Известия РАН. Энергетика, 2019, № 6, стр. 43-50

ВВЕДЕНИЕ

В последние годы достаточно активно исследуются направления развития электроэнергетики и электроэнергетических систем (ЭЭС) Монголии в рамках топливно-энергетического комплекса страны, включая крупномасштабное развитие возобновляемой энергетики, с учетом объединения изолированно работающих в настоящее время ЭЭС и создания Единой ЭЭС страны, а также возможного участия Монголии в межгосударственной кооперации стран Северо-Восточной Азии по формированию межгосударственного электроэнергетического объединения [1–5 и др.]. В этих перспективных исследованиях фактически не рассматривались роль и место, масштабы развития, особенности используемых технологий и другие проблемные вопросы малой электроэнергетики в Монголии.

Между тем, за последние годы малая электроэнергетика получила в Монголии существенное развитие. В стране работают 13 мини- и микро-ГЭС, 17 мини- и микро-солнечных электростанций, 3 мини-ветроэлектростанции, 7 гибридных микро-систем электроснабжения (фото-панели и ветроустановки с накопителями электроэнергии или без них). Успешно выполнен впечатляющий национальный проект “100 000 солнечных фото-панелей” по электрификации индивидуальных юрт пастухов.

В статье анализируется современное состояние мини- и микро-систем электроснабжения в мире и в Монголии, рассматривается специфика требований к этим системам в Монголии в сравнении с другими странами и перспективы развития этого направления. Формулируются актуальные задачи исследований по обоснованию развития и управлению функционированием микро-систем электроснабжения в Монголии.

СОСТОЯНИЕ МИНИ- И МИКРО-СИСТЕМ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ В МОНГОЛИИ И В МИРЕ

Существуют различные классификации систем электроснабжения с малой генерацией, в основе своей учитывающие суммарную мощность генерирующих источников [6–10 и др.]. Примем определения мини- и микро-систем электроснабжения (мини- и микро-СЭС) на базе этих классификаций с небольшой корректировкой. К мини-СЭС будем относить системы электроснабжения с мощностью генерации от 25 кВт до 25 МВт, к микро-СЭС – от 1 Вт до 25 кВт. Учитывая эту классификацию, рассмотрим современный уровень развития мини- и микро-СЭС в Монголии и в других странах.

Большая территория Монголии характеризуется низкой плотностью населения и большими расстояниями между централизованными источниками электроэнергии и потребителями. На сегодняшний день Центральная ЭЭС (ЦЭЭС) поставляет около 80% всей вырабатываемой в стране электроэнергии и включает такие крупные центры электропотребления, как Улан-Батор, Дархан-Сэлэнгэ, Эрдэнэт-Булган и Баганур-Чойр. С середины 1990-х годов начали формироваться ЭЭС западного (ЗЭЭС) и восточного (ВЭЭС) районов.

В настоящее время 90% электроэнергии в ЦЭЭС вырабатывается на ТЭЦ в Улан-Баторе, из-за этого протяженность распределительных электрических сетей велика и потери в этих сетях превышают 20%.

Учитывая рассредоточенность населения на большой территории, а с другой стороны – концентрацию электроэнергетики в немногочисленных больших городах, актуальной является проблема освоения местных, прежде всего возобновляемых, энергоресурсов и формирования локальных мини- и микро-СЭС. В таблице 1 приведена информация о действующих сегодня в Монголии мини- и микро-ГЭС, в табл. 2 – мини- и микро-солнечных электростанций, в табл. 3 – гибридных микро-электростанций (фото-панели и ветро-агрегаты с накопителями электроэнергии или без таковых), в табл. 4 – ветровых мини-электростанций [11].

Особый интерес представляет уникальная национальная программа “100 000 солнечных фото-панелей”, которую финансировали Правительства Японии, Китая и Мировой банк [12]. Программа начала реализовываться с 2000 года и продолжалась 12 лет. В результате 70% кочевников (около 500 000 жителей) получили электроэнергию. Суммарная мощность фото-панелей на одну юрту 3–4 кВт. Имеются резервные фото-панели и накопители электроэнергии. Эти микро-СЭС работают на постоянном токе.

Определенная активность в части развития малой электроэнергетики проявляется в России [13]. Отмечается несколько уже реализованных проектов мини-СЭС на основе солнечных электростанций в Республике Алтай, Республике Саха (Якутия), ветропарка в поселке Тикси и ряде других регионов. В 2018 г. Министерство энергетики РФ планировало запустить масштабную программу “Один миллион солнечных крыш в России” (некоторый аналог национальной программы Монголии). Программа предусматривает установку солнечных панелей на крышах зданий суммарной электрической мощностью 3.5 кВт на одну семью. Общая установленная мощность “солнечных крыш” по этой программе может составить до 3.5 ГВт. Программа находится в стадии реализации.

Солнечные электростанции особенно актуальны для труднодоступных поселков и объектов на севере Сибири и Дальнего Востока, а также в Арктике. При этом электроника и мехатроника солнечных модулей приспособлены для нормального функционирования при очень низких температурах – до минус 50 град.

В [10] приведена информация о ряде пилотных проектов микро-СЭС в некоторых странах мира:

– в Европе – Китнос, Греция, с децентрализованным интеллектуальным управлением нагрузкой в изолированной микро-СЭС; Маннгейм, Германия, переход от совместной работы с ЭЭС к изолированной работе; Бронсбергер, Нидерланды, изолированная работа микро-СЭС и интеллектуального накопителя электроэнергии;

– в США – программа исследований и демонстрационные проекты микро-СЭС;

– в Японии – демонстрационные проекты микро-СЭС, включая демонстрационный проект в Нью-Мексико;

– в Китае – микро-СЭС на островах; микро-СЭС в промышленных, коммерческих и жилых зонах; микро-СЭС на удаленных территориях;

– в Чили – описание тестового демонстрационного проекта, включая управление нагрузкой.

Большое внимание в исследованиях уделяется системам управления параметрами режима микро-СЭС, работающих на постоянном токе. Один из распространенных подходов к реализации таких систем управления основан на принципах кооперативного управления при использовании так называемых консенсусных алгоритмов [14–19 и др.]. Цель кооперативного управления состоит в приведении всех узлов микро-СЭС к одинаковым согласованным, иначе говоря, консенсусным, значениям контролируемых параметров режима. В своей базовой форме алгоритм консенсуса представляет собой простой протокол, действующий в каждом локальном контроллере установок распределенной генерации и постоянно суммирующий алгебраические различия некоторых переменных, измеренных в данном контроллере, и в цифровых коммуникационных связях, непосредственно влияющих на него. Эти суммируемые различия используются консенсусным алгоритмом для постоянной адаптации переменных контроллеров друг к другу.

Таким образом, приведенный фрагментарный обзор состояния исследований и разработок в области микро-СЭС показывает активный интерес к этому направлению и решению возникающих проблем. Следует отметить, что конструктивные решения, использование тех или иных технологий, специфика обоснования развития и управления функционированием микро-СЭС, могут существенно различаться в зависимости от конкретных условий. В этом плане представляют существенный интерес уникальные в своем роде микро-СЭС на постоянном токе для электроснабжения изолированных индивидуальных потребителей электроэнергии, реализованные в рамках национальной программы Монголии “100 000 солнечных фото-панелей”, отмеченной выше. Попробуем сформулировать перечень проблем, требующих решения с учетом условий Монголии для этих микро-СЭС.

НЕКОТОРЫЕ ПРОБЛЕМЫ РАЗВИТИЯ МИКРО-СЭС ИНДИВИДУАЛЬНЫХ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ МОНГОЛИИ И УПРАВЛЕНИЯ ИМИ

Прежде чем формулировать проблемы развития микро-СЭС индивидуальных потребителей в соответствии с программой “100 000 солнечных фото-панелей”, необходимо детально разобраться с их конструкцией и составом элементов, требованиям к ним со стороны потребителей.

Типовой состав электроприемников юрты индивидуального потребителя включает сейчас максимум следующие установки: освещение, электроплита, холодильник, электрообогреватель, телевизор цифровой, а также накопитель электроэнергии. В недалеком будущем появятся дополнительные электроприемники, такие как компьютеры, автоматическая стиральная машина и другие. Общее количество электроприемников в юрте в будущем может намного превысить десять наименований, о чем свидетельствует опыт других стран [9, 10].

С учетом этого вырастут и общий объем электропотребления, и суммарный максимум нагрузки потребителя, а также неравномерность и неопределенность суточного графика его нагрузки. Принципиально то, что вследствие случайного характера работы некоторых электроприемников (например, случайных моментов времени включения для выполнения очередной операции стиральной машины и ее выключения в паузу между соседними по времени операциями) в случае роста их количества возрастет и случайная составляющая суточного графика нагрузки потребителя. Требуется учет этого фактора при решении задач развития и функционирования микро-СЭС.

Многие из современных бытовых приборов работают на цифровой основе и поэтому имеют повышенные требования к надежности электроснабжения и качеству электроэнергии. С другой стороны, выработка электроэнергии фото-панелями имеет стохастический характер, при этом случайные колебания вырабатываемой мощности могут сглаживаться накопителем электроэнергии. Требуется исследование эффективности системы управления, призванной стабилизировать выдаваемую мощность системой “фото-панель–накопитель” с учетом необходимой подстройки системы управления к отмеченным выше случайным факторам суточного графика нагрузки потребителя.

В целом качество электроэнергии по напряжению требует в рассматриваемых микро-СЭС специальных исследований, в том числе в натурных условиях. Важной составляющей этих исследований является разработка математических моделей расчета электрических режимов в сети постоянного тока в нормальных, аварийных и послеаварийных условиях. Расширение возможностей таких математических моделей до моделей суточных режимов позволит исследовать многие дополнительные проблемы, такие как, например, управление нагрузкой, минимизация электрических потерь в сети постоянного тока, эффективность работы средств поддержания требуемых уровней напряжения и другие.

Обеспечение необходимого уровня надежности электроснабжения электроприемников различных категорий по надежности индивидуальных потребителей требует разработки необходимых показателей и критериев надежности, а также специфических моделей оценки надежности рассматриваемых микро-СЭС, оптимизации решений по повышению надежности электроснабжения.

Важные нетривиальные задачи возникают в случае рассмотрения системы микро-СЭС для большой семьи, располагающейся в нескольких рядом стоящих юртах. В этих условиях методическим подходом к выполнению исследований должен стать принцип “система систем” [20 и др.]. В рассматриваемых условиях перечисленные выше задачи исследования режимов системы микро-СЭС усложняются и видоизменяются.

В части задач обоснования развития микро-СЭС прежде всего требуется анализ целесообразности и эффективности действующей структуры рассматриваемых систем электроснабжения и при необходимости ее обоснованная корректировка, в том числе с учетом отмеченных выше особенностей работы отдельных электроприемников в процессе формирования суточных графиков нагрузки индивидуальных потребителей. Отдельная непростая задача связана с обоснованием структуры системы микро-СЭС. Общая методология задач развития микро-СЭС должна включать контроль выполнения требований к надежности электроснабжения и качеству электроэнергии.

В целом требуется разработка комплексной методологии обоснования развития микро-СЭС и систем микро-СЭС удаленных изолированных индивидуальных потребителей и управления режимами таких систем электроснабжения с апробацией отдельных составляющих методологии на решении конкретных практических задач.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проведенный анализ особенностей развития микро-систем электроснабжения в мире и в Монголии и управления их режимами показывает актуальность возникающих проблем, требующих решения. Специфика Монголии связана с наличием удаленных изолированных индивидуальных потребителей, для которых была реализована национальная программа “100 000 солнечных фото-панелей”. Анализ особенностей и условий работы и развития таких микро-СЭС показывает необходимость разработки соответствующей методологии исследований, моделей и методов решения конкретных задач. В статье обсуждаются некоторые из необходимых моделей и методов. Потребуется также определенное обобщение методологии исследований, используемых моделей и методов, с учетом специфики условий развития и функционирования микро-СЭС подобного состава в других странах.

Работа выполнена частично по проекту № 111.17.4.2 программы государственного задания фундаментальных исследований СО РАН.