Постояннотокови енергийни мрежи в индустрията

Начало > Електроапаратурa > Статии > Сп. Инженеринг ревю - брой 6/2023 > 27.09.2023

  • През последните десетилетия картината се изменя драстично заради внедряването на възобновяеми енергийни източници, напредъка в силовата електроника, дигитализацията и други фактори

  • В сравнение с конвенционалните променливотокови енергийни системи, за DC мрежите са характерни предимства като липса на хармоници и реактивна мощност и висока ефективност

  • Ако има прекъсване в електроснабдяването, микромрежата може да бъде разединена от публичната мрежа и да продължи да подава електроенергия към производственото оборудване

 

Ерата на 20-ти век започва с изключително важен дебат за типа на електроснабдяване и фундаменталните му аспекти – как да се генерира, пренася и използва електроенергията. Този дебат е познат като “войната на токовете”, в която Джордж Уестингхаус и Никола Тесла подкрепят променливия ток, а техният опонент Томас

Едисън е поддръжник на постоянния ток. Ясно е, че по това време генерирането на постоянен ток е ограничено до относително ниско напрежение и спадът на стойността му е смятан за съществен проблем. Поради тази причина при системата на Едисън електроцентралите трябва да са разположени в близост до товарите. За разлика от това, променливият ток може лесно да бъде усилен, за да стане възможен преносът на електроенергия на големи разстояния, след което да бъде намален и подаден към крайните потребители. Освен това Тесла изобретява променливотоковия асинхронен двигател, който изцяло променя играта в този дебат. Благодарение на тези фактори променливият ток печели “войната” и се превръща в основна форма за генериране и снабдяване с електроенергия. Този ключов момент от историята на електрическата енергия води до ерата на централизираното производство на електрически ток и разширяване на преноса и разпределението на променлив ток в световен мащаб. В допълнение работещите на изкопаеми горива електроцентрали се превръщат в основното средство за генериране на електрическа енергия.

Днес електроразпределителната мрежа е на прага на нова съществена промяна. През последните десетилетия картината се изменя драстично заради внедряването на възобновяеми енергийни източници, напредъка в силовата електроника, дигитализацията и други фактори. Всички тези мегатенденции сочат към нова електрическа система, базирана на постоянен ток. В сравнение с конвенционалните променливотокови енергийни системи, за постояннотоковите мрежи са характерни предимства като липса на хармоници и реактивна мощност и висока ефективност.

Поради тази причина постояннотоковите енергийни системи се превръщат в развиваща се и обещаваща алтернатива в редица приложения, включващи разпределени източници на енергия – електроразпределителни мрежи, интелигентни сгради, отдалечени телекомуникационни съоръжения и електрификация на транспорта. Всички тези приложения обаче функционират при различни напрежения с цел отговаряне на специфични изисквания, тъй като няма стандартизация. Затова факторите, влияещи върху постояннотоковите напрежения и функционирането на системите, трябва да бъдат проучени и анализирани. Сред тях са стандарти за напрежение, архитектура за съществуващи и нововъзникващи приложения, топологии и стратегии за управление на интерфейсите на силовата електроника, диагностика на неизправностите и конфигурация на защитната система, оптимална икономическа ефективност и надеждност на системата.

 

Какво е постояннотокова микромрежа

Това е локализирана енергийна система, която работи независимо от централизираната електроразпределителна мрежа, генерирайки и консумирайки собствена постояннотокова електрическа енергия. Тази енергия обикновено се произвежда чрез соларни панели, горивни клетки и вятърни турбини, а излишъкът се съхранява в батерии.

Основните предимства на постояннотоковите микромрежи са устойчивост, надеждност, лесна интеграция и ефективност. DC микромрежите са много по-устойчиви от променливотоковите мрежи. Това се дължи в основна степен на автономията на енергийната система. Благодарение на възможността да управляват производството, разпределението и потреблението на електрическата енергия, операторите разполагат с потенциала да преследват целите си за устойчивост и да окажат по-голямо благоприятно въздействие в това направление.

Постояннотоковите микромрежи са високонадеждни и могат да се изолират чрез разединяване от централизираната мрежа и обслужване на собствените им товари. Това ги прави по-надеждни в условия на аварийни ситуации, например при природни бедствия, защото операторите на микромрежи могат да ограничат въздействието на непредвидени събития.

Тези мрежи могат да се интегрират безпроблемно в приложения като интелигентни сгради и индустриални съоръжения, непосредствено предоставяйки надежден и ефективен източник на електрическа енергия. При използване в комбинация със смарт технологии като сензори, мрежовите оператори могат да се възползват от по-качествена информация, извлечена от събраните данни, което позволява оптимизиране на процеса на вземане на решения.
Използването на постояннотокови микромрежи елиминира нуждата от преобразуване на променливия ток и свързаните с този процес загуби. Тези загуби могат да бъдат значителни, особено в индустриални приложения, където непрекъснато се консумират огромни количества електроенергия.

 

По пътя към постояннотоковата фабрика

Изграждането на постояннотокова мрежа е лесно – просто трябва да се присъединят всички постояннотокови звена. Нещата обаче стават по-сложни, когато става дума за отворена постояннотокова мрежа в цяло производствено хале. Причината за това е енергийната ефективност – съществуващите топологии за индустриални постояннотокови мрежи са оптимизирани за управление на двигатели, което е стандартизирано и достъпно, но губи много енергия чрез отделяне на топлина.

За да се намери решение на този проблем, през 2016 г. започва проектът DC-INDUSTRIE, в който участват BMW, Mercedes-Benz, Германското министерство на икономиката и опазването на климата, Fraunhofer IISB, Университетът в Щутгарт и много други. Основният резултат от научния проект е системна концепция за постояннотокова индустрия, която се описва от участниците като модел за планиране на DC мрежа. Първоначално проектът е стартиран от Отдела по електрически задвижващи системи към Германската асоциация на производителите на електрическо и електронно оборудване (ZVEI).

Близо 70% от електроенергията, консумирана в производството, се изразходва за електродвигатели. Това ги прави най-големият консуматор на електрическа енергия, а всяко понижение на енергопотреблението им чрез по-добра ефективност означава и редуциране на въглеродните емисии. От 2021 г. всички променливотокови двигатели, продавани в ЕС, с мощност в диапазона от 0,75 до 375 kW трябва да съответстват на изискванията за клас на енергийна ефективност IE3. Класовете на енергийна ефективност се определят за всеки електродвигател, работещ при номинална скорост и номинален въртящ момент, т.е. в режим, който не е типичен за действителността. Това повишава цената и ресурсите за производството им, но не води до постигане на желаното понижение на енергопотребление.

Доказан подход за постигането на много по-добра енергийна ефективност е използването на двигатели с безстепенно регулируема скорост на въртене. Ефективността може да бъде повишена и чрез внедряването на честотни преобразуватели при трифазно електрозахранване, но преобразувателите имат няколко недостатъка. Затова те са по-скоро пречка за постигането на дори още по-добра ефективност и влияят върху променливотоковата мрежа като смущават синусоидалното напрежение.

Тъй като вътрешно AC-AC преобразувателите работят с постояннотоково напрежение, има логика то да бъде присъединено директно към DC мрежата, за да се избегнат ненужни загуби от преобразуване.

На този фон производителите на електрически задвижващи системи са първите, които застават зад инициативата DC-INDUSTRIE. Интегриран, системен подход, който е отворен за постояннотокови мрежи, единен е за производителите и е подходящ за внедряване в индустрията, предлага допълнителни предимства.

 

Преимуществата

Може да се допусне, че един интегриран, системен подход към DC мрежите би понижил разходите за оборудване и експлоатация. Например преобразувателите се нуждаят от по-малко компоненти в една DC мрежа. Спестявания могат да се реализират и от окабеляване. Някои аспекти на постояннотоковите мрежи обаче могат да генерират по-високи разходи, например за защитни устройства, но допълнителните функционалности вземат превес над тях. Силовата електроника, интегрирана в устройствата в DC мрежа, може ефективно да управлява електроенергията и да следи състоянието на системата с помощта на сензори. Това прави фабриките по-устойчиви и допринася за тяхната дигитална трансформация.

Една DC мрежа във фабрика е независима микромрежа, свързана към по-голямата публична мрежа. Комбинацията от постоянен ток и независимост позволява евтината и проста интеграция на системи за съхранение и локани централи в електроснабдителната система на завода. Ако има прекъсване в електроснабдяването, микромрежата може да бъде разединена от публичната мрежа и да продължи да подава електроенергия към производственото оборудване. В случай че няма достатъчно количество локална електрическа енергия за поддържане на производственото оборудване за по-продължителни периоди, е възможно производствените процеси поне да бъдат прекратени по контролиран начин.

Индустриалните DC мрежи се явяват важен инструмент в прехода към възобновяеми енергийни източници. Един цялостен, системен подход, който отчита как всички компоненти и приложения във фабриката си взаимодействат, и интегрирането на производство, съхранение и консумация, отваря допълнителни възможности за по-добра ефективност както за отделните устройства, така и по отношение на взаимодействието им като система. Функции, които отделните устройства не поддържат или могат да поддържат само със значителни усилия и разходи, могат да бъдат изпълнявани от няколко устройства, взаимодействащи си на системно ниво, или да бъдат доставяни от заводската микромрежа като услуга. Това включва например преодоляването на краткосрочни прекъсвания в електроснабдяването, но и възможността за понижаване на оперативните разходи за микромрежата чрез редуциране на пиковите товари или ограничаване на нетипичната експлоатация на мрежата.


Вижте още от Електроапаратурa


Ключови думи: DC микромрежи, постояннотокови мрежи, възобноваема енергия, ВЕИ, електрическа мобилност



Редактор на статията:

ДИЛЯНА ЙОРДАНОВА

ДИЛЯНА ЙОРДАНОВА

Отговорен редактор

• Завършва специалност "Инженерна екология" в Химикотехнологичен и металургичен университет;


• Заема длъжността "Отговорен редактор" в издателство TLL Media от 2020 г.;

• Разполага с над 10 години опит в създаването на съдържание и писането на научни статии.

Контакт в LinkedIn


Top