Ветроэнергетика: цифры и факты. Часть 2. Сетевая интеграция

№ 6’2014
PDF версия
Электроэнергетические системы по своей природе являются вариантными, как по выработке, так и по потреблению мощности. Однако они разрабатываются таким образом, чтобы эффективно справляться с этими изменениями, что обеспечивается выбором конфигурации, системы управления и промежуточных связей. Чтобы снижать вариантность, единичные ВЭУ должны объединяться с учетом возможных изменений скорости ветра и нагрузки.

Первая часть статьи.

Сила ветра изменяется в течение диапазона времени от нескольких секунд до нескольких лет, продолжительность которого в основном определяется влиянием метеорологических условий. Понимание таких различий и их предсказуемость имеют первостепенное значение для решения вопроса интеграции и оптимального использования ветра в энергетической системе. Электроэнергетические системы по своей природе являются вариантными, как по выработке, так и по потреблению мощности. Однако они разрабатываются таким образом, чтобы эффективно справляться с этими изменениями, что обеспечивается выбором конфигурации, системы управления и промежуточных связей. Чтобы снижать вариантность, единичные ВЭУ должны объединяться с учетом возможных изменений скорости ветра и нагрузки (рис. 5).

Пример сглаживающего эффекта в результате географического распределения

Рис. 5. Пример сглаживающего эффекта в результате географического распределения (На рисунке представлено сравнение почасовой выходной мощности ВЭУ в четырех ситуациях. Расчеты выполнены путем моделирования ветровой энергии, основанного на данных декабря 2000 г. по скоростям ветра, а потенциал ветровой энергии оценен до 2030 г.)

Кроме снижения возможных флуктуаций, географическое агрегирование ветротурбин приводит к увеличению энергетического потенциала энергосистемы. Предсказуемость — это ключ к контролю изменчивости ветровой обстановки. Чем больше площадь парка, тем выше прогнозируемость поведения агрегированных ВЭУ, что благотворно влияет на балансировку необходимых резервов энергии.

Широкомасштабная интеграция ветроэнергетических установок рассматривается в контексте той доли, которую смогут обеспечивать ВЭУ в общем балансе европейского спроса на электроэнергию. В то время как ветроэнергетика покрывала только около 4% спроса в 2008 г., целевые задачи EWEA на 2020 и 2030 г. предусматривают уровень проникновения 12–14 и 21–28% соответственно.

 

Дизайн и функционирование энергосистемы

Существующие методы управления системой и резервы, доступные для функционирования в условиях изменяющихся уровней генерации и потребления, более чем достаточны при уровне проникновения около 20%, хотя его точное значение зависит от характера конкретной системы. Оценочные требования по необходимым дополнительным резервам составляют около 2–4% установленной мощности ВЭУ при степени проникновения 10%, в зависимости от гибкости энергосистемы, точности кратко­срочных прогнозов и времени отключения сети.

При более высоких уровнях проникновения могут потребоваться изменения методов управления системой, для того чтобы улучшить качество интеграции ветровой энергии. Для снижения усилий и затрат на интеграцию энергосистема должна быть более гибкой. Это может быть достигнуто правильным подбором генерирующих установок и систем накопления энергии, повышением гибкости потребления и распределения, введением более адекватных правил на энергетическом рынке. В таблице приведены подробный обзор и классификация энергосистем с учетом влияния ветроэнергетики.

Таблица. Воздействие ветроэнергетики на энергосистему, связанное с затратами на интеграцию

 

Эффект или элемент влияния

Зона влияния

Время

Вклад ветроэнергетики

Краткосрочные эффекты

Контроль напряжения

Локальная/региональная

Секунды/минуты

ВЭУ могут компенсировать динамические изменения напряжения

Эффективность производства тепловой или гидроэнергии

Системная

1–24 ч

Зависит от работы системы и использования краткосрочных прогнозов

Эффективность передачи и распределения энергии

Системная
или локальная

 

В зависимости от степени проникновения ВЭУ могут создавать дополнительные затраты или прибыль. Распределенная в пространстве ветроэнергия может снижать сетевые затраты

Управляемые резервы

Системная

От минут до часов

ВЭУ могут частично влиять на входной и выходной контроль

Сброс (ветро) энергии

Системная

Часы

При высоком уровне проникновения выработка ветроэнергии может превысить уровень, который система способна принять

Долгосрочные эффекты

Надежность системы
(соответствие уровней генерирования и передачи)

Системная

Годы

Ветроэнергетика может влиять на адекватность системы

Графический анализ уровней влияния ветровых электростанций на работу энергосистемы приведен на рис. 6, где отчетливо показаны факторы локального и системного воздействия, а также и краткосрочные и долгосрочные последствия для различных аспектов энергетической системы, в том числе сетевой инфраструктуры, резервов системы и ее адекватности.

Системное влияние ветроэнергетики (факторы, находящиеся в фокусе программы Task 25, выделены красным; источник: IEA Wind Task 25, Holttinen, 2007)

Рис. 6. Системное влияние ветроэнергетики (факторы, находящиеся в фокусе программы Task 25, выделены красным; источник: IEA Wind Task 25, Holttinen, 2007)

 

Сетевая инфраструктура

Ветроэнергетика как распределенная и изменяющаяся система генерирования энергии требует инвестиций в инфраструктуру, внедрения новых технологий и концепций управления сетями. Для широкомасштабной интеграции ветровой энергии необходимо существенно увеличить пропускную способность и принять другие меры для модернизации сетей как внутри, так и между европейскими государствами — членами ЕС.

Значительные улучшения могут быть достигнуты путем оптимизации структуры сетей и иных «мягких» мероприятий, однако при этом строительство новых линий все равно необходимо. В то же время требуется принять адекватные меры, которые позволят подключать ветротурбины даже там, где мощность сети ограничена. Транснациональная морская сеть не только обеспечит доступ к огромным оффшорным ресурсам, но и будет способствовать улучшению трансграничного обмена электроэнергией между странами, а также снизит нагрузку на существующие линии электропередачи.

Модернизация европейских сетей требует координации планирования линий передачи энергии на уровне ЕС, а также расширения сотрудничества между всеми участвующими сторонами, особенно операторами систем передачи (TSO). На уровне распределения энергии необходим более активный сетевой менеджмент. Повышение нагрузочной способности сетей для увеличения транснациональной и региональной передачи электроэнергии будет полезно как для ветроэнергетики, так и для внутреннего рынка электроэнергетики.

На рис. 7–9 показаны три примера конфигурации морской сети в Северном море.

Проект высоковольтной «суперсети» для передачи энергии через Европу

Рис. 7. Проект высоковольтной «суперсети» для передачи энергии через Европу

Оффшорная сеть, предложенная Statnett

Рис. 8. Оффшорная сеть, предложенная Statnett

Исследование оффшорной сети организацией «Гринпис»

Рис. 9. Исследование оффшорной сети организацией «Гринпис»

 

Требования к сетевым соединениям

Конкретные технические требования к сетевым кодам с точки зрения допусков, управления активной и реактивной мощностью, защитным устройствам и качеству электро­энергии изменяются по мере роста степени проникновения ветроэнергетики, которая обеспечивает дополнительные возможности, такие как активный контроль и различные услуги по поддержке сети. Это имеет явный экономический смысл, поскольку заказчик получает возможность использовать генерирующую систему, обеспечивающую наилучший сервис.

Поскольку степень проникновения ветроэнергетики повышается, увеличивается потребность в разработке согласованных требований по сетевым кодам, для чего понадобятся координированные усилия со стороны ветроиндустрии и системных операторов.

 

Вклад ветроэнергетики в адекватность энергосистемы

При низком уровне проникновения ветроэнергетики относительный кредит энергии (т. е. «стабильная» нагрузочная способность как доля от общей установленной мощности ВЭУ) близок к средней выработке энергии в течение рассматриваемого периода, обычно соответствующего времени максимального потребления. Для стран Северной Европы это, как правило, составляет 25–30%, для континентальных и для оффшорных ВЭУ — до 50%.

С увеличением степени проникновения относительный кредит ветроэнергетики снижается. Однако это не означает, что может быть замещен меньший уровень «обычной» энергии. Смысл состоит в том, что добавление новой ВЭУ к системе с повышенным уровнем проникновения позволяет скомпенсировать меньшую мощность энергосистемы, чем это достигалось при установке в систему первых ветрогенераторов.

 

Экономические аспекты интеграции

В интересах экономической интеграции ветроэнергетики следует внести изменения в рыночные правила по всей Европе таким образом, чтобы рынки работали быстрее и допускались меньшие времена перекрытия каналов энергии (как правило, 3 ч или меньше). Это позволит снизить неопределенность прогнозирования и исключить потребность в срочной балансировке. Дальнейшие существенные экономические выгоды ожидаются от географического расширения рынка и увеличения балансируемых регионов, а также от принятия соответствующих рыночных правил трансграничного обмена электро­энергией.

Внедрение значительных количеств энергии ветра в энергосистему имеет ряд экономических последствий, как позитивных, так и негативных. Два основных фактора определяют стоимость интеграции ветроэнергии: необходимость балансировки и сетевая инфраструктура. Дополнительные балансировочные затраты в энергосистеме возникают вследствие естественного переменного характера ветра, что требует соответствующего изменения производительности других генераторов для работы в условиях колебаний соотношения между выработкой и потреблением мощности. Результаты национальных исследований показывают, что эти дополнительные расходы составляют лишь небольшую долю затрат на производство ветроэнергии и общую балансировку энергосистемы.

На рис. 10 показаны результаты нескольких исследований объема затрат в зависимости от уровня проникновения ветроэнергии. Расходы на балансировку увеличиваются линейно, однако абсолютные значения оказываются умеренными и не превышают 4 евро/МВт·ч при 20%-ном уровне проникновения (чаще всего они ниже 2 евро/МВт·ч). Издержки на модернизацию сети связаны с подключением ВЭУ и необходимостью передачи повышенной мощности в магистральных и распределительных сетях. Сети должны быть модернизированы с целью улучшения контроля напряжения и обеспечения дополнительных возможностей трансграничного обмена электроэнергией, что необходимо для оптимального использования ветровых ресурсов. Любые улучшения инфраструктуры, предназначенные для решения этих задач, идут на пользу энергосистеме, поэтому расходы на них не должны рассматриваться только как издержки на ветроэнергетику.

Оценка расходов на балансировку и эксплуатационных расходов на ветроэнергетику

Рис. 10. Оценка расходов на балансировку и эксплуатационных расходов на ветроэнергетику

Расходы на модификацию энергосистемы со значительным участием ВЭУ квазилинейно увеличиваются с ростом степени проникновения ветроэнергии. Определение «экономического оптимума» в данном контексте является непростым делом, так как все затраты сопровождаются ощутимыми выгодами. Преимущества заключаются в значительном снижении потребления ископаемых видов топлива и сокращении затрат за счет уменьшения энергетической зависимости, что проявляется в снижении цен на энергетических рынках с большой долей участия ветроэнергетики. Анализ, проведенный с экстраполяцией результатов на высокий уровень проникновения, показал, что интеграция в единую энергосистему ЕС более 20% ветроэнергетики дает ощутимую экономическую выгоду.

Опыт и исследования положительно свидетельствуют о целесообразности развития ветроэнергетики, а также о принятии решений по интеграции ее потенциала в энергосистему Европы к 2020, 2030 г. и далее. В настоящее время самые срочные вопросы в основном относятся к поиску экономически целесо­образных методов проектирования энергетических систем, модернизации электрических сетей, разработке правил подключения, организации рынка электроэнергетики. Одной из основных задач является создание соответствующих рыночных правил и стимулов, делающих выгодными производство и передачу ветроэнергии, а также повышающих гибкость и общую мощность объединенной энергосистемы. Необходимо проведение исследований на европейском уровне, обеспечивающих техническую и научную базу для модернизации сетей и соответствующей организации рынка.

Продолжение.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.