Наш канал периодически публикует обзоры статей, посвященных вопросам развития минигридов (малых энергосистем) как актуального формата организации локальных энергосистем. В большинстве случаев такие материалы основаны на опыте зарубежных стран. В свою очередь, российские ученые также проводят исследования в этой области, делая выводы о применимости и экономической обоснованности минигридов в условиях отечественной экономики.
Предлагаем вашему вниманию обзор статьи группы авторов из Новосибирского государственного технического университета, Института энергетических исследований Российской академии наук и Московского энергетического института (Екатерина Бойко, Феликс Бык, Павел Илюшин, Людмила Мышкина, Константин Суслов), посвященной вопросам интеграции гибридных минигридов с ВИЭ в централизованные энергосистемы. Статья опубликована в № 9 журнала Energy Reports за 2023 год.
Создание локальных минигридов, сбалансированных по электрической энергии и мощности, включающих установки распределенной генерации (DG), в том числе, использующих возобновляемые источники энергии (ВИЭ), а также системы накопления энергии (ESS), обеспечит повышение технической доступности и надежности электроснабжения населения и промышленных потребителей.
По мнению авторов, создание гибридных минигридов позволит снизить темпы роста цен на электроэнергию для потребителей и сделать доступными для них недорогие источники электроэнергии. В России, где осуществляется субсидирование стоимости электроэнергии для населения, массовое появление коммунальных минигридов снизит нагрузку на бюджеты разных уровней и через 5-7 лет выровняет цены на электроэнергию для промышленных и бытовых потребителей, позволит сократить размеры перекрестного субсидирования.
Локальные энергосистемы, включающие генерацию на ВИЭ
Гибридные локальные минигриды – это энергетические районы (энергоузлы) со сбалансированной мощностью, которые обеспечивают электроэнергией разнородных потребителей на определенной территории. Создание таких объектов распределенной энергетики изменяет структуру централизованных энергосистем, повышая их гибкость, что позволит снизить цены на электроэнергию для потребителей. В качестве основного источника электроэнергии в локальных минигридах используются газотурбинные и газопоршневые установки. В качестве дополнительного источника энергии могут использоваться различные виды генерации на основе ВИЭ.
В гибридных минигридах с распределенной топливной генерацией необходимо обеспечить баланс между переменной нагрузкой и непредсказуемой генерацией, использующей ВИЭ. Это позволит сохранить управляемость, осуществлять диспетчеризацию энергосистем, обеспечить стабильность их работы в различных схемно-режимных состояниях. Авторы отмечают, что интеграция стохастической солнечной и ветровой генерации расширяет множество схемно-режимных состояний, что увеличивает стоимость электроэнергии и сроки окупаемости таких проектов, но снижает расход топлива и вредные выбросы в окружающую среду.
Интеграция локальных минигридов в энергосистему позволяет получить множество системных эффектов, среди которых:
- повышение надежности электроснабжения потребителей во время сбоев в энергосистеме;
- сокращение пиковых значений суточной нагрузки за счет реагирования на спрос, что продлевает срок службы электросетевого оборудования;
- поддержание оптимальных уровней напряжения для обеспечения стабильности нагрузки и снижения потерь электроэнергии;
- повышение живучести энергосистем при снижении требований к резервированию;
- сдерживание роста цен на электроэнергию за счет снижения потерь и минимизации затрат на повышение бесперебойности электроснабжения.
Оценка эффектов повышения надежности электроснабжения
В статье приводятся результаты анализа последствий сбоев в работе электросетевого оборудования и критических компонентов электросети, отказ которых приводит к продолжительным отключениям потребителей. Наиболее распространенными причинами являются технологические нарушения работы силовых трансформаторов, линий электропередач, коммутационного оборудования (выключателей, переключателей и т.д.).
Расчет показал, что в энергорайоне мегаполиса, образованном распределительной сетью напряжением 10 кВ, где электроснабжение осуществляется от подстанции 110/10 кВ с двумя силовыми трансформаторами мощностью 25 МВА, возможно превышение допустимых токов и узловых напряжений в сети, что определяет среднюю продолжительность и частоту прерываний электроснабжения потребителей. При выборе генерации для создания минигрида учитывались: размер нагрузок коммунально-бытовых потребителей в размере 9,6 МВт, промышленных – 14,4 МВт; общее количество потребителей, подключенных к сетям среднего и низкого напряжения в количестве 17,1 тыс. абонентов, в том числе 11,5 тыс. бытовых потребителей. Исходя из этого, для минигрида были определены следующие структура и состав генерирующих мощностей: 5 газопоршневых установок по 2 МВт каждая и 10 фотоэлектрических панелей по 200 Вт.
Результаты расчетов показали, что при создании минигрида на основе распределенной генерации отказ критически важной линии электропередачи приводит к нарушению электроснабжения значительно меньшего числа потребителей, а именно 570 в сравнении с 1920 потребителями в исходной схеме. Вероятность нарушений электроснабжения потребителей, входящих в состав минигрида, снижена благодаря появлению двустороннего источника питания, т.к. маловероятна ситуация одновременного выхода из строя нескольких компонентов электрической сети.
Создание минигрида привело к сокращению показателей SAIDI и SAIFI на 12 % и 10 % соответственно. Таким образом, интеграция минигрида в энергосистему увеличивает бесперебойность поставок электроэнергии потребителям. Режимная гибкость обеспечивается распределенной генерацией, бесперебойность электроснабжения потребителей – интеллектуальной автоматикой, которая отсоединяет минигрид от энергосистемы в случае возникновения аварийных схемно-режимных состояний.
Оснащение минигрида интеллектуальными системами управления и внедрение экономических стимулов позволяют выравнивать профиль нагрузки подстанции 110/10 кВ за счет покрытия пиковых максимумов нагрузки промышленных потребителей, что увеличивает срок службы электросетевого оборудования. Основные трудности связаны со снижением значений коэффициента использования установленной мощности (КИУМ), что становится экономически целесообразным при возмещении затрат со стороны энергосистемы указанных системных услуг по регулированию спроса благодаря генерации минигрида и системе накопления энергии, а также применению тарифов, стимулирующих изменять модель поведения потребителей электроэнергии.
На рис. 1 показан пример уменьшения неравномерности профиля нагрузки на подстанции 110/10 кВ за счет использования системы DG в составе минигрида. Непредсказуемость выработки электроэнергии ВИЭ компенсируется высокоманевренными генераторными установками. Целевая функция расчета – уменьшение неравномерности профиля нагрузки и увеличение его плотности.
Оптимальное решение находится на основе компромисса изменения графика нагрузки подстанции 110/10 кВ (системный эффект) и изменения КИУМ источника (локальный эффект). Если источники электрической мощности минигрида следуют за графиком нагрузки входящих в ее состав потребителей, это позволяет обеспечить сбалансированное отделение по линии подключения в любой момент времени. Автоматическое отключение минигрида от централизованной энергосистемы сохраняет поддержание нормального режима электроснабжения входящих в ее состав потребителей.
В заключение авторы делают вывод о том, что доля мощности солнечных и ветряных станций в рамках минигрида может достигать 20 %, а при наличии накопителя энергии - 25-30 %.
С полным текстом статьи можно ознакомиться в № 9 журнала Energy Reports за 2023 год
Подготовлено АНО «Центр «Энерджинет» при поддержке Фонда НТИ и Минобрнауки России