А. С. Ерденов
Казахский Агротехнический
университет им. С. Сейфуллина, Астана
Распределённая генерация в
электроэнергетических системах
Аннотация
К необходимости повышения
эффективного использования энергии подталкивает такие мировые тенденции, как
недостаток энергетических ресурсов, увеличенное соперничество за ресурсы и
глобальное потепление. Большинство сетей электрификации мира, построенные ещё в
50-70х годах прошлого века, поэтому много оборудования, что является важным для
работы сетей (например, трансформаторы и главные подстанции), приближаются к
концу срока эксплуатации. Сегодня на рынках электроэнергии почти всех стран
мира растут объёмы потребления, как следствие, растут пиковые нагрузки, что
заставляет увеличивать электрическую мощность. Учитывая это, экономику
электроэнергетической области целесообразно подстроить малой генерации,
подключённой к общей распределительной сети.
Ключевые слова
Распределённая генерация, эффективное использование энергии, энергодефицит, технический износ
оборудования, возобновляемые источники энергии.
Распределённая генерация представляет собой систему
объединения всех электрогенерирующих, независимо от мощности, установок в
единую экономически выгодную и надёжную сеть.
На сегодняшний день
энергетическая отрасль стран постсоветского пространства подошла к общим
проблемам, от решения которых в недалёком будущем зависит благосостояние
государств.
Технический износ
электрических сетей, глобальное потепление, ухудшение экологической обстановки,
ограниченность традиционных энергоресурсов и ряд других проблем подталкивает на
поиски новых путей энергодобычи и её распределения. Одним из способов может
стать тенденция внедрения малых и средних генераторов в общую распределительную
сеть. К малой энергетике относятся многие типы энергетических установок на
возобновляемых источниках энергии (ВИЭ), прежде всего ветроэнергетические
установки (ВЭУ). Малые газотурбинные установки (ГТУ), парогазовые установки
(ПГУ) и ВЭУ устанавливаются непосредственно у потребителей и подключаются к
распределительной электрической сети на напряжение 6-35 кВ.
Главными факторами,
стимулирующими развитие распределенной генерации, являются:
-адаптация потребителей к
рыночной неопределенности в развитии электроэнергетики и в ценах на
электроэнергию; это способствует снижению рисков дефицита мощности и повышению
энергетической безопасности;
-повышение адаптационных
возможностей самих ЭЭС к неопределенности рыночных условий развития экономики и
снижение тем самым инвестиционных рисков;
- появление новых высокоэффективных
энергетических технологий (ГТУ и ПГУ);
-рост доли газа в
топливоснабжении электростанций;
-ужесточение экологических
требований, стимулирующее использование ВИЭ (гидроэнергии, ветра, биомассы и
др.) при протекционистской политике государств [1].
Новые технологии привели к тому, что электростанции среднего
размера оказываются вполне конкурентоспособными по сравнению с более крупными
станциями. Это позволило менее крупным инвесторам, чем существующие вертикального
интегрированного комплексами (ВИК), строить независимые от них электростанции.
Можно выделить следующие
цели, которые первоначально указывались при проведении реформ в различных
странах:
-снижение стоимости
электроэнергии для потребителей за счет повышения эффективности работы отрасли
(Великобритания, Аргентина, Австралия);
-привлечение иностранных
инвестиций для повышения эффективности работы отрасли (Бразилия, Аргентина);
-внедрение конкуренции для
предоставления потребителям права выбора поставщика (Бразилия);
-сглаживание разницы в ценах
на электроэнергию в различных регионах страны (Норвегия, США);
-повышение эффективности
инвестирования в развитие инфраструктуры электроэнергетики и отрасли в целом с
целью повышения конкурентоспособности национальных производителей (Австралия)
[2].
Распределённая генерация оказывается исключительно удобной
во множестве случаев. При разработке нефтяных месторождений приходится сжигать
огромное количество попутного газа в регионах добычи нет возможностей ни для
транспортировки, ни для переработки. При разработке полезных ископаемых
приходится решать проблему шахтных газов. Использование микротурбин позволит и
извлечь экономическую выгоду, и сберечь окружающую среду. Там, где нет
централизованных сетей, электроэнергия и тепло могут быть использованы на самих
месторождениях. А если нефть добывается по соседству с экономически развитым
регионом, или есть сети, соединяющие район месторождений с населёнными районами
нефтяные скважины могут в совокупности стать огромной электростанцией. Попутный
газ может превратить нефтяные поля Техаса в 400 МВт электростанцию.
В менее экзотических условиях
для страны с развитой инфраструктурой энергоснабжения различные технологии
распределённой генерации могут использоваться для решения самых разных задач.
Упоминавшаяся выше
когенерация тепла и электричества, повышающая КПД любой энергетической
установки, гораздо эффективнее в условиях распределённой генерации, так как
тепло на большие расстояния не транспортируется.
Свалки больших городов и
очистные сооружения городской канализации при утилизации метана в микротурбинах
дадут не только дополнительную электроэнергию городу, но и примерно в 20 раз
уменьшат загрязнение атмосферы по сравнению с его сжиганием.
Микрогенераторы обеспечивают
наличие резервных мощностей для жизненно важных применений (госпитали, лифты,
водопровод и канализация) или для тех отраслей, где цена сбоя слишком высока
(телекоммуникации, финансы, непрерывное производство).
Привлекательной для
потребителя оказывается и возможность экономии в периоды пиковых нагрузок и
растущих цен. Развитие конкурентного рынка доведёт рано или поздно
дифференциацию цен до уровня розничного потребителя, и близки уже те времена,
когда цена кВт.ч будет меняться в реальном времени. Чем более адекватными будут
ценовые сигналы, получаемые потребителем, тем выгоднее будет включать
собственный генератор для арбитража между ценами топлива и электричества. С
распространением топливных элементов даже электромобиль в гараже может стать
выгодно подключать по вечерам к управляемой компьютером домашней электросети и
использовать как дополнительный генератор.
Использование
микрогенераторов может способствовать поддержанию высокого качества энергии в
централизованной сети и снижать потребность в затратах на реконструкцию и
обновление сетей и подстанций. Распределённые генераторы позволяют осуществлять
поддержку напряжения и частоты, уменьшать потери в сетях и затраты на
поддержание центральных резервов [3].
Казахстан предлагает создать всемирную
энергетическую организацию для координации добычи и распределения всех видов
энергоресурсов.
Об этом заявил президент Казахстана Нурсултан Назарбаев
Он отметил, что на сегодняшний день назрела необходимость создания
мировой энергетической организации, которая будет координировать добычу и
распределение всех видов энергетических ресурсов в мире, а также научные
исследования.
Назарбаев добавил, что такая организация должна вести мониторинг и
урегулировать вопросы в сфере безопасности энергетики. Президент Казахстана
убежден, что это позволит без излишних проблем применять любую энергию в
мире, и в том числе ядерную.
Он полагает, что, выработав общие подходы к сбалансированному
использованию энергии, мировое сообщество организует основу и для глобальной
экологической безопасности [4].
Казахстан обладает значительными запасами первичных
энергетических ресурсов, что позволит в
перспективе обеспечить не только собственную потребность, но и
осуществлять их экспорт
Доказанные запасы:
Уголь-31,3
млрд. т
Нефть
-39,8 млрд. баррелей
Газ
(природный и попутный) - Зтрлн. мЗ
Угольные ТЭЦ – основной источник производства электроэнергии
и тепла. Их установленная мощность составляет в Казахстане порядка 85% от общей
генерирующей мощности всех электростанций, на долю гидроэлектростанций приходится
12%, а на газовые электростанции – 3%.
В то же время
централизованная система электроснабжения с концентрацией основной генерирующей
мощности на нескольких крупных угольных электростанциях в центре Казахстана и
общей протяженностью линий электропередач порядка 450 тыс. км, приводит к
существенным потерям электроэнергии при ее распределении и значительным
эксплуатационным затратам. Повышаются и общие затраты на энергоснабжение, а
также увеличиваются объемы топлива, потребляемого электростанциями.
Как долго будут
использоваться традиционные источники энергии в Казахстане, зависит от запасов
органического топлива, интенсивности их использования, включая и экспорт за
рубеж. Разведанных запасов нефти и газа может хватить на десятилетия, угля – на
столетия.
Ограничением в расширении
использования традиционных энергоресурсов, прежде всего угля, может стать
необходимость в снижении негативного воздействия традиционной энергетики на
окружающую среду, в том числе сокращение выбросов парниковых газов, оказывающих
влияние на глобальное изменение климата.
Казахстан обладает
значительным потенциалом ВИЭ, прежде всего в виде гидро-, ветро- и солнечной
энергии, которой достаточно, чтобы обеспечить значительную часть его
потребности в энергетических ресурсах.
Так, при общем потенциале
гидроресурсов в 170 млрд кВт/ч экономически эффективно можно было бы
использовать около 30 млрд кВт/ч. Сегодня же казахстанские ГЭС вырабатывают
порядка 8 млрд кВтч, то есть менее 30% от экономически обоснованного
потенциала.
Еще один перспективный вид
энергетики – это использование энергии ветра. Находясь в ветровом поясе
северного полушария, Казахстан теоретически обладает ветроэнергетическим
потенциалом в 1820 млрд кВт/ч. Только в районе Джунгарских ворот (Алматинская
область) мощность ветроэлектростанций может достигать 1000 МВт, а это выработка
около 3 млрд кВт/ч электроэнергии в год. Тем самым можно было бы не только
покрыть возрастающие потребности юга Казахстана в электроэнергии, но и
экспортировать ее.
По
данным Министерства энергетики и минеральных ресурсов РК, до 2030 года
планируется рассмотреть вопрос строительства ветростанций в 46 регионах
республики суммарной мощностью более 1 млн кВт/ч. После реализации проекта в
энергетическом балансе областей можно ожидать прибавления до 40 МВт
электроэнергии.
Большие возможности есть в
Казахстане и для солнечной энергетики, особенно на юге и юго-западе республики.
Количество солнечных часов в год достигает 2200–3000 часов, а годовой уровень
солнечной радиации составляет 1300–1800 Ватт/м2. Принимая во
внимание этот фактор, можно широко применять солнечные коллекторы для нужд
теплоснабжения и подогрева воды, тем самым, экономя энергоносители и уменьшая
загрязнение окружающей среды.
Если говорить в целом, то
потенциал ветровой и солнечной энергии у нас практически не востребован. В
нынешнем топливно-энергетическом балансе страны на долю ВИЭ приходится не более
2%.
ВИЭ в виде гидро- и
ветроэнергии должны найти самое широкое применение для коммерческого
производства электроэнергии. Солнечная энергия может широко использоваться для
горячего водоснабжения и в ряде случаев для автономного электроснабжения [5].
В 2008г. был разработан Проект Правительства Республики Казахстан и
Программы Развития ООН «Казахстан – инициатива развития рынка
ветроэнергетики» для местности Кордай.
Местность Кордай расположена на
юго-востоке Жамбылской области в 30 км от одноименного поселка Кордай на
границе Республик Казахстан и Кыргызстан. Данная территория представляет собой
гористую местность в горах Киндиктас с отметками высот порядка 1000-1200 метров
над уровнем моря. По данным Казгидромета средняя многолетняя скорость в районе
Кордая составляет 3,8м/с на высоте 10м. Данная площадка для строительства ВЭС
была определена Институтом «Казсельэнергопроект»*.
Жамбылская область входит в Южную энергетическую зону Республики
Казахстан, куда также входят Алматинская и Южно-казахстанская области. В Южной
зоне складывается значительный дефицит мощности (865 МВт) и электроэнергии (6,3
млрд. кВт. ч).
Дефицит мощности и электроэнергии покрывается получением
электроэнергии с севера Казахстана и импортом электроэнергии из
Центрально-азиатских республик. На перспективу до 2015 г. дефицит мощности
может возрасти до 2502 МВт, а электроэнергии – до 15,5 млрд. кВт. ч. Для
покрытия дефицита мощности и электроэнергии в Южной зоне строится вторая линии
электропередач ВЛ 500 кВ Север – Юг с вводом к 2010г. Планируется расширение и
реконструкция существующих генерирующих мощностей, строительство Балхашской ТЭС
мощностью 1320 МВт, ряда гидроэлектростанций. Таким образом, ввод
дополнительных генерирующих мощностей является актуальной задачей для
обеспечения энергоснабжения юга Казахстана.
На районном уровне на юго-востоке
Жамбыльской области располагаются два административных района, Кордайский и Шуйский.
Годовое потребление электроэнергии обоими районами составило 267,5 млн. кВтч в
2007г.
Дефицит электроэнергии в районах на
перспективу составляет порядка 103,5 млн. кВтч. Энергоснабжение Кордайского
района полностью обеспечивается поставками электроэнергии из соседней
Кыргызской Республики. С учетом значительного дефицита электроэнергии на юге
Казахстана всемерное использование местных возобновляемых источников энергии
является актуальной задачей для решения задачи обеспечения энергоснабжения районов.
В рамках данного исследования рассмотрены
варианты строительства ветроэлектростанции (ВЭС) мощностью 16,5 МВт и 41,25 МВт
для частичного покрытия электрических нагрузок районов.
Площадка в районе перевала Кордай подходит для строительства ВЭС.
Площадка имеет достаточный ветровой потенциал со средней многолетней скоростью
6,6 м/с на высоте 80м, который может быть использован для производства
электроэнергии ветротурбинами с коэффициентом использовании мощности 26,6%.
Возможные объемы производства электроэнергии от ВЭС зависят от мощности ВЭС и
могут составить порядка 38 500 МВтч для ВЭС мощностью 16,5 МВт и 96 200 МВтч
для ВЭС мощностью 41.25 МВт. Вблизи площадки проходят высоковольтные линии
электропередач. Имеется железнодорожное и автомобильное сообщение, что делают
возможным доставку на площадку оборудования ВЭС.
Цена за электроэнергию на шинах ВЭС для такого проекта должна быть
достаточна для привлечения инвестиций и способна обеспечить его окупаемость за
средние сроки. Приблизительная цена на электроэнергию от ВЭС может составлять
порядка 13,8 тг/кВтч для обеспечения внутренней нормы доходности проекта на
уровне 12%. Предполагается, что такой уровень цен на электроэнергию у
потребителей в Жамбылской области может быть достигнут к 2015г. Цена на электроэнергию
от ВЭС должна быть уточнена при дальнейшей детальной проработке проекта с
учетом стоимости оборудования и схем финансирования проекта.
В целях оказания поддержки использованию возобновляемых источников
энергии в Правительстве РК на рассмотрении находится законопроект «О поддержки
использования возобновляемых источников энергии». В случае принятия этого
законопроекта проекту ВЭС в Кордае может быть оказана необходимая
законодательная поддержка, что позволит обеспечить экономическую
привлекательность проекта для инвесторов и осуществить этот проект без
удорожания стоимости электроэнергии у потребителей [6].
При построении распредсети,
и выполнении релейных защит генерация в распредсеть может вылиться в
непредсказуемые последствия. Потому что нарушается принцип построения
распередсети - она из разомкнутой
превращается в замкнутую.
В разомкнутой
распредсети два источника питания все время работают
раздельно и включаются в параллель (сеть становится замкнутой) только на
момент оперативных переключений, чтобы при выводе в ремонт оборудования
не гасить потребителей, при этом два источника работают в параллель 5-20 минут,
не более.
Рисунок 1 – схема разомкнутой распределительной сети
Во времена СССР в Ленинграде
была экспериментальная замкнутая распредсеть, но она не прижилась, так как она
требовала сложных направленных защит и совершенно другого подхода к
оперативному обслуживанию, хотя надежность ее выше. Такие сети
развивались в США, в Европе изначально, со становлением энергетики, поэтому генерация
в распредсеть - там дело нормальное.
Рисунок 2 – схема замкнутой распределительной сети
Нужно отметить также, что современные средства
диспетчерско-технологического управления, которыми располагают сегодня
диспетчера распредсети 10-6 кВ, не позволяют вести контроль перетоков в
распредсети. Вопросы реагирования существующих схем релейных защит на разные
режимы генерации в распредсеть сегодня тоже мало изучены. А они требуют
глубокого анализа и исследования.
Рисунок 3 – схема распределительной сети с генерацией
Какие выходы из сложившейся ситуации?
Ответы есть:
1.разработать концепцию работы замкнутых
распредсетей;
2.привести в соответствие с этой концепцией
руководящие документы по релейной защите, по оперативному управлению ;
3.привести в соответствие с новыми условиями саму
релейную защиту;
4.усовершенствовать в соответствии с новыми
условиями средства диспетчерско-технологического управления для диспетчеров
распредсети;
5.выработать четкий регламент взаимодействия
оперативного персонала с персоналом генерирующих источников.
Что же делать на данный момент уже
установленным генерирующим источникам? У них есть два выхода:
1.
работать изолированно от
энергосистемы, и при этом можно продавать излишки электроэнергии ближайшим
потребителям;
2.
работать параллельно с
распредсетью, но с «нулевым перетоком» (не выдавая электроэнергию в сеть,
используя распредсеть только для поддержания стабильности частоты и гашения
пиковых набросов нагрузки).
Подводя итоги, можно сказать, что нерешаемых вопросов не бывает, но
нужны конкретные действия, а не бездумное подражание и копирование половины
технологических решений энергосбережения развитых стран [6].
Список литературы
1.
Публикация из
материалов конференции:
Воропай
Н.И. Распределенная генерация в
электроэнергетических системах //
Матер. Междунар. научно- практической конф., « Малая энергетика-2005», 2005.-С.
9-11
2. Книга:
Ольховский Г.
Г. Пути развития мировой энергетики // Электрические станции. – Москва, 1999. –
С. 16-28
3. Журнал:
Агроскн В. Распределённая генерация,
перспективы и проблемы //ЭСКО №7(19) июль 2003.- С. 5-8
4. Электронный
ресурс:
-URL: http://elektrovesti.net (дата обращения:
12.07.2012)
5. Журнал:
Диксон П.Дорошин Г. Солнце, воздух и вода...как альтернатива
традиционной энергетике Казахстана// Международный деловой журнал
KAZAKHSTAN №3, 2006 год. – С. 9-12
6. Электронный
ресурс:
Мальков А.Ю. Генерация в распредсеть 10 кВ. Хорошая идея, плохая реализация. [Электрон.ресурс].- 2009. -URL: http://energobelarus.by (дата обращения:
12.07.2012)