ЭЛЕКТРИЧЕСТВО
Две нити вместе свиты,
Концы обнажены.
То "да" и "нет" не слиты,
Не слиты - сплетены.
Их темное сплетенье
И тесно, и мертво,
Но ждет их воскресенье,
И ждут они его.
Концов концы коснутся -
Другие "да" и "нет"
И "да" и "нет" проснутся,
Сплетенные сольются,
И смерть их будет - Свет
© Зинаида Гиппиус
Две нити вместе свиты,
Концы обнажены.
То "да" и "нет" не слиты,
Не слиты - сплетены.
Их темное сплетенье
И тесно, и мертво,
Но ждет их воскресенье,
И ждут они его.
Концов концы коснутся -
Другие "да" и "нет"
И "да" и "нет" проснутся,
Сплетенные сольются,
И смерть их будет - Свет
© Зинаида Гиппиус
оригинал потырен Компромисс найден или война токов разгорается с новой силой?
Эта статья опубликована в журнале "Энергосовет" № 1 (26) за 2013 г Автор - О.Т. Зотин, начальник отдела перспективных разработок, ОАО «НИИ точной механики», г. Санкт-Петербург. Статья понравилась, поэтому хочу ее предложить вам мои друзья. Объем большой, но думаю прочитать стоит. Особенно рекомендую ее моим друзьям энергетикам. На эту тему сам несколько лет назад писал, но в более популярном виде и конечно так глубоко не "копал". В ближайшее время найду журнал, отсканирую и выложу.
В преддверии возрождения постоянного тока
Ветеранам электроэнергетики, молодым электроэнергетикам и электронщикам,зрителям блокбастера «Война токов» Тимура Бекмамбетова, а также поклонникам Никола Тесла посвящается.
Эта статья опубликована в журнале "Энергосовет" № 1 (26) за 2013 г Автор - О.Т. Зотин, начальник отдела перспективных разработок, ОАО «НИИ точной механики», г. Санкт-Петербург. Статья понравилась, поэтому хочу ее предложить вам мои друзья. Объем большой, но думаю прочитать стоит. Особенно рекомендую ее моим друзьям энергетикам. На эту тему сам несколько лет назад писал, но в более популярном виде и конечно так глубоко не "копал". В ближайшее время найду журнал, отсканирую и выложу.
В преддверии возрождения постоянного тока
Ветеранам электроэнергетики, молодым электроэнергетикам и электронщикам,зрителям блокбастера «Война токов» Тимура Бекмамбетова, а также поклонникам Никола Тесла посвящается.
На основе сравнения электрических сетей на постоянном и переменном токе автор рассматривает концепцию возможного глобального перехода на использование постоянного тока.
Экскурс в начало «войны токов»
Всякая война, каков бы ни был ее исход,
непременно таит в себе зародыш следующей войны,
потому что всякое насилие нарушает чье-нибудь право.
Берта фон Зуттнер. Долой оружие.
Облик второй промышленной революции в конце XIX века во многом определился стремительным развитием электрификации с внедрением индивидуального электропривода и электрического освещения. Именно эти достижения поспособствовали развитию массового (конвейерного) производства. Так, только на заводах Генри Форда, работающих в три смены, было задействовано десятки тысяч электродвигателей и электрических ламп.
В западном полушарии принято считать, что основная конкуренция шла между двумя типами систем генерации, электроснабжения и электропотребления:
•системы на постоянном токе (англ. Direct Current - DC),
•системы на переменном токе (англ. Alternating Current - AC).
Общепринято связывать эти два направления с именами известных американских изобретателей и предпринимателей. DC - с именем Томаса Эдисона, AC - с именами Джорджа Вестингауза и Никола Тесла.
Первые же крупные проекты электрификации показали экономическую целесообразность производства электроэнергии на больших тепловых и гидроэлектростанциях, которые, как правило, не могут располагаться вблизи потребителя. Несколько позднее появилась концепция электрической сети с несколькими электростанциями, которая дала следующие дополнительные преимущества:
•повышенная надежность электроснабжения;
•увеличенная живучесть при авариях;
•непрерывность энергоснабжения в периоды ремонта оборудования на отдельных станциях и элементов сетей;
•уменьшение резервных запасов топлива на тепловых электростанциях;
•более эффективное использование энергоресурсов, в том числе за счет выравнивания графиков нагрузки.
Таким образом, ключевым вопросом стала возможность создания протяженной сети с эффективной передачей электроэнергии на большие расстояния. А так как потери в проводах (в первом приближении) обратно пропорциональны квадрату напряжения, то исключительно важным стало наличие экономичного способа повышения напряжения для передачи, поскольку получение высокого напряжения непосредственно на электрогенераторе нецелесообразно из-за чрезмерно высоких требований к изоляции. Соответственно на конце линии передачи требовалось понизить напряжение для безопасного энергопотребления. В рамках технологии постоянного тока того времени эта проблема была решена французским инженером Рене Тюри путем последовательного включении нескольких генераторов на стороне передачи и нескольких электромашинных преобразователей (умформеров) на стороне приема. Несколько систем Тюри были созданы в Англии, Италии Венгрии, Швейцарии, Франции и России начиная с конца 1880-х годов. Освоенный в это же время в рамках технологии переменного тока способ трансформаторного преобразования переменного напряжения был существенно проще и дешевле. Тем не менее, несколько систем Тюри оставались в эксплуатации вплоть до 1930-х годов.
Внутри технологии переменного тока простая однофазная система по ряду причин оказалась несостоятельной, в т.ч. из-за малой эффективности однофазных электродвигателей. Основная конкурентная борьба развернулась между двухфазной системой, предлагаемой Никола Тесла и трехфазной системой Михаила Осиповича Доливо-Добровольского, который работал в германской компании AEG.
Важнейшим аргументом в пользу трехфазной системы явились изобретенные М.О. Доливо-Добровольским связанные трехпроводные линии электропередачи (более экономичные в сравнении с двухфазными четырехпроводными), а также трехфазные генераторы и «плоские» трехфазные трансформаторы.
Таким образом, по двум компонентам (электрогенерация и передача) трехфазная система превзошла как двухфазную систему, так и систему постоянного тока. Важным было решить вопрос рационального потребления электроэнергии, который (ввиду инвариантности ламп накаливания к типу тока) сосредоточился на втором основном типе полезной нагрузки - электродвигателе. Именно поэтому невозможно переоценить изобретение в конце 1880-х годов М.О. Доливо-Добровольским двух типов асинхронных трехфазных электродвигателей - с фазным ротором и с короткозамкнутым ротором типа «беличья клетка», более эффективных в сравнении с двухфазными двигателями Н.Тесла и не имеющих коллектора, в отличие от двигателей постоянного тока.
Этот период развития электротехники получил броское название «война токов» (War of Currents).
Решающие сражения «войны токов»
Поворотным пунктом в «войне токов» в Европе стала международная электротехническая выставка 1891 г. во Франкфурте-на-Майне, на которой М.О. Доливо-Добровольский совместно с Чарльзом Брауном (фирма «Oerlikon»), впервые в мире продемонстрировали эффективную трехфазную энергосистему с линейным напряжением 15 кВ (40Гц). Система обеспечивала передачу мощности 220 кВт от гидроэлектростанции на р. Неккар в Лауфене на расстояние 170 км с рекордным для того времени коэффициентом полезного действия, превышающим 75%.
Эта система питала искусственный водопад (с крупнейшим, на тот момент, в мире электродвигателем в 74 кВт) и 1000 электрических ламп. Созданная в невиданно короткий срок - всего за год, она послужила прообразом для электрификации в ХХ веке. В дальнейшем стандартной частотой для систем электроснабжения в Европе была принята частота 50 Гц.
В Северной Америке аналогичное событие произошло двумя годами позже на Чикагской международной выставке, при этом контракт на ее энергоснабжение был выигран фирмой Д. Вестингауза. После образования компании General Electric большой вклад в развитие трехфазных сетей электроснабжения сделал американский ученый германского происхождения Чарлз Протеус Штейнмец. Стандартной же частотой для Северной Америки была выбрана частота 60Гц.
Важнейшим событием в России стала электрификация трехфазным током в 1893г крупнейшего в Европе Новороссийского элеватора, проведенная под руководством выдающегося инженера А.Н. Щенсновича. Для элеватора в мастерских Владикавказской железной дороги по чертежам швейцарской фирмы Brown, Boveri & Cie было изготовлено четыре трехфазных генератора по 0,3 МВт и 83 асинхронных электродвигателя мощностью от 3,5 до 15 кВт. Была построена самая крупная по тем временам тепловая электростанция общей мощностью 1,2 МВт c паровыми котлами системы великого русского инженера В.Г. Шухова. Часть мощности использовалась для освещения территории элеватора. Через элеватор до 1913г обеспечивалось около 3/4 экспорта российского зерна.
Тем не менее, сети постоянного тока не были полностью вытеснены. В ряде сфер применения оборудование постоянного тока имело существенные преимущества, особенно в тех случаях, когда не требовалась большая длина линий электропередачи. К примеру, сети постоянного тока и в наше время находятся вне конкуренции при обеспечении бесперебойной работы оборудования от аккумуляторов. Постоянный ток повсеместно применяется на транспорте - от мотоциклов и автомобилей до самолетов и космических аппаратов, в электроэнергетике - т.н. напряжение «собственных нужд» на подстанциях, в телекоммуникации - на телефонных станциях, в аварийном освещении различных объектов, в военной технике и т.п. При необходимости регулирования скорости электроприводов в широком диапазоне более предпочтительными также являются сети постоянного тока (включая, например, все виды городского электротранспорта). А такие DC технологические процессы, как выплавка стали в дуговых электропечах и электролиз алюминия, вообще являются наиболее энергоёмкими в промышленности, ввиду чего эти производства традиционно размещаются вблизи электростанций.
Свою последнюю работу «О пределах возможности передачи энергии на расстояние переменным током» М.О. Доливо-Добровольский написал в Швейцарии во время Первой Мировой войны. В ней он убедительно показал, что влияние реактивностей линии электропередачи ограничит применимость переменных токов для передачи электроэнергии на дальние расстояния. Именно в этой работе он гениально предсказал появление экономичных технологий «трансформации» постоянного напряжения в качестве основы как для трансконтинентальной передачи электроэнергии, так и для кабельных линий электроснабжения.
Первые проекты по возрождению постоянного тока
Война состоит из сочетания многих отдельных боев.
Карл фон Клаузевиц. О войне.
Прошло более 100 лет со времени окончания основных сражений «войны токов» и вот совсем недавно (всего лишь 7 лет назад) прошла официальная церемония ее завершения при ликвидации компанией Consolidated Edison последней линии электроснабжения постоянного тока в Нью-Йорке с отключением 1600 потребителей. И все же, несмотря на объявленную победу переменного тока, мы наблюдаем развитие технологий и продвижение проектов на постоянном токе в ряде областей. Кратко рассмотрим некоторые из них.
Высоковольтные (HVDC) и сверхвысоковольтные (UHVDC) линии электропередачи постоянного тока
До середины ХХ века не удавалось создать коммерчески успешную HVDC линию электропередачи. Однако, на нескольких экспериментальных и промышленных линиях электропередачи постоянного тока (см. табл. 1 и рис.1) был получен бесценный опыт, и они послужили прототипами для будущих проектов. А вот проект самой дальней в мире линии UHVDC Экибастуз - Центр, с потенциальной пропускной способностью в 6000 МВт, начатый еще в 1960-х годах, к сожалению, так и не был завершен в полном объеме.
Первоначально преобразователи на HVDC подстанциях строились, как правило, на базе ртутных вентилей. Качественный скачок произошел после разработки высоковольтных тиристоров и, несколько позже - IGBT транзисторов, позволивших создавать более эффективные статические преобразователи для HVDC и UHVDC.
Таблица 1. Первые ЛЭП постоянного тока в Европе
Тем не менее, стоимость преобразовательных подстанций на постоянном токе существенно превосходит стоимость подстанций на переменном токе. В тоже время, собственно линия постоянного тока стоит дешевле, чем линия переменного тока, из-за меньшего количества проводов, изоляторов, линейной арматуры, более легких опор и отсутствия компенсаторов реактивной мощности (КРМ). Общая стоимость современных воздушных линий UHVDC (вместе с преобразовательными подстанциями) при дальностях передачи 500...1200 км близка к стоимости линий переменного напряжения UHVAC, что проиллюстрировано на рис. 2. На дальности около 2000 км стоимость линии напряжением ±600 кВ при передаваемой мощности 4000 МВт уже существенно ниже стоимости линии UHVAC (в »1,4 раза, или более чем на 600 млн долл. США). Длина DC и AC ЛЭП одинаковой стоимости для линии 4000 МВт UHV составляет около 900 км, а линии 1000 МВт HV - около 600 км (по материалам ассоциации FOSG). Кроме этого, воздушные линии HVDC и UHVDC требуют меньшую величину землеотвода.
Очевидно, что линии UHVDC наиболее актуальны для стран, имеющих большие (>1000 км) расстояния между местами потребления и производства электроэнергии (между промышленными центрами и угольными бассейнами, большими реками), а именно для Бразилии, России, Индии и Китая (т.е. для стран БРИК), а также для Южной Африки.
Так в Китае, в рамках программы строительства линий UHVDC ±800 кВ, введена в эксплуатацию ЛЭП мощностью 7200 МВт и длиной около 2000 км от тибетской ГЭС Ксяньгиаба до Шанхая. Возможно, что одна из таких линий будет иметь начало в районе Иркутска.
На рис. 3 представлено фото единственного в Западном полушарии пересечения двух воздушных HVDC линий электропередачи, располагающихся в Миннесоте и Северной Дакоте (США). Характеристики линий приведены в табл. 2. Опоры линии Square Butte находятся на фото слева, линии CU - справа. Линия CU известна тем, что вызвала в свое время мощную волну протестов фермеров западной Миннесоты, по чьим землям она прокладывалась.
Таблица 2. Характеристики линий HVDC в Северной Дакоте
Что же касается кабельных линий, то в них преимущество постоянного тока проявляется уже на дальностях порядка нескольких десятков километров ввиду уменьшенных потерь электроэнергии и меньших требований к изоляции. При одинаковой стоимости кабелей на постоянном токе можно передавать почти в три раза большую мощность. Именно поэтому так распространены кабельные линии постоянного тока для преодоления больших водных преград. По всему миру построены многие десятки кабельных линий постоянного тока, в том числе по новым технологиям HVDC Light (ABB) и HVDC Plus (Siemens) с напряжением до ±320 кВ и диапазоном мощностей 30...330 МВт. Только энергосистема Нидерландов получает до 30% электроэнергии по подводным кабелям от ветроэлектростанций в Северном море.
В 2008 г. введена в эксплуатацию самая длинная в мире подводная кабельная система NorNed, соединяющая Норвегию и Нидерланды. Длина кабеля 580 км, мощность - 700 МВт, напряжение ±450 кВ. Планируется реализация аналогичных и даже более масштабных проектов, в том числе EuroAsia Interconnector (Греция - Кипр - Израиль), Atlantic Wind Connection (США), Shetland (Великобритания), NordBalt (Литва - Швеция) и ряда других.
Необходимо отметить, что технология HVDC применяется также с целью передачи электроэнергии между независимыми (несинхронными) сетями переменного напряжения. Для этого на специальных подстанциях осуществляется преобразование из одного переменного напряжения HVAC в другое через промежуточное постоянное напряжение.
Крупнейшая в мире Выборгская преобразовательная подстанция 400 кВ была введена в эксплуатацию в 1981 г. для передачи электроэнергии в Финляндию. В ее состав входят четыре блока комплектных выпрямительно-преобразовательных устройств суммарной мощностью 1400 МВт. При модернизации подстанции в 2011 г. реализована возможность двусторонней передачи электроэнергии.
В настоящее время группа компаний «КЭР» разрабатывает проект линии HVDC ±300 кВ мощностью 1000 МВт для филиала ОАО «ФСК ЕЭС» - МЭС Северо-Запада. Линия пройдет от 2-й очереди Ленинградской атомной электростанции (ЛАЭС-2) до Выборгской подстанции и будет включать в себя 41 км кабельного участка по дну Финского залива. Выпрямительная подстанция будет располагаться вблизи ЛАЭС-2, а инверторная - войдет в состав реконструируемого преобразовательного комплекса Выборгской подстанции. Появляется возможность повышения надежности энергоснабжения Санкт-Петербурга за счет замыкания кольца энергосети. Воздушная ЛЭП такой же мощности по «традиционному» маршруту вокруг города длиннее на ~150 км и имеет зону отчуждения по оценке автора на ~400 га больше.
В рамках Организации Черноморского экономического сотрудничества рассматривался также вопрос сооружения линии электропередачи постоянного тока 2000 МВт Россия - Турция с прокладкой кабеля по дну Черного моря.
Для человечества в целом, а в большей степени для северных стран весьма важным может оказаться защита электросетей от электромагнитного воздействия солнечных бурь. Известно, что аномальный коронарный выброс на Солнце в 1859г., самый мощный из зафиксированных в «электрическую» эпоху, вызвал массовые отказы единственного на то время электрического оборудования - телеграфного. Исследования показали, что вспышки такой мощности повторяются примерно раз в 500лет. Гораздо меньшая по мощности магнитная буря 1989г. привела к отказам энергосетей в Квебеке (Канада) с выходом из строя силовых трансформаторов. Частота возникновения таких магнитных бурь - уже примерно раз в 50 лет. Кабельные подземные и подводные линии в отличие от воздушных имеют большую устойчивость к таким электромагнитным воздействиям. Ввиду этого для кабельных линий постоянного напряжения важнейшим вопросом должна стать устойчивость выпрямительно -преобразовательных устройств на подстанциях. Всё более актуальным становится разработка норм на эти воздействия и создание испытательного оборудования, аналогичного генератору импульсов высокого напряжения мощностью 1 млн. лошадиных сил, имитирующему разряды атмосферного электричества, созданному Ч. Штейнмецом в 1921г.
«Гибридные» (AC + DC) линии, Supergrid и Digital Grid
«Гибридные» линии электропередачи позволяют улучшить устойчивость, надежность и повысить пропускную способность линий переменного напряжения путем добавления к ним DC линий и вставок.
Примером гибридной линии служит концепция Supernode. Она предусматривает прокладку параллельно с существующей АС линией «дублирующей» DC линии, которая позволяет, например, повысить ее живучесть при возникновении различных аварийных ситуаций, например обрыва или короткого замыкания одной из фаз.
Существуют также предложения по «переформатированию» существующих трехпроводных линий на передачу постоянного тока, при этом «лишний» третий провод периодически подключается то к одному, то к другому полюсу напряжения. Это позволяет увеличить передаваемую мощность до двух и более раз без изменения конструкции линии.
В целях повышения энергетической безопасности Европы предлагаются проекты создания Сверхсети (англ. Supergrid), обеспечивающей объединение в общей сети традиционных и возобновляемых источников энергии, включая ветроэлектростанции (в Северном море) и солнечные электростанции (проект Desertec). Для компенсации нестабильности мощности возобновляемых источников энергии предполагается использование гидроаккумулирующих и гидроэлектростанций (в т.ч. в Альпах и в Норвегии). В Supergrid предполагается объединение существующих HVAC и HVDC сетей, возможно и строительство UHVDC линии. Разрабатываются мероприятия по повышению стабильности сети и предотвращению инцидентов, аналогичных рассинхронизации сети National Grid (Великобритания) в мае 2008 г.
В Японии в последнее время получила развитие концепция «цифровой сети» («Digital Grid»), во многом аналогичная европейской Supergrid. Связано это с тем, что после аварии на АЭС Фукусима был провозглашен курс на замену в течение 20 - 30 лет атомных электростанций на станции возобновляемой энергетики. Одним из таких проектов к 2020 г. должна стать крупнейшая в мире плавучая ветроэлектростанция из 143-х ветрогенераторов суммарной мощностью до 1000 МВт. В то же время считается, что ввод в Японии большого количества солнечных и ветроэлектростанций общей мощностью до 50000 МВт с необходимостью оперативного демпфирования колебаний мощности вызовет сложности в управлении и уменьшит запас стабильности в единой энергосистеме. Кроме этого необходимо учитывать, что Япония небогата природными гидроэнергетическими ресурсами, которые наиболее эффективно могут быть использованы для компенсации колебаний мощности возобновляемых источников энергии. Консорциум Digital Grid Consortium (DGC) анонсировал концепцию, предполагающую сегментирование существующей энергосистемы на независимые и несинхронизованные друг с другом фрагменты, соединенные вставками постоянного тока. Заметим, что в действительности уже существует сегментирование японских сетей на фрагменты с разными частотами (50 и 60 Гц).
Планируемые проекты модернизации структур энергосистем в свете всего вышесказанного представляются нам пробными шагами в генеральном направлении - постепенном переходе к интеллектуальным сетям с постоянным напряжением, в которых не требуется синхронизация, нет проблем нестабильности, обеспечивается большая энергоэффективность.
Линии электропередачи низкого напряжения LVDC
Проект системы электроснабжения и связи LVDC разработан в Технологическом университете Лаппеенранты в рамках финской национальной программы «Интеллектуальные сети и рынок энергии» (англ. Smart Grids and Energy Markets - SGEM). Первоначально проект предназначался для загородных поселков с малым числом потребителей и с линиями электроснабжения большой протяженности. Проект предусматривает замену дорогих и малоэффективных воздушных сетей среднего (1 кВ) и низкого (0,4 кВ) переменного напряжения на кабельные подземные сети LVDC (±0,75 кВ). Каждое здание (сооружение) будет подключаться к LVDC через конверторы, преобразующие напряжение LVDC в напряжение, необходимое потребителю. Прокладка кабеля на глубине >1,5 м минимизирует зоны отчуждения и не создает ограничений для ведения сельскохозяйственных работ. Такое решение существенно уменьшает стоимость сети и ее зависимость от различных погодных катаклизмов. Ведь затраты на устранение последствий повреждений воздушных сетей могут быть весьма значительными. Так расходы ОАО «МОЭСК» на ликвидацию последствий «ледяного дождя» зимой 2010-2011гг. превысили 600 млн.руб.
LVDC сеть изначально разрабатывается, как интеллектуальная. Передача информации будет осуществляться по технологии HF-band PLC по «расщепленному» нулевому проводу. При этом обеспечивается информационный поток до 4 Мбод при расстоянии между модемами до 500 м.
Можно ожидать дальнейшую модернизацию и распространение этой парадигмы на городские и пригородные кабельные сети электроснабжения, в том числе и на сети среднего напряжения. Известно, что еще в 1880-х годах Ф.А. Пироцкий осуществил в Санкт-Петербурге прокладку первого подземного электрического кабеля постоянного напряжения для питания Артиллерийской школы от электростанции литейного завода. Он же был автором первого проекта централизованной подземной городской электросети.
Важным фактором, который, безусловно, окажет влияние на прогресс в этой области, является то, что использование подземных кабельных линий существенно уменьшает площадь землеотвода. К примеру, стоимость перепрокладки в подземный коллектор одного метра воздушной ЛЭП среднего напряжения в условиях Москвы составляет до 1000€, при этом освобождается до 25 м2 зоны отчуждения.
Энергоснабжение локальных объектов, микро - и минисети постоянного напряжения
На ряде объектов промышленности и транспорта издавна применяются раздельные сети постоянного и переменного напряжения исходя из необходимости питания соответствующих потребителей. Есть примеры и локального энергоснабжения объектов только постоянным напряжением.
Для повышения энергоэффективности энергоснабжения все чаще предлагаются проекты микросетей постоянного напряжения внутри здания (или нескольких зданий) и аналогичные минисети на локальной территории. На входе таких сетей напряжение распределительных линий с помощью высокоэффективного преобразователя превращается в требуемое постоянное напряжение, которое поступает через локальную сеть на электрооборудование постоянного напряжения.
Современные локальные сети постоянного напряжения обладают целым рядом преимуществ, среди которых необходимо отметить следующие:
•общее преобразование из переменного напряжения в постоянное для всех нагрузок уменьшает потери на 10-20 %;
•эффективное интегрирование возобновляемых источников электроэнергии, являющихся, как правило, источниками постоянного напряжения (солнечные батареи, небольшие ветряные турбины, топливные элементы и др.);
•более эффективное применение накопителей электрической энергии;
•простое согласование перечисленных источников и накопителей постоянного напряжения, не требующих взаимной синхронизации;
•эффективное управление графиками нагрузки (включая накопление электрической энергии в периоды наличия избыточной генерации и выдачу в периоды дефицита);
•повышенная электробезопасность сетей постоянного тока, которая отмечалась еще в ходе «войны токов».
Необходимо отметить, что в цепях с постоянным напряжением приходится применять специальные меры для «бездуговой» коммутации в отличие от цепей переменного напряжения, в которых гашение дугового разряда облегчено переходом (два раза за период) напряжения через ноль.
Известно, что прототип локальной сети постоянного тока был предложен еще в 1885 г. русским электротехником Павлом Михайловичем Голубицким для обеспечения питания телефонных аппаратов от центральной аккумуляторной батареи телефонной станции (точнее говоря - угольных порошковых микрофонов, которые были изобретены Генрихом Махальским в 1878 г.). В дальнейшем телефонные станции по всему миру строились именно по такому принципу.
В настоящее время существуют несколько консорциумов, продвигающих идеологию локальных сетей энергоснабжения постоянного тока для серверных центров обработки данных и для коммерческих зданий. Среди них в первую очередь следует отметить европейский консорциум DCC+G и североамериканский Emerge Alliance. Реализованы уже несколько проектов систем энергоснабжения постоянного тока для серверных центров по всему миру. Эффективность таких систем при переходе на постоянное напряжение увеличивается до 10% при уменьшении стоимости на ~15% и существенном улучшении весогабаритных характеристик.
Интеллектуальные сети (Smart Grid), управление когенерацией и альтернативными источниками электроэнергии
Как уже было отмечено, в сетях постоянного напряжения существенно упрощаются вопросы управления распределенной генерацией электроэнергии и поставкой энергии в сеть ввиду отсутствия необходимости синхронизации различных источников. Существенно уменьшается вероятность аварий из-за несогласованности работы сетей, аналогичных июльской 2012г. аварии на трех крупных энергосетях Индии.
Возможности развития интеллектуальных сетей с распределенной генерацией в России трудно переоценить. Только в ветроэнергетике по оценке Мировой Ветроэнергетической Ассоциации (World Wind Energy Association) потенциал России превышает 90000 МВт при установленной в настоящее время мощности ветрогенераторов всего в 16,7 МВт.
В современных ветрогенераторах, ввиду переменной скорости их вращения, приходится двукратно преобразовывать генерируемую ими энергию (AC-DC-AC) в специальных конверторах для согласования с сетевым переменным напряжением. Для работы же на сеть постоянного напряжения конвертор можно упростить, уменьшив его вес и габариты. Управление генераторами на солнечных батареях и различными резервными накопителями также упрощается, поскольку не требуется преобразование их выходного напряжения в напряжение, синхронное с сетевым.
Сети постоянного напряжения с большим количеством управляемых генераторов и накопителей электроэнергии уже с полным основанием можно будет называть интеллектуальными сетями (англ. Smart Grid - SG). А ведь еще недавно основной (и часто единственной) функцией интеллектуальных сетей считался дистанционный опрос счетчиков электроэнергии для обеспечения удобства контроля потребления энергии и автоматизации выписки счетов.
Интеллектуальные сети постоянного напряжения могут предоставить как поставщику электроэнергии, так и потребителю ряд функций, которые реализуются существенно проще, чем в традиционных сетях, а именно:
•управление распределенной генерацией и накоплением с обеспечением демпфирования колебаний мощности и продажи энергии в сеть;
•взаимодействие с сетью высшего уровня по контролю потребления/генерации электроэнергии, в т.ч. по продаже электроэнергии;
•управление при перебоях в электроснабжении с отключением части потребителей;
•управление резервным энергоснабжением важнейших потребителей от накопителей электроэнергии;
•управление нагрузкой с оптимизацией платы за электроэнергию.
В SG нельзя упускать из виду и информационную безопасность, впрочем, по этому вопросу в последнее время был написан целый ряд статей.
Экскурс в начало «войны токов»
Всякая война, каков бы ни был ее исход,
непременно таит в себе зародыш следующей войны,
потому что всякое насилие нарушает чье-нибудь право.
Берта фон Зуттнер. Долой оружие.
Облик второй промышленной революции в конце XIX века во многом определился стремительным развитием электрификации с внедрением индивидуального электропривода и электрического освещения. Именно эти достижения поспособствовали развитию массового (конвейерного) производства. Так, только на заводах Генри Форда, работающих в три смены, было задействовано десятки тысяч электродвигателей и электрических ламп.
В западном полушарии принято считать, что основная конкуренция шла между двумя типами систем генерации, электроснабжения и электропотребления:
•системы на постоянном токе (англ. Direct Current - DC),
•системы на переменном токе (англ. Alternating Current - AC).
Общепринято связывать эти два направления с именами известных американских изобретателей и предпринимателей. DC - с именем Томаса Эдисона, AC - с именами Джорджа Вестингауза и Никола Тесла.
Первые же крупные проекты электрификации показали экономическую целесообразность производства электроэнергии на больших тепловых и гидроэлектростанциях, которые, как правило, не могут располагаться вблизи потребителя. Несколько позднее появилась концепция электрической сети с несколькими электростанциями, которая дала следующие дополнительные преимущества:
•повышенная надежность электроснабжения;
•увеличенная живучесть при авариях;
•непрерывность энергоснабжения в периоды ремонта оборудования на отдельных станциях и элементов сетей;
•уменьшение резервных запасов топлива на тепловых электростанциях;
•более эффективное использование энергоресурсов, в том числе за счет выравнивания графиков нагрузки.
Таким образом, ключевым вопросом стала возможность создания протяженной сети с эффективной передачей электроэнергии на большие расстояния. А так как потери в проводах (в первом приближении) обратно пропорциональны квадрату напряжения, то исключительно важным стало наличие экономичного способа повышения напряжения для передачи, поскольку получение высокого напряжения непосредственно на электрогенераторе нецелесообразно из-за чрезмерно высоких требований к изоляции. Соответственно на конце линии передачи требовалось понизить напряжение для безопасного энергопотребления. В рамках технологии постоянного тока того времени эта проблема была решена французским инженером Рене Тюри путем последовательного включении нескольких генераторов на стороне передачи и нескольких электромашинных преобразователей (умформеров) на стороне приема. Несколько систем Тюри были созданы в Англии, Италии Венгрии, Швейцарии, Франции и России начиная с конца 1880-х годов. Освоенный в это же время в рамках технологии переменного тока способ трансформаторного преобразования переменного напряжения был существенно проще и дешевле. Тем не менее, несколько систем Тюри оставались в эксплуатации вплоть до 1930-х годов.
Внутри технологии переменного тока простая однофазная система по ряду причин оказалась несостоятельной, в т.ч. из-за малой эффективности однофазных электродвигателей. Основная конкурентная борьба развернулась между двухфазной системой, предлагаемой Никола Тесла и трехфазной системой Михаила Осиповича Доливо-Добровольского, который работал в германской компании AEG.
Важнейшим аргументом в пользу трехфазной системы явились изобретенные М.О. Доливо-Добровольским связанные трехпроводные линии электропередачи (более экономичные в сравнении с двухфазными четырехпроводными), а также трехфазные генераторы и «плоские» трехфазные трансформаторы.
Таким образом, по двум компонентам (электрогенерация и передача) трехфазная система превзошла как двухфазную систему, так и систему постоянного тока. Важным было решить вопрос рационального потребления электроэнергии, который (ввиду инвариантности ламп накаливания к типу тока) сосредоточился на втором основном типе полезной нагрузки - электродвигателе. Именно поэтому невозможно переоценить изобретение в конце 1880-х годов М.О. Доливо-Добровольским двух типов асинхронных трехфазных электродвигателей - с фазным ротором и с короткозамкнутым ротором типа «беличья клетка», более эффективных в сравнении с двухфазными двигателями Н.Тесла и не имеющих коллектора, в отличие от двигателей постоянного тока.
Этот период развития электротехники получил броское название «война токов» (War of Currents).
Решающие сражения «войны токов»
Поворотным пунктом в «войне токов» в Европе стала международная электротехническая выставка 1891 г. во Франкфурте-на-Майне, на которой М.О. Доливо-Добровольский совместно с Чарльзом Брауном (фирма «Oerlikon»), впервые в мире продемонстрировали эффективную трехфазную энергосистему с линейным напряжением 15 кВ (40Гц). Система обеспечивала передачу мощности 220 кВт от гидроэлектростанции на р. Неккар в Лауфене на расстояние 170 км с рекордным для того времени коэффициентом полезного действия, превышающим 75%.
Эта система питала искусственный водопад (с крупнейшим, на тот момент, в мире электродвигателем в 74 кВт) и 1000 электрических ламп. Созданная в невиданно короткий срок - всего за год, она послужила прообразом для электрификации в ХХ веке. В дальнейшем стандартной частотой для систем электроснабжения в Европе была принята частота 50 Гц.
В Северной Америке аналогичное событие произошло двумя годами позже на Чикагской международной выставке, при этом контракт на ее энергоснабжение был выигран фирмой Д. Вестингауза. После образования компании General Electric большой вклад в развитие трехфазных сетей электроснабжения сделал американский ученый германского происхождения Чарлз Протеус Штейнмец. Стандартной же частотой для Северной Америки была выбрана частота 60Гц.
Важнейшим событием в России стала электрификация трехфазным током в 1893г крупнейшего в Европе Новороссийского элеватора, проведенная под руководством выдающегося инженера А.Н. Щенсновича. Для элеватора в мастерских Владикавказской железной дороги по чертежам швейцарской фирмы Brown, Boveri & Cie было изготовлено четыре трехфазных генератора по 0,3 МВт и 83 асинхронных электродвигателя мощностью от 3,5 до 15 кВт. Была построена самая крупная по тем временам тепловая электростанция общей мощностью 1,2 МВт c паровыми котлами системы великого русского инженера В.Г. Шухова. Часть мощности использовалась для освещения территории элеватора. Через элеватор до 1913г обеспечивалось около 3/4 экспорта российского зерна.
Тем не менее, сети постоянного тока не были полностью вытеснены. В ряде сфер применения оборудование постоянного тока имело существенные преимущества, особенно в тех случаях, когда не требовалась большая длина линий электропередачи. К примеру, сети постоянного тока и в наше время находятся вне конкуренции при обеспечении бесперебойной работы оборудования от аккумуляторов. Постоянный ток повсеместно применяется на транспорте - от мотоциклов и автомобилей до самолетов и космических аппаратов, в электроэнергетике - т.н. напряжение «собственных нужд» на подстанциях, в телекоммуникации - на телефонных станциях, в аварийном освещении различных объектов, в военной технике и т.п. При необходимости регулирования скорости электроприводов в широком диапазоне более предпочтительными также являются сети постоянного тока (включая, например, все виды городского электротранспорта). А такие DC технологические процессы, как выплавка стали в дуговых электропечах и электролиз алюминия, вообще являются наиболее энергоёмкими в промышленности, ввиду чего эти производства традиционно размещаются вблизи электростанций.
Свою последнюю работу «О пределах возможности передачи энергии на расстояние переменным током» М.О. Доливо-Добровольский написал в Швейцарии во время Первой Мировой войны. В ней он убедительно показал, что влияние реактивностей линии электропередачи ограничит применимость переменных токов для передачи электроэнергии на дальние расстояния. Именно в этой работе он гениально предсказал появление экономичных технологий «трансформации» постоянного напряжения в качестве основы как для трансконтинентальной передачи электроэнергии, так и для кабельных линий электроснабжения.
Первые проекты по возрождению постоянного тока
Война состоит из сочетания многих отдельных боев.
Карл фон Клаузевиц. О войне.
Прошло более 100 лет со времени окончания основных сражений «войны токов» и вот совсем недавно (всего лишь 7 лет назад) прошла официальная церемония ее завершения при ликвидации компанией Consolidated Edison последней линии электроснабжения постоянного тока в Нью-Йорке с отключением 1600 потребителей. И все же, несмотря на объявленную победу переменного тока, мы наблюдаем развитие технологий и продвижение проектов на постоянном токе в ряде областей. Кратко рассмотрим некоторые из них.
Высоковольтные (HVDC) и сверхвысоковольтные (UHVDC) линии электропередачи постоянного тока
До середины ХХ века не удавалось создать коммерчески успешную HVDC линию электропередачи. Однако, на нескольких экспериментальных и промышленных линиях электропередачи постоянного тока (см. табл. 1 и рис.1) был получен бесценный опыт, и они послужили прототипами для будущих проектов. А вот проект самой дальней в мире линии UHVDC Экибастуз - Центр, с потенциальной пропускной способностью в 6000 МВт, начатый еще в 1960-х годах, к сожалению, так и не был завершен в полном объеме.
Первоначально преобразователи на HVDC подстанциях строились, как правило, на базе ртутных вентилей. Качественный скачок произошел после разработки высоковольтных тиристоров и, несколько позже - IGBT транзисторов, позволивших создавать более эффективные статические преобразователи для HVDC и UHVDC.
Таблица 1. Первые ЛЭП постоянного тока в Европе
Тем не менее, стоимость преобразовательных подстанций на постоянном токе существенно превосходит стоимость подстанций на переменном токе. В тоже время, собственно линия постоянного тока стоит дешевле, чем линия переменного тока, из-за меньшего количества проводов, изоляторов, линейной арматуры, более легких опор и отсутствия компенсаторов реактивной мощности (КРМ). Общая стоимость современных воздушных линий UHVDC (вместе с преобразовательными подстанциями) при дальностях передачи 500...1200 км близка к стоимости линий переменного напряжения UHVAC, что проиллюстрировано на рис. 2. На дальности около 2000 км стоимость линии напряжением ±600 кВ при передаваемой мощности 4000 МВт уже существенно ниже стоимости линии UHVAC (в »1,4 раза, или более чем на 600 млн долл. США). Длина DC и AC ЛЭП одинаковой стоимости для линии 4000 МВт UHV составляет около 900 км, а линии 1000 МВт HV - около 600 км (по материалам ассоциации FOSG). Кроме этого, воздушные линии HVDC и UHVDC требуют меньшую величину землеотвода.
Очевидно, что линии UHVDC наиболее актуальны для стран, имеющих большие (>1000 км) расстояния между местами потребления и производства электроэнергии (между промышленными центрами и угольными бассейнами, большими реками), а именно для Бразилии, России, Индии и Китая (т.е. для стран БРИК), а также для Южной Африки.
Так в Китае, в рамках программы строительства линий UHVDC ±800 кВ, введена в эксплуатацию ЛЭП мощностью 7200 МВт и длиной около 2000 км от тибетской ГЭС Ксяньгиаба до Шанхая. Возможно, что одна из таких линий будет иметь начало в районе Иркутска.
На рис. 3 представлено фото единственного в Западном полушарии пересечения двух воздушных HVDC линий электропередачи, располагающихся в Миннесоте и Северной Дакоте (США). Характеристики линий приведены в табл. 2. Опоры линии Square Butte находятся на фото слева, линии CU - справа. Линия CU известна тем, что вызвала в свое время мощную волну протестов фермеров западной Миннесоты, по чьим землям она прокладывалась.
Таблица 2. Характеристики линий HVDC в Северной Дакоте
Что же касается кабельных линий, то в них преимущество постоянного тока проявляется уже на дальностях порядка нескольких десятков километров ввиду уменьшенных потерь электроэнергии и меньших требований к изоляции. При одинаковой стоимости кабелей на постоянном токе можно передавать почти в три раза большую мощность. Именно поэтому так распространены кабельные линии постоянного тока для преодоления больших водных преград. По всему миру построены многие десятки кабельных линий постоянного тока, в том числе по новым технологиям HVDC Light (ABB) и HVDC Plus (Siemens) с напряжением до ±320 кВ и диапазоном мощностей 30...330 МВт. Только энергосистема Нидерландов получает до 30% электроэнергии по подводным кабелям от ветроэлектростанций в Северном море.
В 2008 г. введена в эксплуатацию самая длинная в мире подводная кабельная система NorNed, соединяющая Норвегию и Нидерланды. Длина кабеля 580 км, мощность - 700 МВт, напряжение ±450 кВ. Планируется реализация аналогичных и даже более масштабных проектов, в том числе EuroAsia Interconnector (Греция - Кипр - Израиль), Atlantic Wind Connection (США), Shetland (Великобритания), NordBalt (Литва - Швеция) и ряда других.
Необходимо отметить, что технология HVDC применяется также с целью передачи электроэнергии между независимыми (несинхронными) сетями переменного напряжения. Для этого на специальных подстанциях осуществляется преобразование из одного переменного напряжения HVAC в другое через промежуточное постоянное напряжение.
Крупнейшая в мире Выборгская преобразовательная подстанция 400 кВ была введена в эксплуатацию в 1981 г. для передачи электроэнергии в Финляндию. В ее состав входят четыре блока комплектных выпрямительно-преобразовательных устройств суммарной мощностью 1400 МВт. При модернизации подстанции в 2011 г. реализована возможность двусторонней передачи электроэнергии.
В настоящее время группа компаний «КЭР» разрабатывает проект линии HVDC ±300 кВ мощностью 1000 МВт для филиала ОАО «ФСК ЕЭС» - МЭС Северо-Запада. Линия пройдет от 2-й очереди Ленинградской атомной электростанции (ЛАЭС-2) до Выборгской подстанции и будет включать в себя 41 км кабельного участка по дну Финского залива. Выпрямительная подстанция будет располагаться вблизи ЛАЭС-2, а инверторная - войдет в состав реконструируемого преобразовательного комплекса Выборгской подстанции. Появляется возможность повышения надежности энергоснабжения Санкт-Петербурга за счет замыкания кольца энергосети. Воздушная ЛЭП такой же мощности по «традиционному» маршруту вокруг города длиннее на ~150 км и имеет зону отчуждения по оценке автора на ~400 га больше.
В рамках Организации Черноморского экономического сотрудничества рассматривался также вопрос сооружения линии электропередачи постоянного тока 2000 МВт Россия - Турция с прокладкой кабеля по дну Черного моря.
Для человечества в целом, а в большей степени для северных стран весьма важным может оказаться защита электросетей от электромагнитного воздействия солнечных бурь. Известно, что аномальный коронарный выброс на Солнце в 1859г., самый мощный из зафиксированных в «электрическую» эпоху, вызвал массовые отказы единственного на то время электрического оборудования - телеграфного. Исследования показали, что вспышки такой мощности повторяются примерно раз в 500лет. Гораздо меньшая по мощности магнитная буря 1989г. привела к отказам энергосетей в Квебеке (Канада) с выходом из строя силовых трансформаторов. Частота возникновения таких магнитных бурь - уже примерно раз в 50 лет. Кабельные подземные и подводные линии в отличие от воздушных имеют большую устойчивость к таким электромагнитным воздействиям. Ввиду этого для кабельных линий постоянного напряжения важнейшим вопросом должна стать устойчивость выпрямительно -преобразовательных устройств на подстанциях. Всё более актуальным становится разработка норм на эти воздействия и создание испытательного оборудования, аналогичного генератору импульсов высокого напряжения мощностью 1 млн. лошадиных сил, имитирующему разряды атмосферного электричества, созданному Ч. Штейнмецом в 1921г.
«Гибридные» (AC + DC) линии, Supergrid и Digital Grid
«Гибридные» линии электропередачи позволяют улучшить устойчивость, надежность и повысить пропускную способность линий переменного напряжения путем добавления к ним DC линий и вставок.
Примером гибридной линии служит концепция Supernode. Она предусматривает прокладку параллельно с существующей АС линией «дублирующей» DC линии, которая позволяет, например, повысить ее живучесть при возникновении различных аварийных ситуаций, например обрыва или короткого замыкания одной из фаз.
Существуют также предложения по «переформатированию» существующих трехпроводных линий на передачу постоянного тока, при этом «лишний» третий провод периодически подключается то к одному, то к другому полюсу напряжения. Это позволяет увеличить передаваемую мощность до двух и более раз без изменения конструкции линии.
В целях повышения энергетической безопасности Европы предлагаются проекты создания Сверхсети (англ. Supergrid), обеспечивающей объединение в общей сети традиционных и возобновляемых источников энергии, включая ветроэлектростанции (в Северном море) и солнечные электростанции (проект Desertec). Для компенсации нестабильности мощности возобновляемых источников энергии предполагается использование гидроаккумулирующих и гидроэлектростанций (в т.ч. в Альпах и в Норвегии). В Supergrid предполагается объединение существующих HVAC и HVDC сетей, возможно и строительство UHVDC линии. Разрабатываются мероприятия по повышению стабильности сети и предотвращению инцидентов, аналогичных рассинхронизации сети National Grid (Великобритания) в мае 2008 г.
В Японии в последнее время получила развитие концепция «цифровой сети» («Digital Grid»), во многом аналогичная европейской Supergrid. Связано это с тем, что после аварии на АЭС Фукусима был провозглашен курс на замену в течение 20 - 30 лет атомных электростанций на станции возобновляемой энергетики. Одним из таких проектов к 2020 г. должна стать крупнейшая в мире плавучая ветроэлектростанция из 143-х ветрогенераторов суммарной мощностью до 1000 МВт. В то же время считается, что ввод в Японии большого количества солнечных и ветроэлектростанций общей мощностью до 50000 МВт с необходимостью оперативного демпфирования колебаний мощности вызовет сложности в управлении и уменьшит запас стабильности в единой энергосистеме. Кроме этого необходимо учитывать, что Япония небогата природными гидроэнергетическими ресурсами, которые наиболее эффективно могут быть использованы для компенсации колебаний мощности возобновляемых источников энергии. Консорциум Digital Grid Consortium (DGC) анонсировал концепцию, предполагающую сегментирование существующей энергосистемы на независимые и несинхронизованные друг с другом фрагменты, соединенные вставками постоянного тока. Заметим, что в действительности уже существует сегментирование японских сетей на фрагменты с разными частотами (50 и 60 Гц).
Планируемые проекты модернизации структур энергосистем в свете всего вышесказанного представляются нам пробными шагами в генеральном направлении - постепенном переходе к интеллектуальным сетям с постоянным напряжением, в которых не требуется синхронизация, нет проблем нестабильности, обеспечивается большая энергоэффективность.
Линии электропередачи низкого напряжения LVDC
Проект системы электроснабжения и связи LVDC разработан в Технологическом университете Лаппеенранты в рамках финской национальной программы «Интеллектуальные сети и рынок энергии» (англ. Smart Grids and Energy Markets - SGEM). Первоначально проект предназначался для загородных поселков с малым числом потребителей и с линиями электроснабжения большой протяженности. Проект предусматривает замену дорогих и малоэффективных воздушных сетей среднего (1 кВ) и низкого (0,4 кВ) переменного напряжения на кабельные подземные сети LVDC (±0,75 кВ). Каждое здание (сооружение) будет подключаться к LVDC через конверторы, преобразующие напряжение LVDC в напряжение, необходимое потребителю. Прокладка кабеля на глубине >1,5 м минимизирует зоны отчуждения и не создает ограничений для ведения сельскохозяйственных работ. Такое решение существенно уменьшает стоимость сети и ее зависимость от различных погодных катаклизмов. Ведь затраты на устранение последствий повреждений воздушных сетей могут быть весьма значительными. Так расходы ОАО «МОЭСК» на ликвидацию последствий «ледяного дождя» зимой 2010-2011гг. превысили 600 млн.руб.
LVDC сеть изначально разрабатывается, как интеллектуальная. Передача информации будет осуществляться по технологии HF-band PLC по «расщепленному» нулевому проводу. При этом обеспечивается информационный поток до 4 Мбод при расстоянии между модемами до 500 м.
Можно ожидать дальнейшую модернизацию и распространение этой парадигмы на городские и пригородные кабельные сети электроснабжения, в том числе и на сети среднего напряжения. Известно, что еще в 1880-х годах Ф.А. Пироцкий осуществил в Санкт-Петербурге прокладку первого подземного электрического кабеля постоянного напряжения для питания Артиллерийской школы от электростанции литейного завода. Он же был автором первого проекта централизованной подземной городской электросети.
Важным фактором, который, безусловно, окажет влияние на прогресс в этой области, является то, что использование подземных кабельных линий существенно уменьшает площадь землеотвода. К примеру, стоимость перепрокладки в подземный коллектор одного метра воздушной ЛЭП среднего напряжения в условиях Москвы составляет до 1000€, при этом освобождается до 25 м2 зоны отчуждения.
Энергоснабжение локальных объектов, микро - и минисети постоянного напряжения
На ряде объектов промышленности и транспорта издавна применяются раздельные сети постоянного и переменного напряжения исходя из необходимости питания соответствующих потребителей. Есть примеры и локального энергоснабжения объектов только постоянным напряжением.
Для повышения энергоэффективности энергоснабжения все чаще предлагаются проекты микросетей постоянного напряжения внутри здания (или нескольких зданий) и аналогичные минисети на локальной территории. На входе таких сетей напряжение распределительных линий с помощью высокоэффективного преобразователя превращается в требуемое постоянное напряжение, которое поступает через локальную сеть на электрооборудование постоянного напряжения.
Современные локальные сети постоянного напряжения обладают целым рядом преимуществ, среди которых необходимо отметить следующие:
•общее преобразование из переменного напряжения в постоянное для всех нагрузок уменьшает потери на 10-20 %;
•эффективное интегрирование возобновляемых источников электроэнергии, являющихся, как правило, источниками постоянного напряжения (солнечные батареи, небольшие ветряные турбины, топливные элементы и др.);
•более эффективное применение накопителей электрической энергии;
•простое согласование перечисленных источников и накопителей постоянного напряжения, не требующих взаимной синхронизации;
•эффективное управление графиками нагрузки (включая накопление электрической энергии в периоды наличия избыточной генерации и выдачу в периоды дефицита);
•повышенная электробезопасность сетей постоянного тока, которая отмечалась еще в ходе «войны токов».
Необходимо отметить, что в цепях с постоянным напряжением приходится применять специальные меры для «бездуговой» коммутации в отличие от цепей переменного напряжения, в которых гашение дугового разряда облегчено переходом (два раза за период) напряжения через ноль.
Известно, что прототип локальной сети постоянного тока был предложен еще в 1885 г. русским электротехником Павлом Михайловичем Голубицким для обеспечения питания телефонных аппаратов от центральной аккумуляторной батареи телефонной станции (точнее говоря - угольных порошковых микрофонов, которые были изобретены Генрихом Махальским в 1878 г.). В дальнейшем телефонные станции по всему миру строились именно по такому принципу.
В настоящее время существуют несколько консорциумов, продвигающих идеологию локальных сетей энергоснабжения постоянного тока для серверных центров обработки данных и для коммерческих зданий. Среди них в первую очередь следует отметить европейский консорциум DCC+G и североамериканский Emerge Alliance. Реализованы уже несколько проектов систем энергоснабжения постоянного тока для серверных центров по всему миру. Эффективность таких систем при переходе на постоянное напряжение увеличивается до 10% при уменьшении стоимости на ~15% и существенном улучшении весогабаритных характеристик.
Интеллектуальные сети (Smart Grid), управление когенерацией и альтернативными источниками электроэнергии
Как уже было отмечено, в сетях постоянного напряжения существенно упрощаются вопросы управления распределенной генерацией электроэнергии и поставкой энергии в сеть ввиду отсутствия необходимости синхронизации различных источников. Существенно уменьшается вероятность аварий из-за несогласованности работы сетей, аналогичных июльской 2012г. аварии на трех крупных энергосетях Индии.
Возможности развития интеллектуальных сетей с распределенной генерацией в России трудно переоценить. Только в ветроэнергетике по оценке Мировой Ветроэнергетической Ассоциации (World Wind Energy Association) потенциал России превышает 90000 МВт при установленной в настоящее время мощности ветрогенераторов всего в 16,7 МВт.
В современных ветрогенераторах, ввиду переменной скорости их вращения, приходится двукратно преобразовывать генерируемую ими энергию (AC-DC-AC) в специальных конверторах для согласования с сетевым переменным напряжением. Для работы же на сеть постоянного напряжения конвертор можно упростить, уменьшив его вес и габариты. Управление генераторами на солнечных батареях и различными резервными накопителями также упрощается, поскольку не требуется преобразование их выходного напряжения в напряжение, синхронное с сетевым.
Сети постоянного напряжения с большим количеством управляемых генераторов и накопителей электроэнергии уже с полным основанием можно будет называть интеллектуальными сетями (англ. Smart Grid - SG). А ведь еще недавно основной (и часто единственной) функцией интеллектуальных сетей считался дистанционный опрос счетчиков электроэнергии для обеспечения удобства контроля потребления энергии и автоматизации выписки счетов.
Интеллектуальные сети постоянного напряжения могут предоставить как поставщику электроэнергии, так и потребителю ряд функций, которые реализуются существенно проще, чем в традиционных сетях, а именно:
•управление распределенной генерацией и накоплением с обеспечением демпфирования колебаний мощности и продажи энергии в сеть;
•взаимодействие с сетью высшего уровня по контролю потребления/генерации электроэнергии, в т.ч. по продаже электроэнергии;
•управление при перебоях в электроснабжении с отключением части потребителей;
•управление резервным энергоснабжением важнейших потребителей от накопителей электроэнергии;
•управление нагрузкой с оптимизацией платы за электроэнергию.
В SG нельзя упускать из виду и информационную безопасность, впрочем, по этому вопросу в последнее время был написан целый ряд статей.