О стабильности энергосистем

Или о чем не расскажет Тояма Токанава -))

Наблюдать за «специалистами» на Aftershok очень забавно. Сначала все вдруг кидаются обличать ВИЭ, потом все вдруг становятся специалистами по пожарной сигнализации и пожаротушению, атомным электростанциям, химическим и отравляющим веществам, космосе, авто и много чему еще. Периодически возвращаясь опять к ВИЭ, об которой возникают постоянные зарубы.

Согласно выработанному общественному мнению в области ВИЭ, есть «ну тупые» (с) американцы, европейцы и прочие австралийцы, которые хотят попилить денег и впарить населению ветряки и солнечные панельки. В противоположность им есть очень умные люди в России, особенно на этом ресурсе, которые постоянно пытаются научить разуму первых. Не смотря на «голос разума» на ВИЭ тратятся миллиарды долларов и конца этому не видно. Все уже сошлись во мнении, что ВИЭ не так уж и дороги, в принципе, в отличии от того же атома строятся в пять-шесть раз быстрее, ну и в принципе, относительно надежны.

Однако, основной страшилкой, таким страшным сном на ночь, по прежнему является некая «пила» выработки, например, такая:

Ужос-ужос.

Считается, что при превышении определенного процента энергии, вырабатываемой ВИЭ, а также потребления над выработкой произойдет масштабный сбой в энергосистеме, блекаут и т.д. Так ли это? Попробуем разобраться.

Для начала отметим, что в изолированных энергосистемах никакой трагедии в случае превышения потребление над выработкой не происходит. И действительно, многие из нас пытались завести автомобиль с разряженным аккумулятором, стартер крутит, конечно, еле-еле, но двигатель иногда даже можно завести, или подключить к бензогенератору большую мощность, чем ту, на которую он рассчитан, опять же, в разумных пределах ничего не произойдет. И это правильно, сколько генератор выдаст, столько вы и потребите, какую бы мощность вы не подключили.

Проблемы возникают когда в сети начинают работать более одного генератора на ПЕРЕМЕННОМ ТОКЕ. Их надо синхронизировать. Возьмем хорошее описание с сайта «СО ЕЭС»:

Частота электрического тока является одним из показателей качества электрической энергии и важнейшим параметром режима энергосистемы. Значение частоты показывает текущее состояние баланса генерируемой и потребляемой активной мощности в энергосистеме. Работа Единой энергосистемы России планируется для номинальной частоты – 50 герц (Гц). Непрерывность производства электроэнергии, отсутствие возможности запасать энергию в промышленных масштабах и постоянное изменение объемов потребления требуют настолько же непрерывного контроля за соответствием количества произведенной и потребленной электроэнергии. Показателем, характеризующим точность этого соответствия, является частота.

При ведении режима ЕЭС, постоянно возникают колебания баланса мощности в основном из-за нестабильности потребления, а также (гораздо реже) при отключениях генерирующего оборудования, линий электропередачи и других элементов энергосистемы. Указанные отклонения баланса мощности приводят к отклонениям частоты от номинального уровня.

Повышенный уровень частоты в энергосистеме относительно номинальной означает избыток генерируемой активной мощности относительно потребления энергосистемы, и наоборот, пониженный уровень частоты означает недостаток генерируемой активной мощности относительно потребления.

Таким образом, регулирование режима энергосистемы по частоте заключается в постоянном поддержании планового баланса мощности путем ручного или автоматического (а чаще и того, и другого одновременно) изменения нагрузки генераторов электростанций таким образом, чтобы частота все время оставалась близкой к номинальной. При аварийных ситуациях, когда резервов генерирующего оборудования электростанций недостаточно, для восстановления допустимого уровня частоты, может применяться ограничение нагрузки потребителей.

Регулирование частоты электрического тока в ЕЭС России осуществляется в соответствии с требованиями,  установленными Стандартом ОАО «СО ЕЭС»  СТО 59012820.27.100.003-2012 «Регулирование частоты и перетоков активной мощности в ЕЭС России. Нормы и требования» (в редакции от 31.01.2017) и национальным стандартом Российской Федерации ГОСТ Р 55890-2013 «Единая энергетическая система и изолированно работающие энергосистемы. Оперативно-диспетчерское управление. Регулирование частоты и перетоков активной мощности. Нормы и требования» (далее – Стандарты).

Согласно указанным Стандартам, в первой синхронной зоне ЕЭС России должно быть обеспечено поддержание усредненных на 20-секундном временном интервале значений частоты в пределах (50,00±0,05) Гц при допустимости нахождения значений частоты в пределах (50,0±0,2) Гц с восстановлением частоты до уровня (50,00±0,05) Гц за время не более 15 минут. 

Обратите внимание на столь жесткие требования по регулированию частоты энергосистемы!

Итак, что происходит, если генерации будет недостаточно. Происходит падение напряжения, падение частоты и, соответственно, рассинхронизация и отключение питающих центров и объектов генерации, потому что не синхронизированные источники совместно работать не могут. Именно по такому сценарию происходил последний московский блэкаут, когда из-за пожара на ПС Чагино произошло падение напряжение менее 100кВ, отключение ПС Очаково и далее по каскаду стали отключаться остальные подстанции и генерирующие мощности.

Вы ничего не заметили? Правильно, дорогие мои, указанная «пила», превышение потребления над генерацией это проблема не конкретно ВИЭ, а лишь способа передачи электроэнергии, а именно, проблема обеспечения синхронизации в сетях переменного тока. В сетях постоянного тока такие проблемы просто отсутствуют.

Итак, какие есть варианты решения этой проблемы, в случае, если действительно, в будущем доля ВИЭ превысит определенный порог.

1. Начнем с потребителей:

Типовой современный импульсный блок питания (телефон, ноут, телевизор и т.д.)

Типовая схема инверторного двигателя:

Диодная лампочка:

Ну, про электрическую плитку вообще промолчу, ей без разницы.

Что же объединяют все современные бытовые электроприборы? Правильно, глазастенькие мои, они все выпрямляют переменный ток прямо сразу, на входе. Всем современным приборам НАФИГ не нужен переменный ток.

Даже электрички и большие поезда (в большинстве) ездят на постоянном токе. Т.е. вплоть до крупных промышленных потребителей, в т.ч. электродвигателей, даже больших электродвигателей переменный ток в принципе, не нужен.

1. ВИЭ

Давайте рассмотрим теперь уровень ВИЭ, в частности, возьмем ветрогенератор:

Солнечная панель действует по тому же принципу, только сразу выдает постоянный ток, без необходимости преобразования.

Круто, правда? Современный ветрогенератор может выдать любую частоту, от 0 до 400гЦ!

Т.е. выдать сразу постоянный ток.

Всему виной IGBT транзисторы, они очень сильно подешевели за последнее время, их можно каскадировать, они очень надежны.

1. Энергосистема.

Здесь все просто. Действующие и планируемые HVDC линии в ЕС.

Уже сейчас подводные линии на постоянном токе дешевле линий на переменном токе, тк подводный кабель имеет большую емкость и, соответственно, потери на реактивной составляющей. Скоро, думаю, стоимость строительства линий AC и DC сравняется. Здесь все просто, чем больше вставок HVDC, тем надежнее будет энергосистема, тк не нужна синхронизация, сколько нужно будет, столько и перетечет без взаимного влияния частоты тока.

1. Уровень электросетей.

Раньше считалось, что отключать потребителей западло. Не потому, что было жалко потребителей, а потому, что при отключении возникала дуга и после некоторого, достаточно малого промежутка времени отгорали контакты. Сейчас все большее распространение получают элегазовые выключатели:

Хоть 10 раз в день отключай.

1. Выводы.

Итак, что мы в итоге имеем:

1. В текущих энергосистемах переменного тока задача включения большого количества генерации ВИЭ действительно является большой проблемой связанной с необходимости синхронизации частоты в условиях неопределенного баланса генерации и потребления.
2. В сетях постоянного тока такая проблема, наоборот, отсутствует, в случае уменьшения генерации у вас просто упадет напряжение, при этом, почти все современные приборы к этому относятся пофигистично, достаточно взглянуть на любой блок питания или зарядку. Зарядка будет заряжать телефон, инверторный двигатель будет крутиться, плитка будет греть (правда гораздо слабее). Сколько сгенерировали, столько и потребите, на стабильность энергосистемы это никак не повлияет.
3. Современная ВИЭ генерация способна работать как на уровне потребления (на постоянном токе), так и на уровне генерации с практически любой частотой.
4. Стабильность энергосистемы с большой долей ВИЭ может быть обеспечена за счет перевода потребителя на постоянный ток, а также вставок HVDC между элементами энергосистемы. Это, конечно, не дешево, но и не так уж и заоблачно дорого, и тем более не невозможно, особенно с учетом будущего подорожания ископаемого топлива.
5. Обеспечение ответственных потребителей 1-2 категории (или соответственно отключение потребителей 3 категории) может быть решено оперативно и относительно недорого за счет современных систем переключения мощности. Более того, такие решения уже реализовываются, несколько будет в этом году, о чем возможно напишу отдельно-)