При проведении технико-экономического обоснования строительства ветроэлектростанции (ВЭС) одним из расчётных параметров проекта является планируемая выработка энергии, на базе которой рассчитывается коэффициент использования установленной мощности (КИУМ) [1]. В целом планируемая выработка ветроэнергоустановки (ВЭУ) может быть определена несколькими способами:
- По данным реальных наблюдений за скоростью ветра, полученными с метеостанции (МС) или из какой-либо базы данных, с последующим пересчётом их на площадку проектируемой ВЭС. Далее с помощью паспортной мощностной характеристики определяется потенциальная мощность ВЭУ и рассчитывается выработка за год.
- По повторяемости скорости ветра, получаемой на основе статистической обработки реальных измерений скорости ветра, и паспортной характеристике ВЭУ определяется годовая выработка.
- По данным местных измерений на площадке, полученных от ветроизмерительного комплекса (ВИК).
Первый и второй способ чаще всего используют в программных комплексах при расчёте ветроресурсов на площадке ВЭС. Третий способ рассматривается как инструмент построения корреляционной зависимости между данными МС и площадки ВИК. Получаемые данные по ветру из справочников, МС, специализированных баз данных (БД) и ВИК сильно отличаются между собой по способу представления, интервалу получения, а также точности измерительных приборов. Всё это оказывает существенное влияние на получаемые значения годовой выработки ВЭС. В работе [2] был проведён сравнительный анализ применения ПО WAsP и windPRO для проектируемой ВЭС Индии. В результате проведённого моделирования годовая выработка ВЭС различалась на 3,5 ГВт·ч, что составило 11 % от полученных расчётных значений.
Из‑за большого разброса данных в каждый год относительно среднемноголетних значений скорости ветра в результате будут разные значения выработки ВЭУ за год и, соответственно, различные КИУМ.
В отечественное ПО закладываются те же методики, что и в WAsP и windPRO [3], однако преимущественно используются данные наблюдений с МС и ВИК, между которыми строится корреляционная зависимость на основе данных характерного года (полнота ряда 95 % и выше, отклонение от среднемноголетней скорости ветра минимальное [3]). Из‑за большого разброса данных в каждый год относительно среднемноголетних значений скорости ветра в результате будут разные значения выработки ВЭУ за год и, соответственно, различный коэффициент установленной мощности. В табл. 1 приведены значения разброса расчётного значения КИУМ за период с 2011 по 2013 годы на примере ВИК «Оссора» в посёлке Оссора на полуострове Камчатка. В качестве прототипа использовалась ВЭУ Komai KWT 300 (мощность 300 кВт, установлена в посёлке Усть-Камчатск).
Табл. 1. Расчётные значения КИУМ за период 2011–2013 годы на примере ВИК «Оссора»
| Год | KИУМ ВИК, % |
|---|---|
| 2011 | 19,8 |
| 2012 | 13,8 |
| 2013 | 11,7 |
| Среднее значение KИУМ | 15,1 |
Для представленных в табл. 1 расчётных значений КИУМ можно отметить следующие факты:
- Одним из способов расчёта по реальным данным наблюдений за скоростью ветра является использование «метеостанции-аналога» (МС‑аналог) с выбором характерного года (скорость ветра близка к среднемноголетней и полнота ряда ≥ 95 % [1]). Если такой год придётся на «ветреный», то в итоге КИУМ будет завышен, что приведёт к неправильной экономической оценке проекта.
- Использование паспортных характеристик ВЭУ на этапе проектирования неизбежно, так как других ещё нет. Поэтому не учитывается, что установка может обледенеть и простаивать часть времени, а также не учитываются ограничения, которые может накладывать система или дизельная электростанция (если установка входит в состав ВДЭК).
- Хранящиеся в базах данных и на МС данные по скорости ветра имеют большой интервал представления — как правило, три или шесть часов, реже встречается восемь часов. Особенностью является то, что при расчёте мощности ВЭУ получается, что она работала с этой мощностью в течение трёх, шести или восьми часов, что не совпадает с реальностью, так как скорость ветра меняется ежеминутно [5].
Хранящиеся данные по скорости ветра имеют большой интервал представления. При расчёте мощности ВЭУ получается, что она работала с этой мощностью в течение трёх, шести или восьми часов, что не совпадает с реальностью (скорость ветра меняется ежеминутно).
Предлагаемое решение по определению планируемой годовой выработки позволит уйти от привязки по времени, что даст картину в целом по площадке, а не за конкретный год или период. На рис. 1 представлен алгоритм расчёта годовой планируемой выработки ВЭУ. В табл. 2 приведены градации, по которым необходимо разбить получаемую по паспортной характеристике мощность ВЭУ.
Рис. 1. Алгоритм расчёта годовой планируемой выработки ВЭУ
Табл. 2. Градации для расчёта повторяемости выдачи мощности ВЭУ
| Nгр i – Nгр i+1 | NВЭУгр i |
|---|---|
| 0 – Nуст/3 | Nуст/6 |
| Nуст/3 – 2 Nуст/3 | Nуст/2 |
| 2 Nуст/3 – Nуст | 5 Nуст/6 |
| Nуст – 1,1 Nуст | 1,05 Nуст |
Разбиение мощности по градациям основано на том, что область до 30 % от установленной мощности (Nуст) приходится на «околопусковые» скорости ветра (до 5 м/с), область до 60 % от Nуст приходится на скорости ветра 5–9 м/с, а остальное попадает в диапазон от vр до vmax.
По итогам проведения расчёта годовой выработки ВЭУ по повторяемости мощности, полученной по реальным данным измерений скорости ветра и по паспортной характеристике ВЭУ за один год, за несколько лет, по повторяемости скорости ветра (по методу расчёта как в windPRO [4]), по методу МС‑аналога [2] и по методу нескольких МС [6], можно отметить нижеследующее:
- При проведении расчёта выработки по методу МС‑аналога используются данные с интервалом представления три часа и более. Согласно правилам Всемирной метеорологической организацией (ВМО), до получения следующего измерения действует текущее [7]. Это приводит к учёту рассчитанной мощности ВЭУ в течение трёх часов как постоянного значения.
- При использовании повторяемости расчётной мощности ВЭУ за один год или за несколько лет (по данным ВИК) получаются заниженные показания годовой выработки и, как следствие, заниженные значения КИУМ. Однако такой расчёт позволяет получить значения выработки и КИУМ без привязки ко времени, что можно рассматривать как минимальное значение годовых показателей ВЭУ с обеспеченностью более 50 %.
- Расчёт по МС‑аналогу показал, что качество модели определения ветроресурса на площадке ВЭУ напрямую влияет на показатель годовой выработки. При расчёте по повторяемости мощности ветроэнергоустановки разница в периоде и количестве наблюдений, используемых для расчёта, не играет преобладающую роль — так же, как и при расчёте по данным реальных наблюдений за скоростью ветра на территории ВИК (ВЭУ).
- Расчёт по повторяемости скорости ветра даёт схожие результаты, что и расчёт по повторяемости мощности, но из‑за своей специфики не может выполнять поверочную роль, по нему нельзя проверять правильность получения значений годовой выработки и КИУМ для ВЭУ или ВЭС.
Данные по расчётам представлены в табл. 3 и на рис. 2, в скобках указан интервал представления данных. Повторяемость мощности ветроэнергоустановки определялась по формуле (1), а среднее значение мощности вычислялось по формуле (2):
t(NВЭУгр j) = m / n; (1)
N̄год = Σj=1k [N̄ВЭУгр i · t(NВЭУгр j)], (2)
где m — количество значений мощности, попадающее в диапазон градации; n — общее количество значений мощности; k — количество градаций.
Рис. 2. Повторяемость мощности ВЭУ по расчётным данным ВИК, МС по характерному году и по нескольким МС за общий период наблюдений с ВИК
Табл. 3. Результаты расчёта годовой выработки ВЭУ по нескольким методикам
| Методика/показатель | windPRO | МС‑аналог 1 год (3 ч интервал) | ВИК 1 год (10 мин интервал) | ВИК n лет (3 ч интервал) | Несколько МС (3 ч интервал) |
|---|---|---|---|---|---|
| Эгод, МВт·ч | 346,5 | 131,2 | 716,8 | 290,7 | 159,9 |
| Nгод, кВт | 39,6 | 15 | 81,8 | 33,2 | 18,3 |
| КИУМ, % | 14,4 | 5,4 | 29,7 | 12,1 | 6,6 |
| P (NВЭУ) 50 %, кВт | − | 14,6 | 12,8 | 12,3 | 15,9 |
| P (NВЭУ) 90 %, кВт | − | 2,9 | 2,6 | 2,6 | 3,2 |
Если говорить об обеспеченности мощности, то при расчёте по повторяемости значения для 50 % и для 90 % мало зависят от количества исходных данных (в пределах ± 5 %). Значение мощности для разных установок с обеспеченностью в 50 % не превышает 0,1Nуст. В общем случае данное значение можно принять как граничное значение обеспеченности мощности ВЭС.
Определение КИУМ при условии расчёта по повторяемости мощности приводит к заниженным значениям относительно расчёта по фактическим наблюдениям. Получаемые значения будут показывать минимальную границу эффективности станции для любого года по условиям прихода ветроресурса.
Отдельно стоит отметить, что выбор источника исходных данных и расчётной модели будет оказывать наибольшее влияние на получаемые результаты. В большинстве случаев на ВИК имеются наблюдения за скоростью ветра за период меньше года или один год, поэтому построение корреляционной зависимости между МС‑аналогом или несколькими ближайшими МС неизбежно. Если модель неточная, то и результаты будут завышены или занижены. Особенно если сильно влияет рельеф местности и сами МС расположены далеко от площадки.
Предлагаемый метод оценки годовой выработки ВЭУ и её КИУМ имеет ряд преимуществ:
- Получаемые значения не зависят от точности, количества и времени представления данных на ВИК.
- Метод позволяет оценить нижнюю границу эффективности ВЭУ в конкретном регионе.
- Результаты использования данного метода могут применяться как поверочные значения для указанных параметров в ТЭО проекта.
Из недостатков подхода стоит отметить:
- Годовая выработка ВЭУ и её КИУМ сильно занижены относительно проектных или фактических значений.
- Данный метод учитывает только правильность определения ветроресурса на площадке ВЭУ и совершенно не учитывает остальные ограничения, которые могут быть для ветроэнергоустановки со стороны работы в системе или совместно с дизельной электростанцией.
- Применим только на этапе проектирования ВЭС.
Выводы
- Рассмотрена возможность использования повторяемости выдачи мощности ВЭУ для оценки эффективности работы проектируемой ВЭС, с определением мощности одной установки при обеспеченности в 50 %.
- Проведено сравнение получаемых результатов с действующими методиками, используемыми в отечественном и зарубежном ПО.
- Отмечены преимущества и недостатки предлагаемой методики оценки КИУМ.
