CC BY
11Статья поступила в редакцию 07.04.14. Ред. рег. № 1971
The article has entered in publishing office 07.04.14. Ed. reg. No. 1971
УДК 621.31
К ВОПРОСУ ОБ ОПРЕДЕЛЕНИИ РЕЗЕРВОВ ПРИ ИНТЕГРАЦИИ ВЭС В ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ
А.С. Аникин, А.Г. Возмилов, А.Н. Киндряшов
Южно-Уральский государственный университет
454080 Челябинск, пр. Ленина, д. 76 Тел.: (951) 459-61-37, e-mail: anikinalex86@mail.ru
Заключение совета рецензентов: 11.04.14 Заключение совета экспертов: 15.04.14 Принято к публикации: 19.04.14
В статье описаны проблемы, возникающие при интеграции ВЭУ в ЭЭС, описан способ для определения резервов в ЭЭС. Ключевые слова: ветроэнергетика, возобновляемые источники энергии, электроэнергетическая система, энергетика, ВЭУ.
ABOUT THE DETERMINING RESERVES FOR INTEGRATION WIND POWER PLANTS IN ELECTRIC POWER SYSTEMS
A.S. Anikin, A.G. Vozmilov, A.N. Kindryashov
South Ural State University 76 Lenin ave., Chelyabinsk, 454080, Russia Tel.: (951) 459-61-37, e-mail: anikinalex86@mail.ru
Referred: 11.04.14 Expertise: 15.04.14 Accepted: 19.04.14
The article describes wind integration problems and methods of determining reserves on power systems. Keywords: wind power, renewable source of power, power system, wind plant.
Установленная мощность ветроэлектростанций (ВЭС) в России на данный момент составляет лишь 13,4 МВт, или ~0,01% от энергетического баланса, хотя технический потенциал, оцененный с учетом энергетических показателей современных ветроэнергетических установок (ВЭУ), почти в 13 раз превышает годовую выработку всех электростанций страны [1-3].
Вследствие такого роста мощности ветроустано-вок встает ряд проблем, которые не разрешены в России: законодательных, экономических, технических и др. К основным техническим проблемам можно отнести:
1) необходимость стабилизации выдаваемой мощности ВЭС;
2) необходимость перестройки и дополнения систем релейной защиты и автоматики (РЗА) в районе подключения ВЭС;
3) отсутствие систем телемеханики и расчетных блоков диспетчеризации ВЭС, в том числе интегрированных в современную систему диспетчерского управления;
4) неразвитость сбора метеорологической информации и выдачи прогнозов;
5) проблемы ошибок прогнозирования погодных явлений;
6) дефицит программного обеспечения для комплексной оценки и прогностического моделирования влияющих факторов, в том числе экономических, и принятие диспетчером решения;
7) необходимость резервирования мощности ВЭС.
Первая проблема связана с неустойчивостью и
неопределенностью ветровых потоков, вследствие чего неустойчив и поток выдаваемой ВЭС мощности. Для поддержания баланса в энергосистеме необходимо компенсировать разность между мощностью, выдаваемой ВЭС (рис. 1), и местной нагрузкой как с помощью сетевых средств - автоматических регуляторов возбуждения (АРВ) генераторов, статических тиристорных компенсаторов, регулируемых реакторов, так и с помощью управления генераторами ВЭС, резервными агрегатами в энергосистеме и, при необходимости, дополнительными компенсаторами, установленными на ВЭС.
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 05 (145) 2014
© Scientific Technical Centre «TATA», 2014
Нагрузка, МВт 5500
5400
5200
5000
4800
1 1 1 ^ Разница, покрываемая .- ■'/ резервами
** 1 Л»М '
< и* i г
1 # \ 1 1
\ / \ / \ / 1.......1
60
120
180 240
Время, мин
высокой и приземной атмосфере с шагом сетки расчета от 2 до 10 километров и учетом ландшафтных особенностей с соответствующими размерами [4]. Для такого моделирования необходимо соответствующее программное обеспечение, основанное, например, на нелинейных алгоритмах нейронных сетей, и мощные компьютеры [4, 10]. На рис. 2 приведены зависимости необходимых резервов от времени прогноза и операционного периода [4]. Согласно рисунку при снижении операционного периода и времени прогноза можно повысить точность прогнозирования и снизить резервы в три раза, что обеспечивает значительную экономию - согласно [11] в январе 2013 года стоимость МВт-ч энергии для ОАО «Челябэнергосбыт» на оптовом рынке колебалась от 683,81 до 1248,42 рубля.
Действительная нагрузка
Нагрузка по предварительному расписанию
Рис. 1. Разница между расписанием и действительной нагрузкой [4] Fig. 1. Difference between the scheduled generation and actual load [4]
Вторая проблема - основной аргумент сетевых компаний против подключения распределенной генерации, особенно если мощность ВЭС достаточно мала [3]. Оборудование, приписанное к месту подключения, принадлежит сетевым компаниям, и его придется обеспечивать новыми комплектами защиты и усложнять автоматику и телемеханику, но после установки все это оборудование будет находиться на объектах собственности сетевой компании, что создает юридические и экономические затруднения [4, 5].
Третья и шестая проблемы связаны со слабым развитием ветроэнергетики в России, вследствие чего отсутствует необходимость в диспетчеризации, сложных расчетах и моделировании сетевых процессов, связанных с работой ВЭС [6, 7]. Однако дальнейшее успешное развитие ветроэнергетики невозможно без решения этих проблем.
Прогнозирование погоды невозможно без ошибок, поскольку метеорологические явления носят случайный характер и имеют значительную дисперсию значений параметров [4, 8, 9]. В настоящий момент в России прогнозирование производится на базе измерений, как правило, не чаще одного раза в час, и прогноз составляется с указанием среднего значения параметра в течение суток либо в течение дня и ночи. При существующей системе прогнозирования для обеспечения надежного энергоснабжения потребителей необходимо резервирование, близкое к 100% установленной мощности ВЭУ. Для уменьшения резервов требуется более точное прогнозирование, основанное на нескольких измерениях в час, развитое моделирование физических процессов в
Рис. 2. Необходимые резервы в зависимости от длительности прогноза и операционного периода [4] Fig. 2. The relative effects of operating period length on reserve requirements [4]
Рассмотрим выработку мощности ВЭС как:
1) случайный сброс нагрузки;
2) выработку электроэнергии абстрактной ГЭС;
3) работу теплового блока с переменной нагрузкой, без перегрузки по случайному закону;
4) стохастическую переменную, изменяющуюся по шаблону для симуляции колебаний при работе в реальных условиях.
Последняя проблема - резервирование - очень тесно связана с остальными проблемами. Количество резервов, необходимое для замещения отказавших элементов ветростанции и прилегающих линий, напрямую зависит от надежности последних и топологии подключения ВЭУ и другого оборудования. Топология ВЭС должна обеспечивать минимальный ущерб при отказе агрегата и свободную выдачу
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 05 (145) 2014 © Научно-технический центр «TATA», 2014
Ветроэнергетика
мощности для остальных ВЭУ [12, 13]. Диспетчеризация, моделирование и точное прогнозирование позволяет значительно снизить дорогостоящее резервирование и в конечном счете затраты на производство единицы электроэнергии на ВЭС.
Резервы можно разделить на две большие группы - «быстрые» оперативные и «медленные» плановые. И те и другие необходимы для покрытия разности между выработкой активной мощности на ВЭС и ее потреблением нагрузкой. Причем резервы необходимы как по дополнительной мощности, так и по сбросу мощности в системе, поскольку в случае внезапного усиления ветра сеть должна потребить излишки энергии - более дешевой в производстве по сравнению с выработанной другими видами станций [4].
Плановые резервы бывают двух типов - экстремальные и ежедневные [2]. Экстремальные резервы необходимы для покрытия экстремумов нагрузки, обычно в случае сильных морозов, когда резко возрастает потребление энергии всеми видами потребителей. Ежедневные резервы необходимы для покрытия наиболее предсказуемых колебаний нагрузки в течение дня. Например, для бытового сектора нагрузки характерны утренние и вечерние пики, а для промышленного сектора - провалы во время пересмен.
Оперативные резервы необходимы для поддержания баланса в системе и подразделяются на регулирующие резервы и резервы внезапного отказа оборудования. Регулирующие резервы покрывают флуктуации нагрузки для постоянного поддержания баланса в системе. Резервы на случай отказа оборудования рассчитываются исходя из мощности, типа и надежности блоков в системе. Блоки оперативного резервирования покрывают как пики, так и провалы нагрузки, поэтому обладают большой скоростью маневра и работают большую часть времени вне точки максимальной эффективности, что приводит к пережогу топлива и делает такое резервирование весьма дорогим [4, 11]. На рис. 3 показаны запланированные и наблюдаемые графики нагрузки и ветро-генерации при прогнозировании на час вперед.
Рис. 3. Графики ветрогенерации и нагрузки по расписаниям, составленным по прогнозам на час вперед Fig. 3. Wind and load data represent hour-ahead schedules based on forecasts of the observed quantities
Полные резервы определяются по формуле [4]
щ) = ^ян (Г)2 + яв (О2,
где ЯН (/) - резервы для покрытия флуктуаций нагрузки; (/) - резервы для покрытия флуктуаций
ветрогенерации.
Различные исследования, проведенные, в частности, в США и Ирландии, подтверждают, что развитие ветроэнергетики может происходить без затруднений до доли мощностей ВЭУ на уровне 10-33% от общей мощности генерирующих агрегатов [4, 14]. При этом наблюдается значительное снижение выбросов связанных вредных веществ - на 20-25%. В России необходимо провести изменение как ветроэнергетики, электросетевого хозяйства и управления сетями, диспетчеризации, так и метеорологического прогнозирования, решить ряд законодательных, технических и экономических вопросов для динамичного развития ветроэнергетики в будущем.
Список литературы
1. Соломин Е.В. Возобновляемые источники энергии. Новые возможности человечества // Альтернативная энергетика и экология - ISJAEE. 2013. № 10. С. 38-40.
2. Милованова К. А. Интеграция ветровой генерации в работу энергосистемы: автореф. ... дис. канд. техн. наук. М.: Изд-во МЭИ, 2011.
3. Соломин Е.В. Необходима поддержка государства // Большой Урал. Екатеринбург: ОАО «ИПП Уральский рабочий». 2013. № 1 (4). С. 84-85.
4. Dragoon K. Valuing wind generation on integrated power systems. Oxford: Elsvier, 2010.
References
1. Solomin E.V. Vozobnovlaemye istocniki energii. Novye vozmoznosti celovecestva // Al'ternativnaa energetika i ekologia - ISJAEE. 2013. № 10. S. 38-40.
2. Milovanova K.A. Integracia vetrovoj generacii v rabotu energosistemy: avtoref. ... dis. kand. tehn. nauk. M.: Izd-vo MEI, 2011.
3. Solomin E.V. Neobhodima podderzka gosudar-stva // Bol'soj Ural. Ekaterinburg: OAO «IPP Ural'skij rabocij». 2013. № 1 (4). S. 84-85.
4. Dragoon K. Valuing wind generation on integrated power systems. Oxford: Elsvier, 2010.
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 05 (145) 2014
© Scientific Technical Centre «TATA», 2014
5. Нюшлосс Дж., Ряпин И.Ю. Тенденции развития распределенной генерации // Энергосбережение. 2012. № 7.
6. Соломин Е.В. Ветроэнергетическая экономика // Альтернативная энергетика и экология - Ш-ТЛЕЕ. 2010. № 2. С. 28-30.
7. Волович Г.И., Соломин Е.В., Топольский Д.В., Топольская И.Г. и др. О развитии средств автоматизации в энергетике с использованием возобновляемых источников энергии // Альтернативная энергетика и экология - ШАБЕ. 2013. № 9. С. 59-64.
8. Вентцель Е.С. Теория вероятностей: Учебник для вузов - 6-е изд. стер. М.: Высшая школа, 1999.
9. Васильев А.А., Вильфанд Р.М. Прогноз погоды. М.: «Моби Дик», 2008.
10. Рутковская Д., Пилиньский М., Рутковский Л. Нейронные сети, генетические алгоритмы и нечеткие системы: Пер. с польск. И. Д. Рудинского. М.: Горячая линия - Телеком, 2006.
11. ОАО Администратор торговой системы. Статистика по гарантирующим поставщикам за месяц. / ОАО АТС. - 2013. http://www.atsenergo.ru/results/ тагке^упс/топШ_гтЛМех.Ыт?&=20130101. С. 1.
12. ГОСТ Р 51990-2002. Нетрадиционная энергетика. Ветроэнергетика. Установки ветроэнергетические. Классификация. М.: Изд-во стандартов, 2002.
13. ГОСТ Р 51991-2002. Нетрадиционная энергетика. Ветроэнергетика. Установки ветроэнергетические. Общие технические требования. М.: Изд-во стандартов, 2002.
14. Департамент энергетики США. Наука и инновации. Возобновляемая энергетика. http://www.doe. gov/science-innovation/energy-sources/renewable-energy.
5. Nûsloss Dz., Râpin I.Û. Tendencii razvitiâ raspredelennoj generacii // Ènergosberezenie. 2012. № 7.
6. Solomin E.V. Vetroènergeticeskaâ èkonomika // Al'ternativnaâ ènergetika i èkologiâ - ISJAEE. 2010. № 2. S. 28-30.
7. Volovic G.I., Solomin E.V., Topol'skij D.V., Topol'skaâ I.G. i dr. O razvitii sredstv avtomatizacii v ènergetike s ispol'zovaniem vozobnovlâemyh istocnikov ènergii // Al'ternativnaâ ènergetika i èkologiâ - ISJAEE. 2013. № 9. S. 59-64.
8. Ventcel' E.S. Teoriâ veroâtnostej : Ucebnik dlâ vuzov - 6-e izd. ster. M.: Vyssaâ skola, 1999.
9. Vasil'ev A.A., Vil'fand R.M. Prognoz pogody. M.: «Mobi Dik», 2008.
10. Rutkovskaâ D., Pilin'skij M., Rutkovskij L. Nejronnye seti, geneticeskie algoritmy i necetkie sistemy: Per. s pol'sk. I.D. Rudinskogo. M.: Gorâcaâ liniâ - Telekom, 2006.
11. OAO Administrator torgovoj sistemy. Statistika po garantiruûsim postavsikam za mesâc. / OAO ATS. -2013. http://www.atsenergo.ru/results/ market/svnc/ month_rm/ index.htm?dt=20130101. C. 1.
12. GOST R 51990-2002. Netradicionnaâ ènerge-tika. Vetroènergetika. Ustanovki vetroènergeticeskie. Klassifikaciâ. M.: Izd-vo standartov, 2002.
13. GOST R 51991-2002. Netradicionnaâ ènerge-tika. Vetroènergetika. Ustanovki vetroènergeticeskie. Obsie tehniceskie trebovaniâ. M.: Izd-vo standartov, 2002.
14. Departament ènergetiki SSA. Nauka i innovacii. Vozobnovlâemaâ ènergetika. http://www.doe.gov/ science-innovation/energy-sources/renewable-energy.
Транслитерация по ISO 9:1995
Г'-": — TATA — LXJ
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 05 (145) 2014 © Научно-технический центр «TATA», 2014
БЗ
