Валерий Тюгай, член Совета директоров Казахстанской ассоциации солнечной энергетики

 Следуя мировым трендам по внедрению возобновляемых источников энергии (ВИЭ), более десяти лет назад Казахстан с принятием закона «О поддержке использования возобновляемых источников энергии» присоединился к освоению «зеленой» энергетики. Затем в рамках «Концепции перехода РК к «зеленой» экономике правительством были поставлены амбициозные цели по достижению доли ВЭС и СЭС от выработки электроэнергии не менее 3% на уровне 2020 года и в целом альтернативной энергетики 30% на уровне 2030 года и 50% - на уровне 2050 года.

Был запущен механизм государственной под­держки развития ВИЭ в виде фиксированных тари­фов, благодаря которому начался активный процесс по их внедрению, доля выработки которых в 2018 году достигла 1,3%, и продолжается дальнейший рост. С февраля 2018 года был внедрен механизм аукци­онных торгов для организации прозрачного конку­рентного отбора, снижения тарифа и оптимального размещения ВИЭ на территории Казахстана.

В настоящее время текущие уровни и темпы развития ВИЭ вызывают озабоченность Системного оператора (СО) в связи с возможным негативным влиянием ВИЭ на устойчивость энергосистемы, с уче­том следующих особенностей работы энергосистемы Казахстана:

° размещения крупных генерирующих источников вблизи топливно-энергетических ресурсов - угля в северном, газа - в западном, водных ресурсов - в юго-восточном регионах;

° высокой концентрации генерирующих мощно­стей и удаленных центров электрических нагрузок потребителей от генерации;

° площади территории более 2700 тыс. кв. км, протяженность которой с запада на восток - более 3000 км, с юга на север - 1700 км, и протяженных линий электропередачи класса напряжения 110-220­500 кВ;

° пропускной способности электрических сетей, определяемой зачастую не термической стойкостью проводников, а устойчивостью параллельной работы энергоузлов.

Вопросы влияния ВИЭ на энергосистему Казах­стана неоднократно рассматривались в ряде работ, выполняемых ТОО «Energy System Researches» (далее - ESR) совместно с международными эксперта­ми. В рамках данных работ была выполнена оценка влияния ВИЭ на работу энергосистемы Казахстана при различной степени проникновения, оценка пропуск­ной способности, динамической устойчивости, иссле­дованы существующие теоретический и фактический диапазоны маневренной генерации и др.

Очевидно, что для снижения риска негативного влияния ВИЭ на энергосистему необходимо тщатель­ное исследование режимов их работы на полной рас­четной модели ЕЭС Казахстана с учетом энергосистем РФ и Центральной Азии.

В современной теории устойчивости энергосистем принято выделять несколько ключевых аспектов (ри­сунок 1). При этом опыт ESR разработки «Схем выдачи мощности...» и других исследований для ВИЭ в Казах­стане показал, что каждый из указанных аспектов мо­жет быть определяющим в конкретном случае, однако среди них имеются наиболее распространенные.

Далее в статье рассмотрен один из таких аспектов - устойчивость узла по напряжению - и проиллюстри­рована его взаимосвязь с диапазоном регулирования реактивной мощности ВИЭ.

Устойчивость по напряжению - это способность энергосистемы поддерживать допустимый уровень напряжения во всех узлах в нормальном режиме и после возникновения возмущения. Энергосистема считается устойчивой по напряжению, если увеличе­ние генерации реактивной мощности приводит к уве­личению напряжения во всех узлах энергосистемы. Если же увеличение генерации реактивной мощности приводит к снижению напряжения для одного из узлов энергосистемы - устойчивость по напряжению нарушена.

Неустойчивость по напряжению - локальное явление, часто сопровождающееся неустойчивостью по углу, и при отсутствии превентивных мер может привести к лавине напряжений. Нарушение устойчи­вости происходит в случае нарушения баланса реак­тивной мощности, таким образом, устойчивость по напряжению зависит от типа нагрузки и соотношения активная/реактивная мощность - напряжение (P/Q-V).

Так, дополнительное потребление/генерация 50 МВар реактивной мощности приводит к изменению напряжения в узле 14 на 10%, в то же время для изменения напряже­ния на те же 10% в узле 3 требуется около 700 МВар.

Другими словами, при подключении электростанции ВИЭ требования СО по регулированию реактивной мощно­сти в различных узлах должны быть индивидуальными:

° в узле 14 необходимым условием устойчивой работы энергосистемы является расширенный диапазон регулиро­вания Q (как вариант с использованием дополнительных источников реактивной мощности - ИРМ),

° в узле 3 применение дополнительных устройств регулирования Q будет являться избыточным и приводить к необоснованному увеличению капиталовложений со снижением экономической привлекательности проекта.

В данном случае будет достаточно стандартного регу­лировочного диапазона Q, предоставляемого инверторами.

Далее приводится пример из реальной работы ESR, в которой исследовались различные аспекты устойчиво­сти, в том числе устойчивости по напряжению, в узле 1 - ПС 220 кВ в Жамбылской области и в узле 2 - подстанция 110 кВ в Туркестанской области (рисунок 4). Оба узла находятся в Южной зоне Казахстана, и присоединяемая мощность электростанции ВИЭ рассматривалась одинако­вой - 50 МВт, при этом результаты моделирования принци­пиально отличаются.

На рисунке 5 показаны QV кривые для рассматривае­мых узлов без и с учетом подключения ВИЭ. При подклю­чении ВИЭ рассмотрен наиболее узкий диапазон регулирова­ния Q = ±20 МВар (-0,4^0,4Рн - требование СО) при Р = 0 МВт.

Из рисунка видно, что при размещении ВИЭ в Турке­станской области выполнение требования СО по диапазону реактивной мощности существенно увеличивает устойчивость по напряжению на 40 МВар (= 44%) в точке подключения, в то же время при размещении ВИЭ в Жамбылской области выполнение требования приводит к увеличению устойчивости узла по напряжению лишь на 5 МВар (« 0,6%).

Приведенный пример показал, что при разработке схемы выдачи мощности ВИЭ вопросы устойчивости необходимо рассматривать более глубоко, в частности выполнять анализ устойчивости по напряжению. Выполнение данного анализа возможно только путем моделирования энергосистемы на специализированном программном обеспечении (ПО).

Исходя из опыта ESR, в целях минимизации рисков, соблю­дения баланса интересов всех участников последовательность реализации проектов ВИЭ в Казахстане следующая:

1)    На ранних стадиях рабочего проектирования для возможности учета рекомендаций и дополнительного обору­дования (при необходимости), выполняются обосновывающие расчеты по интеграции и устойчивой работе электростанции в энергосистеме с использованием специализированного ПО и математической модели оборудования ВИЭ, предоставляемой производителем (требование ПТЭ п. 701).

Среди прочих, при выполнении расчетов решается и согла­совывается с СО ряд принципиальных вопросов:

• достаточность диапазона регулирования реактивной мощ­ности, при необходимости обосновывается тип и установленная мощность дополнительных компенсирующих устройств;

• параметры участия станции в регулировании частоты и активной мощности, при необходимости корректируется состав оборудования и настройки системы управления станции (Power plant controller);

• параметры толерантности станции при глубоких сниже­ниях напряжения в энергосистеме (Low voltage ride through), при необходимости корректируется состав оборудования или настройки системы управления станции;

• показатели качества электроэнергии, вырабатываемой источником ВИЭ в точке подключения к энергосистеме, на предмет соответствия требованиям нормативных докумен­тов (отклонения по напряжению и частоте, несинусоидальность, несимметрия, доза фликера и прочие). При необходи­мости предусматриваются дополнительные мероприятия или фильтро-компенсирующие устройства.

1)    До начала пуско-наладочных работ разрабатываются и согласовываются: программа опробования напряжением (ПОН), программа комплексного опробования (ПКО) вновь смонтированного оборудования, а также программа на­турных испытаний (ПНИ) на соответствие требованиям «Правил технической эксплуатации электрических станций и сетей».

2)    Выполнение согласованных программ в процессе вво­да в эксплуатацию ВИЭ с привлечением заинтересованных сторон.

В период 2019-2020 годов по указанной последователь­ности компанией ESR выполняется сопровождение ввода в эксплуатацию ВЭС 48 МВт в районе поселка Бадамша Актюбинской области. 

    ВЫВОДЫ

1.     При разработке схемы выдачи мощности ВИЭ вопросы устойчивости необходимо рассматривать более глубоко, в частности выполнять анализ устойчивости по напря­жению.

2.     На ранних стадиях рабочего проектирования выполняются обосновывающие расчеты по интеграции и устойчивой работе электростанции в энергосистеме.

3.     До начала пуско-наладочных работ разрабатываются и согласовываются ПОН, ПКО, ПНИ на соответствие требованиям «Правил технической эксплуатации электрических станций и сетей» с привлечением заинтересованных сторон.

4.     Исследования по применяемому оборудованию должны выполняться на модели энергосистемы ЕЭС Казахстана (не локально) квалифицированными специалистами и компаниями с использованием современного программного продукта (например, DIgSILENT Power Factory, PSSE Siemens).

5.     Грамотное, с учетом опыта передовых стран планирование, моделирование и анализ оптимального размещения ВИЭ и выбора их мощности позволит избежать многих рисков при реализации проектов в Казахстане.