Балансирование ВИЭ | Accord

Балансирование возобновляемых источников энергии

2015-2018 гг.

Стабильность электроснабжения в большой степени определяется частотой электросети, которая до настоящего времени стабилизируется при помощи промышленных электростанций на ископаемых видах топлива, а также атомными и гидроаккумулирующими электростанциями.

Вследствие возрастания доли генерации из возобновляемых источников энергии и для решения задачи построения энергосистемы, которая в будущем будет снабжаться преимущественно из ВИЭ, возрастает потребность в балансирующих мощностях, также основанных на ВИЭ.

С целью проверить возможность балансирования энергосистемы, состоящей из действующих солнечных,ветровых и биогазовых станций, властями Германии был создан исследовательский проект Kombikraftwerk 2, который не только подтвердил такую возможность, но и показал, что в некоторых случаях возобновляемые энергосистемы могут действовать даже более оперативно, чем классические теплоэлектростанции.

Балансирующие мощности должны обеспечивать надежную работу электросетей, компенсируя флуктуации частоты, вызванные несоответствием генерации и потребления и гарантируя надежное электроснабжение. До настоящего времени такую работу выполняют промышленные теплоэлектростанции и гидроаккумулирующие мощности. Сегодня энергосистема Германии претерпевает инновационные изменения балансировочных мощностей, причем не только количественные, но и качественные. Взамен отдельных больших электростанций, в ближайшем будущем планируется создание распределенных систем генерации, хранения и гибких генерирующих мощностей, работающих под запросы электросетей.

В рамках данного проекта для надежной поставки электроэнергии, компенсации флуктуаций частоты и в качестве балансировочной мощности была создана виртуальная электростанция мощностью около 80 МВт, состоящая из отдельных солнечных, ветровых и биогазовых станций.

Что такое "балансирующая мощность"?

Для того, чтобы энергосистема оставалась стабильной, принятая в энергосистеме Европы частота электросетей 50 гц не должна выходить за определенные границы (обычно 0,2 гц в каждую сторону). Пока генерация и потребление сбалансированы, частота остается неизменной, а система - стабильной. Любые изменения в балансе приводят к изменению частоты. Как только в сеть подключается дополнительная нагрузка, либо генерация - недостаточна (электростанция выходит из строя), частота в сети уменьшается. И наоборот, частота увеличивается, если электроэнергии генерируется больше, чем потребляется (например, при отключении от сети поселка, вследствие короткого замыкания). Чтобы обеспечить соответствие спроса и уровня генерации, требуется наличие балансировочной мощности, которая может быть очень быстро введена в в строй. Балансировочные мощности могут быть как положительными (для увеличения частоты), так и отрицательными (для уменьшения). Кроме того, они отличаются хронологическим порядком ввода, либо вывода из рабочего состояния
Первичная балансировочная мощность (первой очереди) должна полностью вводиться в строй за максимально быстрое время (не более 30 секунд). Она предназначается для первоначальной компенсации резких изменений сетевой частоты. Вторичная балансировочная мощность (второй очереди) должна быть доступной в интервале 5 минут и предназначается для возвращения частоты к заданной величине. Третичная балансировочная мощность (третья очередь)- это последнее звено в цепи, со временем готовности до 15 минут. Чем больше величина балансирующей мощности, тем раньше могут замещаться генерирующие объекты предыдущей очереди и тем быстрее они будут готовы к использованию при новых запросах сети.

Балансирующие мощности ВИЭ

С технической точки зрения, некоторые объекты возобновляемой энергетики могут обеспечивать балансировку. В отличие от классических источников электрической энергии, наиболее важные ВИЭ - ветер и солнце - не всегда доступны и зависят от погодных условий. Однако, имеются также управляемые возобновляемые источники энергии, такие как биоэнергия и гидроэнергия.

Объединяя различные ВИЭ в единую виртуальную электростанцию, можно эффективно использовать сильные стороны отдельных ее составляющих - солнечных, ветровых, термальных, гидро - электростанций, систем хранения и станций на биомассе. Такая виртуальная электростанция на ВИЭ может не только надежно генерировать электроэнергию, но и служить в качестве балансировочной мощности. Еще одно преимущество подобных объединений - это географическое балансирование. К примеру, ветроэлектростанции, расположенные в разных регионах и объединенные в единую сеть. Редко бывает, чтобы ветер одновременно отсутствовал в удаленных друг от друга местах. Более того, чем больше плошадь местности, тем точнее для нее удается сделать прогноз погоды.

Постепенно прогнозы погоды для расчета генерации солнца и ветра становятся все точнее, а флуктуации становятся более планомерными. При определенных условиях (разрешении краткосрочного участия в балансировочном рынке) это позволяет таким источникам энергии также вносить свой вклад в стабилизацию работы энергосистемы.

Виртуальная электростанция Kombikraftwerk

С целью продемонстрировать практическую возможность использовать ВИЭ в качестве балансировочных мощностей, из различных источников возобновляемой электрогенерации была сформирована виртуальная электростанция, которую назвали "Kombikraftwerk" (электростанция комбинированного цикла - перевод с немецкого). Входящие в нее солнечные, ветровые и биогазовые станции управлялись из единого контрольного центра IWES (института ветра и энергетических технологий) Fraunhofer с 3 - секундными интервалами.

Данная виртуальная электростанция имела суммарную установленную мощность 80 МВ и состояла из следующих отдельных электростанций:

- ВЭС Altes Lager, управляемая ENERCON GmbH (Brandenburg), состоящая из 18 турбин общей мощностью 37,2 МВ
- ВЭС Feldheim (Brandenburg), управляемая Energiequelle GmbH, состоящая из 19 турбин общей мощностью 39,2 МВ
- Солнечная энергетика - 12 отдельных СЭС в регионе Kassel, включая 9 индивидуальных на частных домовладениях и 3 промышленных, с общей установленной мощностью 1 МВ
- Биогазовая станция Wallerstädten в Hesse, мощностью 1,2 МВ
- Биогазовая станция Mittelstrimming в Rhineland Palatinate, мощностью 0,5 МВ, распределенной между двумя когенераторами 0,2 МВ и 0,3 МВ
- Биогазовая станция Zemmer в Rhineland Palatinate, с общей мощностью 1,4 МВ, производимой двумя когенерационными установками 0,889 МВ и 0,536 МВ
- Биогазовая станция Heilbachhof в Rhineland Palatinate, имеющая мощность 0,5 МВ, распределеную между двумя когенераторами мощностью по 250 кВ каждый

Испытания

Чтобы быть одобренной в качестве балансировочной мощности, система, которая принимает участие в соответствующем тендере, должна пройти предварительную квалификацию. Электростанции должны подтвердить свою способность реагировать на изменения в электросетях в пределах отведенного промежутка времени и необходимой продолжительности. Такие требования были выработаны и для виртуальной электростанции, участвующей в эксперименте, После поступления заранее обусловленного сигнала, балансировочная мощность активировалась и производила выравнивание электрической частоты сети. В зависимости от ее состояния, возобновляемая балансировочная система обеспечивала добавление или снижение балансировочной мощности. Суммируя результаты испытаний, можно сказать, что испытанная виртуальная система, состоящая из различных источников возобновляемой электроэнергии, показала свою способность качественно и надежно обеспечивать стабилизацию частоты в течение 20 - минутного отрезка времени.
Была подтверждена способность ветровых и солнечных электростанций обеспечивать балансировочную мощность в зависимости от доступной активной мощности, то есть мощности, которая была бы доступна без преднамеренного снижения. Технически, способность положительной балансировки достигается искусственным снижением мощности системы. При необходимости мощность добавляется.
Если же требуется отрицательная балансировка, мощность системы снижается еще сильнее. Количество электроэнергии, которое может быть добавлено в систему в определенные моменты времени сегодня может быть довольно точно предсказано благодаря существующим прогнозам. Чем ближе промежутки времени, на которые делаются прогнозы, тем они точнее. Виртуальная электростанция данного проекта позволяет корректировать ошибочные прогнозы отдельных входящих в нее генерирующих объектов.

Выводы

Данный проект показал возможность построения балансировочных систем, состоящих из различных источников возобновляемой электрогенерации. 
Существующий в настоящее время балансировочный рынок не дает возможности возобновляемым источникам энергии в полной мере проявить свои возможности и нуждается в существенной реконструкции. Чем на более близкий промежуток времени устраивается тендер, тем в большей степени могут проявить свои балансировочные способности электростанции на ветре и солнце, поскольку более краткосрочные прогнозы для них довольно точны. Хорошее применение на балансировочном рынке будут иметь источники генерации, производящие и закачивающие в газовые сети биометан, откуда их можно быстро извлекать для прогнозируемой когенерации.

Вместе с тем, использование ветра, солнца и биомассы для балансировки требует искусственное занижение из установленной мощности, приводящее к финансовым потерям, которые должны быть им компенсированы заинтересованными участниками рынка.

German Renewable Energies Agency, Reinhardtstr. 18, 10117 Berlin, Germany Sven Kirrmann, info@kombikraftwerk.de