По мере роста глобальных мощностей возобновляемых источников энергии технология формирования энергосистемы становится важнейшим фактором, позволяющим превратить солнечную и ветровую энергию в надежный основной источник энергии, а не в прерывистое дополнение к нему.
Глобальный энергетический ландшафт переживает самую значительную трансформацию за последнее столетие. Поскольку на многих рынках производство электроэнергии из возобновляемых источников уже превышает 30%, операторы энергосистем по всему миру сталкиваются с беспрецедентными проблемами в поддержании стабильности в условиях этих фундаментальных изменений. Традиционные энергосистемы опираются на синхронные генераторы, обеспечивающие стабильность за счет инерции вращения, которая отсутствует у солнечных и ветряных электростанций.
Технология хранения энергии, формирующая сеть (GFM), - это революционный подход, позволяющий инверторным источникам энергии имитировать и даже усиливать функции стабильности традиционных электростанций. Эта инновация представляет собой не просто постепенное улучшение, а фундаментальное изменение архитектуры управления электрическими сетями в эпоху возобновляемых источников энергии.
Проблема стабильности сети в эпоху преобладания возобновляемых источников энергии
По мере того как мир ускоряется в направлении декарбонизации, электрические сети испытывают немыслимые ранее нагрузки. Традиционная сеть, рассчитанная на однонаправленный поток энергии от крупных централизованных станций, теперь должна принимать разнонаправленные потоки от миллионов распределенных энергоресурсов. Этот переход создает три фундаментальные проблемы стабильности:
Нестабильность напряжения и частоты возникает из-за того, что солнечные и ветровые ресурсы не обладают вращающейся массой традиционных генераторов, которые естественным образом гасят возмущения в сети. В каждой системе по мере увеличения доли возобновляемых источников энергии операторы электросетей сообщают о более частых скачках напряжения и отклонениях частоты, которые грозят вызвать каскадные сбои.
Явление "слабой сети" стало обычным явлением, особенно в отдаленных районах с высоким потенциалом возобновляемых источников энергии, но ограниченной инфраструктурой сети. Когда коэффициент короткого замыкания (ККЗ) сети падает ниже критического порога (обычно <3), обычные инверторы не могут поддерживать стабильную работу, что вынуждает возобновляемые электростанции сокращать выработку или полностью отключаться.
Возможно, наибольшее беспокойство вызывает снижение инерционности системы. Традиционные тепловые и гидрогенераторы оказывают сопротивление изменению частоты за счет своей вращающейся массы. По мере выбытия этих ресурсов инерционность системы снижается, а значит, изменения частоты происходят быстрее при смещении баланса генерации и нагрузки. Без вмешательства это создает неприемлемые риски надежности.
Как технология формирования сети позволяет по-новому представить себе стабильность сети
Инверторы, формирующие сеть, принципиально отличаются от обычных инверторов, работающих от сети, своей философией работы. В то время как инверторам, работающим от сети, для синхронизации и подачи энергии требуется стабильная форма напряжения, инверторы, формирующие сеть, автономно создают стабильные опорные значения напряжения и частоты, которым могут следовать другие ресурсы.
Эта смена парадигмы позволяет обеспечить четыре важнейшие функции стабильности:
1. Стабилизация напряжения и частоты: Инверторы GFM непрерывно регулируют свою выходную мощность для поддержания номинальных условий сети, эффективно обеспечивая виртуальную инерцию, которая имитирует поведение вращающихся масс.
2. Возможность "черного старта": В отличие от традиционных возобновляемых источников энергии, которые требуют подключения к существующей сети, системы хранения GFM могут самостоятельно перезапустить разрушенную сеть из состояния полного отключения.
3. Работа в слабой сети: Усовершенствованные инверторы GFM поддерживают стабильность в сценариях крайне слабой сети (SCR до 1,0), позволяя развивать возобновляемые источники энергии в районах, которые ранее считались непригодными.
4. Демпфирование колебаний: Сложные алгоритмы управления в системах GFM могут выявлять и подавлять возникающие колебания в сети до того, как они перерастут в общесистемные проблемы.
*Таблица 1: Сравнение технологий формирования сетки с технологиями формирования сетки*
| Возможности | Инверторы, работающие от сети | Инверторы, формирующие сетку |
| Синхронизация | Требуется существующая форма напряжения | Автономно создает форму волны напряжения |
| Слабая работа сети | Ограниченный (обычно SCR>3) | Превосходно (SCR не ниже 1,0) |
| Поддержка частоты | Ограниченный ответ | Эмуляция активной инерции |
| Возможность запуска в черном режиме | Нет | Да |
| Проезд через неисправности | Базовое соответствие | Усиление тока |
| Стабилизация сети | Ограниченный | Активное регулирование напряжения/частоты |
Лидерство в отрасли: Решения Huawei для формирования сетей с полным сценарием
Новаторы отрасли признали, что для решения проблемы стабильности энергосистемы необходимы решения, охватывающие все уровни экосистемы электроэнергетики. Компания Huawei Digital Power стала одним из лидеров в этой области, представив интеллектуальное решение FusionSolar 9.0 для хранения энергии на уровне струны, формирующей сеть, которое является одной из наиболее комплексных реализаций технологии GFM, развернутой в масштабе всей сети..
В этом решении реализованы три революционных преимущества по сравнению с системами предыдущего поколения:
Истинные возможности формирования сетки в различных сценариях
Система обеспечивает шесть основных функций формирования сети: поддержка тока короткого замыкания, поддержка виртуальной инерции, подавление широкополосных колебаний, быстрое реагирование на первичную частоту, минутный "черный старт" и плавное включение/выключение сети.. Этот комплексный набор возможностей обеспечивает стабильность при различных сценариях генерации, передачи, распределения и потребления, что является значительным прогрессом по сравнению с более ранними подходами, основанными на одном сценарии.
Комплексная цифровая разведка
Реализация Huawei включает в себя первую в отрасли архитектуру совместной работы "край-облако" для возобновляемых электростанций (FusionSolar Agent).. Эта система обеспечивает интеллектуальное управление на протяжении всего жизненного цикла, от планирования до эксплуатации, обеспечивая измеримое повышение точности строительства (снижение количества ошибок на 40%), эффективности эксплуатации (повышение эффективности обслуживания на 50%) и финансовой отдачи (увеличение дохода на 10%+)..
Многоуровневая архитектура безопасности
Признавая, что безопасность лежит в основе всех операций энергосистемы, решение реализует пять уровней защиты, охватывающих ячейки, блоки батарей, кластеры, контейнерные системы и интерфейсы энергосистемы.. Этот комплексный подход включает в себя, возможно, самый строгий в отрасли протокол испытаний, в том числе испытания на экстремальное горение, подтвержденные независимыми третьими сторонами, в ходе которых системы продолжали безопасно работать, несмотря на преднамеренные тепловые выбросы в отдельных компонентах.
Проверка в реальном мире: Масштабные проекты с формированием сетки
Теоретические преимущества технологии формирования решетки находят свое подтверждение в новаторских проектах по всему миру, демонстрирующих ощутимую надежность и финансовую выгоду:
Тибет Али 30 МВт фотоэлектрических панелей + 6 МВт/24 МВт-ч сетевой накопитель
В высокогорных, экстремально холодных условиях Тибета система хранения данных, формирующая сеть, позволила обеспечить стабильную мощность фотоэлектрической энергии в 12 МВт там, где раньше можно было надежно интегрировать только 1,5 МВт. Проект демонстрирует, что 1 МВт-ч хранилища, формирующего сеть, может высвободить примерно 1,75 МВт дополнительной фотоэлектрической мощности в условиях слабой сети, что является важным показателем для специалистов по планированию, оценивающих инвестиции в хранилища..
Филиппины Мегапроект MTerra Solar
Эта масштабная инфраструктурная инициатива объединяет 3,5 ГВт фотоэлектрических установок с 4,5 ГВт-ч накопителей, образующих сеть, что является одной из крупнейших подобных интеграций в мире.. После завершения проекта он обеспечит энергией около 2,4 миллиона домохозяйств, сократив выбросы углекислого газа более чем на 4,3 миллиона тонн в год. Первая фаза проекта уже выполнена более чем наполовину, что демонстрирует масштабируемость нынешней технологии формирования энергосистемы..
Глобальное тестирование и валидация
Помимо отдельных проектов, комплексные испытания подтвердили возможности формирования сети в различных условиях. На испытательном комплексе площадью 20 000 кв. м компания Huawei провела более 2300 испытаний на уровне системы, включая испытания на преодоление низкого/высокого напряжения, адаптацию к слабым сетям, реакцию на инерцию и возможность "черного старта".. Эти испытания подтвердили стабильную работу в беспрецедентном диапазоне напряжений в сети (SCR от 40 до 1,0).
*Таблица 2: Показатели производительности грид-хранилищ в различных приложениях*.
| Сценарий применения | Основные преимущества формирования сетки | Продемонстрированная производительность |
| Слабая интеграция в сеть | Повышенная стабильность при низком уровне SCR | Интеграция фотоэлектрических элементов в проект в Тибете увеличилась на 800% (с 1,5 МВт до 12 МВт) |
| Регулирование частоты | Виртуальная инерционная поддержка | Время отклика <100 мс для событий, связанных с напряжением/частотой |
| Возможность запуска в черном режиме | Самостоятельный запуск без привязки к сетке | Восстановление на уровне минут по сравнению с часами/днями для обычных систем |
| Подавление колебаний | Активное управление демпфированием | Эффективен в диапазоне частот 1-1500 Гц |
| Укрепление мощности возобновляемых источников энергии | Управление скоростью нарастания | Возобновляемые микросети 100% с бесперебойной автономной работой |
Архитектурный сдвиг: От оптимизации на уровне компонентов к оптимизации на уровне всей системы
Отличительной чертой решений нового поколения для формирования энергосистем является их целостный подход к архитектуре системы. В отличие от традиционных решений, которые оптимизируют отдельные компоненты по отдельности, системы, подобные FusionSolar 9.0 от Huawei, используют кросс-компонентный интеллект, который синхронизирует ответные действия в рамках всей станции.
Архитектура на уровне струн представляет собой особый прорыв. Благодаря оптимизации на уровне отдельных батарейных струн, а не целых контейнеров, эти системы достигают значительного повышения эффективности и надежности. Huawei сообщает о повышении глубины разряда до 100% и эффективности цикла до 91,3% - критических показателях для экономической жизнеспособности..
Такой архитектурный подход оказывается особенно ценным при масштабировании систем хранения данных. Традиционные централизованные системы хранения данных сталкиваются с проблемой несоответствия модулей, что со временем снижает производительность. Подход на уровне струн позволяет поддерживать постоянство производительности в системах от небольших коммерческих установок до многогигаваттных коммунальных проектов.
Для тех, кто реализует проекты по хранению энергии, контейнерные решения, такие как 40-футовый контейнер с воздушным охлаждением ESS
обеспечивают гибкость при проектировании, значительно сокращая время развертывания и сохраняя производительность в различных условиях окружающей среды.
Вопросы и ответы: Технология формирования решеток: демистификация
Что отличает инверторы, формирующие сеть, от инверторов, работающих от сети?
Инверторы, формирующие сеть, автономно устанавливают опорные значения напряжения и частоты для сети, в то время как инверторы, работающие по принципу "сеть за сетью", перед началом работы требуют синхронизации с существующей стабильной формой волны сети. Это фундаментальное различие позволяет системам, формирующим сеть, стабилизировать сеть, а не зависеть от существующей стабильности.
Могут ли накопители, формирующие сеть, полностью заменить традиционные услуги по обеспечению стабильности сети?
Во многих случаях - да. Передовые системы формирования энергосистемы обеспечивают поддержку напряжения, частотную характеристику и инерционность, эквивалентные или превосходящие традиционные генераторы. Для самых высоких требований к стабильности оптимальными решениями могут стать гибридные системы, сочетающие сетеобразующие накопители с традиционными ресурсами.
Как технология формирования сети влияет на экономику проекта?
Обеспечивая более широкое проникновение возобновляемых источников энергии в слабых зонах энергосистемы, снижая перебои в работе и предоставляя доступ к рынкам вспомогательных услуг, технология формирования энергосистемы значительно улучшает экономику проектов. Согласно отраслевым данным, стоимость энергетических проектов может быть снижена на 21,7% при надлежащем внедрении технологии формирования энергосистемы.
Каковы сроки внедрения технологии формирования сетки?
Возможности формирования сетей - это в первую очередь программно-определяемые функции, которые часто могут быть развернуты на уже имеющемся в производстве оборудовании. Это означает быстрый цикл внедрения по сравнению с инновациями, ориентированными на аппаратное обеспечение. Крупные проекты по внедрению технологии grid-forming уже работают на мировых рынках.
Каким образом формирование сети способствует применению микрогридов?
Формирование сети позволяет создавать микросети на основе возобновляемых источников энергии 100%, предоставляя услуги по обеспечению стабильности, традиционно предоставляемые дизельными генераторами или основной сетью. Это позволяет критически важным объектам поддерживать работу во время перебоев в сети, используя возобновляемую энергию 100%.
Путь вперед: Формирование сетки как новый стандарт
Представители отрасли пришли к единому мнению, что возможность формирования сети превратится из функции премиум-класса в стандартное требование для новых накопителей энергии. Международные органы по стандартизации уже включают требования по формированию сети в коды энергосистем, а ведущие рынки, вероятно, введут базовые требования по формированию сети в течение 2-3 лет.
Технологическая эволюция продолжается. Научно-исследовательские институты и лидеры отрасли работают над алгоритмами нового поколения, которые позволят еще больше повысить показатели устойчивости при одновременном снижении затрат. Активно развиваются такие направления, как предиктивное управление устойчивостью с использованием искусственного интеллекта и координированное формирование мультиактивных сетей, оптимизирующее работу с различными ресурсами, распределенными по обширным географическим районам.
Для разработчиков проектов и системных операторов последствия очевидны: для защиты новых инвестиций в будущее необходимо уже сегодня внедрять инфраструктуру, способную формировать сеть. Направление развития отрасли кратко сформулировал генеральный директор VDE Ансгар Хинц, который отметил, что "в электросетях с преобладанием силовой электроники возможность формирования сети становится необходимым условием для работы системы"..
Заключение: Создание фундамента для сети, работающей на возобновляемых источниках энергии
По мере ускорения глобального энергетического перехода накопители энергии для энергосистем становятся, пожалуй, самой важной инновацией, обеспечивающей надежность в условиях фундаментальных изменений. Технология прошла путь от теоретической концепции до проверенного решения в рекордно короткие сроки, а ее развертывание уже достигло достаточных масштабов, чтобы продемонстрировать ощутимые преимущества системы.
Вопрос, стоящий перед участниками энергетического рынка, заключается уже не в том, стоит ли внедрять технологию формирования энергосистемы, а в том, как быстро они смогут интегрировать ее в свои планы и операции. Благодаря тому, что лидеры отрасли, такие как Huawei, предоставляют полномасштабные сценарные решения, охватывающие как жилые, так и коммунальные объекты, инструменты для управления сетью, в которой преобладают возобновляемые источники энергии, стали коммерчески доступными и проверенными на практике.
В компании MateSolar мы понимаем, что для осуществления этого технологического перехода необходимы партнеры, которые понимают как технические основы, так и практические проблемы внедрения. Являясь универсальным поставщиком решений в области фотоэлектричества и хранения энергии, мы сохраняем приверженность обеспечению наших клиентов по всему миру этими передовыми технологиями, способствующими формированию сетей, что гарантирует надежный и эффективный переход на возобновляемые источники энергии.
В будущей энергосистеме будут преобладать возобновляемые ресурсы, но ее стабильность будет гарантирована интеллектуальными системами хранения данных, обеспечивающими стабильность, от которой зависит наша электрифицированная экономика.
MateSolar - ведущий поставщик комплексных решений в области фотоэлектричества и аккумулирования энергии, который стремится предоставлять передовые технологии, позволяющие нашим клиентам создавать более чистые и устойчивые энергетические системы. Наш опыт охватывает весь жизненный цикл проекта, от первоначального технического консультирования до долгосрочной эксплуатации и оптимизации.