Подстанция: Решения за интеграция в електрическата мрежа на възобновяеми източници на енергия

Подстанцията като стратегически входен вратичка за интеграция на възобновяема енергия

Защо подстанциите се превръщат от пасивни възли в активни центрове за интеграция

Подстанциите някога бяха просто пасивни точки, където се преобразуваше напрежението, но нещата се промениха значително напоследък. Днес те се превръщат в активни интеграционни точки, които управляват двупосочните енергийни потоци от всички слънчеви панели и вятърни турбини, разположени по цялата територия. Защо? Е, според доклада на Международната енергийна агенция от миналата година възобновяемите източници вече осигуряват около 30 процента от световното електроснабдяване, а този процент продължава да расте, тъй като все повече региони свързват тези зелени енергийни източници към своите електрически мрежи. Съвременните проекти на подстанции са оборудвани с по-добри системи за наблюдение, интелигентни системи за управление и бързо реагираща силова електроника. Те помагат да се поддържа стабилност на напрежението в рамките на приблизително ±5 процента – което е изключително важно при внезапното намаляване на производството на слънчева енергия при залез или при периоди, когато вятърът не е достатъчно силен. Благодарение на хибридни инвертори, работещи в съчетание с локални решения за енергийно съхранение, подстанциите могат действително да осигуряват собствена реактивна мощност и да балансират натоварванията в реално време. Това означава, че те са излезли далеч от ролята си на обикновени инфраструктурни елементи и са станали нещо много по-реактивно – почти като нервната система на самата електрическа мрежа. Такива модернизации помагат да се предотвратяват големи прекъсвания в електроснабдяването и да се намали загубата на енергия по време на пикови периоди.

Случайно проучване: Модернизация на високоволтовата мрежа на регионалния оператор — мащабиране на свързването на разпределена слънчева и вятърна енергия

Модернизацията на 345-kV подстанция от страна на основен оператор на електрическата мрежа демонстрира как целенасочените подобрения премахват задръжките при свързването на възобновяеми енергийни източници. Преди модернизацията нарушенията на напрежението се увеличаваха с 150 % по време на часовете с максимално слънчево производство. След модернизацията бяха приложени следните решения:

• Фазови измервателни уреди (PMU) осигуряват откриване и реагиране на нарушения за 30 милисекунди
• Системи за динамично определяне на номиналния ток на линиите , които увеличават топлинната мощност с 25 % по време на периоди с висока вятърна активност
• Модулни трансформаторни блокове , които подпомагат стадиално разширение на мощността, съгласувано с реализацията на проекти

Тези мерки удвоиха капацитета за интегриране на разпределени енергийни ресурси (DER) и намалиха принудителното ограничаване на производството с 60 %. Проектът потвърждава, че интелигентните решения на подстанциите превръщат ограниченията при свързването в активи за устойчивост — особено в региони, където променливите възобновяеми енергийни източници надхвърлят 50 % от местното енергийно доставяне.

Инженерни решения на ниво подстанция за справяне с променливостта на възобновяемата енергия и качеството на електроенергията

Съвместно разположени системи за акумулиране на енергия с батерии (BESS) на интерфейса на подстанцията

Разполагането на системите за акумулиране на енергия с батерии (BESS) непосредствено в подстанциите ни осигурява изключително необходима защита срещу колебанията в производството на енергия от възобновяеми източници. Тези системи поглъщат излишната електроенергия, генерирана, когато слънчевите панели работят на пълна мощност или ветрогенераторите се въртят с висока скорост — това предотвратява проблеми като прекомерно напрежение и задръстване в мрежата. След това те освобождават натрупаната електроенергия винаги, когато производството намалее, поддържайки стабилно напрежение по цялата мрежа и спестявайки средства чрез предотвратяване на загубата на енергия. При инсталиране на ниво подстанция BESS намалява онези досадни загуби при преноса на електроенергия на големи разстояния. Освен това тя действа като централна точка за управление на различни задачи по поддръжка на мрежата, като например имитация на системна инерция и дори рестартиране на мрежата след пълно изключване.

Динамично реактивно компенсиране на мощността: SVC, STATCOM и поддръжка на реактивна мощност въз основа на инвертори в 138-kV подстанции

Когато възобновяемите енергийни източници предизвикват промени в напрежението, системата има нужда от корекции на реактивната мощност в рамките на няколко милисекунди, за да се запази стабилността. На 138 kV подстанции инженерите инсталират статични компенсатори на реактивна мощност (SVC) и статични синхронни компенсатори (STATCOM). Тези устройства работят, като вкарват или изваждат реактивни волтампери (VAR) в/от електрическата мрежа според нуждата, което помага за поддържане на правилните нива на напрежение и за отстраняване на проблеми с коефициента на мощност в съответствие със стандартите IEEE 1547-2018 за поддръжка на разпределени енергийни ресурси. По-скорошно се наблюдава включването в експлоатация на слънчеви ферми и системи за съхранение на енергия чрез батерии (BESS), които притежават вградена способност за самостоятелно управление на реактивната мощност. Това означава, че са необходими по-малко специализирани устройства, тъй като тези по-нови технологии могат да изпълняват част от задачите, които традиционно са вършени от SVC и STATCOM. Комбинацията от старите и новите подходи всъщност работи по-добре поради няколко причини: намалява нежеланите хармоници в системата, подобрява устойчивостта на оборудването при възникване на смущения и осигурява съответствие с нормативните изисквания, като в същото време позволява на операторите да извършват необходимите корекции при промяна на условията.

Възможност за цифрова подстанция: IoT сензори, наблюдение в реално време и съответствие с IEEE 1547-2018

Наблюдаемост на мрежата и адаптивно управление чрез вградени в подстанцията крайни сензори и измервателни блокове за фазов ъгъл (PMU)

Датчиците за крайни точки, интегрирани директно в подстанциите заедно с единиците за измерване на фазори (PMU), предоставят на операторите подробна информация за нивата на напрежение, токовите потоци и промените в честотата, като записват всички тези данни с точност до микросекунда. Когато този поток от информация се изпраща към системите за управление, това позволява интелигентни реакции, като например автоматично регулиране на натоварванията при внезапни върхове от слънчеви панели или колебания, причинени от вятърни турбини. Това функционира в рамките на изискванията, посочени в стандарта IEEE 1547-2018, който предвижда реакции за по-малко от две секунди за разпределените енергийни ресурси. Предимствата обаче надхвърлят само бързите реакции. Постоянният мониторинг помага да се забележат проблемите още преди те да се превърнат в катастрофи. Термичните датчици могат да регистрират необичайни повишения на температурата в намотките на трансформаторите няколко седмици преди действителното им повреждане. А детекторите за частични разряди засичат признаци на разрушаване на изолацията дълго преди това да стане сериозен проблем. Всички тези функции превръщат това, което някога са били пасивни подстанции, в активни точки за управление, които осигуряват стабилността на съвременните електрически мрежи, въпреки все по-голямата им зависимост от непредсказуемите възобновяеми източници на енергия.

Прогнозиране, задвижвано от изкуствен интелект, и координация на виртуална електроцентрала на ниво трансформаторна подстанция

Изкуственият интелект превръща подстанциите в нещо много повече от пасивни точки за наблюдение — те стават истински центрове за управление, които могат да предвиждат какво ще се случи следващото. Системите за машинно обучение, които използваме в момента, са обучени въз основа на всевъзможни данни, включително минали метеорологични модели, показания от системите SCADA и реалната производителност на разпределените енергийни ресурси. Тези модели могат да предвиждат кога слънчевите панели ще генерират електроенергия и колко електроенергия ще произведат вятърните турбини приблизително 90 % от времето, понякога дори три дни предварително. Благодарение на такава предварителна информация операторите на електрическата мрежа могат навременно да подготвят необходимото за контрол на напрежението, да разпределят резервите там, където са най-нужни, и да вземат решение кога да задействат съхранената енергия. Това помага да се предотвратяват проблеми, когато възобновяемите източници започнат да съставляват почти половината от електроенергийната смес в големите енергийни мрежи, според последните доклади на Международната енергийна агенция.

Интелигентните системи на ниво подстанция помагат за управлението на виртуални електроцентрали (ВЕЦ), които обединяват различни разпределени енергийни ресурси, като например системи за съхранение на енергия в батерии (ССЕБ), зарядни станции за електромобили и слънчеви панели на покриви. Тези умни системи работят заедно автоматично точно когато се нуждаят най-много от това. При висока електрическа консумация или при намаляване на производството от възобновяеми източници софтуерът на ВЕЦ изпраща инструкции към тези различни активи. Това намалява товара върху електрическата мрежа с около 15–30 % по време на такива критични моменти. Технологията поддържа стабилна честота на електрическата енергия в рамките на стандартите, установени от IEEE 1547-2018. Освен това тя може да спести пари – проучвания на Института Понемон сочат, че този подход може да избегне скъпи модернизации на предавателните линии, чиято типична стойност е около 740 000 щатски долара на миля. Като всички тези възможности работят едновременно, подстанциите са станали ключови точки, където можем да увеличаваме мащабите на възобновяемата енергия, без да жертваме надеждността.