Оценка ветропотенциала Мурманской области и эффективности Кольской ветроэлектростанции

Ветроэнергетика – одна из наиболее быстроразвивающихся отраслей мировой энергетики. В рамках развития ветроэнергетики России до 2024 г. планируется возвести 15 ветроэлектростанций (ВЭС) суммарной установленной мощностью 5,5 ГВт. Одна из этих ВЭС возводится в Мурманской области. Важнейшим фактором, определяющим эффективность ВЭС, является ветровой потенциал в месте ее расположения. Анализ данных, приведенных в работах по оценке ветропотенциала России и Мурманской области, показал их значительное расхождение, отсутствие достоверной информации о ветропотенциале на высотах более 100 м – высота ступиц современных ветроустановок. При решении вопросов, связанных с проектированием новых ВЭС, наряду с такими факторами, как оценка ветропотенциала и выполнение экологических требований, необходимо проводить оценку возможностей подключения и работы ВЭС в составе электроэнергетической системы, так как современные ВЭС по мощности соизмеримы с электроэнергетическими системами. Поэтому все чаще пропускная способность сети становится характеристикой места установки ВЭС. Таким образом, на примере Мурманской области представляется актуальным уточнение ветропотенциала Мурманской области и оценка эффективности Кольской ВЭС при ее работе в составе энергосистемы региона.

Использование ветроэнергетических ресурсов в мире и России

В мире наблюдается устойчивый рост доли ветроэнергетики в производстве электроэнергии (табл. 1, 2) ¹ ( Белей и др., 2018а; б; 2019 ).

Таблица 1. Доля ветроэнергетики от общего производства электроэнергии в мире Table 1. Share of wind energy in worldwide electricity generation

Годы	2008	2019	2030 (прогноз)
Доля ветроэнергетики, %	1,5	5,27	12

Таблица 2. Выработка электроэнергии в мире и доля ветроэнергетики за 2019 г.

Table 2. Worldwide electricity generation and share of wind energy in electricity generation in 2019

Страны	Выработка электроэнергии, ТВт х ч	Доля ветроэнергетики от общего производства электроэнергии, %
Китай	7 325,0	5,54
США	4 457,4	6,73
Россия	1 109,4	0,031
Дания	34,0	47
Всего	26 652,7	5,27

Как следует из данных, приведенных в табл. 2, доля ветроэнергетики в энергобалансе страны мала, несмотря на высокий ветропотенциал территории РФ ² (табл. 3) ( Справочник…, 2007; Николаев и др., 2008; Lu Xi et al., 2009; Минин и др., 2005; Андреенко и др., 2015 ).

Таблица 3. Потенциал ветровой энергии континентальной части РФ и Мурманской области Table 3. Wind energy potential of the continental part of the Russian Federation and the Murmansk Region

Источник	Ветропотенциал (млрд кВт х ч/год)
	Валовой		Технический		Экономический
	РФ	Мурманская область	РФ	Мурманская область	РФ	Мурманская область
Справочник…, 2007	2 609 055	44 919	52 181	112,3	260,9	0,56
Николаев и др., 2008	–	–	14 342	138,0	71,7	0,69
Lu Xi et al., 2009	–	–	116 000*	–	–	–
Минин и др., 2005	–	–	–	360,0**	–	–
См. сноску 2 ***	79 435	–	8 423	–	–	–

Примечание. * – согласно ( Lu Xi et al., 2009 ) с учетом прибрежных территорий суммарный технический ветропотенциал РФ составляет 139 000 млрд кВт х ч/год; ** — на всей территории области со среднегодовой скоростью 4 м/с и выше при ВЭУ, расположенных на расстоянии 10 диаметров ветроколеса друг от друга; *** – ветропотенциал на высоте 30 м.

При проектировании ветроэлектростанций в первую очередь ориентируются на ветропотенциалы территории ( Белей и др., 2018а; б; Николаев и др., 2008; Минин и др., 2005; Безруких и др., 2002 ).

Валовой потенциал ветровой энергии ( W ВП ) – среднемноголетнее годовое значение ветровой энергии движения воздушных масс над данной территорией ( S ).

Технический потенциал ветровой энергии ( W ВT ) – суммарная электрическая энергия, которая может быть получена от использования валового потенциала ветровой энергии при современном уровне развития техники

S

W _ВТ =W _ВП ⋅С _Р ⋅η _г ⋅η _р ⋅ _S ^Т ,

где C р – коэффициент использования энергии ветра, зависящий от скорости ветра, изменяется по Жуковскому – Бетцу от 0,05 до 0,593; η _г и η _р – соответственно коэффициенты полезного действия генератора и редуктора; S T – площадь региона, пригодная для возведения ветроустановок (ВЭУ).

Экономический потенциал ветровой энергии – величина выработки электроэнергии ВЭУ, получение которой оправдано при существующих ценах на строительно-монтажные работы, оборудование, производство, передачу электроэнергии и соблюдение экологических норм.

Оценка ветропотенциала Мурманской области

Основным источником исходных данных для оценки ветропотенциала являются длительные периоды времени наблюдения за скоростью ветра на опорной сети гидрометеослужбы. По величине среднегодовой скорости ветра в первом приближении можно судить о перспективности применения ВЭС в том или ином районе. На метеостанциях Кольского полуострова регистрирующие приборы (анемометры) располагаются на высотах от 9 до 14 м. Результаты обработки 10-летних наблюдений за скоростью ветра 37 метеорологических станций Кольского полуострова ( Минин и др., 2005 ), полученные с учетом приведения средней многолетней скорости ветра υ к сравнимым условиям с помощью поправочных коэффициентов на открытость k _O и высоту k н , даны на рис. 1:

v 1 = v ⋅ k O ⋅ k н ,

где v 1 – средняя многолетняя скорость ветра, приведенная к сравнимым условиям.

Рис. 1. Карта средних многолетних скоростей ветра Мурманской области на высоте 10 м от поверхности в условиях открытой ровной местности (Минин и др., 2005) (расположение площадки Кольской ВЭС обозначено красной точкой)

Fig. 1. Map of multi-year average wind speeds over open flat terrain at the height of 10 m above the ground (the location of the Kola wind farm is marked with a red circle)

Скорость ветра ( v ₂ ) на уровне высоты ( h ₂ ) ступицы ВЭУ описывается степенной функцией вида ( Минин и др., 2005; Безруких и др., 2002 ):

v ₂

Анализ результатов наблюдений за скоростью ветра на Мурманской телевизионной башне в приземном слое толщиной 24–140 м ( Борисенко, 1974; 1977 ) показал, что показатель степени m может изменяться в довольно широких пределах (рис. 2).

Рис. 2. Зависимость показателя степени m от скорости ветра на высоте флюгера ( Минин и др., 2005 ) Fig. 2. Dependence of the exponent m on the wind speed at the height of the weather vane

Расчеты, выполненные по данным более чем 20 метеорологических станций, позволили построить зависимость среднего показателя m от среднегодовой скорости ветра ( Минин и др., 2005 ). Эта зависимость хорошо аппроксимируется уравнением:

0,60(viГ kh =

I h I

I h l J

В работе ( Минин и др., 2005 ) для четырех зон Кольского полуострова рассчитаны скорости ветра и удельная энергия воздушного потока по выражениям (3–5) (табл. 4):

T wУД (T) = 0,5-p-   V(t)3 ■ dt,                                        (5)

где T — период времени за год; р — плотность воздуха; v(t) — скорость воздушного потока, проходящего через единицу площади поверхности, перпендикулярной вектору скорости ветра, за единицу времени, м/с.

Таблица 4. Ветровые ресурсы Кольского полуострова Table 4. Wind energy resources of the Kola Peninsula

Значения Зоны	Среднегодовая скорость ветра, м/с		Удельная энергия ветрового потока, МВт х ч/м 2
	10 м	70 м	10 м	70 м
1	7,5	9,6	5,2	10,7
2	6,5	8,6	3,4	7,8
3	5,5	7,5	2,4	5,2
4	4,5	6,5	1,4	3,4

Для проведения температурно-ветрового зондирования территории РФ на высотах 100, 200, 300, 500 и 600 м в РФ существует 98 аэрологических станций (из них 2 на Кольском полуострове). В работах ( Николаев и др., 2008; Андреенко и др., 2015 ) на основе созданной базы данных ресурсов ветра ³ разработаны атласы ресурсов ветровой энергии для территории РФ для высот 30, 50 и 100 м. Однако в работе ( Андреенко и др., 2015 ), также как и в презентации ⁴ , отмечается необходимость разработки более эффективных методов определения ветровых ресурсов, что подтверждается наличием разноречивых данных, приведенных в табл. 3. Создание эффективных методов требуется для выявления областей с богатыми ветровыми ресурсами для увеличения количества и повышения экономической эффективности ВЭС.

По методике, приведенной в работе ( Справочник…, 2007 ), для шести ветровых зон был рассчитан валовой потенциал ( W ВП ) Мурманской области согласно условию полного восстановления воздушного потока после прохождения препятствия (табл. 5):

w = w уд (t) . S^T .                                         (6)

ВП ВП ₂₀

Таблица 5. Результаты расчета ветропотенциала Мурманской области на разных высотах

Table 5. Results of calculation of wind energy potential of the Murmansk Region at different heights

Зона	Скорость ветра на высоте 10 м, м/с	Удельная энергия воздушного потока, кВт х ч/м 2				Площадь ( S T ), км 2	Валовой потенциал, млрд кВт х ч
		10 м	50 м	100 м	150 м		10 м	50 м	100 м	150 м
1	7,0–8,4	3 145	5 817	7 446	8 795	3 840	604	1 117	1 430	1 689
2	6,0–7,0	2 330	4 757	5 992	6 990	6 798	792	1 617	2 037	2 376
3	5,0–6,0	1 358	3 136	4 748	5 747	14 092	957	2 210	3 345	4 049
4	4,0–5,0	800	2 009	2 884	3 828	30 772	1 227	3 086	4 434	5 890
5	3,0–4,0	342	1 086	1 761	2 383	52 954	905	2 876	4 662	6 309
6	1,0–3,0	88	473	990	1 524	36 444	160	862	1 804	2 777
Итого:						144 900	4 643	11 768	17 712	23 090

Эффективность Кольской ветроэлектростанции

Главным показателем эффективности Кольской ВЭС (табл. 6) является годичная выработка электроэнергии ( W год ). В мире широко используется метод Рейлиха, базирующийся на использовании среднегодовой скорости ветра ( v ср ) и зависимости мощности ВЭУ от скорости ветра:

∑ T

f Pt t = 0 fy, i    i t, где Pi – зависимость мощности ВЭУ от скорости ветра; fy, i – распределение Рейлиха для i-го промежутка времени:

-n fy, i   e

| v -0,5 |

i

• --------------------------

I v J

V ср /

^^^^^^M

4 e

-n

Таблица 6. Основные данные о Кольской ветроэлектростанции ⁵ Table 6. Basic data on the Kola wind farm

Мощность, МВт	Число ВЭУ	Тип ВЭУ (рис. 3)	Занимаемая площадь, га	Расчетная выработка энергии, млрд кВт х ч	Срок сдачи
201	57	Siemens Gamesa SG 3.4-132 (высота ступицы 154 м)	257	0,750	2021

• ⁵    Энел Россия приступила к строительству Кольской ВЭС мощностью 201 МВт. URL: https://www.enelrussia.ru/ru/media/press/d201909-enel-russia-construction-begins-at-201-mw-kolskaya-wind-farm-largest-renewable-project-beyond-the-arctic-circle.html

• ⁶    Siemens Gamesa. URL: https://www.siemensgamesa.com/en-int .

  

  Рис. 3. Зависимость мощности SG 3.4-132 от скорости ветра ⁶ Fig. 3. Power curve of SG 3.4-132

  
  

Важнейшим показателем эффективной работы ВЭС является коэффициент использования установленной мощности ( K исп ):

к

^K исп

^W год

( 8 760 - Т простоя ) • Р н ^,

где T простоя – число часов вынужденного аварийного простоя, ч.

Расчет годовой выработки электроэнергии ВЭС проводился по методике, разработанной и приведенной в работе ( Белей и др., 2011 ) и основанной на использовании метода Рейлиха и технических данных всего класса ВЭУ:

Wrog  Кисп * Ke * n * Рном * Tгод, где Kисп – коэффициент использования установленной мощности ВЭУ (рис. 4); Kв – коэффициент,

------------ Средняя скорость ветра, м/с

*о.е. - относительные единицы.

Рис. 4. Зависимости коэффициента использования установленной мощности ВЭУ от среднегодовой скорости ветра на уровне ступицы ветроколеса ( Белей и др., 2011 ) Fig. 4. Dependences of wind farm capacity factor on multi-year average wind speed at the hub height

По приведенной выше методике был рассчитан ветропотенциал территорий различных ветровых зон, определенных по изолиниям средних скоростей ветра (рис. 1) Мурманской области (табл. 7). Также представляется важным оценить выработку электроэнергии Кольской ВЭС при ее расположении в разных ветровых зонах (табл. 8).

Таблица 7. Результаты расчета ветропотенциала территории и годовой выработки электроэнергии Кольской ВЭС

Table 7. Results of calculation of gross wind energy potential of the site of the Kola wind farm and its annual electricity generation

Высота, м	Скорость ветра, м/с	Валовой потенциал, млрд кВт х ч	Годовая выработка электроэнергии, млрд кВт х ч	Коэффициент использования установленной мощности
10	4,7	2,239	–	–
50	6,3	5,891	–	–
100	7,2	8,908	–	–
154	7,7	11,546	0,657	0,39 ( ^ простоя = 0 )

Таблица 8. Годовая выработка электроэнергии Кольской ВЭС при ее расположении в разных ветровых зонах Мурманской области

Table 8. Annual electricity generation of the Kola wind farm in case of its relocation to different wind zones of the Murmansk Region

Ветровая зона	Скорость ветра, м/с		Годовая выработка электроэнергии, млрд кВт х ч	Коэффициент использования установленной мощности
	На высоте 10 м	На уровне ступицы ВЭУ
1	8,0	11,1	1,021	0,6
2	6,5	9,6	0,891	0,52
3	5,5	8,6	0,761	0,45
4	4,5	7,5	0,623	0,37
5	3,5	6,5	0,476	0,28
6	2,0	5,2	0,277	0,16

Согласно ⁷ (п. 2.3.2.5) следует, что не всегда большие значения средней годовой скорости являются гарантией высокой выработки электроэнергии ВЭУ. С этой позицией следует согласиться, так как среднегодовая скорость ветра не в полной мере учитывает всей совокупности характеристик ветра: суточный ход ветра, распределение ветровых периодов и периодов затиший по длительности и т. д. ( Справочник…, 2007; Николаев и др., 2008; Безруких и др., 2002 ). Поэтому на стадии предпроектных работ следует рассчитать годовую выработку электроэнергии на основе данных метеорологической станции в месте установки ВЭС:

∑T t=0 p- Ti,                                                       (11)

где P i и t i – соответственно мощность ВЭУ при данной скорости ветра (рис. 4) и время работы при данной мощности.

Пример исходных данных в виде ежедневных наблюдений метеостанции приведен на рис. 5.

Рис. 5. Пример данных ежедневных наблюдений метеостанции

Fig. 5. An example of daily observations of a weather station

Годовая выработка Кольской ВЭС для места подключения, определенная по формулам (3, 11) и рис. 3 на основании расчетов по данным 10 лет наблюдений, приведена в табл. 9.

Таблица 9. Сравнение результатов расчетов годовой выработки электроэнергии Кольской ВЭС

Table 9. Comparison of calculation results of annual electricity generation of the Kola wind farm

Годовая выработка электроэнергии Кольской ВЭС, млрд кВт х ч
Результаты, полученные специалистами из Группы Enel	Результаты, полученные по формуле (10)	Результаты, полученные по формуле (11)
0,750	0,657	0,636

Результаты расчетов выработки электроэнергии Кольской ВЭС по разным методикам для высоты ступицы ВЭУ, равной 154 м, отличаются примерно в 15 %, что свидетельствует о достоверности расчетов с инженерной точки зрения.

Оценка подключения и совместной работы Кольской ВЭС в составе энергосистемы

Мурманской области

На рис. 6 и в табл. 10 приведены электрическая схема с Кольской ВЭС и состав генерирующих мощностей Мурманской энергосистемы ⁸ .

Рис. 6. Упрощенная схема электрических сетей энергосистемы Мурманской области:

I – III: Нивский каскад; IV – VIII: Пазский каскад; IX–XI: Ковдинский каскад; XII–XIII: Туломский каскад; XIV–XV: Серебрянский каскад; XVI–XVII: Териберский каскад Fig. 6. Simplified map of the power system of the Murmansk Region

Таблица 10. Действующие электростанции энергосистемы Мурманской области

Table 10. Operating power plants of the power system of the Murmansk Region

Наименование	Установленная мощность, МВт
Кольская АЭС	1 760
Серебрянский каскад	357
Ковдинский каскад	328
Туломский каскад	324
Нивский каскад	240,4
Апатитская ТЭЦ	230
Пазский каскад	187,6
Териберский каскад	156,5
Мурманская ТЭЦ	12
ТЭЦ АО "Ковдорский ГОК"	8
Итого:	3 603,5

В настоящее время в РФ действует 4 государственных стандарта в области ветроэнергетики (табл. 11), а также ряд стандартов организаций.

Таблица 11. Российские стандарты в области ветроэнергетики Table 11. Russian technical standards in the field of wind power

№	№ стандарта	Наименование стандарта
1	ГОСТ Р 51237-98	Нетрадиционная энергетика. Ветроэнергетика. Термины и определения
2	ГОСТ Р 51990-2002	Нетрадиционная энергетика. Ветроэнергетика. Установки ветроэнергетические. Классификация
3	ГОСТ Р 51991-2002	Нетрадиционная энергетика. Ветроэнергетика. Установки ветроэнергетические. Общие технические требования
4	ГОСТ Р 58491-2019	Технические требования к объектам генерации на базе ветроэнергетических установок

Из приведенных выше стандартов только ГОСТ Р 58491-2019 регламентирует ряд требований по подключению и работе ВЭУ и ВЭС как в составе Единой энергетической системы России, так и изолированных электроэнергетических систем: по допустимой длительности работы ВЭС в различных диапазонах частот, напряжений (табл. 12), регулировании активной и реактивной мощностей и прочее.

Таблица 12. Допустимые напряжения сети для работы ВЭС в составе энергосистемы Table 12. Permissible voltage range for the operation of the wind farm as a part of the power system

Номинальное напряжение, кВ	Аварийно допустимое напряжение, кВ	Минимально допустимое напряжение, кВ	Наибольшее рабочее напряжение, кВ
110	84,7	88,5	126
220	169,4	177,1	252
330	254,1	265,65	363
500	385	402,5	525
750	577,5	603,75	787

В странах Европы и Северной Америки разработаны нормативные документы, регламентирующие проведение оценки подключения и работы ВЭС ( Белей и др., 2011; 2018а; б ). В соответствии с этими нормативами оценка должна основываться на комплексном расчете перетоков мощности, изменениях напряжения при коммутациях, расчете токов короткого замыкания, оценке уровней дозы фликера и высших гармоник.

Выполнение ряда вышеизложенных требования к работе ВЭС можно рассмотреть на основании расчетов в программном обеспечении NEPLAN (табл. 13). Была разработана модель энергосистемы Мурманской области, основанная на линиях электропередачи 150 и 330 кВ. Достоверность модели проверена сравнительными расчетами на модели и рядом режимов работы энергосистемы, представленных в открытом доступе ⁹ . В качестве балансировочного узла принята связь от Ленинградской АЭС по двум ЛЭП напряжением 330 кВ (рис. 6).

Таблица 13. Результаты расчетов на модели перетоков мощностей в энергосистеме Мурманской области при различных режимах Кольской ВЭС

Table 13. Results of the Murmansk Region's powerflow calculation for different operation modes of the wind farm

Режим	От подстанции	Величина перетока, МВт + МВАр	К подстанции
До подключения Кольской ВЭС	Кольская ВЭС	–	Мурманская (348,3 кВ)
	Выходной (348,7 кВ)	8,5 + j76,4	Мурманская (348,3 кВ)
После подключения Кольской ВЭС, выдача реактивной мощности	Кольская ВЭС (152,8 кВ)	197,3 + j9,8	Мурманская (353,7 кВ)
	Мурманская (353,7 кВ)	188,6 – j65,3	Выходной (354,0 кВ)
После подключения Кольской ВЭС, потребление реактивной мощности	Кольская ВЭС (143,2 кВ)	200,8 – j63,5	Мурманская (345,3 кВ)
	Мурманская (345,3 кВ)	193,3 – j128,7	Выходной (345,9 кВ)

На Кольской ВЭС используются асинхронные генераторы (АГ) двойного питания (рис. 7). Что касается использования АГ с двойным питанием, то благодаря применению полупроводникового преобразователя меньшей мощности (около 30 % от мощности генератора) существенно снижается стоимость таких ВЭУ и потери электроэнергии. В результате при достаточно высоких средних скоростях ветра (более 7,5 м/с) ВЭУ на основе асинхронных генераторов двойного питания чуть более эффективны (Белей и др., 2013).

Рис. 7. Электрическая схема асинхронного генератора двойного питания, реактивная мощность регулируется, n « 60 х (0,8 — 1,2) х f /p

Fig. 7. Circuit of a double-fed asynchronous generator, reactive power is adjustable, n « 60 x (0,8 - 1,2) xf / p

Анализ результатов расчетов на модели показывает: 1) отсутствует перегрузка линий электропередачи 150 и 330 кВ при включении Кольской ВЭС (табл. 14); 2) выдача или потребление реактивной мощности ВЭС обеспечивает регулирование напряжения в узлах подключения ВЭС к энергосистеме.

Таблица 14. Пропускная способность и дальность передачи ЛЭП 110–330 кВ Table 14. 110–330 kV power transmission line capacity and transmission range

Напряжение ЛЭП, кВ	Сечение проводов, мм 2	Передаваемая мощность, мВт		Длина ЛЭП, км
		натуральная	при плотности тока 1,1 А/мм 2	предельная при КПД = 0,9	средняя (между 2 ПС)
110	70–240	30	13–45	80	25
150	150–300	60	38–77	250	50
330	2 x 240-2 x 400	360	270–450	700	130

Заключение

С использованием данных многолетних наблюдений за скоростями ветра в Мурманской области рассчитан валовой ветропотенциал региона для шести зон ветровой активности с высотой флюгера 10, 50, 100 и 150 м. Определен ветропотенциал территории и годовая выработка электроэнергии Кольской ветроэлектростанции, дана оценка ее эффективности. Годовую выработку электроэнергии Кольской ВЭС можно было бы увеличить при ее размещении в зоне с более высокой ветровой активностью. Расчеты режимов работы Кольской ВЭС в составе энергосистемы Мурманской области, выполненные на математической модели, показали, что уровни напряжений в узлах энергосистемы и перетоки мощностей в эксплуатационных режимах Кольской ВЭС находятся в рамках допустимых нормативными документами значений. Показана эффективность регулирования реактивной мощности ВЭС.