Этапы интеграции возобновляемых источников энергии в энергосистему

Введение . Мощность ветряных и солнечных фотоэлектрических установок во многих странах растет очень быстрыми темпами, благодаря государственной поддержке и резкому снижению стоимости технологий. К концу 2022 года эти технологии, которые в совокупности называются Возобновляемыми источниками энергии (ВИЭ), достигли двузначной доли годовой выработки электроэнергии в десяти странах. В Дании их доля в производстве электроэнергии возросла примерно до 50% [1], а в Ирландии, Испании и Германии составила около 40% [2], во всех случаях без ущерба для надежности электроснабжения.

ВИЭ подсоединяются к централизованной системе электроснабжения, в непосредственной близости от места ее потребления. Считается, что основной эффект по энергосбережению и повышению энергетической эффективности работы централизованной системы электроснабжения с распределенной генерацией, достигается за счет снижения потерь электроэнергии при ее преобразованиях в трансформаторных подстанциях и передачи по воздушным и кабельным линиям электропередачи [3]

ВИЭ все еще часто страдает от заблуждений, мифов, а в некоторых случаях даже дезинформации. Часто слышимые претензии включают в себя то, что накопление электроэнергии является необходимым условием для интеграции ВИЭ, и что обычные генераторы подвергаются очень высоким дополнительным затратам по мере роста доли ВИЭ. [4] Такие заявления могут отвлечь лиц, принимающих решения, от реальных, хотя в конечном счете регулируемых, проблем.

Целью работы является рассмотрение этапов интеграции возобновляемых источников энергии в централизованную энергосистему страны. Для достижения цели, необходимо решение следующих задач: определить основные структурные и технические факторы, определяющие масштабы проблем интеграции, предложить этапы внедрения ВИЭ (интеграции), определить уровень интеграции ВИЭ в России

Материалы и методы.

Настоящее исследование проведено методами статистического анализа, сопоставления и систематизации данных, анализа нормативно-технической документации.

Обсуждение и результаты исследований.

Примем, что существует несколько этапов развития ВИЭ в стране, они характеризуются количеством электростанций, работающих на ВИЭ, и степенью их влияния на централизованную электросеть. Эти этапы отличаются увеличением воздействия вырабатываемой мощности ВИЭ на энергосистему.

На протяжении нескольких лет многие зарубежные страны внедряли в систему электроснабжения ВИЭ. Их опыт может быть полезен тем, кто только встал на путь возобновляемых источников энергии в системе электроснабжения. В статье [4] указано о существовании 6 этапов внедрения ВИЭ с систему электроснабжения. В зависимости от этапа внедрения меняется влияние ВИЭ на гибкость всей системы. Гибкость в этом контексте связана со способностью энергосистемы справляться с высокой степенью неопределенности и изменчивости баланса спроса и предложения.

Самое главное свойство, отличающее ветровые и солнечные фотоэлектрические системы от других источников выработки электроэнергии, заключается в том, что выработка возобновляемой энергии колеблется с течением времени. Это обусловлено различной доступностью ветра и солнечного света. Неопределенность результатов и другие факторы могут привести к ряду проблем, особенно на ранних этапах размещения, когда на самом деле проблем меньше всего.

Мы определим четыре этапа интеграции ВИЭ. Они различаются по воздействию на работу энергосистемы в результате увеличения доли мощности ВИЭ. Невозможно вывести простые правила, связывающие, например, определенную годовую долю энергии ветра и солнца с определенным уровнем усилий по интеграции или затрат. Обобщение неизбежно упускает из виду важные тонкости, но обеспечивает полезную основу для определения приоритетных задач сетевой интеграции, которые в противном случае могут быть представлены рядом проблем в начале интеграции. Доля генерации ВИЭ, при которой можно сказать, что система переходит в следующую фазу, зависит от ряда обстоятельств.

Основные структурные и технические факторы, определяющие проблемы интеграции:

• •    Географическое и техническое распространение ВИЭ: больший «разброс» влечет меньшие проблемы.

• •    Мощность энергосистемы: более крупные системы сталкиваются с меньшими проблемами.

• •    Соответствие между спросом и производством ВИЭ (сезонным и ежедневным): оптимальный баланс влечет меньше проблем.

• •    Гибкость электростанций (будь то тепловые, гидроэлектростанции или другие управляемые возобновляемые источники энергии): более короткое время запуска, способность снижать производительность до минимальных значений и более быстрое нарастание (изменение производительности) означают меньшее количество проблем.

• •    Взаимосвязь, хранение данных, прогнозирование и реагирование на спрос: чем больше присутствие каждого фактора, тем более управляемой является интеграция.

Агротехника и энергообеспечение. – 2023. – № 2 (39)                        ²³

• •    Функционирование системы, проектирование рынка и регулирование

• •    Эксплуатация системы: оперативные решения для электростанций и подключений новых источников и потребителей должны быть близки к работе в режиме реального времени.

• •    Технические стандарты (сетевые коды): если для электростанций ВИЭ будет требоваться системное обслуживание, проблемы интеграции будут меньше. (Такие требования должны быть сбалансированы с дополнительными затратами на электростанции ВИЭ.)

• •    Эволюция спроса на электроэнергию: растущий спрос создает возможности для инвестиций в ВИЭ без вытеснения действующей генерации; будущий спрос может быть сформирован (в некоторой степени) в соответствии с предложением.

Первый этап на удивление прост: объем производства мощности от ВИЭ не оказывает заметного влияния на систему. Там, где ветряные или солнечные установки установлены в системе, намного большей, чем ВИЭ, вырабатываемая мощность (и ее колебания) останутся незамеченными.

На втором этапе влияние ВИЭ становится заметным, но, за счет совершенствования методов эксплуатации, объем ВИЭ может быть довольно легко интегрирован. Например, может потребоваться создать систему прогнозирования мощности ВИЭ, чтобы гибкие электростанции могли эффективно контролировать изменчивость ВИЭ и реагировать на спрос.

На третьем этапе возникает первая, значительная проблема. В двух словах, влияние изменчивости ВИЭ ощущается, как с точки зрения общей работы системы, так и другими электростанциями. На этом этапе гибкость энергосистемы становится важной.

Сегодня двумя основными ресурсами для увеличения гибкости системы являются диспетчерские электростанции и сеть передачи. В некоторых системах существующий гидроаккумулятор с перекачкой также может внести соответствующий вклад. Заглядывая в будущее, можно сказать, что более инновационные решения, такие как новые технологии хранения данных и крупномасштабная РСН (реакция на спрос), станут эффективными регуляторами гибкости.

Новые проблемы возникают и на четвертом этапе. Они очень техничны по своей природе и менее интуитивны, чем гибкость и связаны со стабильностью энергосистемы. Стабильность энергосистемы характеризует ее способность противостоять возмущениям в очень короткие сроки. Например, при выходе из строя более крупного генератора стабильная энергосистема будет видеть лишь небольшое отклонение от своих номинальных рабочих настроек. Напротив, в менее стабильных системах потеря большого блока может привести к ряду значительных воздействий, которые могут поставить под угрозу надежность и бесперебойность энергосистемы, и которые проявляются в течение нескольких секунд или меньше.

Момент, когда стабильность системы становится проблемой для интеграции ВИЭ, очень специфичен для системы и может зависеть от инженерных решений, которые были приняты много десятилетий назад. Поэтому не существует простого правила, позволяющего определить, когда возникнут проблемы со стабильностью. Энергосистема не будет резко переходить от одного этапа к другому.

Этапы носят концептуальный характер и предназначены просто для того, чтобы помочь расставить приоритеты задач. Например, проблемы, связанные с гибкостью, будут постепенно возникать на втором этапе, прежде чем станут отличительной чертой третьего этапа. Аналогичным образом, некоторые проблемы, связанные со стабильностью системы, возникнут уже на третьем этапе. Невозможно точно сказать при какой доле ВИЭ возникнет проблема интеграции, например, в странах, находящихся в настоящее время на втором этапе развертывания, доля ВИЭ составляет от 3% до 13%. Обобщенные характеристики этапов представлены в таблице 1.

Таблица 1 - Этапы внедрения ВИЭ

	свойства (возрастающие по мере прохождения этапов)
	1 этап	2 этап	3 этап	4 этап
Характеристики системы	Объем мощности ВИЭ не имеет значение для основной системы	Мощность ВИЭ становиться заметной для системных операторов	Гибкость становиться актуальной при больших перепадах спроса и предложения	Стабильность становится актуальной. Мощность ВИЭ покрывает почти 100% спроса в определенное время
Воздействие на существующие генераторы	Нет отличия от обычной сетевой нагрузки	Нет значительного увеличения неопределенности и изменчивости сетевой нагрузки, но есть небольшие изменения в схемах работы существующих генераторов для приспособления к ВИЭ	Большое непостоянство в сети нагрузки. Главные различия в операционных схемах; сокращение электростанций, работающих непрерывно	Ни одна ЭС не работает круглосуточно; все электростанции корректируют мощность в соответствии с ВИЭ
Воздействие на энергосистему	Локальная система расположена вблизи точек подключения если таковые имеются	Очень вероятно влияние на условия местной электросети; возможны перегрузки при передаче, вызванные изменением потоков электроэнергии по сети	Значительные изменения в структуре энергопотока, обусловленные погодными условиями в разных местах; увеличенные двусторонние потоки между частями сети с высоким и низким напряжением	Потребность в усилении всей сети и улучшенная способность сети восстанавливаться после возмущений
Проблемы зависят от	Локальных условий в сети	Соответствие между спросом и производством ВИЭ	Наличие гибких ресурсов	Прочность системы для противостояния возмущениям

Причиной отставания России в области развития возобновляемой энергетики является многолетнее промедление в создании работающих систем стимулирования использования ВИЭ, в то время как в индустриальных зарубежных странах такое стимулирование стало одним из определяющих факторов инновационного развития. Отсутствие явной заинтересованности Правительства в создании отдельного направления возобновляемой энергетики снизило веру инвесторов в серьезность официальных намерений развивать технологии использования ВИЭ в России. Поставленные сейчас цели также уступают

масштабностью планам развития в других странах. При скептическом взгляде столь ограниченные перспективы могут создать впечатление чисто формального подхода, направленного на создание картины отчетности о наличии сферы «зелёной энергетики» в России.[5]

Россия только начинает свой путь внедрения ВИЭ в энергосистему страны. Но уже на этом этапе стоит предусмотреть меры для дальнейшего развития этой отрасли, чтобы снизить влияние проблем, возникающих при переходе на следующий этап. В 2021 году доля ВИЭ-генерации в общем объеме энергопотребления Единой энергетической системы России составила около 0,5%. Наиболее крупные СЭС в России это Аршанская СЭС мощностью 115,6 МВт (1-я и 2-я очереди), Перово мощностью 105,6 МВт, Охотниково мощностью 82,65 МВт, расположенные в Республике Крым, Старомарьевская СЭС (1-я и 2-я очереди), расположенная в Ставропольском крае, мощностью 100 МВт, Самарская СЭС, мощностью 75 Мвт, Фунтовская СЭС Астраханской области той же мощности. [6] В пятерке лидеров ВЭС расположились электростанции АО «НоваВинд» (Росатом) в Ставропольском крае, республике Адыгея и Ростовской области суммарной мощностью 600 МВт, а также Кольская ВЭС установленной мощностью 201 МВт в Мурманской области и введенная в эксплуатацию в этом году.[7]

В настоящий момент Россия находится на начальном этапе внедрения ВИЭ. Согласно поправкам, внесенным в Федеральный закон N 35-ФЗ, от 27 декабря 2019 года объектам микроэнергетики, принадлежащим частным и юридическим лица разрешено присоединение к централизованной электросети с возможностью выдачи избытков электроэнергии в сеть [8]. В районах с децентрализованным электроснабжением СЭС могут быть актуальны в качестве децентрализованных систем электроснабжения, а в качестве систем экономии электроэнергии в районах с наличием системы централизованного электроснабжения. В зависимости от цели установки СЭС подбирают наиболее подходящий тип электростанции. [9]

Выводы:

Предложено 4 этапа интеграции ВИЭ в энергосистему страны. Для оценки масштаба проблем интеграции определены основные структурные и технические факторы. Пользуясь ими, можно условно разделить путь развития ВИЭ на несколько этапов внедрения ВИЭ, а также определить текущий этап в той или иной стране или ее области. В России только начинается внедрение ВИЭ. Их доля только приближается к отметке в 1%. При грамотном подходе к внедрению ВИЭ в нашей стране возможно добиться стабильной совместной работы традиционных электростанций и электростанций, работающих от ВИЭ.

Учитывая опыт стран, которые ушли по доле «зеленой энергетики» далеко вперед, можно узнать об основных трудностях, которые могут возникнуть на каждом из этапов внедрения ВИЭ, а также предусмотреть снижение их влияния или полное его отсутствие. При желании внедрить электростанции ВИЭ, необходимо учитывать и заранее предусматривать пути повышения гибкости всей энергосистемы.

https://translated.turbopages.org/proxy_u/en-ru.ru.a2365953-643fc346-22fa5c77-74722d776562/https/en.wikipedia.org/wiki/Red_Eléctrica_de_España     (Дата обращения:

развития [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://www.eeseaec.org/energoekonomiceskaa-model-danii (Дата обращения: 17.04.2023)

04/17/2023)Report on the implementation of Russia’s energy strategy for the period up to 2030 based on the results of 2018, 2018 – p. 57