Как можно предположить, потребность в электроэнергии никогда не будет удовлетворена. Вместе с ростом спроса на электроэнергии, предметами внимания становятся устойчивое развитие отрасли, вопросы влияния на окружающую среду, а также качество электроэнергии, и надежность ее поставок.
Энергетические компании испытывают все большее напряжение, поскольку существующие системы передачи и распределения электроэнергии сталкиваются с ростом нагрузки. При таких обстоятельствах насущной задачей становится распределенное производство электроэнергии с использованием альтернативных источников.
Распределенное производство электроэнергии сопряжено с применением большого количества небольших генераторов с выходной мощностью от 2 до 50 мегаватт. Эти генераторы размещаются во множестве стратегических точек в городах, чтобы каждый из них обеспечивал электроэнергией небольшое количество расположенных поблизости потребителей. Рассеянным (дисперсным) производством электроэнергии называется использование совсем небольших генерирующих устройств, или устройств мощностью не более 500 киловатт, которые часто используются для обслуживания отдельных жилых домов или организаций.
В недавних публикациях, как правило, обе эти категории объединяются в одну (распределенное производство электроэнергии). Под этой категорией понимается производство электроэнергии в месте потребления для обслуживания части, или всей нагрузки потребителя, либо в качестве резервного источника энергии, либо, в случае подстанций, для сглаживания пиковых спросов нагрузки, что позволяет отложить "на потом" увеличение мощности подстанции.
Дизельные генераторы в качестве резервного источника энергии используются десятилетиями
Распределенное производство электроэнергии не является новым понятием, поскольку уже десятки лет в качестве резервных источников энергии при критических требованиях нагрузки используются традиционные дизельные генераторы. Однако, из-за низкой эффективности, высокой стоимости, и большому уровню шума и загрязнения среды, дизельные генераторы не желательно применять в каких-либо случаях, кроме аварийных ситуаций и полевых работ. Вряд ли когда-либо они в используемом сегодня виде станут действительно источником распределенного производства электроэнергии.
Но развитие технологии придает новый смысл этой старой концепции. Дружественные к окружающей среде источники возобновляемой энергии (такие как фотогальванические устройства, и ветряные электрогенераторы), чистые и эффективные технологии, не использующие ископаемое топливо (такие как газовые микро-турбины) и водородные электрические устройства (топливные элементы) - все это предоставляет значительные возможности для развития распределенного производства электроэнергии.
Газовые микро-турбины с мощностью от 25 до 100 кВт могут производиться в больших количествах, так как затраты для их производства невелики. Используя воздушные подшипники и рекуперацию, они достигают эффективности 40% при производстве только электроэнергии и эффективности в 90% при комбинированном производстве электроэнергии и тепла.
Топливные элементы не загрязняют окружающую среду, имеют высокую эффективность и надежность. Поэтому они обладают потенциалом, который может полностью революционизировать производство электроэнергии. Водород для них может использоваться либо непосредственно, либо извлекаться из природного газа, либо из жидкого топлива, такого как спирт или бензин. Отдельные устройства такого типа имеют мощность от 3 до 250 кВт, и даже достигают мегаваттного диапазона.
Наиболее быстро развивающимся источником возобновляемой энергии является сила ветра. В мировом масштабе, доступная энергия ветра в четыре раза превышает мощность всех существующих сегодня традиционных источников энергии. Фотогальванические системы могут использоваться в различных местах. Наибольший потенциал они демонстрируют в тех районах, где солнечный свет наиболее интенсивен, и доступен.
Резервные батареи на подстанции
Помимо перечисленных средств генерации энергии, заметно улучшились и технологии ее хранения, такие как батареи, суперконденсаторы, и маховики. Так, системы на базе маховиков, способны в течение 5 секунд обеспечить до 700 кВт, а суперконденсаторы с 28 ячейками могут предоставить до 12.5 кВт в течение нескольких секунд.
С применением вышеперечисленных методов производства и хранения электроэнергии в среде распределенного производства возникают новые технические проблемы.
Устройства распределенного производства энергии требуют взаимодействия с силовой электроникой и других методов управления и распределения. Такое устройство может работать, как в автономном режиме, так и будучи подключенным к сети. В автономном режиме оно должно поставлять стабильную, с малыми ошибками регулирования, небольшим общим искажением гармоник, и быстро реагирующую на изменения энергию переменного тока при различных колебаниях нагрузки.
В режиме работы в составе электрической сети, такое устройство должно обеспечивать стабильное раздельное управления активной мощностью P и реактивной мощностью Q. Кроме того, оно должно обеспечивать нужное поведение при подключении к сети, отключении от нее, и операциях повторного включения. Если к одному терминалу или шине параллельно подключаются несколько таких устройств, то необходимо обеспечивать правильное разделение нагрузки между ними.
Наиболее распространенным интерфейсом между устройствами распределенного производства энергии и электрическими сетями являются преобразователи постоянного/переменного тока. С ними связаны разнообразные топологические и управляющие аспекты для различных операционных условий. Для обеспечения удовлетворительного управления каждое индивидуальное устройство может быть подключено к двум или более преобразователям, или соединяться через несколько преобразователей с энергетической системой. Сюда входят и управление мощностями P и Q при различных местных условиях, и в разных условиях функционирования.
Как говорилось выше, высокая сложность интерфейсов силовой электроники для устройств распределенного производства электроэнергии создает множество проблем, требующих исследования, а также предлагает множество возможностей для развития технологии. Большинство таких проблем уже решены, или решены частично, хотя многие из них все еще не решены, или даже не сформулированы.
В общем случае, практически функционирующая система распределенного производства электроэнергии должна иметь решенные технические проблемы в следующих трех категориях:
- управление устройством преобразования с получением качественной энергии в автономном режиме;
- управление активной и реактивной мощностью между устройством генерации энергии и электрической сетью в режиме подключения к сети:
- управление непосредственной генерацией энергии или ее преобразованием с целью достижения высокой производительности и низких накладных расходов.
Благодаря большому потенциалу технологий распределенной производства электроэнергии, все эти проблемы заслуживают особого внимания и должны тщательно исследоваться.
