Функциональные требования к интеграции распределённых энергоресурсов в распределительных системах

I. Вступление

В связи с увеличением количества и значения распределённых энергоресурсов (РЭР) увеличивается количество потенциальных проблем в распределительных системах. Перед распределительной сетью, спроектированной радиально, с одной точкой ввода мощности и множеством точек потребления, будут поставлены новые эксплуатационные задачи. Нагрузки могут стать отрицательными, приобрести значение совершенно другого порядка. Напряжение может значительно повыситься при высокой выработке, в ином случае – снизиться [1, 3]. На уровне распределения новые проблемы выливаются в снижение микрогенерации, сокращение нагрузок вследствие неправильного функционирования сети и значительные инвестиции в её усиление. Другое предложение по решению возникающих проблем – задействовать распределённые энергоресурсы с тем, чтобы они реагировали быстро и адекватно на эксплуатационные задачи сети. Их роль заключается в энергоснабжении/сохранении на случай необходимости. Таким образом, они не должны быть высокоэффективны; скорее, они должны быть недорогими и надёжными.

Это могут быть традиционные ресурсы – батареи, маховичные или газовые генераторы (многие из которых уже используются в аварийных ситуациях) или новые виды ресурсов, основанные на стремлении потребителя снизить собственную нагрузку. Современные технологии позволяют быстро переконфигурировать такие ресурсы и регулировать их нагрузку/генерацию.

В настоящей статье показаны трудности, связанные с оценкой мощности ресурса и того, как эта мощность зависит от других мощностей, подключённых к той же питающей линии, а также от рабочего состояния сети и допустимых пределов по напряжению. В качестве возможного решения предлагаются два метода – метод глобального регулирования, основанный на линейном программировании, и метод локального регулирования, основанный на локальной чувствительности. Их цель – оптимальное использование ресурса, а также выполнение требований по эффективности и связи.

II. Моделирование несимметричной сети НН – риски включения-выключения регулирования

Так как сети НН близки к конечным потребителям, асимметрия нагрузки может быть значительной. Большинство мелких потребителей имеют однофазную нагрузку, поэтому обратные токи в нейтрали могут быть высокими. Иногда токи в нейтрали оказываются даже выше фазных токов [2]. Чтобы смоделировать асимметричное поведение напряжения сети НН, используется чувствительность по напряжению в отношении однофазной вводимой мощности.

Результаты по чувствительности к вводу активной мощности следующие:
- чувствительность в конкретной фазе положительна и высока в узлах фидера той же фазы;
- чувствительность в конкретной фазе отрицательна и незначительна в узлах фидера других фаз;
- в точке срабатывания чувствительность существенно не изменяется.

Рис. 1
Проверочный фидер НН – три ресурса, каждый на отдельной фазе.
 

Рис. 2
Проверочный фидер НН – три ресурса, два на одной фазе.

Линеаризация может обеспечить хорошую аппроксимацию для функции изменения фазного напряжения. Для интересуемых узлов функция может быть выражена как простое отношение между напряжениями и введёнными мощностями. Ввод однофазной активной мощности в несимметричную сеть может привести к резкому изменению напряжения. Уменьшая вводимую активную мощность в одной фазе, можно добиться уменьшения напряжения в той же фазе (положительная чувствительность), но при этом напряжение в двух других фазах увеличится (отрицательная чувствительность). Вследствие ограничений по напряжению готовность ресурсов взаимозависима; кроме того, они могут приводить к каскадному отключению РЭР при внезапном запросе на повышение или понижение выходной мощности.

III. Глобальное регулирование – локальное регулирование

A. Глобальное регулирование
Предлагается оптимальный метод регулирования ресурса для определения максимальной готовности РЭР без нарушений пределов по напряжению сети. Под «оптимальным» в данном случаe понимается метод, позволяющий увеличить до максимума готовность РЭР и предотвратить каскадное отключение. За основу берётся системная характеристика чувствительности по напряжению к вводу активной мощности. Таким образом, при условии линеаризации максимальная готовность ресурса может быть достигнута с помощью линейного программирования (ЛП). Задачей является максимизирование выходной мощности ресурса при сохранении напряжения сети в допустимых пределах. Процесс в целом достаточно прост, так как используется всего одна система линейных уравнений, но необходимо определить соответствующую матрицу чувствительности.

B. Локальное регулирование
Предлагаемый метод локального регулирования заключается в индивидуальной максимизации каждого выхода мощности ресурса с контролем предела по напряжению для каждого узла. Это итерационный метод, так как в этом случае мощность регулируется пошагово до достижения напряжением своего предельного значения. Метод локального регулирования итерактивен, и конвергенция здесь может быть подвергнута риску несколькими итерациями, число которых ограничено, и в итоге конечный результат может оказаться далёким от оптимального. Кроме того, риск существует из-за того, что процесс конвергенции колеблющийся и даже нестабильный. Свойства локальной конвергенции зависят от матрицы чувствительности, итерационный процесс может быть приблизительно представлен дискретно-временной линейной системой.

C. Пример
В этом разделе показаны результаты, полученные в случаях, показанных на рис. 1 и 2, при помощи методов глобального и местного регулирования при одинаковом суточном профиле нагрузки. Обратите внимание, что на рис. 2 два ресурса находятся на одной фазе, а не на разных.
 

Рис. 3
Мощность, доступная посредством локального и оптимального регулирования тремя ресурсами в разных фазах (А,В,С).
 

Рис. 4
Мощность, доступная посредством локального и оптимального регулирования двух ресурсов в одной фазе (1S, 2T).

В обоих случаях результаты показывают, что метод локального регулирования способен обеспечить практически такой же выход по мощности, как и метод глобального регулирования при соблюдении соответствующих пределов по напряжению.

IV. Минимальные требования к наблюдаемости

Все задействованные ресурсы должны обладать чувствительностью к напряжению и мощности. Как известно, одно из требований к энергосистемам – высокий уровень надёжности. Поэтому датчики должны быть надёжными и/или резервированными. Для метода глобального регулирования необходима связь между задействованными ресурсами. Неисправность связи может привести к отключению или принятию неправильного решения с далеко идущими негативными последствиями. Поэтому для реализации метода глобального регулирования требуется надёжная связь. В связи с постоянным прогрессом в энергетике способность РЭР к незамедлительному реагированию на изменения становится все более ценной. Однако сегодня, в силу ряда причин, период обновления 15 минут всё ещё считается хорошим показателем. Это обусловлено тем, что РЭР рассматриваются как ресурсы энергии, а не мощности, что, тем не менее, тоже возможно. Для того чтобы РЭР стали ценными ресурсами мощности, необходимо обеспечить высокую степень их готовности, что, в свою очередь, значительно повышает требования к датчикам и электрическим приводам. Частота дискретизации должна стать гораздо выше, в тысячи раз. Принятие решений должно осуществляться на несколько порядков более оперативно.

При глобальном регулировании информация концентрируется на уровне вторичных подстанций, на которых в современных системах имеются десятки установленных ресурсов, и в ближайшем будущем их число будет только увеличиваться.

Однако решение не итерационно и принимается на частоте, равной системной частоте дискретизации. Для локального регулирования требуется обновление выходной мощности, что, как правило, включает в себя несколько итераций. Для примера мы оптимизировали конвергенцию до 3 итераций, хотя без оптимизации потребовалось бы больше. Поэтому обновление мощности при локальном регулировании должно выполняться на более высокой частоте, чем при глобальном регулировании.

V. Заключение

В настоящей статье освещены вопросы, связанные с необходимостью обработки информации для разработки эффективного метода регулирования нагрузок и мощности распределённых энергоресурсов в распределительных сетях низкого напряжения. Мы предлагаем метод глобального и метод локального регулирования для таких систем и утверждаем, что требования по наблюдаемости сети для их эффективной реализации минимальны. Кроме того, мы обсуждаем требования к связи в текущих и будущих условиях эксплуатации.

Мы предлагаем поддерживать высокий уровень надёжности современных информационных и коммуникационных систем и повысить частоту в тысячи раз (и даже больше) с целью повышения эффективности распределённых ресурсов. Последние в этом случае будут способны обеспечивать не только энергию, но и наиболее ценный ресурс для современных и будущих энергосистем – мощность. Для этого требуются соответствующие методы регулирования и эффективная, надёжная и высокоскоростная сеть связи.

Литература
1. Pedro M.S. Carvalho, Pedro F. Correia, and Luis A.F. Ferreira. Distributed reactive power generation control for voltage rise mitigation in distribution networks. IEEE Transactions on Power Systems, 23:766 –772, 2008.
2. T.H. Chen and W.C. Yang. Analysis of multi-grounded four-wire distribution systems considering the neutral grounding. Power Delivery, IEEE Transactions on, 16(4):710–717, 2001.
3. E.J. Coster, J.M.A. Myrzik, B. Kruimer, and W.L. Kling. Integration Issues of Distributed Generation in Distribution Grids. Proceedings of the IEEE, 99(1):28–39, 2011.
4. J.R. Ragazzini and L.A. Zadeh. The analysis of sampled-data systems, Trans. AIEE, 71(Part II):225–34, 1952.