Свързване на ВЕИ към електрическата мрежа

Все повече сектори на европейската икономика се електрифицират и все повече нараства делът на потреблението на възобновяема енергия. Това e свързано не само увеличаване на производството от такива източници и изграждането на нови вятърни, хидро и соларни електроцентрали, но и с интегрирането на тези производители на енергия към електропреносната мрежа. През постигането на тази цел има обаче технологични трудности, тъй като от една страна традиционната електропреносна инфраструктура е изградена за пренос на енергия в едната посока, от генератор към консуматор, докато малките домашни фотоволтаици налагат движение и в противоположната посока. От друга страна непостоянното производство на енергия от възобновяеми източници създава предпоставки за претоварване на мрежата, което може да навреди на крайния потребител.
Справянето с тези проблеми, като се постигнат максимални ползи, удобство и защита на потребителите, е свързано с иновативни хардуерни и софтуерни решения, чрез които да се изградят интелигентни електроенергийни мрежи. Едно от средствата за максимално ефективно изпозлване на възобновяема енергия и включване на производителите ай към електропреносните системи са микро мрежите.

С цел предпазване на околната среда и постигане на по-голяма енергийна ефективност, Европейският съюз си е поставил за цел да увеличи значително дела на употребяваната електроенергия от възобновяеми източници. Финансирано от ЕС изследване предлага да бъдат създадени възможности за включване на повече малки производители на електричество от възобновяеми енергийни източници (ВЕИ) към националните електропреносни мрежи, което ще е от полза както за потребителите, така и за околната среда. Политическата обстановка и регулаторната среда на ЕС по отношение на електрозахранването се развиват бързо като част от движението към общ енергиен пазар. Елемент от това развитие е свързването на широко разпространените ВЕИ към електроенергийната мрежа.

Финансираният от ЕС проект INCREASE е разработил технологии за обезпечаване на безпроблемно свързване на множество такива малки доставчици, които продават електричество от много малки източници, като по този начин повишават печалбите и намаляват разходите и цените за крайните потребители.

Традиционно електроенергийният поток се движи от електроцентралата към индивидуалните потребители. Но при наличие на много малки и разпръснати доставчици на електрическа енергия от ВЕИ, този поток може да стане двупосочен и да предизвика дисбаланси в мрежата, водещи до прекъсвания на електрозахранването. Заради трудностите при контролирането на тези потоци, регионалните електроразпределителни компании предпочитат да разчитат на няколко сравнително големи производители на електрическа енергия от ВЕИ, които са лесни за управление. Затова по-малките производители, такива като домакинства с фотоволтаични панели, се интегрират по-трудно в мрежата, тъй като това не е изгодно за агрегаторите на електроенергия. INCREASE показва как, използвайки комбинация от хардуерни и софтуерни средства, тази трудност може да бъде преодоляна и как могат да бъдат реализирани печалби от по-широка база доставчици на ВЕИ електричество, като същевременно има ползи както за околната среда, така и за потребителите.

Ключов извод от изследването е, че, за да се увеличи максимално наличната електрическа енергия в мрежата, понякога трябва да се ограничи достъпът до нея. Изследването на INCREASE се състои от три елемента. То създаде нов инвертор (хардуерната точка на въвеждане на електрически генератор в мрежата), който може да ограничи навлизането на енергия, когато се появят дисбаланси, позволявайки бърза реакция по отношение на всеки ВЕИ. Разработен е начин за свързване на всички инвертори в мрежа, използвайки нови контролни алгоритми, управлявани от регионален агрегатор на електрическа енергия. Това позволява контрол на дисбалансите и коректно поделяне на въведената електрическа енергия чрез „светофарна“ система. Изследването създава и система за управление на спомагателните услуги (Ancillary Services Management System – ASMS) за регионалните агрегатори, позволявайки им да предоставят на операторите на националната високоволтова преносна мрежа важни търговски услуги като прогнози на търсенето на електрическа енергия.

INCREASE технологиите са тествани успешно в реални разпределителни мрежи в Австрия, Словения, Белгия и Холандия и към тях има интерес от различни страни. Например, регулатори от САЩ търсят соларни инвертори, които поддържат електроенергийната мрежа по същия начин, както тези, разработени от INCREASE. Германски електроенергийни оператори се насочват към по-добър контрол на въведената електрическа енергия, за да увеличат максимално ефективността, а в Словения един електроенергиен оператор е приел контролен алгоритъм, разработен от проекта.

Предизвикателствата на разпределените енергийни ресурси
Тъй като растежът на разпределените енергийни ресурси (РЕР) се ускорява, важно е да се познават предизвикателствата, които те създават за традиционните системи с централизирани мрежи. Растежът в капацитета на РЕР и богатото разнообразие на свързани с тях технологии разширява способите за включване на потребители към мрежата, като в следствие на повишената децентрализация възникват редица възможности и предизвикателства.

Ако мрежите могат да се адаптират към този преход, потребителското участие може да осигури важни нови източници на енергия и да се превърне в конкуренция на съществуващото мащабно производство. Но ако се подходи по грешен начин, в резултат може да се стигне до отслабване на глобалните електропреносни системи, което ще бъде неблагоприятно за всички страни. Вместо да ограничават РЕР или да инвестират в инфраструктура, електрическите компании трябва да се стремят да възприемат интелигентни технологии, които ще им дадат възможност да поддържат качеството на електрическото захранване на най-ниска цена, докато гарантират сигурност за потребителите.

Проблемите от навлизането на РЕР започват да се проявяват в модерните електропреносни системи. Трудността при справянето с повишаването на напрежението е един от основните проблеми на електроенергийните оператори. Традиционните електропреносни мрежи са изградени така, че да доставят електричество само в една посока – от генератора към консуматора. Това дава възможност напрежението да спада постоянно от подстанцията към потребителя. Така основната грижа за мрежите е да се избегне на спадането на напрежението за онези клиенти, които са в края на захранващата линия. За технологии, засягащи РЕР, изнасящи електрическа енергия нагоре по мрежата, напрежението трябва да е по-високо от това на тяхното локално електрозахранване. В резултат на това в мрежите възникват значителни свръхнапрежения по обяд, когато производството на електрическа енергия от фотоволтаични системи е най-голямо и соларните инвертори причиняват повишение на локалните напрежения.

Този нов елемент на променливост на напрежението създава технически предизвикателства при работата на мрежата. С навлизането на повече РЕР се увеличават мащабът и интензивността на въздействието. Според направени изследвания, веднага щом локалните фотоволтаици достигнат дял от 25% от употребяваната електроенергия, за всички локални клиенти напрежението ще се повиши.

При несправяне с повишените нива на напрежението ще се увеличат системните разходи и ще има неблагоприятни последици за крайния клиент. Поддържането на безопасно ниво на напрежение за клиента е от изключителна важност, за да се гарантира, че електрониката при потребителя няма да бъде повредена и няма да работи неефективно.

Последици от повишеното напрежение
Ако мрежите могат да подобрят използването на съществуващите и бъдещите РЕР, тези предизвикателства могат да се превърнат във възможност за постигане на по-висока ефективност в цялата система и да дадат на потребителя по добри възможности за обмен с мрежата. За да стане това, мрежите трябва да постигнат баланс между контрола върху РЕР и защитата за потребителя.

Това ще изисква инсталирането на икономически ефективни интелигентни технологии, които ще управляват РЕР динамично, като никога няма да излагат на риск безопасността на потребителите. Преди всичко всяка технология, възприета или поддържана от електроенергийните мрежи, трябва в някаква степен да предоставя на крайния потребител разбиране за производството и потреблението на енергията. Това ще осигури точност при моделирането на мрежите и предвиждане на търсенето и предлагането. Мрежите трябва да увеличат интелигентните средства за управление на производството на електричество от РЕР. Понастоящем стремежът на глобалните мрежи се движи в тази посока чрез инсталирането на динамични системи за ограничаване на експорта, използващи интелигентни инвертори.

Създаването на динамични експортни графици, които изместват експортните максимуми на консуматорите, отразявайки променящите се технически ограничения, ще позволят на мрежите да управляват по-добре експортното въздействие на РЕР. Това ще даде възможност на потребителите да увеличат максимално експорта без негативно въздействие върху мрежата в случаи на натрупване. Допълнителна технология ще бъде необходима, за бъде сигурно, че потребителите ще останат защитени, ако при новата система за управление на РЕР има оперативни неизправности. Например, инсталирането на динамична експортна система ще развие електропреносната система отвъд нейния традиционен капацитет за РЕР. Това може да увеличи уязвимостта на потребителите към по-тежки въздействия, ако динамичната система се повреди. Неизправност може да стане причина инверторите да се върнат към некоректно експортно ниво и изведнъж да се влоши значително качеството на електрическото захранване при потребителите, например големи колебания на напрежението. В този случай ще са необходими технологии за защита, например за регулиране на напрежението, които да подпомагат и поддържат бъдещите системи за управление на РЕР.

По-интелигентно разширяване на електрическите мрежи за интегриране на ВЕИ
Интегрирането на все повече източници на възобновяема енергия в електрическите мрежи става по-лесно и по-евтино, като за да се извърши това спомагат интелигентните електроенергийни мрежи, гъвкавостта при вятърните турбини и средствата за съхранение на електроенергия. Но е необходимо мрежата да се обнови и разшири, за да се постигне значително намаляване на разходите, което може да предложи взаимосвързаният пазар на електроенергия. Ако електрическата енергия от ВЕИ трябва да посрещне 35% от нуждите в Европа до 2030г., нужно е инвестициите в електрическите мрежи да бъдат по-стратегически.

За да се създаде подходяща мрежа в Европа и да се осъществи по-нататъшно редуциране на системните разходи, разширението на електрическата инфраструктура следва да се извърши с интелигентни средства. Необходимо е производителите на възобновяема енергия, включително на вятърна енергия, и енергийните оператори да работят в по-тясно сътрудничество. Изграждането на бъдещия енергиен пейзаж изисква съвместно планиране при разработването на нови линии за пренос. Тук трябва да се има предвид разширението на ВЕИ и електрифицирането в други сектори, както и екологичните и социални въздействия. Страните могат да подпомогнат това чрез детайлизиране на количествата възобновяема енергия, които те ще използват след 2020г. като част от техните Национални планове в областта на енергетиката и климата. Това ще даде на енергийните оператори необходимата яснота къде да инвестират в допълнителна инфраструктура и следователно ще спомогне да се избегнат пренатоварвания на мрежата, които се наблюдават на национално и европейско ниво.

За да се приспособи към увеличаващата се електрификация в други сектори, ЕС е нужно да приоретизира електрическите мрежи в сравнение с газовите мрежи, когато се разпределят средства чрез Механизма за свързване на Европа (МСЕ). Електрификацията на отоплението, транспорта и индустриалните процеси е от основно значение за прехода към нисковъглеродна икономика. Необходимо е това да се осъществи с разширение и обновяване на електрическите мрежи в Европа.

Също трябва да бъде утвърден софтуерът за енергийните пазари. Услуги за поддръжка на мрежата посредством възобновяеми генератори, които увеличават или намаляват предлаганата електрическа енергия според търсенето, трябва да станат все по-разпространени. Новите вятърни електрически централи са технически пригодни за това и много страни вече са наложили на вятърните паркове тези задължения. Но също така много пазари все още не позволяват вятърните електроцентрали да предоставят тези услуги и да бъдат компенсирани за тях.

Стратегия на WindEurope за интегриране на електрическа енергия от ВЕИ
За по-ефективното интегриране на ВЕИ ще помогне по-доброто сътрудничество между производителите на електрическа енергия и електроенергийните оператори, като се приоретизират електрическите мрежи в сравнение с газовите и се насърчават операторите на вятърните електроцентрали да предоставят поддържащи услуги. Тази стратегия за постигане на заложения дял от потреблението на електроенергия в Европа да бъде от ВЕИ до 2030г. е обсъдена на изложението WindEurope 2017. Производителите на възобновяема енергия и електроенергийните оператори трябва да си сътрудничат по-тясно, за да планират съвместно линиите за пренос.

Страните могат да подпомогнат прозрачността чрез детайлизиране на количествата възобновяема енергия, които те ще използват след 2020г., в своите Национални планове в областта на енергетиката и климата, посочващи как страните възнамеряват да постигнат целите за климата определени за периода между 2021г. и 2030г. Яснотата относно тези количества ще помогне на операторите при инвестирането в инфраструктура и при избягването на претоварвания на мрежите.

Четири главни преносни линии в Европа, проектирани да спомогнат за интегрирането на ВЕИ, са получили повече от 650 милиона евро финансиране от ЕС. Сред тях са SuedOstLink с дължина 580km, която ще пренася вятърната електрическа енергия, произведена в северната част на Германия, към потребителските центрове на юг, и проектът Бискайски залив с дължина 280km, с който се планира повишаване на взаимното свързване на електроенергийните системи на Франция и Испания от 2.8GW на 5GW. Според WindEurope това са добри примери на приоретизиращата поддръжка от страна на ЕС за електрическите мрежи в сравнение с газовите посредством МСЕ – фонд на ЕС за инфраструктурни проекти.

Европейската микромрежа (Microgrid)
Микромрежата дава възможност да се произвежда електрическа енергия от множество малки енергийни източници. Тя е алтернативен подход за интегриране на малкомащабните разпределени енергийни източници (РЕР). Използването на микромрежата е известно като разпръснато или разпределено производство. Микромрежата e ефикасно решение за съхранение на енергия, функционирайки като нова разпределителна мрежа с локални потребление, производство и контрол на процесите. Тези електрозахранващи системи предлагат ползи като повишена гъвкавост и надеждност, подобрение на качеството на електрозахранването и редуциране на емисиите от парникови газове. В свой доклад Grand View Research, Inc. предвижда от 2018г. до 2025г. общ годишен ръст от 15.8% за европейската микромрежа.

„Чиста енергия за всички европейци“ е нов пакет от мерки, приети от Европейската комисия през 2016г., насочени към постигане на две главни цели за енергийния сектор на ЕС – стимулиране на енергийната ефективност и постигане на водеща световна позиция по отношение на ВЕИ технологиите. Увеличеното търсене на интелигентни измервателни устройства поради растящото производство на електрическа енергия посредством микромрежата се очаква да бъде една дългосрочна заявка за по-устойчива околна среда.

Способността на микромрежата да доставя енергия при значително натоварване при неаварийни ситуации представлява съществена смяна на модела към разпределено производство за енергийно ефективни и екологични дейности. ABB, Siemens, General Electric и Hitachi са някои от компаниите, произвеждащи и разпространяващи микромрежи глобално.

Микромрежата включва употребата на инвертори, интелигентни измервателни устройства и облачно базирани приложения за постигане на по-голяма гъвкавост и ефективност на енергийните пазари. Интелигентните измерватели са електронни измервателни устройства, използвани при функционирането на електрическите системи и при изпращане на информация за сметките на консуматорите. Наличието на соларни панели, интелигентни измервателни устройства и природен газ допринася за опазването на околната среда и се очаква да подпомогне растежа на микромрежата през планирания период.

Виртуалната микромрежа е концепция за разпределяне на енергийни ресурси и интегриране на енергийни съоръжения по специален начин с цел балансиране на търсенето и предлагането за определен период от време. Използването на ВЕИ може да бъде увеличено максимално и изходящите колебания в търговските мрежи могат да бъдат сведени до минимум чрез създаването на такава виртуална микромрежа.

Микромрежата придобива значение от гледна точка на своето действие и безпроблемното включване и работа в по-голямата електропреносна система на разпределени енергийни ресурси, както от изкопаеми горива, така и от ВЕИ. Тази микромрежа може да работи в комбинация с или да бъде изолирана от електрозахранващата мрежа като може да бъде използвана по разнообразни начини, включително търговски приложения, военни инсталации, извън електропреносната система, в институционални електрозахранващи системи и такива за отдалечени населени места.

Европейската комисия инициира няколко директиви и рамкови планове във връзка с разработването на микромрежите и увеличаващото се навлизане на възобновяемата енергия в Европа. През 2009г. ЕК също сформира Работна група за интелигентните енергийни мрежи с цел даване на препоръки и стандартизационни планове за пазара на микромрежи.

Според проучване на Grand View Research, Inc., с помощта на иновативни технологии, големите компании са комбинирали излишната енергия от офшорни вятърни, хидро и соларни електроцентрали, за се развива възобновяемата енергия във връзка с увеличаващото се търсене на постоянно електрозахранване.

Екстремните атмосферни условия са един от главните движещи фактори за развитието на микромрежите през прогнозния период. Повишаването на търсенето на микромрежи за възобновяема енергия, природен газ и дизел се очаква да поддържа пазарния растеж. Новопоявили се регионални играчи или нови участници, особено в развиващите се страни, вероятно ще имат възможност да навлязат на пазара.

Акумулаторни системи и интегриране на възобновяема енергия в интелигентни електроенергийни мрежи
До 2030г. 32% от енергията, консумирана в ЕС, трябва да бъде генерирана от възобновяеми източници като вода, вятър и слънчева светлина. За да се постигне това, не е достатъчно да се увеличи броят на вятърните турбини и соларните клетки. Необходими са също разширени и адаптирани преносни и разпределителни мрежи. Обществото, което разчита основно на ВЕИ, се нуждае от интелигентни електроенергийни мрежи за пренос на тази електрическа енергия от райони с високо производство към такива с ниско производство за задоволяване на енергийните нужди. За да бъдат тези мрежи балансирани, необходими са системи за съхранение на електрическа енергия. В няколко европейски страни електроенергийните компании, изследователските организации и местните власти работят съвместно за изграждането на такива системи. В края на май 2018г. понастоящем най-голямата европейска акумулаторна батерия беше открита официално в Ярделунд, в северната част на Германия, от производителите на енергия Eneco (Холандия) и Mitsubishi (Япония). Тя е с капацитет 48MW, съдържа около 10000 литиево-йонни батерии и е свързана към преносната мрежа, управлявана от TenneT.