Я спросил электрика «Где моя энергия?»
Электрик не ответил мне, качая головой…
Предисловие
Электричество может все, им освещают, отапливают, качают и греют воду, косят и пашут, ездят и готовят, развлекаются, обучаются, тренируются, и…. его нужно все больше и больше, о чем говорят растущие цены на электроэнергию и растущие проблемы потребления. Основным поставщиком электричества, самым выгодным и стабильным из прочих имеющихся — является единая энергосеть, куда подают энергию электростанции, и после этого она раздается по всей стране. Самым слабым местом в этой системе является «последняя миля». Электростанция и ее потребитель могут находиться за сотни километров друг от друга, но основную часть пути электроэнергия проходит по высоковольтным линиям передачи, а при увеличении напряжения потери в линии, при том же сечении провода и той же передаваемой мощности падают в квадрате от кратности повышения напряжения.
Но перед подачей напряжения потребителю оно понижается обычно до 0,4 кВ (три фазы по 220/230В относительно нуля) — и после этого от трансформаторной подстанции (ТПП) раздается низковольтными линиями по потребителям — это и есть «последняя миля». Что же происходит на «последней миле»? Типичная ситуация, когда вдоль улицы тянется «воздушка» до километра, а иногда и более, провисшая и окисленная от времени, со скрутками в местах обрыва от разных причин, и десятки домов, нагруженных на нее. На ТПП уже по умолчанию переключают отводы так, чтоб выходное напряжение стало порядка 260В (больше не получается обычно), чтоб в конце линии потребители в пиковое время, когда у всех большое потребление — получали хоть что-то похожее на 220В.
Суть проблемы: амперы, киловатты, киловатт*часы. «Хороший случай»
Сколько нужно электроэнергии среднему потребителю? Количество электроэнергии измеряют в киловатт*часах, и для одной квартиры или дома это может за месяц составить от 200 до 1500 квт*ч. И даже больше, если используют электроотопление в большом доме. Сколько потребляет каждый конкретно — он может увидеть по показаниям своего электросчетчика. Возьмем конкретный пример, с значительным потреблением — улица с частной застройкой, где электроснабжение заведено «с нуля», то есть линия не изношена и рассчитывалась под потребности потребителей заранее. Это наилучший возможный случай, и тем не менее. Итак, исходные данные: улица длиной 500 м, ТПП (трансформаторная подстанция) мощностью 63 кВт, 30 потребителей, каждый со средним потреблением до 1500 кВт*ч в месяц (режим «ни в чем себе не отказывая», в отличие от «экономного») — проживание постоянное, не дачный поселок. Линию по улице проводили с запасом, взяли сечение алюминия 35 мм. кв., в расчете на будущее увеличение мощности ТПП до 100 кВт. Таким образом, по каждой фазе можно потреблять от нынешней ТПП ток порядка 100А, а кабель (неизолированная воздушка) может пропускать до 170 А, с запасом. Пока что этот запас, более чем полуторакратный — используется для меньшего просада напряжения в линии.
Очень неплохой вариант по нынешним временам. Хватит ли всем? За месяц ТПП может отдать 63*720= 45000 квт*ч, по 1400 квт*ч на каждого потребителя, с учетом потерь в линии. Хватит с запасом. Проблема лишь в том, что бывают пики потребления. Рассмотрим, к примеру, утро: готовят завтрак, собираясь на работу. Возьмем даже не индукционные плиты, а электрочайники у всех потребителей — по 10А на потребителя. По 2,2 кВт каждому — ТПП не перегружена. Эквивалентная схема будет выглядеть примерно так:
Резисторы 22 Ома здесь изображают потребителей (электрочайники), резисторы 50мОм — участки линии между потребителями, слева — трехфазный ввод (ТПП) в виде трех источников синусоидального напряжения, справа — вольтметры замеряют напряжение у последних на линии потребителей (на первом рисунке они слева). Последнему потребителю достанется напряжение лишь 195В, что уже за пределами допуска (198В при номинальном 220В или 207В при номинальном 230В). Итак — «хороший» вариант оказался совсем не таким уж хорошим, при одновременном (не максимальном для каждого пользователя) потреблении. Хотя «в среднем по больнице» — все отлично, если смотреть по потреблению за месяц. Если бы сразу провели линию проводом в расчете на 100 А (по мощности имеющейся ТПП) — было бы хуже, крайние в линии потребители имели бы в этом же режиме всего 175 В, а это уже неприятно (к примеру, отопительный газовый котел уже не работает обычно). Конечно, первый же вывод, что приходит в голову — купить хороший стабилизатор в дом. И да, это поможет. Но лишь до тех пор, пока пиковое потребление не заставит сработать защиту в ТПП. На практике не всегда так страшно, и чайники строго одновременно не включаются, так как закипают минуты за две, и даже электроплиты — но такое возможно и бывает часто.
А теперь «Плохой случай»
Так как наша работа — решать проблемы с качеством электроэнергии у конечного потребителя, нам встречаются разные случаи. Конечно, вышеприведенный случай неспроста отнесен к категории «хороших», на общем фоне он реально неплохо выглядит. Линии бывают до километра длиной, и сечение провода в них 16 квадратов не редкость. Старые линии, не рассчитанные на современное потребление в эпоху тотальной экономии электроэнергии (простите невольный сарказм). А раз линии старые — есть потери и на скрутках, и на окисленных соединениях и за счет износа (видели, как легко ломается алюминий через 20-30 лет даже в комнатной проводке? Он и проводит хуже…).
Потому в таких линиях «крайний» потребитель даже, может, не вскипятит электрочайник (случай крайний, но несколько таких было за последние два года) — включение чайника просаживает линию до 130-140 В. Если же и соседи что-то включат — все, конец. Что делают в таких случаях энергетики, если нет возможности заменить линию? Просто дают разрешение на подключение, например, 3*5А. Почти как в старые добрые времена, когда в квартире стояла «пробка» на 6А и «всем хватало». Нагрузишь больше — отключится сам счетчик. Как этим пользоваться? Да, собственно, уже почти никак.
Плохо? Безусловно. Энергетики не правы? А давайте проверим. Допустим, что при потреблении 3*5А сеть проседает в пределах нормы (не ниже 200В хотя бы). Сколько тогда можно потребить за месяц? 3*5А*200В*720ч=2160 кВт*ч. Что же получается? Есть энергия-то. Не всяк дом потребит за месяц столько — это уже для небольшого производства хватит. Но как этим пользоваться? Об этом ниже.
Электроэнергия в стране: недостаток или избыток?
Проблема энергетиков — избыток электроэнергии. Звучит странно, но в ночное время это так. Если изрядная составляющая генерируемой мощности поставляется от атомных электростанций — это серьезная проблема, и вообще гораздо спокойнее выдавать энергию ровно и непрерывно. Можно было бы сказать, что являются проблемой слабые, старые и изношенные линии передач на «последней миле», то есть линии 0,4 кВ, от ТПП до потребителя — но и это не совсем так, как показывает «плохой» пример выше. Основная проблема — это не недостаток самой электроэнергии и даже не нехватка пропускных способностей линий электропередач на «последней миле», а неравномерное потребление у отдельно взятого пользователя. Из-за него мы видим «нехватку» электроэнергии, которой на самом деле хватает, из-за него же теряются драгоценные киловатты, уходя впустую на нагрев подводящих проводов — потери в линии электропередач пропорциональны квадрату потребляемого тока. Рассмотрим, как это можно исправить и что уже делается для этого.
Решение проблем с качеством и «нехваткой» электроэнергии
Проблемы с качеством электроэнергии у конечного потребителя, когда нужно решить вопрос с отклонениями напряжения от номинала, или со скачками этого напряжения при наличии на линии мощных потребителей, что могут внезапно нагрузить или снять нагрузку с линии, вызывая колебания — традиционно решаются стабилизаторами напряжения. У них своя история, и когда в целом даже на пиках потребления линия хотя бы может отдать нужную мощность — они справляются. Современные стабилизаторы, инверторные — могут выдать практически идеальное качество электропитания для потребителя даже при провалах входного напряжения в линии до 90В и ниже и при его повышении до 350В и выше — всегда будет номинальное 220 или230В для питания оборудования потребителя.
Но в этой статье мы рассматриваем вариант, когда пиковой мощности с линии уже не хватает, но хотя бы хватает количества энергии в среднем, за день/месяц/год. Далее о решении именно этой проблемы, «крайнего случая». Что не подойдет? Мы рассматриваем как преимущественный вариант питания именно «слабую линию». То есть, речь не о пропадании питания полностью (обрыв линии, аварии и т.п.) — а о том, что не хватает именно мощности в линии на моменты пикового потребления. Поэтому не пригодятся электрогенераторы (проблемы, по сути, постоянные, не держать же генератор постоянно в работе, их запускают когда вообще нет напряжения в линии), не пригодятся или, точнее, ограниченно помогут солнечные батареи (будут проблемы в зимний период, когда генерируется очень мало мощности, 5-10% от летней выработки) — хотя при соответствующем расчете и их можно рассматривать как серьезную помощь, большей частью — в плане экономической составляющей. Что можно использовать: ИБП, источник бесперебойного питания. Известный и уже довольно популярный способ, требующий следующего шага в разработке и внедрении, с учетом накопленного опыта в их разработке и производстве. Пока их чаще всего используют как и генераторы (газовые, бензиновые и дизели) — для обеспечения питания при пропадании напряжения в электросети (в линии). При этом мощность такого ИБП выбирается относительно небольшой (из экономии чаще всего), именно как резервное питание для самых необходимых нужд.
Для этого их выход запитывает только необходимые потребители в доме/квартире/офисе/производстве — освещение, компьютеры, холодильники, питание отопительных котлов. А мощные потребители, ради экономии аккумуляторных батарей — кондиционеры, стиральные машины и тому подобное — на это время отключаются. Но в рассмотренных случаях, когда уже сама линия электропитания большой мощности не может выдать — потребитель всегда находится в ситуации как «на резервном питании», с дискомфортом. И ему нужно другое решение — по сути, обратный подход. Необходимо постоянно заряжать аккумуляторы от этой слабой сети, готовясь к пиковому потреблению и отдавать значительно (в разы) большую мощность при возникновении такой потребности пользователя. Ведь целью, говоря в цифрах, будет запитать дом с потреблением 11-14 кВт (на небольшое время, на пиках потребления) когда сеть не может отдать более чем 3 кВт (упомянутое выше подключение 3*5А), да еще имея трехфазное подключение, 3*1кВт, такое что и не всякий электроприбор можно включить на любую фазу. Конечно, аккумуляторы должны запасать энергии не меньше чем нужно чтоб пройти пик потребления, и успевать подзарядиться в промежутках от сети.
Итак, смысл в изменении концепции, подхода к электроснабжению, а не в радикальных технологических прорывах. Хотя, когда Тесла выпустила свой Power Wall, который именно для этой концепции и был создан — это выглядело как технологический прорыв, потому что аккумуляторы в этом изделии литиевые, как в электромобилях, и изделие получилось компактным, относительно небольшого веса, удобным в установке — что хорошо, но не является основными его свойствами, основные — все же обеспечение возможности для пользователя комфортно потреблять большие пиковые мощности при наличии слабой линии у потребителя, слабого подключения. Тем не менее, для многоквартирных домов это преимущество решающее и компенсирует более высокую цену литиевых батарей. Там, где нет ограничения по габаритам — могут быть применены свинцовые тяговые, более дешевые аккумуляторы, и это либо уменьшит затраты на инсталляцию, либо позволит увеличить запас энергии.
Заметим, что при реализации этой концепции решается сразу и вопрос перебоев в подаче электроэнергии, хотя при длительных перебоях (если они есть) наличие генератора может оказаться необходимым, но это, опять же, будет относительно маломощный и недорогой генератор, то есть потребитель будет даже при пропадании напряжения в сети в обычном режиме потребления, а не в резервном, когда ему нужно «экономить по максимуму, не стирать и не готовить». Солнечная генерация, даже при резком падении отдачи в зимнее время — может добавить выгоды.
Практическое решение проблемы пикового потребления
Шаг первый — 3 фазы в одну. Я представляю коллектив разработчиков фирмы QUANT и мы начали решать эту проблему с создания очередного поколения инверторных стабилизаторов QUANT (рабочее название QUANT ABC), которые будут способны собрать три слабых фазы в одну, то есть если потребитель подключен на 3 фазы с разрешенным током по каждой в 5А — такой стабилизатор на выходе обеспечит одну фазу с предельным током 15А, при номинальном входном напряжении. Разумеется, 3*5А это почти предельно «плохой» случай (хоть реально встречается), и возможны более гуманные варианты, когда объединение 3 в 1 решит практически все проблемы (и еще одну экономическую — вместо трех стабилизаторов по каждой фазе можно будет установить один), включая возможный обрыв одной из фаз с некоторым снижением мощности на выходе, но без прекращения подачи электроэнергии. Но это не все — это лишь краткое описание базового блока, а есть еще дополнительные опции. Изюминка этого базового блока — открытая шина постоянного напряжения 400В, и опциональные дополнительные блоки, реализующие все возможные преимущества «по запросу».
Шаг второй — используем все, что дает энергию.
Итак, открытая шина постоянного напряжения — что это значит? Прежде всего то, что любой источник электроэнергии, а именно — сеть переменного тока, различные аккумуляторы, бензо/газо/дизель генераторы, солнечные панели, ветрогенератор — могут быть подключены через опциональные согласующие модули к клеммам 400В на базовом блоке, с этой же точки питается и выходной инвертор, что подает 220/230 В 50/60Гц в нагрузку потребителя. Это выглядит примерно так же, как сборка компьютера в старые добрые времена — кто любит играть в игры, покупает и ставит более мощную видеокарту, или доставляет дополнительную память, и так далее.
В нашем случае можно работать с одним лишь базовым блоком, используя его как стабилизатор напряжения топ-класса с возможностью объединить слабые фазы питающей сети в одну более сильную фазу, для удобства потребления, и экономии затрат и места в доме.
Но интересное начинается, когда сеть слабая и не выдерживает нагрузок на пиках потребления. Подключение блока зарядки/согласования для работы с аккумуляторами позволяет неторопливо и, главное, равномерно заряжать аккумуляторы в течение суток (или по ночному тарифу, тогда только ночью, если хватает этого) и после отдавать по потребности, когда потребление превышает возможности сети. Естественно, если потребление в данный момент минимально и возможностей сети хватает — в аккумуляторы пойдет лишь то, что не употребили (обычно это ночь, если ночью не заряжается электромобиль, или день когда все работают и дом почти не потребляет).
Пример с цифрами: дом среднего достатка, электроотопление не используется, есть электромобиль. Среднее потребление за месяц — 800-900 кВт*ч, без электромобиля — 500-600 кВт*ч. Предположим что подключение то самое, минималка 3*5А = 3,3кВт. То есть, изначально выжить с этим просто сложно, хотя освещение хотя бы включить получится. С учетом КПД и заниженного входного напряжения — примем, что уверенно можем потреблять 2кВт*ч (входное напряжение в слабых сетях может хронически быть около 160-170В, берем достаточно плохой случай). Даже в этом случае за месяц можно «вытянуть» из сети 1400 кВт*ч, а нужно менее чем 1000 квт*ч. И это случай — хуже некуда, как говорится «хоть дом продавай, только кто такое купит» — тем не менее, можно обеспечить и комфорт при аккумуляторах достаточной емкости и мощном выходном инверторе (рассчитывается исходя из графика потребления и пиков на нем), и что немаловажно — еще и добавить комфорта соседям, ведь ваше пиковое потребление не будет им просаживать сеть. Про то, насколько выгодно энергетикам равномерное потребление и как оно резко снижает потери в линии (которые все равно кто-то должен оплачивать, потери «последней мили» — традиционный камень преткновения в спорах между хозяйствующими субъектами) — уже говорилось ранее.
Теперь о солнечной энергетике — если имеется 30 кВт набор панелей для «зеленого тарифа» — то зимой за месяц даже в условиях центра Украины можно получать и с ноября по январь порядка 200-300 кВт*ч в месяц. Естественно, кто продает по зеленому тарифу — тот имеет уже свой инвертор, и задача подключения не стоит — он уже качает в сеть, от которой, как правило, может и быть запитан заодно. Для тех, кто хочет эту область лишь осваивать и «потренироваться», либо ему нужно питание в теплое время года (дача например) — может использовать меньшую мощность панелей и для этого разрабатывается модуль-переходник для выдачи все тех же 400В в шину постоянного тока базового блока.
Генераторы всех видов (газ, бензин, дизель) — обычно проблема для обычных стабилизаторов напряжения, за редким исключением. Но возможность работы с этим базовым блоком обеспечена, за счет перехода в специальный режим «работа с генератором», в котором ограничивается потребление от источника, согласно паспортной мощности генератора, и приняты меры против входа в опасный «колебательный режим», вредный решительно для всех узлов бензо- и дизель- агрегата. Инверторный генератор не потребуется, так как необходимое уже имеется на борту базового блока и в опциональном блоке заряда/согласования аккумуляторов. И даже в режиме питания от генератора — у потребителя будет обычный режим электроснабжения, а не так называемый «резервный супер экономный», что значительно улучшает качество жизни.
Заключение
Одним из первых на этом рынке (обозначим его как «комфортное экологичное потребление электроэнергии») стала фирма Tesla с её Powerwall : это аккумулятор значительной емкости с мощным инвертором (или без). Похожие устройства выпускают несколько ведущих западных фирм-производителей электроники и бытовой техники. И с учетом того, что это делается за пределами Украины — пока у нас это мало распространено, потому что выходит весьма дорого.
Однако, при правильном подходе к проектированию таких устройств можно «получать преимущества по частям», потому что преимуществ много, и верно разделив устройство на модули — процесс перехода к экологичному и одновременно комфортному для пользователя и энергопоставщика потреблению энергии станет плавным и тоже комфортным для пользователя.
Поскольку инверторные стабилизаторы уже давно (более 5 лет) и прочно заняли свою нишу на украинском рынке стабилизаторов — появились возможности закреплять и развивать успех этого направления обеспечения качественного электропитания. Решать задачи «экологичности потребления» — перспективно, так как это решает одновременно проблемы поставщиков и потребителей электроэнергии, облегчает работу по обслуживанию и ремонту линий и ТПП, уменьшая число аварий из-за локальных перегрузок в пиках потребления.
И поэтому приглашаем к общению и обмену опытом всех коллег по цеху, работающих в области стабилизации переменного напряжения и силовой электроники. Всем мира и добра, и стабильных 220В во всех розетках!