Сетевые инверторы, формирующие сеть, и инверторы, следующие за сетью, в бытовых системах с солнечными панелями и накопителями

Румынские исследователи обнаружили, что сетевые инверторы, формирующие сеть, повышают стабильность сети, восстанавливают напряжение и частоту, а также обеспечивают резервное питание в бытовых системах с солнечными панелями и накопителями. Их анализ показывает, что эта технология также может обеспечить более высокую экономическую отдачу: срок окупаемости дополнительных инвестиций составляет 2,85 года.

Функциональная схема просьюмера и потоки энергии при работе в режиме GFL/GFM.

Ученые из Бухарестского университета экономических исследований в Румынии сравнили эффективность инверторов, следующих за сетью (GFL), и инверторов, формирующих сеть (GFM), в бытовых системах, использующих солнечную энергию и накопители, в условиях сети с низкой инерционностью, и пришли к выводу, что технология GFM дает значительные преимущества с точки зрения стабильности сети, восстановления частоты и напряжения, возможности автономной работы и экономической отдачи при относительно коротком сроке окупаемости дополнительных инвестиций.

Исследователи объяснили, что большинство существующих исследований сосредоточено на проектировании систем управления, динамической стабильности и крупномасштабной интеграции, при этом экономическим оценкам с учетом специфики страны уделяется мало внимания, особенно в отношении просьюмеров на развивающихся рынках электроэнергии, таких как Румыния. В своем исследовании они восполнили этот пробел, объединив анализ динамических характеристик ГФМ, включая стабильность частоты, регулирование напряжения, скорость изменения частоты (RoCoF) и возможность автономной работы, с технико-экономической оценкой, основанной на чистой приведенной стоимости (NPV), внутренней норме доходности (IRR), скорректированной приведенной стоимости электроэнергии (LCOE) и сроке окупаемости. Кроме того, они определили ориентировочную точку перехода к работе с преобладанием инверторов, исходя из тенденций в области установленной мощности и долгосрочных сценариев развития энергосистемы Румынии.

Для технического сравнения исследователи использовали MATLAB/Simulink для моделирования бытовой фотоэлектрической системы мощностью 5 кВт в сочетании с литий-железо-фосфатным аккумулятором емкостью 10 кВт·ч. Обе конфигурации инверторов были протестированы в идентичных условиях с помощью детального моделирования электромагнитных переходных процессов. Рассматривались два вида возмущений: увеличение нагрузки на 1,2 кВт и просадка напряжения на 20 % продолжительностью 200 миллисекунд. Оценивались такие показатели, как отклонение частоты, отклонение напряжения, время стабилизации и RoCoF.

В ходе экономической оценки сравнивались капитальные затраты, эксплуатационные расходы, экономия на собственном потреблении, доходы от экспорта электроэнергии в сеть и энергетический арбитраж. Предполагалось, что проект будет реализовываться в течение 15 лет, ставка дисконтирования составит 6 %, а первоначальные инвестиции — 7000 евро (7851 доллар США) для GFL и 8500 евро для GFM. В анализе также учитывались доходы от вспомогательных услуг, предотвращение затрат на отключение, деградация аккумуляторов и сокращение использования возобновляемых источников энергии.

Исследователи обнаружили, что при работе в режиме GFL система полагается на внешние источники напряжения и в первую очередь оптимизирует собственное потребление и накопление энергии. В режиме GFM система самостоятельно устанавливает опорные значения напряжения и частоты, что позволяет активно поддерживать работу сети и работать автономно. GFM также улучшает управление потоками мощности, стабилизирует напряжение и частоту, а также обеспечивает бесперебойное электроснабжение во время отключений.

Моделирование показало, что GFM снижает максимальную частоту колебаний ротора с 18,99 Гц/с до 6,34 Гц/с, то есть примерно на 66% по сравнению с GFL. Максимальное отклонение частоты снизилось с 0,62 Гц до 0,18 Гц, а время стабилизации частоты — с 7,5 до 3 секунд. Максимальное отклонение напряжения также снизилось с 0,20 на единицу (p.u.) до 0,08 p.u., при этом время восстановления сократилось с 5 секунд до 2 секунд.

Экономический анализ показал, что GFM обеспечивает годовой чистый денежный поток в размере 1142 евро по сравнению с 615 евро у GFL, что отражает дополнительные преимущества в плане гибкости и устойчивости. К ним относятся доходы от вспомогательных услуг, предотвращение расходов, связанных с отключениями, сокращение периодов недогрузки и улучшение управления энергопотреблением. GFM также обеспечивает положительную чистую приведенную стоимость в размере 2591 евро и внутреннюю норму доходности около 10,4% по сравнению с чистой приведенной стоимостью в размере -1027 евро и внутренней нормой доходности около 3,7% у GFL.

Несмотря на то, что у GFM более высокая традиционная LCOE — 0,206 евро за кВт·ч по сравнению с 0,174 евро за кВт·ч у GFL, скорректированная LCOE снизилась до 0,118 евро за кВт·ч с учетом преимуществ гибкости и устойчивости. При заданных экономических условиях дополнительные инвестиции в размере 1500 евро, необходимые для GFM, окупятся примерно за 2,85 года.

Анализ чувствительности показал, что GFM остается экономически привлекательным при любых сценариях, связанных с ценами на электроэнергию, доходами от вспомогательных услуг и стоимостью аккумуляторов. Однако исследователи отметили, что рентабельность проекта зависит от доступа к рынкам гибких тарифов, экономической ценности сетевых услуг и допущений, которые требуют дополнительной проверки с использованием сезонных операционных данных.

«Даже в неблагоприятных условиях, таких как снижение цен на электроэнергию, уменьшение доходов от вспомогательных услуг или увеличение затрат на аккумуляторы, GFM сохраняет положительные показатели рентабельности и экономической целесообразности», — заявили ученые. «В отличие от них, GFL гораздо более чувствительна к колебаниям рынка и часто не может добиться привлекательных финансовых показателей».

По мнению исследователей, в будущем необходимо изучить возможности скоординированной работы производителей-потребителей, агрегаторов и энергетических сообществ, оснащенных генераторами, а также адаптивного управления на основе искусственного интеллекта. Они также определили интеграцию с системами «автомобиль — сеть», накопителями водорода и одноранговой торговлей энергией в качестве потенциальных направлений исследований для повышения гибкости и устойчивости энергосистемы.

Их выводы представлены в исследовании «Могут ли инверторы, формирующие сеть, окупиться? Технико-экономический анализ фотоэлектрических и аккумуляторных систем в энергосистемах с малой инерцией», опубликованном в Journal of Energy Storage.

Challenger EVG6-225 https://invertory.ru/product/akb-challenger-evg6-225/