На пороге второй войны токов: сможет ли постоянный ток завоевать мир?

Игорь Чаусов подготовил аналитическую заметку по вопросам использования распределительных сетей постоянного тока на основе исследований Центра развития цифровой энергетики (фонд “ЦСР “Северо-Запад”), а так же аналитических материалов экспертных организаций.

Постоянный ток продолжает свое все еще медленное, но победное наступление на мир современной электроэнергетики. Борьба сторонников постоянного и переменного токов, остро развернувшаяся в конце XIX века между Эдисоном, с одной стороны, и Вестингаузом и Теслой, с другой, казалось бы, была окончательно забыта больше, чем на 100 лет, несмотря на то, что последние сети постоянного тока, исторически существовавшие в Нью-Йорке, были переведены на переменный ток только в 2007 году.

Но совершенно неожиданно в последнее время эта борьба возобновилась с новой силой и даже рискует попасть в фокус внимания широкой общественности, когда в прокат наконец выйдет «Война токов» с Бенедиктом Кембербетчем. Более того, постоянный ток, получивший немалое распространение в сверхвысоковольтных магистральных сетях в ЕС и Китае, продолжает свое наступление — на этот раз на распределительные сети и децентрализованную энергетику.

Фрагмент из фильма «Война токов»

В ближайшие 25 лет разные игроки энергетического рынка, включая конечных потребителей, смогут за счет применения постоянного тока снизить свои затраты на электроэнергию — как за счет капитальных, так и за счет операционных расходов — на 30%. Именно так перспективы и преимущества перехода на постоянный ток в распределительных сетях и системах электроснабжения совсем недавно оценили аналитики PWC[1]. Они видят четыре основных драйвера спроса на переход к постоянному току:

  • Существенный рост доли устройств, работающих на постоянном токе, как среди генерирующего, так и среди потребляющего оборудования;
  • Потребности сетевой инфраструктуры в технологиях для бесшовной зарядки электромобилей и передачи больших мощностей на большие расстояния;
  • Быстрое развитие технологий и улучшение технико-экономических показателей преобразовательной техники, используемой в системах и сетях на постоянном токе;
  • Появлением отраслевых и государственных стандартов электроснабжения на постоянном токе, например, предложенного EMerge Alliance в США.

Результаты наших поисков новых практик применения постоянного тока в распределительных сетях дают очень похожее представление об эффектах реализации этого набирающего силу подхода. Например, Bosch на основе пилотного проекта электроснабжения спортивного комплекса на постоянном токе в Форте Брэгг (Северная Каролина, США), обещает снижение технических потерь в сетях низкого напряжения с 12,5% до 3%, а стоимости владения системой электроснабжения на жизненном цикле 25 лет — на те же 30% , что и PWC. Другой пионер рынка DC-microgrid, американская ARDA Power, на своем пилотном объекте — офисном здании с крышными солнечными панелями и проточной батареей — показывает снижение капитальных затрат на разворачивание DC-microgrid на 60% в сравнении с аналогичным решением на переменном токе.

Проект ARDA Power

Свой вариант архитектуры распределительных сетей микрорайона на постоянном токе и оценки ее сравнительной эффективности есть и у нас в рамках архитектурного проекта IDEA. Традиционная схема на переменном токе начинается с ввода в распределительную подстанцию среднего напряжения (20 или 10 кВ). К линям распределительной подстанции подключены понижающие трансформаторные подстанции, состоящие из двух трансформаторов (основного и резервного) с понижением напряжения 20/0,4 кВ или 10/0,4 кВ. На каждую из линий 0,4 кВ, идущих от этих трансформаторов, подключены дома, питающиеся по двум вводам, один из которых резервный. На одну трансформаторную подстанцию может приходиться совмещенная нагрузка от 400 кВт до 1000 кВт, т.е. примерно 10–15 таунхаусов.

Энергоснабжение микрорайона на переменном токе

Схема электроснабжения на постоянном токе, которую предлагаем мы, представляет собой замкнутые кольца постоянного тока 880 В — по кольцу на микрорайон. Каждое кольцо опирается на две понижающие тяговые подстанции с одним трансформатором и активными выпрямителями напряжения. На каждое кольцо подключены все здания микрорайона, каждое здание имеет ввод и вывод, которые могут автоматически, в случае аварийной ситуации, меняться за счет управления уровнем напряжения, так, чтобы поток мощности мог идти по кольцу по любому из направлений. Это обеспечивает существенное повышение надежности без резервирования трансформаторных мощностей. И в такой схеме вообще нет необходимости в трансформаторных подстанциях.

Энергоснабжение микрорайона на постоянном токе

Преобразователи постоянного тока (DC/DC) предлагается выполнить на размещаемых в зданиях емкостных делителях напряжения, обеспечивающих последовательное понижение напряжения до 440 В и затем до 220 В. В каждом здании разворачивается несколько плеч 440 В и на каждом — несколько плеч 220 В. Двунаправленный поток мощности в рамках каждого плеча, необходимый, например, для установки микрогенерации, накопителей электроэнергии и реализации локального р2р-рынка электроэнергии между таунхаусами, обеспечивается управлением уровня напряжения в пределах ±10 В от опорного значения. Для перенаправления потока мощности между плечами или из сети 220 В в сеть 440 В и выше этот поток мощности порциями передается через конденсаторы емкостных делителей и за счет управления уровнем напряжения в другом плече или в сети более высокого напряжения. Это потребует реализации цифровой системы управления перетоками мощности и набора интеллектуальных интерфейсов между плечами и сетями схемы. При этом накопители энергии могут быть подключены в такой схеме без инверторов параллельно на шину конденсаторов емкостных делителей.

Предлагаемая схема обладает немалым набором преимуществ в сравнении с электроснабжением на переменном токе и хорошим потенциалом эффективности:

  • За счет более чем двукратного увеличения напряжения распределительной сети (880 В на постоянном токе против 380 В на переменном) уменьшается сечение линий распределительной сети микрорайона и увеличивается их рабочая длина;
  • Подстанции 20/0,88 кВ могут устраиваться как однотрансформаторные с достаточным уровнем надежности;
  • Существенно снижается объем необходимой кабельной продукции;
  • Сокращается размер отчуждаемой территории под строительство сетевых подстанций и распределительной сети;
  • Исключаются проблемы с качеством электроэнергии, уровнем напряжения, гармоническим составом тока и реактивной мощностью;
  • Сокращаются технические потери электроэнергии;
  • Обеспечивается простая интеграция систем накопления энергии и микрогенерации, в том числе на возобновляемых источниках энергии.

В рамках системы электроснабжения на постоянном токе предлагается снизить расчетную потребную мощность приемников и тем самым уменьшить мощность технологического присоединения с учетом следующих факторов:

  • Снижение технических потерь активной мощности до уровня 3–4%;
  • Снижение потребности в присоединенной мощности за счет передачи только активной мощности;
  • Реализации интеллектуальных алгоритмов управления нагрузкой, работающих в DC/DC-преобразователях в квартирах, не допускающих одновременного включения на полную мощность большого числа потребляющих устройств.

Реализация этих возможностей позволит снизить потребную присоединенную мощностью жилого помещения почти до номинальной мощности двух-трех самых мощных приемников электроэнергии. В целом, можно ожидать снижение потребности в присоединенной мощности в 2 и даже в 3 раза в расчете на одно помещение.

[1] https://www.strategyand.pwc.com/media/file/Current-wars-2-0.pdf