автореферат диссертации по энергетике, 05.14.08, диссертация на тему:Разработка методики обоснования состава и параметров гибридных энергокомплексов для распределённых энергосистем

На правах рукописи

Васьков Алексей Геннадьевич

РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ОБОСНОВАНИЯ СОСТАВА И ПАРАМЕТРОВ ГИБРИДНЫХ ЭНЕРГОКОМПЛЕКСОВ ДЛЯ РАСПРЕДЕЛЁННЫХ

ЭНЕРГОСИСТЕМ 05.14.08 - Энергоустановки на основе возобновляемых видов энергии

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

ШіШ

005061и*«

Москва, 2013 г.

005061090

Работа выполнена на кафедре «Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии» Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Национальный исследовательский университет «МЭИ».

Научный руководитель:

Доктор технических наук, профессор кафедры «Нетрадиционные и возобновляемые источники энергий» ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ» Тягунов Михаил Георгиевич

Официальные оппоненты:

Доктор технических наук, профессор кафедры «Использование водной энергии» НИУ «МГСУ» Муравьев Олег Алексеевич

Кандидат технических наук, генеральный директор ЗАО НПО «Нетрадиционная электроэнергетика», технический директор Корпорации «Единый электроэнергетический комплекс» Перминов Эдуард Максимович

Ведущая организация:

ЗАО «Агентство по прогнозированию балансов в электроэнергетике»

Защита состоится «28»июня 2013 г. в аудитории Г-200 в 15 часов 00 минут на заседании диссертационного совета Д 212.157.03 при Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Национальный исследовательский университет «МЭИ» по адресу: Москва, ул. Красноказарменная, д. 17, 2 этаж, корпус «Г».

Отзывы и замечания на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью учреждения, просим присылать по адресу: 111250, Москва, ул. Красноказарменная, д. 14, Ученый Совет «НИУ «МЭИ».

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

Автореферат разослан « ру^й. 2013 г.

Председатель

диссертационного совета Д 212.157.03 доктор технических наук, профессор

Жуков В.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертационной работы.

Среди причин отставания России в развитии энергетики возобновляемых источников следует отметить ее малую конкурентоспособность при использовании в централизованно управляемой Единой энергетической системе (ЕЭС) России и трудность включения в существующую модель рынка электроэнергии и мощности.

В централизованной энергетической системе все источники энергии должны обеспечивать всем потребителям энергии, в зависимости от категории, гарантированное энергоснабжение. Основной задачей генерирующих объектов централизованной энергетики является обеспечение надежного и бесперебойного энергоснабжения эквивалентного не структурированного потребителя энергии, питающегося от энергетической (электрической, тепловой и т.д.) сети. От проектируемого источника энергии требуется выработка энергии в точном соответствии с графиком потребления энергии в заданном интервале времени. Иными словами, параметры генерирующей части системы выбираются исходя из потребностей потребителей с независимо выбранными структурой и параметрами.

Интенсификация развития возобновляемой энергетики в России может быть в значительной степени достигнута в том случае, если установки на основе возобновляемых источников энергии (ВИЭ) будут работать вне пределов ЕЭС, не подчиняясь существующим правилам ее функционирования.

Две трети территории России не имеют централизованного электроснабжения, а это означает, что обеспечить электроэнергией и теплом потребителей можно только с помощью распределённой энергетики. В связи с этим «Энергетическая стратегия России на период до 2030 года» определила развитие распределённой энергетики в качестве важнейшего направления развития энергетического сектора. Это значит, что возобновляемая энергетика должна в первую очередь развиваться в распределенных энергосистемах, которые охватывают более половины территории России. При этом возобновляемая энергетика будет улучшать экологическую обстановку в автономных энергосистемах Крайнего Севера и Дальнего Востока, работающих преимущественно на базе дизель-генераторных установок.

На сегодняшний день распределенная энергетика России — это около 50 тысяч различных электростанций (более 98% из них - дизельные) суммарной мощностью 17ГВт-—■ примерно 8% от установленной мощности всех электростанций страны. На малых станциях вырабатывается порядка 50 млрд. кВтч в год, что составляет примерно 5% от всего объема производимой в стране электроэнергии. Не трудно видеть, что с ростом цен на углеводородное и иное ископаемое топливо, экономическая эффективность установок на основе ВИЭ будет возрастать, особенно в удаленных и труднодоступных районах страны.

Можно достаточно смело предполагать, что установки на основе ВИЭ найдут достойное применение в распределенных энергетических системах, разработка которых с ноября 2010 года приобрела статус Технологической платформы.

К особенностям распределённых энергосистем следует отнести:

- несущественность потерь энергии в транспортной системе (электро-, тепло-и других линиях передачи энергии) в связи с незначительным расстояние между местом производства и потребления энергии;

- соизмеримость единичной мощности источников и потребителей энергии с мощностью энергосистемы;

- существенное взаимное влияние режимов работы элементов на устойчивость и надёжность работы энергосистемы.

Отмеченные особенности делают актуальным создание единой методики проектирования и экспертизы проектов распределённых энергосистем со значительной долей генерации на основе ВИЭ в части обоснования их структуры и параметров.

Цель диссертационной работы:

проведение исследования зависимости параметров гибридных энергетических комплексов (ГЭК) на основе ВИЭ от структуры потребителей распределенных энергосистем и разработка на их основе методики и прототипного программного обеспечения оптимизации структуры и параметров ГЭК.

Основные задачи исследований.

Для достижения поставленной цели в работе были сформулированы и решены следующие задачи:

1. Исследовать взаимозависимость параметров генераторов и потребителей распределенной энергосистемы с целью оценки эффективности использования в их составе энергоустановок на основе ВИЭ.

2. Создать единую методику и основанный на ней аппарат технико-экономического обоснования структуры и параметров ГЭК для выбора параметров источников и потребителей энергии ГЭК на различных стадиях проектирования

3. Провести вычислительные эксперименты, подтверждающие корректность и эффективность методики, разработанного на ее основе прототипного программного обеспечения при обосновании параметров конкретных проектируемых объектов.

Научная новизна работы.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. Экспериментально показана зависимость эффективности использования ВИЭ в составе распределённых энергосистем от внутренней структуры потребителей.

2. Разработана методика обоснования структуры и параметров ГЭК для распределённых энергосистем, включающего в свой состав малые гидроэнергетические установки, ветроэлектрические и солнечные энергоустановки, дизельные энергоустановки и регулируемых потребителей различного типа.

3. На основе разработанной методики созданы математические модели и прототипное программное обеспечение (ПО), предназначенное для использования в САПР ГЭК для распределённых энергосистем.

Основные положения, выносимые на защиту

На защиту автором выносятся следующие положения:

1. Результаты исследований зависимости эффективности использования ВИЭ в составе распределённых энергосистем от внутренней структуры потребителей

2. Методика обоснования структуры и параметров ГЭК для распределённых энергосистем, включающего в свой состав малые гидроэнергетические установки, ветроэлектрические и солнечные энергоустановки, дизельные энергоустановки и потребителей различного типа.

3. Алгоритм и структура разработанного прототипного программного обеспечения (ПО), предназначенного для использования в САПР ГЭК для распределённых энергосистем.

Достоверность полученных результатов обусловлена использованием известных апробированных методик моделирования отдельных элементов ГЭК, подтверждена сопоставлением полученных с использованием разработанной методики результатов с аналогичными результатами, полученными другими авторами.

Личный вклад автора заключается в следующем:

- проведен анализ существующих моделей элементов определения параметров энергоустановок на основе ВИЭ и разработана модель ГЭК с заданным составом элементов;

разработана программа проведения численных экспериментов, показывающих зависимость эффективности использования ВИЭ в составе распределённых энергосистем от внутренней структуры потребителей;

- проведены численные эксперименты, обработаны и обобщены их результаты, сформулированы выводы и предложения;

- разработана методика обоснования состава и параметров энергокомплекса, базирующаяся на хорошо изученных математических моделях элементов ГЭК, которые связаны между собой единым алгоритмом, позволяющим при необходимости изменять и модифицировать применяемые математические модели;

- создано прототипное программное обеспечение (элементы САПР ГЭК), имеющее модульную структуру и позволяющее автоматизировать процесс обоснования состава и параметров ГЭК на предпроектной стадии.

Практическая ценность работы состоит в возможности использования разработанной методики для определения параметров ГЭК на ранних стадиях проектирования. Методика использована при выполнении НИР «Разработка технологии обоснования параметров гибридных энергетических комплексов мощностью от 500 кВА на основе теплонасосных, дизельных, ветровых и гидравлических установок с новыми типами генераторов.» в рамках ФЦП (20112012 гг) и при составлении программы «Развития малой энергетики Сахалинской области на период до 2020 года».

Апробация работы.

Результаты выполненной работы докладывались и обсуждались на Всероссийских и международных конференциях: Шестнадцатая международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов «РАДИОТЕХНИКА, ЭЛЕКТРОТЕХНИКА И ЭНЕРГЕТИКА», X Всероссийская выставка научно-технического творчества молодежи НТТМ-2010 -II Международная научно-практическая конференция «Научно-техническое творчество молодежи - путь к обществу, основанному на знаниях», VII Всероссийской научно-молодежной

школы «Возобновляемые источники энергии» с международным участием, МГУ, Пятой международной Школы-семинара молодых ученых и специалистов «Энергосбережение - теория и практика», и других международных конференциях.

Публикации

По основным результатам диссертации опубликовано 11 печатных работ, в том числе 1 в рекомендованном ВАК России издании.

Объём и структура диссертационной работы

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 137 наименований, 3 приложений.

Работа изложена на 181 странице основного текста, содержит 35 рисунков, 21 таблицу, 12 страниц приложения.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В работе рассматриваются вопросы обоснования параметров гибридных энергетических комплексов на основе возобновляемых источников энергии, создаваемых для распределённых энергосистем. Основное внимание уделяется задаче исследования зависимости параметров гибридного энергетического комплекса от структуры потребителя, рассматривается применение потребителей-регуляторов и их оптимизация с целью повышения эффективности использования возобновляемых источников энергии.

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цель и задачи работы, приведены положения, выносимые на защиту, дана оценка новизны и практической значимости полученных результатов.

Первая глава «Обзор литературы и постановка задачи» включает обзор современного состояния распределённой энергетики Российской Федерации, в ней отмечена роль распределённой генерации в современной энергетике страны, приведены оценки распределения по территории страны доступного энергетического потенциала ВИЭ, дан обзор нормативно-правовых актов касательно развития распределённой энергетики в России.

На сегодняшний день распределенная энергетика России— это около 49 тысяч различных электростанций (более 98% из них дизельные) суммарной мощностью 17 ГВт— примерно 8% от установленной мощности всех электростанций страны. Если учесть приведенные данные, то средняя мощность электростанций распределённой энергетики составляет порядка 350 кВт, на них вырабатывается порядка 50 млрд. кВт/ч в год, что составляет примерно 5% от всего объема производимой в стране электроэнергии.

Сегодня в распределённой электроэнергетике преобладающими являются дизельные электростанции (ДЭС). Большое распространение получают дизельные элекгротепловые станции - когенерационные энергоустановки, обеспечивающие

комбинированную выработку электрической и тепловой энергии за счет «

I

комплексной утилизации тепловых потерь. В последнее время всё большее внимание, как во всем мире, так и в нашей стране, уделяется газодизельным и газопоршневым электростанциям, использующим в качестве топлива природный газ. При современных отпускных ценах на дизельное топливо и природный газ топливная составляющая стоимости электроэнергии для газодизельных электростанций в несколько раз меньше, чем у обычных ДЭС. Пока еще относительно скромное применение в распределённой энергетике находят газотурбинные электроустановки.

Наряду с этим Россия располагает большим потенциалом ВИЭ. Комплексное использование энергоустановок на основе ВИЭ, предназначенных для энергоснабжения автономных потребителей и локальных энергосистем распределённой энергетики, позволит решить следующие задачи:

- снижение антропогенной нагрузки на окружающую среду при удовлетворении растущего потребления энергии;

- повышение уровня энергетической безопасности;

- повышение энергоэффекгивности и снижения энергоемкости экономики;

- повышение надёжности энергоснабжения.

Гибридный энергетический комплекс (ГЭК) - техническая система, объединяющая в рамках единого технологического процесса генераторы электрической, тепловой и др. видов энергии различных типов, аккумуляторы энергии, средства коммутации и передачи энергии, а также активных потребителей.

Использование энергетических установок на основе ВИЭ в локальных энергосистемах затруднено отсутствием у них возможностей обеспечения гарантированного энергоснабжения, что лежит в основе модели управления традиционными энергосистемами - от проектируемого источника энергии требуется выработка энергии в точном соответствии с графиком потребления энергии в заданном интервале времени.

Преодоление этого затруднения обычно ищется в области создания аккумуляторов электроэнергии. Уже достаточно давно в литературных источниках упоминается идея о том, что эффективность использования изолированных энергоустановок на основе ВИЭ должна повышаться при использовании регулируемых нагрузок (водоподъём, помол зерна, дробление сухих кормов, отопление с применением тепловых аккумуляторов). Однако, количественных оценок повышения эффективности не приводится.

Важнейшим аспектом предлагаемого подхода к проектированию ГЭК распределённой энергетики является дифференциация потребителей энергии по типам; потребители гарантированного энергоснабжения (ПГЭ) и потребители-регуляторы (потребители энергии (ПЭ), балансирующие потребители -потребители свободной мощности (ПС)).

В работе поставлена задача проанализировать типовые структуры потребителей распределённых энергосистем, исследовать зависимости параметров ГЭК на основе ВИЭ от структуры потребителей распределенных энергосистем и

разработать на их основе методику и прототипное программное обеспечение оптимизации структуры и параметров ГЭК.

ino-rp — Атгэ + PjIP

Потребитель гарантированного энергоснабжения

Потребитель-регулятор

Дизельная энергоустановка (ДЭУ) -основной источник энергии; ВИЭ - дублирующий источник энергии, позволяющий снизить расход топлива на ДЭУ

Баланс мощности и энергии:

( ад = рпсо - лрпотц)

I ЭГ(ДТ) = ЭП(ДТ) — ЛЭпот(ДТ)

ВИЭ - основной источник энергии; ДЭУ - резервный источник энергии, включающийся в работу при длительных перерывах в работе ВИЭ, не предусмотренных свойствами ПР

Необходимо таким образом подобрать свойства ПР, чтобы его энергообеспечение можно было проводить в как можно большей степени за счёт ВИЭ

В связи со сказанным, актуальным является создание единой методики проектирования и экспертизы проектов распределённых энергосистем с установками на основе ВИЭ в части обоснования их структуры и параметров не только их генерирующей части, но и потребителя. Такая методика должна быть построена на основе математических моделей объектов (элементов) распределённых энергосистем и моделей координации их совместной работы.

Вторая глава посвящена выбору математических моделей элементов гибридного энергокомплеса:

- модель поступления первичного ресурса (валовой потенциал) для заданного места расположения энергокомплекса;

- модель определения технического потенциала первичной энергии;

- экономическая модель для определения экономических показателей ГЭК.

Математические модели прихода ресурсов ВИЭ (энергия ветра, солнца и малых рек) в заданной точке основаны на использовании баз данных, содержащих фактические данные наблюдений за метеорологическими параметрами. Ниже приведены алгоритмы математических моделей.

БД NASA SSE, Meteonorm, Справочник по климату

(ß,Y) -* opt

4Y = fiRh ß; у)

Рисунок 1 - Алгоритм работы ресурсной математической модели солнечной

энергетики

БД «Расписание погоды», «Погода России»

К] - Каі/Щ

■А)/

МС/> (1)

- коэффициенты открытости по ому румбу в точке А и на метеостанции (МС)

где КА] и КЖІ

УАІ = Кі ■ Умер (2)

V ООЖЛО = Оіг/кт, (3)

где УА) и УМС] - скорость ветра в точке А и на МС, к2 и Ъ^ - высота ВЭУ и флюгера на МС

С" КОНЕЦ~>

Рисунок 2 - Алгоритм работы ресурсной математической модели ветра

то, = 106 • йгу/ДГ , (4)

где т0) - модуль стока, Л - слой осадков за период времени ДТ, г\ - коэффициент стока

шшш

<?; = то;3103, (5)

где - площадь водосбора для .¡-ого створа реки

^валО'а'+і) = 9'81 ' ^О'У+і)' %;;'+« • (6)

где Н0;;Ч1) - напор между і и ]+1 створом

Рисунок 3 - Алгоритм работы ресурсной математической модели малой реки

Экономическая модель ГЭК, предназначенная для оценки основных показателей экономической эффективности проекта ГЭК, основана на «Методических рекомендациях по оценке эффективности инвестиционных проектов и их отбору для финансирования».

Описанные модели известны, подтвердили свою применимость и в наибольшей степени соответствуют целям исследования.

Третья глава посвящена разработке методики моделирования потребителя в распределённой энергосистеме. В ней проведена дифференциация потребителей по типам, в зависимости от их энергообеспеченности, приведена разработанная методика обоснования состава и параметров ГЭК, алгоритмы расчёта нормальных

режимов работы энергоустановок (математические модели потребителей), обеспечивающих энергией потребителя каждого из типов.

Потребители гарантированного энергоснабжения - потребители, работающие по заданному графику потребления мощности. Математическая модель ПГЭ представляется графиком потребления мощности (электрической, тепловой и т.д.), которая суммируется для нескольких ПГЭ.

Остальные потребители энергии отнесены к классу потребителей-регуляторов (ПР): типу потребителей электрической энергии или тепла, режим работы которых предусматривает возможность ограничения электропотребления или теплопотребления в часы максимума для выравнивания графика нагрузки энергетической системы или электростанции и увеличения нагрузки в часы минимума. Этот тип потребителей также разделен на два: потребителей энергии и

потребителей свободной мощности.

Потребители энергии (ПЭ) - тип потребителя, в состав которого технологически встроен накопитель энергии того или иного вида, например, баки-накопители воды в системе водоснабжения или горячей воды в системе отопления и горячего водоснабжения. Они потребляют энергию заданного количества в течение определенного интервала времени, причем график потребляемой ими мощности может быть поставлен в зависимость от графика поступления энергии от генератора, не имеющего гарантированной мощности. Математическая модель ПЭ представляет собой среднеинтервальное значение мощности потребления или значение потребляемой энергии за заданный интервал времени. Для потребителей этого типа задается интегральное ограничение по величине шггервальной выработки и ограничение по минимальной (технический минимум) и максимальной (установленная или плановая рабочая) мощности потребителей.

Потребители свободной мощности (ПС) или балансирующие потребители -это потребители, которые включаются при возникновении в энергосистеме избыточной (свободной) генерируемой мощности, т.е. мощности, превышающей потребление ПГЭ и ПЭ, и не работают остальное время. Важная особенность ПС заключается в том, что они являются потребителями, приносящими дополнительный доход собственнику ГЭК или собственнику его генерирующей части.

Таким образом, при наличии потребителей трёх указанных типов в составе ГЭК, баланс мощности и энергии энергосистемы разбивается на три составляющих.

Для потребителей гарантированного энергоснабжения, источником мощности для которых являются генераторы гарантированной мощности, а установки на базе ВИЭ являются дублирующей:

Ргэ(г:)+ЛРгэ(£) = Мгэ(с), (7)

Эгэ(ДТ) + ЛЭгэ(ДТ) = ЕА^гэСО ' Д* (8)

где = ДТ, (9)

где Ргэ(с) и 4Рга(0 - мощность потребителей гарантированного энергоснабжения и ее потери, Мгэ(0 - мощность генераторов гарантированного энергоснабжения, например, дизельных энергоустановок (ДЭУ).

Для потребителей энергии в течение интервала времени ДТ:

Ээ(ДТ) + ЛЭэ(ДТ) = 2Ж0 * ДС , Р^іі) > ЛГэСО > /^(е),

ГДі = дт

(10) (И) (12)

где - мощность установок, не имеющих гарантированной мощности,

например, установок на основе ВИЭ без аккумуляторов. Для потребителей свободной мощности:

где ЛГс(0 — свободная мощность, £N¡(1), ££¡(0» £ИР((0 - совокупная мощность и совокупные потери мощности всех генерирующих источников и всех

потребителей рассматриваемого ГЭК, ¡е{ГЭ; Э} - индекс типа потребителей ГЭК (гарантированного энергоснабжения и энергии), Рс(0 - мощность потребителей свободной мощности, включаемых при наличии избытка генерируемой ГЭК мощности.

Разработанная методика предназначена для оценки проектных параметров энергетического комплекса в составе ДЭУ, одного или двух источников энергии на основе ВИЭ (ветроэлектрические установки или солнечнее фотоэлектрические энергоустановки или малые гидроэнергетические установки), предназначенного для электроснабжения потребителей различных типов (ПГЭ, ПЭ и ПС), входящих в состав распределённой энергосистемы.

Оптимизация параметров энергокомплекса проводится методом перебора, а неформальные критерии учитываются методом имитационного моделирования. При обосновании структуры и параметров ГЭК возможны два варианта: проектирование генерирующей части существующей энергосистемы (внедрение в существующую распеделённую нергосистему энергоустановок на основе ВИЭ); проектирование генерирующей и потребляющей частей ГЭК совместно (создание нового ГЭК). В зависимости от этого меняются подходы к обоснованию структуры и параметров ГЭК:

При проектировании нового ГЭК (включающего в свой состав и потребителей и источники энергии) методика оптимизаций его структуры и параметров содержит следующие этапы:

на заданной территории в контрольных точках определить доступные ресурсы ВИЭ. В соответствии с моделью поступления первичного ресурса в заданной местности производится расчёт его значений во всех точках местности и выбор среди них наиболее целесообразной. Такое моделирование осуществляется для всего спектра возможных источников энергии (гидравлическая, ветровая, солнечная энергия);

для строительства нового ГЭК выбрать площадку, где имеется наибольший потенциал ВИЭ;

провести расчёты режима работы ГЭК для разных составов генерирующего оборудования и разных типов потребителей. Моделирование состава потребителей и их мощности производится с учетом требований к структуре и параметрам потребителей энергокомплекса, а также с учетом состава и параметров генерирующего и распределяющего оборудования энергокомплекса;

РсСО + лРсСО = АГеСО,

лш = т(о - ШІЇ-їаріЮ,

(13)

(14)

провести анализ принятых на предыдущих этапах решений и сопоставление их по заданному критерию эффективности (экономическому, надёжности энергоснабжения потребителя и др.).Оценить оптимальный состав ГЭК.

При внедрении в состав существующей распределённой энергосистемы энергоустановок на основе ВИЭ методика оптимизации его структуры и параметров содержит следующие этапы:

определение в заданной точке технического потенциала первичной энергии для всех возможных вариантов оборудования и выбор среди них наиболее соответствующего заданным критериям;

определить существующий состав потребителей распределённой энергосистемы;

провести расчёты режима работы ГЭК для разных составов оборудования; провести анализ принятых на предыдущих этапах решений и сопоставление их по заданному критерию эффективности (экономическому, надёжности энергоснабжения потребителя и др.). Оценить оптимальный состав генерирующего оборудования. Дать предложения по развитию потребителя (необходимости применения ПР).

Разработанные методики базируются на приведённых ниже алгоритмах. Исходными данными для расчёта являются:

- График нагрузки ПГЭ Pnr3(t); потребление энергии ПЭ Эпэ(А7"), ограничения по мощности P$n(t) и Яйа*К>; ограничения по мощности ПС P$n(t) и

- Графики выдачи мощности одиночными ВЭУ NB3y(t), ГЭУ Nv3y(t) и СЭУ

¿WO-

- At = 1 час.

Необходимо определить суммарные годовые энергетические показатели (выработка и потребление) элементов ГЭК для разных его составов.

В основе алгоритма расчёта режима работы ПГЭ лежит уравнение баланса мощности, то есть равенство генерируемой и потребляемой мощности в любой момент времени t:

РпохрСО = Nm3(t) - ДВД'СО + %>с(0 - ДЛ1д|2'(£), (15)

где t, ч - номер часа в году; Рпотр(0, кВт - средняя мощность потребителя за t-ый час; Nm3(t) и Nm(t), кВт - значения вырабатываемой энергоустановками мощности; ДЛЩ(0 и ДЛ^сЮ, кВт - значения потерь мощности, вырабатываемой энергоустановками на основе ВИЭ и ДЭУ.

В зависимости от соотношения мощностей энергоустановок на основе ВИЭ, ДЭУ и потребностей потребителя возможны следующие варианты:

1. РпотрФ < №"(0-ДЛГЙ"(0] - потенциально возможная суммарная мощность энергоустановок на основе ВИЭ (за вычетом потерь энергии на собственные нужды и потерь при передаче) превышает потребность в энергии

потребителя в данный момент времени, тогда: = ДМдес (t) = ДМд|сп0СТ'(£)

- все ДЭУ работают на холостом ходу, покрывая только собственные нужды ДЭС;

Мощность энергоустановок на основе ВИЭ ограничивается уровнем, необходимым потребителю, свободная энергия определяется как NCa (t) =

N? er.CO = AGraCO " " WO-

Так как, в состав энергетического комплекса входят два разнотипных источника энергии на основе ВИЭ, то необходимо произвести выбор между ними:

/ \ <31(0 <32(0

при этом возможны следующие варианты:

РпотрСО < Ж5(0 - - Энергоустановки на основе ВИЭ1

производят (с учётом потерь) больше, чем необходимо потребителю, поэтому ВИЭ2 необходимо отключить = 0 и, соответственно, ДЛ^эг(0 = 0, а

мощность ВИЭ 1 несколько снизить.

ЯпотрСО > Ж* (О - - Энергоустановки на основе ВИЭ1

производят (с учётом потерь) меньше энергии, чем необходимо потребителю, поэтому ВИЭ1 работают на максимально возможной мощности Л^^СО = ЛГЗЙЙЮ и = Д^виэхСО» а мощность ВИЭ2 необходимо несколько

снизить.

2. Рпотр(0 > [АЩЙ*(0 - Л^виз^М]' энергоустановки на основе ВИЭ не могут обеспечить всех потребностей потребителя. Соответственно необходима «добавка» мощности от ДЭУ, мощность которой (без учёта потерь) в первом приближении определяется следующим образом:

Л^'М - ДЯдРэс'(С) = РпотрСО - (ВДСО - ДАГвТэхт (16)

Так как существует ограничение на минимальную рабочую мощность ДЭУ, то возможны следующие варианты:

Кэс'ОО - ДЛ^эс'СО] > КЦ6стЫ - ДЭУ работает с мощностью, превышающей минимально допустимую. В этом случае ВИЭ работают на максимально возможной мощности АТ^СО = и ДЛГ^СО = ДЛ^^СО,

мощности Л^2(£) = в(1) и Д^2(0 = ДЩИ.

[Мдэс'И ~ л^дэс'М] < <ст1П - дэу должна работать с мощностью, меньшей, чем минимально допустимая. Необходимо снизить мощность энергоустановок на основе ВИЭ, чтобы увеличить до минимальной мощность ДЭУ.

В основе алгоритма расчёта режима работы ПЭ лежит уравнение баланса энергии за каждый расчётный интервал времени ДТ:

= Эпэ.виэ(^) + Эпэ.дэс

(АТ), (17)

Баланс энергии ПЭ выполняется за расчётный период времени АТ : Эпэ = ЭПЗ(ДГ) - необходимый ПЭ объём энергии за расчётный период времени АТ. Э' = 0 - значение потреблённой ПЭ энергии на начало интервала времени Г. I = I... г + ДГ - номер часа внутри расчётного периода времени АТ

В случае, если ПЭ передан не весь необходимый объём энергии Эпэ > Э' и свободная мощность меньше минимальной рабочей мощности ПЭ Л7СВ (с) < то

^виэ(£) = (с) - вся свободная мощность потребляется ПЭ

^дауСО = — Л^св (О - с помощью ДЭУ обеспечивается дефицит мощности

для ПЭ (добавка до Рщ^СО)

Э' = Э' + Рпэ™(0 " за ¡-й интервал времени ПЭ получил энергию,равную Япэ"(0 • Д£

^св (0 = 0 - в результате свободная энергия полностью потреблена

В случае, если ПЭ передан не весь необходимый объём энергии Эпэ > Э' и свободная мощность больше минимальной рабочей мощности ПЭ Ысв (г) > но меньше максимальной рабочей мощности ПЭ Ысв (О < /пэ"(£)> то = Мсв (с) - вся свободная мощность потребляется ПЭ Л/дЭЭу(0 = 0 - добавочная мощность от ДЭУ не требуется

Э' = Э' + Ысв (О - за ¿-й интервал времени ПЭ получил энергию, равную Ысв (с) • Дt

Л/сВ (О = 0 - в результате свободная энергия полностью потреблена

В случае, если ПЭ передан не весь необходимый объём энергии Эпэ > Э' и свободная мощность больше максимальной рабочей мощности ПЭ Ысв (г) > РпТЧО,™

^тэ(О = Рп"Г(0 ~ ПЭ может потребить только часть свободной мощности, соответствующую

ЛГдэу(с) = 0 - добавочная мощность от ДЭУ не требуется

Э' = Э' +РпТЧО - за ¡-й интервал времени ПЭ получил энергию, равную+Рпэад:(£) •

Л^св (0 = ЛГСВ (с) — Рпэ'"(£) - в результате свободная энергия потреблена частично, излишки могут обеспечить работу ПС

В случае, если ПЭ передан весь необходимый объём энергии Эпэ < Э' , то ^виэ(0 = 0 ) - ПЭ не может потреблять энергию Л/дэУ(0 = 0 - добавочная мощность от ДЭУ не требуется Э' = Э' +0

(О = Ысв (0 - вся свободная мощность должна быть либо ликвидирована (регулированием мощности энергоустановок или с помощью балластной нагрузки) или обеспечит работу ПС

I = I + 1 - рассмотрение следующего часа внутри расчётного периода ДТ.

Баланс мощности и энергии ПС формируется исходя из наличия свободной энергии, минимального и максимального ограничения рабочей мощности ПС.

В случае, если свободная мощность меньше минимальной рабочей мощности

ПС Мсв (О < РпТСО, то

= 0 - свободная мощность не может быть использована ПС Л?дэу(0 = 0 - для работы ПС мощность от ДЭУ не требуется Мсв (0 = Мсв (0 - вся свободная мощность должна быть ликвидирована (регулированием мощности энергоустановок или с помощью балластной нагрузки)

В случае, если свободная мощность больше минимальной рабочей мощности ПС Ыса (О > Рпр'ЧО и меньше максимальной рабочей мощности ПС Мсв(0< 0,то

^виэСО = ^св СО - ПС может потребить всю свободную мощность МдэуСО = 0 - для работы ПС мощность от ДЭУ не требуется А?свСО = 0-в результате свободная энергия полностью потреблена

В случае, если свободная мощность больше максимальной рабочей мощности ПС Ысв СО > РпТЧО. то

^виэСО = Рщ>ах (0 _ ПС может потребить только часть свободной мощности, соответствующую Р™рах(0

Л/дэу(0 = 0 - для работы ПС мощность от ДЭУ не требуется Ысв СО = Мсв СО — Рпт>ах (0 - в результате свободная энергия потреблена частично, излишки должны быть ликвидированы (регулированием мощности энергоустановок или с помощью балластной нагрузки)

Выходными данными работы приведённых алгоритмов расчёта режима работы ГЭК являются:

- среднечасовые данные о режиме работы ГЭК;

- значения месячной и годовой выработки ДЭУ (суммарной и по составляющим -ПГЭ, ПЭ);

- значения месячной и годовой выработки энергоустановок на основе ВИЭ (суммарной и по составляющим - ПГЭ, ПЭ);

- значения свободной энергии;

- значения суммарного расхода топлива, число часов работы ПС.

- для каждого варианта состава ГЭК определяются основные экономические параметры.

На основе разработанной методики автором создано прототипное программное обеспечение, построенное по модульному принципу (аддитивная модель), что позволяет при необходимости безболезненно заменять математические модели элементов ГЭК.

В четвертой главе «Анализ результатов экспериментов. Выводы» описаны проведённые численные эксперименты, доказывающие эффективность предложенного в диссертационной работе подхода, сделан анализ полученных результатов и общие выводы.

Проектирование нового ГЭК рассмотрено на примере сельскохозяйственного посёлка, расположенного вблизи города Дербент (Республика Дагестан). В посёлке предполагаются следующие потребители: жилые дома- 500 шт.; школа - 1 шт.; административное здание - 1 шт.; животноводческая ферма на 500 голов крупного рогатого скота; линия по производству пеллет из соломы; посёлок обеспечивается водой системой водоснабжения с водонапорной башней, бак-резервуар которой позволяет аккумулировать необходимый объём воды на период до 24 часов; в системе теплоснабжения имеются баки-аккумуляторы, с возможностью аккумуляции необходимого количества теплоты на период до 24 часов.

Система водоснабжения посёлка характеризуется графиком потребления воды, который определялся исходя из состава водопотребителей посёлка и нормативных показателей расхода воды.

Проведена оптимизация ПЭ - выбран оптимальный объём резервуара водонапорной башни №о6щ, позволяющий максимально эффективно использовать ВИЭ. Зависимость выработки дизельной энергоустановки от объёма резервуара водонапорной башни приведена на рис. 4. Анализ результатов расчёта показывает, что доля ДЭУ в годовой выработке энергии ГЭК достигает минимального значения при расчётном периоде ДТ = 24 часа (Ж0бщ « З50м3). Дальнейшее увеличение объёма резервуара водонапорной башни (увеличение его аккумулирующей способности) практически не приводит к повышению эффективности использования ВИЭ.

=0-8

ж,

1 I

......* ' ВыработигДО'/ и.Свободная

150 X РУ

1Сю 1М дт, час 1350 у,', куВл!

вмработча ДГУ

------------------

...........7

100 «о дт.чяс 1350 V/,

Рисунок 4 - Зависимость выработки ДЭУ от объёма резервуара водонапорной башни

Показаны допустимые области значений выработки доли ДЭУ в годовой выработке энергии ГЭК при изменении доли ПГЭ от 100% до 0% для разных составов генерирующей части ГЭК (см. рис. 5). Из графиков видно, что пропорционально доле ПГЭ в составе ГЭК уменьшается доля ДЭУ в годовой выработке энергии ГЭК.

Допущения:

энергоустановки на основе ВИЭ гарантированно обеспечены

ресурсами;

изменение годовой выработки ДЭУ показано при неограниченном изменении внутренней структуры потребителя для разных соотношений установленной

мощности ВИЭ и ДЭУ.

100

Доз»ПГЭ»ПЭК,«

Рисунок 5 - Зависимость выработки ДЭУ от структуры потребителя

Введение в состав ГЭК ПС повышает эффективность использования ВИЭ, благодаря эффективному использованию свободной энергии, генерируемой в процессе работы генераторов на основе ВИЭ. В отличие от традиционно применяемых для этой цели различных типов аккумуляторов, которые являются достаточно дорогими, применение ПС позволяет осуществлять полезную работу по выпуску продукции (например, с использованием линии по производству топливных пеллет). Путём внедрения в состав распределённой энергосистемы новых ПС, что приводит к соответствующему увеличению капитальных затрат, возможно увеличить долю ВИЭ в энергобалансе и уменьшить срок окупаемости проекта распределённой энергосистемы в целом за счёт реализации продукции, производимой на ПС. Включение в состав ГЭК ПС позволяет увеличить коэффициент использования располагаемых возобновляемых ресурсов за счет повышения Киум- На рисунке 6 показан эффект от применения потребителей свободной мощности - при добавлении сверх заданных потребителей одной или двух автоматизированных линий по производству топливных пеллет.

Оптимизация параметров энергоустановок на основе ВИЭ в существующей распределённой энергосистеме рассмотрена на примере объекта в Сахалинская область.

С использованием ресурсных моделей, описанных в главе 2, была проведена оценка ветроэнергетического потенциала, гидроэнергетического потенциала малых рек, потенциала солнечной энергии. Показано, что в данной точке из числа ВИЭ целесообразно использование только энергии ветра. Для различных составов ветро-дизельного комплекса были рассчитаны основные технико-экономические показатели. На рисунке 7 показано изменение дисконтированных затрат во времени для существующей системы энергоснабжения, основанной на ДЭУ, и ГЭК на основе ветро-дизельного комплекса оптимального (по критерию минимальных дисконтированных затрат) состава.

Учёт в структуре ГЭК 10% ПЭ (системы водоснабжения и отопления) позволяет снизить расход топлива на -20% по сравнению с расходом топлива ГЭК, у которого все потребители относятся к ПГЭ, что приводит к пропорциональному снижению себестоимости электроэнергии (см. табл. 1).

Э,МВтч/год

зою —..............—...............———

*Э"е ртшпитиг-

2000 -|-ХШг-----И|Д- Д-

1000 -НШ'ЯШ'-'вМК

оЛниянднн.

о 1 г

Количвс*« линий производства

Рисунок 6 - Эффект от применения потребителей свободной мощности

ЧДД, млн.руб 150

■--2 линии производства

1 линии производства -О линий производства

С, лет

Зд, млн.руб

200 -|-

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

I, лет

Рисунок 7- Изменение дисконтированных затрат во времени

Таблица 1 - Снижение себестоимости электроэнергии при использовании ВИЭ

№ п/п Локальная энергетическая система Годовое потребление электроэнергии, тыс.кВтч Дисконтированные затраты, млн.руб Себестоимость электрэнергии, руб/кВтч

без ВИЭ с ВИЭ без ВИЭ с ВИЭ

1 с. Новиково 2498 181,449 168,229 14,17 10,78

2 с. Новиково 90% - ПГЭ 10%-ПЭ 2498 - - 13,33 9,95

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Анализ современного состояния распределённой энергетики показал, что распределённые энергосистемы являются наиболее перспективными объектами использования энергоустановок на основе ВИЭ. Использование потенциала ВИЭ позволяет преодолеть недостатки распределённых энергосистем, связанные с удалённостью и транспортной труднодоступностью многих регионов страны и вызванной этими факторами дороговизной производимой на местах энергией, а также негативное экологическое влияние генерирующих объектов (прежде всего -дизельных генераторов).

2. Анализ доступных математических моделей поступления ресурсов различных видов ВИЭ (гидроэнергия, солнечная и ветровая энергия), математических моделей энергоустановок на основе ВИЭ, позволил построить математическую модель ГЭК на основе известных моделей его элементов. Построенная модели послужила основой для разработки методики обоснования структуры и параметров ГЭК, позволяющая осуществлять согласованный выбор типа и параметров генераторов и потребителей.

3. Разработанная методика реализована в виде прототипного программного обеспечения подсистемы технико-экономического обоснования параметров проектируемых объектов САПР ГЭК. Прототипное программное обеспечение построено по модульному принципу и включает полный комплект математических моделей элементов ГЭК, что позволяет при необходимости

модернизировать и заменять математические модели элементов ГЭК, не затрагивая математические модели других элементов.

4. Анализ состава типовых потребителей показал, что их можно разделить на три типа (ПГЭ, ПЭ и ПС) в зависимости от степени их энергообеспеченности. Показано, что высокая зависимость параметров и режимов генерирующих энергоустановок и потребителей ГЭК делает необходимым проводить выбор их оптимальных параметров совместно, т.е. в едином контуре оптимизации. Необходимость выбора параметров генераторов и потребителей ГЭК на различных стадиях проектирования требует создания единой методики и основанного на ней аппарата технико-экономического обоснования структуры и параметров ГЭК,

5. Анализ результатов численных экспериментов по моделированию выбранных систем энергоснабжения показал эффективность предложенных подходов оптимизации ГЭК. Использование баков-аккумуляторов проектируемых совместно потребителей (систем водо- и теплоснабжения) позволяет существенно увеличить долю ВИЭ в энергобалансе энергосистемы. Показано, что с ростом числа потребителей-регуляторов (потребителей энергии и потребителей свободной мощности) и соответствующим снижением суммарной гарантированной мощности потребителей электроэнергии эффективность использования установок на основе ВИЭ повышается в 2-2,5 раза (с 20-25% до 40-60%).

6. Вычислительные эксперименты, проведенные при оценке технико-экономических показателей проектируемых объектов в Сахалинской области, подтвердили сделанные при разработке методики предположения и корректность использованных моделей.

Основные положения диссертации отражены в следующих публикациях:

1. Тягунов М. Г., Афонин В. С., Васьков А. Г., Дерюгина Г. В., Шестопалова Т. А. Системные свойства гибридных энергокомплексов на основе возобновляемых источников энергии // "Энергобезопасность и энергосбережение" - №2 (44) - М., МИЭЭ, 2012 г. - С.20-27.

2. Васьков А.Г., Тягунов М.Г. Распределенные системы энергоснабжения на основе гибридных энергокомплексов с установками возобновляемой энергетики //Новое в российской электроэнергетике, 2013, № 4, с.6-11

3. Васьков А. Г., Шестопалова Т. А. Проблема информационного обеспечения гелиоэнергетических расчётов // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика: Пятнадцатая Междунар. науч.-техн. конф. студентов и аспирантов: Тез. докл. Т.З. - М.: Издательский дом МЭИ, 2009. С.350-351.

4. Васьков А. Г., Мисриханов М. Ш. Моделирование обтекания холма потоком ветра в программе WASP // Научно-техническое творчество молодежи - путь к обществу, основанному на знаниях: сб. докладов III Международной научно-практической конференции (Москва, 28 июня - 1 июля 2011 г.) ГОУ ВПО Моск. гос. строит.ун-т. - М.: МГСУ, 2011. С.460-462.

5. Васьков А. Г., Шестопалова Т. А. Обзор методов прогнозирования речного стока // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика: Восемнадцатая Междунар. науч.-техн. конф. студентов и аспирантов: Тез. докл. Т.З. - М.: Издательский дом МЭИ, 2012. С.382-384.

6. Васъков А. Г. Особенности проектирования энергокомплексов на базе возобновляемых источников энергии в распределённых энергосистемах // Научно-техническое творчество молодёжи - путь к обществу, основанному на знаниях: сборник докладов IV Международной научно-практической конференции - Москва: МГСУ, 2012. - С. 472-474.

7. Васьков А.Г., Тягунов М.Г., Шестопапова Т.А. Особенности использования малых ГЭС в распределённых энергосистемах // Труды Второй Всероссийской научно-практической конференции «Повышение надёжности и эффективности эксплуатации электрических станций и энергетических систем - ЭНЕРГО-12» (Москва, 4-6 июня 2012 г.). - М.: Издательский дом МЭИ, 2012. - С.350-353.

8. Васьков А. Г., Дерюгина Г. В., Чернов Д. А. Моделирование вертикального профиля ветра по данным аэрологических метеостанций России // Энергосбережение - теория и практика: труды Шестой Международной школы-семинара молодых учёных и специалистов (2012 г., Москва). - М.: Издательский дом МЭИ, 2012. - С. 301-305.

9. Васьков А. Г. Тягунов М. Г. Дифференциация потребителей при моделировании гибридных энергокомплексов // Ресурсо-энергосбережение и эколого-энергетическая безопасность промышленных городов: Четвертая Всероссийская научно-практическая конференция, г. Волжский, 25-28 сентября 2012 г. / Сборник материалов конференции. - Волжский: Филиал МЭИ в г. Волжском, 2012. - С.139-143.

10. Васьков А. Г. Тягунов М. Г. Особенности проектирования гибридных энергокомплексов для малых распределённых энергетических систем // Федоровские чтения - 2012. ХЫ1 Всероссийская научно-практическая конференция (с международным участием) с элементами научной школы для молодежи (Москва, 7-9 ноября 2012 г.). - М.: Издательский дом МЭИ, 2012. - С. 137-139.

11. Свидетельство о государственной регистрации базы данных №2012620870. Специализированная база данных «Вертикальный профиль ветра» / Васьков А.Г., Дерюгина Г.В., Тягунов М.Г., Чернов Д.А.; заявитель Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Национальный исследовательский университет «МЭИ» - №2012620664 ; заявл. 28.06.2012;опубл. 28.08.2012.

Подписано в печать 4 А 08- Зак. Тир. /<00 П.л.

Полиграфический центр МЭИ Красноказарменная ул., д. 13

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

04201358013 На правах рукописи

(Уо^еА vc¿> (о

Васьков Алексей Геннадьевич

РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ОБОСНОВАНИЯ СОСТАВА И ПАРАМЕТРОВ ГИБРИДНЫХ ЭНЕРГОКОМПЛЕКСОВ ДЛЯ

РАСПРЕДЕЛЁННЫХ ЭНЕРГОСИСТЕМ I

05.14.08 - Энергоустановки на основе возобновляемых видов энергии

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель доктор технических наук, профессор

Тягунов М.Г.

Москва, 2013 г.

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ ..........................................................................................................................................5

1 ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

1.1 Современное состояние распределённой энергетики в России..................14

1.2 Роль развития распределённой энергетики в России ..................................17

1.2.1 Энергетическая безопасность и распределённая энергетика....................17 I

1.2.2 Энергетические установки распределённой энергетики современной 1 России ............................................................................................................................................................20

1.2.3 Потенциал использования установок на основе возобновляемых источников энергии в распределенных энергосистемах ..................................24

1.3 Особенности распределённых энергосистем ..................................................30

1.4 Гибридные энергокомплексы ................................................................................................34

1.4.1 Понятие гибридного энергокомплекса и состав его элементов ... 34

1.5 Примеры гибридных энергокомплексов ..................................................................38

1.6 Обзор нормативно-правовых актов, определяющих развитие распределенной энергетики ................................................................................................................41

1.7 Постановка задачи ..............................................................................................................................44

2 МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ГИБРИДНОГО ЭНЕРГОКОМПЛЕСА

2.1. Общие положения..............................................................................................................................49

2.2 Построение ресурсных моделей ГЭК ..............................................................................52

2.2.1 Ресурсная модель ветроэлектрической установки ....................................52

2.2.1.1 Моделирование скорости ветра на площадке ГЭК по данным МС аналога ............................................................................................................................................................59

2.2.1.2 Моделирование вертикального профиля ветра на площадке ГЭК 60

2.2.2 Ресурсная модель гидроэнергетической установки ....................................63

2.2.3 Ресурсная модель солнечной фотоэлектрической установки....................74

2.2.4 Ресурсная модель дизельной энергоустановки ....................................................79

2.3 Построение технических моделей элементов ГЭК ....................................79

2.3.1 Техническая модель ветроэлектрической установки ....................................79

2.3.2 Техническая модель гидроэнергетической установки ....................................81

2.3.3 Техническая модель солнечной фотоэлектрической установки ... 84

2.3.4 Техническая модель дизельной энергоустановки ....................................86

2.3.5 Техническая модель потребителей энергии ......................................................86

2.4 Построение организационных моделей гибридных энергокомплексов 87

2.5 Технико-экономическое обоснование ГЭК ..................................................................87

2.6 методы оптимизации структуры и параметров ГЭК ....................................90

3 МОДЕЛИРОВАНИЕ ПОТРЕБИТЕЛЯ В РАСПРЕДЕЛЁННОЙ ЭНЕРГОСИСТЕМЕ

3.1 Постановка задачи ..............................................................................................................................94

3.2 Дифференциация потребителей................................................................................................96

3.3 Математическое моделирование потребителя ....................................................100

3.4 Определение экономических параметров гэк ..................................................113

4 АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ ЭКСПЕРИМЕНТОВ. ВЫВОДЫ

4.1 Постановка задачи ..............................................................................................................................117

4.2 Описание разработанных прототипов элементов САПР....................................117

4.3 Система водоснабжения как потребитель энергии ....................................122

4.4 Влияние внутренней структуры потребителя на энергетические показатели работы ГЭК ................................................................................................................................................137

4.5 Внедрение энергоустановок на основе ВИЭ в существующую распределённую энергосистему ....................................................................................................145

4.5.1 Описание потребителей исследуемого объекта ......................................................145

4.5.2 Описание численных экспериментов ......................................................................149

4.5.3 Моделирование ресурсов ВИЭ в точке с. Новиково ........................................151

4.5.3.1 Моделирование ресурсов солнечной энергии ......................................................151

4.5.3.2 Моделирование ресурсов гидравлической энергии ......................................152

4.5.3.3 Моделирование ресурсов ветровой энергии ......................................................153

4.5.3.4 Результаты моделирования ресурсов возобновляемых источников

энергии в точке с. Новиково ..................................................................................................................156

4.5.4 Результаты моделирования ГЭК с. Новикове ......................................................157

4.6 Выводы, результаты, предложения ....................................................................................161

ЗАКЛЮЧЕНИЕ ................................................................................................................................................163

ЛИТЕРАТУРА ................................................................................................................................................166

ПРИЛОЖЕНИЯ

Приложение 1 ..................................................................................................................................................183

Приложение 2 ........................................................................................................................................................188

Приложение 3 ..................................................................................................................................................189

ВВЕДЕНИЕ

Среди основных причин отставания России в развитии энергетики возобновляемых источников следует отметить высокую степень централизации управления производством, транспортом и распределением электрической и тепловой энергии, связанную с этим модель рынка электроэнергии и мощности в Единой энергетической системе (ЕЭС) России.

В централизованной энергетической системе все источники энергии должны обеспечивать всем потребителям энергии, в зависимости от категории, гарантированное энергоснабжение.

Основной задачей генерирующих объектов централизованной энергетики является обеспечение надежного и бесперебойного энергоснабжения эквивалентного не структурированного потребителя энергии, питающегося от энергетической (электрической, тепловой и т.д.) сети. От проектируемого источника энергии требуется выработка энергии в точном соответствии с графиком потребления энергии в заданном интервале времени. Иными словами, параметры генерирующей части системы выбираются исходя из потребностей потребителей, структура и параметры которых не зависят от их энергообеспеченности.

Интенсификация развития возобновляемой энергетики в России может быть в значительной степени достигнута в том случае, если установки на основе ВИЭ будут работать вне пределов ЕЭС, не подчиняясь существующим правилам ее функционирования.

Две трети территории России не имеют централизованного электроснабжения, а это означает, что обеспечить электроэнергией и теплом потребителей можно только с помощью малой энергетики. В связи с этим «Энергетическая стратегия России на период до 2030 года» определила развитие малой распределённой энергетики в качестве важнейшего направления развития энергетического сектора. Это значит, что возобновляемая

энергетика должна в первую очередь развиваться в распределенных энергосистемах, которые охватывают более половины территории России. При этом возобновляемая энергетика будет улучшать экологическую обстановку в автономных энергосистемах Крайнего Севера и Дальнего Востока, работающих преимущественно на базе дизель-генераторных установок.

Актуальность темы диссертационной работы

На сегодняшний день распределенная энергетика России— это около 50 тысяч различных электростанций (более 98% из них - дизельные) суммарной мощностью 17ГВт— примерно 8% от установленной мощности всех электростанций страны. На малых станциях вырабатывается порядка 50 млрд. кВтч в год, что составляет примерно 5% от всего объема производимой в стране электроэнергии [1]. Не трудно понять, что с ростом цен на углеводородное и иное ископаемое топливо, экономическая эффективность установок на основе ВИЭ будет возрастать, особенно в удаленных и труднодоступных районах страны.

Немаловажным является соблюдение критериев качества электроэнергии и устойчивости режима электроэнергетической системы, обеспеченной системным резервом мощности. Для разных систем этот предел, в который могут «вписываться» установки ВИЭ, составляет (10-15)%, хотя по оценкам российских специалистов он может быть и большим [2-4].

Можно достаточно смело предполагать, что установки на основе ВИЭ найдут достойное применение в распределенных энергетических системах, разработка которых с ноября 2010 года приобрела статус Технологической платформы.

К особенностям малых распределённых энергосистем следует отнести:

- несущественность потерь энергии в транспортной системе (электро-, тепло- и других линиях передачи энергии) в связи с незначительным расстояние между местом производства и потребления энергии;

- соизмеримость единичной мощности источников и потребителей энергии с мощностью энергосистемы;

- существенное взаимное влияние режимов работы элементов на устойчивость и надёжность работы энергосистемы.

Отмеченные особенности делают актуальным создание единой методики проектирования и экспертизы проектов распределённых энергосистем в части обоснования их структуры и параметров.

Целью диссертационной работы является проведение исследования зависимости параметров гибридных энергетических комплексов (ГЭК) на основе ВИЭ от структуры потребителей распределенных энергосистем и разработка на их основе методики и прототипного программного обеспечения оптимизации структуры и параметров ГЭК.

Для создания типовых решений энергетических комплексов, объединяющих в себе объекты извлечения первичной энергии, генерации, концентрации, передачи, аккумуляции, распределения и эффективного потребления энергии, требуется решить ряд научных и инженерных задач по созданию отдельных промышленных энергетических установок малой и средней мощности, определить оптимальные структуру и параметры гибридных энергетических комплексов (ГЭК), объединяющих работу всех указанных выше элементов и осуществляющих управление процессами в создаваемых на их основе малых распределенных энергосистемах.

Основная задача предпроектной проработки состоит в определении рациональной структуры и параметров ГЭК, имея в виду не только генерирующие источники, но и все элементы локальной энергосистемы.

Однако использование энергетических установок на основе ВИЭ в малых энергосистемах затруднено отсутствием у них возможностей обеспечения гарантированного энергоснабжения, что лежит в основе модели управления традиционными энергосистемами. Преодоление этого затруднения обычно ищется в области создания аккумуляторов электроэнергии, устанавливаемых в

узлах генерации. В работе обращается большее внимание на развитие структуры потребителей электроэнергии, как одного из равноправных участников системы электроснабжения, и, как следствие, на формировании нового подхода к проектированию малых распределенных энергосистем: создания гибридных энергетических комплексов, включающих в себя элементы генерации, аккумуляции, передачи, распределения и регулируемого потребления электроэнергии.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие основные задачи:

1. Исследовать взаимозависимость параметров генераторов и потребителей распределенной энергосистемы с целью оценки эффективности использования в их составе энергоустановок на основе ВИЭ.

2. Создать единую методику и основанный на ней аппарат технико-экономического обоснования структуры и параметров ГЭК для выбора параметров источников и потребителей энергии ГЭК на различных стадиях проектирования

3. Провести вычислительные эксперименты, подтверждающие корректность и эффективность методики, разработанного на ее основе прототипного программного обеспечения при обосновании параметров конкретных проектируемых объектов.

Методы и средства выполнения исследований

В исследовании применялись известные методы математического моделирования, методы планирования численного эксперимента и методы финансово-экономической оценки проекта.

Научная новизна работы

Научная новизна работы заключена в следующих позициях:

1. Экспериментально показана зависимость эффективности использования ВИЭ в составе распределённых энергосистем от внутренней структуры потребителей.

2. Разработана методика обоснования структуры и параметров ГЭК для распределённых энергосистем, включающего в свой состав малые гидроэнергетические установки, ветроэлектрические и солнечные энергоустановки, дизельные энергоустановки и регулируемых потребителей различного типа.

3. На основе разработанной методики созданы математические модели и прототипное программное обеспечение (ПО), предназначенное для использования в САПР ГЭК для распределённых энергосистем.

Достоверность полученных результатов обусловлена использованием известных апробированных методик моделирования отдельных элементов ГЭК, подтверждена сопоставлением полученных с использованием разработанной методики результатов с аналогичными результатами, полученными другими авторами.

Практическая ценность работы состоит в возможности использования разработанной методики для определения параметров ГЭК на ранних стадиях проектирования. Методика использована при выполнении НИР «Разработка технологии обоснования параметров гибридных энергетических комплексов мощностью от 500 кВА на основе теплонасосных, дизельных, ветровых и гидравлических установок с новыми типами генераторов.» в рамках ФЦП (2011-2012 гг) и при составлении программы «Развития малой энергетики Сахалинской области на период до 2020 года».

Личный вклад автора заключается в следующем:

- проведен анализ существующих моделей элементов определения параметров энергоустановок на основе ВИЭ и разработана модель ГЭК с заданным составом элементов;

- разработана программа проведения численных экспериментов, показывающих зависимость эффективности использования ВИЭ в составе распределённых энергосистем от внутренней структуры потребителей;

- проведены численные эксперименты, обработаны и обобщены их результаты, сформулированы выводы и предложения;

разработана методика обоснования состава и параметров энергокомплекса, базирующаяся на хорошо изученных математических моделях элементов ГЭК, которые связаны между собой единым алгоритмом, позволяющим при необходимости изменять и модифицировать применяемые математические модели;

- создано прототипное программное обеспечение (элементы САПР ГЭК), имеющее модульную структуру и позволяющее автоматизировать процесс обоснования состава и параметров ГЭК на предпроектной стадии.

Апробация работы. Результаты выполненной работы докладывались и обсуждались на Всероссийских и международных конференциях: Шестнадцатая международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов «РАДИОТЕХНИКА, ЭЛЕКТРОТЕХНИКА И ЭНЕРГЕТИКА», X Всероссийская выставка научно-технического творчества молодежи НТТМ-2010 -II Международная научно-практическая конференция «Научно-техническое творчество молодежи - путь к обществу, основанному на знаниях», VII Всероссийской научно-молодежной школы «Возобновляемые источники энергии» с международным участием, МГУ, Пятой международной Школы-семинара молодых ученых и специалистов «Энергосбережение -теория и практика», и других международных конференциях.

Публикации

По основным результатам диссертации опубликовано 11 печатных работ, в том числе 1 в рекомендованном ВАК России издании.

Объём и структура диссертационной работы

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 137 наименований, 3 приложения

Работа изложена на 181 странице основного текста, содержит 35 рисунков, 21 таблицу, 12 страниц приложения.

Основные положения, выносимые на защиту

На защиту автором выносятся следующие положения:

1. Результаты исследований зависимости эффективности использования ВИЭ в составе распределённых энергосистем от внутренней структуры потребителей

2. Методика обоснования структуры и параметров ГЭК для распределённых энергосистем, включающего в свой состав малые гидроэнергетические установки, ветроэлектрические и солнечные энергоустановки, дизельные энергоустановки и потребителей различного типа.

3. Алгоритм