автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Концепция развития регионального комплекса электроснабжения потребителей

На правах рукописи

КУЧИН ПАВЕЛ ГЕННАДЬЕВИЧ

КОНЦЕПЦИЯ РАЗВИТИЯ РЕГИОНАЛЬНОГО КОМПЛЕКСА ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ

(НА ПРИМЕРЕ БЕЛГОРОДСКОЙ ОБЛАСТИ) Специальность 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

005060425 2 3 МАЙ 2013

Москва-2013 г.

и

005060425

Работа выполнена на кафедре «Электроснабжение промышленных предприятий» Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Национальный исследовательский университет «МЭИ»

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Ведущее предприятие:

доктор технических наук, профессор Кудрин Борис Иванович

заведующий кафедрой «Электрооборудование и автоматика промышленных предприятий» филиала Уфимского государственного нефтяного технического университета в г. Салавате, доктор технических наук, профессор Баширов Мусса Гумерович

Главный специалист электротехнического отдела ОАО «Гипротрубопровод», кандидат технических наук Жичкин Сергей Владимирович

ООО «ПромЭнергоСбыт», 301650, Тульская область, г. Новомосковск, ул. Калинина, 15

Защита состоится 31 мая 2013 года в аудитории М-611 в 16 ч. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.157.02 при ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ» по адресу: 111250, г. Москва, ул. Красноказарменная, 13.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью организации, просим направлять по адресу: 111250, г. Москва, ул. Красноказарменная, д. 14, Ученый Совет ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ».

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ».

Автореферат разослан «30» апреля 2013 г. " '

Ученый секретарь

Диссертационного совета Д 212.157.02 к.т.н., доцент

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Энергетическая Стратегия РФ до 2030 г. ставит цель максимально эффективного использования природных энергетических ресурсов и потенциала энергетического сектора для устойчивого роста экономики, повышения качества жизни населения страны. Сейчас около половины регионов страны являются энергодефицитными. В 2011 году из 71 региона рейтинга энергодостаточности «РИА Рейтинг», 51 являлся энергодефицитным и только 20 регионов производили электроэнергию не только для себя, но и для других областей, ввиду наличия на их территории крупных ГРЭС, ГЭС и АЭС. Энергодефицитность, ограничения на подключение потребителей к сетям являются значительными факторами, лимитирующими рост экономики. Стратегия в числе мер государственной энергетической политики указывает создание благоприятной экономической среды. В том числе стимулирование и создание условий для внедрения экологически чистых энергоэффективных и ресурсосберегающих технологий, расширения производства электрической и тепловой энергии на основе возобновляемых источников энергии, диверсификацию топливно-энергетического баланса страны, повышение уровня энергетической безопасности и надежности энергоснабжения за счет увеличения уровня его децентрализации.

Целью региональной энергетической политики, согласно Стратегии, является создание устойчивой и способной к саморегулированию системы обеспечения региональной энергетической безопасности с учетом оптимизации территориальной структуры производства и потребления топливно-энергетических ресурсов. Проведение региональной энергетической политики на территории России, должно учитывать специфику регионов страны, различные природно-климатические и социально-экономические условия. Среди проблем региональных энергетических комплексов выделяется значительный уровень диспропорций между обеспеченностью регионов энергоресурсами и структурой их потребления, недостаточное развитие малой энергетики и низкая вовлеченность в энергобалансы местных источников энергии регионального и локального значения.

В связи с этим является актуальным вопрос оценки потенциала выработки энергии на основе местных нетрадиционных и возобновляемых источников с учетом инфраструктурных, производственно-экономических и географических особенностей каждого региона. Для повышения надежности электроснабжения потребителей, энергосбережения и диверсификации энергетических ресурсов, целесообразно провести ревизию производственных процессов хозяйствующих субъектов в регионе на предмет наличия потенциала выработки электроэнергии с учетом современного уровня инноваций и развития технологий. Вовлечение потребителей электроэнергии в процесс применения возобновляемых и вторичных энергоресурсов для полного или частичного обеспечения своих потребностей является общемировым трендом.

Цель работы. Разработка инновационной методики обеспечения надежного электроснабжения, в том числе жителей и бизнеса в малых населенных пунктах, посредством модернизации существующих технологических циклов потребителей и внедрения источников энергии на местных и возобновляемых ресурсах.

В соответствии с поставленной целью в диссертационной работе сформулированы и последовательно решены следующие задачи:

1. Анализ изменения электропотребления региона и прогноз на среднесрочную перспективу;

2. Определение структуры распределенных собственных источников электроэнергии в населенных пунктах региона, отвечающей потребностям существующей структуры электропотребления;

3. Выявление потенциальных точек роста выработки электроэнергии на территории региона, с повышением эффективности использования первичных ресурсов, использованием местных возобновляемых и невозобновляемых природных ресурсов, и традиционных производственных циклов предприятий и организаций (вторичные источники и когенерация);

4. Формирование критерия целесообразности автономной и параллельной с сетью работы электротехнических комплексов потребителей;

5. Разработка методов повышения энергоэффективности и энергобезопасности электротехнического комплекса региона, и достижение целевых показателей Энергетической Стратегии 2030 по возобновляемым источникам (4,5% отвеличины электропотребления должно вырабатываться на основе ВИЭ).

Методы исследования включают в себя методы прогнозирования временных рядов, ценологический подход к системам, состоящим из элементов со слабыми взаимными связями, структурно-топологический анализ сложных систем во времени, методы расчета энергетических балансов и объема выработки электроэнергии, применительно к существующим в регионе технологическим цепочками предлагаемым направлениям их модернизации.

Научная новизна работы состоит в разработке инновационной методики полной электрификации отдельных регионов Российской Федерации (на примере Белгородской области) на основе предлагаемых электротехнических комплексов генерации и электрических сетей, обеспечивающих бесперебойное электроснабжение от традиционных и возобновляемых источников энергии для конечных потребителей в каждом населенном пункте.

Теоретическая значимость работы заключается в универсальности разработанной методики построения региональной системы электроснабжения на основе собственных источников электроэнергии в

>

I

составе электротехнических комплексов потребителей, согласованных со структурой электропотребления для любого региона России.

Практическая значимость работы состоит в применении разработанной методики к системе электроснабжения потребителей одного из наиболее энергодефицитных регионов России, Белгородской области, с учетом инфраструктурных, производственно-экономических и географических особенностей. Применение результатов работы позволит создать ориентированную на потребителя структуру систем электроснабжения всех регионов, повысить уровень диверсификации первичных энергоресурсов и национальной энергетической безопасности.

Степень достоверности. Достоверность исследования обеспечивается корректным применением научных методов, расчетов, сбором информации из достоверных и компетентных источников, обоснованностью принимаемых допущений, сопоставимостью результатов и выводов с существующими научными положениями.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Структурно-топологический анализ региона и прогноз электропотребления Белгородской области на среднесрочную перспективу;

2. Сформированы предложения по построению структуры региональной системы электроснабжения на основе параллельной с сетью и автономной работы собственных генерирующих мощностей потребителей в населенных пунктах в соответствии с существующей структурой электропотребления;

3. Выявлены факторы роста выработки электроэнергии в . регионе и произведены расчеты объемов дополнительной генерации с применением малой распределенной генерации за счет предлагаемых преобразований региональной системы электроснабжения, основой которых являются когенерационные, биогазовые установки, возобновляемые и вторичные источники энергии в составе электроустановок потребителей;

4. Предложен критерий оценки целесообразности автономного и параллельного с сетью электроснабжения потребителей и выбраны схемы присоединения источников;

5. Принципы повышения энергобезопасности и энергоэффекгивности электротехнического комплекса региона, сформулированные в работе, позволяют повысить категорию по надежности электроснабжения потребителей в малых поселениях с Ш на I и П за счет собственного независимого источника, эффективность потребления топлива на мини-ТЭЦ региона - в 1,5 раза по сравнению с раздельной схемой энергоснабжения, включающей котельные и конденсационные электростанции. Применение универсальной методики развития регионального комплекса электроснабжения на основе собственных источников потребителей обеспечивает достижение целевых показателей Энергетической стратегии 2030, и увеличение выработки электроэнергии в Белгородской области за счет нетрадиционных и возобновляемых источников в 2 раза.

Апробация. Основные положения диссертации, ее отдельные решения и результаты докладывались и обсуждались на ряде конференций и семинаров, в том числе: ХЬ всероссийская научно-практическая конференция (с международным участием) с элементами научной школы для молодежи Федоровские чтения, 16-19 ноября 2010 г., Москва; Семнадцатая международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов РАДИОЭЛЕКТРОНИКА, ЭЛЕКТРОТЕХНИКА И ЭНЕРГЕТИКА, 24 - 25 февраля 2011 г., Москва; Всероссийский конкурс научно-исследовательских работ студентов, аспирантов и молодых учёных по нескольким междисциплинарным направлениям «ЭВРИКА-2011», октябрь-ноябрь 2011 г., Новочеркасск; Девятнадцатая международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов РАДИОЭЛЕКТРОНИКА, ЭЛЕКТРОТЕХНИКА И ЭНЕРГЕТИКА, 28 февраля - 1 марта 2013 г., Москва; X Международной научно-практической интернет-конференции "Энерго- и ресурсосбережение -XXI век" (Орел, 2012), на научных семинарах кафедры «Электроснабжения промышленных предприятий» НИУ «МЭИ».

Публикации. По теме диссертационной работы опубликованы 7 печатных работ, в том числе 1 - в издании, рекомендованном ВАК РФ для публикации основных результатов диссертаций на соискание ученых степеней доктора и кандидата наук.

Структура и объем работы. Диссертационная работа изложена на 113 страницах, включая 39 таблиц и 19 иллюстраций. Список использованной литературы включает 93 наименования работ отечественных и зарубежных авторов. Работа состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы и 14 приложений. Приложения представлены на 37 страницах. ,

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность работы, сформулированы цели и задачи диссертации, расставленыприоритеты в решении поставленных задач, охарактеризована степень проработанности темы исследования, показана научная новизна работы, ее теоретическая значимость и практическая ценность.

В первой главе указаны проблемы региональных комплексов электроснабжения потребителей, касающиеся обеспеченности отдельных населенных пунктов электроэнергией и доступности ресурсов централизованной сетевой инфраструктуры для потребителей; дан обзор развития местных и возобновляемых источников для электроснабжения потребителей в мире, показано, что методы повышения энергобезопасности различных государств характеризуются развитием местной генерации; приведена экономическая и географическая характеристика Белгородской области.

Сооружение крупных электростанций в городах, районных ГРЭС, ЛЭП 110, 220 кВ и выше не решает проблемы электроснабжения миллионов домохозяйств в регионах. Протяженные сети 6 (10) кВ к малым населенным пунктам требуют больших затрат на ввод в эксплуатацию, обслуживание и ремонт, которые не могут окупаться из-за малых объемов потребления, и не

обеспечивают должный уровень качества и надежности электроснабжения потребителей. Рост цен на электроэнергию для потребителя в значительной степени обусловлен сетевой составляющей. Цена электроэнергии для конечного потребителя в России состоит на 37% из генерирующей составляющей, и на 63% из сетевой (и сбытовой). Необходимо сместить акцент на развитие местной генерации, чтобы снизить сетевую составляющую в тарифе. В структуре тарифов на электроэнергию для потребителей в развитых странах доли генерирующей и сетевой составляющей остаются неизменными на протяжении десятилетий, 67-68% - генерация, 32-33% - сети. Подобное соотношение (65%/35%) указывается в Энергетической Стратегии России 2030 в качестве целевого ориентира.

Белгородская область является одним из наиболее энергодефицитных регионов. Это характеризует в том числе тот факт, что 10 областных электростанций расположены в 8 городах и поселках, а всего в регионе 1534 населенных пункта, кроме того 69 сел в графе «без населения». С другой стороны, экономика области является одной из лидирующих в сельском хозяйстве страны, здесь имеет огромный потенциал инновационное развитие био-энергетики. Географическое положение региона на юге Центрального федерального округа предполагает обилие солнца. Высок уровень газификации территории. Это позволяет говорить о возможности дополнительной выработки электроэнергии турбодетандерами на газораспределительных пунктах при понижении давления газа, и газопоршневыми (газотурбинными) установками на объектах, где необходим собственный источник электроэнергии и тепла (больницы, перинатальные центры, крупные торговые центры и др.). Котельные области, в настоящее время потребляющие электроэнергию на собственные нужды в процессе работы, работают на газе. Это позволяет активно развивать потенциал теплофикационных схем с комбинированной выработкой электрической и тепловой энергии.

Во второй главе рассмотрен математический аппарат методов прогнозирования временных рядов. Метод Холта основан на оценке коэффициента Ь, при независимой переменной времени, который находится как экспоненциально взвешенное среднее разностей между текущими экспоненциально взвешенными средними значениями процесса к, и их предыдущими значениями И,.;. Особенностью метода является вычисление текущего значения экспоненциально взвешенного среднего м(> которое включает в себя вычисление предыдущего коэффициента при независимой переменной. Так происходит адаптация нового коэффициента к предыдущему значению линейного тренда. Уравнения метода Холта:

Параметры В и А могут принимать значения от 0 до 1, однако их рекомендуется брать равными 0,1 и 0,01 соответственно, с1, - фактическое

щ = Айг + (1 - +

Ь^ВО^-и^О + а-ВЖ-х.

(1) (2)

значение прогнозируемой величины в момент времени и Прогноз значений с использованием коэффициентов, полученных в (1),(2), выполняется по следующей формуле:

Л+т + (3)

Достоинство метода — адаптация к предыдущему значению коэффициента при независимой переменной. Недостаток - необходимость задания (подбора) двух параметров.

Метод адаптивного сглаживания Брауна для линейно-аддитивного тренда предлагает следующую оценку по взвешенному методу наименьших квадратов:

Л+Т=и,+Ьс т, (4)

где

щ= щ_1 + Ъ1_1 + (1-уг)еь (5)

©

^=^ + (1-7)4. (7)

Достоинства: идея метода - минимизировать взвешенную сумму квадратов ошибок прогноза; метод однопараметричен: у задает коэффициент дисконтирования, аналогичный параметрам 1-а в других методах; коэффициенты модели прогноза оцениваются совместно, что уменьшает автокорреляцию; простота вычислений. Недостаток: запаздывание изменения тренда может повысить ошибку, если в последних фактических значениях происходит изменение тренда.

Линейная регрессия задает прямую линию, описывающую процесс, который предстоит прогнозировать. Линия подбирается таким образом, чтобы разброс наблюдений по обе стороны от нее был наименьшим. После этого прямая продлевается на прогнозируемый отрезок времени (экстраполируется). Такая прямая задается уравнением:

У(:= а + Ы, (8)

где у - выровненное значение у,, соответствующее моменту времени Г; а, Ь- константы, при которых сумма квадратов отклонений фактических значений ух от выровненных % минимальна, т.е. ¿(уг уО2. Коэффициент Ь, определяющий угол наклона прямой, называют коэффициентом регрессии, а - свободный коэффициент, характеризует точку пересечения линии с осью ординат. Значения коэффициентов вычисляются следующим образом:

ь = (9)

»

I

На практике удобно находить коэффициенты уравнения линейной регрессии и строить график по заданным значениям посредством стандартной функции MS Excel.

Ценологический подход к прогнозированию базируется на ранговом анализе. Региону присваивается рангв общем рейтинге регионов России по электропотреблению в зависимости от значения параметра ранжирования. Расчетное значение ранга может быть получено из формулы:

где Грасч - расчетное значение ранга точки; - теоретическое значение первой точки распределения по электропотреблению (коэффициент экспоненциальной функции, описывающей распределение); ^гфакг -фактическое значение электропотребления точки (региона) с фактическим рангом Гфакт; /? - степенной показатель, характеризующий распределение.

Рассчитываются значения грасч, Р за последний год, когда известны величины электропотребления регионов. Принимается допущение, ЧТО Грасч, Р остаются неизменными на интервале прогнозирования, и выполняется прогноз величины ТУ0. По прогнозному значению Ж0 получают прогнозное значение Жг.

В третьей главе выполняется прогноз электропотребления Белгородской области по известным значениям этой величины за 2002 - 2011 гг. (см. Таблица 1) методами, рассмотренными во второй главе.

Рассмотрим более подробно ценологический подход к прогнозированию, включающий ранговый анализ. Построение ряда рейтингов по годам друг за другом позволяет получить некоторую «поверхность», по которой «перемещаются» регионы в зависимости от года и ранга. Такое представление распределений (рейтингов) называется структурно-топологической динамикой (СТД) регионов. Проследим изменение фактического и расчетного ранга Белгородской области в рейтинге (см. Рисунок 1, Таблица 2). Расчетное значение ранга фиксируем на уровне 2011 г. для всего интервала прогноза (см.Таблица 3). Выполнив прогноз методом линейной регрессии, рассчитываем прогнозную величину электропотребления Белгородской области

^Еелг-

Таблица 1. Значения электропотребления Белгородской области по годам, млн. кВтч.

2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011

11232,6 11662,5 11836,6 11952,7 13618,2 14261,2 14071,9 13344 14393,2 15114,6

Нами получены результаты прогнозирования электропотребления региона по четырем методикам. Приведем их значения (Таблица 4) для анализа и выбора среди них оптимального. Отметим, что х является горизонтом прогнозирования в годах - 1, 2 и т.д., 1 — значение года (2012 - 2015). Из полученных результатов

1

(И)

(см. Таблица 4, Рисунок 2) воспользуемся результатом, полученным методом линейной регрессии.

Структурно-топологическая динамика Белгородской области и соседей по рейтингу

Рисунок I. Графическое представление изменения ранга регионов на поверхности СТД. Таблица 2. Анализ поведения точки «Белгородская область» на поверхности

Год 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011

Фактический ранг 22 22 22 19 20 20 20 20 20

Расчетный ранг 17,1888 17,8865 17,3358 16,5127 15,6681 16,1897 16,3151 15,8684 15,5190

■^Белг, млрд кВтч 11,7 11,8 12,0 13,6 14,3 14,1 13,3 14,4 15,1

Л^о, млрд кВтч 311,53 245,21 338,46 281,05 382,12 377,86 347,04 359,4 369,78

\\г1, млрд кВтч 79,4 82,6 87,9 91,7 93,4 96,8 93,1 99,1 96,6

р 1,1550 1,0520 1,1720 1,0800 1,1950 1,1810 1,1670 1,1640 1,1660

Таблица 3. Прогнозные значения электропотребления Белгородской области

Год 2012 2013 2014 2015

Фактический ранг 20 20 20 20

Расчетный ранг 15,5190 15,5190 15,5190 15,5190

\¥БеЛг, млрд кВтч 16,0 16,4 16,7 17,1

млрд кВтч 391,8 400,4 408,9 417,4

А 1,1660 1,1660 1,1660 1,1660

Таблица 4. Сравнение результатов методов прогнозирования.

№ п/п Наименование метода Общий вид и полученное уравнение Электропотребление по годам, млн. кВтч

2011 2012 2013 2014 2015

1 Метод Холта = и,+Ьт; =14580 + 136,9т 15115 14718 14854 14991 15128

Стандартное отклонение СУ 415,6

2 Метод адаптивного сглаживания Брауна /і = и,+ Ьт; /,=14529 +228,5г 15115 14758 14986 15215 15443

Стандартное отклонение о 858,8

3 Линейная регрессия Л = в + Ы; Д =-813338 + 411,9« 15115 15405 15817 16229 16641

Стандартное отклонение а 706,6

4 Ценологический подход уп = а+ Ы; ^гі/^Л, у>н = -22,73* 106 + 11492С />«, = 15,5190;/? = 1,166 15115 16016 16365 16714 17063

Стандартное отклонение а 43500

Такое решение принимаем, потому что модель прогноза при ценологическом подходе получается, в данном случае, с заведомо меньшей точностью, ввиду большого количества вычислений и наличия множества трендов (расчетный ранг, теоретическая первая точка, степенной показатель р). Модели по методу Холта и Брауна значительно скорректированы падением 2007-2009 гт. в сторону снижения электропотребления на 2012 год. Модель линейной регрессии более точно, чем другие, отражает предполагаемое поведение функции электропотребления. Прогнозное значение элекгропотребления Белгородской области в 2015 г. - 16 641 млн. кВтч.

Далее производится сравнение структуры населенных пунктов и структуры источников региона. Приходим к выводу, что источников электроэнергии на территории Белгородской области недостаточно (10 станций), по сравнению с количеством населенных пунктов (1534 городов, поселков, сел и деревень). Необходимо внедрять источники малой мощности, особенно для малых поселений, поскольку города обеспечены электроэнергией от ТЭЦ и резервируемых подстанций, а в сельской местности

электроснабжение осуществляется посредством одноцепных линий электропередач.

-♦-Факт -»-Метод Хольта

-«-Линейная регрессия -»-Ранговый анализ

-й-Метод адаптивного сглаживания Брауна

Рисунок 2. Сравнение результатов прогнозирования электропотребления Белгородской области.

Рассмотрим для малых населенных пунктов критерий целесообразности автономной или параллельной с сетью работы собственных источников электроэнергии. Важнейшими показателями при этом являются: расстояние от ближайшей существующей подстанции или распределительного пункта с выводами напряжения номиналом 6(10) кВ, мощность нагрузки на конце линии. Снижение напряжения в сетях 6-20 кВ не должно быть более 6%, чтобы для потребителей на напряжении 0,4 кВ отклонения напряжения не выходили за пределы допустимых. Упрощенно был рассмотрен случай тупиковой линии с одним потребителем (трансформатором 6(10)/0,4) на конце, и напряжением в начале линии 1,1ин0м- Белгородская область относится к Ш группе районов по гололеду, поэтому провода марки А должны выбираться сечением не менее 95 мм2, провода из термообработанного сплава алюминия - не менее 50 мм2 (наиболее распространенные - марки СИП), согласно ПУЭ. При реконструкции важным условием возврата инвестиций является нагрузка линии, близкая к номинальной. При номинальных значениях нагрузки предельные расстояния передачи для проводов с минимально допустимыми сечениями на напряжении 6 кВ составляют 3,3 км и 5 км для марок СИП и А, соответственно. Для напряжения 10 кВ - 5,4 км, 8,4 км. Для автономной и параллельной с сетью работы собственных источников электроэнергии у потребителей были выбраны схемы подключения (см. Рисунок 3).

ФЭП1

ФЭП2

ФЗПп

РУ 0,4 (0,23) кВ И1_ 4—'^^ Потребитель 1

ТР 6{10)/0,4

рЭн.ертасисгема ГПА

Л.

-гАБГ

Потребитель 2

Потребитель Потребитель т

РУ0,4кЗ (1 и

, Г, 1 г.—1 г. Т.

Г ? <? /

э

1

I

15 21

3

■■-а

Рисунок 3. Схемы подключения собственных источников электроэнергии у потребителей.

В четвертой главе рассчитан потенциал ввода новых мощностей и выработки электроэнергии в регионе для различных типов традиционных и нетрадиционных источников энергии, встраиваемых в сложившиеся традиционные технологические циклы потребителей региона.

Когенерационные установки в котельных. По обработанной автором статистике на территории Белгородской области работает 611 котельных общей установленной тепловой мощностью 3440 Гкал/ч, с тепловым потреблением 2338 Гкал/ч. Часть тепловой мощности котельных (25%) расходуется на нужды горячего водоснабжения (ГВС). Потребление тепла на ГВС достаточно стабильно в течение года. Время использования установленной мощности для ГВС составляет 5000 ч в год. Предлагается применение на котельных области комбинированных установок в объеме выработки тепла на ГВС. Газопоршневые агрегаты (ГПА) с электрическим генератором и утилизационным теплообменником вырабатывают электрическую и тепловую мощность в соотношении 1/1 (МВт). С учетом указанных факторов и переводом тепловой мощности котельных в МВт (1 Гкал/ч = 1,163 МВт) установленная электрическая мощность котельных, модернизированных до мини-ТЭЦ, составит:

/Гкал\ ( МВт \

2338 (—) х 1,163 X 0,25 = 679,8 МВт.

Валовую расчетную выработку электроэнергии на мини-ТЭЦ получим следующим образом:

679,8 х 103 кВт X 5000 ч = 3399 млн.кВтч

Выбор агрегатов из стандартного ряда номинальных мощностей производился с учетом того, что установленная мощность в каждой из котельных превышает мощность потребления с запасом не менее, чем на 10%.

Суммарная установленная электрическая мощность мини-ТЭЦ после выбора агрегатов составила 877,2 МВт, выработка электроэнергии - 4386 млн. кВтч.

Турбодетандерные агрегаты на объектах газотранспортной системы.

В Белгородской области развита инфраструктура газотранспортной системы, 98% области газифицировано. Расход газа в 2011 г. составил 6 532 млн. м3. Предлагается в качестве собственных источников электроэнергии на станциях понижения давления и распределения газа (ГРС) устанавливать турбодетандерные агрегаты для использования работы расширения газа. В процессе транспортировки к потребителю газ несколько раз меняет давление. Оценим совершаемую работу газа при переходе с магистрального газопровода, где давление составляет 5,5 МПа в распределительный газопровод, с давлением 1,2 МПа. Для оценки валовой работы газа при переходе на более низкое давление выбрано давление распределительного газопровода т.к. промышленные потребители получают газ на высоком и среднем давлении, бытовые и сельскохозяйственные потребители - на низком.

Электрическая мощность турбодетандерных агрегатов на станциях понижения давления в Белгородской области определяется из уравнения:

Мэ = СтхНАх 77ТД X 77г, (12)

где Ст - массовый расход газа, кг/с; НА - перепад энтальпий при адиабатическом процессе расширения газа в ДГА, кДж/кг;7]Тд - внутренний КПД турбодетандера; Т]г - внутренний КПД электрогенератора.

Плотность природного газа при нормальных условиях р примем равной 0,73 кг/м3. Пересчет значений объемного расхода в показатели расхода газа по массе произведем согласно формуле:

&тп —

Сгхр

(13)

8760 X 3600'

где 8760 - число часов в году, 3600 - число секунд в часе.

Справочные значения состояний газа и расчетные значения установленной электрической мощности детандер-генераторных агрегатов (ДГА) приведены в таблице (см. Таблица 5).

Таблица 5.Расчет установленной мощноститурбодетандеров для понижения

Давление газа, МПа Темп, газа на входе, °С Энтальпия на входе, кДж/кг Энтальпия на выходе теор. кДж/кг Энтальпия на выходе факт., кДж/кг Темп, газа на выходе, °С Разность энтальпий, кДж/кг Расход газа по массе, кг/с Электрическая установленная мощность ДГА, кВт

на входе, Рвх на выходе, Рвых

5,5 1,2 +20 -17 -180 -148 -90 131 151,2 19800

Учитывая внутренний КПД детандера (84%), КПД электрогенератора (99%), получим:

19800 кВт X 0,84 х 0,99 = 16472 кВт.

Соответственно, валовая расчетная выработка, из условия равномерной загрузки мощностей ГРС в течение года (эта предпосылка заложена в формуле 13), составит:

16472 кВт X 8760 ч = 144 млн.кВтч.

Энергия ветра. На территории Белгородской области преобладают ветра со среднегодовой скоростью 2-4 м/с. Данные метеостанций области о районах с максимальной скоростью ветра представлены ниже (см. Таблица 6). Мощность, выдаваемая ветряной электроустановкой зависит от площади, ометаемой ветряным колесом и скорости ветра:

Р = Ях А х V3 х Ю-3, (14)

где А - ометаемая ветроколесом площадь (Л = п XI)2/4); V - скорость ветра; X — приведенный коэффициент оценки эффективности ветряной установки (X = 0,2).

Таблица б. Скорость ветра в Белгородской области. Данные метеостанций.

Расположение метеостанции Среднегодовая скорость ветра (на высоте Юм) Средняя скорость ветра (м/с) Максимальная скорость ветра (м/с)

Зима Весна Лето Осен ь

Белгород 3,9 4,5 3,9 3,4 3,9 20

Старый Оскол 4 4,4 4 3,2 4,1 23

Расчетная мощность, выдаваемая ветряками при указанных среднегодовых скоростях ветра, составляет 7% от установленной мощности (см. Таблица 7). Поэтому делаем вывод о нецелесообразности применения ветряных электроустановок для электроснабжения потребителей области.

Таблица 7. Расчет мощности, выдаваемой ветряными генераторами фирмы «Энердживинд» (Россия) при среднегодовых скоростях ветра в районе населенных пунктов.___

ВЭУ Епегйу\¥іп<іРо-«'ЄГ 1 кВт Епе^\Уіп(1Ро\уег 2 кВт

Населенный пункт г. Белгород г. Старый Оскол г. Белгород г. Старый Оскол

V, м/с 3,9 4 3,9 4

£>, м 2,6 2,6 4 4

Ррасч) кВт 0,057 0,062 0,136 0,146

Фотоэлектрические преобразователи. В Белгородской области средняя за год суточная сумма солнечной радиации составляет 3 и более кВтч/м2. При КПД от 11% для поликристаллических модулей, до 20%, для монокристаллических модулей, можно получить с 1 м2 от 0,33 до 0,6 кВтч в сутки. В работе были изучены данные о работе эксплуатируемой в регионе фотоэлектрической установки. В составе установки поликристаллические и аморфные фотоэлементы, суммарной установленной мощностью 100 кВт и

средним по установке КПД 9,5% (КПДь см. Таблица 8). На основе изученных данных было найдено время использования установленной мощности за год Тиум1 =988. Для монокристаллических фотоэлементов с КПД 20% (КЦПд) время использования установленной мощности Тиуш составит:

ТИум2 = ТИУМ1 х^ = 988чх|5 = 2070 ч в год.

Для выработки электроэнергии в объеме 32 млн. кВтч для 265 населенных пунктов с численностью жителей до 25 человек, необходимо 19366 кВт установленной мощности фотоэлектрических модулей, с учетом компенсации КПД аккумуляторных батарей 80% (см. Таблица 8).

Таблица 8. Расчет необходимой установленной мощности ФЭП по аналогу (установка «Крапивенские дворы»).__

№ п/п Параметр Значение

1 Суммарная установленная мощность модулей, кВт 100

2 Мощность поликристаллических модулей, кВт 46

3 КПД поликристаллических модулей 13,70%

4 Мощность аморфных модулей, кВт 54

5 КПД аморфных модулей 6%

6 Средний КПД установки КПД! 9,5%

7 Выработка ЭЭ, тыс. кВтч 210

8 Дата, на которую учтен объем выработки ЭЭ 15.11.2012

9 Начало работы установки 01.10.2010

10 Количество дней в работе 776

11 Количество часов в работе 18624

12 Эквивалентное количество часов работы с установленной мощностью за период (п.Ю) 2100

13 Эквивалентное количество часов работы с установленной мощностью за год (365 дней) Тиум1 988

14 Установленная мощность монокристаллических модулей для выработки ЭЭ в поселениях с численностью жителей до 25 человек, кВт 15493

15 Установленная мощность с учетом компенсации КПД накопителей (80%), кВт 19366

Биогазовые установки. С точки зрения электроснабжения потребителя биогазовая электростанция (БГС) - это источник, независимый от энергосистемы. Из различных отходов можно получить разное количество биогаза (см. Таблица 9). Таблица 10 показывает изменение поголовья в 2013 г. по сравнению с 2009 г., количество отходов, объем возможной выработки биогаза и электрической энергии, а также установленную мощность БГС.

Учтем, что в биогазе содержание метана составляет порядка 60%, а в природном газе - 92-98%, в среднем - 95%. Таким образом, потребление

биогаза для выработки 1 кВтч электроэнергии более чем в 1,5 раза выше. При >

I

использовании в качестве топлива природный газ, расход составляет 0,3 м /кВтч для газопорпшевых двигателей. Соответственно, расход биогаза составит 0,475 м3/кВтч.

Таблица 9. Соотношение выработки биогаза для различных видов отходов.

Источник отходов Выход биогаза из биомассы, м^т

Навоз КРС 45-60(50)

Навоз свиней 50-85(50)

Помет птицы 100(100)

Примечание - в скобках значения, принятые для расчета

Расчеты по станции «Лучки», выработавшей 10 млн. кВтч за 247 суток показывают, что время использования установленной мощности биогазовой станции составляет 6157 ч. Исходя из этого, посчитаем потенциально возможный объем выработанной электроэнергии и установленной мощности (см. Таблица 10). Потенциал выработки электрической энергиив регионе на основе биогаза рассчитан в размере 793,1 млн. кВтч. Это составляет 4,8% от общего планируемого потребления электроэнергии в 2015 г. в области, или 106% от общей запланированной выработки электроэнергии на НВИЭ к 2020 г., согласно Энергетической Стратегии 2030 (в объеме Белгородской области).

Таблица 10. Потенциал животноводческих комплексов Белгородской области по обеспеченности электроэнергией.__

Поголовье, пгг. Отходы, тыс. т в год Объем газа, млн. м3 в год Выработка электроэнергии, млн. кВтч Установленная мощность, МВт

Год 2009 2013 2009 2013 2009 2013 2013 2013

КРС 188 320 159 361 1020 863 51,0 43,2 90,9 14,8

Свиньи 1 557 882 3 386 000 1800 3912 90,0 195,6 411,8 66,9

Птица 37 980 600 48 031400 1091 1380 109,1 138,0 290,5 47,2

Итого 250,1 376,7 793,1 128,8

Потенциал применения биогазовых установок в фермерских хозяйствах региона, согласно произведенным расчетам, оценивается в 6 МВт установленной мопщости и 20 млн. кВтч выработки электроэнергии, с учетом среднего по региону Тиум=3378 ч.

Выработка электроэнергии предлагаемыми источниками энергии на основе нетрадиционных и возобновляемых источников электроэнергии позволяет увеличить выработку электроэнергии в регионе в 2 раза (см. Таблица 11, Таблица 12).

Суммарная выработка электроэнергии источниками в составе электротехнических комплексов потребителей, с учетом мини-ТЭЦ, превышает существующую выработку в 6,7 раза и обеспечивает 38% от прогнозной величины электропотребления Белгородской области в 2015 г. (см. Таблица 12).

Таблица 11. Выработкаэлектроэнергии на основе НВИЭ, предлагаемых к вводу в

Белго родской области

№ п/п Наименование источника энергии Расчетные значенияэлектроэнергии , млн. кВтч в год %от потребления области в 2015 г.

1 Биогазовые установки 820 4,9%

2 Фотоэлектрические модули 32 0,2%

3 Турбодетандерные установки на ГРС 144 0,9%

Итого 996 6,0%

Целевой показатель доли выработки электроэнергии на НВИЭ согласно ЭС-2030 (Справочно) 749 4,50%

Прогнозируемое потребление Белгородской области в 2015 г. (Справочно) 16641 100%

Таблица 12. Расчет общей выработки электроэнергии предлагаемыми к вводу и существующими в Белгородской области источниками__

№ п/п Наименование источника энергии Расчетные значения электроэнергии, млн. кВтч в год % от потребления области в 2015 г.

1 Биогазовые установки 820 4,9%

2 Фотоэлектрические модули 32 0,2%

3 Турбодетандерные установки на ГРС 144 0,9%

4 Мини-ТЭЦ 4386 28,1%

5 Существующие станции 946 5,7%

Итого 6328 38,0%

В том числе НВИЭ 996 6,0%

Прогнозируемое потребление Белгородской области в 2015 г. (Справочно) 16641 100%

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертация представляет собой законченную научно-квалификационную работу, в которой поставлена и решена актуальная задача обеспечения бесперебойного электроснабжения потребителей региона за счёт применения собственных источников электроэнергии, на основе местных возобновляемых и вторичных энергоресурсов.

На основании выполненных автором исследований получены следующие научные и практические результаты:

1. В работе произведен анализ развития источников электроэнергии в мире.

2. В результате изучения системы электроснабжения Белгородской области и анализа электросетевого комплекса было выявлено, что 2/3 отключений потребителей от электричества происходит по причинам, связанным с состоянием оборудования электрических сетей. Сделан вывод о необходимости включения в состав электротехнических комплексов потребителей собственных источников энергии для обеспечения

. бесперебойности электроснабжения.

3. Выполнен прогноз электропотребления региона на среднесрочную перспективу, до 2015 г., для оценки потребности региона в новых источниках электроэнергии.

4. Произведен ранговый анализ и рассмотрена структурно-топологическая динамика Белгородской области относительно близких по величине электропотребления регионов, что позволило подтвердить прогноз роста электропотребления региона.

5. При изучении статистических данных по населенным пунктам

• Белгородской области в исследовании было выявлено распределение по

территории региона с малой плотностью значительной доли потребителей - 47% населения. Анализ структуры источников по установленной мощности и размещению в населенных пунктах показал, что генерация в регионе сконцентрирована в 8 населенных пунктах из 1534.

6. Предложен критерий, согласно которому реконструкция ЛЭП с применением современных проводов марки СИП целесообразна при расстоянии до тупиковой подстанции малогопоселения, для сетей 6 кВ -3,3 км, 10 кВ - 5,4 км. В иных случаях предлагается автономное электроснабжение потребителей от собственного источника.

7. С учетом географических, инфраструктурных особенностей и экономической специализации хозяйствующих субъектов региона в работе определены наиболее перспективные направления развития источников электроэнергии в составе электротехнических комплексов потребителей.

8: Выполнен расчет объемов выработки электроэнергии от предлагаемых к внедрению в электрическом хозяйстве потребителей установок и осуществлен выбор оборудования, исходя из специфики производственных технологий потребителей.

9. Источники электроэнергии выбранной единичной мощности распределены по поселениям региона для независимого от энергосистемы и бесперебойного электроснабжения потребителей с целью обеспечения безопасной социально-экономической активности населения.

10. В рамках региона обеспечено выполнение целевых показателей Энергетической стратегии 2030 в части использования возобновляемых источников энергии - не менее 4,5% от величины электропотребления региона. Показано, что производственно-экономические, географические и инфраструктурные особенности Белгородской области предполагают возможность роста региональной выработки электроэнергии за счет нетрадиционных и возобновляемых источников в 2 раза.

Основное содержание работы отражено в следующих публикациях:

1. Кучин П.Г. Комплексное обеспечение энергетической безопасности региона. На примере Белгородской области. // Журнал Вестник МЭИ. № 2. 2013. С. 5-12.

2. Рагуткин A.B., Кучин П.Г., Шигаев И.А. Распределенная генерация -путь повышения энергоэффективности электротехнического комплекса России Федоровские чтения - 2010. XL всероссийская научно-практическая конференция (с международным участием) с элементами научной школы для молодежи (Москва, 16-19 ноября 2010 г.) / Под общ. ред. Б.И. Кудрина, Ю.В. Матюниной. -М.: Издательский дом МЭИ, 2010. -180 с.

3. Шигаев И.А., Кучин П.Г Применение накопителей энергии в распределенной генерации // РАДИОЭЛЕКТРОНИКА, ЭЛЕКТРОТЕХНИКА И ЭНЕРГЕТИКА: Семнадцатая Междунар. науч.-техн. конф. студентов и аспирантов: Тез. докл. В 3 т. Т. 2. М.: Издательский дом МЭИ, 2011. С. 455 - 456.

4. Кучин П.Г., Рагуткин A.B. Алгоритм управления источниками систем электроснабжения ответственных и удаленных от центров генерации потребителей // Сборник работ победителей отборочного тура Всероссийского конкурса научно-исследовательских работ студентов, аспирантов и молодых ученых по нескольким междисциплинарным направлениям, г. Новочеркасск, октябрь-ноябрь 2011 г. / Мин-во образования и науки РФ, Юж.-Рос. гос. техн. ун-т. (НПИ). -Новочеркасск: Лик, 2011. С. 260 - 262.

5. Шигаев И.А., Кучин П.Г Повышение надежности электроснабжения потребителей с применением нескольких источников и накопителей энергии // Энерго- и ресурсосбережение XXI век. Сборник материалов X Международной научно-практической интернет-конференции, 01 марта -30 июня 2012 г. Орёл. С. 76 - 78.

6. Кудрин Б.И., Кошарная Ю.В., Кучин П.Г. О концепции электроснабжения малых населённых пунктов. Вестник ВИЭСХ. №4. 2012. С. 6-12;

7. Кудрин Б.И., Кучин П.Г. Основные проблемы организации электроснабжения потребителей и пути их решения // РАДИОЭЛЕКТРОНИКА, ЭЛЕКТРОТЕХНИКА И ЭНЕРГЕТИКА: Девятнадцатая Междунар. науч.-техн. конф. студентов и аспирантов: Тез. докл. В 4 т. Т.З. М.: Издательский дом МЭИ, 2013. С. 111.

Подписано в печать U. 04- АО/3 Зак. ffflf т /QQ п _ / ^ ■ Полиграфический центр МЭИ Красноказарменная ул.,д.13

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МЭИ»

На правах рукописи

04201356914

Кучин Павел Геннадьевич

КОНЦЕПЦИЯ РАЗВИТИЯ РЕГИОНАЛЬНОГО КОМПЛЕКСА ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ (НА ПРИМЕРЕ БЕЛГОРОДСКОЙ ОБЛАСТИ)

05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: д.т.н., проф. Кудрин Б.И.

Москва 2013

Содержание

Введение............................................................................. 3

1 Обоснование объективной необходимости развития региональных комплексов электроснабжейия по пути распределенной генерации ..." 11

1.1 Актуальные вопросы развития территориальных комплексов электроснабжения................................................................ 11

1.2 Развитие возобновляемых источников электроэнергии и распределенной генерации с участием потребителей в мире............. 17

1.3 Характеристика географии, экономики и топливно-энергетического комплекса Белгородской области.............................................. 30

2. Математический аппарат прогнозирования электропотребления и оптимизации сложных систем................................................... 34

2.1 Ценологический анализ сообществ-систем.................................. 34

2.2 Методы прогнозирования электропотребления региона.................. 38

2.3 Применение ^-распределений для анализа населенных пунктов региона.............................................................................. 42

2.4 Выбор установленной мощности собственных источников электроэнергии в населенных пунктах........................................ 45

3. Методика оптимизации региональной системы электроснабжения Белгородской области............................................................ 50

3.1 Прогнозирование электропотребления региона............................ 50

3.2 Ценологический анализ населенных пунктов региона и источников электроэнергии в регионе........................................................ 58

3.3 Сравнение параметрических распределений по выработке и потреблению электроэнергии в регионе...................................... 64

3.4 Подходы к вводу новых генерирующих мощностей........................ 71

4 Способы реализации методики электроснабжения и требования к

системе учета....................................................................... 77

4.1 Расчеты потенциала источников электроэнергии в регионе.............. 77

4.2 Выбор генерирующих установок для внедрения распределенной генерации в Белгородской области............................................. 92

4.3 Распределение выработанной новыми источниками электроэнергии

по населенным пунктам Белгородской области............................. 96

Заключение.......................................................................... 106

Литература........................................................................... 108

Приложения......................................................................... 113

Введение

Актуальность исследования. Энергетическая Стратегия РФ до 2030 г. ставит цель максимально эффективного использования природных энергетических ресурсов и потенциала энергетического сектора для устойчивого роста экономики, повышения качества жизни населения страны. В то же время около половины регионов страны остаются энергодефицитными. В частности, Центральный федеральный округ в целом - дефицитный до горизонта 2030 года. На первое полугодие 2011 года из 71 региона (включая 3 группы регионов) рейтинга энергодостаточности «РИА Рейтинг», 48 являлись энергодефицитными и только 23 региона производили электроэнергию не только «для себя», но и для других областей, ввиду наличия на их территории крупных ГРЭС, ГЭС и АЭС. Энергодефицитность, ограничения на подключение потребителей к сетям являются значительными факторами, лимитирующими рост экономики. Стратегия в числе мер государственной энергетической политики указывает создание благоприятной экономической среды. В том числе стимулирование и создание условий для внедрения экологически чистых энергоэффективных и ресурсосберегающих технологий, расширения производства электрической и тепловой энергии на основе возобновляемых источников энергии, диверсификацию топливно-энергетического баланса страны, повышение уровня энергетической безопасности и надежности энергоснабжения за счет увеличения уровня его децентрализации.

Целью региональной энергетической политики указывается создание устойчивой и способной к саморегулированию системы обеспечения региональной энергетической безопасности с учетом оптимизации территориальной структуры производства и потребления топливно-энергетических ресурсов. А проведение региональной энергетической политики на территории России, должно учитывать специфику регионов страны, различные природно-климатические и социально-экономические условия. Среди проблем энергодефицитных регионов выделяется

недостаточное развитие малой энергетики и низкая вовлеченность в энергобалансы местных источников энергии регионального и локального значения.

Целевым ориентиром 2020 г. является увеличение относительного объема производства и потребления электрической энергии с использованием возобновляемых источников энергии с 0,5% до 4,5%.

Необходимо подойти с инновационных позиций к решению задач, поставленных Стратегией в среднесрочной перспективе для достижения целевого ориентира, а именно:

- обеспечить ввод генерирующих объектов (малых гидроэлектростанций, ветроэлектрических станций, тепловых электростанций, использующих биомассу в качестве одного из топлив, прочих видов электроустановок);

- темпы развития возобновляемых источников энергии должны быть увязаны с созданием необходимой инфраструктуры, повышением конкурентоспособности производства электроэнергии на базе возобновляемых источников энергии, а также их рациональным участием в формировании топливно-энергетических балансов конкретных регионов;

- поставить во главу стратегии задачу полной электрификации регионов, подразумевая обеспеченность бесперебойного электроснабжения потребителей на основе инновационных источников энергии, образующих систему региональной распределенной генерации.

Принимая во внимание обозначенные выше проблемы, в работе с критических позиций рассмотрены приоритеты инвестиций в сетевую инфраструктуру на старой технологической основе (не относящейся к smart-grid и не допускающей развитие распределенной генерации), и предлагаются альтернативные пути их решения. Возврат инвестиций в обновление мало загруженных распределительных линий 6(10) кВ в сельской местности не обеспечен, и такие инвестиции являются лишь исполнением «социальных

обязательств» сетевых компаний. В то же время нуждаются в развитии, обновлении, и инвестициях сети городов, где окупаемость гораздо более реальна. Эти факторы приводят к низкому качеству электроэнергии и низкой надежности электроснабжения малых поселений, невозможности вести товарное производство, обезлюживанию территорий. Перерывы в электроснабжении потребителей составляют 70-100 ч в год. Обеспечение электроэнергией посредством ВЛЭП, проложенной на несколько десятков километров не может быть надежным в условиях ледяных дождей и повышенных ветровых нагрузок (Подмосковье, зима 2010 г.), малой плотности населения.

Степень разработанности темы исследования. Исследование является логическим продолжением научных трудов, посвященных вопросам формирования сложных электротехнических систем, в том числе и с применением ценологического подхода, таких ученых, как Аметистов Е.В., Веников В.А., Рокотян С.С., Глазунов A.A., Шапиро И.М., Кувалдин А.Б., Федоров A.A., Гамазин С.И., Быстрицкий Г.Ф., Кудрин Б.И., Фуфаев В.В., Гнатюк В.И., Жилин Б.В., Родионов В.Г. и других. В работе учитывались труды посвященные развитию малой, распределенной и возобновляемой энергетики таких ученых, как Безруких П.П., Дьяков А.Ф., Виссарионов В.И., Стребков Д.С., Дубинин B.C., Алхасов А.Б., Baader W., Сибикин Ю.Д., Попель О.С. и других. Предлагаемая работа посвящена построению универсальной эффективной региональной структуры электроснабжения, с

SitpnTtTUY T/f^Tr»IJT-TT*Vnn ЧПРТГТППЧиРПГИМ ЦП ПГ*Т^Л/1<=ЧЛ(=> {\ТЖ

A IpIllUVJtVUl 1V»H 14 W J. 1 1 L.I 1 ■ V A A W A Ulllllli 1> ----- < W 1 \ I V" ..y L 1 JV 1 1111. AAV* 1 1 J-V I 1 . • 1 v^i W А/ .'11 Vi ^ / * r 1 I V1VV/I1

области.

Актуальность решения вышеперечисленных проблем потребителей электроэнергии определяет цель исследования: разработка инновационной методики обеспечения бесперебойного электроснабжения, в том числе жителей и бизнеса в малых населенных пунктах, посредством модернизации существующих технологических циклов потребителей и внедрения источников энергии на местных и возобновляемых ресурсах.

В соответствии с поставленной целью сформулированы и решены следующие задачи исследования:

1. .. Анализ изменения электропотребления региона и .прогноз на среднесрочную перспективу;

2. Определение структуры распределенных собственных источников электроэнергии в населенных пунктах региона, отвечающей потребностям существующей структуры электропотребления;

3. Выявление потенциальных точек роста выработки электроэнергии на территории региона, с повышением эффективности использования первичных ресурсов, использованием местных возобновляемых и невозобновляемых природных ресурсов, и традиционных производственных циклов предприятий и организаций (вторичные источники и когенерация);

4. Формирование критерия целесообразности автономной и параллельной с сетью работы электротехнических комплексов потребителей;

5. Разработка методов повышения энергоэффективности и энергобезопасности электротехнического комплекса региона, и достижение целевых показателей Энергетической Стратегии 2030 по возобновляемым источникам (4,5% от величины электропотребления должно вырабатываться на основе ВИЭ).

Научная новизна работы состоит в разработке инновационной методики полной электрификации отдельных регионов Российской Федерации (на примере Белгородской области) на основе предлагаемых электротехнических комплексов генерации и электрических сетей, обеспечивающих бесперебойное электроснабжение от традиционных и возобновляемых источников энергии для конечных потребителей в каждом населенном пункте.

Теоретическая значимость работы заключается в универсальности разработанной методики построения региональной системы электроснабжения на основе собственных источников электроэнергии в составе электротехнических

комплексов потребителей, согласованных со структурой электропотребления, для любого региона России.

Практическая значимость работы состоит в применении методики к системе электроснабжения потребителей одного из наиболее энергодефицитных регионов России, Белгородской области, с учетом инфраструктурных, производственно-экономических и географических особенностей. Применение результатов работы позволит выстроить ориентированную на потребителя структуру систем электроснабжения всех регионов, повысить уровень диверсификации первичных энергоресурсов и национальной энергетической безопасности.

Методология исследования заключается в сборе информации о регионе, касающейся количественных показателей потребления электроэнергии, географической плотности распределения потребителей, характера экономической деятельности региона. Далее выявляются вероятные драйверы роста выработки электроэнергии на основе модернизации существующих технологических циклов, имеющихся возобновляемых и местных ресурсов, прогнозируется электропотребление региона на среднесрочный период с целью удовлетворения перспективной потребности в электроэнергии. Изучается структура потребителей региона. Потребители ранжируются по величине необходимой электроэнергии. На основе полученной структуры потребления задается теоретическая оптимальная структура генерации. Определяется величина технически реализуемых генерирующих мощностей по видам первичных энергоресурсов.

Методы исследования включают в себя методы прогнозирования временных рядов, ценологический подход к системам, состоящим из элементов со слабыми взаимными связями, структурно-топологический анализ сложных систем во времени, методы расчета энергетических балансов и объема выработки электроэнергии, применительно к существующим в регионе технологическим цепочкам и предлагаемым направлениям их модернизации.

Положения, выносимые на защиту:

1. Структурно-топологический анализ региона и прогноз электропотребления Белгородской области на среднесрочную перспективу;

2. Сформированы предложения по построению структуры региональной системы электроснабжения на основе параллельной с сетью и автономной работы собственных генерирующих мощностей потребителей в населенных пунктах в соответствии с существующей структурой электропотребления;

3. Выявлены факторы роста выработки электроэнергии в регионе и произведены расчеты объемов дополнительной генерации с применением малой распределенной генерации за счет предлагаемых преобразований региональной системы электроснабжения, основой которых являются когенерационные, биогазовые установки, возобновляемые и вторичные источники энергии в составе электроустановок потребителей;

4. Предложен критерий оценки целесообразности автономного и параллельного с сетью электроснабжения потребителей и выбраны схемы присоединения источников;

5. Принципы повышения энергобезопасности и энергоэффективности электротехнического комплекса региона, сформулированные в работе, позволяют повысить категорию по надежности электроснабжения потребителей в малых поселениях с III на I и II за счет собственного независимого источника, эффективность потребления топлива на мини-ТЭЦ региона - в 1,5 раза по сравнению с раздельной схемой энергоснабжения, включающей котельные и конденсационные электростанции. Применение универсальной методики развития регионального комплекса электроснабжения на основе собственных источников потребителей обеспечивает достижение целевых показателей Энергетической стратегии 2030, и увеличение выработки электроэнергии в Белгородской области за счет нетрадиционных и возобновляемых источников в 2 раза.

Степень достоверности. Достоверность исследования обеспечивается корректным применением научных методов, расчетов, сбором информации из достоверных и компетентных источников, обоснованностью принимаемых допущений, сопоставимостью результатов и выводов с существующими научными положениями.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались, обсуждались, и получили положительную оценку на следующих конференциях:

ХЬ всероссийская научно-практическая конференция (с международным участием) с элементами научной школы для молодежи Федоровские чтения, 16-19 ноября 2010 г., Москва;

Семнадцатая международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов РАДИОЭЛЕКТРОНИКА, ЭЛЕКТРОТЕХНИКА И ЭНЕРГЕТИКА, 24 -25 февраля 2011 г., Москва;

Всероссийский конкурс научно-исследовательских работ студентов, аспирантов и молодых учёных по нескольким междисциплинарным направлениям «ЭВРИКА-2011», октябрь-ноябрь 2011 г., Новочеркасск;

Девятнадцатая международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов РАДИОЭЛЕКТРОНИКА, ЭЛЕКТРОТЕХНИКА И ЭНЕРГЕТИКА, 28 февраля - 1 марта 2013 г., Москва;

Публикации. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в шести печатных работах, одна из которых в печатном издании, рекомендованном ВАК.

Перечень публикаций:

1. Кучин П.Г. Комплексное обеспечение энергетической безопасности региона. На примере Белгородской области. // Журнал Вестник МЭИ. № 2. 2013. С. 22-28.

2. Рагуткин A.B., Кучин П.Г., Шигаев И.А. Распределенная генерация - путь повышения энергоэффективности электротехнического комплекса России Федоровские чтения - 2010. XL всероссийская научно-практическая конференция (с международным участием) с элементами научной школы для молодежи (Москва, 16-19 ноября 2010 г.) / Под общ. ред. Б.И. Кудрина, Ю.В. Матюниной. - М.: Издательский дом МЭИ, 2010.- 180 с.

3. Шигаев И.А., Кучин П.Г Применение накопителей энергии в распределенной генерации // РАДИОЭЛЕКТРОНИКА, ЭЛЕКТРОТЕХНИКА И ЭНЕРГЕТИКА: Семнадцатая Междунар. науч.-техн. конф. студентов и аспирантов: Тез. докл. В 3 т. Т. 2. М.: Издательский дом МЭИ, 2011. С. 455-456.

4. Кучин П.Г., Рагуткин A.B. Алгоритм управления источниками систем электроснабжения ответственных и удаленных от центров генерации потребителей // Сборник работ победителей отборочного тура Всероссийского конкурса научно-исследовательских работ студентов, аспирантов и молодых ученых по нескольким междисциплинарным направлениям, г. Новочеркасск, октябрь-ноябрь 2011 г. / Мин-во образования и науки РФ, Юж.-Рос. гос. техн. унт. (НПИ). - Новочеркасск: Лик, 2011. С. 260 - 262.

5. Шигаев И.А., Кучин П.Г Повышение надежности электроснабжения потребителей с применением нескольких источников и накопителей энергии // Энерг�