Введение
Энергетика России развивается по двум направлениям, представляющая большую и малую (распределённую) энергетику. При этом распределённая энергетика по значимости не уступает большой. В число распределённой энергетики относятся установки мощностью до 30 МВт, которые развиваются на базе традиционной с использованием дизельной, газопоршневой или газотурбинной электростанции и нетрадиционной на основе возобновляемых источников энергии (ВИЭ) [1].
Наиболее перспективным направлением в развитии распределённой энергетики являются многофункциональные энерготехнологические комплексы (МЭК) модульного типа на базе гибридных энергоустановок. Под многофункциональностью следует понимать возможность такого комплекса производить из местных топливно-энергетических ресурсов моторные топлива, электрическую и тепловую энергию. Использование местных энергоресурсов позволит решить многие вопросы энергоснабжения, улучшить социально-экономическую и экологическую обстановку [2].
МЭК позволяет объединить все типы энергетических установок, предназначенных для производства прежде всего электрической и тепловой энергии. При этом в составе МЭК возможны энергоустановки на базе ВИЭ. В условиях роста цен на энергоносители традиционные источники становятся затратными, в то время как ВИЭ позволяют снизить затраты на потребляемую энергию за счёт экономии органического топлива [3–5].
Развитие возобновляемой энергетики в мире приняло устойчивый характер и достигает в развитых и развивающихся странах 10–25 % ежегодной выработки электроэнергии. Самые крупные энергоустановки на базе ВИЭ применяются в таких странах, как: США, Китай, Германия [ветрофермы и солнечные фотоэлектрические станции (ФЭС)]; Франция (приливные электростанции), Япония, Южная Корея (солнечные ФЭС); Италия, Исландия (геотермальные станции) [6, 7].
Из всех направлений ВИЭ ветроэнергетические установки (ВЭУ) в настоящее время являются наименее капиталоёмкими и более конкурентоспособными. Среди самых больших по установленной мощности ветроэлектрических станций (ВЭС), например, наземная ВЭС мощностью 1,55 ГВт в штате Калифорния (США) и морская ВЭС мощностью 210 МВт в Северном море на западном побережье Ютландии (Дания). По фотоэлектрическим станциям лидирует КНР с общей установленной мощностью 15 ГВт, из строящихся установок выделяется возводимая в штате Калифорния (США) ФЭС мощностью порядка 550 МВт [5, 8].
В России суммарная установленная мощность электрогенерирующих установок, использующих ВИЭ (без учёта ГЭС установленной мощностью более 25 МВт), не превышает 2,2 ГВт. Они вырабатывают около 8,5 млрд кВт·ч электроэнергии, что составляет примерно 1 % от общего объёма производства электроэнергии в РФ [9].
Общая тенденция развития возобновляемой энергетики в России с 2000 года имеет положительную динамику. Действует Постановление Правительства РФ от 28 мая 2013 года №449 «О механизме стимулирования использования возобновляемых источников энергии на оптовом рынке электрической энергии и мощности». Постановление рассматривает поддержку гидро-, ветрои солнечных электрогенерирующих установок мощностью более 5 МВт. Уже запущены и действуют солнечные электростанции (СЭС) на Алтае, в Оренбургской области и республике Башкортостан. Данный опыт может быть распространён и на ВЭС, уже существуют соответствующие проекты и производится их реализация в Ульяновской области.
В России, согласно правительственному Постановлению от 8 января 2009 года №1-р, планируется к 2025 году увеличение доли ВИЭ в энергетике до 4,5 % (без учёта больших ГЭС) [15]. При подготовке данного постановления был использован проект, определявший долю ВЭС в выработке электроэнергии 17,5 млрд кВт·ч при суммарной мощности ВЭС, равной 7,0 ГВт [5].
В настоящее время суммарная мощность ветроэнергетических установок в России составляет 103 МВт [9]. В перспективе следует ожидать её роста для достижения поставленной цели.
Таким образом, использование ВЭУ в системе распределённой генерации в целом является актуальной задачей. Для эффективного их использования необходимо определить условия их выбора и функционирования.
Постановка задачи и её решение
Для строительства ВЭС важно определить её состав и условия эффективного использования ВЭУ в зависимости от ветроэнергетических ресурсов местности и требуемых затрат на установки. Анализ стоимостных показателей существующих ВЭУ [4] позволил получить зависимость удельной стоимости от установленной мощности (рис. 1).
Анализ данных показывает, что по затратам для обеспечения потребной мощности лучше использовать несколько ВЭУ, объединённых в ВЭС. Так, например, для обеспечения потребной мощности более 100 кВт экономически выгоднее использовать несколько ВЭУ мощностью по 50 кВт.
Количество ВЭУ и суммарная мощность ВЭС, соответственно, зависят от режимов выработки и потребления электроэнергии. По сути, необходимо учитывать случайный характер поступающей ветровой энергии и график изменения электрической нагрузки. На практике по ежегодным измерениям несложно установить график изменения электрической нагрузки, как в электрических сетях, так и на вводе потребителя. Тогда после согласования графика изменения электрической нагрузки с режимом поступления ветровой энергии можно определить установленную мощность ВЭС.
Например, в условиях Челябинской области исследованы графики изменения мощности ветрового потока [4] и электрической нагрузки в сети [10]. Результаты исследования приведены на рис. 2.
Сравнительный анализ графиков мощности ветрового потока (сплошная линия) и электрической нагрузки (пунктирная линия) показывает, что количество вырабатываемой энергии от ветроэнергетической установки увеличивается днём, а ночью уменьшается, как и электрическая нагрузка. Совпадение максимумов мощности ветрового потока и электрической нагрузки, как в летний, так и в зимний периоды, позволяет снизить потребление электроэнергии от существующей системы электроснабжения во время максимальных нагрузок, когда наблюдаются максимальные потери электроэнергии при её передаче.
Эффективность использования ВЭС зависит от необходимых затрат на выработку электроэнергии от ветроэнергетической установки и передачу её непосредственно до потребителей.
Для минимизации затрат на выработку электроэнергии от ветроэлектрической станции предложена математическая модель [4, 11].
Данная модель позволяет определить основные показатели ВЭС, а также установленную мощность ВЭУ в зависимости от ветровых условий местности и характеристики потребителя:
где Свыр — удельные затраты на выработку электроэнергии, руб/кВт·ч; хi — количество i-х ВЭУ в составе ВЭС; Wуд.ВЭУi — удельная выработка электроэнергии от ВЭУ, кВт·ч/м²; а — суммарные ежегодные отчисления на реновацию и текущий ремонт ВЭУ; Куд.ВЭУi — удельные капиталовложения на ВЭУ, руб/м².
Для исследования целевой функции приняты следующие ограничения:
где Р — мощность рассматриваемого типа ВЭУ, кВт; d — диаметр ветроколеса, м; Ррасч — расчётная нагрузка, кВт; S — площадь имеющейся территории, м²; Wуд — ветроэнергетический ресурс с удельной площади территории, кВт·ч/м².
В представленной модели важно установить ограничение по мощности ВЭС. Если её принять равной расчётной нагрузке электрической сети, следует ожидать недоиспользование мощности ВЭС в условиях снижения нагрузки. При этом себестоимость вырабатываемой электроэнергии от ВЭС будет выше ожидаемой.
Для эффективного использования ветроэлектрических станций предлагается согласовать мощность ветрового потока с электрической нагрузкой. Согласно приведённому графику электрической нагрузки предлагается ограничить мощность ВЭС по минимальной нагрузке, являющаяся базовой, которая составляет почти 50 % максимальной мощности.
Тогда для полного использования мощности ВЭС следует принять её мощность равной базовой Рmin, и ограничение по мощности примет вид:
ВЭС по данному условию будет замещать только часть потребляемой электрической энергии. Для полного обеспечения потребной энергии ВЭС должна работать совместно с традиционным источником электроэнергии.
Для эффективного использования ВЭС также необходима минимизация затрат и на передачу электрической энергии. Для этого необходима компоновка схемы ВЭС с установкой центрального пункта для сбора потока мощности от всех ВЭУ для дальнейшей передачи её в электрическую сеть или непосредственно потребителям.
Для эффективной передачи электрической энергии потребуется трансформация напряжения после согласования напряжений источника и существующей электрической сети. Трансформаторная подстанция, как правило, повышающая напряжение, может быть установлена в центре электрических нагрузок — внутри занимаемой территории ВЭС. Такая компоновка схемы с центральным пунктом сбора и передачи электроэнергии (ЦП) позволяет минимизировать потери и затраты в целом.
Тогда для определения условий передачи электроэнергии следует выделить затраты на передачу электроэнергии по внутренней (от самих ВЭУ до ЦП) и по внешней сетям (от ЦП до электрической сети или потребителей). При этом для минимизации затрат на передачу электрической энергии возможно эффективно объединять несколько ВЭУ, связанных с ЦП линиями электропередачи.
Для минимизации затрат на передачу электрической энергии от ВЭС предложена целевая функция, позволяющая определить показатели электрической сети в зависимости от количества ВЭУ:
где Спер — удельные затраты на передачу электроэнергии, руб/кВт·ч; ni — количество i-х ВЭУ; ΣW — суммарная выработка электроэнергии от ВЭС, кВт·ч; Куд.эс — капиталовложения на электрическую сеть ВЭС, руб.; b — ежегодные суммарные отчисления на содержание электрической сети ВЭС в рабочем состояний.
При исследовании необходимых затрат на передачу электроэнергии следует принять ограничение:
поскольку оптимальное количество ВЭУ в составе ВЭС при решении целевых функций (1) и (4) могут отличаться.
В случае, если оптимальное количество ВЭУ ni для передачи электроэнергии меньше оптимального количества для её выработки xi , предлагается разделить ВЭС на несколько ветропарков. При этом каждый ветропарк представляет собой группу ВЭУ, подключённых к одному центру питания, возможно, и с трансформаторной подстанцией (рис. 3).
Совместное решение целевых функций (1) и (4) показали, что существуют экономически выгодные ВЭС, состоящие из одного или нескольких ветропарков.
После выбора ВЭС с оптимальными параметрами, обеспечивающими минимальные затраты на выработку и передачу электрической энергии, несложно определить удельные затраты на электроснабжение в целом. При этом согласно условию (3) необходимо учитывать совместную работу ВЭС с традиционным источником и долю электрической энергии, передаваемую по электрической сети или потребляемую электроприёмниками.
Удельные затраты на электроснабжение от комбинированной системы должна учитывать затраты на электроэнергию от традиционного источника. Тогда стоимость электроэнергии при использовании ВЭС совместно с традиционным источником в системе электроснабжения можно определить по выражению [12]:
где Cт — стоимость электроэнергии от традиционного источника, руб/кВт·ч; СВЭС — стоимость электроэнергии от ВЭС, руб/кВт·ч; f — доля замещаемой электрической энергии от ВЭС.
ВЭС может вырабатывать электроэнергию в электрическую сеть или конкретному потребителю. Тогда, например, при средней цене электроэнергии от традиционного источника 6 руб. и от ВЭС 4 руб. за 1 кВт·ч, стоимость электроэнергии от комбинированной системы при f = 0,5 может составить:
Сс = 6 × (1 – 0,5) + 4 × 0,5 = 5 руб/кВт·ч.
Полученный результат показывает снижение удельных затрат на передаваемую электрическую энергию на 1 руб. за 1 кВт·ч или на 17 %. В условиях выхода ВЭС на оптовый рынок электрической энергии, согласно Постановлению Правительства РФ №449, окупаемость электростанции может сократиться из-за роста стоимости электроэнергии в пиковые часы спроса на электроэнергию.
Заключение
Одним из способов энергосбережения посредством снижения потерь энергии, особенно при её передаче, является развитие распределённой генерации на основе многофункционального энерготехнологического комплекса, который служит для производства электрической и тепловой энергии. При этом в условиях роста затрат на традиционные энергоносители в составе МЭК возможно использование возобновляемых источников, в частности, ветроэлектрических установок.
Развитие ветроэнергетики в системе распределённой генерации способствует повышению её энергоэффективности и снижению затрат на потребляемую энергию. Для распределённой генерации на базе ВЭУ важно определить условия выбора источников энергии с оптимальными параметрами.
Для эффективного электроснабжения потребуется несколько ВЭУ в составе ВЭС, количество которых следует оптимизировать по объёму вырабатываемой электроэнергии. При этом для снижения затрат на передачу электрической энергии необходимо сначала объединить их в составе ветропарка с центром сбора и передачи энергии. Ветропарки, в свою очередь, могут быть объединены в составе одной ВЭС для минимизации затрат на выработку электрической энергии.
В качестве примера рассмотрены условия выбора ВЭС в составе многофункциональных энерготехнологических комплексов. Результаты исследования в условиях Челябинской области показывают, что при замещении передаваемой электроэнергии от ВЭС на 50 % её стоимость снижается примерно на 17 %.
