14.01.2018
Наша энергосистема работает на частоте 50 герц. Именно она обычно генерируется турбинами, например, на гидро- или угольных электростанциях, которые вращаются со скоростью 50 оборотов в секунду.
«Когда потребитель берет из энергосистемы больше электроэнергии, частота сети падает немного раньше, прежде чем увеличенное потребление энергии будет скомпенсировано, и частота сети восстановится.
Отклонения от номинальной величины в 50 герц должны быть сведены к минимуму, в противном случае они могут привести к повреждению электрические устройства» - объясняет Бенджамин Шефер, ученый из Института динамики и самоорганизации Макса Планка (MPIDS) в Геттингене, ведущий автор исследования.
Производство возобновляемой энергии также приводит к колебаниям частоты в сети, поскольку ветер не всегда дует с одинаковой скоростью, тем самым оказывая влияние на ветрогенераторы. Облака, в свою очередь, влияют на производительность фотоэлектрических установок. Именно поэтому, планируя включить генераторы возобновляемой энергии в энергосистему, имеет смысл разделить сеть на небольшие, автономные микро сети. Это позволило бы конкретному населенному пункту, в котором есть собственные силовые и тепловые установки, а также ветровые и солнечные генераторы, автономно управлять своей энергетической системой.
Но какое влияние оказало бы это разделение на небольшие энергосистемы, и включение в них возобновляемых источников энергии, на общую энергосистему? Чтобы ответить на этот вопрос, ученые из Юлихского исследовательского центра, Германия, и MPIDS проанализировали флуктуации частоты сети в электрических сетях, в разных регионах мира. Используя математические модели, они сумели предсказать потенциальные уязвимые места сетей и их причины.
Два сюрприза в одном анализе
Во-первых, они собрали данные из стран Европы, Японии и США. Затем они систематически анализировали данные и были удивлены полученным результатам.
«Первый сюрприз заключался в том, что сеть проявляла особенно сильные колебания каждые 15 минут. Это точные временные рамки, в течение которых генераторы на европейском рынке электроэнергии «принимали» новое распределение генерируемой электроэнергии. Именно поэтому в Европе торговля электроэнергией играет ключевую роль в балансировке колебаний частоты сети» - говорит Дирк Виттаут из Института исследований энергетики и климата им. Джуэлиха и Института теоретической физики Кёльнского университета.
Второй сюрприз заключался в том, что колебания статистической сети в пределах 50 герц не соответствуют ожидаемому распределению Гаусса, что является симметричным распределением вокруг ожидаемого значения. Колебания могут быть более сильными. Используя математические модели, ученые рассчитали ожидаемые колебания в зависимости от размера сети и оценили, в какой степени колебания зависели от возобновляемых источников энергии.
Силовая торговля как ключевой фактор
Сравнение исследуемых регионов показало, что значительная часть возобновляемых источников энергии действительно приводит к большим колебаниям в сети.
«Например, доля ветровой и солнечной энергии в Великобритании намного выше, чем в США, что приводит к большим колебаниям частоты сети», - объясняет Дирк Виттаут.
Именно поэтому для увеличения доли возобновляемых источников энергии ученые рекомендуют увеличить инвестиции в интеллектуальную настройку генератора и потребителя, в соответствии с частотой сети, известной как первичный контроль и контроль над потреблением.
Одним из наиболее интересных результатов исследования является тот факт, что колебания частоты сети, вызванные торговлей энергией, оказались более значительными, чем колебания, вызванные ее подачей из возобновляемых источников. Ученые также обнаружили, что небольшие силовые сети показывают большие колебания.
«Наше исследование показывает, что разделение больших и очень медленных систем, таких как синхронная сеть континентальной Европы, на микро сети, вызовет большие колебания частоты. Технически, микро сети являются лишь вариантом решения проблемы. Нынешние очень строгие стандарты частотности должны быть смягчены», - говорит Бенджамин Шефер.