Исследование энергоэкономической эффективности межгосударственных электрических связей при объединении ЭЭС с разными сезонами годовых максимумов нагрузки: На примере Северо-Восточной Азии

Актуальность темы

исследования.

Важной тенденцией развития мировой электроэнергетики является расширяющаяся интеграция национальных электроэнергетических систем (ЭЭС). Этот процесс возник в начале XX века на Северо-Американском и Европейском континентах и шел двумя путями. Одни межгосударственные электрические связи (МГЭС) сооружались преимущественно для целей экспорта-импорта электроэнергии (в частности, большинство электропередач из Канады в США), а другие МГЭС обеспечивали соединение национальных или локальных энергосистемы на параллельную работу. Процесс интеграции привел к формированию международных электроэнергетических объединений (МГЭО), к концу XX века он охватил почти все регионы и континенты [1−11]. Основными факторами их появления являлись: неравномерность в обеспеченности энергетическими ресурсами, повышение надежности энергоснабжения, реализация энергетических эффектов объединения ЭЭС и др. В девяностые годы прошлого столетия создались предпосылки для объединения ЭЭС стран Северо-Восточной Азии: России, Китая, Корейской Народно-Демократической Республики (КНДР), Республики Корея (РК), Монголии и Японии. Этому способствовали смягчение международных отношений в регионе, высокие темпы экономического роста и ограниченность энергоресурсов отдельных североазиатских стран, что создало их взаимную заинтересованность в сотрудничестве в области электроснабжения.

Проблема формирования межгосударственных электроэнергетических объединений в Северо-Восточной Азии в настоящее время активно обсуждается учеными и инженерами России, Китая, РК и других стран. В последние годы она рассматривалась на многочисленных международных конференциях и семинарах, проведенных в России (Иркутск, Хабаровск), Китае (Пекин, Шеныпень, Ксиань) и Республике Корея (Чеджу, Сеул) [12−21]. Выявлена, в частности, важная особенность региона — прохождение годового максимума нагрузки национальных ЭЭС в разные сезоны года. Вместе с тем, методическая, модельная и информационная база для обоснования эффективности формирования таких МГЭО, в целом, находится еще в стадии разработки. Это делает тему настоящей диссертации актуальной.

Потенциальные преимущества сооружения МГЭС со странами СевероВосточной Азии (СВА) для России достаточно очевидны: географическая близость, наличие невостребованной выработки электроэнергии в восточных регионах России, возможность получения дополнительных эффектов от объединения ЭЭС разных стран, возможность увеличения экспортного потенциала за счет разработки и реализации специальных экспортных проектов. Сооружение МГЭС будет благоприятствовать сооружению новых и повышению эффективности использования действующих электростанций.

В то же время, формирование МГЭО в регионе СВА имеет ряд особенностей: большая протяженность и сложность трасс некоторых МГЭС (пересечение проливов и др.), работа энергосистем с различными частотами и напряжением переменного тока, слабые внутренние электрические связи, которые потребуют усиления. Это определяет высокую стоимость МГЭС. Поэтому, в отличии от других регионов, здесь требуется наиболее полный учет всех факторов, повышающих эффективность МГЭС.

Степень разработанности темы.

При работе над диссертацией были изучены работы отечественных и зарубежных авторов, которые в той или иной степени относятся к исследуемой теме [22−45 и др.]. Исследования энергоэкономической эффективности формирования электроэнергетических систем и их объединений проводятся с середины XX века. Большой вклад в эти исследования в нашей стране внесли такие ученые и проектировщики, как С.А.Кукель-Краевский, В. И. Вейц, JI.A. Мелентьев, Ю. Н. Руденко, Л. С. Беляев, И. М. Волькенау, В. В. Ершевич, А. Н. Зейлигер, А. С. Макарова, А. А. Макаров, С. С. Рокотян, В. В. Труфанов,.

Л.Д.Хабачев и др. [22, 24, 46−54 и др.].

В исследованиях возможных направлений и эффективности межгосударственных электрических связей России со странами Ближнего и Дальнего Зарубежья, в том числе Северо-Восточной Азии, серьезные результаты получены Л. С. Беляевым, Н. И. Воропаем, Н. Д. Гамолей, В. А. Джангировым, А. Ф. Дьяковым, Г. Ф. Ковалевым, Л. А. Кощеевым, Ю. Н. Кучеровым, А. Б. Огневым, С. В. Подковальниковым, В. А. Савельевым, Г. И. Самородовым, Е. И. Ушаковым, А. Д. Филатовой и др [7,13,16,26−30,32,34,39,40,42,43, 55−66]. Большой интерес к рассматриваемой проблеме проявляют и зарубежные ученые L. Kapolyi, L. Muller,' D.W.Park, H.S.Kim, J.Y.Yoon, S.S. Lee, F. Arakawa и др. [15,20,27,38,44,67]. Автор диссертации принимала непосредственное участие во многих работах, выполненных по данной теме в ИСЭМ СО РАН [14, 55−63, 65, 69−79].

Несмотря на некоторую специфику, обусловленную необходимостью учета интересов разных стран и обеспечения их национальной энергетической безопасности, энергоэкономическая эффективность межгосударственных электрических связей определяется теми же эффектами, которые свойственны объединениям энергосистем на территории одной страны. В общем случае они состоят в:

— расширении возможностей концентрации производства и централизации распределения электроэнергии;

— снижении необходимой установленной мощности при объединении ЭЭС с разным временем наступления годовых максимумов нагрузки,.

— уменьшении общего аварийного резерва,.

— оказания взаимопомощи при прохождении глубоких ночных и воскресных провалов графиков нагрузки,.

— улучшении использования свободной мощности и избыточной энергии ГЭС в многоводные годы и периоды,.

— экономии топливных издержек за счет оптимизации режимов энергообъединения как единого целого.

Исследования, проведенные в последние годы [28, 58, 61−63, 71−78 и др.], выявили уже отмечавшуюся особенность МГЭО в регионе — годовые максимумы нагрузки потребителей наступают в разные сезоны года: зимой (в вечерние часы) в России, Северном Китае, Монголии и КНДР, летом (в дневное время) в Республике Корея и Японии. Эта особенность существенно повышает эффективность объединения ЭЭС в регионе, и ее нужно учитывать при оценке эффективности сооружения межгосударственных электрических связей. В частности, она позволяет уменьшить вводы новых электростанций за счет реверсивных перетоков по МГЭС в сезонном и суточном разрезах, создает совершенно новые условия для одновременного использования ГЭС в зимних и летних балансах мощности и энергии соседних стран.

Обоснование целесообразности сооружения межгосударственных электрических связей и, тем более формирования МГЭО в Северо-Восточной Азии представляет собой сложную проблему (комплекс задач), при решении которой необходимо учитывать множество энергетических, социально-экономических, экологических и других факторов. Используемые методики и модели должны отражать характерные условия и особенности развития электроэнергетики в рассматриваемом регионе. Обзор проведенных ранее исследований и работ показал недостаточную проработанность вопросов учета раз-носезонности прохождения годовых максимумов нагрузки, оказывающей значительное влияние на потенциальную эффективность обосновываемых МГЭС как в методическом, так и практическом отношениях. Потребовалась разработка дополнительных подходов и методов оценки эффективности сооружения МГЭС в регионе Северо-Восточной Азии [59, 79−81].

Ввиду обширности проблемы, задачи соискателя ограничивались исследованием только энергоэкономической эффективности сооружения отдельных МГЭС в СВА. Вопросы определения очередности строительства МГЭС при формировании МГЭО, оценки финансовой эффективности для инвесторов, учета условий перехода к рынку в электроэнергетике и др. выходят за рамки диссертационной работы.

Цели и задачи исследования.

Основными целями диссертационной работы являются:

1. Анализ условий и особенностей сооружения МГЭС в регионе СевероВосточной Азии в свете мировых тенденций формирования МГЭО.

2. Разработка и апробация методических подходов и моделей для исследований энергоэкономической эффективности сооружения МГЭС между странами с разными сезонами годовых максимумов нагрузки.

3. Теоретический анализ и количественная оценка энергоэкономической эффективности МГЭО и МГЭС «Российский Дальний Восток (РДВ)-КНДР-РК».

4. Исследование режимов использования ГЭС с крупными водохранилищами в МГЭО с разносезонными максимумами нагрузки.

Для достижения поставленных целей в диссертации решаются следующие задачи:

• Анализ особенностей и дополнительных требований к методике и инструментарию исследований эффективности МГЭС при объединении ЭЭС с разносезонными максимумами нагрузки.

• Разработка и освоение математической модели ОРИРЭС для исследований в этой области.

• Создание информационного обеспечения исследований по электроэнергетике стран СВА.

• Проведение исследований конкретных МГЭС в регионе СВА с использованием модели ОРИРЭС и дополнительных методик.

• Анализ влияния сооружения МГЭС на режимы работы ГЭС с водохранилищами годичного и многолетнего регулирования в таких объединениях.

• Рассмотрение специального вопроса, связанного с использованием статической модели (ОРИРЭС) для исследования развития объединяемых ЭЭС и МГЭС по временным этапам вместо применения более сложной динамической модели.

Предмет и объект исследования.

Предметом исследования являются теоретические, методические и практические вопросы оценки энергоэкономической эффективности сооружения МГЭС между странами с разными сезонами годовых максимумов нагрузки.

В качестве объекта исследования рассматриваются электроэнергетические системы стран Северо-Восточной Азии, где пока еще отсутствуют МГЭС. Конкретные количественные оценки даются применительно к МГЭС «РДВ-КНДР-РК».

Методология и методика исследования.

Работа базируется на методологии системных исследований в энергетике, сценарийном подходе, использовании математических моделей и методов системного анализа [23,49,50,52,82−89 и др.].

Непосредственно при проведении исследований применялись: находящаяся в разработке методика комплексного обоснования эффективности объединения ЭЭС с разносезонными годовыми максимумами нагрузки, разработанная автором совместно с JI.C. Беляевым методика исследования эффективности функционирования ГЭС с большими водохранилищами в таких МГЭО и методика по учету динамики развития ЭЭС при применении статических моделей [59, 79−81].

Для количественных оценок энергоэкономической эффективности МГЭС использовалась модифицированная линейная математическая модель ОРИРЭС (Оптимизация Развития И Режимов Электроэнергетических Систем). Данная модель была разработана сотрудниками ИСЭМ СО РАН (при непосредственном участии диссертанта) специально для изучения целесообразности сооружения МГЭС в Северо-Восточной Азии и была доработана автором применительно к задачам решаемым в диссертации [55,62,69,79].

Информационная база.

В работе использовались статистические данные по энергосистемам и странам СВА, монографии, материалы периодической печати. Значительная часть предоставлена проектными и научными организациями России и Республики Кореи при проведении совместных работ.

Научная новизна работы состоит в том, что в ней впервые получены и выносятся на защиту следующие наиболее важные результаты:

1. Показаны особенности задачи оценки энергоэкономической эффективности межгосударственных электрических связей между ЭЭС с разными сезонами годовых максимумов нагрузки и ее место в комплексе задач обоснования эффективности МГЭС.

2. Разработана и реализована математическая модель ОРИРЭС для оценки энергоэкономической эффективности МГЭС.

3. Предложена методика анализа мощностного эффекта при объединении ЭЭС с разносезонными максимумами нагрузки и возможных путей его реализации.

4. С применением предложенной методики и модели ОРИРЭС исследована энергоэкономическая эффективность МГЭС «Российский Дальний ВостокКНДР-Р.Корея».

5. Предложена методика и проведены расчеты по использованию ГЭС с крупными водохранилищами в МГЭО с разными сезонами максимума нагрузки потребителей.

Практическая ценность.

Предложенные методические подходы и модель ОРИРЭС использовались при выполнении предпроектных работ по обоснованию эффективности ряда МГЭС в регионе СВА [71−78]. Диссертационная работа является итогом многолетних исследований этого направления.

Разработанные методики и модель могут применяться в дальнейших работах по оценке технико-экономической эффективности сооружения МГЭС в регионе СВА.

Апробация работы.

Основные результаты докладывались и обсуждались на конференциях научной молодежи ИСЭМ (Иркутск, 1997 и 1998 гг.), международной конференции «Power System Technology» (Пекин, 1998 г.) — международной конференции «Восточная энергетическая политика России и проблемы интеграции в энергетическое пространство Азиатско-Тихоокеанского региона» (Иркутск, 1998 г.), международной конференции «Физико-технические проблемы Севера» (Якутск, 2000 г.), всероссийской конференции «Энергетика России в 21 веке: проблемы и научные основы устойчивого и безопасного развития» (Иркутск, 2000 г.), второй и третьей международных конференциях «Энергетическая кооперация в Северо-Восточной Азии: предпосылки, условия, направления» (Иркутск, 2000 и 2002 гг.), международной конференции «First International Conference on Technical and Physical Problems in Power Engineering» (Баку, 2002 г.) [14, 55−60, 68−70].

Публикации.

По теме диссертации опубликовано 15 печатных работ [14, 55−63, 65, 6870, 79].

Структура и объем работы.

Сформулированный перечень задач определяет структуру и порядок изложения материала.

Работа состоит из введения, 5 глав, заключения, списка использованных источников и одного приложения.

Во введении обосновывается актуальность диссертационной работы, сформулированы цель и задачи исследований, определена ее научная новизна и практическая ценность.

В первой главе — «Виды МГЭС и задачи обоснования их эффективности» — анализируется состояние и перспективы развития МГЭС, предлагается классификация МГЭС по виду использования, показаны особенности сооружения МГЭС в регионе Северо-Восточной Азии, дается состав задач по комплексной оценке эффективности, изложены основы методического подхода, выделяется задача, рассматриваемая в диссертации.

Во второй главе — «Модельно-программное и информационное обеспечение исследований энергоэкономической эффективности МГЭС» — дается обзор существующих моделей, обосновывается необходимость создания новой модели, ориентируемой на специфику проводимых исследований, показаны требования к модели, приводится математическое описание модели ОРИРЭС, анализируется информационное обеспечение исследований.

В третьей главе — «Анализ энергетической эффективности МГЭС в МГЭО с разными сезонами максимумов нагрузки» — выполнен теоретический (качественный) анализ эффекта объединения ЭЭС с разными сезонами годовых максимумов нагрузки и путей его реализации.

В четвертой главе — «Исследование энергоэкономической эффективности МГЭС «РДВ — КНДР — РК» — с использованием предложенного методического подхода и модели ОРИРЭС производится количественная оценка энергоэкономической эффективности конкретной МГЭС «РДВ-КНДР-РК». На данном примере проиллюстрированы возможности реализации мощностного эффекта объединения ЭЭС с разносезонными максимумами нагрузки. Показана экономическая эффективность электропередачи, проанализировано влияние пропускной способности МГЭС на энергоэкономические параметры МГЭО. Даны рекомендации по выбору рациональной пропускной способности МГЭС.

В пятой главе — «Специальные вопросы» — исследовано участие ГЭС в МГЭО с разными сезонами максимума нагрузки. Рассмотрены особенности функционирования ГЭС с водохранилищами годового и многолетнего регулирования в таких объединениях, предложена методика исследований. На примере ГЭС РДВ показаны возможности получения дополнительного эффекта от сезонного перераспределения стока. Исследован способ учета динамики развития при использовании статических моделей.

В заключении — содержатся результаты работы и основные выводы.

В приложении — приводятся формы задания исходной информации для модели ОРИРЭС.

Работа содержит 121 страницу основного текста, включая 20 таблиц, 14 рисунков и список литературы из 111 наименований, и приложение на 4 страницах.

Автор выражает свою благодарность научному руководителю профессору д.т.н. J1.C. Беляеву и с.н.с. В. А. Савельеву за критический анализ, ценные советы и помощь в написании диссертации. Автор выражает также искреннюю признательность к.т.н. С. В. Подковальникову, к.т.н. А. В. Лебедеву и к.ф.-м.н. О. В. Хамисову, результаты совместных исследований с которыми в той или иной степени использованы в настоящей работе. Автор благодарен также профессору д.т.н. И. И. Голуб, профессору д.т.н. Б. Г. Санееву и к.т.н. Д. Н. Ефимову давшим ценные рекомендации при рецензировании.

4.4. Основные результаты расчетов.

В табл. 4.9 представлены обобщенные результаты всех четырех серий расчетов. Они даны для тех пропускных способностей МГЭС, которые были признаны выше наиболее рациональными. Годовой экспорт (или импорт) каждой страны указан как результирующий (нетто) по реверсивным обменам электроэнергией (для МГЭО трех стран он показан на рис. 4.5 и 4.7).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В процессе исследований эффективности объединения ЭЭС с разными сезонами годовых максимумов нагрузки, которые выполнены в рамках диссертации, получены следующие основные результаты.

1. Сделан обзор мирового опыта создания межгосударственных электроэнергетических объединений (МГЭО) и электрических связей (МГЭС). Его анализ позволил выделить два основных класса МГЭС — экспортные и реверсивные, каждая из которых может выполнять (в том числе совмещать) функции: передачи электроэнергии в целях торговли, взаимного резервирования объединяемых ЭЭС в аварийных ситуациях, передачи «балансовой» мощности в часы максимумов ЭЭС. Наибольший эффект может быть достигнут при сооружении реверсивных МГЭС, передающих балансовые мощности. Такие МГЭС могут строиться между рядом стран Северо-Восточной Азии.

2. Показан состав задач по комплексному обоснованию МГЭС и место среди них задачи оценки энергоэкономической эффективности МГЭС, являющейся основным предметом исследований диссертации. Проанализированы особенности этой задачи и установлены требования к математическим моделям для ее решения применительно к объединению ЭЭС с разносезонными максимумами нагрузки.

3. Разработана и программно реализована математическая модель ОРИРЭС для оценки энергоэкономической эффективности МГЭС. Особенностями модели являются: включение системы уравнений балансов установленных мощностей объединяемых ЭЭС для часов максимумов нагрузки (в том числе, совмещенного максимума МГЭО) — расчеты оптимальных режимов работы ЭЭС и перетоков по МГЭС для восьми характерных суток (по 24 часа) — рабочих и выходных характерных дней четырех сезонов годаопределение экономических показателей, характеризующих капиталовложения в развитие ЭЭС и.

МГЭС за расчетный период и эксплуатационные издержки каждой ЭЭС в последнем году расчетного периода. Сопоставление результатов расчетов на модели для вариантов раздельной и совместной работы ЭЭС позволяет оценить энергоэкономическую эффективность их объединения.

4. Собрана и систематизирована информация по электроэнергетике стран СВА, необходимая для оценки эффективности объединения национальных ЭЭС. Для большинства стран информация подготовлена в формате, требующемся для расчетов на модели ОРИРЭС.

5. Предложена методика анализа и оценки мощностного (энергетического) эффекта при объединении ЭЭС с разными сезонами годовых максимумов нагрузки и возможных путей реализации этого эффекта. Показано, что в случае, когда приросты нагрузки ожидаются в обеих (или всех) объединяемых ЭЭС, строительство реверсивной МГЭС может экономить до 2 кВт вводов новых электростанций на 1 кВт ее пропускной способности. Дополнительный эффект от сооружения МГЭС можно получить, если в одной из ЭЭС имеются избытки генерирующих мощностей.

6. Исследована энергоэкономическая эффективность конкретной МГЭС I.

Российский Дальний Восток-КНДР-Республика Корея". Показана высокая эффективность этой МГЭС. Даны рекомендации по ее рациональной пропускной способности для временных уровней 2010 и 2020 гг.

7. Предложена методика по определению оптимального участия ГЭС с водохранилищами годичного (или многолетнего) регулирования стока в МГЭО с двумя сезонами максимумов нагрузки. Расчеты показали высокую эффективность перераспределения сезонной выработки ГЭС (по отношению к распределению при изолированной работе ЭЭС). Применительно к МГЭО «РДВ-КНДР-РК» перераспределение выработки ГЭС РДВ для их участия в двух максимумах нагрузки МГЭО (зимнем и летнем) приводит к уменьшению необходимых вводов электростанций примерно на 1 ГВт, или на 30% от установленной мощности ГЭС. Такой эффект достигается лишь за счет сезонного перераспределения выработки уже существующих ГЭС.

8. Исследована и показана целесообразность применения специальной («условно-динамической») схемы расчетов на статической модели для решения задачи поэтапного развития ЭЭС и МГЭО (в случае отсутствия динамической модели). Такая схема расчетов дает лучшие результаты, чем обычно применяемые последовательные расчеты этапов на статической модели.