Articole

  • Articol complet
  • Cifre și date
  • Referințe
  • Citații
  • Valori
  • Licențierea
  • Reimprimări și permisiuni
  • PDF

Abstract

Datorită unui număr din ce în ce mai mare de unități de generare a energiei și dispozitive de încărcare care funcționează cu curent continuu (DC) la nivel de distribuție, există un beneficiu potențial al eforturilor de conducere către construirea unui sistem de distribuție DC. Cu toate acestea, implementarea sistemelor de distribuție de curent continuu se confruntă cu provocări importante, inclusiv inerția pieței sistemelor de curent alternativ și standardizarea. Multe dintre beneficiile atribuite DC pot fi realizate numai dacă este dezvoltat un sistem DC complet și nu dacă sunt înlocuite doar câteva componente. Această lucrare prezintă conceptul unui sistem universal de distribuție DC, așa cum au prevăzut autorii. Sistemul universal de distribuție DC ar putea fi implementat în diferite cazuri de utilizare, dar ar putea înlocui complet rețelele de distribuție AC. Hârtia acoperă posibilitățile de a avea nanogrile de curent continuu în interiorul clădirilor, microgrile de curent continuu în cartiere și conexiunea la rețelele de medie tensiune de curent alternativ și curent continuu. Mai mult, sunt prezentate considerații privind flexibilitatea, proiectarea, controlul și protecția pieței de energie electrică.

sistemul

1. Introducere

Sistemul de energie electrică se schimbă semnificativ pentru a face față participării crescânde a diferitelor resurse distribuite de energie. Aceste modificări sunt necesare pentru a asigura fiabilitatea, eficiența, calitatea energiei, protecția și rentabilitatea sistemului. Aceasta prezintă o bună oportunitate de a reflecta asupra sistemului general și de a reconsidera anumite alegeri de proiectare.

AC este în prezent standardul pentru rețelele de transmisie și distribuție. Dominanța AC a fost facilitată de ușurința transformării energiei electrice AC la diferite niveluri de tensiune prin intermediul transformatorului AC, necesar pentru transportul eficient pe distanțe mari [1, 2]. Cu toate acestea, progresele în electronica de putere permit în prezent o transformare la fel de simplă a tensiunilor de curent continuu.

În prezent, utilizarea DC este în creștere la diferite niveluri de tensiune în sistemul de alimentare. Adoptarea liniilor HVDC pentru transportul energiei electrice pe distanțe mari este un exemplu. Avantajele HVDC față de HVAC sunt raportate a fi costuri reduse, pierderi reduse și absența restricțiilor asupra cablurilor pe distanțe lungi [3].

La nivel de dispozitiv, DC are și o revenire. Frecvențele de comutare ridicate ale convertoarelor DC/DC au ca rezultat componente pasive mai mici și, prin urmare, o reducere a dimensiunii, greutății și costurilor. În sistemele în care anterior a fost utilizat un transformator de curent alternativ pentru a reduce tensiunea înainte de a fi rectificat, rectificarea este acum aplicată imediat. Mai mult, DC este adoptat pentru o cantitate din ce în ce mai mare de aplicații, inclusiv centre de date, telecomunicații, clădiri și nave. Avantajele adoptării DC în, de exemplu, centrele de date includ o eficiență îmbunătățită, costuri de capital mai mici, fiabilitate sporită și o calitate a energiei îmbunătățită [4].

Datorită numărului tot mai mare de aplicații DC, devine potențial benefic să construim sistemul de distribuție pe DC în loc de CA. În literatură, s-a văzut că DC are mai multe avantaje față de AC în ceea ce privește transmisia, eficiența, convertoarele și controlul [5]. Cu toate acestea, aplicarea largă a sistemelor de distribuție DC continuă să se confrunte cu provocări, inclusiv inerția pieței sistemelor de curent alternativ și lipsa standardizării. O comparație între curent alternativ și curent continuu nu va fi acoperită în această lucrare, deoarece beneficiile complete ale curentului continuu asupra curentului alternativ pot fi cuantificate numai odată ce este dezvoltat un sistem CC complet.

Lipsa unui standard general a dus la diverse arhitecți și operațiuni ale sistemelor de distribuție DC. Majoritatea literaturii se concentrează pe rețelele DC locale din clădiri [6], de ex. pentru aplicații de iluminat și centre de date [7]. Multe dintre alegerile de proiectare au fost făcute pentru aplicații specifice, fără a lua în considerare potențialele avantaje ale unui sistem complet de distribuție de curent continuu de joasă tensiune. Mai mult, se presupune adesea generarea și stocarea locală [8], în timp ce partajarea resurselor și localizarea surselor regenerabile este neglijată.

Cea mai mare parte a lucrărilor la rețelele de distribuție DC presupune că convertoarele sunt instalate la fiecare gospodărie, care conectează nano-rețelele locale DC sau AC [9-11]. Acești convertoare asigură o separare convenabilă și ar putea fi, de asemenea, utilizate în scopuri de protecție [10]. Cu toate acestea, deoarece aceste convertoare trebuie să fie evaluate pentru puterea maximă, acestea sunt în general scumpe. Luând o viziune integrală asupra sistemului general de distribuție, aceste dezavantaje ar putea fi evitate prin îndepărtarea convertoarelor din fiecare gospodărie. Cu toate acestea, interacțiuni și interdependențe mai complexe, de ex. în control și protecție, trebuie tratate.

Această lucrare contribuie la discuția către un sistem universal de distribuție DC care ar putea fi aplicat în general la diferite cazuri de utilizare. O perspectivă integrală este luată asupra sistemului de distribuție mai larg și sunt evidențiate provocările și oportunitățile care pot fi găsite în interdependențele sistemului. De exemplu, sunt discutate standardizarea, rețelele de distribuție cu ochiuri, nivelurile modulare de tensiune, flexibilitatea, proiectarea pieței, controlul și protecția. Nu ia în considerare numai aplicațiile viitoare apropiate de nanogrile DC locale, ci vizează și un sistem universal cu capacitatea de a înlocui complet rețelele de distribuție de curent alternativ de joasă tensiune pe termen mai lung. Aceasta include abordarea provocărilor introduse de sursele de energie regenerabile intermitente. Este o continuare a două lucrări anterioare în care au fost prezentate oportunitățile și provocările sistemelor de distribuție DC [12, 13].

Restul acestei lucrări este organizat după cum urmează: în secțiunea 2, sunt discutate elemente importante ale viitorului sistem de putere. Arhitectura prevăzută a sistemului universal de distribuție DC este descrisă în secțiunea 3. Secțiunea 4 introduce aspectele operaționale ale acestui sistem. Ulterior, posibili pași către introducerea sistemului universal de distribuție DC sunt discutate în secțiunea 5. În cele din urmă, concluziile sunt trase în secțiunea 6.

2. Viitorul sistem de alimentare

Pentru a permite adoptarea pe scară largă a rețelelor de distribuție DC, ar trebui realizată o economie de scară. Ar trebui să se prevadă un sistem universal de distribuție DC care să îndeplinească cerințele viitoare, astfel încât economia de scară să poată fi realizată mai devreme. În această secțiune, sunt discutate posibile cazuri de utilizare viitoare, care vor fi acoperite ulterior în sistemul preconizat. Acest lucru este important pentru a preveni supra-optimizarea pentru aplicații specifice viitorului apropiat, ceea ce ar putea duce la dezavantaje pentru o adopție mai răspândită.

2.1. Generație centralizată

Ponderea producției de energie regenerabilă în producția de energie electrică este în creștere în multe țări. Prin urmare, viitorul sistem de energie ar trebui să poată face față aprovizionării cu energie regenerabilă 100%. Se presupune adesea că energia regenerabilă este inerent descentralizată; totuși, acest lucru nu este neapărat adevărat.

În mod tradițional, sistemele de distribuție sunt construite într-un mod centralizat. Viitoarele sisteme de distribuție pot conține în continuare generarea centralizată a energiei electrice, de exemplu în cazurile în care centralele electrice convenționale sunt înlocuite de centrale regenerabile la scară largă. O diferență importantă este că locația siturilor de generare centralizată nu va mai fi probabil determinată de centrele de consum, ci de locația resurselor regenerabile.

De exemplu, parcurile eoliene pot fi construite pe mare pentru a exploata viteza medie a vântului mai mare. Centralele solare termice la scară largă pot fi amplasate în deșerturi pentru a exploata radiația solară mai mare. Centralele hidroelectrice sunt probabil amplasate în regiunile montane unde pot fi realizate și hidro-depozite la scară largă. La fel ca în cazul centralelor electrice convenționale, centralele de generare regenerabilă la scară largă au nevoie, de asemenea, de sisteme de transport adecvate, deoarece consumul și generarea sunt adesea la distanță. HVDC va juca un rol important în a face acest lucru posibil. În plus, sunt necesare o rețea MT și o rețea de distribuție BT pentru a aduce puterea clienților.

2.2. Resurse energetice distribuite

În această lucrare, termenul de resurse energetice distribuite este utilizat pentru a se referi la forme distribuite de generare, stocare și sarcini controlabile. Sursele regenerabile distribuite introduc intermitența în rețeaua de distribuție datorită disponibilității variate a soarelui și a vântului. Depozitarea distribuită și sarcinile controlabile ar putea oferi flexibilitate pentru a face față acestei intermitențe.

În prezent, multe surse noi de energie la scară mică (regenerabile) sunt distribuite în rețeaua de joasă tensiune. Exemplele acestor surse la scară mică includ sistemele fotovoltaice pe acoperiș și centralele eoliene și hidro la scară mică, dar ar putea include și generatoare de motorină. Mai mult, multe aplicații noi, cum ar fi vehiculele electrice, au o capacitate de stocare încorporată care ar putea fi utilizată pentru a beneficia rețeaua. În mod similar, flexibilitatea în sarcini cum ar fi pompele de căldură poate face stocarea indirectă a energiei prin mutarea sarcinii într-un moment mai convenabil.

Este important de reținut că majoritatea acestor resurse sunt deținute de consumatori. Prin urmare, este necesar un model de piață prosumer pentru a modela rolul consumatorilor și al producătorilor de energie într-un mod mai abstract. În consecință, acest lucru ar permite o utilizare mai economică a acestor resurse atât pentru prosumatori, cât și pentru sistemul general de distribuție.

2.3. Nano- și microgrile

Fiabilitatea unui sistem de alimentare (centralizat) este puțin probabil să crească atunci când sistemul devine mai complex prin adăugarea de resurse distribuite. Cu toate acestea, resursele de energie distribuite permit funcționarea izolată a unor părți ale rețelei în cazul întreruperilor la un nivel superior. Prin urmare, ar fi benefic ca viitoarea rețea de distribuție să fie formată din microgrile interconectate. În acest caz, rețeaua poate susține funcționarea dacă părți ale rețelei eșuează.

În aceste sisteme izolate, răspunsul la cerere va juca probabil un rol important, deoarece oferta ar putea fi limitată din cauza condițiilor meteorologice. Depozitul și sursa de rezervă (convențională) ar putea fi instalate în locații importante; cu toate acestea, în multe țări, acest lucru nu este viabil din punct de vedere financiar.

2.4. Sisteme off-grid

Odată cu participarea crescândă a resurselor distribuite de energie, ne putem întreba dacă rețeaua este de fapt necesară. Rețelele independente de distribuție sunt adesea concepute ca o destinație inevitabilă. Sistemele în afara rețelei pot fi mai economice pentru locațiile îndepărtate, unde costul interconectării depășește costul stocării suplimentare și/sau al producerii de energie.

Cu toate acestea, în zonele mai dens populate, avantajele partajării resurselor depășesc costul suplimentar datorat costului redus al interconectării și factorului de utilizare ridicat. Mai mult, este puțin probabil ca toată lumea să utilizeze sarcini de putere ridicate în același timp. În plus, condițiile meteorologice pot face scumpă acoperirea a 100% a cererii de energie regenerabilă locală și stocare, deoarece este puțin probabil ca vârfurile de încărcare să coincidă cu vârfurile de aprovizionare.

2.5. Standardizare

Economia de scară este foarte importantă pentru a realiza costuri reduse și, prin urmare, pentru a încuraja adoptarea pe scară largă a rețelelor de distribuție DC. Prin urmare, este important să se ajungă la un sistem standardizat care poate fi utilizat pentru diverse aplicații.

Standardizarea este cea mai importantă în rețelele de joasă tensiune unde sunt conectate o mare varietate de dispozitive și componente. În medie tensiune, sistemul are mai puține noduri și conexiunea la aceste noduri este adesea controlată de doar câteva entități. În consecință, optimizarea individuală a nivelurilor de tensiune și a componentelor ar putea fi luată în considerare la medie tensiune.

3. Sistemul universal de distribuție DC

Sistemul de distribuție DC standardizat prevăzut ar trebui să fie universal într-un sens de a fi adecvat pentru diverse aplicații, condiții și dimensiuni, așa cum este descris în secțiunea anterioară. Pentru a arăta întregul potențial și considerațiile afiliate, în această secțiune este descrisă o arhitectură completă a rețelei de distribuție DC, care ar putea fi construită în orașe. Cu toate acestea, pentru aplicații specifice sau inițiale, este posibil să se implementeze doar anumite părți.

3.1. Arhitectură modulară a rețelei de distribuție DC

Arhitectura rețelei de distribuție DC ar trebui să fie formată din mai multe subsisteme care pot fi conectate împreună. Mai mult, nu este necesar ca rețeaua completă să fie construită pe curent continuu, orice piesă de pe orice nivel din rețea ar putea fi alternativă și conectată la rețeaua continuă printr-un convertor AC/CC. Mai ales în timpul unei tranziții de la o rețea de distribuție CA existentă la o rețea completă de distribuție DC.

3.1.1. DC Nanogrid

Rețeaua Figura 1 din interiorul clădirilor (sau pe proprietate privată) ar putea fi operată independent de rețeaua principală în modul de insulare dacă există resurse de energie distribuite. Pentru a permite utilizarea acestui potențial de furnizare a energiei în caz de defecțiuni în rețeaua de distribuție, această parte a rețelei ar trebui să poată funcționa independent ca o nano-rețea. Nanogrile pot fi deținute și controlate de entități independente. Acestea pot fi conectate la rețeaua de distribuție DC printr-un contor inteligent și un dispozitiv de protecție sau la o rețea de distribuție AC printr-un convertor AC/DC. Un exemplu de astfel de nano-rețea și conexiunea sa este prezentat în Figura 1 din stânga. O putere tipică a unei nano-rețele ar putea fi de 10 kW.