Глава 1-4
Предложение и спрос на рынках электроэнергии
После того как дождь намочит воздушного змея и бечевку, превратив ее в проводник Электрического Огня, вы убедитесь, как этот Огонь изобильно потечет к вашей руке.
Бенджамин Франклин
1752 г.
Естественные1 характеристики предложения и спроса имеют важнейшее ЗНАЧЕНИЕ ДЛЯ РАБОТЫ РЫНКОВ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ.
Сдвиги кривой спроса, не связанные с изменениями цен, играют заметную роль на всех рынках, но на рынках электроэнергии такие сдвиги часто рассматривают, намеренно пренебрегая влиянием цен. И это вовсе не результат применения регулируемых цен на электроэнергию, поскольку даже при рыночных ценах сдвиги кривой спроса играют ключевую роль в определении оптимальной структуры технологий производства электроэнергии. Тем самым естественные ежечасные изменения спроса на рынке оказывают решающее влияние на перспективный выбор основных технических решений в электроэнергетике.
Поскольку электрическую энергию невозможно запасти, ее производство всегда равно потреблению, а о разнице между предложением и спросом нельзя судить по величине потоков мощности. Не поможет здесь и определение мгновенной разницы между спросом и предложением, устанавливаемой с учетом заключенных контрактов, поскольку фактический спрос (спрос в реальном времени) определяется только в тот момент, когда потребители физически отбирают электроэнергию из сети. О краткосрочной сбалансированности предложения и спроса говорят лишь значения напряжения, и в особенности, частоты электрического тока в системе. Для анализа такой необычной структуры рынка необходимы некоторые элементарные знания о физических процессах в электроэнергетической системе. Более детально они будут рассмотрены в главах 5-1 и 5-2.
Краткое содержание главы 1-4.
На нерегулируемом рынке кривые продолжительности нагрузки все еще сохраняют свое значение важнейшего инструмента анализа, но их использование требует учета ценовых факторов и сложных взаимосвязей между рыночной ценой электроэнергии и величиной нагрузки, существенно влияющих на форму этих кривых.
Фактические (уже учитывающие влияние ценового фактора) кривые продолжительности нагрузки могут по-прежнему использоваться вместе с кривыми полных затрат для проверки достижения рыночного равновесия. Вместе с тем при использовании прогнозных кривых продолжительности нагрузки для определения величин установленной мощности, приводящих рынок к равновесию, необходимо явным образом учитывать фактор ценовой эластичности.
Производство электроэнергии всегда равно потреблению (если рассматривать потери как часть потребления), что не позволяет оценить баланс предложения и спроса на основе наблюдаемых объемов производства и потребления электроэнергии или ее потоков. Вместо этого используют более точный индикатор баланса в системе в целом — частоту электрического тока, а для разделения ответственности участия регионов за поддержание этого баланса — сальдо отклонений перетоков мощности между регионами от их плановых значений.
1-4.1 Определение спроса на электроэнергию.
Наблюдаемые в течение года непрерывные изменения нагрузки можно в обобщенном виде представить с помощью кривой продолжительности нагрузки, выражающей спрос на электроэнергию как функцию продолжительности нагрузки, измеряемой в процентах (долях) времени года, в течение которых спрос равен определенному уровню или превышает его. Другой способ интерпретации этой зависимости — рассматривать ее как вероятность того, что нагрузка будет выше определенного уровня.
1 Без учета влияния ценовой эластичности для спроса и повышения цены сверх маржинальных затрат для предложения. — Примеч. ред.
Если потребители будут оплачивать электроэнергию по ценам в реальном времени, то пиковая нагрузка снизится, что позволит сократить и необходимую величину установленной мощности. В результате пиковая часть кривой продолжительности нагрузки будет «срезана» по горизонтали.
1-4.2 Кривые полных затрат и долгосрочное равновесие.
Если кривые полных затрат для имеющихся технологий производства электроэнергии представить на одном графике, то точки их пересечения определят значения коэффициента загрузки, при которых одна технология становится выгоднее другой. Значения продолжительности нагрузки, соответствующие этим коэффициентам загрузки, при нанесении их на кривую продолжительности нагрузки дают оптимальные значения установленных мощностей для различных технологий.
Этот подход можно использовать для проверки достижения долгосрочного рыночного равновесия, но не для нахождения точки равновесия. В условиях рынка цена оказывает влияние на форму кривой продолжительности нагрузки, поэтому эта кривая не может рассматриваться как заданная до того, как определена точка равновесия.
1-4.3 Частота, напряжение и равновесие рынка.
Когда потребители включают десять лампочек по 100 Вт каждая, они предъявляют спрос на 1000 Вт мощности, и если генерирующие установки вырабатывают только 900 Вт, то система не будет «сбалансирована». Несмотря на это вырабатываемая мощность будет точно равна потребляемой мощности (если не учитывать потери). Равенство потоков мощности будет достигнуто падением напряжения до такого уровня, при котором потребление мощности каждой 100-ваттной лампочкой составит лишь 90 Вт. Для электродвигателей тот же эффект достигается уменьшением частоты в системе. Поскольку напряжение автоматически регулируется на подстанциях, частота оказывается основным механизмом поддержания баланса мощности в системе.
Электроэнергетическая система США разделена на три объединения, работающие на переменном токе: Западное, Восточное и Техас. Частота в системе одинакова в пределах каждого объединения, и это означает, что изменения частоты невозможно использовать для обнаружения места возникновения небаланса между предложением и спросом. Вместо этого на границах зон диспетчерского управления отслеживаются сальдо перетоков мощности и производится их сравнение с запланированными величинами перетоков; это позволяет выявить источник небаланса.
Рис. 1-4.1 Кривая продолжительности нагрузки
1-4.1 Определение спроса на электроэнергию
Традиционно спрос на электроэнергию представлялся в виде кривой продолжительности нагрузки, которая показывает число часов в году, в течение которых суммарная нагрузка равна данной величине или превышает ее. В качестве примера такая кривая приведена на рис. 1-4.1. Полный спрос (величина нагрузки) — это мощность, потребляемая нагрузкой, и она измеряется в мегаваттах (МВт). Хотя кривая продолжительности нагрузки точно отражает суммарное время, в течение которого нагрузка в системе находится на определенном уровне, она не дает информации о временной (календарной) последовательности различных уровней потребления. Одна и та же кривая может быть получена как при резких колебаниях спроса в течение дня и малых сезонных изменениях нагрузки, так и при больших сезонных изменениях и малых колебаниях в пределах каждого дня.
Введение рынка приводит к появлению еще одной переменной величины — цены. Экономисты часто представляют спрос кривой спроса, которая отражает его только как функцию цены. Не связанные с ценой изменения спроса, которые определяют кривую продолжительности нагрузки, рассматриваются как сдвиг кривой спроса и обычно подробно не описываются. Но электрическая энергия — это особый товар, поскольку ее нельзя запасать. Поэтому для удовлетворения спроса на электроэнергию в пиковый период приходится использовать электростанции, востребованные всего около 1% времени в течение года. Такие пиковые электростанции построены по существенно иной технологии, чем базисные электростанции, рассчитанные на постоянную загрузку и редко останавливаемые. Поэтому в условиях рынков электроэнергии существует проблема выбора структуры установленной генерирующей мощности из всех имеющихся технологий, например, использование мощности угольных паротурбинных электростанций или газотурбинных установок. Это объясняет особое значение эффекта сдвига кривых спроса и, следовательно, важную роль кривых продолжительности нагрузки для анализа рынков электроэнергии1.
Кривые продолжительности нагрузки
Кривую продолжительности нагрузки можно построить для определенного региона (или для какой-то иной совокупности нагрузок), измеряя полную нагрузку по часовым интервалам для каждого из 8760 ч года, сортируя эти данные по величине и отображая их на графике, начиная с самой большой нагрузки.
В результате получается кривая, нисходящая от максимальной величины нагрузки в пиковый час (час 1) до ее минимальной величины, т. е. базовой нагрузки, наблюдаемой в наименее загруженный час года (на графике, представленном на рис. 1-4.1, это час, соответствующий значению 8760 ч) .
Продолжительность нагрузки обычно измеряется в часах за год. Но поскольку и часы, и годы имеют размерность времени, продолжительность является безразмерной величиной, а это означает, что она представляет собой просто число, отношение или процент. Чтобы перейти от единиц измерения «часов за один год» к безразмерному числу, надо просто умножить соответствующую величину на 1 год/8760 ч. Продолжительность нагрузки можно также интерпретировать как вероятность того, что нагрузка будет выше определенного уровня или равна ему. Выберем, например, уровень нагрузки 35 ГВт и по кривой продолжительности нагрузки найдем продолжительность, соответствующую данной нагрузке (в нашем случае 20%). Это означает, что нагрузка равна 35 ГВт или больше в течение 20% суммарного времени. Другими словами, вероятность того, что нагрузка будет 35 ГВт или больше в случайно выбранный час, составляет 0,2. Такая интерпретация представляется наиболее удобной.
1 На предприятиях сферы услуг, таких как рестораны и аэропорты, часто происходят колебания спроса, порождающие схожие проблемы, поскольку их «продукция» также не может храниться на складе, но они применяют одинаковые технологии в пиковые и внепиковые периоды.
Ценовая эластичность спроса
В настоящее время на большинстве рынков электроэнергии спрос почти полностью нечувствителен к цене, поскольку колебания оптовой цены обычно не доводятся до розничных потребителей. Часто розничные цены так или иначе регулируются, но даже компании розничного сбыта, работающие на конкурентной основе, также не торопятся использовать цены в реальном времени. В долгосрочной перспективе розничные цены меняются, иногда сезонно. В такой временной перспективе увеличение цены на 10% вызывает уменьшение потребления электроэнергии также примерно на 10%1 2. Это достаточно приближенная оценка, но в долгосрочной перспективе 10%-ное увеличение цены, весьма вероятно, приведет к 5—15%-ному сокращению спроса, и наверняка это сокращение не будет равно нулю. Экономисты называют такую чувствительность к цене ценовой эластичностью спроса, или просто эластичностью спроса. Если 10%-ное изменение цены вызывает 5%-, 10%- или 15%-ное изменение спроса, то говорят, что эластичность составляет 0,5, 1,0 и 1,5 соответственно. (Формально показатели эластичности спроса — отрицательные числа, но в этой книге, согласно общепринятой практике, они выражены положительными числами).
Ценообразование в реальном времени и кривая продолжительности нагрузки
В условиях ценового регулирования потребители в бытовом секторе обычно рассчитываются по почти неизменным ценам, а коммерческие и промышленные потребители часто имеют дело с ценами, зависящими от времени использования или же с многоставочными тарифами с платой за мощность. Цены, зависящие от времени использования, в периоды большого спроса устанавливаются высокими, однако при этом достигается достаточно грубое соответствие между ценами и величиной фактической нагрузки в системе.
Рис. 1-4.2 Влияние ценовой эластичности на кривую продолжительности нагрузки
Поскольку цены устанавливаются заранее на несколько лет вперед, они не могут учитывать значительных колебаний спроса, зависящих от погодных условий, которые часто становятся причиной наиболее острого дефицита генерирующих мощностей. Тарифы с платой за мощность еще менее точно отражают ситуацию с нагрузкой системы, поскольку они основаны на собственных максимумах нагрузки потребителей, а не на максимумах нагрузки системы. Плата за мощность, учитывающая участие в совмещенном максимуме нагрузки, улучшает положение, поскольку она ставит взимаемую с потребителей плату в зависимость от потребления электроэнергии во время прохождения максимума нагрузки всей системы, но такая форма оплаты за мощность применяется редко.
Поскольку предложение электроэнергии является величиной практически постоянной3, положение на рынке характеризуется наибольшей недостаточностью предложения именно в период наибольшего спроса. Следовательно, высокие оптовые цены вполне соответствуют положению на рынке в период большого спроса. Если эти цены реального времени доводятся до потребителей, то розничные цены будут довольно точно следовать за уровнем нагрузки. Хотя цены реального времени выполняют свои функции лучше всего, все четыре методики ценообразования (включая цены, учитывающие время использования, тарифы со ставкой за мощность, тарифы с платой за мощность с учетом участия в совмещенном максимуме нагрузки, цены реального времени) обеспечивают увеличение цен в период высокого спроса и их уменьшение в период низкого спроса. В результате происходит понижение уровня пиковой части кривой продолжительности нагрузки и повышение уровня ее базисной части.
1 На рисунке 1-4.1 эта величина соответствует продолжительности нагрузки, равной 1 или 100%. — Примеч. ред.
2 Не существует универсальных определений долгосрочной и краткосрочной эластичности спроса, которые можно было бы с пользой применить к любому периоду времени от 5 мин до 20 лет. В настоящей книге краткосрочная эластичность будет относиться к промежуткам времени, сопоставимым с сутками, а долгосрочная — к промежуткам времени порядка 5 лет.
3 В краткосрочной перспективе. — Примеч. ред.
Если бы до потребителей доводились цены в реальном времени, потребность в генерирующей мощности можно было бы снизить1, скажем, до точки, соответствующей продолжительности 10% на кривой продолжительности нагрузки, построенной для регулируемой электроэнергетики. Тогда в диапазоне продолжительности от 0 до 10% предложение и спрос были бы сбалансированы с помощью исключительно ценовых факторов. В этом случае вместо использования генерирующих мощностей для покрытия изменения нагрузки сама нагрузка, реагируя на изменение цен, будет удерживаться на постоянном уровне, равном величине установленной мощности. В часы, соответствующие периоду наименьшей продолжительности нагрузки, цена должна быть очень высокой, чтобы снизить спрос до такого уровня2. Благодаря достаточно сильным колебаниям цена удерживала бы спрос в определенных рамках, и в результате верхняя часть кривой продолжительности нагрузки имела бы форму со «срезанной» максимальной нагрузкой на уровне, точно соответствующем величине генерирующей мощности (рис. 1-4.2).
1 В результате снижения потребления в пиковый период из-за высоких цен. — Примеч. ред.
2 Краткосрочная ценовая эластичность спроса на электроэнергию очень мала, поэтому для того, чтобы достаточное количество потребителей снизили свое потребление, пиковые цены должны быть очень высокими. — Примеч. ред.
Рис. 1-4.3 Использование кривых полных затрат для определения оптимального состава станций
1-4.2 Кривые полных затрат и долгосрочное равновесие
Если спрос неэластичен или если для расчета с потребителями применяются фиксированные цены, то кривая продолжительности нагрузки неизменна, и по ней можно определить оптимальный набор технологий производства электроэнергии. Этот методический подход был разработан для регулируемой электроэнергетики, в условиях которой цена и кривая продолжительности нагрузки часто имеют фиксированный характер, но такой же подход может быть полезен и для понимания некоторых аспектов конкурентных рынков электроэнергии.
В рамках данного подхода предполагается, что показатели постоянных и переменных затрат дают адекватную экономическую характеристику технологий производства электроэнергии. Эти показатели используются для построения кривых полных затрат для каждой технологии (рис. 1-4.3). Точки пересечения этих кривых определяют значения коэффициентов загрузки, которые разделяют области оптимального применения различных технологий. Значения коэффициентов загрузки в данных точках соответствуют продолжительности нагрузок, которые определяют в свою очередь области значений нагрузки, обслуживаемой (покрываемой) различными генерирующими установками. Кривые полных затрат на этом рисунке взяты из рисунка 1-3.1 и пересекаются при значении коэффициента загрузки cf, равном примерно 30%. Следовательно, все нагрузки с продолжительностью более 30%, или около 2600 ч, должны обслуживаться угольными электростанциями, в то время как нагрузки меньшей продолжительности — газотурбинными установками. Стрелки на рисунке показывают, каким образом из кривой продолжительности нагрузки может быть определена необходимая установленная мощность угольных станций. Оптимальную установленную мощность газотурбинных установок можно найти, вычитая величину установленной мощности угольных станций из величины максимальной нагрузки, равной необходимой суммарной установленной мощности (вопросы вынужденных остановов и оперативных резервов рассмотрены в частях 2 и 3).
Если потребители оплачивают электроэнергию по оптовым ценам реального времени, этот подход неприменим, поскольку кривая продолжительности нагрузки зависит от цены, а цена зависит от выбора технологий, который, в свою очередь, как указано выше, зависит от кривой продолжительности нагрузки. Этот замкнутый круг не делает задачу неразрешимой, но затрудняет поиск конкурентного рыночного равновесия. Дело тут не только в усложнении самих расчетов, но и в сложности определения эластичности спроса.
Невзирая на упомянутый замкнутый круг, традиционный подход все же можно использовать для ориентировочной проверки достижения долгосрочного равновесия. Кривая продолжительности нагрузки, построенная для условий рынка, учитывает влияние цены на спрос. Используя эту кривую вместе с кривыми полных затрат для имеющихся технологий, можно было бы традиционным способом определить оптимальное сочетание технологий производства электроэнергии для рынка в состоянии долгосрочного равновесия. Однако на практике подобный анализ связан с немалыми трудностями.
1-4.3 Частота, напряжение и равновесие рынка
До сих пор в этой главе рассматривалось, каким образом описать спрос и как определить оптимальный состав технологий производства электроэнергии для удовлетворения этого спроса. В этом разделе рассматриваются физические аспекты поддержания баланса спроса и предложения в реальном времени. Ежеминутно потребители используют электроэнергию, генерирующие установки вырабатывают ее, и производимый объем электроэнергии точно равен объему потребления. Можно было бы возразить против использования слова «точно», но неточность при этом в тысячу раз меньше, чем минимальная измеряемая величина, и учитывать ее не имеет смысла. Определение баланса спроса и предложения зависит от электрических явлений, более тонких, чем понятия равновесного объема и соответствующих ему потоков мощности.
Потери
В реальных электрических сетях несколько процентов потребляемой мощности потребляется самой сетью. Такое потребление должно рассматриваться как часть спроса, хотя оно и не осуществляется в интересах конечных потребителей. Поэтому условно можно считать, что система в каждый момент времени поддерживает идеальный баланс между вырабатываемой и потребляемой электроэнергией (включая потери), а также между вырабатываемой электроэнергией и спросом на нее, если в этот момент времени спрос потребителей полностью удовлетворяется.
Условное соглашение Компенсация потерь в сети не рассматривается как часть спроса или предложения
Выработка электроэнергии, затрачиваемой на потери, должна рассматриваться как услуга, оплачиваемая участниками рынка и предоставляемая отдельно от основной системы торговли электроэнергией. Следовательно, с точки зрения торговых операций на рынке электроэнергии потоки мощности можно рассматривать как потоки, не имеющие потерь1.
1На рынке с локализованным (узловым) ценообразованием потери часто включаются в систему торговли электроэнергией и непосредственно влияют на цены рынка. Поэтому на таком рынке достаточно сложно отделить услугу по покрытию потерь от системы торговли электроэнергией и рассматривать потоки мощности как потоки, не имеющие потерь. — Примеч. ред.
Производство электроэнергии точно равно ее потреблению, потому что в системе передачи энергия не запасается1. Но если производство равно потреблению независимо от уровня цены, какой «сигнал» необходимо использовать для коррекции цены? Каким образом можно установить, что спрос меньше или больше предложения? О дисбалансе между предложением и спросом свидетельствуют не величины потоков мощности, а значения частоты и напряжения в системе. Когда они ниже номинальных значений, спрос превышает предложение, и наоборот.
Частота и напряжение
Электроэнергетические системы стараются поддерживать постоянное значение частоты — величины, показывающей, сколько раз в секунду переменный ток меняет свое направление. В Соединенных Штатах переменный ток 60 раз в секунду меняет свое направление и вновь возвращается к исходному значению. Следовательно, частота переменного тока составляет 60 циклов в секунду, т. е. 60 Гц. Во многих странах номинальная частота равна 50 Гц.
Напряжение является величиной электрического «давления»2, которое создает ток в цепях электрических приборов, таких как лампы накаливания или электродвигатели. Так же, как и для частоты, в энергосистемах существует некоторое стандартное значение напряжения, которое они стараются поддерживать. В Соединенных Штатах нормативная величина напряжения для бытового сектора составляет 120 В. В некоторых странах нормативное напряжение примерно вдвое больше. Когда незащищенный прибор, рассчитанный на 120 В, включается в розетку с электрическим напряжением 240 В, напряжение создает ток двойной величины, протекающий через прибор. Это приводит к тому, что прибор использует в четыре раза больше мощности (мощность равна произведению тока на напряжение) и, как правило, он сгорает. Этот пример является простой иллюстрацией того, что при увеличении напряжения большинство приборов потребляет больше мощности, и, наоборот, при уменьшении напряжения ими потребляется меньшая мощность.
Представьте себе систему с десятью генерирующими установками, работающими с полной мощностью и снабжающими энергией тысячу домов, в которых горят лампы накаливания и вращаются электрические двигатели. Если одна генерирующая установка отключается, напряжение и частота в системе уменьшаются, из-за чего электрические приборы начинают потреблять меньше мощности. Этот эффект более очевиден в случае снижения напряжения, но он проявляется и при падении частоты — так, например, по более сложным причинам большинство электродвигателей потребляют меньшую мощность, когда в системе падает частота. Уменьшение напряжения и частоты происходит автоматически благодаря действию законов физики во всей системе, состоящей из всех подключенных к ней электрических нагрузок и генераторов. Это происходит в той мере, в какой необходимо для баланса между входящим потоком (производством) и выходящим потоком (потреблением) электроэнергии.
1 Точнее, запасаемое количество столь ничтожно, что его нельзя использовать для торговли.
2 Можно провести аналогию между существованием напряжения (разности потенциалов) между точками проводника с током и разности давлений в струе жидкости при ее течении по трубам с трением — Примеч ред
В противном случае были бы нарушены законы физики, столь же фундаментальные, как закон всемирного тяготения.
Хотя ничто не может предотвратить одновременное падение частоты и напряжения, когда выработка электроэнергии уменьшается, а нагрузка сохраняется, можно повлиять на относительные значения уменьшения каждой из этих величин. В действительности в реальных электроэнергетических системах для этого используются средства автоматического регулирования. На подстанциях, где высокое напряжение линий электропередачи снижается до более низкого (все еще сравнительно высокого, применяемого в распределительных электрических сетях), установлены автоматически регулируемые трансформаторы. Они обеспечивают поддержание относительно постоянного напряжения в распределительных сетях даже при падении напряжения в передающих (высоковольтных) сетях. Благодаря этим устройствам регулирование потоков мощности, вызванное потерей генерирующей мощности в системе, в большей мере происходит через снижение частоты, а не уровня напряжения. Тем не менее могут происходить и происходят изменения как напряжения, так и частоты.
Частота и объединение энергосистем
Объединения энергосистем (энергообъединения) являются составными частями общенациональной электроэнергетической системы, соединения внутри которых выполнены линиями переменного тока. В каждом из трех энергообъединений США — Восточном объединении, Западном объединении и в большей части штата Техас — поддерживается одна и та же частота. При этом, например, частота тока в энергосистемах штатов Мэн и Техас регулируется независимо, а напряжение переменного тока энергосистем штатов Мэн и Флорида изменяется абсолютно синхронно. Частота, с которой работает каждая электроэнергетическая компания, входящая в данное энергообъединение, одна и та же1. Если одна компания сталкивается с проблемами отклонений частоты, они становятся проблемами всех компаний данного энергообъединения. Все три вышеупомянутые энергообъединения соединены друг с другом некоторым числом линий электропередачи небольшой пропускной способности, но фактически они являются отдельными объединениями, поскольку связывающие их линии электропередачи — это линии постоянного тока. По ним не может быть обеспечена передача мощности переменного тока. По данным линиям (вставкам) постоянного тока ток течет только в одном направлении, и он не меняет направления. Таким образом, линии постоянного тока не создают проблем с частотой тока, и перетоки мощности по ним не нуждаются в синхронизации (и не могут быть синхронизированы) с потокораспределением мощности внутри энергообъединений, работающих на переменном токе. Это позволяет осуществлять торговлю электроэнергией между двумя несинхронизированными между собой энергообъединениями.
1 Если бы разность частот в энергосистемах штатов Мэн и Флорида величиной 0,001 Гц сохранилась в течение одной минуты, то накопленный фазовый сдвиг между этими энергосистемами составил 22 град. Это привело бы к резким изменениям потоков мощности. Поэтому, хотя синхронизация частоты между энергосистемами не идеально точна, она чрезвычайно высока, и какой-либо постоянной разности частот не возникает. Проблемы с частотой у одной компании неизбежно станут проблемами всех компаний, соединенных линиями переменного тока.
«Сигнал» для коррекции цены
Когда происходит неожиданное отключение генерирующей установки (аварийное отключение) и выработка электроэнергии падает, спрос оказывается больше предложения, хотя и в этой ситуации потребление электроэнергии по-прежнему точно равно ее производству. При этом потребление электроэнергии оказывается меньшим, чем спрос, за счет введения принудительного ограничения поставок электроэнергии. Потребитель при включенной 100-ваттной лампочке предъявляет спрос на 100 Вт мощности. Однако во время частичного ограничения потребления 100 Вт не поступают в лампочку, поскольку передача мощности лампочке ограничена возможностями производителей.
Это ограничение происходит не вследствие сознательных действий, а по законам физики, автоматически приводящим к снижению напряжения и частоты. Для простоты ниже такое вынужденное ограничение потребления будем считать вызванным лишь падением частоты, поскольку именно оно наиболее часто происходит при аварийном отключении генерирующего агрегата.
Уменьшение частоты ниже стандартного уровня 60 Гц является ясным и точным «сигналом» того, что в рамках всего энергообъединения спрос превышает предложение. Аналогично, если частота выше 60 Гц, это свидетельствует о превышении предложения над спросом. В этом случае, например, электродвигатели с номинальной мощностью 100 Вт получают более 100 Вт электрической мощности. Эта избыточная мощность обычно нежелательна, поскольку приборы рассчитаны на потребление номинальной мощности при частоте 60 Гц.
Поскольку отклонение частоты свидетельствует о небалансе между предложением и спросом, частота является точным индикатором необходимости коррекции цены в объединении в целом. Когда частота повышается, цена должна снижаться; когда частота понижается, цену нужно повышать. Именно такой четко работающий механизм необходим для поддержания баланса между предложением и спросом на электроэнергию.
1 По сравнению с запланированным значением. — Примеч. ред.
Определение Спрос
Спрос на электроэнергию — это то количество электроэнергии, которое потреблялось бы, если бы частота и напряжение в системе были равны их номинальным значениям для всех потребителей. Заметим, что принудительно отключенная нагрузка рассматривается как часть спроса. Такое экономическое определение спроса противоречит определению, принятому Североамериканским Советом по надежности в электроэнергетике NERC (часто для определения спроса инженеры используют термин «нагрузка»).
Утверждение 1-4.1 Предложение равно потреблению, но может быть не равно спросу
Как и на всех товарных рынках, спрос — это то количество товара, которое потребители купили бы по рыночной цене при достаточном предложении. При низких значениях напряжения или частоты потребители потребляют меньше электроэнергии, чем хотели бы, так как предложение меньше спроса.
Как всегда, в реальном мире все оказывается еще сложнее. Частота на всех рынках электроэнергии в одном энергообъединении одна и та же. Поэтому этот показатель не позволяет судить о балансе между предложением и спросом на каждом конкретном рынке, а определяет лишь баланс между спросом и предложением в масштабах всего энергообъединения. Следовательно, отдельные рынки не могут полагаться только на значения частоты для определения необходимой коррекции цен.
Совет по надежности NERC вводит другую контрольную переменную, которая учитывает как частоту, так и отклонение суммарного перетока мощности, вытекающего из данной зоны торговли (сальдо перетоков). Отклонение суммарного перетока мощности определяется как разность фактического и запланированного перетоков. Увеличение суммарного перетока1 служит сильным «сигналом» о том, что в данной зоне торговли предложение превышает спрос.
Если частота повышается во всем энергообъединении, это слабый «сигнал» об избыточном предложении на одном из рынков, созданных в данном энергообъединении Оба этих «сигнала» используются, чтобы получить единый индикатор об избыточном предложении на каждом отдельном рынке. Этот единый индикатор называется регулирующим отклонением региона (Area Control Error или АСЕ) Каждая из зон диспетчерского управления должна поддерживать значение АСЕ максимально близким к нулю, и диспетчеры выполняют это требование. АСЕ является основным индикатором баланса между спросом и предложением для каждой зоны диспетчерского управления в Соединенных Штатах. Если в такой зоне организован рынок электроэнергии, этот индикатор определяет, будет ли сформированная рыночная цена корректироваться системным оператором в сторону увеличения или уменьшения.
