Использование ветроэлектростанций в электроэнергетических системах

С.В. Жарков, кандидат технических наук (Институт систем энергетики им. Л.А. Мелентьева СО РАН, Иркутск)

Широкомасштабному использованию ветроэлектростанций в электроэнергетических системах препятствуют проблемы обеспечения приемлемого качества генерируемой электроэнергии, несовпадение режима выработки энергии ветроэлектростанцией с графиком электропотребления и необходимость резервирования мощности ветроэлектростанций в энергосистеме.

Для сглаживания колебаний генерируемой ветроэлектростанцией мощности и ее согласования с режимом работы энергосистемы часто предлагается использовать аккумуляторы энергии: электрические батареи, воздухо- и гидроаккумулирующие электростанции (ВАЭС и ГАЭС) и другие. Так, существует предложение подавать электроэнергию от ветроэлектростанций на ГАЭС с помощью специальных электрических линий, а запасенную за счет вырабатываемой ветроэлектростанцией энергии потенциальную энергию воды использовать затем в гидрогенераторе, выдавая электроэнергию в энергосистему по мере надобности. В этом случае достаточно обеспечить условия работы электродвигателей насосов ГАЭС по качеству электроэнергии (синусоидальности напряжения, частоте и мощности), а энергосистема получит уже стабилизированную электроэнергию от гидрогенератора.

Однако при этом не решается проблема гарантированного покрытия графика нагрузки энергосистемы: сглаживаются лишь минутные, часовые, суточные, в лучшем случае — недельные колебания потока вырабатываемой ветроэлектростанцией энергии. В годовом же разрезе комплексы «ветроэлектростанция + аккумулятор энергии» приходится резервировать специальными электростанциями, работающими в сезон недостаточной интенсивности ветра, что, по сути, является дублированием мощности и значительно удорожает отпускаемую электроэнергию за счет не только дополнительных затрат на топливо, но и капиталовложений на дублирующую мощность.

Впрочем, можно предложить решение, позволяющее исключить резервирование мощности ветроэлектростанций мощностью специально сооружаемых для этого станций. С этой целью при работе ветроэлектростанций в энергосистеме путем аккумулирования ее электроэнергии и последующей выдачи ее в сеть аккумулятор энергии дозаряжают в период провала графика электрических нагрузок (ночью) от полупиковых тепловых электростанций с таким расчетом, чтобы к моменту утреннего подъема электрической нагрузки он был заряжен полностью. При этом привлекаемые станции постепенно переключаются на покрытие возрастающей нагрузки потребителей. Тогда аккумулятор энергии будет способен покрыть расчетную нагрузку в течение дня. Поскольку в любое время года в энергосистеме в период низких электрических нагрузок существует свободная мощность, предлагаемый способ обеспечивает круглогодичное резервирование мощности ветроэлектростанций, имеющей аккумулятор энергии суточного регулирования. Дублирование мощности ветроэлектростанций мощностью специальных станций исключается путем двойного использования как аккумулятора энергии, так и полупиковых ТЭС энергосистемы.

Для реализации данного способа необходимо обеспечить техническими средствами (линией электропередачи, переключателем тока и т.д.) возможность подключения аккумулятора энергии к электрической сети для дозарядки, а также покрытие прироста нагрузки в энергосистеме ее наиболее экономичными полупиковым и ТЭС, имеющими в это время свободную мощность. Энергия из аккумулятора может использоваться в любой части графика электрических нагрузок: пиковой, полупиковой, базисной. Однако с точки зрения стоимости замещаемой электроэнергии, первое предпочтительнее.

Следовательно, максимальная доля ветроэлектростанций в энергосистеме определяется наличием полупиковых ТЭС на органическом топливе. Их мощности должно быть достаточно для полной зарядки аккумуляторов ветроэлектростанций за период провала графика электрической нагрузки. Тогда ветроэлектростанция с аккумулятором энергии суточного регулирования будет гарантированно покрывать определенную часть графика электрических нагрузок. При этом повышается коэффициент использования установленной мощности уже существующих высокоэкономичных полупиковых тепловых станций, оборудование которых ночью обычно простаивает либо используется неэффективно. Для этой цели идеально подходят маневренные теплоэлектроцентрали, поскольку они имеют низкий удельный расход топлива на выработку электроэнергии и у них наблюдается наиболее резкое падение энергетических показателей при снижении электрической нагрузки станции, поэтому желательно увеличение числа часов использования их мощности. В конечном счете повышается экономичность электроснабжения, так как затраты на резервирование выработки энергии ветроэлектростанцией связаны лишь с затратами на топливо (при этом одновременно возрастает эффективность использования полупиковых ТЭС и маневренных ТЭЦ), в то время как в известных решениях присутствуют и затраты на строительство высокоманевренных дублирующих электростанций (в основном дизельных), работающих параллельно с ветроэлектростанциями в базисной части графика электрических нагрузок, либо вероятностный характер производства электроэнергии на ветроэлектростанциях демпфируется за счет резерва энергосистемы. В последнем случае, во-первых, существует жесткое ограничение доли ветроэлектростанций в энергосистеме и, во-вторых, снижается резерв энергосистемы, что чревато значительными экономическими потерями в аварийных ситуациях.

В случае, если возможно обеспечение достаточно высокого качества электроэнергии, генерируемой ветроэлектростанцией, с приемлемыми затратами, способ может применяться в модифицированном виде. Достаточно иметь один аккумулятор энергии — общий на энергосистему, накапливающий в течение суток «излишки» электроэнергии ветроэлектростанций, работающих в составе энергосистемы. В частности, это может быть актуально, если мощность ветроэлектростанций сравнима с мощностью местной энергосистемы. Преимущества такого варианта связаны с укрупнением и возможностью выбора места расположения аккумулятора энергии. Его использование наиболее перспективно применительно к электростанциям на нетрадиционных возобновляемых источниках энергии (НВИЭ), не имеющим серьезных проблем с качеством генерируемой электроэнергии: приливным и волновым электростанциям, малым ГЭС. Тогда такие электростанции и полупиковые ТЭС выступают партнерами. В результате повышается эффективность использования как полупиковых ТЭС, так и электростанций на НВИЭ, то есть они взаимно повышают конкурентоспособность друг друга в энергосистеме. При этом допускается широкомасштабное применение станций на НВИЭ в энергосистеме, что возможно в перспективе при повышении технико-экономических показателей как самих электростанций на НВИЭ, так и полупиковых ТЭС за счет применения в их качестве маневренных теплоэлектроцентралей, парогазовых установок и электростанций на базе топливных элементов, а также аккумуляторов энерги, в том числе, опять же, на топливных элементах. Пока же способ может найти ограниченное применение в небольших ветродизельных системах, содержащих аккумулятор энергии (например, аккумуляторные батареи). Аккумулятор покрывает пиковую нагрузку, а дизельная установка — базисную и полупиковую, дозаряжая также, в случае необходимости, батарею в период низких электрических нагрузок.

Таким образом энергия ветра может использоваться для покрытия пиковых электрических нагрузок.