CC BY
10опыт германии в области интеграции значимых объемов энергии от виэ в распределительные электросети
Ханс-Питер Эрбринг (Hans-Peter Erbring),
Учебно-исследовательский центр GridLab, г. Котбус, Германия
GridLab является Европейским учебно-исследовательским центром в сфере безопасности электрических систем. После крупных аварий (в частности, отключений в ноябре 2006 г. и из-за урагана Кирилл в 2007 г.) компания TSO 50Hertz Transmission приняла решение создать учебный центр для более интенсивного обучения и практической подготовки, в первую очередь, собственного персонала. В настоящее время Центр осуществляет также обучение и подготовку специалистов других компаний.
В 2008 г. в сотрудничестве с Бранден-бургским Техническим университетом (BTU) компания запустила в Котбусе проект по созданию системы подготовки на основе комплекса SCADA/EMS, закупленного у IT-провай-дера BTC (Ольденбург). В ходе выполнения проекта комплекс был развернут и подготовлен к работе.
В скором времени стало очевидным то, что только в результате всестороннего и комплексного обучения, осуществляемого совместно с другими операторами, работа-
ющими в сфере генерации и распределения электроэнергии, можно подготовить специалистов, способных эффективно работать в условиях интенсивного интегрирования мощностей на основе ВИЭ в единую энергетическую систему.
Поэтому в декабре 2010 г. в г. Котбус была основана компания GridLab GmbH. Компания GridLab создала реальную модель энергетической системы, включающей объекты компаний TSO 50Hertz, Tennet TSO, работающих в системе электропередачи, и трех компаний, осуществляющих электрораспределение, для обучения персонала этих компаний и моделирования различных ситуаций в единой электрической системе. Основное внимание в процессе подготовки уделяется вопросам предотвращения продолжительных отключений и аварийных ситуаций, а также их ликвидации. Установленная в 2013 г. вторая учебно-тренировочная система (PSI Aschaffenburg) позволяет на самом современном уровне осуществлять подготовку специалистов в области взаимодействия сетевых компаний.
GridLab предоставляет возможность, используя нашу усовершенствованную методику и симулятор единой энергетической сети в качестве Центра технической экспертизы, осуществлять подбор компаний, анализ работы служб для последующего планирования развития сетей и других целей, а также проводить так называемые «Летние университеты» на которых студенты имеют возможность ознакомиться « спецификой работы в сетевых компаниях.
Система электроснабжения Германии интегрирована в электросеть компании ENTSO-E Regional Group Continental Europe (прежнее название UCTE).
На рынке присутствуют 4 компании, работающие в сфере передачи и распределения электроэнергии (Transmission System Operators - TSO), ко-
EncryiricL.^k
F idiinel .
8W
} CH А
торые, в соответствии с Законом о регулировании в сфере энергетики (EnWG), отвечают за энергетическую безопасность и надежность электроснабжения в передающих и распределительных сетях: 50Hertz Transmission GmbH - в восточной части страны, Tennet TSO, Amprion и TransnetBW - в западной ее части.
Произошедшие в последние годы в Германии значительные изменения в правовой, технической и коммерческой сферах ставят совершенно новые задачи по обеспечению энергетической безопасности и надежности работы электроэнергетической системы. К этим изменениям, в первую очередь, следует отнести следующие: быстрое освоение возобновляемых источников энергии (ВИЭ), таких как энергия ветра, солнечная энергия и энергия биомассы, решение Правительства ФРГ от 2011 г. о выводе АЭС из энергетической системы, усложнение процедуры получения разрешения на строительство новых воздушных ЛЭП, что привело к дисбалансу между быстрыми темпами ввода новых мощностей и замедлением темпа развития распределительных сетей.
Несмотря на это, освоение ВИЭ в Германии происходило достаточно успешно. Начиная с 90-х годов, когда их доля составляла лишь незначительную часть в энергетическом балансе, произошел резкий рост, затронувший сначала ветроэнергетику (он продолжается и сейчас) а затем и в сфере фотоэлектрических преобразователей солнечной энергии. К 2012 г. общая установленная мощность ветровых установок достигла примерно 31 ГВт, а фотоэлектрических преобразователей - пример-
но 33 ГВт, что в сумме составило 76 ГВт. Принимая во внимание то, что общая пиковая нагрузка Германии равна примерно 75 ГВт, можно утверждать, что мощности установок, использующих ВИЭ, достаточно, чтобы удовлетворить потребность всей страны в электроэнергии. Доля ВИЭ в общем объеме выработки электроэнергии (609 ТВтч) в 2011 г. составила около 20%.
В соответствии с Планом развития электрических сетей в Германии, к 2023 г. предусматривается увеличить годовое производство электроэнергии за счет ВИЭ до 636 ТВт^ч, что составляет примерно 46% от общего объема производства.
Наиболее быстрыми темпами возобновляемая энергетика развивалась в восточном регионе Германии (зона ответственности компании 50Hertz Transmission). В 2013 г. в этом регионе было введено в эксплуатацию 40% (>13 ГВт) от общего объема ветрэнергетических мощностей в целом по стране. В то же время, электропотребление в этом регионе Германии составило 98 ТВт^ч или 20% от общего объема.
Общая установленная мощность электроге-нерирующих систем, находящихся в подчинении 50Hertz Transmission GmbH, приближается к 43 ГВт, в то время как максимальная нагрузка составляет лишь 15 ГВт. Это свидетельствует о том, что в регионе имеется значительный избыток установленной мощности и перепроизводство электроэнергии, которая не может быть потреблена на местах, и требуется ее передача на достаточно большие расстояния к крупным центрам потребления в Западной части Германии. С одной стороны, это связано с дополнительными энергетическими потерями, с другой - создает опасность перегрузки воздушных ЛЭП. В прошлые годы электростанции возводились преимущественно по соседству с крупными энегопотребляющими объектами, и передача энергии осуществлялась на относительно небольшие расстояния. Поскольку сегодня энер-гогенерирующие компании Германии не платят ни цента за транспортировку энергии потребителям, они выбирают площадки для возведения новых станций, исходя исключительно из соображений минимальных капитальных затрат. К тому же, в Германии отсутствует стимулирование, побуждающее при выборе мест для строительства энерго-ренерирующих объектов учитывать факторы, способствующие энергосбережению. В ближайшем будущем ожидается относительно стабильный
* В соответствии с данными BDEW (2009), данными BNetzA (19.02.2014) и основного сценария NDP (2023/2033)
I = 261 ГВт
Другие виды ВИЭ Природный газ
Бурый уголь
Атомная энергия Другие виды
I = 156 ГВт
I = 184 ГВт
I = 233 ГВт
Фотоэлектричество
Биомасса
Ветроустановки
(береговые)
Ветроустановки
(морские)
Нефть
Каменный уголь
рис. 1. топливно-энергетический баланс Германии.
2009
2023
2033
уровень общего среднего электропотребления при сохранении тенденции к росту генерирующих мощностей, что безусловно приведет к обострению указанной выше проблемы.
Кроме того, существуют проблемы, обусловленные неравномерным распределением ветровых установок (береговых и морских), в частности в Северо-восточной части Германии, где уровень электропотребления довольно низкий ввиду отсутствия там достаточного количества промышленных предприятий, способных забрать из сети большую часть вырабатываемой электроэнергии. Поэтому практически всю эту «зеленую» энергию приходится транспортировать на большие расстояния в южные и западные области страны. В результате, уже сейчас в периоды сильных ветров ЛЭП юго-восточных направлений работают с полной нагрузкой. Эта ситуация будет только ухудшаться, поскольку к 2020 г. на северо-востоке будет введено в строй от 50 до 60 ГВт новых мощностей, и только на 12 ГВт рассчитаны запланированные к строительству линии электропередач! Как известно, по решению Правительства ФРГ были остановлены АЭС, которые расположены в основном на юге Германии. При этом из энергетического баланса выбыло более 8 ГВт генерирую-
щих мощностей, что вызвало нехватку мощности на юге и, соответственно, необходимость переброски энергии с севера на юг и с востока на запад.
Так, например, существенно возросла фактическая нагрузка воздушных ЛЭП, принадлежащих 50Hertz Transmission GmbH. Все большее количество линий работает на пределе пропускной способности, и даже с кратковременными перегрузками (т. е. не выполняется принцип безопасности «n-1»).
Для предотвращения негативных последствий, связанных с указанными факторами, операторы электрораспределительных сетей вынуждены искать экстренные решения, часто не согласующиеся с установившейся практикой. Входит в норму работа сетей в предкритических и критических режимах, что связано с дополнительными коммерческими рисками и увеличением нагрузки на персонал. Основные причины сложившейся ситуации отмечены выше. Это непропорциональный развитию электрораспределительных сетей рост новых мощностей, использующих ВИЭ, несоответствие объемов потребления объемам генерации электроэнергии на региональном уровне, вывод АЭС из энергетической системы Германии, а также недостаточно разработанные рыночные механиз-
Установленная мощность электростанций, работающих на ВиЭ, сейчас находится на уровне пиковой нагрузки в Германии
Геотермальная (только 12 MBт макс.) Энергия воды (без использования насосов) Биомасса
Ветроустановки
(морские)
Ветроустановки
(береговые)
Фотоэлектричество
показатели базы данных ENTSO-E на 10 ГВт меньше, чем показатели в базе данных BNetzA (например, в 2011: 86 ГВт)
- Максимальная электрическая загрузка (-)
-76 2003
-77 2004
-77 2005
-78 2006
-79 2007
-77 2008
-73 2009
2010
-84 2011
-82
2012 19.02.2014
рис. 2. Установленная мощность электростанций в Германии, работающих на ВиЭ, в сравнении с пиковой нагрузкой, ГВт.
Источники информации: GridLab; "Erneuerbare Energien in Zahlen 2013", BMU; Stromerzeugung aus Solar- und Windenergie im Jahr 2014, Fraunhofer IWES, "System Adequacy Retrospect"-Reports, 2000-2012, UCTE/ENTSO-E as of February 2014
Установленные мощности на основе ВиЭ в зоне ответственности компании 50^^ [МВт]
50 000
30 000
20 000
10 000
Установленная мощность к концу 2013 г.
Ветер 13,488 МВт
Фотоэлектричество 7,579 МВт
Биомасса 1,640 МВт
Другие 240 МВт
Всего 22,947 МВт
15100
8100
2100
Прогноз >
а
2000
2005
2010
2015
36400
2020
2025
■ Ветроустановки
(береговые)
- Ветроустановки
(морские)
- Фотоэлектричество
рис. 3. динамика ввода мощностей на основе ВиЭ в Восточном регионе Германии (зона ответственности компании 50Hertz Transmission GmbH).
27400
В ENERGY
№ 18, 2014
Ветер ■ Фотоэлектричество ■ Биомасса
рис. 4. распределение генерирующих объектов на основе ВиЭ по территории Германии.
Источник информации: 50Hertz, Amprion, Tennet, Transnet BW, Google Earth
HC? ö^ri**) ич Юл* r svp ян
рис. 5. карта загрузки воздушных линий электропередач компании 50Hertz Transmission GmbH.
Источник информации: 50Hertz
мы и технические меры по интегрированию ВИЭ в общую энергетическую систему.
В наибольшей степени надежность работы электрических систем зависит от колебаний выработки энергии установками, использующими ВИЭ. Во-первых, поступление возобновляемой энергии ветра и солнца носит непостоянный характер, создавая резкие перепады мощности, передаваемой в сеть, во-вторых, пики генерации и нагрузки не совпадают во времени. В 2012 г. максимальные динамические значения перепадов в выработке электроэнергии в Германии достигали +2,4 Гвт/ч и 2,8 Гвт/ч, причем ожидается, что к 2023 г. эти показатели увеличатся до +6,7 ГВт/ч и -8,5 Гвт/ч.
Учитывая низкую надежность суточных прогнозов, касающихся значительных изменений скорости ветра, персонал электрических систем имеет в своем распоряжении слишком мало времени (от нескольких минут до 1 часа) для того, чтобы принять оперативные меры по сохранению стационарного режима работы сети в соответствии с фактической нагрузкой. К таким
мерам относятся оптимизация активной структуры электрораспределения («топологические» меры) и внесение изменений в график работы электрических станций.
Данные, относящиеся к общей установленной мощности и среднечасовым перепадам электрогенерации по прогнозам на 2023 и 2033 г.г. можно найти в разделе «Leitszenario (B)» Национальной энергетической программы (NEP) (источник: План развития электрических сетей Германии: "Netzentwicklungsplan 2013"). Значения средних перепадов за % часа в прогнозах на 2023 и 2033 г.г. были получены экстраполяцией четвертьчасовых перепадов по данным 2012 г. (источник: данные по планированию четырех германских электросетевых компаний - TSO).
Закон о возобновляемой энергетике (Renewable Energy Law - EEG) Германии устанавливает приоритет производства и потребления энергии установками, работающими на ВИЭ, и операторы сетевых компаний должны в обязательном порядке это учитывать в своей деятельности и научиться справляться с критическими ситуациями (такими как поступление большого количества ветровой энергии). Немецкие компании, управляющие электропередающими (TSO) и электрораспределительными (DSO) системами, в таких ситуациях руководствуются положениями Энергетического законодательства Германии (German Energy Law). В соответствии со статьями (1) и (2) §13 данного нормативного документа, «допускаемые» в таких случаях меры подразделены на 3 категории:
- «топологические» мероприятия (§ 13(1))
- мероприятия коммерческого характера (§ 13(1))
- экстренные мероприятия (§ 13(2)).
Меры первых двух категорий почти не влияют на работу компаний, работающих на рынке передачи и распределения электроэнергии, или в незначительной степени затрагивают их интересы (поскольку, как правило, осуществляются на договорной основе), в то время как мероприятия, относящиеся к третьей категории, могут иметь весьма серьезные коммерческие последствия для участников рынка.
На практике это означает, что в случае критической ситуации (угроза перегрузки и веерные отключения перегруженных линий) операторы электрических сетей должны, в первую очередь, оптимизировать всю структуру передачи и рас-
Солнечная энергетика
Общая установленная мощность солнечных фотоэлектрических систем Германии в 2012 г. составила 28,59 ГВт (источник информации: Ап!аде№!атт(Меп В^А)
Ветроэнергетика
Общая установленная мощность ветроэнергетических станций Германии в 2012 г. составила 30,74 ГВт (источник информации: МЕЗ ^МтопКоГ)
J 9,54
6,71
2,42 _______< 5 4,05
1,36 < Э----- 2,80
-1,34
-2,85 -2,77 -4,00
-8,55
> -11,52
рис. 6. Максимальные динамические перепады электрогенерации, вызванные неравномерностью поступления солнечной и ветровой энергии.
Источник информации: 50Hertz Transmission GmbH.
2012
2023
2033
пределения, используя доступные средства коммутации, или за счет физических ограничений (автоматическое срабатывание защиты по напряжению или тепловой токовой защиты). Следующим шагом является снижение выработки энергии электростанциями, работающими на ископаемом сырье путем перепродажи или перенаправлдения ресурса. И только в том случае, когда эти меры оказались недостаточными для восстановления безопасной работы энергосистемы, разрешается снижать прием электроэнергии, выработанной с применением технологий ВИЭ. При этом оператор электросети обязан выплатить неустойку оператору электрогенерирующей системы, использующей ВИЭ, размер которой определяется количеством той энергии, которую оператор сети отказался принять! Лишь в исключительно редких случаях, квалифицируемых как «опасная ситуация» оператор сети имеет право без предупреждения и уведомления безотлагательно изменить режим приема «зеленой» электроэнергии и при этом не выплачивать компенсации.
В последнем случае необходимо уведомить Федеральное агентство по регулированию в электроэнергетике (Bundesnetzagentur- В1\^А), а также оператора ветоэнергетической системы сразу же после принятия таких мер с предоставлением
отчета о ранее приняты мерах и указанием причин, которые потребовали их принятия.
Так количество дней, когда компания 50Hertz Transmission GmbH вынуждена была принимать подобные решения, составило 262 в 2012 г., то есть, со средняя периодичность таких ситуаций была чуть более 1,5 суток.
Законодатели, вводя в действие упомянутый свод положений Федерального энергетического законодательства, руководствовались стремлением дать управляющим компаниям в сфере передачи и распределения электроэнергии правовой инструмент, позволяющий оперативно решать экстренные проблемы. При этом предполагалось, что такие ситуации будут редким исключением в практике применения. На самом деле применение соответствующих положений стало для них повседневной реальностью!
С вводом в эксплуатацию новых электростанций, использующих ВИЭ, требуется все больше резервных потребителей, для того чтобы сбалансировать несоответствие между прогнозируемой и фактической нагрузкой. В Германии установка каждого последующего ГВт номинальной мощности генерирующих систем на основе ВИЭ требует создания резерва электропотребления порядка 50-60 МВт. Поэтому точность и надежность прогнозирования роста
в
№ 18, 2014
150
100
50
142
2010 2011 2012 2013 2014
160 213 262 220 75
Совокупное количество дней в году
Дни, измеряемые в соответствии с §13 (1) закона EEG, связанные с §13
(2) закона EnWG
Дни, измеряемые в соответствии с §13 (1) закона EnWG
рис. 7. количество случаев оперативного вмешательства в работу электросетей и количество дней, когда потребовалось принятие экстренных мер в соответствии с EnWG. Источник информации: 50Hertz
электрогенерации ветровыми и солнечными фотоэлектрическими установками имеет первостепенное значение.
В настоящее время все вспомогательные услуги и работы производятся силами ТЭС, работающих на ископаемых энергоносителях. По мере вытеснения с рынка производителей электроэнергии традиционными электростанциях потребуется развитие инфраструктуры электрогенерирующих систем, использующих ВИЭ, в плане создания технологических и организационных ресурсов по выполнению вспомогательных работ.
Для стабильной и надежной работы электрических систем с большим количеством интегрированных в них объектов возобновляемой энергетики непременным условием является наличие вспомогательного оборудования и служб, в частности для создания резервов мощности, средств компенсации реактивной нагрузки, средств запуска в отсутствии поступления энергии из электросети (black start), резервов мощности для сохранения работоспособности при коротком замыкании, инфраструктуры, позволяющей перенаправлять избыток мощности другим потребителям.
В то же время, система в целом должна стать боле гибкой. Немаловажным условием является
наличие достаточной пропускной способности сетей электропередачи и распределения, а также материально-технического потенциала, позволяющего расширять сетевую структуру, не дожидаясь, когда резерв пропускной способности будет исчерпан. Проблема развития сетей передачи и распределения стоит особенно остро в связи с планами возведения мощных морских систем ветроэнергетических установок в Северном и Балтийском морях. Поэтому германские TSO предлагают построить новые высоковольтные ЛЭП постоянного напряжения - «Энергетические мосты», связывающие северные и южные регионы страны. Работы по созданию трех из них включены в План развития электрических сетей Германии в качестве приоритетного направления и будут произведены в течение нескольких ближайших лет.
Управление работы электростанций, работающих на ископаемом сырье, должно быть более гибким, оставляя возможность реагирования на возрастающие по частоте и амплитуде перепады генерируемой мощности. Доля постоянно задействованной мощности должна быть снижена.
В законодательстве должны быть установлены нормы, позволяющие в случае большого избытка генерируемой мощности, грозящего создать критическую ситуацию в электросети, изменять режимы работы электростанций, использующих ВИЭ.
Освоение огромных объемов электроэнергии, планируемых к выработке на основе ВИЭ, настоятельно требует более гибкого управления в сетях потребления, новых решений в области автоматической перестройки структуры сетей (концепция «Smart grid»), разработки емких накопителей энергии (например, на основе преобразования электрической энергии в тепловую энергию и газ, накопительные пневматические системы и т. п.), а также других систем.
Заключение
1. Высокие стандарты надежности и безопасности электроснабжения являются важным фактором экономического развития.
2. Энергетическая система все чаще работает на пределе технических возможностей. Все резервы практически исчерпаны, что привело к следующим негативным последствиям:
- возрастающая опасность кратковременных и
продолжительных отключений;
250
77
200
48
185
0
В ENERGY BULLETIN
рис. 8. Утвержденный план развития электрических сетей Германии.
- нехватка технического персонала, получившего теоретическую и практическую подготовку, соответствующую возросшим требованиям.
Основными причинами создавшейся ситуации являются: изменившаяся структура системы
распределения и электроснабжения, быстрое развитие и рост доли ВИЭ, для которых характерны большие колебания электрогенерации, при недостаточно интенсивном расширении сетей электропередачи и относительно медленном темпе освоения новых технологий.
Проанализированные выше проблемы могут быть решены при выполнении следующих условий:
- своевременное развитие электросетей в соответствии с фактической потребностью и осознание общественностью необходимости такого развития;
- осознание того факта, что проблема возникновения аварий в энергетической системе резко обострилась, и ее решение требует координации и сотрудничества операторов на федеральном и международном уровне;
- приведение нормативно-правовой базы в соответствие эксплуатационным и рыночным требованиям;
- организация интенсивного обмена информацией и оперативными данными между всеми участниками, работающими в энергетической системе;
- тщательная подготовка, обучение и стажировка обслуживающего и управляющего персонала с учетом усложнения работы энергетической системы.
20% виэ
35% ВИЭ
50%% ВИЭ
65% ВиЭ
80% ВИЭ
Электросети
расширение электрической сети (электросети)
Производство (энергии)
Более традиционные электросети сокращают количество энергии из источников с фиксированным объемом выработки ^кращают подачу ветровой и солнечной энергии при образовании излишков
Потребление (энергии)
к.
развитие методики управления нагрузкой электросети
►
ж
Аккумулирование (энергии)
перевод энергии в тепло
насосные станции хранения энергии в Германии/Альпах/норвегии
рис. 9. Условия обеспечения гибкости управления в электросетях.
