автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Повышение энергетической эффективности комплексов децентрализованного электроснабжения

на правах рукописи

и«-'—

Парников Николай Макарович

ПОВЫШЕНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ КОМПЛЕКСОВ ДЕЦЕНТРАЛИЗОВАННОГО ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ на примере Республики Саха (Якутия)

Специальность 05.09.03. - Электротехнические комплексы и системы.

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Томск-2009

1 з ;-;сл

003483902

Работа выполнена в Томском политехническом университете

Научный руководитель

доктор технических наук, профессор Лукутин Борис Владимирович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Литвак Валерий Владимирович

кандидат технических наук, доцент Семенов Валерий Дмитриевич

Ведущая организация:

Институт Физико-технических проблем Севера СО РАН, (г. Якутск)

Защита состоится 09 декабря 2009 г. в 15.00 часов на заседании совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д212.269.11 при Томском политехническом университете в ауд. 217 8-го учебного корпуса Томского политехнического университета по адресу: 634050, г.Томск, ул.Усова, 7.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Томского политехнического университета по адресу: 634034, г.Томск, ул.Белинского, 55 или на сайте: www.lib.tpu.ru

Автореферат разослан ноября 2009 г.

Ученый секретарь совета по защите докторских и кандидатских

диссертаций, к.т.н., доцент

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Базовой отраслью промышленности любого государства является энергетика, уровень развития которой во многом определяет условия жизни и быт граждан. В силу особенностей природно-географического положения Якутии энергетическая отрасль имеет для нее особое значение.

Республика Саха (Якутия) расположена на северо-востоке Сибири и является крупнейшим административно-территориальным образованием в Российской Федерации: ее территория (свыше 3 млн. кв. км) составляет 18% площади РФ. Огромная по площади территория Якутии заселена сравнительно слабо и неравномерно. Численность населения Республики составляет 950,7 тыс. чел., из которых 64 % проживают в городских поселениях и 36 % - в сельской местности. Низкая плотность населения определяет децентрализованный способ энергообеспечения значительной части жителей и хозяйственных объектов Якутии.

Основой комплекса децентрализованного электроснабжения региона является дочерняя компания АК «Якутскэнерго» - ОАО «Сахаэнерго», специализирующаяся на малой энергетике. Территория обслуживания ОАО «Сахаэнерго» составляет 2,2 млн. км2 с населением 139,2 тыс. человек, проживающих в 18-ти улусах республики. Жители населенных пунктов и родовых селений северных улусов занимаются сельскохозяйственным производством: разведением крупного рогатого скота, коневодством, оленеводством, рыболовством и охотой. В регионе не функционируют крупные производственные мощности, в связи с этим энергообеспечение, в основном, носит социальный характер. Электроснабжение потребителей в зонах децентрализованного энергообеспечения осуществляется от автономных дизельных электростанций (ДЭС). Соответственно приоритетным направлением социально-экономического развития Якутии является повышение надежности и эффективности комплекса децентрализованного электроснабжения региона.

Определить основные пути совершенствования децентрализованной энергетики региона можно только на основе комплексного системного анализа основных технологических процессов производства, распределения и потребления электрической энергии в децентрализованных зонах. Исходными данными анализа являются технико-экономические характеристики основного электрооборудования, находящего на балансе ОАО «Сахаэнерго», электрические схемы ДЭС и распределительных сетей, географические и климатические условия региона,, численность населения и структура секторов экономики, балансы по производству и потреблению электрической энергии за 2004-2008 гг.

Цель работы. Исследование комплекса децентрализованного электроснабжения Республики Саха (Якутия) и разработка рекомендаций по повышению энергоэффективности локальных систем' электроснабжения, расположенных в отдаленных районах с суровыми климатическими условиями.

Для достижения поставленной цели потребовалось решить следующие задачи:

- провести комплексный анализ эффективности использования энергетических ресурсов и установить качественные и количественные

функциональные зависимости основных влияющих факторов на процессы энергопотребления;

- определить закономерности формирования и регулирования графиков электрических нагрузок потребителей децентрализованных зон в зависимости от сезонной составляющей и времени суток;

- разработать универсальную методику, позволяющую определять необходимый типоразмер и количество силовых агрегатов для вновь проектируемых и реконструируемых дизельных электростанций (ДЭС);

- разработать математическую модель дизельной электростанции, провести исследования ее рабочих режимов с переменной частотой вращения и получить рациональные законы управления ДЭС, обеспечивающие минимизацию расхода топлива на частичных режимах работы;

- разработать методику оценки энергетической эффективности автономных ветро-дизельных энергетических комплексов, позволяющую решать широкий круг задач, связанных с оптимизацией структуры и режимов гибридных энергоустановок с источниками электропитания различных типов.

Методы исследования. При выполнении диссертационной работы использовались: методы анализа и обобщения данных, приведенных в научно-технической литературе; статистические методы анализа данных; методы многофакторного и кластерного анализа совокупности показателей; методы исследования надежности энергетических систем; математические методы нечеткой логики; методы математического моделирования режимов и технико-экономических показателей объектов энергетики.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Выявлены на примере Республики Саха (Якутия) особенности энергообеспечения потребителей децентрализованных зон в условиях Крайнего Севера, и установлены функциональные зависимости основных влияющих факторов на процессы энергопотребления.

2. Разработана методика прогнозирования графиков электрических нагрузок потребителей в децентрализованных зонах с учетом численности населенного пункта, его географического положения, времени года, температуры и времени суток.

3. Разработан алгоритм оптимального выбора числа и мощности рабочих силовых агрегатов и оперативного резерва мощности автономных дизельных электростанций (ДЭС) по критерию минимума приведенных затрат.

4. Разработана универсальная методика оценки энергоэффективности автономных ветро-дизельных энергокомплексов, позволяющая оптимизировать структуру и режимы гибридных энергетических установок с источниками электропитания различных типов.

Практическая ценность работы:

- методика прогнозирования графиков электрических нагрузок потребителей децентрализованных зон может быть использована для краткосрочного и долгосрочного планирования режимов работы ДЭС, что обеспечит повышение их энергетической эффективности и надежности.

- методики оптимального выбора числа и мощности рабочих силовых агрегатов и оперативного резерва мощности ДЭС позволяют обеспечить заданный уровень надежности электроснабжения потребителей и сократить расход дизельного топлива на 10-20 %;.

- доказана возможность уменьшения расхода дизельного топлива на 10-20 % за счет использования рабочего режима дизель-генераторов при переменной частоте вращения и предложен алгоритм реализации контроллера системы автоматического управления инверторной ДЭС, обеспечивающий минимизацию расхода топлива;

- предложены схемные решения энергоэффективных ветро-дизельных энергетических комплексов, разработаны методики оценки их энергетической и экономической эффективности, даны рекомендации по условиям, объемам и районам их рационального применения в Якутии.

Реализация результатов работы.

Результаты работы использованы в ОАО «Сахаэнерго» для оценки эффективности эксплуатации существующих ДЭС, прогнозирования графиков электрических нагрузок потребителей, выработки рекомендаций по повышению энергоэффективности комплекса децентрализованного электроснабжения региона, а также в учебном процессе Электротехнического института Томского политехнического университета в материалах дисциплины «Нетрадиционные способы производства электроэнергии» инновационной образовательной программы подготовки магистров «Возобновляемые источники энергии» и курса «Автоматизированные системы управления» для студентов, обучающихся по специальности «Электроснабжение промышленных предприятий».

На защиту выносятся следующие научные положения:

1. Методика прогнозирования режимов энергопотребления децентрализованных потребителей с учетом сезонной составляющей и времени суток, позволяющая обеспечить рациональный режим работы ДЭС и минимизировать расход дизельного топлива.

2. Методики оптимального выбора числа и мощности рабочих силовых агрегатов и оперативного резерва мощности дизельных электростанций, позволяющие минимизировать капитальные и эксплуатационные затраты на станцию и обеспечить заданный уровень надежности электроснабжения потребителей.

3. Алгоритм управлешы рабочими режимами дизель-генераторов при переменной частоте вращения, позволяющий уменьшить расход дизельного топлива на 10-20% в режиме малых нагрузок электростанции.

4. Методика оценки энергоэффективности автономных ветродизельных электростанций и рекомендации по их внедрению в децентрализованные зоны электроснабжения Якутии.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на научных семинарах кафедры электроснабжения промышленных предприятий Томского политехнического университета, на Межрегиональном научно-техническом семинаре «Энергетика Северо-Востока: состояние, проблемы и перспективы развития», г.Якутск, 2004 г., на Всероссийской научно-технической конференции «Электроэнергия: от получения и распределения до эффективного использования», г.Томск, 2008 г., на Международном научно-техническом семинаре «Системы электроснабжения с возобновляемыми источниками энергии», г.Томск, 2009 г.

Публикации. Основные положения и результаты выполненных исследований отражены в 10 публикациях, в том числе 2 монографиях и двух изданиях, рекомендованных ВАК.

Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, содержащих 174 страниц основного текста, 1 приложения, 35 таблиц, 69 рисунков и списка литературы из 74 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность проводимых исследований, сформулирована цель диссертационной работы, поставлены основные задачи, раскрыта научная новизна и практическая ценность исследований, приведены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе проведен анализ состояния и перспектив развития комплекса децентрализованного электроснабжения Республики Якутия.

Анализ электрического баланса комплекса децентрализованного электроснабжения региона, проведенный для периода 2004 - 2008 гг., показал, что выработка электрической энергии по «Сахаэнерго» за рассматриваемый период практически не изменялась и находилась в пределах 388435 - 431013 тыс. кВт-ч. Средняя выработка на один агрегат составила - 642 - 712 тыс. кВт-ч в год.

Полученные результаты свидетельствуют о том, что электрический баланс «Сахаэнерго» стабилен, и его значительные изменения в дальнейшем могут быть связаны только с введением в строй крупных объектов производственного или социально-бытового назначения. Полезный отпуск электрической энергии на уровне 80% от выработки свидетельствует о том, что имеются значительные резервы по повышению эффективности режимов работа основного электрооборудования и снижению непроизводственных потерь электрической энергии.

Основными потребителями электрической энергии в децентрализованных зонах Якутии являются сфера услуг и соцкультбыт, а также сельское и городское население. Их общее потребление составляет 82%. На долю промышленности приходится около 16 % отпускаемой с шин ДЭС электрической энергии.

Баланс использования условного топлива по ОАО «Сахаэнерго» в 2007 голу представлен на рис.1. Из баланса видно, что эффективность использования топлива (энергии) в децентрализованных зонах составляет 25,2 % (без учета утилизации тепловой энергии). Наибольшие потери наблюдаются в дизель-генераторах при выработке элегарической энергии и составляют 68,1 %. Расход топлива на собственные и хозяйственные нужды ДЭС составляет 1,8 % от первичной энергии. В распределительных сетях потери электрической энергии в среднем по ОАО «Сахаэнерго» составляют 4,9 %.

Для оценки региональных особенностей электроснабжения децентрализованных потребителей и выявления основных влияющих факторов, определяющих уровень энергопотребления, применен кластерный анализ обработки плохо формализуемой статистической информации.

Поступило условного топлива 145746,89 тут (100%)

Потери при преобразовании энергии 99326,46 тут (68,1 %)

Полезно использованное топливо 36599,79 тут (25,2%)

Рис. 1. Баланс эффективности использования топлива по ОАО «Сахаэнерго», 2007 год, тут ( % )

Результаты анализа показали, что все ДЭС «Сахаэнерго» целесообразно разделить на три группы (кластеры) по численности обслуживаемого населения: малые, средние и крупные. К ДЭС малой мощности отнесены электростанции, предназначенные для электроснабжения населенных пунктов, численностью до 1000 чел., средней - от 1000 до 3000 чел,, к крупным ДЭС - от 3000 чел. и выше.

Координаты центров кластеров приведены в табл.1.

Табл.1

№ Типы ДЭС Численность населения Установленная мощность, кВт

1 Малые ДЭС 409 571.3

2 Средние ДЭС 2542 6383,7

3 Крупные ДЭС 4794 14130,3

Результаты кластерного анализа позволили выявить объекты, которые наиболее удалены от центров кластеров и имеют нехарактерные для данной группы объектов характеристики, что свидетельствует о завышенной величине установленной мощности электросилового оборудования.

Получены аналитические выражения, связывающие выработку электроэнергии и численность населения для ДЭС «Сахаэнерго»:

Крупные ДЭС: Ш= 8428 + 3.248 • N

Средние ДЭС: 2896+ 4.38 (1)

Малые ДЭС: Ш= - 284 + 2.315 ■ N

где Ш-годовая выработка электроэнергии ДЭС, тыс.кВгч;

N - численность населения, чел.

Для выявления функциональной взаимосвязи между выработкой электроэнергии и расходом натурального топлива проведен классификационный анализ дизельных электростанций, который позволил разделить все ДЭС «Сахаэнерго» на два класса по уровню выработки электроэнергии. Для каждого класса ДЭС получена своя количественная функциональная зависимость между выработкой электроэнергии и расходом натурального топлива. В результате выявлены ДЭС, имеющие значительные отклонения их энергетических характеристик от средних по региону, что говорит об их высокой или низкой эффективности, соответственно. Полученные зависимости могут найти практическое применение при планировании объемов завоза и необходимых резервов топлива, обеспечивающих бесперебойную работу электростанций.

Анализ состояния комплекса децентрализованного электроснабжения Республики Якутия позволяет сформулировать общие выводы и определить первоочередные задачи по повышению его энергетической эффективности

1. Основной составляющей себестоимости вырабатываемой. ДЭС электрической энергии являются затраты на топливо (цена + доставка). Соответственно, снижение объемов используемого топлива в целом по «Сахаэнерго» является важнейшей технико-экономической задачей предприятия.

2. Уменьшить удельный расхода топлива на выработку 1 кВгч электрической энергии возможно за счет оптимизации режимов работы основного электрооборудования.

3. Повысить энергетическую эффективность комплекса децентрализованного электроснабжения региона, обеспечив при этом значительную экономию финансовых и энергетических ресурсов, возможно за счет использования в энергетическом балансе Республики возобновляемых источников энергии.

Вторая глава работы посвящена исследованию соответствии режимов энергопотребления структуре и мощности комплекса децентрализованного электроснабжения региона.

На основе статистического анализа проведены исследования закономерностей формирования и регулирования графиков электрических нагрузок децентрализованных потребителей. Исследования показали, что в силу региональных особенностей общей закономерности в формировании суточных и сезонных графиков нагрузок объектов электроснабжения в децентрализованных зонах Якутии выявить не представляется возможным ввиду значительных различий в составе потребителей, численности населения, географического положения и климатических условий.

В этих условиях определить основные закономерности формирования графиков электрических нагрузок децентрализованных потребителей можно только на основе системного анализа экспериментальных данных, полученных в результате эксплуатации ДЭС в течение длительного периода времени.

В качестве исходных данных при анализе использовались суточные ведомости электрических нагрузок ДЭС «Сахаэнерго» за 2007 год, годовой график среднедневной температуры, длительность светового дня (определялась по широте установки ДЭС), суточные графики нагрузок в характерные сезоны года.

В качестве примера на рис.2 представлены основные режимные показатели работы ДЭС Чокурдах за полтора года.

Для выявления функциональных зависимостей между температурой, суточной выработкой электроэнергии и суточным максимумом нагрузки произведено нормирование режимных параметров (сортировка значений по температуре), которое позволило получить в качестве описания основных режимных параметров ДЭС не сложные полиномы высокого порядка (см. рис.2), а простые линейные тренды.

Разрешив полученные алгебраические уравнения относительно общей переменной, получены выражения, связывающие суточную выработку электрической энергии и максимальную активную нагрузку с температурой окружающего воздуха:

где Г- среднедневная температура окружающего воздуха, 'С;

Ш- суточная выработка электрической энергии, тыс.кВгч;

Ртах_ суточный максимум нагрузки, кВт.

Постоянные коэффициенты в уравнениях (2), (3) соответствуют суточной выработке электроэнергии и максимуму нагрузки при температуре О 'С. Значения температуры введены в уравнения в абсолютных знакопеременных единицах.

Используя предложенную методику, получены аналогичные зависимости и для других ДЭС «Сахаэнерго». Полученные выражения обеспечивают среднюю погрешность прогноза не выше 14 % для выработки электрической энергии, и не более 11 % для суточного максимума нагрузки. Погрешность прогноза в основном обусловлена суточными колебаниями температуры и более существенна в летние месяцы года.

Для определения основных закономерностей формирования суточного графика нагрузок проведен детальный анализ режимов работы ДЭС с учетом сезонной составляющей. Исходными данными анализа являются фактические суточные графики нагрузок ДЭС в период с 2004 по 2008 г.

=19.855-0,358-Г,

Ртах= 8.31-14.887-7\

(2) (3)

Рис.2. Экспериментальные данные режимных показателей ДЭС Чокурдах

В результате статистической обработки имеющихся экспериментальных данных получены типовые суточные графики нагрузки ДЭС для разных сезонов года. На рис.3 представлен типовой летний суточный график нагрузки ДЭС Чокурдах. График построен в относительных единицах, и его совместное использование с выражениями (2), (3) и фактической (прогнозируемой) температурой окружающего воздуха позволяет достаточно точно предсказать суточные изменение нагрузки ДЭС для любого конкретного дня года.

Типовой летний суточный график.нагрузки

О.во-!- ; 0.9 т---- 0.8 - ■ — - 1 ;;

0.7 — Й5

0.6 0.5 ----- 1 •

0.4 ь

0.3

0.2 -

0.1 •

0 ■

1 2 3 4 5 6 Т 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24

Рис.3. Летний суточный график нагрузки ДЭС Чокурдах

Предложенная методика прогнозирования графиков электрических нагрузок децентрализованных потребителей легко автоматизируется средствами простых прикладных программ и не требует от пользователя умения программирования. Методика апробирована на нескольких ДЭС «Сахаонерго», отличается простотой в использовании и обеспечивает хорошую достоверность полученных результатов.

В рамках выполнения второй главы работы разработана методика оптимизации числа и типовой мощности рабочих дизельных электроагрегатов автономной ДЭС, используемой в качестве основного источника электроснабжения децентрализованных потребителей. В качестве критерия оптимизации используется минимум приведенных годовых затрат при заданном уровне надежности электроснабжения потребителей:

3 =ЕН-К +И +У =>ШШ (4)

где Ен - нормативный коэффициент эффективности капиталовложений; К -капитальные вложения в ДЭС, руб; И - годовые расходы на эксплуатацию станции, руб; У - экономический ущерб от нарушения электроснабжения потребителей, руб.

Суть методики состоит в последовательном технико-экономическом сравнении возможных вариантов исполнения ДЭС, построенной на базе силовых агрегатов различного типоразмера. Выбор суммарной установленной мощности дизель-генераторов производится по условию покрытия максимально возможной нагрузки электростанции; годовые эксплуатационные расходы

рассчитываются с учетом удельного расхода топлива на каждой г'-ой ступени суточного графика нагрузки; экономический ущерб от нарушения электроснабжения потребителей определяется через математическое ожидание недоотпуска электроэнергии вследствие возможного дефицита мощности.

Для оценки уровня надежности генерирующих агрегатов ДЭС в работе использован биномиальный закон распределения вероятностей, согласно которому коэффициент готовности (одновременного рабочего состояния) т элементов из и:

V _ л". гг« . у(п-т)

Л-г(т) Л.та Л- в (5)

где гт_ Г" = 1 (6)

С л ,. > С п Ьл 1

т\-{п-т)\

Номинальная мощность дизель-генераторов и их коэффициент технического использования Кт определяются по ГОСТ 20439-8, после чего производится расчет ряда распределения коэффициентов мощностей электроагрегатов, находящихся в рабочем состоянии К?*, где индекс Рп соответствует мощности ДЭС при / работающих агрегатах.

Р

Нагрузка станции представляется в виде ряда коэффициентов 4, характеризующих относительную длительность потребляемой мощности Риу и вычисляемых по формуле:

(7)

где ¡(Рщ) - длительность потребления мощности Р,у- по заданному суточному графику, ч;/- количество ступеней суточного графика нагрузки..

При мощности нагрузки, большей суммарной мощности работающих генераторов ДЭС (/%■ > РГ1), в системе будет иметь место дефицит мощности

- Рг/- (8)

Тогда вероятность дефицита мощности:

КьЛ=К?«-К»* (9)

где к - число вариантов, когда Рч- > Рг,.

Математическое ожидание недоотпуска электроэнергии за год вследствие дефицита мощности составит:

ЛЭ = 87602^^ ,кВт'ч (10)

к

Математическое ожидание ущерба от недоотпуска электроэнергии потребителям определяется по формуле:

У = ДЭ'уо, руб (11)

где уо- удельный ущерб от недоотпуска электроэнергии, руб/кВт-ч.

Абсолютный расход топлива дизель-генератором на отпуск электроэнергии на каждой /-ой ступени суточного графика определяется по формуле:

Сч/ =

& т(ном) -^изн -^реяс( Эвыр/ , тонн (12)

где Ят(но»<) - удельный расход топлива дизелем при номинальной мощности (по паспортным данным), г/кВт-ч; Ктн - коэффициент износа; АГреж; - режимный коэффициент, учитывающий изменение удельного расхода топлива при работе дизель-генератора с нагрузкой, меньшей номинальной; Эвыр1: - вырабатываемая одним дизель-генератором электрическая энергия на ('-ой ступени суточного графика, кВт'ч.

Используя предложенную методику, была произведена оценка энергетической эффективности ДЭС «Сахаэнерго», которая показала, что количество .и номинальная мощность силовых агрегатов многих станций выбраны неправильно. При реконструкции ДЭС, связанной с заменой физически и морально устаревших силовых агрегатов, использование предлагаемой методики позволяет обеспечить реальную экономию финансовых средств от 10 до 15 %.

Для минимизации расхода топлива необходимо не только правильно выбрать число и мощность силовых агрегатов ДЭС, но и обеспечить их рациональный режим работы. Под рациональным режимом станции следует понимать своевременный вывод из работы и подключение дизель-генераторов при соответствующем изменении нагрузки, обеспечивающих минимальный удельный расход топлива на всех долевых режимах.

Выбор числа работающих агрегатов т из п возможных для каждого типа ДЭС в расчетах производился из условия:

Физический смысл рационального режима работы ДЭС, обеспечивающего минимальный расход топлива, проиллюстрировал на примере ДЭС Жиганска, построенной на базе 5 дизель-генераторов с номинальной мощностью 630 кВт. Фактический суточный график нагрузки станции на 1 ноября 2007 года и число рабочих силовых агрегатов на каждом долевом режиме, обеспечивающих минимум расхода топлива, представлены на рис.4.

Максимум нагрузки станции в этот день года составил 1560 кВт. Для его покрытия (при загрузке дизель-генераторов не более 80 %) необходимо четыре рабочих силовых агрегата. Если количество рабочих силовых агрегатов в течении суток оставить неизменным (всегда в работе 4), то суммарный суточный расход топлива составит 5,963 тонны. Если же режим работы станции изменять в соответствии с графиком, приведенным на рис.4, суточный расход топлива составит 5,613 тонн, или на 6 % меньше. ^

Для обеспечения рационального режима работы ДЭС обслуживающему персоналу станции необходимо получать в реальном времени прогнозный график нагрузки потребителя в зависимости от типа станции, времени года и температуры окружающего воздуха. Данная задача может быть успешно решена при оснащении, ДЭС особым рабочим местом, построенным на базе персонального компьютера и специализированного программного обеспечения, разработанного на основании методики прогнозирования режимов энергопотребления в децентрализованных комплексах Сахаэнерго, представленной выше. Расчеты показывают, что при оптимальном выборе числа и мощности силовых агрегатов ДЭС и обеспечении рационального режима работы станции можно получить реальную экономию топлива на уровне 10-15%.

(13)

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24

□ Нагрузка кВт а Число рабочих агрегатов

Рис.4. Оптимальные режимные показатели ДЭС Жиганск на 1 ноября 2007 года

Важнейшим показателем энергетической эффективности автономных источников электропитания является уровень надежности электроснабжения потребителей, от величины которого в условиях сурового климата региона во многом зависит энергетическая безопасность населения.

В результате проведенных исследований разработана методика определения оперативного резерва мощности ДЭС, используемых в качестве автономного источника электроснабжения децентрализованных потребителей.

В качестве критерия оптимальности в предлагаемой методике принят минимум приведенных затрат на установку и эксплуатацию дополнительно вводимой мощности силовых агрегатов:

3 =Зар + У =п ■К ■ (Ен + Р0) + ДЭ -Уо'РУ6

где п - количество дополнительных дизель-генераторов, шт.; К - стоимость энергоустановки на базе одного силового агрегата, руб; Еи - нормативный коэффициент эффективности капиталовложений рэ- отчисления на амортизацию, ремонт и обслуживание дополнительных дизель-генераторов; ДЭ - математическое ожидание ущерба от недоотпуска электроэнергии потребителям, кВт; у0 - удельный ущерб от недоотпуска электроэнергии, руб/кВгч .

Методика прошла опытную апробацию на выборочных ДЭС Сахаэнерго, доказана ее адекватность и простота в использовании, и она рекомендована для определения оперативного резерва мощности и других дизельных электростанций региона.

В третьей главе проведены исследования рабочих режимов ДЭС с переменной частотой вращения дизеля и определены перспективы их применения в комплексе децентрализованного электроснабжения региона.

Предмет исследования обусловлен тем обстоятельством, что положенные в основу промышленных ДЭС принципы управления не обеспечивают минимум расхода топлива при изменении нагрузки электростанции.

График нагрузки децентрализованных потребителей изменяется в очень широких пределах, в результате чего силовые агрегаты значительную часть времени работают на частичных режимах с существенной недогрузкой при высоком удельном расходе топлива.

Построение ДЭС в соответствии с функциональной схемой, приведенной на рис.5, позволяет обеспечить устойчивый режим работы дизель-генераторов на частичных характеристиках с относительно меньшим расходом топлива. Для обеспечения стандартных параметров вырабатываемой электрической энергии обязательными элементами ДЭС с переменной частотой вращения дизеля (ДВС) являются выпрямитель (В), автономный инвертор (ЛИ), мощность которых должна быть рассчитана на полную мощность нагрузки, и система управления (СУ).

Проведенные в работе исследования статических характеристик дизельного двигателя доказали возможность его работы на более экономичных частичных характеристиках с меньшим удельным расходом топлива, которые могут быть обеспечены только при частотах вращения, меньше номинальной. Для достижения данных режимов работы ДЭС должна быть оснащена специализированной системой автоматического управления, обеспечивающей регулирование расхода топлива и напряжения возбуждения генератора по сложным законам, в соответствии с изменяющейся величиной нагрузки электростанции.

Рис.5. Функциональная схема ДЭС с переменной частотой вращения дизеля

Для определения оптимальных законов управления режимами инверторной ДЭС разработана математическая модель автономной энергетической системы, включающая математическое описание дизельного двигателя, синхронного генератора, регулирующих систем и нагрузки. В качестве инструмента моделирования использовалась среда МАТЬАВ®

Для моделирования дизельного двигателя предложена простая функциональная модель, которая строится по его фактической нагрузочно-скоростной характеристике, устанавливающей зависимость эффективной мощности дизеля Л^, удельного расхода топлива ge и других параметров от частоты вращения вала п и среднего эффективного давления ре, рис.6

Рис. 6. Нагрузочно-скоростная характеристика дизеля

На рис.7 представлена вероятностная математическая модель дизеля В2-450АВ-03, которая представляет собой поверхность, устанавливающую однозначную взаимосвязь между скоростью вращения вала (speed), мощностью дизеля (power) и абсолютным расходом топлива (fuel_hour).

fueLhour (F) [kjih]

speed (S) [rpm]

1000

Рис. 7. Вероятностная математическая модель дизеля В2-450АВ-03

При моделировании электрического генератора, регулирующих систем и нагрузки использовались известные математические приемы и методы, общепринятые при математическом описании подобных устройств.

Проведенные с использованием математической модели ДЭС исследования ее рабочих режимов позволили определить оптимальные законы управления регулирующими системами, обеспечивающих минимум расхода топлива при изменяющейся нагрузке электростанции, рис.8,9.

1 - классической структуры ДЭС

2 - структуры шверторной ДЭС

1 - классической структуры ДЭС

2 - структуры инверторной ДЭС

Результаты исследования: рабочих режимов ДЭС с переменной частотой вращения дизеля показали, что для обеспечения энергетически эффективного режима работы энергоустановки, построенной на базе силовых агрегатов различного типоразмера, необходимы специализированные контроллеры, обеспечивающие соответствующие алгоритмы регулирования подачи топлива и напряжения возбуждения генератора.

В результате проведенных исследований разработан алгоритм управления и функциональная схема контроллера (рис.10) инверторной ДЭС, построенного на нечеткой логике, который в режиме реального времени может управлять рабочими процессами электростанции в условиях динамической нагрузки.

Проведенные технико-экономические расчеты показали, что перевод ДЭС Сахаэнерго в инверторный режим работы позволит уменьшить расход дизельного топлива от 10 до 20 % в зависимости от графика нагрузки потребителей, что обеспечит предприятию годовую экономию финансовых средств до 150 млн.руб.

Рис. 10. Функциональная схема контроллера инверторной ДЭС

В четвертой главе диссертационной работы определены перспективы использования местных возобновляемых энергетических ресурсов в энергетическом балансе региона.

Сравнительная оценка экономической эффективности использования возобновляемых источников энергии показала, что единственным возобновляемым энергетическим ресурсом в регионе, который может найти .практическое применение для повышения энергетической эффективности комплекса децентрализованного электроснабжения Республики, при существующих на сегодняшний день технологиях возобновляемой энергетики, является энергия ветра.

На основании статистических данных о максимальных и минимальных электрических нагрузках ДЭС Сахаэнерго за 2004-2008 годы были определены номинальные мощности ВЭУ, рекомендованные к внедрению на соответствующих электростанциях, которые представлены в табл.2.

Табл.2.

Мощность ВЭУ, рекомендованная к первоочередному внедрению в Сахаэнерго

Наименование ДЭС Рвэу, кВт Кср, м/с Наименование ДЭС ?вэу, кВт Рср, М|,с

Анабарский РЭС Нижнеколымский РЭС

Саскылах 250 5,6 Андрюшкино | 100 5,7

Юрюнг-Хая 100 Колымское 100

Булунские ЭС Походок 20

Быков Мыс 50 6,9 Янские ЭС

Кюсюр 100 Депутатский 1000 6,0

Найба 70 Казачье 100

Намы 50 Нижнеянск 250

Сиктях 30 Сайьшык 100

Таймылыр 50 Тумат 30

Тикси 750 Усть-Куйга 250

Усть-Оленек 10 Усть-Янск 30

Хайыр 30

Юкагир 10

Результаты расчетов экономической эффективности применения ВЭУ в энергетическом балансе комплекса децентрализованного электроснабжения Республики Саха (Якутия) представлены в табл. 3.

Результаты расчетов свидетельствуют о том, что развитие ветроэнергетики в регионе требует значительных инвестиций. Наиболее перспективным районом для первоочередного использования ветроэнергетических установок в энергетическом балансе комплекса децентрализованного электроснабжения Республики Саха (Якутия) является Булунский улус. Географическое расположение улуса характеризуется высокими среднегодовыми скоростями ветра в местах установки существующих ДЭС, что требует наименьших затрат на внедрение ВЭУ.

Разработан универсальный метод оценки энергетической эффективности автономных ветро-дизельных энергетических комплексов, основанный на критерии полного коэффициента полезного действия (КПД) энергосистемы. КПД гибридного энергокомплекса определяется коэффициентами полезного действия элементов каждого канала генерирования и преобразования электроэнергии, которые, в свою очередь, определяются многими режимными и конструктивными факторами.

Табл..З

Приближенные результаты оценки экономической эффективности __применения ВЭУ в Сахаэнерго __

Наименование ДЭС ■Рвэу. кВт УсР, м/с Годовая выработка э/э, тыс.кВгч Годовая экономия топлива, тонн Стоимость ВЭУ, тыс. руб. Срок окупаемости, лет

Анабарский РЭС

Саскылах 250 6.98 220.7 35.3 8125 11.5

Юрюнг-Хая 100 6.43 69.0 11.0 3750 17.0

Булунские ЭС

Быков Мыс 50 7.92 99.0 19.8 2125 5.4

Кюсюр 100 8.00 132.9 21.3 3750 8.8

Найба 70 8.00 142.9 28.6 2975 5.2

Намы 50 7.92 99.0 19.8 2125 5.4

Сиктях 30 7.48 63.6 12.7 1275 5.0

Таймылыр 50 7.92 99.0 19.8 2125 5.4

Тикси 750 878 762.5 122.0 18750 7.7

Усть-Оленек 10 6.90 16.7 3.3 425 6.4

Нижнеколымский РЭС

Андрюшкино 100 6.54 72.6 11.6 3750 16.1

Колымское 100 6.54 72.6 11.6 3750 16.1

Походск 20 6.06 22.6 4.5 850 9.4

Янские ЭС

Депутатский 1000 8.12 804.2 128.7 25000 9.7

Казачье 100 6.88 84.5 13.5 3750 13.9

Нюкнеянск 250 7.07 229.3 36.7 8125 11.1

Сайылык 100 6.88 84.5 13.5 3750 13.9

Тумат 30 6.38 39.5 7.9 1275 8.1

Усть-Куйга 250 7.07 229.3 36.7 8125 11.1

Усть-Янск 30 6.38 39.5 7.9 1275 8.1

Хайыр 30 6.38 39.5 7.9 1275 8.1

Юкагир 10 6.00 11.0 2.2 425 9.7

Итого: 4122.9 686.6 131775.0

Функциональные схемы ДЭС с переменной частотой вращения дизеля удачно сочетаются с ветроэнергетическами установками, большинство из которых имеют в своем составе выпрямитель и инвертор, рис.11.

В работе приведены примеры проектирования подобных комплексов и предложена методика оценки их энергетической и экономической эффективности.

в

сш

к потребителю

50 Гц

СУ

Рис. 11. Ветродизельный энергетический комплекс с переменной частотой вращения дизеля

В заключении сформулированы основные научные результаты работы, даны рекомендации по их практическому использованию.

По результатам проведенных в диссертационной работе исследований, направленных на повышение энергетической эффективности комплексов децентрализованного электроснабжения, можно сделать следующие выводы:

1.Проведен детальный анализ состояния комплекса децентрализованного электроснабжения Якутии и определены основные направления повышения его энергоэффективноста. Энергетическая эффективность комплекса может быть повышена за счет сокращения расхода дизельного топлива, что достигается путем оптимизации необходимых типоразмеров и количества силовых агрегатов ДЭС, реализацией рациональных режимов работы электростанций, замещения части органического топлива ветроэнергетическими установками. Заданный уровень надежности электроснабжения потребителей может быть обеспечен за счет оптимального выбора оперативного резерва мощности ДЭС.

2. Выявлены основные закономерности формирования и регулирования графиков электрических нагрузок децентрализованных потребителей региона, разработан метод прогнозирования режимов энергопотребления децентрализованных потребителей с учетом сезонной составляющей и времени суток, позволяющий реализовать эффективное управление рабочими режимами ДЭС в краткосрочной и долгосрочной перспективе.

3. Разработана математическая модель автономной дизельной электростанции, позволяющая проводить исследования, ее рабочих режимов. Для моделирования дизельного двигателя предложена простая вероятностная модель, которая строится по его фактическим экспериментальным характеристикам, а достоверность модели оценивается статистическими параметрами.

4. Проведены исследования рабочих режимов ДЭС с переменной частотой вращения дизеля, доказана возможность уменьшения расхода дизельного топлива на 15-20 % за счет реализации эффективных рабочих режимов

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

электростанции, получены рациональные законы управления подачей топлива и регулирования напряжения возбуждения синхронного генератора. На основе нечеткой логики реализован алгоритм системы автоматического управления рабочими процессами инверторной ДЭС, обеспечивающий минимальный расход топлива в условиях изменяющейся нагрузки.

5. Проведена оценка экономической эффективности использования возобновляемых источников энергии в энергетическом балансе децентрализованных зон и установлены приоритетные направления и объемы их применения. Определены первоочередные места размещения ветроэнергетических установок, предложены способы их эффективного сопряжения с действующими ДЭС. Разработан универсальный метод оценки энергетической эффективности автономных ветро-дизельных энергетических комплексов, проведена оценка их энергетической и экономической эффективности, даны рекомендации по их построению и условиям рационального применения.

6. Показаны технико-экономические возможности гибридных энергетических комплексов с аккумулированием энергии, предложены их эффективные схемные решения.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Безруких П.П., Парников Н.М. и др. Концепция использования ветровой энергии в России / Под редакцией Безруких П.П. - М.:Книга-Пента, 2005. -128 с.

2. Ильковский К.К., Парников Н.М. и др. Дизельные электростанции / Под редакцией Левинского А.П. - Хабаровск: Изд. дом «Приамурские ведомости», 2003. - 160 с. + 16 с. вкл., ил.

3. Ильковский К.К., Парников Н.М. и др. Проблемы малой энергетики в энергоизолированных районах Сибири и Дальнего Востока. Горный журнал. Спец. выпуск, 2004. - М.: Московская типография №13.

4. Лукутин Б.В., Климова Г.Н., Обухов С.Г., Шутов Е.А., Парников Н.М. Исследование закономерностей формирования графиков электрических нагрузок децентрализованных потребителей Республики Саха (Якутия) //Электрические станции, 2008. - т. - № 9. - С. 53-58

5. Лукутин Б.В., Климова Г.Н., Обухов С.Г., Шутов Е.А., Парников Н.М. Энергетическая эффективность комплекса децентрализованного . электроснабжения республики САХА (Якутия) //Известия вузов. Проблемы энергетики, 2008. - т.1 - № 7-8/1. - с. 124-130

6. Лукутин Б.В., Парников Н.М. Энергоэффективность автономных ветродизельных комплексов //Электрика, 2007. - т. - № 9. - С. 19-23

7. Парников Н.М. Большие проблемы малой энергетики в Республике Саха (Якутия) // Малая энергетика, 2004. -№1,- С.59-68

8. Парников Н.М. Оптимизация режима работы дизельных электростанций ОАО «Сахаэнерго» // Системы электроснабжения с возобновляемыми источниками энергии: материалы Международного научно-технического семинара. - Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2009. -С.3-4.

9. Парников Н.М. Оценка энергетической эффективности комплекса децентрализованного электроснабжения республики САХА (Якутия) //Электроэнергия: от получения и распределения до эффективного использования: Материалы всероссийской научно-технической конференции - Томск, 12-14 мая 2008. - Томск: ТПУ, 2008. - С. 182-184

10. Парников Н.М. Техническая политика в области развития малой энергетики Севера // Межрегиональный научно-технический семинар Энергетика Северо-Востока: состояние, проблемы и перспективы развития: Сборник докладов и научных статей. Якутск, 2004. -ЭФ ГУ и Изд-во СО РАН. -С.237-240.

Личный вклад автора. Публикации [8] - [10] выполнены без соавторов. В публикации [1] автору принадлежит обоснование потенциального спроса на ветроустановки в составе автономных систем энергоснабжения (10 %), в публикации [2] предложения по автоматизации режимов работы дизельных электростанций (15 %), в публикациях [5], [6] разработка универсального метода оценки энергетической эффективности автономных ветро-дизельных энергетических комплексов (60 %), в публикациях [3], [4] методика прогнозирования режимов энергопотребления децентрализованных потребителей и технико-экономическая оценка гибридных энергетических установок (80 %).

Отпечатано в ООО «НИП» г. Томск, ул. Советская, 47, тел.: 53-14-70, тираж 100 экз.

ВВЕДЕНИЕ.

1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ КОМПЛЕКСА ДЕЦЕНТРАЛИЗОВАННОГО ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ РЕСПУБЛИКИ И ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЗАДАЧ ПОВЫШЕНИЯ ЕГО ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ.

1.1. Исследование энергетического баланса комплекса децентрализованного электроснабжения ОАО «Сахаэпсрго».

1.2. Технико-экономические характеристики локальных систем электроснабжения на основе дизельных электростанций.

1.3. Анализ удельных энергетических характеристик ДЭС региона.

1.4. Выводы.

2. ИССЛЕДОВАНИЕ СООТВЕТСТВИЯ РЕЖИМОВ ЭНЕРГОПОТРЕБЛЕНИЯ СТРУКТУРЕ И МОЩНОСТИ КОМПЛЕКСА ДЕЦЕНТРАЛИЗОВАННОГО ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ЯКУТИИ.

2.1. Анализ режимов энергопотребления автономных систем электроснабжения.

2.2. Оптимизация структуры и мощности ДЭС локальных систем электроснабжения

2.3. Повышение энергетической эффективности ДЭС путем управления количеством одновременно работающих агрегатов.

2.4. Определение рационального оперативного резерва мощности ДЭС.

2.5. Выводы.

3. ПЕРСПЕКТИВЫ ИНВЕРТОРНЫХ ДЭС И РАЗРАБОТКА ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ АЛГОРИТМОВ УПРАВЛЕНИЯ ИХ РЕЖИМАМИ.

3.1. Энергетические комплексы с переменной частотой вращения дизеля.

3.2. Математическая модель ДЭС.

3.3. Математическое моделирование рабочих режимов ДЭС.

3.4. Разработка алгоритмов и систем управления режимами инверторной ДЭС.

3.5. Выводы.

4. ПЕРСПЕКТИВНЫЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ КОМПЛЕКСЫ РЕСПУБЛИКИ САХА (ЯКУТИЯ) С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ВОЗОБНОВЛЯЕМЫХ ЭНЕРГОРЕСУРСОВ РЕГИОНА.

4.1. Оценка экономической эффективности использования возобновляемых источников энергии.

4.2. Обоснование метода оценки энергетической эффективности автономных ветро-дизельных энергетических комплексов.

4.3. Разработка структуры энергоэффективных ветро-дизельных энергетических комплексов.

Актуальность. Около 70 % территории России относятся к зонам децентрализованного электроснабжения, на которых проживают по разным оценкам от 10 до 20 млн. человек. Большинство этих территорий расположены в районах с суровыми климатическими условиями - Сибирь, Дальний Восток, Крайний Север. Надежное энергообеспечение населения децентрализованных зон является важнейшей народнохозяйственной задачей, от успешного решения которой во многом зависит не только социально-экономическое развитие регионов, но и безопасность людей.

Для электроснабжения потребителей децентрализованных зон традиционно используются установки малой энергетики - малые электростанции, работающие на автономную электрическую сеть одного или нескольких близлежащих населенных пунктов. Основу малой энергетики России составляют дизельные электростанции, общее количество которых превышает 47 тыс., а установленная мощность достигает 15 млн. кВт.

Большинство функционирующих сегодня объектов малой энергетики в разных регионах России имеют ряд схожих- проблем, обусловленных главным образом большим износом основного энергетического оборудования, острым дефицитом инвестиционных ресурсов, тяжелыми и дорогими условиями транспортировки грузов, удаленностью от центров снабжения и обслуживания и т.п. Вместе с тем, локальные системы электроснабжения децентрализованных зон, как правило, имеют и ряд существенных региональных отличий, связанных с природно-географическим положением региона, развитием инфраструктуры, наличием местных энергоресурсов и т.п. Кроме того, отдельные объекты малой энергетики обычно связаны едиными технологическими процессами завоза топлива и технического обслуживания в рамках одного региона.

Для регионов России, значительная часть которых не присоединена к центральным электрическим сетям, надежное функционирование комплекса децентрализованного электроснабжения является залогом энергетической безопасности, обеспечивающей защищенность граждан, общества, государства, экономики от внутренних и внешних факторов угроз дефицита всех видов энергии и энергетических ресурсов.

Энергетическая эффективность комплексов децентрализованного электроснабжения - важная компонента национальной безопасности страны, призванная ускорить ее социально-экономическое развитие, а повышение энергетической эффективности комплексов децентрализованного электроснабжения является на сегодня актуальной задачей энергетики России.

Предмет исследования. Способы и методы повышения энергетической эффективности комплексов децентрализованного электроснабжения на примере Республики Саха (Якутия).

Объект исследования. Комплекс локальных систем электроснабжения Республики Якутия с учетом технических, географических, климатических, экономических, экологических условий и энергетического потенциала возобновляемых источников энергии территории.

Цель работы. Исследование комплекса децентрализованного электроснабжения Республики Саха (Якутия) и разработка рекомендаций по повышению энергоэффективности локальных систем электроснабжения, расположенных в отдаленных районах с суровыми климатическими условиями.

Для достижения поставленной цели в диссертационной работе поставлены и решены следующие задачи:

- проведен комплексный анализ эффективности использования энергетических ресурсов и установлены качественные и количественные функциональные зависимости основных влияющих факторов на процессы энергопотребления;

- определены закономерности формирования и регулирования графиков электрических нагрузок потребителей децентрализованных зон в зависимости от сезонной составляющей и времени суток;

- разработана универсальная методика, позволяющая определять необходимый типоразмер и количество силовых агрегатов для вновь проектируемых и реконструируемых дизельных электростанций (ДЭС);

- разработана математическая модель дизельной электростанции, проведены исследования ее рабочих режимов с переменной частотой вращения и получены рациональные законы управления ДЭС, обеспечивающие минимизацию расхода топлива на частичных режимах работы;

- разработана методика оценки энергетической эффективности автономных ветро-дизельных энергетических комплексов, позволяющая решать широкий круг задач, связанных с оптимизацией структуры и режимов гибридных энергустановок с источниками электропитания различных типов.

Методы исследования. При выполнении диссертационной работы использовались: методы анализа и обобщения данных, приведенных в научно-технической литературе; статистические методы анализа данных; методы многофакторного и кластерного анализа совокупности показателей; методы исследования надежности энергетических систем; математические методы нечеткой логики; методы математического моделирования технико-экономических показателей объектов энергетики.

Научная новизна работы. В результате выполнения исследований получены следующие новые научные результаты:

- выявлены на примере Республики Саха (Якутия) особенности энергообеспечения потребителей децентрализованных зон в условиях Крайнего Севера, и установлены функциональные зависимости основных влияющих факторов на процессы энергопотребления;

- разработана методика прогнозирования^ графиков электрических нагрузок потребителей в децентрализованных зонах с учетом численности населенного пункта, его географического положения, времени года, температуры и времени суток;

- разработан алгоритм оптимального выбора числа и мощности рабочих силовых агрегатов и оперативного резерва мощности автономных дизельных электростанций (ДЭС) по критерию минимума приведенных затрат;

- разработана универсальная методика оценки энергоэффективности автономных ветро-дизельных энергокомплексов, позволяющая оптимизировать структуру и режимы гибридных энергетических установок с источниками электропитания различных типов.

Практическая ценность работы:

- предложенная методика» прогнозирования графиков электрических нагрузок потребителей децентрализованных зон может быть использована для краткосрочного и долгосрочного планирования режимов работы ДЭС, что обеспечит повышение их энергетической эффективности и надежности.

- методики оптимального выбора числа и мощности рабочих силовых агрегатов и оперативного резерва мощности ДЭС позволяют обеспечить заданный уровень надежности электроснабжения потребителей и сократить расход дизельного топлива на 10-20 %;.

- доказана возможность уменьшения расхода дизельного топлива на 15-20 % за счет использования рабочего режима дизель-генераторов при переменной частоте вращения и предложен алгоритм реализации контроллера системы автоматического управления инверторной ДЭС, обеспечивающий минимизацию расхода топлива;

- предложены схемные решения энергоэффективных ветро-дизельных энергетических комплексов, разработаны методики оценки их энергетической и экономической эффективности, даны рекомендации по условиям, объемам и районам их рационального применения в Якутии.

Достоверность результатов диссертационной работы. Полученные в результате выполнения диссертационной работы научные результаты, выводы и рекомендации базируются на доказанных и общепризнанных фундаментальных положениях соответствующих областей наук, теоретически обоснованы и подтверждены результатами экспериментов и опытной эксплуатации в реальных условиях.

Реализация результатов работы. Результаты работы использованы в ОАО «Сахаэнерго» для оценки эффективности эксплуатации существующих ДЭС, прогнозирования графиков электрических нагрузок потребителей, выработки рекомендаций по повышению энергоэффективности комплекса децентрализованного электроснабжения региона.

Результаты исследований использованы в учебном процессе Электротехнического института Томского политехнического университета в материалах дисциплины «Нетрадиционные способы производства электроэнергии» инновационной образовательной программы подготовки магистров «Возобновляемые источники энергии» и курса «Автоматизированные системы управления» для студентов, обучающихся по специальности «Электроснабжение промышленных предприятий».

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на научных семинарах кафедры электроснабжения промышленных предприятий Томского политехнического университета, на Межрегиональном научно-техническом семинаре «Энергетика Северо-Востока: состояние, проблемы и перспективы развития», г.Якутск, 2004 г., на Всероссийской научно-технической конференции «Электроэнергия: от получения и распределения до эффективного использования», г.Томск, 2008 г., на Международном научно-техническом семинаре «Системы электроснабжения с возобновляемыми источниками энергии», г.Томск, 2009 г.

Публикации. Основные положения и результаты выполненных исследований отражены в 10 публикациях, в том числе 2 монографиях и двух изданиях, рекомендованных ВАК.

Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, содержащих 174 страниц основного текста, 35 таблиц, 69 рисунков и списка литературы из 74 наименований.

4.5. Выводы

Проведенные в работе исследования энергетического потенциала возобновляемых' энергоресурсов Республики- Саха, (Якутия) подтверждают возможность их; практического использования- в энергетическом балансе комплекса децентрализованного электроснабжения региона.

Перспективным видом возобновляемого энергетического ресурса в регионе является энергия ветра, которая может быть полезно использована для электроснабжения децентрализованных потребителей с помощью ветроэлекгростанций. Зона их возможного применения в значительной степени совпадает с наиболее проблемными районами децентрализованного энергообеспечения. Наиболее перспективными с точки зрения практического использования энергетического потенциала ветровой энергии являются Булунский, Усть-Янский, Нижнеколымский и Анабарский улусы Республики.

В результате проведенных исследований установлены перспективные места размещения ВЭУ, определена их номинальная мощность и способы сопряжения с существующими системами электроснабжения, произведена приближенная оценка энергетической и экономической эффективности.

Использование других возобновляемых энергоресурсов, имеющихся на территории децентрализованной энергетики Якутии, на сегодняшний день проблематично из-за климатических и географических особенностей региона.

Разработан универсальный метод оценки энергетической эффективности автономных ветро-дизельных энергетических комплексов, который позволяет решать широкий круг задач, связанных с оптимизацией структуры и режимов гибридных энергетических установок с источниками электропитания различных типов.

Разработаны эффективные структурные схемы гибридных энергетических комплексов, обеспечивающих экономию топлива при выработке электрической энергии. Приведены примеры проектирования подобных комплексов и предложена методика оценки их энергетической и экономической эффективности.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1.Проведен детальный анализ состояния комплекса децентрализованного электроснабжения Якутии и определены основные направления повышения его энергоэффективности. Энергетическая эффективность комплекса может быть повышена за счет сокращения расхода дизельного топлива, что достигается путем оптимизации необходимых типоразмеров и количества силовых агрегатов ДЭС, реализацией рациональных режимов работы электростанций, замещения части органического топлива ветроэнергетическими установками. Заданный уровень надежности электроснабжения потребителей может быть обеспечен за счет оптимального выбора оперативного резерва мощности ДЭС.

2. Выявлены основные закономерности формирования и регулирования графиков электрических нагрузок децентрализованных потребителей региона, разработан метод прогнозирования режимов энергопотребления децентрализованных потребителей с учетом сезонной составляющей и времени суток, позволяющий реализовать эффективное управление рабочими режимами ДЭС в краткосрочной и долгосрочной перспективе.

3. Разработана математическая модель автономной дизельной электростанции, позволяющая проводить исследования ее рабочих режимов. Для моделирования дизельного двигателя предложена простая вероятностная модель, которая строится по его фактическим экспериментальным характеристикам, а достоверность модели оценивается статистическими параметрами.

4. Проведены исследования рабочих режимов ДЭС с переменной частотой вращения дизеля, доказана возможность уменьшения расхода дизельного топлива на 15-20 % за счет реализации эффективных рабочих режимов электростанции, получены рациональные законы управления подачей топлива и регулирования напряжения возбуждения синхронного генератора. На основе нечеткой логики реализован алгоритм системы автоматического управления рабочими процессами* инверторной ДЭС, обеспечивающий минимальный расход топлива в условиях изменяющейся нагрузки.

5. Проведена оценка экономической эффективности использования возобновляемых источников энергии в энергетическом балансе децентрализованных зон и установлены приоритетные направления и объемы их применения. Определены первоочередные места размещения ветроэнергетических установок, предложены способы их эффективного сопряжения с действующими ДЭС. Разработан универсальный метод оценки энергетической эффективности автономных ветро-дизельных энергетических комплексов, проведена оценка их энергетической и экономической эффективности, даны рекомендации по их построению и условиям рационального применения.

6. Показаны технико-экономические возможности гибридных энергетических комплексов с аккумулированием энергии, предложены их эффективные схемные решения.

1. Breiman L., et al., Classification and Regression Trees, Chapman & Hall, Boca Raton, 1993.

2. Documentation for MathWorks Products// http://www.mathworks.com/access/helpdesk/

3. Mamdani E. H. Applications of fuzzy algorithms for simple dynamic plant. Pore. IEE. vol. 121, n. 12, pp. 1585-1588, 1974.

4. Sangalli A., and Klir G.R. Fuzzy logic goes to market, New Scientist, 8 Feb., 1992.

5. Smidth F. L. Computing with a human face. New Scientist, 6 may, 1982.

6. StatSoft.lnc.(2001). Электронный учебник по статистике. М. Stat.Soft. WEB: http//www.Stat-Soft.ru/home/textbook/

7. Yasunobu S., and Hasegawa T. Predictive fuzzy control and its applications for automatic container crane operation system, in Proc. 2nd. IFSA Congress, Tokyo, Japan, Julie 1987.

8. Zade L. A. The concept of a linguistic variable and its application to approximate reasoning. Part 1, 2, 3 // Information Sciences, n. 8 pp.199-249, pp.301-357; n. 9 pp. 43-80.

9. Айвазян C.A., Мхитарян B.C. Прикладная статистика и основы эконометрики. М.: ЮНИТИ, 1998.

10. Андреев В.П., Сабинин Ю.А. Основы электропривода. М.-Л: ГЭМ, 1956. -448 с.

11. Андрианов В.Н., Быстрицкий Д.Н., Вашкевич К.П., Секторов В.Р. Ветроэлектрические станции / Под общей редакцией Н.Н. Андрианова. -М.-Л.: ГЭИ, 1960.-320 с.

12. Безруких П.П., Парников Н.М. и др. Концепция использования ветровой энергии в России / Под редакцией Безруких П.П. М.:Книга-Пента, 2005. -128 с.

13. Википедия (свободная энциклопедия) // http://ru.wikipedia.org/

14. Власова В.М. Методы оценки эффективности инвестиций // Некоммерческое партнерство Центр дистанционного образования «Элитариум» (Санкт-Петербург), http://www.elitarium.ru/

15. Генеральная схема размещения объектов электроэнергетики до 2020 года // Одобрена распоряжением Правительства Российской Федерации от 22 февраля 2008 г. N 215-р

16. Герман Галкин С. Г., Г. А. Кардонов. Электрические машины: Лабораторные работы на ПК. -т- СПб.: КОРОНА принт, 2003. - 256 с.

17. Гидроэнергетические ресурсы СССР. М.: Наука, 1967. - С. 84-90

18. ГОСТ 13822-82 Электроагрегаты и передвижные электростанции, дизельные. Общие технические условия

19. ГОСТ 20439-87 Электроагрегаты и передвижные электростанции с двигателями внутреннего сгорания. // Требования к надежности и методы контроля

20. ГОСТ 23377-84 Электроагрегаты и передвижные электростанции с двигателями внутреннего сгорания. Общие технические требования

21. Гриняев С. Нечеткая логика в системах управления//"Компьютерра" №38 от 08 октября 2001 года

22. Дасковский В.Б., Киселёв В.Б. Особенности оценки эффективности инвестиций в экономике переходного периода // Пищевая» промышленность. М.2005. № 1,2.

23. Дасковский В.Б., Киселёва В.Б., Ошибочная суть метода дисконтирования // Опубликовано в журнале Экономист №3 2007, http://www.niec.ru/Articles/016.htm

24. Двигатели внутреннего сгорания: Учеб. для вузов по спец. «Строительные дорожные машины и оборудование» /Хачиян А.С., Морозов К.А., Луканин В.Н. и др.; Под ред. Лукунина В.Н. 2-е изд., перераб. и доп. -М.:Высш.шк., 1985, - 311 е., с илл.

25. Дизель генераторные электростанции. Работа при переменной частоте вращения-дизеля: - http://news.elteh.rU/arh/2005/34/13

26. Дизельные электрические станции. Том I. Принцип действия, устройство и работа основного оборудования дизельных электростанций. / Под ред. B.C. Корчинского: СПб.: Изд. ПЭИпк, 2002 - 264 с.

27. Жерве Г.К. Промышленные испытания электрических.машин: 4-е изд., сокр. и перераб. - Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние., 1984.-408 с.

28. Заварина М.В. Расчетные скорости ветра на высотах нижнего слоя атмосферы. Л.: Гидрометеоиздат, 1971.-162 с.

29. Ильин М.М. Системы солнечного теплоснабжения и возможности их применения в условиях Центральной Якутии // Проблемы теплоснабжения в условиях Крайнего Севера. Якутск: ЯФ СО АН СССР, 1984. - С. 98-104.

30. Ильковский К.К., Парников Н.М. и др. Дизельные электростанции / Под редакцией Левинского А.П. Хабаровск: Изд. дом «Приамурские ведомости», 2003. - 160 с. + 16 с. вкл., ил.

31. Ильковский К.К., Парников Н.М. и др. Проблемы малой энергетики в энергоизолированных районах Сибири и Дальнего Востока. Горный журнал. Спец. выпуск, 2004. М.: Московская типография №13.

32. Информационное агентство «SakhaNews» // http.7/1 sn.ru/index.php

33. Киушкина В.Р., Степанов А.С. Возобновляемый природный потенциал. Сборник трудов по материалам IV региональной научно-практической конференции молодых ученых, аспирантов и студентов. Нерюнгри, 2004,-С49-51.

34. Константинов А.Ф., Ноговицын Д.Д. Нетрадиционные возобновляемые энергоресурсы Республики Саха (Якутия).// Проблемы энергетики Республики Саха (Якутия): Сборник научных трудов Якутск: ЯНЦ СО РАН, 1995. — С.90

35. Константинов А.Ф., Ноговицын Д.Д. Фельдман Б.Н., Перспективы строительства малых ГЭС в арктической зоне Якутии // Гидроэнергетическое строительство. 1996. - №2. - С. 51-54

36. Консультационныйщентр MATLAB компании-Sostline // http://matlab.exponenta.ru/

37. Кулешов А.С., Грехов Л. В. Математическое моделирование и компьютерная оптимизация топливоподачи и рабочих процессов двигателей внутреннего сгорания. М.: МГТУ, 2000. - 64 с.

38. Лукутин Б.В., Киушкина В.Р. Ветроэлектростанции в автономной энергетике Якутии, Томск. Изд-во Томского политехнического университета, 2007 -185 с.

39. ООО «Промышленные силовые машины» http://www.powerunit.ru ООО «Энерго-Статус» http://energo-status.ru

40. Орленко Jl.Р. Строение планетарного пограничного слоя атмосферы,- Л.: Гидрометеоиздат, 1979.

41. Официальный сайт ОАО АК «Якутскэнерго» // http://yakute.elektra.ru/

42. Парников Н.М. Большие проблемы малой энергетики в Республике Саха (Якутия) // Малая энергетика, 2004. №1. - С.59-68

43. Попов Г. А. Системы управления судовыми дизелями. СПб.: ГМА им. Макарова, 2005 - 80 с.

44. Правила технической эксплуатации дизельных электростанций (ПТЭД) // Утверждены 09.02.1993 г.

45. Прикладные нечеткие системы: Перевод с япон./ К. Асаи, Д. Ватада, С. Иваи и др.; под ред. Т. Тэрано, К. Асаи, М. Сугено. М:: Мир, 1993.

46. Радин В.И., ЗагорскийА.Е., Шакарян Ю.Г. Управляемые электрические генераторы при переменной частоте. М".: Энергия, 1988. - 152 с.

47. Расчет ресурсов ветровой энергетики. Учебное пособие./ В.И.Виссарионов, В.А. Кузнецова., Н.К.Малинин и др.-М.: Издательство МЭИ, 1997-32с.

48. Реброва О.Ю. Статистический анализ медицинских данных. Применение пакета прикладных программ STATISTICA. М.:Медиа Сфера, 2003.

49. Руководящий документ (РД). Методические указания. Проведение изыскательских работ по оценке ветроэнергетических ресурсов для обоснования схем размещения и проектирования ветроэнергетических установок. РД.52.04.275-89,- Л.: Гидрометеоиздат, 1991.-80 с.

50. Справочник по климату СССР. Вып 24, 42. Ленинград.: Гидрометиздат, 1987

51. Справочник по климату СССР. Вып.24. Ч III . Ленинград.: Гидрометиздат, 1966

52. Справочник по проектированию электрических сетей. Под редакцией Д.Л.Файбисовича. М.:Изд-во НЦ ЭНАС, 2005 - 320 с. ил.

53. Справочник по проектированию электроэнергетических систем II Ершевич В.В., Зейлигер А.Н., Илларионов Г.А.; Под ред. С.С. Рокотяна, И.М. Шапиро. М.: Энергоатомиздат, 1985. - 352с.

54. Чистяков Г.Е., Ноговицын Д.Д. Состояние и перспективы использования гидроэнергетических ресурсов Якутии // Вопросы энергетики Якутской АССР, ЯФ СО АН СССР. Якутск, 1973. - С. 145-155

55. Чудинов Г.М., Попов Р.А., Чистяков Г.Е. Энергетические ресурсы Якутской АССР. Якутск, 1962. - С. 256

56. Энергетическое оборудование для использования нетрадиционных возобновляемых источников энергии / Под ред. В.И. Виссарионова. М.: «ВИЭН», 2004.-448 с.