Научные проблемы распределенной генерации

УДК 621.311.25

НАУЧНЫЕ ПРОБЛЕМЫ РАСПРЕДЕЛЕННОЙ ГЕНЕРАЦИИ

С.А. ЕРОШЕНКО, А.А. КАРПЕНКО, С.Е. КОКИН, А.В. ПАЗДЕРИН Уральский государственный технический университет - УПИ

Распределенная генерация представляет все больший интерес для энергетики. В статье проводится анализ зарубежной литературы, на основе которого выявлена научная проблематика по данной тематике. Также обозначены основные преимущества и недостатки внедрения распределенной генерации в распределительную сеть.

Ключевые слова: распределенная генерация, распределительная сеть, определение, классификация, научная проблема.

На протяжении многих десятилетий, вплоть до конца XX века, мировая энергетика развивалась по пути повышения концентрации и увеличения единичных мощностей. В целях повышения КПД увеличивались мощности энергетических установок, повышались уровни номинального напряжения электрических сетей. За эти годы были созданы большие электроэнергетические системы (ЭЭС), покрывающие своей сетью огромные территории, синхронные зоны которых насчитывали сотни электростанций с установленной мощностью в сотни гигаватт. Для обеспечения работы единых ЭЭС создавались многоуровневые иерархические системы диспетчерского управления, которые позволяли управлять режимами работы, повышать надежность, экономичность ЭЭС и восстанавливать электроснабжение после аварий. Централизованный путь развития энергетики привел к возникновению энергетических корпораций, монопольно обеспечивающих энергоснабжение потребителей на своей территории и совмещающих все основные виды энергетического бизнеса: выработку, транспорт, продажу (сбыт) энергии, диспетчеризацию, ремонты, техобслуживание и другие вспомогательные услуги.

Либерализация электроэнергетики, распространившаяся в конце XX века практически повсеместно, привела отрасль к конкуренции и существенно снизила ее монопольный характер. В немалой степени этому процессу способствовало развитие новых энергетических технологий, связанных со снижением единичных мощностей энергоустановок и получивших название «распределенная генерация» (РГ). Новый уровень развития технологий позволяет рассматривать РГ как альтернативный, по отношению к централизованной энергетике, путь обеспечения потребителей электрической энергией.

РГ - принципиально новое явление в энергетике. Вследствие этого, как показал анализ литературы по данной проблеме, для термина РГ пока еще отсутствует общепринятое определение. В зарубежной литературе для понятия «распределенная генерация» используется различная терминология и

© С.А. Ерошенко, А.А. Карпенко, С.Е. Кокин, А.В. Паздерин Проблемы энергетики, 2010, № 11-12

определения. Например, в Австралии часто используют термин «встроенная генерация», в странах Северной Америки - термин «рассредоточенная генерация», в Европе и некоторых азиатских странах - «децентрализованная генерация». Помимо терминологии существенно отличается и классификация устройств РГ, в частности классификация по установленной мощности. На международном уровне эти различия обусловлены особенностями политического и экономического устройства и геополитического местоположения. Например, особенности энергетики Великобритании и Уэльса, где генерация мощностью менее 50 МВт не принимает участия на оптовом рынке электроэнергии, а диспетчеризация осуществляется только для станций мощностью более 100 МВт, логически обуславливают классификацию РГ как устройств с установленной мощностью менее 100 МВт. В Швеции верхним пределом мощности малой генерации является мощность в 1,5 МВт. Это связано с тем, что шведское законодательство в области энергетики рассматривает единичную установленную мощность агрегата, а не станции в целом. Например, ветровая ферма, состоящая из сотни ветрогенераторов мощностью по 1,5 МВт каждый, является объектом малой генерации.

Отличие классов напряжений для передающей и распределительной сетей в разных странах также создает барьер для четкой формулировки определения понятия малой генерации. Поэтому в данном случае будет уместно проводить различия по области компетенции энергетических компаний, связанных с передачей и распределением.

Эти и многие другие особенности международного характера затрудняют формулировку общего определения РГ, учитывающего особенности расположения и классификации данных устройств. Поэтому в качестве вводного примем следующее определение: «распределенная генерация - это энергетические ресурсы, мощностью не более 100 МВт, устанавливаемые как с питающей стороны, так и со стороны потребления, которые могут иметь повсеместное применение в распределительных сетях для обеспечения надежного электроснабжения потребителей» [1].

В последнее время все большее число научных публикаций зарубежных ученых связано с вопросами РГ. Этому способствует тот факт, что во многих экономически развитых станах Европы и в США доля электроэнергии, вырабатываемой в системах РГ, находится на уровне 15-30 %. Причем существенную долю РГ составляет энергия, получаемая из возобновляемых источников. В станах Европы на возобновляемых источниках к 2020 году прогнозируется выработка 20 % электроэнергии, а в США к 2030 году 30 %. В нашей стране развитие РГ также происходит бурными темпами, но практически без внедрения установок, использующих возобновляемые источники энергии. Это, в первую очередь, газотурбинные и газопоршневые установки мощностью до 30 МВт, которые устанавливаются крупными промышленными предприятиями со своей стороны границы балансовой принадлежности для снижения объемов энергии, покупаемой у энергоснабжающей компании. Крупные потребители обратили внимание на РГ прежде всего в силу постоянного роста тарифов на электрическую энергию, высокой платы за присоединение к электрическим сетям, а также инвестиционной привлекательности проектов по развитию.

По оценкам специалистов Системного Оператора в зоне ответственности Тюменьэнерго в 2009 году мощность установок РГ у потребителей превысила 800 МВт, а в Свердловской области эта цифра находится на уровне 250 МВт. В

ближайшие годы следует ожидать существенного роста мощностей РГ, в том числе и на возобновляемых источниках.

Настоящая статья ставит своей целью дать краткую характеристику систем РГ и на основе анализа зарубежной литературы обозначить основные научные проблемы по данной тематике.

Существует два основных типа классификации устройств РГ [2]. Первая классификация рассматривает установленную мощность генераторных установок:

- микро (1 Вт - 5 кВт);

- малые (5 кВт - 5 МВт);

- средние (5МВт - 50 МВт);

- крупные (50 МВт - 300 МВт) (редко используются).

Следующая классификация основана на технологии производства электроэнергии:

- возобновляемые;

- блочные;

- когенерационные.

РГ, основанная на возобновляемых источниках энергии, рассматривается как наиболее благоприятная для окружающей среды. Блочная РГ состоит из отдельных модулей, которые могут быть изготовлены и пущены в работу за небольшой промежуток времени при наличии большого спроса на электроэнергию. Когенерационные установки позволяют использовать как электричество, так и тепло, вырабатываемое в процессе работы генераторной установки.

Для систем РГ используются следующие технологии [3].

Малые газотурбинные установки и микротурбины

По существу, турбины используют технологию, схожую с используемой в реактивных двигателях. Эти устройства имеют низкий КПД, однако он может быть значительно увеличен за счет использования когенерационного принципа работы. Эти установки являются шумными, однако они производят меньшее количество выбросов вредных азотосодержащих газов, чем другие типы генераторных установок.

Поршневые двигатели

Эти установки используют цилиндры и поршни, как и двигатели внутреннего сгорания автомобилей, имеют более высокий КПД, но требуют больших затрат на обслуживание. Поршневые двигатели более шумные и выбрасывают в атмосферу большое количество углекислого газа и азотосодержащих газов.

Солнечные батареи

Технология использования солнечных батарей является абсолютно чистой с экологической точки зрения. Также невелики эксплуатационные расходы. Тем не менее, существует ограничение по расположению устройств данного типа, кроме того они требуют значительных капитальных вложений. Более того, без дополнительного ввода устройств аккумулирования электроэнергии выходная мощность солнечных батарей неравномерна.

Ветровые генераторы

Ветровые генераторы, также как и солнечные батареи, являются абсолютно чистой технологией производства электроэнергии. Чаще всего они используются в виде так называемых ветровых ферм (не относятся к РГ). Тем не менее, ветровой

генератор может использоваться в одиночном режиме. У этой технологии имеются те же самые минусы, что и у солнечных батарей: высокая стоимость, ограниченные возможности по размещению, неравномерная выходная мощность.

Топливные элементы

На сегодняшний день доступно множество технологий для топливных элементов, однако все они используют химические реакции взаимодействия кислорода и водорода для выработки электричества. Они работают практически бесшумно и осуществляют гораздо более низкие выбросы углекислого газа и азотосодержащих веществ в атмосферу, однако обладают очень высокой стоимостью.

Мини-ГЭС

Мини-ГЭС представляют еще одну технологию выработки электроэнергии без вредных выбросов в атмосферу, тем не менее, их использование ограничено доступностью водных ресурсов.

Область применения устройств РГ может быть весьма обширной. В первую очередь, это резервное (аварийное) электроснабжение, возможность покрытия пиковой нагрузки, экспорт энергии в распределительную сеть, когенерационный принцип работы, выработка реактивной мощности и регулирование уровня напряжения, «островная» работа во время аварий в распределительной сети.

Совместная выработка тепла и электричества более известна как когенерация. Эта технология приводит к значительному увеличению КПД в сравнении с автономными синхронными генераторами. В отличие от централизованной выработки, электрическая и тепловая энергия, вырабатываемая когенерационными установками, используется вблизи места ее производства и не требует сооружения протяженных транспортных сетей. Когенерационные установки являются очень практичными и легко реализуемыми при одновременной потребности как в тепле, так и в электричестве, например, для больниц, университетов, заводов, городского (районного) электро- и теплоснабжения [5].

Существует два наиболее часто используемых цикла работы когенерационных установок [6]: цикл с использованием тепла отходящих газов и замкнутый цикл. Первый цикл характеризуется тем, что сначала производится электрическая энергия; для дальнейшей выработки электричества используется отбор тепла отходящих газов при производстве электроэнергии или пара от предыдущего термодинамического цикла. В случае замкнутого цикла процесс обратный: сначала идет процесс производства тепла, которое впоследствии используется для производства электроэнергии.

Теперь обратимся к научным проблемам, связанным с РГ, которые, в свою очередь, обуславливают основные направления исследований в этой области. Научная проблематика систем с РГ близка к традиционной проблематике больших электроэнергетических систем. Однако количественные отличия часто переходят в качественные, что требует изучения новых свойств и особенностей систем с РГ. Можно выделить следующие основные направления научных исследований:

- Математические и оптимизационные модели для выбора мощности и расположения различных типов объектов РГ. В качестве критериев размещения можно рассматривать снижение тарифов, снижение потерь электроэнергии, повышение надежности энергоснабжения, улучшение экологической обстановки, а также многокритериальные подходы, позволяющие осуществлять комплексную оптимизацию на стадии проектирования, строительства и эксплуатации © Проблемы энергетики, 2010, № 11-12

устройств РГ. Многие современные исследования в данном направлении идут по пути использования оптимизационных методов искусственного интеллекта, с применением адаптируемых генетических и иммунных алгоритмов, способствующих быстрому поиску оптимума в неопределенных условиях.

- Развитие методов планирования режимов работы ЭЭС при наличии ресурсов РГ. Следует отметить, что высокая доля выработки на возобновляемых источниках, режимы которых зависят от погодных условий и могут быть резкопеременными, приводит к существенным трудностям при планировании и управлении режимами работы «больших» ЭЭС.

- Регулирование уровней напряжения и реактивной мощности за счет устройств РГ, располагающихся вблизи потребителей, существенно повышает управляемость реактивной мощностью и напряжениями, но требует новых подходов для создания системы управления.

- Реконфигурация распределительных сетей, содержащих источники РГ, формирует еще одно направление исследований в данной области. В связи с увеличением числа и мощности синхронных генераторов происходит перераспределение потоков мощности в сети, а также увеличиваются токи короткого замыкания. Поэтому на стадии принятия решения о строительстве мини-станции необходимо выполнить предпроектное обследование по выбору заземления нейтрали и нормальных разрывов в сети. Эта задача особенно актуальна в сетях городов-мегаполисов с разветвленной распределительной сетью, с неравномерным суточным графиком нагрузки, большой удельной нагрузкой на источниках питания.

- Экономические аспекты РГ и управления распределительной сетью формируют отдельный блок исследований. Основной целью исследователи ставят перед собой обеспечение инвестиционной привлекательности в долгосрочной перспективе, минимизацию сроков окупаемости проектов посредством регулирования цен на энергоносители, а также снижение тарифов на электроэнергию [7, 8].

- Прогнозирование нагрузки при наличии в сети объектов РГ на возобновляемых источниках сильно усложняется по сравнению с традиционными задачами прогнозирования графиков электропотребления. Для снижения рисков, обеспечения необходимых показателей надежности и экономичности электроснабжения используются сложные математические алгоритмы. Также предлагается использование ряда новых технологий, позволяющих осуществлять прогнозирование нагрузки в режиме реального времени [9].

- Чистые и возобновляемые источники энергии представляют большой интерес для исследований. Ввиду новизны технологий «чистой» генерации многие проблемы, связанные с применением, проектированием и эксплуатацией новых энергоустановок, требуют научного обобщения. Большое внимание уделяется повышению надежности электроснабжения, вопросам регулирования частоты и напряжения в сетях с большим количеством возобновляемых источников энергии, а также оптимизации их структуры и режимов работы.

- Параллельная работа РГ с электрической сетью значительно усложняет расчет статической и динамической устойчивости. Переходные процессы в системах с РГ изучены мало и требуют научной проработки.

- Релейная защита распределительных сетей усложняется, так как сети при наличии генерирующих источников имеют более сложную конфигурацию, а все связи имеют двухстороннее питание. Современные устройства цифровой РЗА

обладают адаптивностью, таким образом основной задачей исследователей на сегодняшний день является разработка новых алгоритмов адаптивных защит распределительных электрических сетей, а также алгоритмов и программного обеспечения для устройств автоматики и регистрации событий.

- Цифровые системы управления в распределительной сети формируют отдельный блок исследований. Электрическая сеть с большим количеством смешанной генерации требует наличия сложных автоматизированных систем управления, что приводит к дальнейшему развитию систем измерения, телемеханики и связи.

- Разработки новейших цифровых технологий позволяют создавать для энергообъектов низкого напряжения цифровые системы управления с искусственным интеллектом. Автоматизация процессов выработки и потребления энергии привела к формированию понятий «умная сеть» и «умный дом», оснащенных системой интерактивного мониторинга вышеприведенных процессов, а также автоматической системой принятия решений для повышения надежности электроснабжения в аварийных ситуациях.

- Задачи проектирования и управления городскими электросетями особенно важны. Данное направление является наиболее сложным, поскольку комплексная научная проблематика включает в себя все аспекты проектирования, строительства и эксплуатации городских сетей с большим количеством РГ. Ввиду эмерджентности больших систем возникают дополнительные трудности, требующие научного осмысления. Для городских сетей в таком случае становятся актуальными проблемы восстановления питания после полной потери электроснабжения, разработка систем предотвращения лавин частоты и напряжения [9].

Большой научный интерес мировой энергетики к РГ в первую очередь обусловлен существенными техническими и экономическими преимуществами устройств данного типа перед объектами «большой» энергетики.

Среди плюсов РГ можно выделить следующие: возможность использования в удаленных населенных пунктах, снижение нагрузки отходящих присоединений, снижение потерь, возможность быстрого расширения, снижение тарифов на электроэнергию, экологическую устойчивость, участие в регулировании напряжения, повышение надежности и энергобезопасности [10].

Устройства РГ, обладая возможностью быстрого расширения, могут быть построены в короткие сроки с целью обеспечения равновесия спроса и предложения. Централизованная генерация электроэнергии проектируется для обеспечения прогнозного значения нагрузки, в связи с этим появляется необходимость крупномасштабного расширения. Таким образом, возможность быстрого расширения РГ позволяет снизить капитальные вложения и эксплуатационные издержки. Экономия также может быть достигнута за счет отсрочки модернизации или полного отказа от нее в сетевой инфраструктуре (за счет снижения перетоков по «головным» линиям от централизованных источников). Для покупателя электрической энергии экономия достигается за счет дополнительного ассортимента и гибкости. РГ сполна удовлетворяет и эту позицию покупателя.

Устройства РГ также имеют свои преимущества с экологической точки зрения, поскольку их использование при наличии соответствующей технологии значительно сокращает вредные выбросы в атмосферу. Однако экологически чистые технологии не всегда могут быть реализованы из-за высокой стоимости, пока государство не обеспечит их привлекательность для инвесторов. © Проблемы энергетики, 2010, № 11-12

Как правило, передача электроэнергии на большие расстояния при отсутствии регулирования приводит к значительным падениям напряжения. Системы РГ могут принимать участие в регулировании напряжения путем выработки как активной, так и реактивной мощности вблизи мест потребления электроэнергии, сокращая при этом потери при передаче.

РГ оказывает следующие воздействия на напряжение в сети: смягчение посадок напряжения, а также улучшение качества напряжения у потребителей. Спад напряжения - это мгновенное снижение напряжения на короткий промежуток времени (от полупериода до 1 минуты). Зачастую спады напряжения возникают из-за внезапного наброса нагрузки (например, пуск двигателей) и могут привести к нарушению правильной работы чувствительного электрического оборудования.

РГ оказывает положительное влияние на надежность электроснабжения и безопасность распределительной сети в целом (где случается около 90 % аварийных ситуаций). В некоторых отраслях недоотпуск электроэнергии оценивается десятками и сотнями тысяч долларов в час (например, провайдеры сотовой связи, фондовая биржа). Способность устройств РГ поддерживать электроснабжение при аварийных отключениях позволяет избежать значительных затрат, связанных с недоотпуском электроэнергии [10].

Несмотря на все преимущества устройств РГ, их внедрение может негативно повлиять на распределительную систему. Поскольку устройства РГ могут замаскировать рост нагрузки (что может препятствовать корректному планированию нагрузки в сети), нарушение работы генераторной установки может привести к полной потере электроснабжения. Более того, когда потребитель выставляет более жесткие требования к надежности электроснабжения, появляется необходимость иметь резервный запас генерирующей мощности, что приводит к снижению КПД установки, усложнению системы управления и, как следствие, к удорожанию системы. Проблема надежности более эффективно решается путем ухода от автономного режима работы к режиму работы параллельно с энергосистемой, что, в свою очередь, требует выполнения соответствующих технических требований и приводит к удорожанию проекта. Также существуют другие сложные технические проблемы, связанные с разработкой устройств релейной защиты, регулированием напряжения в сети, снижением гармонических составляющих, колебаний напряжения в сети, а также внедрением систем телекоммуникаций.

Выводы

1. Распределенная генерация - это инвестиционно-привлекательное и эффективное решение проблемы обеспечения электроэнергетических нужд потребителей в условиях все возрастающего уровня технологий и все увеличивающейся стоимости электроэнергии.

2. Решение вопроса о внедрении РГ требует серьезных научных разработок в области комплексного решения затронутых в статье научных проблем и разработки обобщенного понятия РГ.

Summary

Nowadays distributed generation is of great concern for power industry. In this paper we carry out an analysis offoreign literature, on the basis of which the range of

scientific problems is revealed. Also a list ofpositive and negative influences of distributed generation implementation upon distribution networks is identified.

Key words: distributed generation, distribution network, definition, classification, scientific problem.

Литература

1. D. Moskovitz, "Profits and progress through distributed resources", The Regulatory Assistance Project, Tech. Rep., 2000.

2. T. Ackermann, G. Andersson, and L. Sder, "Distributed generation: a definition", Electric Power Systems Research, vol. 57, pp. 195-204, 2001.

3. H. B. Puttgen, P. R. Macgregor, and F. C. Lambert, "Distributed generation: Semantic hype or the dawn of a new era?" IEEE Power Energy Mag., vol. 1, no. 1, pp. 22-29, Jan. 2003.

4. Government of Alberta: Agriculture and Rural Development, "Biogas (methane) overview", Website, Sep. 2008. URL: http://www1.agric.gov.ab.ca/Sdepartment/deptdocs.nsf/all/afi11109 (дата обращения: 29.04.2009).

5. Ерёмин Л.М. Комбинированное производство электроэнергии - ключ к повышению энергоэффективности // Теплоэнергоэффективные технологии. 2001. №4. С.3-9.

6. Зингер Н.М., Белевич А.И. Развитие теплофикации в России // Электрические станции, 1999. №10. С.2-3.

7. C. W. Gellings, "The concept of demand-side management for electric utilities", Proc. IEEE, vol. 73, no. 10, pp. 1468-1470, Oct. 1985.

8. P. Frase and S. Morita, "Distributed generation in liberalised electricity markets", International Energy Agency, 9, rue de la F.ed.eration. 75739 Paris, cedex 15, France, Tech. Rep., 2002.

9. S. Blazewicz, "Reliability and distributed generation", Arthur D. Little, Inc., Tech. Rep., 2000.

10. Боровков В.М., Бородина О.А. Развитие малой энергетики, как элемент стратегической программы и энергосберегающей политики России // Энергетическая безопасность. 2005: Тез. Докл. С-Пб: Ленэкспо. 2005. С.10-12.

Поступила в редакцию 17 марта 2010 года

Ерошенко Станислав Андреевич - магистрант кафедры «Автоматизированные электрические системы» Уральского государственного технического университета - УПИ. Тел.: 8-912-0333335. E-mail: stas_ersh@mail.ru.

Карпенко Александр Александрович - аспирант кафедры «Автоматизированные электрические системы» Уральского государственного технического университета - УПИ.

Кокин Сергей Евгеньевич - канд. техн. наук, доцент кафедры «Автоматизированные электрические системы» Уральского государственного технического университета - УПИ.

Паздерин Андрей Владимирович - д-р техн. наук, профессор, заведующий кафедрой «Автоматизированные электрические системы» Уральского государственного технического университета - УПИ. E-mail: pav@daes.ustu.ru.