Реактивная мощность и гармоники источников возобновляемой энергии.

Анонс: Текущее состояние и перспективы альтернативной энергетики. Основные причины потерь и снижения качества электроэнергии на солнечных и ветровых электростанциях. Технические средства для оптимизации работы СЭС, ВЭС и стоимости генерируемой электроэнергии.

Альтернативная электроэнергетика на базе возобновляемых источников продолжает оставаться прогрессивным путем развития ТЭК России, однако подавляющее большинство солнечных, ветровых электростанций в нашей стране используют импортное оборудование и имеют проблемы, как с собственной генерацией, так и адаптацией с общей системой электроснабжения.

Так, несмотря на выход на рынок ГК «Росатом» (в 2016 году, дивизион АО «НоваВинд»), группы «Роснано», альянса «Энел Россия», пока не удалось добиться сколь значимого эффекта в оптимизации цен на электроэнергию, в том числе из-за больших потерь, обусловленных перетоками реактивной мощности и негативным влиянием на параметры качества электроэнергии и пропускную способность сетей гармонических искажений. В целом это определило необходимость поиска решений по увеличению экономической конкурентоспособности использования возобновляемых источников энергии на круглом столе по энергетике: «Цифровой переход в энергетике: «Прогнозы и тренды» VII Федерального Конгресса «Приоритеты 2024» в декабре, на который была официально приглашена и компания «МИРКОН».

Основные причины потерь и снижения качества электроэнергии на солнечных электростанциях.

Солнечные электростанции (СЭС) изначально требуют больших инвестиций, их мощность зависит от суммарной площади солнечных панелей и уровня освещенности, по сути, определяемого временем года, суток и облачностью в конкретном климатическом районе страны.

При низкой удельной мощности генерации солнечные панели чувствительны к загрязнениям, безинерционные, подключаются к накопителям-аккумуляторам и ШИМ преобразователю-инвертору, что несмотря на преимущественно активную составляющую в полной энергии определяет наброс в сеть реактивной энергии и токов гармоник разных порядков и амплитуд, зависящих от типа преобразователя (12-импульсные ШИМ конверторы генерируют в сеть интенсивные возмущения по 13-й, 23-й, 25-й гармоникам, 6-тиимпульсные – по 5-й, 7-й, 11-й, 13-й, 17-1, 19-й, 23-й, 25-й гармоникам и т.д.). Наличие в сети электростанции перетоков реактивной мощности и значительных гармонических возмущений приводит не только к потерям энергии, но и миграции гармоник через точку присоединения в общую сеть, нарушению электромагнитной совместимости сетей и, соответственно, ухудшению параметров качества электроэнергии (см. индикативные значения планируемых уровней электромагнитной совместимости для напряжений гармоник (в процентах напряжения основной частоты) сетей среднего (СН), высокого (ВН) и сверхвысокого (СВН) напряжения по действующему с 01.2021 ГОСТ IEC/TR 61000-3-6-2020 здесь).

Основные причины потерь и снижения качества электроэнергии на ветровых электростанциях.

В отличие от СЭС ветровые электростанции (ВЭС) требуют меньше стартовых инвестиций (условно), более продуктивны по генерации энергии, однако предельно зависимы от:

• ветрового подпора (скорости, распределения ветра), причем прогнозирование отличается неопределенностью и низкой предсказуемостью, что повышает риски нестабильности всей системы.
  
  Рис. Зависимость изменения нагрузки от скорости ветра в течение суток на примере ВЭС Крымской энергосистемы (по данным АО «Системный оператор Единой Энергетической Системы»)
  
  
• баланса реактивной мощности, избыток которой приводит к повышению сетевого напряжения, а дефицит – к провалам.
  
  Рис. Эксплуатационные пределы реактивной мощности ветрогенератора при провалах напряжения, перенапряжении и перегрузках по току.
  
  
• потребления активной энергии, повышение которого при авариях на станции, в сети и/или увеличении объемов активной нагрузки ведет к разгону турбин с увеличением частоты.

По этой причине современные ветрогенераторы оборудуют частотно-регулируемым приводом, ШИМ преобразователями, подключают к автоматизированным системам диспетчерского управления (АСДУ), а для снижения рисков пере- или недокомпенсации реактивной мощности на фундаментальной частоте и локализации гармонических возмущений от преобразователей в силовую сеть интегрируют пакетные технические решения из конденсаторных установок, шунтирующих реакторов, пассивных и активных фильтров гармоник.

Технические средства для оптимизации работы СЭС, ВЭС и стоимости генерируемой электроэнергии.

С учетом нереальности обеспечения функциональности СЭС, а тем более ВЭС без АСДУ, в том числе в составе АСУ ТП, а также в условиях цифровой трансформации электросетей, обозначенной новой Энергетической стратегией России, безусловными становятся факты того, что:

• для компенсации реактивной мощности на фундаментальной частоте ВЭС (и отчасти СЭС) сегодня применимы только быстродействующие автоматические конденсаторные установки с коммутацией ступеней бесконтактными тиристорными ключами и интерфейсами связи с программно-аппаратными комплексами АСУ;
• в силовых сетях СЭС и ВЭС необходимо нивелировать риски, как перекомпенсации, так и недокомпенсации, а значит оптимальным решением очистки от перетоков реактивной мощности могут стать сборки типа Thyristor-switched Capacitor & Тhyristor-controlled Reactor (TSC-TCR – см. более детально здесь);
• построение СЭС и ВЭС на базе ШИМ преобразователей предопределяет необходимость очистки сетей от гармонических искажений, причем установку активных фильтров гармоник (АФГ) или их более доступных финансов сборок с пассивными L-C колебательными контурами нужно предусматривать максимально ближе к источнику гармонических возмущений, что даст возможность снизить мощность и цену АФГ, а также нивелировать риски миграции гармоник в общую сеть.