Момент инерции

В 2008 году компания GE запустила в эксплуатацию первый энергоблок электростанции Inland Empire Energy Center (IEEC) в Калифорнии. Парогазовая установка мощностью 400 МВт на основе новейшей на тот момент газовой турбины GE S107H впервые в отрасли преодолела порог эффективности в 60%.

Уже в 2019 году GE приняла решение демонтировать эту электростанцию, несмотря на то что её оборудование могло бы прослужить ещё лет двадцать. В условиях, когда солнечная и ветровая энергия вытесняет топливную генерацию, оба энергоблока станции на протяжении нескольких лет работают не на полную мощность, принося только убытки. На месте ПГУ будут смонтированы накопители электроэнергии.

Шило на мыло

Замечательная новость, на практике подтверждающая победное шествие возобновляемой генерации, не так ли? Не совсем. Проблема в том, что в калифорнийской энергосистеме остаются пиковые электростанции, которые гораздо менее эффективны (с точки зрения удельных расходов топлива) и менее экологичны, чем демонтируемая ТЭС, которую оказалось невозможно эксплуатировать в режиме покрытия пиковых нагрузок.

В документах, поданных в Энергетическую комиссию Калифорнии, GE объясняет, что «электростанция не рассчитана на работу в пиковом режиме, который требует возможности быстро запускать и останавливать энергооборудование». Компания также сообщает, что для сглаживания флуктуаций мощности, создаваемых в энергосети ветровыми и солнечными источниками, в GE разработаны специальные газовые турбины с индексом "HA". Но на станции Inland Empire Energy Center используются модели с индексом "H", надежды на рост рынка которых не оправдались. «В IEEC применена технология, не получившая дальнейшего развития», - объясняют в GE.

Тем временем независимые эксперты беспокоятся о том, что спешка с выводом из эксплуатации парогазовых энергоблоков может аукнуться невозможностью в будущем безболезненно присоединить к энергосистеме новые солнечные станции и ветровые парки. Потому что энергосеть, образно говоря, потеряет часть присущей ей инерции.

Когда частота «гуляет»

«Инерция» сети создаётся работой мощных паровых и газовых турбин, присоединённых к электрогенераторам. Их тяжёлые быстро вращающиеся роторы запасают огромную кинетическую энергию и сопротивляются резкому торможению или ускорению, благодаря чему частота сети сохраняется при изменениях нагрузок, отключениях, коротких замыканиях на линиях и т. д. Сети рассчитываются таким образом, что сначала частоту удерживает именно инерция роторов электрических машин, после чего уже срабатывают различные механизмы первичного и вторичного частотного регулирования. Беда в том, что по мере замены традиционных электростанций возобновляемыми источниками энергии сеть лишается своей «инерции».

Объекты возобновляемой энергетики иногда называют асинхронными генераторами. Почему? Потому что современные ветровые турбины работают асинхронно - между генератором и повышающим трансформатором устанавливается инвертор. Электрохимические накопители энергии и фотоэлектрические солнечные электростанции также оснащаются инверторами. При этом ёмкость накопительных конденсаторов и индуктивность обмоток в инверторах, которые могли бы создавать хоть какое-то подобие инерции, совсем незначительны. В результате даже небольшое изменение нагрузки в энергосети или отключение одного генератора может привести к выходу частоты за допустимые пределы.

По данным Австралийской комиссии по энергетическим рынкам, в 2016 году частота напряжения в национальной сети находилась за границами обычного диапазона вдвое дольше, чем в 2014-м. Причина - прибавка мощности ВИЭ-генерации на 1,5 ГВт на фоне вывода из эксплуатации ряда угольных электростанций суммарной мощностью свыше 3 ГВт.

Теоретически проблему должны сглаживать накопители, способные справляться с большими перегрузками, - такие как гидроаккумулирующие электростанции и маховики. Полупроводниковые инверторы, увы, обычно не рассчитаны на серьёзные перегрузки - их силовые ключи и так работают почти на пределе своих возможностей.

Синтетический суррогат

Для энергосетей, питаемых в основном от источников возобновляемой энергии, учёные предложили концепцию синтетической (цифровой, виртуальной) инерции. Речь о том, чтобы искусственно имитировать момент инерции, присущий массивным роторам синхронных электрических машин. Например, в ветровой турбине можно получить синтетическую инерцию, изменив алгоритм работы контроллера. Чтобы скомпенсировать резкое падение частоты в сети, контроллеру даётся ложный сигнал о повышении оборотов лопастей. Система этот сигнал отработает - инвертор выдаст повышенную мощность, однако несколькими секундами позже начнётся период восстановления, когда будет восполняться дефицит энергии, возникший из-за чрезмерного торможения ротора.

* * *

Возвращаясь к проблемам Калифорнии, отметим, что вряд ли они будут скоро решены из-за общей неразберихи в энергетике. Девятого октября 2019 года в штате снова начались блэкауты. Из-за непрекращающихся лесных пожаров, усиления ветра и засухи крупнейшая энергокомпания Северной Калифорнии Pacific Gas and Electric Company (PG&E) отключила от энергоснабжения несколько сотен тысяч домов. По разным оценкам, рукотворный блэкаут затронул от одного до двух миллионов потребителей. Примеру PG&E последовали другие калифорнийские энергокомпании.

В прошлом году Pacific Gas and Electric Company столкнулась с многочисленными исками со стороны погорельцев. Тогда в пожарах погибли десятки человек, сгорели целые районы. Пострадавшие в массовом порядке пытались получить через суд компенсацию за возгорания, объясняя, что деревья и ветки под напором ветра падали на линии электропередачи, вызывая короткие замыкания. (Напомним, что типичный частный дом в Калифорнии стоит миллион долларов.) В 2019 году компания PG&E была вынуждена объявить себя банкротом.