Анализ разных методов расчёта третичных регулировочных резервов для возобновляемой энергетики в Японии

Обеспечение электроснабжения при непредсказуемой погоде

По мере того как Япония всё больше полагается на солнечные панели и ветровые турбины, встал новый вопрос: как сохранять электроснабжение, когда утренняя погода и ветер оказываются не такими, как обещал прогноз? В этом исследовании рассматривается устройство японского рынка электроэнергии, как операторы сетей закупают резервную мощность для покрытия внезапных недопоставок от ВИЭ и дают ли действующие правила стране достаточную надёжность за те средства, которые она тратит.

Почему резервная мощность важна для «зелёной» электроэнергии

Солнечные и ветровые установки не ведут себя как традиционные угольные или газовые электростанции. Их выработка растёт и падает в зависимости от облачности и порывов ветра, иногда так, как прогнозы не успевают учесть. Если выработка солнечной генерации окажется ниже ожидаемой по дневному прогнозу, сеть может оказаться в последнюю минуту в поисках электроэнергии, что грозит проблемами с частотой или даже отключениями. Чтобы застраховаться от этого, операторы сетей в Японии обязаны закупать специальный резерв — Replacement Reserve for Feed‑in‑Tariff (RR‑FIT), предназначенный для покрытия неожиданных недопоставок от больших парков солнечных и ветровых станций.

Как Япония сейчас закупает этот запас безопасности

Объём RR‑FIT вычисляется по набору правил, разработанных национальным координационным органом операторов передачи. Для каждого получасового интервала следующего дня компании берут два года прошлых ошибок прогнозов, разбивают их по времени суток и уровням выработки и ищут наибольшие ошибки, имевшие место в тех условиях. Затем они пытаются исключить ошибки, происходящие ближе к реальному времени — покрываемые отдельным, более быстрым резервом — вычитая большое «хвостовое» значение ошибок за час до исполнения из аналогично высокого значения ошибок дневного прогноза. В результате получается большая таблица рекомендованных уровней резерва, которая, по идее, должна покрывать почти все серьёзные переоценки генерации ВИЭ.

Что реальная статистика показывает о недостатках

На основе пяти лет подробных оперативных данных из региона Чубу — одного из крупнейших энергетических районов Японии — авторы показывают, что текущий метод RR‑FIT не работает так, как заявлено. Хотя он направлен на очень редкие, экстремальные ошибки, получаемые резервы покрывали соответствующие недопоставки прогнозов лишь примерно в 70–80 процентов случаев, а в некоторые часы образовывались дефициты резервов более 2 гигаватт. Часть проблемы математическая: вычитание двух отдельно вычисленных «наихудших» значений не эквивалентно определению резерва напрямую из фактичесной разницы между дневным и часовым прогнозами для каждого часа. Текущий метод также делит данные на грубые блоки по времени и уровню выработки, что даёт разреженную статистику, много нулевых или несовместимых значений и требует произвольных корректировок.

Более умные способы расчёта страхового резерва

Чтобы устранить эти проблемы, в исследовании протестированы два улучшения. Первое (модификация I) основывает резерв напрямую на распределении разницы между ошибками дневного и часового прогнозов, а не на разности их отдельных экстремумов. Второе (модификация II) сглаживает «блочную» таблицу резервов в непрерывную кривую с помощью сплайн‑аппроксимации, чтобы похожие уровни прогноза получали близкие рекомендации по резерву. При применении к тем же данным Чубу эти изменения заставляют уровни резерва лучше соответствовать реальному поведению ошибок прогнозов. Например, в 2021 году более низкий статистический порог в сочетании с двумя модификациями покрывал недопоставки ВИЭ в 78.7 процента случаев при потребности всего в 2.3 тераватт‑часа RR‑FIT — примерно на 7 процентных пунктов больше покрытия при почти на 30 процентов меньшем резерве по сравнению с текущим правилом. Улучшенные методы также сократили крупнейшие почасовые дефициты резерва и уменьшили избыточные запасы.

Скрытая помощь от других резервов и конструкции рынка

Несмотря на слабые стороны RR‑FIT, надёжность японской сети не снизилась. Причина в том, что другой резерв — резерв за час до исполнения — незаметно покрывает большую часть дефицита. Когда авторы комбинируют RR‑FIT с оставшимся часовым резервом, который не был использован по своему первоначальному назначению, общее покрытие ошибок прогноза ВИЭ превышает 95 процентов даже при умеренных уровнях RR‑FIT. Этот маскирующий эффект означает, что операторы систем и политики легко могут переоценить эффективность только RR‑FIT, и это затрудняет оценку того, насколько действительно необходимы эти дорогостоящие резервы.

Что это значит для будущего ВИЭ и затрат

Исследование приходит к выводу, что Япония может одновременно повысить надёжность и сэкономить деньги, изменив способ определения объёмов резервов для недопоставок ВИЭ. Прямое использование статистики разниц ошибок прогнозов и сглаживание кривой резервов обеспечивают более точное соответствие между резервной мощностью и реальным риском. Результаты также указывают на то, что текущие объёмы RR‑FIT могут быть значительно сокращены с лишь несущественным снижением общей защиты, потому что часовые резервы уже выделяются щедро. Для стран по всему миру, планирующих сети с высокой долей ветра и солнца, сообщение ясно: расчёт резервов и правила рынка должны развиваться совместно, иначе энергосистемы рискуют переплачивать за резерв, который не нацелен туда, где он наиболее нужен.

Цитирование: Fonseca, J.G.S., Hori, T. & Ogimoto, K. Analysis of different methods to calculate tertiary regulation reserves for renewable energy in Japan. Sci Rep 16, 8348 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-37441-x

Ключевые слова: резервы для возобновляемой энергии, надёжность электросети, неопределённость прогноза, рынки электроэнергии, энергетическая система Японии