Управление выработкой солнечных электростанций и маневренность энергосистемы

В США опубликовано новое исследование возможностей «гибкого управления» работой солнечных электростанций (Investigating the Economic Value of Flexible Solar Power Plant Operation).

Компания Energy and Environmental Economics, Inc. математически смоделировала разные режимы работы солнечной генерации на примере конкретного энергетического хозяйства, находящегося под управлением компании Tampa Electric Company (TECO) в штате Флорида.

Современные солнечные электростанции могут работать не просто гибко; на самом деле, они реагируют на инструкции диспетчеров намного быстрее, чем обычные генераторы. Гибкое диспетчерское управление солнечной энергией не только помогает решить проблемы вариабельности, но также может обеспечивать оказание важных сетевых услуг, говорится в докладе.

В исследовании рассматриваются вопросы маневренности солнечной генерации самой по себе, то есть без задействования дополнительных внешних инструментов, например, накопителей энергии, хотя одна из глав работы посвящена «ценности» (value) накопителей в случае их добавления для поддержки солнечных электростанций.

Авторы изучают разные возможности управления фотоэлектрической генерацией при среднегодовой доле солнечной энергии в системе, не превышающей 28%. При этом рассматриваются четыре сценария диспетчерского управления в зависимости от правовых условий и технологического инструментария: “Must-Take” (выработка солнечных электростанций не регулируется, сеть должна принять весь выработанный объем), “Curtailable” (вынужденное принудительное прекращение выработки), “Downward Dispatch” (управляемое снижение выработки) и “Full Flexibility” (полная гибкость/маневренность). Эти сценарии, как видно, расположены в порядке возрастания маневренности.

Моделирование в рамках конкретной энергетической системы показывает, что сценарий “Must-Take” работает при среднегодовой доле солнечной генерации, не превышающей 14%. В противном случае возникает избыток (overgeneration), который можно либо экспортировать в соседние системы, либо «аннулировать», то есть перейти ко второму сценарию “Curtailable”.

Вынужденное принудительное прекращение выработки солнечных (как и ветровых) электростанций (curtailment) широко применяется в энергосистемах с большой долей ВИЭ или их быстрым развитием, и является, так сказать, «грубым» инструментом (выключателем). Например, в Китае высокий процент curtailment был обусловлен отсутствием синхронизации планов развития ВИЭ в отдельных регионах с планами развития сетевого хозяйства.

Более тонкая настройка рассматривается в сценарии “Downward Dispatch”, где диспетчеры в режиме реального времени могут как снижать выработку солнечной генерации, так и регулировать работу других участников энергосистемы. В данном случае объемы curtailment снижаются радикально, и сеть становится способной «переварить» существенно большие объемы переменчивой солнечной генерации. В рассмотренной авторами модели в этом сценарии при среднегодовой доле солнечной энергетики в системе в 28% curtailment снижается в два раза – с 31% до 16%.

Наконец, в сценарии “Full Flexibility” диспетчеры получают возможность не только управляемо снижать выработку солнечных электростанций, но и увеличивать её. Разумеется, это может происходить в тех случаях, если эта выработка изначально ограничена, и обеспечивается резерв для набора нагрузки.

Чем выше маневренность солнечной генерации, тем ниже как выработка, так и требуемый резерв традиционной генерации в системе – ввод вроде бы очевидный, но ценный, поскольку высчитан здесь математически.

Любопытны выкладки доклада по поводу снижения выбросов СО2 в энергосистеме с развитием солнечной генерации. При среднегодовой доле фотоэлектрической энергетики менее 19%, отмечается примерно одинаковое снижение выбросов, независимо от выбранного сценария, а дальше начинаются расхождения. В сценарии “Curtailable” (вынужденное принудительное прекращение выработки) выбросы даже начинают расти после превышения примерно 23% доли солнечной энергетики в связи с ростом цикличности в работе тепловых генераторов.

В докладе отмечается, что чем более гибким является управление солнечной генерацией, тем больше снижается дополнительная ценность, привносимая в систему накопителями энергии, поскольку управляемая диспетчерами солнечная энергетика может оказывать системе те же самые услуги, что и накопители. Потребность в накопителях также снижается с повышением качества прогнозирования как выработки солнечных электростанций, так и спроса на электроэнергию.

Как отмечают авторы, обычно в исследованиях интеграции ВИЭ для случаев высокой доли ВИЭ не моделируется работа ветровых и солнечных электростанций в режиме «полной гибкости» (Full Flexibility) и, следовательно, может завышаться ценность систем хранения энергии. В то же время в докладе подтверждается очевидное общее правило: с ростом доли солнечной генерации возрастает и полезность систем хранения энергии.

«Исследование подтверждает наше интуитивное предположение, что солнечная энергия может обеспечить наибольшую ценность для системы, если сетевые операторы полностью используют возможности диспетчеризации солнечных электростанций, особенно при повышенных уровнях распространения солнечной энергетики», — отмечают авторы. «Энергетические компании и сетевые операторы должны перестать думать о солнечной энергии как о проблеме, которую нужно контролировать, и начать думать о ней как об активе, который нужно максимизировать».

Отрадно, что российские компании, работающие в солнечной энергетике, уже осваивают, в сотрудничестве с местными диспетчерскими службами, довольно «продвинутые» технологии управления выработкой. Это можно сказать и о ГК «Хевел», и о «Солар Системс». В то же время, поскольку доля солнечной энергии в РФ мала и будет оставаться таковой ближайшее время, реальная потребность в сложном инструментарии, рассмотренном в сценариях “Downward Dispatch” (управляемое снижение выработки) и “Full Flexibility” (полная гибкость/маневренность), может возникать лишь локально (и гипотетически).

То же самое можно сказать и о накопителях энергии. Для сетевых объектов в условиях низкой доли ВИЭ использование накопителей нецелесообразно как с точки зрения экономики проектов, так и в макроэкономическом плане. Не повышают они и системную надежность (если диспетчерские службы владеют элементарными инструментами управления солнечной генерацией).