Блог-UA

Сергій Іголкін. Екологічне енергоспоживання або «проблеми останньої милі»

Електрик не відповів мені, хитаючи головою…

Передмова

Електрика може все: нею освітлюють, опалюють, качають і гріють воду, косять і орять, їздять і готують, розважаються, навчаються, тренуються, проте її потрібно все більше і більше, про що говорять зростаючі ціни на електроенергію та зростаючі проблеми споживання. Основним постачальником електрики, найвигіднішим і найстабільнішим джерелом є єдина енергомережа, куди подають енергію електростанції, і після цього вона розходиться по всій країні. Найслабшим місцем у цій системі є «остання миля». Електростанція та її споживач можуть перебувати за сотні кілометрів один від одного, але основну частину шляху електроенергія проходить по високовольтних лініях електропередач, а при збільшенні напруги втрати в лінії, при тому ж перерізі проводу і тієї ж потужності, падають в рази.

Але перед подачею напруги споживачеві вона знижується зазвичай до 0,4 кВ (три фази по 220/230В щодо нуля) — і після цього від трансформаторної підстанції (ТПП) роздається низьковольтними лініями споживачам — це і є «остання миля». Що ж відбувається на останній милі? Типова ситуація, коли вздовж вулиці тягнеться «повітряна лінія» до кілометра, а іноді й більше, яка провисла й окислена від часу, зі скручуваннями в різних місцях від різних причин, і десятки будинків, які її використовують. На ТПП вже за замовчуванням перемикають відводи так, щоб вихідна напруга стала на рівні 260В (більше не виходить зазвичай), щоб у кінці лінії споживачі в піковий час, коли в усіх велике споживання — отримували хоч щось схоже на 220В.

Суть проблеми: ампери, кіловати, кіловат-години. «Позитивний випадок»

Скільки потрібно електроенергії середньому споживачеві? Кількість електроенергії вимірюють у кіловат*годинах, і для однієї квартири чи будинку це може за місяць становити від 200 до 1500 квт*год. І навіть більше, якщо використовують електроопалення у великому будинку. Скільки споживає кожен конкретно – він може побачити за показаннями свого електролічильника. Візьмемо конкретний приклад із значним споживанням — вулиця з приватною забудовою, де електропостачання заведено «з нуля», тобто лінія не зношена і розраховувалася під потреби споживачів заздалегідь. Це найкращий можливий випадок. Вихідні дані: вулиця довжиною 500 м, ТПП (трансформаторна підстанція) потужністю 63 кВт, 30 споживачів, кожен із середнім споживанням до 1500 кВт*год на місяць (режим «ні в чому собі не відмовляючи», на відміну від «економного») – проживання постійне. Лінію по вулиці проводили із запасом, взяли перетин алюмінію 35 мм. кв., для майбутнього збільшення потужності ТПП до 100 кВт. Таким чином, по кожній фазі можна споживати від нинішньої ТПП струм порядку 100А, а кабель може пропускати до 170 А із запасом. Поки що цей запас більш ніж півторакратний — використовується для меншої просадки напруги в лінії.

Дуже непоганий варіант на сьогодні. Чи вистачить усім? За місяць ТПП може віддати 63 * 720 = 45000 квт * год, по 1400 квт * год на кожного споживача, з урахуванням втрат у лінії. Досить із запасом. Проблема лише в тому, що трапляються піки споживання. Розглянемо, наприклад, ранок: готують сніданок, збираючись працювати. Візьмемо навіть індукційні плити, а електрочайники в усіх споживачів — по 10А на споживача, по 2,2 кВт кожному – ТПП не перевантажено. Еквівалентна схема виглядатиме приблизно так:

Резистори 22 Ома тут зображують споживачів (електрочайники), резистори 50 мОм – ділянки лінії між споживачами, зліва – трифазне введення (ТПП) у вигляді трьох джерел синусоїдальної напруги, праворуч – вольтметри заміряють напругу останніх споживачів в лінії (на першому малюнку вони зліва). Останньому споживачеві дістанеться напруга лише 195В, що вже за межами допуску (198В при номінальному 220В або 207В при номінальному 230В). Отже — «хороший» варіант виявився зовсім не таким вже й добрим, при одночасному (не максимальному для кожного користувача) споживанні. Хоча «в середньому по лікарні» — все чудово, якщо дивитися за споживанням за місяць. Якби відразу провели лінію дротом у розрахунку на 100 А (за потужністю наявної ТПП) — було б гірше, крайні в лінії споживачі мали б у цьому режимі всього 175 В, а це вже неприємно (наприклад, опалювальний газовий котел вже не працює зазвичай). Звичайно, перший же висновок, що спадає на думку — купити хороший стабілізатор у будинок. І так, це допоможе. Але лише доти, доки пікове споживання не змусить спрацювати захист у ТПП. На практиці не завжди так страшно, і чайники строго одночасно не включаються, тому що закипають хвилини за дві, і навіть електроплити – але таке можливо і часто буває.

А тепер «Поганий випадок»

Оскільки наше головне завдання – вирішувати проблеми з якістю електроенергії у кінцевого споживача, нам трапляються різні випадки. Звичайно, вищенаведений випадок недарма віднесений до категорії «хороших», на загальному фоні реально непогано виглядає. Лінії бувають до кілометра завдовжки, і перетин дроту в них 16 квадратів не рідкість. Старі лінії, які не розраховані на сучасне споживання в епоху тотальної економії електроенергії (вибачте мимовільний сарказм). А якщо лінії старі — є втрати і на скрутках, і на окислених з’єднаннях і за рахунок зношування (бачили, як легко ламається алюміній через 20-30 років навіть у кімнатній проводці?).

Тому в таких лініях «крайній» споживач навіть може не закип’ятити електрочайник (випадок крайній, але кілька таких було за останні два роки) — включення чайника просаджує лінію до 130-140 В. Якщо ж і сусіди щось увімкнуть — все, кінець. Що роблять у таких випадках енергетики, якщо немає можливості замінити лінію? Просто дають дозвіл на підключення, наприклад, 3*5А. Майже як за старих добрих часів, коли в квартирі стояла «пробка» на 6А і «всім вистачало». Навантажиш більше – відключиться сам лічильник. Як користуватися цим? Так, власне, майже ніяк!

Погано? Однозначно! Енергетики не мають рації? А давайте перевіримо. Припустимо, що при споживанні 3*5А мережа просідає не більше норми (не нижче 200В хоча б). Скільки тоді можна за місяць? 3*5А*200В*720год=2160 кВт*год. Що ж виходить? Є енергія. Не всякий будинок за місяць потребує стільки — це вже для невеликого виробництва вистачить. Але як цим скористатися? Про це нижче.

Електроенергія в країні: нестача чи надлишок?

Проблема енергетиків – надлишок електроенергії. Звучить дивно, але в нічний час це актуально. Якщо неабияка складова потужності, що генерується, поставляється від атомних електростанцій — це серйозна проблема, і взагалі набагато спокійніше видавати енергію рівно і безперервно. Можна було б сказати, що проблемою є слабкі, старі та зношені лінії передач на «останній милі», тобто лінії 0,4 кВ, від ТПП до споживача — але й це не зовсім так, як показує «поганий» приклад вище. Основна проблема — це не брак самої електроенергії і навіть не брак пропускних можливостей ліній електропередач на останній милі, а нерівномірне споживання окремо взятого користувача. Через нього ми бачимо «нестачу» електроенергії, якої насправді вистачає, через нього ж губляться коштовні кіловати, які даремно витрачаються на нагрівання проводів – втрати в лінії електропередач пропорційні квадрату споживаного струму. Розглянемо як це можна виправити і що вже робиться для цього.

Вирішення проблем з якістю та «нестачею» електроенергії

Проблеми з якістю електроенергії у кінцевого споживача, коли потрібно вирішити питання з відхиленнями напруги від номіналу, або зі стрибками цієї напруги за наявності на лінії потужних споживачів, що можуть раптово навантажити або зняти навантаження з лінії, викликаючи коливання традиційно вирішуються стабілізаторами напруги. У них своя історія, і коли загалом навіть на піках споживання лінія хоч би може віддати потрібну потужність, вони справляються. Сучасні стабілізатори, інверторні – можуть видати практично ідеальну якість електроживлення для споживача навіть при провалах вхідної напруги в лінії до 90В і нижче / при її підвищенні до 350В і вище – завжди буде номінальною 220 або 230В для живлення обладнання споживача.

Але в цій статті ми розглядаємо варіант, коли пікової потужності з лінії вже не вистачає, але хоча б вистачає кількості енергії в середньому за день/місяць/рік. Далі про вирішення саме цієї проблеми, «крайнього випадку», що не підійде? Ми розглядаємо як переважний варіант живлення саме “слабку лінію”. Тобто, йдеться не про зникнення живлення повністю (обрив лінії, аварії тощо) — а про те, що не вистачає саме потужності лінії на момент пікового споживання. Тому не знадобляться електрогенератори (проблеми, по суті, постійні, не тримати ж генератор постійно в роботі, їх запускають коли взагалі немає напруги в лінії), не знадобляться або, точніше, допоможуть сонячні батареї (будуть проблеми в зимовий період, коли генерується дуже мало потужності, 5-10% від літнього вироблення) — хоча за відповідного розрахунку і їх можна розглядати як серйозну допомогу, здебільшого — щодо економічної складової.

Що можна використовувати: джерело безперебійного живлення. Відомий і вже досить популярний спосіб, що вимагає наступного кроку у розробці та впровадженні, з урахуванням накопиченого досвіду у їх розробці та виробництві. Поки що їх найчастіше використовують як і генератори (газові, бензинові та дизелі) — для забезпечення живлення при зникненні напруги в електромережі (у лінії). При цьому потужність такого ДБЖ вибирається щодо невеликої (з економії найчастіше), саме як резервне харчування для найнеобхідніших потреб. Відомий і вже досить популярний спосіб, що вимагає наступного кроку у розробці та впровадженні, з урахуванням накопиченого досвіду у їх розробці та виробництві. Поки що їх найчастіше використовують як і генератори (газові, бензинові та дизелі) — для забезпечення живлення при зникненні напруги в електромережі (у лінії). При цьому потужність такого ДБЖ вибирається як резервне живлення для найнеобхідніших потреб. Відомий і вже досить популярний спосіб, що вимагає наступного кроку у розробці та впровадженні, з урахуванням накопиченого досвіду у їх розробці та виробництві. Поки що їх найчастіше використовують як і генератори (газові, бензинові та дизельні) — для забезпечення живлення при зникненні напруги в електромережі (у лінії). При цьому потужність такого ДБЖ вибирається щодо невеликої (з економії найчастіше), саме як резервне харчування для найнеобхідніших потреб.

Для цього до їх виходу підключають лише потрібні споживачі в будинку/квартирі/офісі/виробництві — освітлення, комп’ютери, холодильники, котли опалення. А потужні споживачі заради економії акумуляторних батарей — кондиціонери, пральні машини тощо — на цей час відключаються. В розглянутих випадках, коли сама лінія електроживлення великої потужності не може видати потрібної потужності — споживач завжди перебуває в ситуації як на резервному живленні, тобто з дискомфортом. І йому потрібне інше рішення — по суті зворотний підхід. Необхідно постійно заряджати акумулятори від цієї слабкої мережі, готуючись до пікового споживання та віддавати значно (у рази) більшу потужність у разі виникнення такої потреби користувача. Адже основна мета – забезпечення електроенергією будинок із споживанням 11-14 кВт (на невеликий час, на піках споживання) коли мережа не може віддати більш ніж 3 кВт (згадане вище підключення 3 * 5А), та ще маючи трифазне підключення, 3 * 1кВт, таке, що і не всякий електроприлад можна включити на будь-яку фазу. Звичайно, акумулятори повинні запасати енергії не менше, ніж потрібно щоб пройти пік споживання, і встигати підзарядитися в проміжках часу, коли мережа доступна.

Отже, сенс у зміні концепції, підходу до електропостачання, а не в радикальних технологічних проривах. Хоча, коли Тесла випустила свій Power Wall, який саме для цієї концепції і був створений, це виглядало як технологічний прорив, тому що акумулятори в цьому виробі літієві, як в електромобілях, і виріб вийшов компактним, відносно невеликої ваги, зручним в установці, що звісно позитивно, але це не є основним його призначенням, а основні – все ж таки забезпечення можливості для користувача комфортно споживати великі пікові потужності за наявної слабкої лінії у споживача, слабкого підключення. Тим не менш, для багатоквартирних будинків ця перевага є вирішальною і компенсує вищу ціну літієвих батарей. Там, де немає обмеження за габаритами – можуть бути застосовані свинцеві тягові, дешевші акумулятори,

Зауважимо, що при реалізації цієї концепції вирішується відразу і питання перебоїв у подачі електроенергії, хоча при тривалих перебоях (якщо вони є) наявність генератора може виявитися необхідним, але це знову ж таки буде відносно малопотужний і недорогий генератор, тобто споживач буде навіть при пропаданні напруги в мережі у звичайному режимі споживання, а не в резервному, коли йому потрібно «заощаджувати по максимуму, не прати і не готувати». Сонячна генерація навіть при різкому падінні віддачі в зимовий час може додати вигоди.

Практичне вирішення проблеми пікового споживання

Крок перший – 3 фази в одну. Я представляю колектив розробників фірми QUANT і ми почали вирішувати цю проблему зі створення чергового покоління інверторних стабілізаторів QUANT (робоча назва QUANT ABC), які будуть здатні зібрати три слабкі фази в одну, тобто якщо споживач підключений на 3 фази з дозволеним струмом по кожній 5А – такий стабілізатор на виході забезпечить одну фазу з граничним струмом 15А при номінальній вхідній напрузі. Зрозуміло, 3*5А це майже гранично «поганий» випадок (хоч реально зустрічається), і можливі гуманніші варіанти, коли об’єднання 3 в 1 вирішить практично всі проблеми (і ще одну економічну — замість трьох стабілізаторів по кожній фазі можна буде встановити один). Включаючи можливий обрив однієї з фаз з деяким зниженням потужності на виході, але без припинення подачі електроенергії. Але це не все – це лише короткий опис базового блоку, а є ще додаткові опції. Родзинка цього базового блоку – відкрита шина постійної напруги 400В, та опціональні додаткові блоки, що реалізують усі можливі переваги “за запитом”.

Крок другий – використовуємо все, що дає енергію.

Отже, відкрита шина постійної напруги – що це означає? Насамперед те, що будь-яке джерело електроенергії, а саме мережа змінного струму, різні акумулятори, бензо/газо/дизель генератори, сонячні панелі, вітрогенератор можуть бути підключені через опціональні узгоджувальні модулі до клем 400В на базовому блоці, з цієї ж точки живиться і вихідний інвертор, що подає 220/230 50/60Гц на навантаження споживача. Це виглядає приблизно так само, як складання комп’ютера в старі добрі часи – хто любить грати в ігри, купує і ставить більш потужну відеокарту, або доставляє додаткову пам’ять тощо.

У нашому випадку можна працювати з одним лише базовим блоком, використовуючи його як стабілізатор напруги топ-класу з можливістю об’єднати слабкі фази мережі живлення в одну сильнішу фазу, для зручності споживання, і економії витрат і місця в будинку.

Але цікаве починається, коли мережа слабка і не витримує навантажень на піках споживання. Підключення блоку зарядки/узгодження для роботи з акумуляторами дозволяє неквапливо і, головне, рівномірно заряджати акумулятори протягом доби (або за нічним тарифом, тоді тільки вночі, якщо цього вистачає) і після віддавати по потребі, коли споживання перевищує можливості мережі. Звичайно, якщо споживання зараз мінімальне і можливостей мережі вистачає – в акумулятори піде лише те, що не використали (зазвичай це ніч, якщо вночі не заряджається електромобіль, або день коли всі працюють і будинок майже не споживає).

Приклад із цифрами: будинок середнього достатку, електроопалення не використовується, є електромобіль. Середнє споживання за місяць – 800-900 кВт * год, без електромобіля – 500-600 кВт * год. Припустимо, що підключення те саме, мінімалка 3*5А = 3,3кВт. Тобто спочатку вижити з цим просто складно, хоча освітлення хоча при таких умовах освітлення буде доступне. З урахуванням ККД і заниженої вхідної напруги – приймемо, що впевнено можемо споживати 2кВт * год (вхідна напруга в слабких мережах може бути близько 160-170В, беремо досить поганий випадок). Навіть у цьому випадку за місяць можна «витягнути» з мережі 1400 кВт*год, а потрібно менше ніж 1000 кВт*год. І це випадок — гірше нікуди, як то кажуть «хоч будинок продавай, тільки хто таке купить» — проте, можна забезпечити і комфорт при акумуляторах достатньої ємності та потужному вихідному інверторі (розраховується виходячи з графіка споживання та піків на ньому), і що важливо – ще й додати комфорту сусідам, адже ваше пікове споживання не буде їм просаджувати мережу. Проте, наскільки вигідне енергетикам рівномірне споживання і як воно різко знижує втрати в лінії (які все одно хтось має оплачувати, втрати «останньої милі» — традиційний камінь спотикання у суперечках між суб’єктами господарювання) — уже йшлося раніше.

Тепер про сонячну енергетику — якщо є 30 кВт набір панелей для «зеленого тарифу» — то взимку за місяць навіть за умов центру України можна отримувати протягом листопада – січня близько 200-300 кВт*год на місяць. Звісно, ​​хто продає за зеленим тарифом — той має вже свій інвертор, і завдання підключення не стоїть — він уже віддає в мережу. Для тих, хто хоче цю область лише освоювати і «потренуватися», або йому потрібно живити обладнання в теплу пору року (наприклад, дача) — може використовувати меншу потужність панелей і для цього розробляється модуль-перехідник для видачі все тих же 400В в шину постійного струму базового блоку.

Генератори всіх видів (газ, бензин, дизель) зазвичай проблема для звичайних стабілізаторів напруги, за рідкісним винятком. Але можливість роботи з цим базовим блоком забезпечена, за рахунок переходу в спеціальний режим «робота з генератором», в якому обмежується споживання від джерела, згідно з паспортною потужністю генератора, та вжито заходів проти входу в небезпечний «коливальний режим», шкідливий для всіх вузлів бензо-і дизель-агрегата. Інверторний генератор не буде потрібний, оскільки необхідне вже є на борту базового блоку та в опціональному блоці заряду/узгодження акумуляторів. І навіть у режимі живлення від генератора — споживач матиме звичайний режим електропостачання, а не так званий «резервний супер економний», що значно покращує якість життя.

Висновок

Одним із перших на цьому ринку (позначимо його як «комфортне екологічне споживання електроенергії») стала фірма Tesla з її Powerwall: це акумулятор значної ємності з потужним інвертором (або без). Схожі пристрої випускають кілька провідних західних фірм-виробників електроніки та побутової техніки. І з огляду на те, що це робиться за межами України — поки що у нас це мало поширене, бо виходить дуже дорого.

Однак, при правильному підході до проектування таких пристроїв можна «отримувати переваги частинами», тому що переваг багато, і вірно розділивши пристрій на модулі — процес переходу до екологічного та одночасно комфортного для користувача та енергопостачальника споживання енергії стане плавним і комфортним для користувача.

Оскільки інверторні стабілізатори вже давно (понад 5 років) і міцно зайняли свою нішу на українському ринку стабілізаторів, з’явилися можливості закріплювати та розвивати успіх цього напряму забезпечення якісного електроживлення. Вирішувати завдання «екологічності споживання» — перспективно, оскільки це вирішує водночас проблеми постачальників та споживачів електроенергії, полегшує роботу з обслуговування та ремонту ліній та ТПП, зменшуючи кількість аварій через локальні навантаження у піках споживання.

І тому запрошуємо до спілкування та обміну досвідом усіх колег по цеху, які працюють у галузі стабілізації змінної напруги та силової електроніки. Усім миру та добра, і стабільних 220В у всіх розетках!

Back to list

Залишити відповідь

Ваша e-mail адреса не оприлюднюватиметься. Обов’язкові поля позначені *