1. Проблема баланса, вызванная неопределенностью

Возобновляемая энергетика обладает высокой волатильностью, с колеблющимся выходом; в то же время возобновляемая энергетика по своей природе непредсказуема, и может случиться так, что ветра или света не будет, когда вам понадобится электричество. В нынешней энергосистеме доля возобновляемой энергетики еще не высока, и тепловые энергоблоки полностью отвечают за компенсацию этих колебаний и неопределенности: меньше ветровой и солнечной генерации - больше тепловой генерации; больше ветровой и солнечной генерации - меньше тепловой генерации.

Но что насчет будущего? Если возобновляемая энергетика станет нашим основным источником энергии, как мы решим эту проблему?

2. Дефекты в способности регулирования мешают стабильности энергосистемы

Для обеспечения нормальной работы энергосистемы задействованы два важных понятия стабильности: частотная стабильность и стабильность напряжения. Традиционный синхронный генератор является главной опорой для поддержания этих двух стабильностей. Однако новые источники энергии, такие как ветровая и солнечная энергия, не обладают способностью традиционных генераторов поддерживать напряжение и частоту и даже потребляют большое количество реактивной мощности при подключении. Они также могут нарушать стабильность энергосистемы и создавать угрозы ее безопасности.

Частотная стабильность: это способность энергосистемы поддерживать стабильную частоту даже при значительном дисбалансе между выработкой электроэнергии и потреблением нагрузки из-за серьезных нарушений, в основном обрабатываемая устройством частотной модуляции в синхронных генераторах.

Частота тесно связана со скоростью генератора. Как правило, двигатель будет поддерживать скорость 3000 оборотов в минуту (1 пара полюсов, 50 оборотов в секунду) или 1500 оборотов в минуту (2 пары полюсов, 25 оборотов в секунду), что соответствует питанию переменным током 50 Гц, подаваемому энергосистемой. Когда энергоснабжение ниже потребления электроэнергии, скорость генератора уменьшается, преобразуя часть кинетической энергии, накопленной в огромном роторе генератора (как показано на рисунке ниже), в электрическую энергию и подавая ее в сеть. Уменьшение скорости приводит к уменьшению частоты напряжения, например, до 49,8 Гц. В этот момент начнет работать механизм регулировки частоты, увеличивая расход пара для тепловых электростанций и расход воды для гидроэлектростанций, чтобы выдавать больше энергии, ускоряя генератор и поддерживая частоту 50 Гц.

Однако ветроэнергетика и фотоэлектрические установки часто зависят от погоды. Когда частота падает, у них нет дополнительного способа выдать больше энергии, и их способность регулирования частоты намного ниже, чем у традиционных тепловых энергоблоков.

Стабильность напряжения: это способность энергосистемы в заданной точке работы поддерживать все напряжения узлов на приемлемом уровне после воздействия возмущений. Это зависит от способности системы поддерживать или восстанавливать баланс между спросом и предложением нагрузки.

Когда генераторный агрегат вырабатывает электроэнергию, помимо активной мощности, он также выдает реактивную мощность, которая является ядром поддержания напряжения энергосистемы. Однако ветроэнергетика и солнечная энергетика практически не имеют возможности подавать реактивную мощность в сеть или могут подавать очень мало реактивной мощности. Во многих случаях им может потребоваться поглощать реактивную мощность из сети для поддержания работы, что снижает стабильность напряжения сети. В то же время мощность выработки ветровой и солнечной энергии сильно колеблется (из-за нестабильности ветровых и солнечных ресурсов), а изменения мощности также вызывают колебания напряжения, что делает напряжение сети более нестабильным.

Реактивная мощность: в энергосистеме необходимо создавать переменные магнитные поля для построения энергетических мостов. Некоторые из них поглощают энергию от источника питания, в то время как другие высвобождают энергию во времени. Средняя мощность этого процесса равна 0, но мощность, необходимая для создания этих магнитных полей, называется реактивной мощностью.