energobar (energobar) wrote,
energobar
energobar

Categories:

Компромисс найден или война токов разгорается с новой силой? Часть 2

Вторая часть статьи

Сети освещения

Технико-экономическое обоснование проекта системы городского освещения на постоянном токе (англ. Direct Current Lighting Smart Grid - DC LSG) было представлено в журнале «Современные Технологии Автоматизации» №4, 2012 г.

В рамках DC LSG предложено создание технологической платформы интеллектуальной сети освещения с использованием как существующих, так и перспективных энергоэффективных источников света, включая лампы высокого давления и светодиоды. Проведенные расчеты и исследования показывают, что в результате реализации проекта DC LSG в сравнении с традиционными сетями освещения будет получено:
•экономия электроэнергии до 50 % и более;
•снижение стоимости и повышение надежности управляемых светильников;
•уменьшение затрат на прокладку сетей;
•увеличение более чем в два раза срока службы ламп;
•устранение пусковых токов линий освещения;
•оперативная диагностика светильников в т.ч. предотказный контроль параметров;
•увеличение важнейшего отчетного показателя эксплуатирующих организаций - т.н. «процента горения» до величины, максимально приближенной к 100% (при стандартном значении 95%).

В технико-экономическом обосновании показано превосходство технологии DC LSG в сравнении с известными энергосберегающими технологиями городского освещения. В то же время разработка DC LSG поставила перед электроникой новые задачи, например, по увеличению номенклатуры MOSFET транзисторов мало востребованного диапазона средних напряжений 250-350 В.

Сложилась в целом довольно парадоксальная ситуация, заключающаяся в том, что «естественное» электропитание традиционных сетей наружного освещения трехфазным переменным напряжением признается в рамках DC LSG нерациональным и предлагается переход к сетям постоянного напряжения, изобретенным в конце XIX века.

В настоящее время рядом предприятий (включая ОАО «НИИ точной механики», Санкт-Петербург и ЗАО «Связьинжиниринг», Москва) проводится разработка пилотного проекта DC LSG для наружного (уличного) освещения Санкт-Петербурга.

Управляемый электропривод

Как уже отмечалось, постоянное напряжение широко применяется для обеспечения эффективного регулирования скорости электродвигателей. Первоначально использовалось, как правило, реостатное управление коллекторными двигателями постоянного тока, затем поэтапно произошел переход на частотное управление двигателями переменного тока. При этом на двигатель от инвертора подается напряжение, регулируемое как по величине, так и по частоте. Питание инвертора осуществляется либо через выпрямитель от сети переменного напряжения, либо непосредственно от сети постоянного напряжения. В настоящее время эксплуатируются миллионы таких электронных приводов, обеспечивающих эффективное управление асинхронными и вентильными двигателями.

Управление скоростью приводов станков, насосов, вентиляторов и пр., дает существенную экономию электроэнергии. Так, например, уменьшая скорость вращения асинхронного двигателя вентилятора на 1/3 можно сэкономить до 2/3 электроэнергии. Для еще более глубокого регулирования скорости с сохранением большого вращающего момента все чаще используются вентильные двигатели с бессенсорным управлением (без датчиков положения ротора), которые часто называют бесколлекторными (бесщеточными) двигателями постоянного тока (англ. Brushless DC Motor).

Современные привода обеспечивают также плавный пуск с уменьшенными пусковыми токами. Это существенно облегчает режим работы питающей сети в сравнении с традиционными схемами пуска асинхронных электродвигателей.

С каждым годом управляемый электропривод все больше проникает в те сферы, в которых раньше считалось достаточным применение обычного неуправляемого привода. По всей видимости, сочетание инвертор + асинхронный (или вентильный) электродвигатель в ближайшем будущем будет все больше теснить традиционные типы приводов. А для такого инверторного привода питание постоянным напряжением является естественным и наиболее энергоэффективным.

Транспорт

Со времени изобретения инженером Ф.А. Пироцким первого трамвая, работающего в сети постоянного тока на коллекторных машинах Зеноба Грамма, позиции постоянного тока в области городского электротранспорта были и остаются незыблемыми.

В наше время повышение энергоэффективности и надежности городского электротранспорта с постоянным сетевым напряжением 600...750 В достигается применением управляемого привода с асинхронными и вентильными электродвигателями, обеспечивающими, в том числе, и возможность рекуперативного торможения. Уже существуют и предлагаются проекты для сетей метрополитена и наземного электротранспорта с использованием различных типов накопителей электроэнергии.

Транспорт, построенный на применении двигателей внутреннего сгорания, также использует электропитание постоянного напряжения, но от аккумуляторов. В последние годы лавинообразно увеличивается количество гибридных и электромобилей на наших дорогах. Это хорошо известно и на этом вопросе подробно останавливаться не будем. Укажем только на два вновь появившихся качества, связанных с взаимодействием гибридных и электромобилей с электросетью.

Первое - это, казавшаяся еще недавно экзотической, возможность использования гибридных и электромобилей в качестве резервных источников электропитания в индивидуальных домохозяйствах при возникновении перебоев в поставке электроэнергии. Второе - удалось решить проблему быстрой зарядки аккумуляторов электромобилей, теперь она может занимать не более четверти часа при зарядке до 80% емкости. Эти обстоятельства не только дополняют требования к преобразователям для зарядки аккумуляторов автомобилей, но и повышают живучесть энергосистемы в рамках известной концепции «умного дома».

Весьма показательным для нас будет также то, что впервые была создана энергосистема постоянного тока для крупного морского судна гражданского назначения - многоцелевого танкера для обслуживания нефтяных платформ. В его системе используются дизельгенераторы и управляемая электрическая двигательная установка Azipod с вентильными электродвигателями, потребляющая до 80% вырабатываемой электроэнергии. Обеспечивается снижение расхода топлива на 20% в сравнении с аналогичной системой на переменном токе. Суммарный вес и объем электрооборудования уменьшен на 30% в основном за счет отсутствия силовых низкочастотных трансформаторов. Высвобождается место для размещения оборудования, груза и экипажа, улучшена компоновочная схема танкера, в том числе за счет выноса гребных электродвигателей во внешние поворотные колонки. Автоматизированы процессы причаливания и стабилизации судна на волнении. Номинальное значение сетевого напряжения энергосистемы танкера - 1000 В. Очевидно, что при такой величине напряжения должны быть приняты соответствующие меры электробезопасности. Для вспомогательного оборудования и для жилых отсеков предусматриваются преобразователи на более низкие значения напряжения.

Наиболее распространёнными сетевыми накопителями электроэнергии являются гидроаккумулирующие электростанции (ГАЭС) - в мире их более 400 шт. Их суммарная мощность в настоящее время превышает 100000 МВт. Основным их назначением до последнего времени было выравнивание графиков нагрузки для основных производителей электроэнергии при неравномерностях в потреблении, которая осуществляется накоплением энергии в ночные минимумы потребления и генерацией её в утренние и вечерние максимумы. При широком использовании возобновляемых источников электроэнергии, обладающих большой неравномерностью генерации, важность применения ГАЭС многократно возрастает. Обычно ГАЭС применяются там, где есть большие перепады высот между природными (или искусственными) водоёмами. Ввиду необходимости более широкого географического использования накопителей разрабатываются проекты подземных и морских гидроаккумулирующих накопителей, такие, как пилотный проект 30 MВт ГАЭС в заповеднике Yanbaru на северо-востоке Окинавы (рис.4), проект 300МВт ГАЭС Lanai на Гавайах, ряд проектов в Ирландии.

В настоящее время в России функционируют всего одна крупная ГАЭС - Загорская мощностью около 1000 МВт, несколько ГАЭС проектируются.

Накопители разных типов применяются также для резервирования электроэнергии для особо важных потребителей и поддержке их при перебоях в электроснабжении, для увеличения пропускной способности сетей, увеличения энергоэффективности оборудования в режимах импульсного потребления и генерации электроэнергии (например, рекуперативное торможение с последующим разгоном на транспорте).

Применяемые в этих целях накопители можно разбить на два класса.

Первый - накопители типа аккумуляторных батарей, молекулярных конденсаторов (суперконденсаторов); низкотемпературных сверхпроводников которые работают на постоянном напряжении.

Второй класс - супермаховики, гидро - и пневмоаккумулирующие накопители, в которых применяются, как правило, электромашинные генераторы переменного напряжения. Однако при ближайшем рассмотрении выясняется, что режим синхронной работы генераторов с сетью переменного напряжения либо принципиально не реализуется (как для супермаховиков), либо не является более энергоэффективным. Режим переменной скорости вращения генератора с дальнейшим конвертированием выходного напряжения в сетевое постоянное напряжение обладает, по крайней мере, не меньшей энергоэффективностью. Кроме этого, режим переменной скорости для ГАЭС обеспечивает большую оперативность при переходе из насосного режима в генераторный и обратно.

Таким образом, нет никаких препятствий для энергоэффективного использования всех типов накопителей в сетях постоянного напряжения.

Уже существуют примеры отечественных накопителей на литий-ионных батареях мощностью до 10 МВт (для социально значимых объектов, критически важных объектов, частного сектора), 10-50 МВт (для промышленных объектов, распределительных сетей), до 100 МВт (для атомных и тепловых электростанций, возобновляемой электроэнергетики, магистральных сетей).

Силовая полупроводниковая электроника

На первом этапе своего развития полупроводниковая электроника в основном «приспосабливалась» к существующим сетям переменного тока. Это заключалось в преобразовании сетевого напряжения 220В/50 Гц (или 115В/60 Гц) в каждой единице оборудования в постоянное напряжение с дальнейшей реализацией требуемых потребителю функций. Вначале это приводило к тому, что каждый прибор имел встроенный блок питания с маломощным и малоэффективным низкочастотным трансформатором и выпрямителем.

Развитие полупроводниковой электроники привело к появлению более эффективных бестрансформаторных блоков питания, а затем преподнесло нам ряд факторов и для пересмотра концепции электроснабжения, включая следующие:
•применение бестрансформаторных блоков питания дало возможность питать электрооборудование как от постоянного, так и от переменного напряжения, причем в расширенном диапазоне номиналов (например, 90...250В);
•разработаны эффективные технологии повышения/понижения и преобразования напряжения на силовых тиристорах, IGBT и MOSFET транзисторах;
•управление распределенной генерацией и накоплением электроэнергии наиболее эффективно осуществляется на постоянном токе.

Таким образом, с одной стороны освоение технологий AC/DC и DC/AC преобразования позволило создать экономически выгодные HVDC и UHVDC линии электропередач, а с другой стороны все большее число оборудования может быть эффективно запитано от постоянного напряжения. Вполне логичным должен выглядеть и следующий шаг - создание понижающих сетевых DC/DC преобразователей большой мощности с переходом к системе электроснабжения, в которой как магистральные, так и распределительные сети будут работать полностью на постоянном токе (англ. Total DC system) без каких-либо DC/AC преобразований.

Бытовая электротехника и электроника

Практически вся нынешняя бытовая техника питается от переменного напряжения. Однако если внимательно проанализировать схему каждого бытового прибора, то выясняется, что ни для одного из них такое электропитание не является естественным. Практически в каждом (!) современном электроприборе происходит преобразование переменного входного напряжения в постоянное с дальнейшим самым разнообразным его использованием различными электронными схемами для создания необходимых потребительских качеств. Автору в своей квартире удалось найти только несколько устройств, не подпадающих под такое определение - масляный электрообогреватель, электроплиту, электроутюг, систему теплого пола и лампочки накаливания. Однако легко заметить, что всем этим приборам тип питающего напряжения абсолютно безразличен.

Конечно, внедрение в будущем постоянного напряжения может встретить самые разнообразные трудности, включая необходимость использования специальных розеток, обеспечивающих однозначную полярность подключения, модернизацию проводки, использование специальных типов предохранителей и пр. и пр. Однако, преимущества этого перехода настолько весомы, что такие препятствия вряд ли могут оказать значительное влияние на этот процесс. Скорее всего, основной сложностью будет необходимость организации плавного перехода с одного вида напряжения на другое с выпуском в достаточно продолжительный период времени приборов с универсальным электропитанием. Аналогичные исторические прецеденты уже имели место. Переход с напряжения 127 В на 220 В в городских электросетях СССР происходил на памяти ныне живущих поколений, начиная с 1950-х годов, при этом множество приборов выпускалось с переключателями питания. Многие сельские сети нашей страны в это же время переходили на переменное напряжение 220В с постоянного напряжения 110 В, существовавшего до войны. Ряд приборов в США и в других странах в переходной период выпускалось с универсальным AC/DC электропитанием. Известно, например, что название популярной австралийской рок-группы было дано по табличке AC/DC на тыльной стороне швейной электрической машинки универсального питания.

В настоящее время в 214 странах мира существует 5 стандартных номиналов «бытового» сетевого напряжения 50 Гц (115, 127, 220, 230, 240 В) и 7 номиналов - частоты 60 Гц (110, 115, 120, 127, 220, 230, 240 В), при этом используется более 12 типов соединений розетка - вилка. Для грядущего глобального мира будет немаловажным навести порядок в этой области. Постепенный переход на постоянное напряжение одного номинала для этой цели выглядел бы вполне логичным.

По всей видимости, флагманом такого перехода суждено стать одной из стран со стандартом более низкого сетевого напряжения 110...127 В ввиду больших экономических выгод от такого перехода (в основном за счет существенной экономии меди и алюминия).

Резюме
A la guerre comme à la guerre (французская поговорка).

Таким образом, становится все более очевидно, что основные факторы, приведшие к победе в «войне токов» трехфазной системы Доливо-Добровольского, постепенно начинают действовать в прямо противоположном направлении. Действительно, и передачу электроэнергии на дальние расстояния и питание современных электроприводов более выгодно осуществлять на постоянном токе. Более того, для тех технологий, которым ранее вид тока был безразличен, или даже переменный ток был просто единственно возможным (например, для уличного освещения лампами высокого давления), постоянное напряжение также становится более предпочтительным.

Однако есть сферы, в которых преимущества постоянного тока вовсе не являются такими уж очевидными. По-прежнему в воздушных линиях средней (до 500 км) дальности переменный ток экономически более выгоден ввиду существенно меньшей стоимости трансформаторных подстанций. Однако и здесь есть ряд моментов, указывающих на то, что позиции переменного тока в этой области могут быть существенно поколеблены. Наиболее важными представляются следующие соображения:
•продолжающийся прогресс силовой электроники необратимо ведет к уменьшению стоимости оборудования преобразовательных подстанций, что демонстрируют, например, технологии HVDC Light и HVDC Plus;
•сети постоянного тока не имеют, в отличие от сетей переменного тока, заметного электромагнитного излучения;
•сети средней дальности распространены в населенных районах, где велика стоимость землеотвода под зоны отчуждения; ввиду этого более широко будут применяться кабельные сети, в которых постоянный ток имеет превосходство на дальностях уже в несколько десятков километров.

Необходимо учитывать, что при разработке любого крупного проекта в его технико-экономическое обоснование следует включать сравнение возможных вариантов по экономическому критерию, за который в последнее время обоснованно принимается т.н. совокупная стоимость владения (англ. Total Cost of Ownership - TCO). Сравнения сетей переменного и постоянного тока нам доступны только по критерию их проектной стоимости (см. рис. 2). В этих расчетах, скорее всего, не учитывалась ни стоимость землеотвода под зоны отчуждения, ни эксплуатационные расходы. В то же время оценка по TCO учитывает затраты и экономию за весь жизненный цикл системы, что существенно влияет на сравнительную оценку проекта в целом. В частности, облик упомянутого проекта системы городского освещения DC LSG во многом был определен по результатам такого рода расчетов. Представляется, что корректное сравнение по TCO должно дать дополнительные аргументы в пользу систем постоянного тока ввиду меньших потерь в линиях и меньших зон отчуждения.

И последний аргумент. Очевидно, что если электропередачам переменного тока средней дальности удастся сохраниться в общем «окружении» сетей постоянного тока, то потребуется ввод дополнительных инверторов и выпрямителей на входе и выходе таких линий, что существенно увеличит их стоимость. В тоже время, необходимо отметить, что замена линий HVAC средней дальности на HVDC требует разработки DC/DC преобразователей большой мощности, отсутствующих в настоящее время.

Подытоживая вышесказанное, следует отметить, что в рамках проведенной работы нам не удалось найти ни одного устойчивого «анклава», в котором технологии переменного тока смогли бы гарантированно удержать свои позиции в будущем.

Некоторые аналитики поспешили назвать происходящие события началом второй «войны токов». Автор же склонен считать, что мы являемся свидетелями начала возрождения (ренессанса) постоянного тока, поскольку, несмотря на наличие определенных противодействий, нет никаких предпосылок для появления в этом процессе враждующих сторон, использующих методы первой «войны токов». Оставим, впрочем, этот вопрос для будущих историков электротехники и электроники. Для нас же наиболее важным является то, что события постепенно приобретают характер, который на современном сленге называется мейнстримом. Если это действительно так, то вполне возможно, что описанные процессы могут привести к концу XXI века к тотальному переходу на постоянное напряжение.

Возможные будущие отечественные проекты
Война всегда является борьбой,
в которой каждая из двух сторон
стремится уничтожить другую.
Эрнесто Рафаэль Гевара Линч де ла Серна.
Партизанская война.

Поскольку существуют уже не только предпосылки, но и технические возможности по постепенному замещению многих сетей переменного напряжения на сети постоянного напряжения, то попробуем спрогнозировать появление проектов грядущего ренессанса постоянного тока. При этом следует признать, что основным трендом с наибольшей вероятностью станет развитие интеллектуальных сетей постоянного тока. Представляется, что в ряд гипотетических можно зачислить следующие возможные отечественные проекты:

•проект электроснабжения и освещения федеральной скоростной автодороги (например, Москва - Санкт-Петербург);
•проект Кронштадтской ветроэнергостанции мощностью до ~300МВт с размещением ветрогенераторов вдоль комплекса защитных сооружений Санкт-Петербурга от наводнения и соединенных линией HVDC, аналог - проект береговой ветроэлектростанции Noordoostpolder в Нидерландах (см. рис.5);
•проект линии освещения с использованием существующей сети постоянного напряжения для электротранспорта (например, освещение самой длинной в мире троллейбусной линии Симферополь - Ялта, освещение трассы волгоградского метротрама);
•проект электроснабжения и освещения крупного тепличного хозяйства (с мощностью осветительных установок до 1 МВт на гектар);
•проект электроснабжения и освещения крупного спортивного сооружения, например, футбольного стадиона, горнолыжного курорта, биатлонной трассы и т.п.;
•проект сети заправочных станций электромобилей для крупного города (возможно совмещение с проектом DC LSG);
•проекты сети электроснабжения и освещения повышенной безопасности и живучести крупных объектов промышленного и иного назначения, например морского порта, таможенного терминала, военного городка, вахтового поселка нефтяников, цеха разделения изотопов, железнодорожного узла, аэродрома, космодрома, крупного офисного здания типа Лахта-центра, Московского Кремля, объектов Росрезерва и т.п.

Возможные препятствия для внедрения
Может быть, войны теперь не кончаются победой.
Может быть, они вообще не кончаются.
Может быть, это новая Столетняя война.
Эрнест Хемингуэй. Прощай оружие.

До сих пор заявления, касающиеся повышения энергоэффективности в интеллектуальных сетях, применения возобновляемых источников энергии и инвестирования в них, а также развития сетей постоянного напряжения, чаще всего воспринимались как декларации, далекие от реальной действительности. Однако исследования и внедрение ряда проектов в последние годы показывают все возрастающую актуальность инновационного развития в этой области. В то же время отечественная большая энергетика в целом не имеет отчетливых стимулов, как для продвижения распределенного производства электроэнергии, так и для увеличения энергоэффективности ее потребления, тем более с использованием технологий постоянного тока.


Эта проблема известна и требует отдельного рассмотрения. Здесь ограничимся только перечислением ряда мер, с помощью которых возможно ускорить внедрение и распространение инновационных сетей постоянного тока:
•разработка нормативных документов и стандартов интеллектуальных сетей на постоянном токе;
•разработка стандартов возобновляемой электроэнергетики;
•создание информационных и образовательных программ для специалистов, устанавливающих промышленные и строительные нормы;
•разработка федеральных и иных программ финансовой поддержки;
•разработка и регулирование тарифов на коммунальные услуги, включающих и поставку электроэнергии в сеть.

В настоящее время производители энергетического и силового оборудования создают международные ассоциации и консорциумы для реализации некоторых из вышеперечисленных целей.

Важнейшим из перечисленных вопросов должна стать стандартизация характеристик систем электроснабжения в мировом масштабе, что не было решено в свое время во время «войны токов».

И, безусловно, самым серьезным препятствием для дальнейшей модернизации является огромное количество ранее произведенного и производимого оборудования, работающего на переменном токе. Именно в этом направлении сложнее всего будет согласовать интересы производителей оборудования и потребителей, хотя и тут прослеживается важная, но пока малозаметная тенденция к появлению оборудования с универсальным AC/DC электропитанием.

Что же дальше?
Средством, благодаря которому просвещенные правители покоряли других,
а их достижения превосходили многих, было упреждающее знание.
Сунь Цзы. Искусство войны.

В прогнозе развития электроэнергетических систем, данном Институтом энергетической стратегии (ЗАО «ГУ ИЭС») в работе «Исследование трендов и сценариев развития мировой энергетики в первой половине XXI века» отмечается, что основной технологической тенденцией будет переход к энергетическим системам нового поколения.

Прогноз ГУ ИЭС выделяет следующие направления этого перехода:
•создание систем управления энергосистемой («умная» энергосистема);
•развитие технологий дальнего транспорта электроэнергии;
•развитие технологий накопления электроэнергии в энергосистеме;
•развитие распределенной генерации.

Такой, уже общепринятой, парадигме в наибольшей степени отвечают именно сети постоянного напряжения, обеспечивающие и более эффективную передачу на большие расстояния, и более эффективное подключение накопителей и альтернативных источников электроэнергии. Реализация «умного» управления такой энергосистемой, ввиду отсутствия необходимости синхронизации различных источников также существенно упрощается.

Не менее важно то, что сети постоянного напряжения одновременно обеспечивают повышение энергоэффективности энергоснабжения и позволяют проще реализовать интеллектуальную систему с возможностью управления нагрузками. Такие сети будут одновременно и более эффективными, и более совместимыми с быстро растущим и всепоглощающим сегментом современной нагрузки - управляемым электронным оборудованием. Повышается также надежность и живучесть систем электроснабжения.

В одобренных Правительством Российской Федерации «Сценарных условиях развития электроэнергетики на период до 2030 года» в главе «Инновационное развитие и техническая политика в электроэнергетике» намечено освоение в период до 2016-2020 годов демонстрационных проектов технологий и оборудования во всех секторах электроэнергетики. Целью является подготовка к широкому внедрению этих проектов на следующих этапах до 2030 года. При этом, в ряду важнейших инновационных технологий отмечается необходимость создания системообразующих сетей постоянного тока, а также элементов, которые должны составить их основу:
•преобразователи постоянного тока;
•силовые полупроводниковые приборы на основе нанотехнологий на токи 6-7 кА и напряжения 10-12 кВ;
•интеллектуальные распределительные сети с использованием цифровыхсистем противоаварийного управления;
•сверхпроводниковые индукционные накопители энергии;
•мощные мегаваттного класса пилотные батареи топливных элементов на природном и синтез-газе;
•асинхронизированные гидрогенераторы-двигатели для ГАЭС;

Отработку новых проектов сетей постоянного напряжения в первую очередь следует производить на обособленных сетях, где их преимущества наиболее очевидны, а именно: в ветроэнергетике, в системах электроснабжения серверных центров, в электросетях крупных кораблей, в интеллектуальных системах освещения DC LSG, в тепличных хозяйствах, на объектах с автономным электроснабжением. При этом чрезвычайно важно на всех этапах разработки закладывать, проверять и отрабатывать работоспособные решения для всего спектра условий эксплуатации с необходимыми характеристиками надежности и живучести.

Для дальнейшего широкого распространения DC технологий (вплоть до Total DC System) и преодоления препятствий, часть из которых описана выше, потребуется объединение разобщенных до настоящего времени сил менеджеров и разработчиков, а также выработка стратегии развития, контуры которой пока еще только определяются.
Tags: ЛЭП, Переменный ток, Подстанция, Постоянный ток, Электроэнергия
Subscribe

  • Post a new comment

    Error

    default userpic

    Your reply will be screened

    Your IP address will be recorded 

    When you submit the form an invisible reCAPTCHA check will be performed.
    You must follow the Privacy Policy and Google Terms of use.
  • 11 comments