Торговля электроэнергией влияет на колебания частоты в электросети

Торговля электроэнергией оказывает в Европе большое влияние на колебания частоты в электросети. К такому заключению недавно пришли ученые Беньямин Шефер и Марк Тимме из Института динамики и самоорганизации Макса Планка в Геттингене, а также Дрезденского технологического университета вместе с коллегами из Юлиха, Лондона и Токио.

Согласно их исследованию, особенно сильные колебания частоты в европейской сети происходят каждые 15 минут. А это как раз те самые временные окна, в течение которых осуществляется торговля электроэнергией. Именно торговля электроэнергией определяет, сколько электроэнергии может подавать в сеть каждый из производителей электроэнергии. При переходе от одного временного окна к следующему, производители соответственно регулируют свою производственную мощность.

В своем исследовании ученые изучили вопрос о том, действительно ли возобновляемые источники энергии так резко, как часто заявляется, влияют на частоту в сети и, следовательно, на надежность поставок электроэнергии. Сравнение различных сетей показало, что колебания частоты в более мелких сетях и в сетях с более высокой долей электроэнергии из возобновляемых источников больше, чем в крупных сетях. Например, в сети Соединенного Королевства по сравнению с континентальной европейской сетью, в которую также входит и Германия. Чтобы получить представление о значимости этих колебаний частоты, они сравнили их с колебаниями, вызванными переходами от одного торгового периода к другому через каждые пятнадцать минут. «В абсолютном выражении эти колебания все еще меньше, чем скачки в моменты торговли», — говорит Шефер. Колебания каждые 15 минут в среднем превышают все другие влияния на сеть, сообщает автор исследования Шефер в ответ на запрос журнала pv magazine.

Данные, предоставленные сетевыми операторами, указывают на то, что колебания частоты в сети за последние два-три года значительно не увеличились, что, по словам Шефера, может быть связано с увеличением расходов на диспетчеризацию со стороны сетевых операторов. «В будущем я со все определенностью ожидаю возникновения больших колебаний при подаче электроэнергии в сеть, а, следовательно, и колебаний частоты, если правилами торговли и правилами подачи электроэнергии из возобновляемых источников не будут приняты меры по автоматическому выравниванию частоты, например, за счет систем промежуточного хранения электроэнергии», — говорит Шефер.

Согласно исследованию, статистические данные о колебаниях в сети вокруг заданного значения в 50 Герц не следуют нормальному распределению Гаусса. Здесь гораздо более вероятны экстремальные колебания, чем при нормальном распределении. По словам Шефера, фотоэлектрическая мощность, также, как и ветряная генерация, не следует распределению Гаусса. Что касается солнечных электростанций, то здесь еще в добавок проявляется скачкообразное поведение при подаче электроэнергии в сеть: при полном солнечном свете, но с небольшими облаками, скачки могут составлять от 0% до 100% мощности в течение коротких интервалов времени. «Теперь, когда солнечные электростанции так близко расположены друг к другу, что все могут одновременно оказаться под воздействием одного и того же поля облаков, при подаче в сеть возникают значительные скачки», — говорит Шефер. Эти проблемы в будущем могут быть решены за счет строительства крупномасштабных солнечных электростанций и электростанций, оснащенных системами промежуточного хранения электроэнергии.

«По сравнению с этим, торговля электроэнергией, вероятно, требует серьезного переосмысления, чтобы полностью компенсировать скачки, которые были вызваны перераспределением внутри сети, а не подачей электроэнергии в сеть отдельными производителями», — говорит эксперт.

В исследовании также рассматривается влияние соотношения размера сети к доле электроэнергии из возобновляемых источников. Поэтому, чтобы лучше интегрировать ветряную электроэнергию и солнечную в электросеть, часто предлагается разделить сеть на небольшие автономные ячейки, так называемые «микрогриды». Например, местные общины могли бы работать автономно, насколько это возможно, сочетая теплоэлектростанцию и собственную ветряную или солнечную электростанцию.

Согласно результатам исследования, такие небольшие электросети, как Майорка или Соединенное Королевство, более подвержены колебаниям частоты, чем крупные сети, например, на европейском континенте. «Наше исследование показывает, что разделение большой и, таким образом, очень инертной сети, такой как сеть континентальной Европы, на множество небольших сетей (микрогридов) приведет к более значительным колебаниям частоты в этих небольших сетях, чем в общей европейской взаимосвязанной сети. С технической точки зрения, микрогриды являются, таким образом, только одной из опций, если будут смягчены существующие сегодня очень строгие стандарты по частоте», — говорит Шефер.

Сравнение по регионам показывает, что колебания частоты в сетях с большей долей электроэнергии из возобновляемых источников значительнее, чем в сетях с меньшей долей. Поэтому колебания частоты в сети значительно больше в Соединенном Королевстве, чем в Соединенных Штатах. Тем не менее, для увеличения доли электроэнергии из возобновляемых источников, исследователи рекомендуют увеличить инвестиции в первичные регулирующие мощности и провести разумную адаптацию производителей и потребителей к частоте.

В Германии, например, частота сети в 50 Герц стабилизируется с помощью турбин на гидро- и угольных электростанциях, которые вращаются со скоростью 50 оборотов в секунду. Если потребитель отбирает больше электроэнергии из сети, например, когда начинает работать алюминиевый завод, то частота в сети несколько падает до того, как увеличение подачи электроэнергии в сеть снова повысит частоту. И наоборот, если, например, частота в сети увеличивается из-за концентрированной подачи электроэнергии из возобновляемых источников. Отклонения от эталонного значения в 50 Герц никогда не должны быть слишком большими, так как в противном случае может быть повреждено чувствительное электрооборудование.

Большинство бытовых электроприборов не чувствительны к колебаниям частоты, говорит Шефер. Например, многие источники питания для ноутбуков могут работать в диапазоне от 50 до 60 Герц. «Главная проблема — это силовые электростанции и преобразователи электроэнергии, которые оптимизированы для небольшого диапазона частот», — говорит автор исследования.

Для исследования ученые проанализировали колебания частоты в электрических сетях в разных регионах мира и с помощью математических моделей сделали предсказания о возможных уязвимостях сетей и их причинах. Исследователи использовали данные измерений, проведенных в Германии, Франции, Великобритании, Финляндии, Майорки, Японии и США. При этом электроэнергия в Германии не генерируется и не потребляется изолированно, а обменивается через объединенную европейскую систему с большинством стран континентальной Европы и за ее пределами. Финляндия также входит в Северный союз. США разделены на несколько регионов, где ученые использовали измерения, выполненные в «Восточном энергообъединении», крупнейшей сети, которая также включает некоторые части Канады.

Для лучшего объяснения наблюдений и для проектирования сети электроснабжения в будущем, полностью поддерживаемой производителями возобновляемой электроэнергии, исследователи сформулировали математическую модель колебаний в электрической сети. Используя эту модель, они рассчитали ожидаемые изменения в зависимости от размера сети и подсчитали, насколько эти колебания зависят от возобновляемой электроэнергии. Результаты в настоящее время опубликованы в журнале «Негауссовые колебания частоты в электросетях, характеризуемые законами устойчивости Леви и суперстатистикой» в журнале Nature Energy. Что касается окончательных рекомендаций, то исследователи собирают дополнительные данные, в том числе в Ирландии и Исландии, и планируют эксперименты в микрогридах.