изменчивости операций. Но если причиной является серьезная неисправность, ячейка может автоматически частично или полностью изолировать себя от остальной сети до тех пор, пока проблема не будет решена. Изучение влияния AEG на устойчивость сети является постоянным приоритетом NREL.

На данный момент AEG появятся в первую очередь в таких районах, как Basalt Vista, и в других небольших помещениях, таких как больницы и университетские городки. В конце концов, однако, должны иметь место более крупные развертывания. Например, на Гавайях 350 000 клиентов установили солнечные батареи на крышах домов. с государством мандат на 100-процентную возобновляемую энергию к 2045 году, количество распределенной солнечной энергии может утроиться. Коммунальное предприятие Hawaiian Electric Company предполагает подключить около 750 000 солнечных инверторов, а также аккумуляторные системы, электромобили и другие распределенные энергетические ресурсы. Соответственно, HECO стремится максимально снизить автономное управление до локального уровня, чтобы свести к минимуму потребность в обмене данными между центром управления и каждым устройством. Для реализации полностью автономной сети потребуется некоторое время. В частности, нам нужно будет провести обширные испытания и демонстрации, чтобы продемонстрировать его возможности с текущими коммуникационными и управляющими инфраструктурами HECO. Но в конечном итоге концепция AEG позволит утилите расставить приоритеты в элементах управления и сосредоточиться на критических операциях, а не пытаться управлять отдельными устройствами.

Мы думаем, что пройдет еще десять лет, прежде чем развертывание AEG станет обычным явлением, но рынок AEG может появиться раньше. В прошлом году мы добились прогресса в коммерциализации алгоритмов AEG, и при поддержке Управление технологий солнечной энергии Министерства энергетики, NREL, в настоящее время сотрудничает с Siemens в области методов распределенного управления. Аналогичным образом, NREL и компания по управлению электроэнергией Eaton Corp. объединились, чтобы использовать работу AEG для автономного электрифицированного транспорта.

Тем временем NREL изучает, как поддерживать распределенный энергетический рынок с использованием транзакций на основе блокчейна — вариант для так называемых транзакционных энергетических рынков. Этот проект в партнерстве с BlockCypher успешно продемонстрировал, что такой район, как Basalt Vista, может беспрепятственно монетизировать совместное использование энергии.

По мере того, как мы продвигаемся к будущему 100-процентной чистой энергии с высокой концентрацией энергетических технологий на основе инверторов, нам потребуется такое решение, как AEG, чтобы продолжать эксплуатировать сеть надежным, экономичным и отказоустойчивым способом.