Распределённые системы и внедрение распределенной генерации. История развития, основные тенденции

Распределённые системы и внедрение распределенной генерации. История развития, основные тенденции.

Введение

Особо важные и серьезные преобразования происходят в мире. Волна децентрализации шагает по всему земному шару и затрагивает изменяющиеся пути жизни, в которых мы общаемся, работаем и отдыхаем. Организация ресурсов и людей отходит от централизованных систем к интегрированным системам, которые включают как распределенные, так и централизованные элементы. Такая тенденция широко распространена в масштабах всего общества и глобальной экономики. Телекоммуникации, вычислительная техника, розничная торговля и развлечения были все подвигнуты к децентрализации. Сегодня мы находимся на начальной стадии децентрализации в сфере высшего образования, здравоохранения и энергетики. Движение децентрализации имеет большой потенциал, чтобы включить беспрецедентное повышение производительности и улучшения качества жизни для всех.

Электрические системы находятся на волне децентрализации путем развертывания и использования технологий «распределенной энергетики». Распределенные технологии энергии, были известны с тех пор, как Томас Эдисон построил первую электростанцию в 1882 году, использующуюся сегодня все более и более масштабно для обеспечения электрической и механической энергии непосредственно на или вблизи места использования. При размещении распределенные технологии энергии создают децентрализованную систему питания, в течение которого распределенные генераторы удовлетворяют потребности в энергии по всей сети.[Иностранный источник]

ЗАКОНЧИТЬ

Распределенная генерация – явление не новое ни в России, ни в мире, так как исторически практически все источники энергии располагались вблизи узлов нагрузки. Однако в XX веке одновременно с интенсивным развитием энергоемких отраслей промышленности велось строительство тепловых и гидроэлектростанций мощностью в сотни и тысячи мегаватт, зачастую расположенных вблизи источников первичной энергии (торфа, угля, газа, водохранилищ) и вдали от крупных населенных и промышленных центров.

В прошлом объектами распределенной генерации были теплоэлектроцентрали (ТЭЦ) в населенных пунктах, блок-станции, принадлежащие или арендуемые промышленными предприятиями, и объекты средней и малой генерации (в числе последних – малые ТЭЦ и дизельные электростанции).

Внедрение объектов распределенной генерации – одно из важных направлений развития современной электроэнергетики и одно из эффективнейших средств, помогающих справиться с ростом нагрузки в крупных городах и мегаполисах. Данный подход позволяет снижать перетоки активной и реактивной мощностей по распределительным сетям 6–220 кВ, что дает значительные преимущества в виде отсутствия необходимости в проведении реконструкции распределительных сетей и/или трансформаторных подстанций (отсрочка в проведении реконструкции) с целью увеличения пропускной способности линий электропередачи и мощности силовых трансформаторов.

В последнее время в России наблюдается ежегодный рост вводов объектов распределенной генерации (РГ) в основном за счет тепловых электростанций с газотурбинными, дизельными и газопоршневыми генерирующими установками (ГУ), которые подключаются к распределительным электрическим сетям различных классов напряжения или к сетям внутреннего электроснабжения промышленных предприятий [Презентация СО ЕЭС].

Предпосылки и тенденции.

Электроэнергетика экономически развитых стран мира, в том числе, бывшего СССР, интенсивно развивалась в течение ХХ века главным образом путем повышения уровня централизации электроснабжения при создании все более мощных электроэнергетических объектов (электростанций, ЛЭП). Следствием этого явилось формирование территориально распределенных протяженных электроэнергетических систем (ЭЭС). Это позволило достичь существенного экономического эффекта, повысить надежность электроснабжения и качество электроэнергии [Энергетика. Беляев].

С начала XX века технологии традиционных паротурбинных агрегатов тепловых и атомных электростанций развивались по пути использования все более высоких параметров пара, это требовало применения более совершенных материалов котлов и турбин, при этом имела место тенденция увеличения единичной мощности установок. Все отмеченное позволяло улучшать технико-экономические параметры установок - удельные капиталовложения и постоянные текущие издержки на единицу мощности и удельные расходы топлива на единицу вырабатываемой электроэнергии. Указанная тенденция укрупнения агрегатов наблюдалась и в гидроэнергетике, хотя и в меньшей мере.

«Энергетический кризис» 70-х годов существенно дал развитие к пересмотру энергетических проблем многих стран. Поэтому,  в 1980-е годы тенденция увеличения единичной мощности установок принципиально изменилась вследствие появления высокоэффективных (до 55-60 % КПД) газотурбинных и парогазовых установок (ГТУ и ПГУ) широкого диапазона мощностей, в том числе малых - от единиц до одного-двух десятков МВт. Отличительной особенностью таких установок, особенно малых, является их высокая заводская готовность, что позволяет вводить их в эксплуатацию за период в пределах года. Одновременно появился большой ассортимент мини- и микро- ГТУ (от долей кВт до нескольких десятков кВт). На основе малых ГТУ начали сооружаться малые ГТУ-ТЭЦ для комбинированной выработки электроэнергии и тепла.

Не стоит упускать из внимания, малую энергетику на основе возобновляемых источниках энергии (ВИЭ), прежде всего ветроэнергетические установки (ВЭУ). Малые ГТУ, ПГУ и ВЭУ устанавливаются непосредственно у потребителей и подключаются к распределительной электрической сети на напряжениях 6-35 кВ. Эти тенденции развития энергетики получили название «распределенная генерация» [8-10 и др.].

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.

 

Масштабы развития

Развитие малых ГТУ-ТЭЦ происходит достаточно быстро и интенсивно. В особенности, в странах ЕС прогнозируется рост суммарной мощности ГТУ-ТЭЦ (прежде всего небольшой мощности) с 74 ГВт в 2000 г. до 91-135 ГВт в 2010 г. и 124-195 ГВт в 2020 г. (в зависимости от энергетической политики ЕС), что составляет 12% от суммарной генерирующей мощности стран ЕС в 2000 г., 15-22% - в 2020 г. [Статья].

В российских условиях уже в настоящее время малые ГТУ-ТЭЦ оказываются эффективными. Расширение сферы газификации на средние и малые города и поселки городского типа, создание рынка высокоэкономичных, с коротким сроком сооружения, быстроремонтируемых установок малых ГТУ-ТЭЦ обеспечивают их активное вовлечение в структуру генерирующих мощностей регионов страны. Так, в Астраханской области при нынешнем уровне генерации в 1060 МВт из 550 МВт электрической мощности, планируемой к вводу до 2020 г., 65,5 МВт должны составить малые ГТУ-ТЭЦ, а в более удаленной перспективе их потенциал может достигнуть 185-200 МВт. В Томской области при существующем уровне генерации в 1804 МВт к 2020 г. предполагается ввести 246 МВт, в том числе 130 МВт (53%) за счет малых ГТУ-ТЭЦ. При этом используется отечественное оборудование [Статья].

Оценки показывают, что в перспективе потенциальные возможности сооружения малых ГТУ-ТЭЦ вместо неэкономичных устаревших котельных в городах и поселках могут составить суммарную электрическую мощность в 100 ГВт, количеством 12900 штук, средней единичной мощностью 7-8 МВт, а в максимальном варианте – соответственно 175 ГВт, 84000 штук, средней единичной мощностью 2-3 МВт [5]. Реалистичные прогнозы дают в целом по стране 25-35 ГВт к 2020 г. и 35-50 ГВт к 2050 г. малых ГТУ-ТЭЦ, т.е. до 10-15% от суммарной установленной мощности генерации [13].

В последние годы использование ВИЭ для производства электроэнергии получило во многих странах значительное развитие, особенно за счет использования энергии ветра (рис. 1) [Иностр.источник]. В настоящее время суммарная установленная мощность работающих в мире ВЭУ составляет более 318 ГВт [Иностр. Ист.], наибольшая по мощности единичная ВЭУ - 4,5 МВт - введена в Германии [15]. Основные вводы ВЭУ приходятся на европейские страны - Германию, Данию, Великобританию, Нидерланды, Испанию, Швецию, Италию (рис. 2). Потенциал ветроэнергии имеется и в России [4, 7].

 

Рисунок 1. Выработка электроэнергии на ВИЭ с 2000 по 2013 гг.

Рисунок 2. Выработка электроэнергии на ВИЭ в ТОП – 10 странах

Следует отметить, что в 2000 г. в России работали 12 ВЭУ (суммарная мощность 7,2 МВт), 2 геотермальные установки (23 МВт), 59 малых ГЭС в диапазоне мощностей 0,5-30 МВт (513 МВт), около 100 мини-ГЭС мощностью менее 0,5 МВт (40 МВт), 11 установок на биомассе (523 МВт). Все это составляет всего 0,5 % установленной мощности электростанций России. Согласно энергетической стратегии России на период до 2020 года [16] потенциал возобновляемых энергоресурсов в стране достаточно велик (табл. 1), однако при этом установленная мощность ВИЭ прогнозируется лишь в следующих объемах: ВЭУ - 1-1,2 ГВт; малые и мини-ГЭС - 2,5-3 ГВт, геотермальные установки - 0,25-0,3 ГВт, что составляет весьма незначительную долю от суммарной генерации на этот период.

Между тем, в мире накоплен достаточно богатый опыт экономического стимулирования ВИЭ [17]. Основными формами такой поддержки являются:

• субсидии и кредиты по низким процентным ставкам; гарантии по банковским ссудам;
• установление фиксированных закупочных цен на энергию, вырабатываемую на основе ВИЭ;
• освобождение от уплаты налога на часть прибыли, инвестированной в нетрадиционную энергетику; - предоставление режима ускоренной амортизации; финансирование НИОКР в области нетрадиционной энергетики.

 

 

Таблица 1. Потенциал возобновляемых энергоресурсов в России, млн. т угольного эквивалента

Энергоресурс	Потенциал
	Теоретический	Технический	Экономический
Энергия малых рек	360	125	65
Энергия биомассы	10000	53	35
Ветровая энергия	26000	2000	10
Геотермальная энергия	Огромный	180	115
Солнечная энергия	2300000	104	13
Низкотемпературное тепло	525	115	36

 

Электроэнергетические системы будущего

Символически системы будущего можно представить как на рисунке 2, где 1 - промышленные потребители, 2 - социально-бытовые потребители, 3 -традиционные крупные электростанции, 4 - малые ГТУ-ТЭЦ, 5 - мини- и микро-ГЭС, 6 - ВЭУ, 7 - солнечные электростанции, 8 - топливные элементы, 9 - поршневые двигатель-генераторы, 10 - накопители энергии, 11 - биогаз. Как видно из этого рисунка, ЭЭС будущего должны сочетать крупные источники электроэнергии, без которых проблематично электроснабжение крупных потребителей и обеспечение целесообразных темпов роста электропотребления, а также распределенную генерацию. Крупные электростанции имеют трансформацию на напряжения 110 кВ и выше и выход в основную сеть высших напряжений, осуществляющую транспорт электроэнергии до крупных центров потребления.

Рисунок 3. Электроэнергетические системы будущего

 

Технические особенности и проблемы.

Подобная трансформация ЭЭС будущего придает им положительные качества, однако создает и определенные проблемы. Основные изменения в ЭЭС в связи с появлением распределенной генерации сводятся к следующим:

• Развитие распределенной генерации разгружает как основную, так и распределительную сеть, что способствует снижению потерь электрической энергии повышению надежности и устойчивости ЭЭС и вносит дополнительные возможности в реализацию рынков электроэнергии ,освобождая пропускные способности связей [19-24].

• В то же время, распределенная генерация - это новые элементы ЭЭС, во многом с новыми динамическими характеристиками и возможностями управления. Так, ВЭУ имеют переменный режим работы, который при больших суммарных мощностях ВЭУ может создавать проблемы при управлении режимами ЭЭС, регулировании частоты, требуется резервирование по мощности до 50% от мощности ВЭУ и др. [22, 25-27]. При очень сильном ветре ВЭУ останавливаются, что при больших их суммарных мощностях может оказаться экстраординарным возмущением в ЭЭС, могущим привести к нарушению устойчивости системы и каскадному развитию аварии [21, 24, 27]. Малые ГТУ имеют уменьшенную, по сравнению с традиционными агрегатами тепловых и гидравлических электростанций, постоянную инерции, отличные от больших агрегатов характеристики систем регулирования [22, 28, 29]. К настоящему времени имеются некоторые исследования влияния распределенной генерации на свойства ЭЭС в установившихся и переходных режимах, однако эта проблема находится еще в начальной стадии изучения и более-менее уверенные выводы и рекомендации делать пока преждевременно.