Без лишней инерции

В энергетической системе, выстроенной в прошлом веке, стабильность параметров электроэнергии зависит от количества действующих электрических машин. Быстро вращающиеся массивные роторы обладают огромной инерцией, которая позволяет выиграть время в случаях крупных аварий или отключений. За несколько секунд, пока сеть держится на инерции огромных машин, срабатывают автоматические системы сетевой защиты и стабилизации, после чего начинают подключаться резервные мощности.

Идущие на смену большим паровым и газовым турбинам ветровые и солнечные электростанции не обладают необходимой инерцией. У фотоэлектрических СЭС она полностью отсутствует, а у ветряков - ограничена невысокой скоростью вращения лопастей (даже если в гондоле есть механический мультипликатор оборотов). Ветровые парки способны предоставлять синтетическую инерцию, по сути - режим кратковременной перегрузки. Он не столько сдерживает смещение частоты в сети, сколько помогает частично нивелировать его причину - возникший дисбаланс мощностей. Однако для системных операторов синтетическая инерция ветропарка - весьма ненадёжный инструмент, поскольку момент инерции, зависящий от скорости ветра, постоянно меняется. (Другое дело - накопители энергии.) Фотоэлектрическим солнечным станциям без аккумуляторов синтетическая инерция вообще противопоказана: для её поддержания нужно постоянно эксплуатировать СЭС не на полной мощности.

Раньше сеть помогали стабилизировать промышленные потребители, напрямую подключавшие к ней электродвигатели. Сегодня потребители всё чаще применяют частотно регулируемые приводы, которые не могут возвращать энергию, накопленную во вращающихся роторах. Проблемы усугубляются по мере того, как в энергосистемах увеличивается доля принципиально нестабильных ВИЭ-генераторов.

Глядя на эти тенденции, западные системные операторы и регуляторы паникуют. Так, в феврале 2018 года Федеральная комиссия США по регулированию энергетики выпустила распоряжение № 842, где всем электростанциям (даже небольшим!) предписывается «установить и использовать оборудование, способное обеспечить первичное регулирование частоты».

Сетеобразование

Для решения обостряющейся проблемы также предлагают создавать и внедрять устройства новых видов - «сетеобразующие» инверторы (grid-forming inverters). В отличие от типовых полупроводниковых инверторов, которые являются ведомыми, «сетеобразующие» должны иметь собственный задающий частотный генератор. Он понадобится в случае отсоединения микросети от централизованной энергосистемы или при «холодном» запуске традиционной электростанции от сетевого накопителя энергии либо ВИЭ-генератора.

Стоит отметить, что в русскоязычной литературе принят термин «автономный инвертор», использовать который в данном контексте не совсем корректно: «сетеобразующий» инвертор должен быть способен работать как в автономном, так и в ведомом режиме, подстраиваясь под параметры электросети, когда она стабильна.

Примеров применения по всему миру «сетеобразующих» инверторов в изолированных микросетях предостаточно. Но таких устройств ещё мало на подключённых к сетям солнечных и ветровых электростанциях, которые призваны стать фундаментом для новой энергетики. К тому же «сетеобразующих» инверторов большой мощности пока не существует.

Гибридный период

В 2019 году в США была принята «дорожная карта» по исследованиям в сфере «сетеобразующих» инверторов. Там сказано: «И хотя в данном документе мы фокусируемся на управлении, стабильности и защите сети с помощью "сетеобразующих" инверторов, мы понимаем, что крупные энергосети Северной Америки будут составлены как из электромеханических, так и из инверторных источников энергии (гибридная энергосистема)... Переход к сетям с большим количеством инверторных ресурсов представляет серьёзный вызов, поскольку их работа должна быть основана на комбинации физических свойств традиционных (синхронных машин) и многочисленных разнообразных инверторных генераторов».

На переходный период, пока «сетеобразующие» инверторы должны работать параллельно с синхронными машинами, предполагается сохранять прежний подход к балансировке сетей. С каждым годом делать это будет всё сложнее и сложнее. Когда доля возобновляемой энергии начнёт приближаться к ста процентам, станут возможны резкие колебания частоты в моменты отключения традиционных энергоблоков.

Внешняя синхронизация

Быстродействующая электроника, информационные и коммуникационные технологии позволяют сегодня организовать систему внешней синхронизации генераторов по частоте, фазе и напряжению. Она, в частности, поможет «островным» системам сохранять точную синхронизацию с основной, чтобы не возникало проблем при соединении.

Австралия служит полигоном для испытания подобных технологий. В декабре 2019 года калифорнийская компания PXiSE Energy Solutions заключила контракт на поставку в западную Австралию системы управления пятьюдесятью тысячами распределённых энергетических ресурсов. В это число входят солнечные электростанции на крышах зданий и земельных участках, разбросанные по территории площадью свыше двух миллионов километров.

Платформа ACT (Active Control Technology) компании PXiSE должна управлять многочисленными генераторами, балансируя потребление и выработку с высокой точностью благодаря сети синхрофазоров - датчиков точной синхронизации. «Распределённые генераторы подстраиваются в течение считанных секунд, - объясняет президент компании Патрик Ли. - И мы добавляем функции для управления частотой на субсекундных интервалах». О перспективности данного подхода косвенно свидетельствует тот факт, что в конце 2021 года компанию PXiSE приобрела японская корпорация Yokogawa Electric.

Ключевой элемент

Синхрофазоры имеют встроенные сверхточные часы, сверяемые по спутниковой навигационной системе. Измерения параметров электроэнергии (магнитуды и фазы напряжения и тока) в разных точках сети проводятся синхрофазорами сотни раз в секунду, что позволяет фиксировать даже малые смещения параметров и наблюдать субсинхронные колебания частоты. Данные вместе с метками времени передаются через концентраторы в компьютерную систему 30-60 раз в секунду. Информация от разных синхрофазоров поступает в концентраторы с разной задержкой, но они правильно сортируют данные по временным меткам. Для сравнения: в традиционных SCADA-системах результаты измерений поступают два-четыре раза в секунду.

Крупные энергетические компании начали использовать синхрофазоры для контроля процессов в высоковольтных магистральных сетях ещё в середине 2000-х. Сегодня речь идёт об удешевлении этих технологий и их распространении на сети среднего и низкого напряжения.

С широким внедрением синхрофазорных измерений поменяется сама парадигма сетевого управления. Стабильность будет обеспечиваться не инерционностью электрических машин, находящихся на больших расстояниях, а быстротой и точностью взаимной подстройки локальных генераторов и потребителей. «Наша компания сразу создаёт решение для перехода к управлению, основанному на новых принципах, - добавляет Патрик Ли, - так что системным операторам не придётся менять старое частотное управление на новое инверторное».