Энергия ветра является достаточно непредсказуемой, непостоянной и не может регулироваться, и это придает больше нестабильности и неопределенности в энергосистему. В статье рассмотрены особенности энергии ветра и ее влияние на энергосистему. Проанализирована роль гидроаккумулирующих электростанций в решении проблем нестабильности генерации электроэнергии ветроэнергетическими станциями, а также использование их в рамках концепции Smart Grid.
В отличие от традиционных электростанций, таких как ТЭС или ГЭС, преобразователи возобновляемых источников энергии (ветроэнергетические и фотоэлектрические) имеют неустойчивый режим выработки электроэнергии. И если в солнечной энергетике изменение силы солнечной радиации (соответственно генерация электроэнергии), исключая влияние облачности, придерживается определенных ритмов (в зависимости от сезона, происходит только в дневное время и изменяется в течение дня с максимумом в полуденное время), то в ветроэнергетике изменение скорости ветра происходит без определенной закономерности (см. рисунки 1-2).
Рисунок 1 - Ветровая активность, чередующаяся с периодами затишья
Небольшая ветровая активность, чередующаяся с периодами затиший (визуализация данных с 16:00 24.10.10 до 16:00 30.10.10, с помощью программы MATLAB, измерения проводились на метеостанции ИнЕУ). По оси абцисс проходит шкала времени в минутах, по оси ординат скорость ветра в м/с.
Рисунок 2 - График ветровой активности, прохождение штормового фронта
Визуализация данных с 00:00 17.03.10 до 00:00 19.03.10, с помощью программы MATLAB, измерения проводились на метеостанции ИнЕУ). По оси абцисс проходит шкала времени в минутах, по оси ординат скорость ветра в м/с.
Колебания скорости ветра в соответствии с их продолжительностью делятся на сезонные, недельные, суточные, часовые, минутные и секундные. Порывы ветра вызывают изменения в диапазоне секунд или минут. Изменяющиеся метеорологические условия могут влиять на выработку энергии ветра, в течение часов, дней, месяцев. Скорость ветра, следовательно, и выработка электроэнергии подвержены значительным случайным колебаниям, которые в большинстве случаев, не связаны с изменениями текущих нагрузок. Хотя в некоторых случаях, например в зимнее время при повышении скорости ветра требуется повышение температуры в системах теплоснабжения (электроотопления) [1]. Т.к. при увеличении силы ветра, вдоль поверхности стен и крыши создается разряжение, из-за чего нагретый воздух из помещений, через всевозможные щели выходит наружу, а с фронтальной стороны наоборот создается повышенное давление и холодный воздух заходит в помещение. К тому же при ветре намного быстрее отводится тепло от нагретых стен.
К природному непостоянству скорости ветра, добавляется одна из технологических особенностей работы большинства современных ветроэнергетических установок (ВЭУ), как малых (кВт), так и больших (МВт). Это ограниченный (определенный) диапазон скорости ветра, при котором происходит генерация электроэнергии, который составляет в среднем 3-25 м/с. При скорости 3 м/с ветровая турбина начинает вращение, при 12-14 м/с выходит на номинальную мощность, а при превышении 25 м/с турбина, с помощью тормозных механизмов, останавливается (рисунок 3). Остановка ветротурбин может произойти в периоды затиший при скорости ветра меньше 3 м/с, на рисунке 1 показано чередование активности ветра с периодами затиший (штиля) продолжающимися до 900 минут (15 часов). Остановка ветротурбин также может произойти во время бурь или ураганов при скорости ветра больше 25 м/с, длительность которых, доходит до нескольких часов. На рисунке 2 показано движение штормового фронта, которое длится около 1200 минут (20 часов). Повторный запуск ветротурбины, возможен только при понижении скорости ветра на 3-4 м/с ниже скорости остановки турбины (гистерезисная петля, рисунок 3).
При распределении относительно небольших ВЭС по значительной географической территории, движение штормового фронта не затрагивает их в одно и то же время и не может оказать существенное влияние на баланс мощности в энергосистеме. Тогда как в энергосистеме с ВЭС со значительной установленной мощностью, штормовые ветра или установление зоны штиля над ВЭС (0-3 м/с), могут вызвать потерю существенной генерирующей мощности, в относительно небольшой промежуток времени [1].
Рисунок 3 - Типичный график мощности ветровой турбины с номинальной мощностью 1500 кВт (kW), запрограммированная на отключение, при скорости ветра 25 м/с (ms -1), (пунктирная линия показывает повторный запуск турбины – гистерезисная петля) [1]
Применяемое законодательство относительно ВИЭ, так же оказывает косвенное влияние на небаланс мощности в энергосистеме, с использованием ВЭС. Согласно статье 9, закона РК «О поддержке использования возобновляемых источников энергии», региональные электросетевые компании (РЭК) и системный оператор, к электрическим сетям которых непосредственно подключены объекты по использованию возобновляемых источников энергии (в данном случае ВЭС), обязаны покупать, в полном объеме электрическую энергию, производимую соответствующими квалифицированными энергопроизводящими организациями [2]. Т.е. при повышении скорости ветра, соответственно увеличении производимой мощности ВЭС, системный оператор не имеет возможность оказывать влияние на энергопроизводящие организации, использующие ВЭС, для снижения (регулирования) электрической мощности (как и не имеет механизмов снижения плановой генерации электроэнергии традиционными электростанциями, в дни высокой выработки ВЭС) [3].
Энергосистема испытывает непрерывное изменение нагрузки, и проблема состоит в том, чтобы всегда поддерживать баланс между выработкой и потреблением электрической энергии. К тому же из выше сказанного следует, что энергия ветра является достаточно непредсказуемой, непостоянной, и не может регулироваться. Энергия ветра дополнительно придает больше нестабильности и неопределенности в энергосистему, что имеет потенциальное воздействие на ее надежность и эффективность.
В настоящее время при интеграции ветровой энергии в большие энергосистемы – инерционный отклик, контроль частоты (в секундном масштабе времени) и быстрая автоматическая балансировка (в масштабе времени от секунд до минут) не являются критическими проблемами. Эти проблемы могут стать существенными для больших энергосистем с высокой долей ветровой энергии, также могут быть актуальными для небольших систем, или изолированных средних систем [3].
Первоочередную важность, в целях бесперебойного снабжения потребителей электроэнергией с соответствующим качеством, представляет потребность в маневренности резервов в более длинном временном интервале – от нескольких часов до одного дня, которые могут быть задействованы в течение секунд, или минут [3] (вторичный резерв). В качестве вторичного резерва используются маневренные электростанции, которые могут отслеживать колебания нагрузки, в первую очередь гидроэлектростанции и гидроаккумулирующие электростанции (ГАЭС), газотурбинные энергетические установки (запускаются по мере необходимости) или незагруженные тепловые электростанции.
В качестве краткосрочного резерва для ВЭС и других электрогенерирующих устройств использующих ВИЭ, в большей степени удовлетворяют вышеупомянутым требованиям – ГАЭС. Т.к. за довольно продолжительное время зарекомендовали себя как относительно простые и надежные электростанции, обладающие максимальными маневренными возможностями – быстрым набором и сбросом нагрузки, большим диапазоном регулирования, равным сумме насосной и турбинной мощности. В зависимости от топографических и геологических условий, могут быть одними из самых эффективных решений, для стабилизации непостоянных возобновляемых источников энергии. Кроме того, недавние исследования показали, что недостаточное количество подходящих площадок для возможного строительства ГАЭС, не совсем соответствует действительности, как первоначально ожидалось [4].
Энергосистемы будущего, ведущие страны мира намерены развивать в рамках концепции Smart Grid («умная сеть», «умная энергетическая система», англ.). Где одно из функциональных свойств, предполагает развитие систем аккумулирования электроэнергии (в том числе ГАЭС) и многообразия типов электростанций (распределенная генерация), использующих ВИЭ. Их оптимальную интеграцию путем подключения к энергосистеме по стандартизованным процедурам технического присоединения и переходу к созданию «микросетей» (мicrogrid) на стороне конечных пользователей, которые будут являться частью национальной энергосистемы [5].
Объединение возобновляемых распределенных источников энергии и систем аккумулирования электроэнергии, в управляемые «микросети» позволит преодолеть проблемы непостоянства выработки и низкую интенсивность электроэнергии от ВИЭ. Использование большого количества маневренных источников распределенной и возобновляемой генерации даст возможность снизить вращающийся резерв энергосистем и тем самым повысить экономичность электроэнергетики [5].
Использование ГАЭС с асинхронизированными синхронными машинами (асинхронизированными генератор-двигателями – АСГД), может играть важную роль в интеграции еще большего количества электростанций использующих энергию ветра и других возобновляемых источников. В отличие от обычных синхронных машин, у современных АСГД предусматривается регулирование частоты вращения в пределах ±10%, в следствие чего увеличивается выработка электроэнергии на 8-15% (15-20% [4]), а к.п.д. на 6-10%. Кроме этого, применение АСГД позволяет получить существенный технический эффект за счет увеличения диапазона регулирования активной мощности (частоты) и реактивной мощности как в турбинном, так и в насосном режиме, а также увеличения быстродействия регулирующих функций [6].
Исследования, проведенные еще в начале 80-х годов в ФРГ, показали, что аккумулирование энергии с помощью ГАЭС, исключительно для ВЭС экономически нецелесообразно в масштабах единой системы энергоснабжения. Аккумулирование энергии является гораздо более, экономически выгодным решением для всей энергосистемы [7].
Помимо стабилизации (сглаживания) графиков генерации децентрализованных источников электрической энергии (ВЭС) в энергосистеме, с помощью ГАЭС можно:
- обеспечить быстрый резерв мощности и электроэнергии при возникновении аварийных отключений генераторов электрических станций и элементов электрической сети без необходимости поддержания дорогостоящего резерва мощности на электрических станциях или наличия сетевого резерва [5];
- оптимизировать работу ТЭС, АЭС и энергосистемы в целом;
- обеспечить нормативное качество электроэнергии в нормальных режимах;
- снизить перетоки мощности по межсистемным связям;
- повысить надежность и живучесть энергообъединений;
- в ряде случаев, повысить радиационную безопасность АЭС в аварийных ситуациях;
- облегчить условия послеаварийного восстановления энергосистем в случае крупной системной аварии, сопровождающейся разделением системы и «посадкой» тепловых станций на «ноль» [6].
«В будущем вследствие целого ряда причин экономического, политического и технологического характера, могут существенно повыситься мировые цены на традиционные энергоносители» [8]. И поэтому развитие возобновляемых источников энергии, высокоманевренных электростанций и аккумулирующих систем в энергосистемах будет актуально. Потребности же в резервных маневренных источниках мощности могут увеличиваться, пропорционально увеличению установленной мощности электростанций использующих ВИЭ [4].
Литература
- Ackerman,T. Wind Power in Power Systems, Royal Institute of Technology.- Stockholm, Sweden,
- Закон РК «О поддержке использования возобновляемых источников энергии» // http:// www.windenergy.kz,
- Ханнеле Холттинен, Санна Уски-Йоутсенвуо, Юха Кивилуома. Оценка энергосистемы в свете развития ветроэнергетики в Казахстане. Финальный отчет научно-технического центра Финляндии VTT, http:// www.windenergy.kz,
- Wei Tong, Wind Power Generation and Wind Turbine Design. // WIT Press, 2010.
- Кобец Б.Б., Волкова И.О. Инновационное развитие электроэнергетики на базе концепции Smart Grid.— М.: ИАЦ Энергия, 2010. – 208 с.
- Синюгин В.Ю., Магрук В.И., Родионов В.Г. Гидроаккумулирующие электростанции в современной электроэнергетике. – М.: ЭНАС, 2008. – 352 с.
- Ярас Л., Ярас А., Хоффман Л., Обермайер Г. Энергия ветра // Пер. с англ./ Под ред. Шефтера Я.И. – М.: Мир, 1982. – 256 с.
- Назарбаев Н.А. Глобальная энергоэкологическая стратегия устойчивого развития в 21 веке. – Москва: Экономика, 2011. – 194 с.