CC BY
32ВЕТРОЭНЕРГЕТИКА
WIND ENERGY
Статья поступила в редакцию 25.04.12. Ред. рег. № 1307 The article has entered in publishing office 25.04.12. Ed. reg. No. 1307
УДК 621.311.24
АНАЛИЗ МИРОВОГО ОПЫТА РАБОТЫ ВЕТРОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СТАНЦИЙ В ЕДИНОМ РЕЖИМЕ С ЭНЕРГОСИСТЕМОЙ
А.А. Кармазин, С.А. Кудря
Институт возобновляемой энергетики НАН Украины 02094 Украина, Киев, ул. Красногвардейская, 20А Тел./факс: +38 044 501-11-44, e-mail: renewable@ukr.net, alexey.karmazin@gmail.com
Заключение совета рецензентов: 10.05.12 Заключение совета экспертов: 15.05.12 Принято к публикации: 20.05.12
В статье проанализирован опыт работы ветровых электростанций (ВЭС) в составе объединенных энергосистем разных стран с развитой ветроэнергетикой. Рассмотрены основные проблемы, возникающие при работе ВЭС в энергосистеме, такие как колебания мощности, влияние на эти колебания географической дисперсии расположения ВЭС, увеличение резерва мощности, работа ВЭС при нарушении стабильности в энергосистеме. Также рассмотрены основные требования к ВЭС, регламентирующие их функционирование в определенных ситуациях.
Ключевые слова: ветроэлектрическая станция, ветроэлектрическая установка, энергосистема, электроэнергия, системный диспетчер, резерв мощности, колебания мощности, активная мощность, географическая дисперсия, сетевые законы.
ANALYSIS OF GLOBAL EXPERIENCE OF WIND POWER PLANTS SIMULTANEOUS OPERATION WITH THE POWER SYSTEM
A.A. Karmazin, S.A. Kudrya
Institute of Renewable Energy, National Ukrainian Academy of Science 20А Krasnogvardejskaya str., Kyiv-94, 02094, Ukraine Tel./fax: +38 044 501-11-44, e-mail: renewable@ukr.net, alexey.karmazin@gmail.com
Referred: 10.05.12 Expertise: 15.05.12 Accepted: 20.05.12
Analyzed the experience of operation of wind power plants (WPP), composed of interconnected power systems of different countries with the development of wind energy sector. The main problems encountered when WPP is working in the power system, such as power fluctuations, influence on the geographical dispersion of location WPP of these fluctuations, the increase in reserve capacity, work WPP in violation of stability in the grid. Also describes the main requirements for the wind farm, which regulate their operation in certain situations.
Keywords: wind power plant, wind power installation, power system, electric power, the system controller, power reserve, power fluctuations, active power, geographic dispersion, Grid Codes.
Введение
По прогнозам Межправительственной группы экспертов по изменению климата в течение текущего столетия средняя мировая температура вырастет на 5,8 °С [1], это может вызвать различного рода климатические изменения, такие как таяние вечной мерзлоты, затопление больших территорий, засуха, увеличение количества и силы штормов, а также другие стихийные явления.
Эти климатические изменения вызваны антропогенными воздействиями на окружающую среду и связаны, в первую очередь, с чрезмерным накоплением парниковых газов в атмосфере. Основная часть углекислого газа образуется в результате сжигания углеводородного топлива.
При этом даже применение современных способов получения энергии из углеродного топлива и повышение качества ее потребления без дополнительных мер не дают существенного сокращения выбросов парниковых газов в атмосферу.
Главным механизмом борьбы с климатическими изменениями на сегодняшний день является Киот-ский протокол, в котором для стран Организации экономического сотрудничества и развития была поставлена цель - сократить к 2012 г. количество выбросов углекислого газа в среднем на 5,2% от уровня 1990 г. [1].
Необходимость принятия срочных мер по предотвращению дальнейшего изменения климата послужила сильным стимулом для развития возобновляемых источников энергии.
Одним из наиболее стремительно развивающихся представителей этой отрасли энергетики является ветроэнергетика. Минимальные затраты земельных ресурсов под объекты ветроэлектрических станций (ВЭС) и незначительная продолжительность строительства (на фоне традиционных электростанций) открыли широкие возможности перед этой отраслью энергетики.
Однако интеграция ВЭС большой мощности в энергосистему порождает ряд, на первый взгляд, трудно решаемых проблем. В основном эти проблемы связаны с конструктивными особенностями ветроэлектрических установок (ВЭУ) и непостоянством энергоносителя, используемого ВЭС - ветра. В результате на начальных этапах развития ветроэнергетики системные диспетчеры неохотно идут на интеграцию ВЭС в энергосистему.
Появление современных ВЭУ с высотой башни около 100 м и применение сложных систем управления работой ВЭУ позволило достичь более стабильной генерации электроэнергии ВЭС и, как следствие, избавиться от ряда проблем, возникающих при работе мощных ВЭС в энергосистеме. Это позволило интегрировать в энергосистемы многих стран мощности ВЭС, соизмеримые с установленной мощностью электростанций на органическом топливе.
В данной статье проанализирован и обобщен опыт стран, которые прошли этапы наращивания мощности ВЭС от незначительных до таких, которые могут существенно повлиять на работу энергосистемы.
Интеграция ВЭС в мировую электроэнергетику
По состоянию на начало 2011 г. установленная в мире мощность ВЭС составила свыше 196,63 тыс. МВт, из которых 37,642 МВт были установлены в 2010 г. [2]. Годовая выработка электроэнергии ВЭС составила около 430 ТВтч, что соответствует 2,5% мирового потребления электроэнергии. Значительная часть производимой энергии приходится на пять стран, установленная мощность ВЭС в которых составила 145,87 тыс. МВт (табл. 1).
Согласно опыту этих стран, определенную долю выработанной ВЭС электроэнергии в общем балансе электроэнергии страны энергосистема может поглощать практически без каких-либо сложностей, при превышении же этой величины возникают трудности как сетевого, так и режимного характера. В некото-
рых публикациях эта величина оценивается в 10% от общего потребления электроэнергии в стране [3]. В табл. 2 представлен перечень стран, которые достигли этого значения либо приблизились к нему [2].
Таблица 1
Страны с наибольшей установленной мощностью ВЭС
Table 1
Countries with the highest installed capacity of wind farms
Страна Установленная мощность, МВт Доля в мировой мощности ВЭС, %
Китай 44733 23
США 40180 20
Германия 27215 14
Испания 20676 10
Индия 13066 7
Всего 145870 74
Таблица 2
Страны с наибольшей долей электроэнергии ВЭС в общем балансе страны
Table 2
Countries with the largest share of electricity from WPP in the total balance of the country
Страна Доля электроэнергии ВЭС в общем потреблении электроэнергии страны, %
Дания 21
Португалия 18
Испания 16
Германия 9
Интеграция ВЭС в энергосистемы этих стран началась еще с ВЭС, построенных на базе ВЭУ мощностью 0,5-1,5 МВт. Системными диспетчерами этих стран накоплен многолетний опыт ведения режимов работы энергосистемы с участием ВЭС. Использование подобного опыта является чрезвычайно полезным, так как это позволяет избежать многих проблем, возникающих в энергосистеме, при интеграции значительных мощностей ВЭС.
Вопросы работы ВЭС в энергосистеме
В первую очередь системных операторов волновали такие вопросы как колебания мощности генерируемой ВЭС, увеличение резервных мощностей в энергосистеме для компенсации этих колебаний, а также работа ВЭС при нарушении стабильности энергосистемы [3, 4]. Все эти вопросы, а также пути их решения рассмотрены ниже.
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 07 (111) 2012
© Scientific Technical Centre «TATA», 2012
Колебания мощности генерируемой ВЭС
Во время работы ВЭС ее мощность постоянно меняется. Это явление может негативно влиять на качество электроэнергии в районе присоединения ВЭС и требует дополнительных резервных мощностей в энергосистеме для компенсации этих колебаний. Опыт эксплуатации ВЭС показывает, что колебания мощности в энергосистеме, вызванные работой ВЭС, уменьшаются при увеличении количества ВЭУ в составе ВЭС и увеличении расстояния между отдельными ВЭС (последний фактор в литературе называется «географическая дисперсия») [3, 5, 6]. В табл. 3 приведены результаты исследования влияния количества ВЭУ на среднее значение и стандартное отклонение мощности для различных интервалов времени для ВЭС, расположенной на Среднем Западе США [4].
Таблица 3
Параметры распределения мощности ВЭС
Table 3
Parameters of wind farm power distribution
Интервал Распределение мощности ВЭС, среднее значение/стандартное отклонение, %
Количество ВЭУ
14 61 138 250
1 с 0,4/0,5 0,2/0,3 0,1/0,2 0,1/0,1
1 мин 1,2/2,1 0,8/1,3 0,5/0,8 0,3/0,6
10 мин 3,1/5,2 2,1/3,5 2,2/3,7 1,5/2,7
1 ч 7,0/10,7 4,7/7,5 6,4/9,7 5,3/7,9
Рис. 1. Влияние количества ВЭУ на стандартное отклонение мощности, генерируемой ВЭС Fig. 1. Influence of wind turbines number on the standard deviation of WPP power
При увеличении количества ВЭУ колебания мощности для каждого из временных интервалов снижаются (рис. 1). Влияние увеличения количества ВЭУ уменьшается при увеличении продолжительности временного интервала. Резкое снижение колебаний мощности для 10-минутного и часового интервалов времени при увеличении количества ВЭУ до 61 единицы объясняется усилением затенения ВЭУ исследуемой группы соседними ВЭУ ВЭС, о чем свидетельствует снижение среднего значения генерируемой мощности (табл. 3).
Согласно данным [6], большую часть времени ВЭС работает с мощностью около 25-30% от установленной мощности, 11-12% рабочего времени работает с нулевой генерацией и лишь в 10% рабочего времени ВЭС достигает своей установленной мощности. Географическая дисперсия позволяет уменьшить продолжительность нулевой генерации и исключить случаи генерации мощности, близкой к установленной мощности ВЭС в энергосистеме [4].
На рис. 2 приведены графики генерации одной ВЭУ мощностью 225 кВт, ВЭС мощностью 72,7 МВт и группы ВЭС мощностью 15 ГВт, расположенных в Германии, за период с 21 по 31 декабря 2004 года.
Мощность, о. е.
ИрП
Исследование было проведено в пределах одной ВЭС в диапазоне скоростей ветра от стартовой до скорости выхода на номинальную мощность, т. е. при скорости ветра ниже 13 м/с. Это объясняется тем, что именно в этом диапазоне скоростей ветра мощность ВЭУ является более чувствительной к изменениям скорости ветра.
Результаты исследования влияния количества ВЭУ на колебания мощности ВЭС для разных интервалов времени проиллюстрированы на рис. 1.
0 1
0,6
0,2 0 1
0,6
0,2 О
1 ВЭУ (225 к Вт)
А ft lf\ Г : ВЭС (72,7 МВт)
. Л J 1 / h L
/ п /*\>
J * г v. ± 7 Ai /
Ml и,,/
Группа ВЭС (15 ГВт)
д 1 Y \ L
/ v\ Л"
J /V-V /
w" "ч/
21 22
25
28 31
Число января
Рис. 2. Влияние увеличения количества ВЭУ и географической дисперсии на генерацию ВЭС Fig. 2. Effect of increasing of wind turbines number and geographic dispersion on the WPP electricity generation
Из рис. 2 следует, что с увеличением количества ВЭУ в составе ВЭС уменьшается продолжительность генерации мощности, равной установленной, но при этом увеличивается продолжительность режимов генерации, близкой к нулю. Это объясняется усилением взаимного затенения ВЭУ.
При рассмотрении графика работы группы ВЭС можно отметить, что график становится более равномерным, уменьшаются всплески мощности, исчезают режимы с нулевой генерацией и мощностью, близкой к установленной мощности.
Таблица 4
Влияние географической дисперсии на колебания мощности ВЭС
Table 4
Geographical dispersion influence on the WPP power fluctuations
Регион Площадь, км2 Кол-во площадок Колебания мощности, %
10-15 мин 1 ч 4 ч 12 ч
Дания: 300x300 >100 - -23 +20 -62 +53 -74 +79
Запад 200x200 - - -26 +20 -70 +57 -74 +84
Восток 200x200 - - -25 +36 -65 +72 -74 +72
Ирландия 280x480 11 -12 +12 -30 +30 -50 +50 -70 +70
Португалия 300x800 29 -12 +12 -16 +13 -34 +23 -52 +43
Германия 400x400 >100 -6 +6 -17 +12 -40 +27 - -
США Средний запад 200x200 3 -34 +30 -39 +35 -58 +60 -78 +81
Техас 490x490 3 -39 +39 -38 +36 -59 +55 -74 +76
Средний запад + Оклахома 1200x1200 4 -26 +27 -31 +28 -48 +52 -73 +75
В табл. 4 приведены результаты исследований влияния географической дисперсии на колебания мощности ВЭС в различных временных интервалах для разных стран [4].
Влияние географической дисперсии на колебания мощности можно проследить на примере ВЭС Дании и США (Техас). ВЭС в Дании рассеяны небольшими группами практически по всей территории (более 100 площадок). В США рассматриваемые ВЭС расположены лишь на трех площадках. Согласно табл. 4 величина колебаний мощности в течение одного часа для ВЭС Дании на ~15% меньше, чем для ВЭС США.
Увеличение резерва
В энергобалансе каждой страны определенная доля генерирующих мощностей закладывается в резерв. В первую очередь эта резервная мощность нужна для покрытия непредвиденных колебаний нагрузки потребителей. В случае появления в энергосистеме мощных ВЭС к колебаниям нагрузки энергосистемы добавляются еще непредвиденные колебания мощности, генерируемой ВЭС, которые также нужно компенсировать электростанциями другого типа.
При определении объема резервной мощности в энергосистеме недопустимо рассматривать отдельно каждую ВЭС [3, 5], так как это может привести к неоправданному увеличению резервной мощности и, как следствие, к неоправданным экономическим затратам. Все ВЭС энергосистемы необходимо рассматривать как одну эквивалентную ВЭС. Исключение составляют случаи, когда отдельные области энергосистемы работают полностью или частично изолированно.
Колебания мощности ВЭС в минутном сечении не влияют на объем резерва энергосистемы. Увеличение резервной мощности требуют колебания в 10-минутном сечении (вторичный резерв) [4, 6].
На вопрос о количественном увеличении резерва в зависимости от доли электроэнергии ВЭС в балансе страны однозначного ответа не существует, потому что эта величина зависит от особенностей энергосистемы. Однако в [3, 6] отмечается, что при покрытии 10% потребления электроэнергии за счет ВЭС потребность в дополнительной резервной мощности составит 2-8% от установленной мощности ВЭС.
Применение краткосрочных прогнозов ожидаемой генерации ВЭС позволяет значительно сократить объемы резервной мощности для компенсации непредвиденных колебаний генерации ВЭС. Прогнозы составляют для каждой ВЭС на 48 часов вперед и уточняют каждые 6 часов [4, 5, 6]. Для этого используют многолетние фактические наблюдения за скоростью ветра по каждой ВЭС, а также прогнозы метеослужб. Это позволяет диспетчерским службам заблаговременно планировать состав генерирующего оборудования с учетом возможной генерации ВЭС.
Работа ВЭС при нарушении стабильности
в энергосистеме Этому вопросу посвящено много исследований, и все эти исследования в целом отмечают позитивный вклад ВЭС в стабилизацию работы энергосистемы.
Современные ВЭС в генерации электроэнергии имеют много общего с электростанциями традиционного типа, чего нельзя сказать о первых промышленных ВЭС [5]. С появлением первых ВЭС диспетчеры при нарушении стабильности в энергосистеме требовали от ВЭС немедленно отключиться от электросети и подключиться только после восстановления стабильной работы энергосистемы. Это было вызвано отсутствием опыта ведения режимов работы энергосистемы с ВЭС, а также ограниченными функциональными возможностями ВЭУ.
При достижении определенного уровня проникновения ВЭС в энергосистему диспетчеры отметили,
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 07 (111) 2012
© Scientific Technical Centre «TATA», 2012
что ВЭС может способствовать восстановлению стабильной работы энергосистемы, как и традиционные электростанции.
Как правило, достаточный ветропотенциал для строительства ВЭС есть на территориях, удаленных от центров значительного электропотребления. Поэтому ВЭС в большинстве случаев присоединяют к периферийным сетям. Такое присоединение может способствовать повышению надежности электроснабжения потребителей и в некоторых режимах разгружать электрические сети в районе присоединения ВЭС с соответствующим уменьшением потерь активной мощности.
В отличие от электростанций традиционного типа (АЭС, ТЭС, ГЭС) ВЭС состоит из значительного количества (до нескольких сотен) ВЭУ, поэтому для ВЭС практически исключена возможность мгновенной потери значительной мощности, как, например, для ТЭС, где мощность одного блока может составлять более 100 МВт [6]. Даже в случае уменьшения скорости ветра ниже стартовой остановка ВЭС происходит плавно, поскольку этот процесс довольно продолжительный во времени. Некоторые современные модели ВЭУ продолжают работать даже при ураганных ветрах со скоростью выше 25 м/с. В такой ситуации ВЭУ не останавливается, а работает с постепенным снижением генерируемой мощности. Полная остановка турбины происходит при скорости ветра выше 35 м/с.
Во многих странах разработаны специальные сетевые законы для ВЭС (Grid Codes) [4, 6, 7], регламентирующие их поведение в определенных ситуациях. Эти законы способствуют снижению негативного влияния ВЭС и повышению надежности работы энергосистемы. Сетевые законы для ВЭС разных энергосистем подобны и в основном касаются ведения режима генерации ВЭС в определенных режимах работы энергосистемы. Некоторые из них проиллюстрированы на рис. 3 и прокомментированы ниже.
Ограничения абсолютного значения мощности ВЭС (рис. 3, а). Диспетчерскими службами устанавливается абсолютное значение мощности ВЭС в энергосистеме, которое ВЭС не должна превышать. В случае если мощность ВЭС превышает это значение, то эта мощность искусственно ограничивается.
Регулирование баланса мощности (рис. 3, b). ВЭС снижает свою мощность на определенную величину по требованию диспетчерских служб для поддержания баланса мощности в энергосистеме.
Ограничение скорости увеличения мощности ВЭС (рис. 3, с). Увеличение мощности ВЭС в минуту не должно превышать заданного значения. Подобное ограничение распространяется и на скорость уменьшения мощности. Согласно этому ограничению, ВЭС заранее начинает уменьшать генерируемую мощность для пролонгации этого процесса во времени. Такое ограничение вызвано техническими возможностями станций, которыми осуществляется поддержание баланса мощности в энергосистеме.
АР контроль (рис. 3, а). По требованию диспетчерских служб ВЭС снижает свою рабочую мощность на заданную величину АР в течение заданного интервала времени. Таким образом, на ВЭС в этом интервале времени создается резерв мощности величиной АР, который может быть использован как горячий резерв.
Возможная Фактическая
Время --
а) ограничение абсолютной мощности
Рис. 3. Диспетчерские ограничения мощности ВЭС Fig. 3. Dispatch limits of WPP power
ik мощность
На рис. 4 приведен пример диспетчерских ограничений - контроль баланса мощности и АР контроль в утренние часы на ВЭС Horns Rev [4].
Рис. 4. Примеры диспетчерских ограничений мощности ВЭС Fig. 4. Examples of the dispatch limits of WPP power
Благодаря развитию ветроэнергетических технологий современные ВЭУ могут обеспечивать сеть реактивной мощностью, осуществлять контроль напряжения в месте присоединения, способствовать восстановлению напряжения в послеаварийных режимах и тем самым улучшать условия работы электрической сети.
Мощность ВЭС, МВт 25
18
11
Частота сети, Гц 52
1 lo зышение чаете ЗТЫ на
\
»i
Снижение мощности
50
о о о о О
со о СО о й
О) Ö о
(N со со со П
о о сз о Ö
CN CN CN CN IN
48
о о Ы со
Время суток, час:мин:сек
Рис. 5. Пример реагирования систем управления ВЭУ на повышение частоты в сети Fig. 5. Example of wind turbine control systems response on increasing of the network frequency
На начальном этапе интеграции ВЭС при нарушении стабильности в энергосистеме потребность отсоединять ВЭС от сети в первую очередь была обусловлена необходимостью защитить ВЭУ от механических повреждений. Также считалось, что отключение таких незначительных мощностей не
влияет на дальнейшее нарушение стабильности сети. С появлением ВЭС большой мощности эти взгляды изменились, потому что отсоединение ВЭС может привести к дефициту мощности района присоединения и тем самым способствовать дальнейшему нарушению стабильности энергосистемы. Системы управления мощностью современных ВЭУ позволяют ВЭС оставаться в работе и быстро реагировать на подобные ситуации в электрической сети. На рис. 5 приведен пример реагирования систем управления ВЭУ на повышение частоты в сети [6].
Снижение мощности ВЭС может происходить довольно быстро, как правило, с помощью поворотных лопастей, которые в данном случае выполняют функцию аэродинамического тормоза. В отличие от электростанций традиционного типа такой довольно быстрый сброс мощности никак не отражается на системах ВЭУ. После стабилизации частоты в сети ВЭС может вернуться к нормальному режиму работы.
В сетевых законах для ВЭС оговаривается временной интервал, в течение которого ВЭС должна оставаться в работе при отклонении частоты. Требования к диапазону рабочих частот электрической сети в разных энергосистемах проиллюстрированы на рис. 6.
Fig.
Рис. 6. Диапазоны частот, в которых ВЭС должна оставаться в работе 6. Frequency ranges where wind farms should operate
Заштрихованные зоны показывают диапазоны частот, в которых ВЭУ должны непрерывно работать с полной мощностью. Затемненные зоны -диапазон частот, в которых нужно ограничить время работы ВЭУ, ее мощность либо и то и другое, чтобы способствовать восстановлению частоты и стабилизации работы энергосистемы. Как правило, при этом также оговаривается и диапазон рабочих напряжений для ВЭС.
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 07 (111) 2012
© Scientific Technical Centre «TATA», 2012
Выводы
1. Учитывая технические возможности современных ВЭУ, утверждение, что значительные мощности ВЭС негативно влияют на работу энергосистемы, ошибочно.
2. Для уменьшения влияния колебаний мощности ВЭС на работу энергосистемы необходимо вводить определенные меры, основными из которых являются:
- выбор площадок для ВЭС осуществлять не только из локальных предпосылок - ветропотенциал, земельные вопросы, влияние на окружающую среду, близость точки подключения к сети, но и с учетом системных требований - объема и графика потребления электроэнергии в регионе расположения ВЭС, концентрации построенных и перспективных ВЭС в регионе (географической дисперсии) и т.д.;
- создание служб краткосрочного прогнозирования генерируемой мощности ВЭС;
- разработка и внедрение системы правил работы ВЭС в энергосистеме, регламентирующих ее поведение в различных режимах работы энергосистемы.
Список литературы
1. Перспективы мировой ветроэнергетики. Режим доступа: http://lib.rosenergoservis.ru/perspektiva-mirovoi- vetroenergetiki?start=18.
2. Ветроэнергетика мира. Отчет за 2010. Режим доступа:
http://www.wwindea.org/home/images/stories/pdfs/worl dwindenergyreport2010_ru.pdf.
3. Перспективы мировой ветроэнергетики. Режим доступа: www.greenpeace.org.
4. IEA Wind Task 25. Final report, Phase one 200608. Режим доступа: www.ieawind.org.
5. 20% Wind Energy by 2030. Increasing Wind Energy's Contribution to U.S. Electricity Supply. Режим доступа: http://www.nrel.gov/docs/iy08osti/41869.pdf.
6. Large scale integration of wind energy in the European power supply: analysis, issues and recommendations. Режим доступа: www.ewea.org.
7. System Requirements for Wind Power Plants. Режим доступа: http://sintef.net/upload/Energiforskning/ pdf/Vind/TR%20A6586.pdf.
8. Wind engineering. Режим доступа: http://www.ieawind.org/AnnexXXV/Publications/11070 8/reservereq%20WindEngineering%2003%20Holttinen %20et%20al.pdf.
