автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Разработка методики повышения надежности электроснабжения отдаленных поселений за счет ветроэнергетики

На правах рукописи

005001916

ГРОЗНЫХ ВАДИМ АЛЕКСЕЕВИЧ

РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ПОВЫШЕНИЯ НАДЕЖНОСТИ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ОТДАЛЕННЫХ ПОСЕЛЕНИЙ ЗА СЧЕТ ВЕТРОЭНЕРГЕТИКИ (НА ПРИМЕРЕ АСТРАХАНСКОЙ ОБЛАСТИ)

Специальность 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы

2 4 НОЯ 2011

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2011

005001916

Работа выполнена на кафедре Электроснабжение промышленных предприятий Нацрюнального исследовательского университета "МЭИ".

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Кудрин Борис Иванович

Официальные оппоненты:

диктор технических наук Безруких Павел Павлович

кандидат технических наук Ведущее предприятие:

Краснова Анна Николаевна

ЗАО «Агентство по прогнозированию балансов в электроэнергетике», г. Москва

Защита диссертации состоится «16» декабря 2011 г. в аудитории М-611 в 14 час. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.157.02 при Национальном исследовательском университете "МЭИ" по адресу: ул. Красноказарменная, д. 13.

Отзывы на автореферат (в двух экземплярах, заверенных печатью организации) просим направлять по адресу: 111250, г. Москва, ул. Красноказарменная, д. 14, Ученый Совет Национального исследовательского университета "МЭИ".

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Национального исследовательского университета "МЭИ".

Автореферат разослан «15» ноября 2011г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.157.02 кандидат технических наук, доцент

Цырук С.А.

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Задачи удовлетворения существующей и будущей потребности населения и промышленности России в электрической и тепловой энергии связаны с ограниченными запасами органических ископаемых и требованиями экологии, что приводит к необходимости использования возобновляемых источников энергии (ВИЭ). Практически наиболее значимым и освоенным в мире видом ВИЭ является ветровая энергия, которая не только используется в более широких масштабах, чем остальные возобновляемые виды энергии, но и имеет большие перспективы развития в ближайшие десятилетия. Россия обладает огромным потенциалом ветровой энергии, но по установленной мощности ветроэнергетических установок (ВЭУ) отстает не только от ведущих промышленно развитых стран, но и от большинства развивающихся стран. Установленная мощность ветроэлектростанций (ВЭС) России на начало 2011 г., равная 15,4 МВт, в 2900, 2600, 1750, 1350, 850 раз ниже, чем в Китае, США, Германии, Испании, Индии соответственно. Это положение является тем более нетерпимым, если вспомнить, что в тридцатые годы XX века Россия являлась мировым лидером ветроэнергетики.

Особенностью современного состояния разработок и практического использования ВИЭ, в общем случае, является более высокая стоимость получаемой тепловой и электрической энергии по сравнению с традиционными источниками, хотя стоимость ВЭУ непрерывно падает. В России существуют обширные территории, где по экономическим и экологическим условиям целесообразно приоритетное развитие возобновляемой энергетики и в том числе ветроэнергетики. В этой связи актуализируется исследование проблем развития ветроэнергетики в Российской Федерации. Важно определение места и роли государства в решении возникающих научно-технических, производственных и социально-экономических задач внедрения ВИЭ.

Причина интереса к использованию энергии ветра лежит, прежде всего, в стремлении расширить виды используемых энергетических ресурсов в связи с быстрым ростом потребления энергии. Для условий России важно и то, что энергетика сельского хозяйства не может полностью базироваться на присоединении сельских потребителей к сетям электрических систем, а должна использовать так же местные энергоресурсы. Свыше 60% территории страны в настоящий момент не обеспечено централизованным электроснабжением. Ввод объектов генерации на основе ВИЭ является одним из способов решения проблемы электрификации страны.

Возрастающий интерес к энергетическим ресурсам связан также с глобальным потеплением и последствиями парникового эффекта. Сегодня происходит осознание, что запасы ископаемого топлива ограничены, и их использование ведет к загрязнению окружающей среды. В будущем неизбежно сокращение потребления органического топлива и его замена другими источниками энергии. Использование ВИЭ наиболее привлекательно, так как они не нарушают естественного баланса энергии, получаемой нашей планетой.

Цель работы. Разработка практической методики определения оптимальной структуры системы электроснабжения на базе централизованных и распределенных генерирующих источников электроэнергии малых поселений посредством Я-акализа для повышения надёжности электроснабжения в долгосрочной перспективе.

В соответствии с поставленной целью в работе решаются следующие задачи:

1. Проанализировать энергетические, социальные, экономические показатели малых поселений региона и дать комплексную оценку текущему состоянию их электро- и теплоснабжения.

2. Осуществить структурирование и классификацию совокупности типов ВЭУ (видов), используемых на территории РФ, включая отечественные организации, занимающиеся производством и комплектацией ВЭУ.

3. Выполнить для муниципальной структуры потребителей региона технико-экономическое обоснование типа, количества и мощности используемых ВЭУ.

4. На базе системного подхода произвести исследование энергетической эффективности единичной ВЭУ горизонтального типа с учётом метеоусловий.

5. Выполнить прогноз величины годового регионального электропотребления до 2020 г. с учётом использования ВИЭ для оптимизации системы электроснабжения.

6. Разработать математическую модель структурирования объектов возобновляемой генерации.

7. Произвести оптимизацию системы электроснабжения низкого напряжения частных домохозяйств и малого бизнеса.

Методы научных исследований. При выполнении работы применялись методы математической статистики, ценологический подход, методика регрессионного анализа, математическая модель простых чисел. Произведено математическое моделирование качественной, количественной и пространственной структуры объектов возобновляемой генерации региона. Результатом теоретических исследований явились разработанные универсальные прикладные математические модели, реализованные посредством разных программных пакетов.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Разработана методика расчёта производства электроэнергии единичной ВЭУ в условиях имеющихся внешних факторов и условий.

2. Создана методика расчёта потребления электроэнергии малыми поселениями всего региона в условиях ограниченности и противоречивости статистического материала.

3. На основе Я-анализа разработана методика формирования структуры источников генерации на базе ВИЭ с целью повышения эффективности электроснабжения территориальных образований.

4. Представлен прогноз величины годового регионального электропотреб-лен1ш в долгосрочной перспективе с помощью математического аппарата регрессионного анализа с учетом планируемого ввода генерации за счет ВИЭ.

5. Произведено обоснование эффективности сочетания централизованной и распределенной энергетики для обеспечения гарантированного минимума энергопотребления населения и малого частного производства в зонах неустойчивого централизованного энергоснабжения.

6. Обоснована экономическая эффективность комбинированного производства тепловой и электрической энергии посредством ВЭУ с экологической оценкой использования объектов возобновляемой энергетики в течение нормативного срока эксплуатации в сравнении с объектами традиционной генерации аналогичной мощности.

7. Предложен сценарий ввода новых генерирующих мощностей на базе ВИЭ малой мощности на территории малых поселений Астраханской области, позволяющий осуществить частичную или полную автономность электроснабжения конечных потребителей малых поселений.

Практическая ценность и реализация полученных результатов заключается в следующем:

1. Создана математическая модель определения энергопотребления малых поселений для оценки текущих энергозатрат и прогнозирования дальнейшего развития региона. Алгоритм модели справедлив для любого региона страны.

2. Разработана универсальная математическая модель работы горизонтальных ВЭУ для их сравнительного анализа и прогнозирования количества производимой ими электроэнергии при заданных метеорологических условиях.

3. Разработана методика построения оптимальной устойчивой структуры ценозов любой природы.

Апробация работы. Основные положения диссертации, её отдельные решения и результаты докладывались на заседаниях кафедры ЭПП МЭИ (ТУ) в 2009, 2010, 2011 годах и обсуждались на ряде конференций и семинаров, в том числе: XXXIX научно практическая конференция с международным участием "Повышение эффективности электрического хозяйства потребителей в условиях ресурсных ограничений" (г. Москва, МЭИ (ТУ), 16-20 ноября 2009 г.); XIV конференция по технетике и общей ценологии с международным участием "Междисциплинарность ценологических исследований. Общая и прикладная ценология" (г. Москва, МЭИ (ТУ), ноябрь 2009 г.); VIII международная научно-практическая интернет-конференция "Энерго- и ресурсосбережение - XXI век" (г. Орёл, ОГТУ, 1 марта - 30 июня 2010 г.); V Молодёжная Международная научная конференция "Тинчуринские чтения" (г. Казань, КГЭУ, 28 - 29 апреля 2010 г.); XL Всероссийская научно-практическая конференция (с международным участием) с элементами научной школы для молодёжи "Фёдоровские чтения - 2010" (г. Москва, МЭИ (ТУ), 16-19 ноября 2010 г.); XV конференция по философии техники и технетике и семинар по ценологии "Ценологическое моделирование: теоретические основания и практические результаты" (г. Москва, МЭИ (ТУ), ноябрь 2010 г.); IX международная научно-практическая интернет-конференция "Энерго- и ресурсосбережение -XXI век" (г. Орёл, ОГТУ, 15 марта - 30 июня 2011 г.); VIII Межрегиональная (Международная) научно-техническая конференция студентов и аспирантов "Информационные техноло-

гии, энергетика и экономика" (г. Смоленск, МЭИ (ТУ) в г. Смоленск, 14-15 апреля 2011 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 печатных работ, в том числе 3 в изданиях, включённых в перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, рекомендованных ВАК РФ.

Объём и структура работы. Диссертационная работа изложена на 169 страницах машинописного текста, включая 21 таблицу и 53 иллюстрации. Список использованной литературы включает 161 наименование работ отечественных и зарубежных авторов. Работа состоит из введения, четырёх глав, заключения и 21 приложения. Приложения представлены на 103 страницах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность повышения энергетической безопасности малых населённых пунктов посредством оптимального структурирования объектов возобновляемой энергетики, осуществляющих тепло- и электроснабжение, в рамках территории Астраханской области, сформулированы цель, задачи, научная новизна исследования.

В первой главе рассмотрены состояние отечественной энергетики и перспективы её развития до 2020 г. в увязке с возобновляемой энергетикой, а также мировые тенденции развития ветроэнергетической отрасли.

Показано, что основная часть энергосистем, входящих в состав ЕЭС России, характеризуется дефицитом электрической энергии и мощности, моральным и физическим износом оборудования, малой зоной покрытия, неудовлетворительным качеством электроэнергии на территории удалённых малых поселений. Анализ нормативно-технической документации позволил сделать вывод, что дальнейшее развитие электроэнергетики произойдет по пути наращивания мощности за счет крупных угольных тепловых и атомных электростанций с минимизацией доли газа в производстве энергии, причем доля распределённой генерации в виде ВИЭ в топливно-энергетическом балансе составит 4,5 % к 2020 г. Установлено, что Россия обладает значительными запасами возобновляемых, вторичных и низкопотенциальных ресурсов; производственными мощностями для реализации крупных ветроэнергетических проектов; испытательными полигонами для экспериментальных исследований ветроагрегатов.

Анализ состояния зарубежной ветроэнергетики показал, что её развитие происходит в направлении увеличения доли ВИЭ в энергобалансе, строительства сетевых ветропарков большой мощности, наращивания мощности и повышения энергетической эффективности единичной ВЭУ, решения проблем стабильной параллельной работы ВЭС и электрической сети.

Рассмотрена классификация ВЭУ в зависимости от исполнения, типа эксплуатации, цели использования, способу управления, уровня мощности. Показано, что основными преимуществами ветровой энергетики относительно традиционной являются автономность; возможность быстрой развёртки; снижение затрат на сетевое строительство; снижение потерь энергии; возможность использования в условиях неудовлетворительного качества сетевой электроэнер-

гии; возможность комбинированного производства тепловой электрической и механической энергии; модульная структура, позволяющая наращивать мощность в дальнейшем; экологическая чистота.

Формулируется вывод о том, что мировая ветроэнергетика является прогрессивно развивающейся отраслью промышленности с высокой долей занятости населения и увеличивающимся оборотом капитала и её развитие перспективно и экономически оправдано для освоения территорий России и для обеспечения надёжного тепло- и электроснабжения удалённых малых поселений.

Во второй главе рассматриваются основные понятия ценологического подхода и его базовые аналитические зависимости; даётся оценка различным методикам прогнозирования с последующим выбором наилучшей с точки зрения минимизации ошибки прогнозирования; анализируется максимальная комплектация ВЭУ для определения её общего КПД.

Согласно постулатам ценологической теории делается вывод о том, что совокупность малых поселений в пределах территориальных границ Астраханской области является социоценозом. Неделимыми элементами ценоза являются поселения, каждое из которых характеризуется числовой характеристикой -численностью населения и качественной - различным уровнем хозяйствования и производственными отношениями. Элементы ценоза характеризуются слабыми связями, что обусловлено малыми численностями населения и их территориальным расположением. Совокупность элементов ценоза, обладающих одинаковыми количественными характеристиками, образуют вид.

Основываясь на аналогичных суждениях, делается вывод о том, что совокупности сетевых и автономных ВЭУ представляют собой два самостоятельных техноценоза, характеризуемых различной значимостью внутренних связей. Количественным и видообразующим параметром единичного ветроагрегата является его номинальная мощность, качественным - конструктивное исполнение.

Математический аппарат ценологического подхода основан на трёх видах гиперболических //-распределений: видовом, ранго-видовом и ранговом по параметру. Для видового распределения справедлива зависимость:

П(х) = (1)

где х £ [1, оо) - непрерывный аналог мощности (численности) популяций (7 -всегда дискретная величина); а > 0 - характеристический показатель, постоянная распределения, у=1 + а;Шх = - фактическое значение первой точки.

Ранговое по параметру //-распределение служит не для исследования структуры ценоза, а для его ценологического описания. Для него применяют запись:

УГ(г) = ИугР, (2)

где г - ранг по параметру, в порядке убывания параметра располагают объекты.

В рамках работы рассмотрены следующие методики прогнозирования: прогнозная экстраполяция (метод наименьших квадратов, метод экспоненциального сглаживания); корреляционный и регрессионный анализы; интуитивные (экспертные) методы; адаптивные методы; прогнозирование с использованием нейронных сетей, искусственного интеллекта и генетических алгоритмов.

Поскольку временные ряды ежегодного электропотребления России, Южного федерального округа, областей и республик в его составе представляют собой тренды, т.е. с увеличением шага запаздывания коэффициенты автокорреляции постепенно снижаются, то в качестве наиболее эффективной методики прогнозирования был выбран корреляционно-регрессионный анализ, обеспечивающий приемлемую точность при среднесрочной длительности прогноза.

В основе регрессионного анализа лежит метод наименьших квадратов, сущность которого заключается в отыскании параметров модели тренда, минимизирующих её отклонение от значений исходного временного ряда:

5 = (3)

где % - расчётные значения исходного ряда; уг - фактические значения исходного ряда; п - число наблюдений.

Модель тренда может быть представлена следующим образом:

у = Кхьа1а2,...,ак,г), (4)

где аи а2,..., ак - параметры модели; к - порядок модели; г - время; Хх - независимые переменные.

В качестве модели тренда использованы линейные, квадратичные, степенные, показательные, экспоненциальные, логистические функции. Для статистической модели линейной регрессии справедливы следующие выражения:

ГИ|Ь- У*) . _ (ЕИхУ!-^^) ...

п^няи*)2 » ■ {5)

■ . Для квадратичной зависимости применимы зависимости:

у = ах2 +Ьх + с,

,. ъ =___

] (6)

Адекватность полученной статистической модели проверяется по Г-критерию Стьюдента и ^-критерию Фишера. Оценка отклонений прогнозной модели от фактического временного ряда осуществляется на основе автокорреляционного анализа ошибок прогнозирования; среднего абсолютного отклонения; среднеквадратической ошибки; средней абсолютной ошибки в процентах; средней процентной ошибки.

На основании классической теории идеального ветряка Жуковского делается вывод о том, что максимальный коэффициент использования энергии ветра идеального ветроколеса равен ^ = 0,593.

Исходя из схемы, представленной на рисунке 1, КПД ВЭУ находится как произведение КПД составляющих её звеньев:

ПВЭУ = ТЦЛ2Л3Л4П5Л6П7П8, (7)

tP- . ¡Ветротурбина 1 |!}Ч|Д

¡Радупор'

¡Генератор

1ЛЭП

X

т

Зч-пл

ЩЧ-пЛ

|Вылрямнтель ¡Акумулятор вЬ-[ч

■п.?

¡Инвертор"

|лэп

3.

|лзп 1.1

ж

¡нмружа1

Кл?

¡ИЭП1Д

■Д

ЖЗГ

¡ЛЗП 1.П

3 ¡Нагрудк» 2 I*

¡Надужап

И

Рис. 1. Технологическая схема электроснабжения на базе ВЭУ

где % = 2; - КПД ветроколеса, определяется профилем крыла и на практике находится в диапазоне [043;0,45]; ц2 - КПД редуктора, изменяется в широких пределах и зависит от коэффициента загрузки; % - КПД генератора, принимается

ТЛПотлл\< оцааяшаот о/ч

Г ".............— -----. . ... V.

всех режимах работы; г|4, т]8 - КПД линий электропередач, находятся в диапазоне [0,93;0,95]; % - КПД выпрямителя, находится в диапазоне [0,93;0,95]; т]6 - КПД аккумуляторной батареи, зависит от саморазряда, необходимо учитывать, что не вся энергия потребляется через аккумулятор; Г]7 - КПД инвертора, находится в диапазоне [093;095]. КПД отсутствующих элементов принимается равным единице. ® третьей главе приведены анализ энергетического хозяйства Астраханской области; прогнозы электропотребления России, Южного федерального

округа, областей и республик в его составе; математическая модель оценки потребления электроэнергии малыми поселениями; методики определения энергоэффективности единичной ВЭУ; методика формирования оптимальной структуры объектов генерации на основе математической модели простых чисел.

Выделяя ценоз, элементами которого являются населённые пункты Астраханской области, необходимо отметить, что г. Астрахань в этом случае не рассматривается, поскольку тако-

Население, чел. 45000 4(КИИ) 33000 50000 23000 20(100 15000 10000 5000

иии ¡ —п

ООО

МЮ-гАк;

О -I-

■ну = 44100-¡3 = 0,748 "

400 Ранг, г

20 30 4(1

Чиоленаскть ыас^тЕйм ваоелгниаго пункта

б

Рис. 2. Я-распределения населённых пунктов вой входих в более крупный со_ Астраханской области по их численности: а - циоценоз, состоящий из област-ранговое; б-видовое (точечная маркировка- ных и республиканских цен-деиствительное распределение по параметру; сплошная линия - функция, описывающая данное распределение) распределения (рисунок 2).

тров. Для оценки структуры со-циоценоза были использованы ранговое и видовое Я-

Малое значение характеристического показателя рангового распределения 0 (при стабильной структуре (3 и 1,5) позволяет сделать вывод, что структура населённых пунктов области неустойчива, и её развитие происходит в направлении оттока населения из малых населённых пунктов в областной центр. Вывод подтверждается данными Росстата: в 2008 г. общая численность населённых пунктов составляла 432 шт. (985,6 тыс. чел.), в том числе 7 исчезнувших, а к.2010 г. согласно Всероссийской переписи населения - 428 (1000,9 тыс. чел.) и 14 щт. соответственно.

, Прогноз электропотребления России на основе линейной и квадратичной регрессии представлен на рисунке За. Анализ тенденции роста электропотребления России за 1998-2008 гг. показал, что в дальнейшем будет наблюдаться умеренное повышение данного показателя. Результаты линейной регрессионной модели прогнозирования на 2020 г. (1282 млрд кВтч) на 25 % ниже относительно базового прогноза Стратегии 2020 (1710 млрд кВтч) и на 36 % ниже максимального (2000 млрд кВтч), квадратичная модель (1315 млрд кВтч) - на 23 и 34 % соответственно. Поскольку население России продолжает убывать согласно Всероссийской переписи населения 2010 г., предполагается, что рост электропотребления будет связан с возрастающими нуждами промышленности.

Результатом линейной регрессионной модели прогнозирования электропотребления ЮФО (рисунок 36) является: 2015 г. - 65,7 млрд кВтч (что на 41 % ниже базового и на 58 % ниже максимального вариантов прогноза Стратегии 2020); 2020 г. - 70,7 млрд кВтч (на 44 и 55 % соответственно). Несоответствие расчётных данных объясняется отделением из состава ЮФО Северокавказского округа согласно указу президента Д.А. Медведева от 19 января 20Í0 г., тогда как "Генеральная схема размещения объектов электроэнергетики до 2020" одобрена распоряжением Правительства РФ от 22 февраля 2008 г.

Прогноз потребления электроэнергии Астраханской области до 2030 г. осуществлён по 19 точкам и представлен на рисунке Зв. Соотнесение полученного прогноза с Программой развития электроэнергетики Астраханской области на 2011-2015 годы представлено в таблице 1.

Таблица 1

Прогноз элекгропотребления Астраханской области_

Электропотребление, мл рдкВтч

Год 2011 2012 2013 2014 2015 2020

Программа развития Астраханской обл. 4,258 4,407 4,585 4,795 5,036 6,400

Регрессионная модель 3,980 3,991 4,003 4,014 4,026 4,084

Программа развития предлагает более высокие темпы развития. Однако обратимся к фактам: установленная мощность электростанций области остаётся постоянной последние 5 лет (504 МВт), общая мощность устаревшего морально и физически оборудования, которое должно быть выведено из эксплуатации, на начало 2011 г., составляет 100 МВт. Предположив, что рост установленной мощности всё-таки будет соответствовать запланированному (44 МВт в 2011 г. и 235 МВт в 2012 г.), остаются открытыми вопросы об увеличении пропускной

способности линий электропередач и замены силовых трансформаторов, отработавших нормативный срок эксплуатации.

Согласно рисунку 3, все республики (кроме Калмыкии) и области, входящие в состав ЮФО, характеризуются устойчивым темпом роста электропо-треоления, что свидетельствует о планомерном экономическом развитии этих регионов в будущем. Анализируя прогноз энергопотребления Республики Калмыкия (рисунок Зж), необходимо ошетить отрицательную динамику, вызван-^ неблагоприятными социальными факторами.

1990 2000 2010 2020 2010

2: у(х) = 21,909* - 42973,662; 3: у(х) = 0,12х2 - 459,409* + 439064,76 2: у(х) = 0,827* а

млрд. кВп," 1,00 0,95

млрд._

кВ т |

;

// 3 6 ^ " I -М1 -12-...................3,0 4 . , ,_______,

2010 2020 Год 1980 1950 2000 2010 2020 Год

-1602,619 2: уС*) = 0,012*-19,35 В

1995 2000 2005 2010 2015 2020 Год у(х) = 0,09* - 16,801

Г

изрз, кВтч "

1985 1995 2005 2015 2: у(х) = 0,204* - 389,919

д

1990 2000

Год

2:у(х)-

= 0,454* е

2010 2020 Год - 893,086

Рис. 3. Прогноз потребления электроэнергии: а) Российской Федерации; б) Южного

...................... федерального округа;

уСх)^^""^ 1990 2000 2010 2020 Гол в) Астраханской обла-К*) = -0,002*2 +6,562*-6532,034 2: у(х) = 0,365* - 718,007 СТИ; Г) РеСП- Адыгея;

ж з д) Волгоградской обл.;

Краснодарского края; ж) Респ. Калмыкия; з) Ростовской обл. до 2020 г (1 -иствительный временной ряд; 2 - аппроксимирующие кривые; 3 - функция да у(х) = ах2 + Ьх + с).

Для определения энергоэффективности единичной ВЭУ разработаны сле-ющие методики:

1. Графический модифицированный метод. Обозначим среднемесячные оценты времени скорости ветра на высоте 50 метров над поверхностью земли

заданном диапазоне (%) щ, тг.....ть. Полагаем, что они остаются неизмен-

ми для любой высоты мачты ВЭУ.

Скорость ветра на высоте //определяется зависимостью:

где V- скорость ветра на высоте Я; К0 - скорость ветра на высоте 10 м, взятая из метеотаблиц; Н0 - высота расположения анемометра (Юм); а - степенной коэффициент, значение которого для погодных условий Астраханской области постоянно и равно 0,143.

Пересчитанные по соотношению (8) границы интервалов скоростей ветра по повторяемости обозначим как Угр2, ...,Кф7; соответствующие им мощности ВЭУ, найденные по графику зависимости мощности генератора от скорости ветра, и обозначим Ртр1,Р,-р2> -,Ртрт- Пусковая скорость маломощных ВЭУ, как правило, не менее 2 м/с, следовательно, первый интервал повторяемости скорости ветра не учитывается в расчётах. Количество электроэнергии, производимое за месяц:

У], _ Л4Д5Д6Д7Д8 уб ГЛтн+РгрЦ-! ПЦ^исЛ кц_ч т\

1000 21 2 100 Л У '

2. Метод кубического средневзвешенного.

Количество электроэнергии в месяц:

у?

^=£^ = Смес%ЭуР^ = ,мес,взу£]1£!М1 » ) ';кВтч, (10) 1000 мес- 8000 мес- 8000 1?=2га1

3. Метод продолжительной средней скорости.

Количество электроэнергии в месяц:

(И)

Суммарная выработка электроэнергии ВЭУ за год:

И'год = 1(=а^мес,. (12)

Зная численность населённого пункта, количество семей, в нём проживающих, численный состав каждой семьи, посредством гауссовой статистики определяется электропотребление произвольной семьи и населённого пункта в целом. С увеличением общего числа семей точность прогноза энергопотребления населённого пункта в целом повышается, как и при росте численности семей, снимающих ежесуточно показания счётчика, и при увеличении количества снятых показаний счётчиков семей уже существующих.

Для реализации алгоритма расчета используются данные об электропотреблении семей малых поселений Астраханской области. Рассматриваются семьи численностью 1, 2, 3, 4, 5 человек. Выбирается по 5 семей каждого вида, т.е. в сумме 25 семей. В течение 5-8 недель каждой из семей производится регистрация показаний счётчика в одно и то же время суток. Полученные данные сводятся в 5 информационных массивов электропотребления. Сущность предлагаемой методики заключается в гауссовом выборе уже известных показаний счётчика для семьи заданной численности из предложенного массива данных. Виртуальная выборка показаний счётчика происходит ежесуточно для каждой семьи, затем полученные таким образом данные суммируют по заданному населённому пункту. Аналогичный алгоритм осуществляется в отношении всех

поселений муниципального образования, после чего происходит суммирование затрат электроэнергии по всем населённым пунктам и получение общего энергопотребления муниципального образования и области в целом.

Полагая, что для семьи различной численности существует свой массив

данных об электропотреблении, справедливо следующие равенство:

Щ = nWiJC, (13)

где i - численность семьи, iefl; S]; Wi - потребление электроэнергии семьёй в течение года; Wi k - суточное потребление электроэнергии семьёй численностью г; п - число дней в году.

Для определения электропотребления поселения справедлива зависимость:

Koc = Ii=lmlWb (14)

где q - максимальная численность семьи; т, - число семей численностью /; Wl -электропотребление семьёй численностью /.

Тогда суммарное электропотребление округа определяется зависимостью-

(15)

где р - количество поселений; Wk - потребление электроэнергии поселением.

Среднедушевое суточное потребление электроэнергии в поселении находят следующим образом:

ср душ ~ h , (16)

где Щюс

- потребление электроэнергии поселением; h - численность постоянного населения.

Среднесемейное потребление электроэнергии:

ср душ - v , (17)

где v - общее количество семей поселения.

После определения электропотребления малых поселений и энергоэффективности ветроагрегатов отечественного и зарубежного производства возникает необходимость рационального формирования структуры объектов генерации. Для решения данной задачи использованы ценологический подход и математическая модель простых чисел.

Примем в качестве канонического дискретное распределение простых сомножителей в факториале простого числа N. Назовём видом любое простое число qr, где г - номер простого числа натурального ряда чисел, абстрактно

BOcnP^aeM°e И3 РЯДа: 2' 3' 5' 137 > 139' 149' 151' 509> 521> 523> 541,

-> (2 !)» а особью - появление этого простого числа как сомножите-

ля (единица исключается) в любом из чисел натурального ряда. Тогда каждое натуральное число Nt > 1 представимо единожды следующим образом-

Nt = С Ч?2 - Щ >00-1,2.....т), (18)

где т - степень (встречаемость) простого числа, г - ранг простого числа.

В дальнейших суждениях делаем предпосылку, согласно которой в населенных пунктах до 100 человек нет централизованного электроснабжения, поэтому связь между отдельными ВЭУ малозначима и возникает необходимость в резервирующих источниках - аккумуляторных батареях и дизельных электро-

станциях. В населённых пунктах от 100 до 5000 связь между ВЭУ более значимая ввиду наличия централизованной сети, но не является жёсткой, поскольку

все ВЭУ выдают в сеть электроэнергию неодновременно,

12 Р»иг,г

Рис. 4. Ранговое по параметру //-распределение ВЭУ в населённых пунктах Астраханской области, численностью: а - до 100 чел.; б - от 100 до 5000 чел.

(1 - модель простых чисел; 2 - функция Щг)).

В соответствие ВЭУ ставятся простые числа: двойка - ЖЕ 1500 (ЖШ 2); тройка - Еиго1¥М 2; ...; тридцать семь - ЕигоЖШ 50. Частота встречаемости простого числа есть аналог численности ВЭУ. При повышении факториала числа происходит увеличение встречаемости простых чисел особым образом, при котором обеспечивается оптимальность структуры ценоза. Увеличение встречаемости простых чисел (ВЭУ) приводит к росту количества "зелёной" электроэнергии, производимой ежегодно. Рост факториала числа производится

до тех пор, пока энергопотребление муниципального округа полностью не будет удовлетворено посредством мощностей ВЭУ. Как только этот момент наступает, структура ценоза фиксируется, равно как и факториал числа, представляющий собой базовую характеристику, по уровню информативности превосходящую характеристический параметр Р Н-распределения. Ранговые по параметру Я-распределения обоих техноценозов ВЭУ представлены

4 5 6 7 8 9

Средняя многолетняя скорость ветра, м/с

Рис. 5. Экономическая эффективность ВЭУ (1 - использование ВЭУ только для производства электроэнергии; 2- применение ВЭУ для тепло- и электроснабжения), на рисунке 4.

Капиталовложения для строительства ВЭУ в Астраханской области составляют 120-130 % её стоимости, годовые эксплуатационные издержки - 4 %. Из расчета стоимости электроэнергии для сельских жителей Астраханской области - 2,7 руб/кВтч и дизельного топлива - 25,7 руб/л с учётом ежегодного

повышением данных величин на 20 %, срок окупаемости ВЭУ отечественного производства в условиях отсутствия централизованного электроснабжения составляет 4-5 лет, зарубежного - 6-9 лет. При наличии централизованного электроснабжения срок окупаемости отечественных ВЭУ - 8 лет, зарубежных -9-12 лет. Нормативный срок эксплуатации современных ВЭУ составляет около 20 лет. Применение ВЭУ выгодно при скоростях ветра 4-7 м/с и стоимости дизельного топлива 200-400 долл./т. Эффективность эксплуатации ВЭУ повышается, если использовать их для получения как электрической, так и тепловой энергии на базе балластной нагрузки сразу после полного заряда аккумуляторных батарей (рисунок 5).

В четвёртой главе разработаны реализации схем электроснабжения на базе ВИЭ; рассмотрены условия параллельной работы ВЭУ и централизованной электросети; представлена программная реализация универсальной методики формирования ценологаческой структуры распределенных возобновляемых источников энергии малой мощности.

Для реализации необходимого минимума энергоснабжения конечных потребителей малых поселений разработаны схемы автономного (рисунок 6 а, б, в) и централизованного (рисунок 6 г, д, е) электроснабжения одной семьи или частного домовладения (рис. 6 а, г); группы частных домов (рис. 6 б, д); поселков, хуторов, сёл,^воинских частей, крупных предприятий (рис. 6 в, е).

I , | Рис. 6. Схемы электроснаб-

жения на базе ВЭУ (ВК - вет-роколесо; М - мультипликатор; Г - генератор; ЭБ - электробойлер; В - выпрямитель; АБ - аккумуляторная батарея; И - инвертор; ДГ - дизель-генератор; К - компрессор; Н - насос; ТУ - телевизор; к -компьютер; х - холодильник; СШ - соединительные шины; АВР - автоматический ввод резерва; ВЭС - ветроэлектро-станция; ТР - трансформатор; СК - синхронный компенсатор; КС - компенсатор статический; Др - дроссель; Тр -тиристорный регулятор; ТЭН теплоэлекгронагреватель; БН - баластная нагрузка)

Потребитель

ТР

10/0,4 Се?Ь

(-Ш

К достоинствам схематичного решения на рис. 6а следует отнести возможность комбинированного производства тепловой и электрической энергии. Особенностью схемы на рис. 66 является возможность секционирования нагрузки по степени важности и требовательности к качеству электроэнергии, а также наличие в резерве дизель-генератора.

Преимуществом схемы на рис. бе является наличие в качестве резервных источников электрической сети и ДЭС, использование последней имеет более низкий приоритет. Синхронный компенсатор и батарея статических конденсаторов с дросселем необходимы для компенсации реактивной мощности в случае, если БЭС и ДЭС оснащены асинхронными электрогенераторами. Установленная мощность ДЭС должна быть не менее чем в два раза выше установленной мощности ВЭС как в статических, так и в динамических режимах. Выбор напряжений ЛЭП, трансформаторов и на сборных шинах ВЭС и ДЭС зависит от мощности энергокомплекса и удалённости ВЭС и основных потребителей. Для единичных мощностей ветрогенераторов свыше 250-300 кВт применяется напряжение 0,69 кВ, а для дизель-генераторов, как правило, 10 кВ.

Все последующие алгоритмы вычислений реализованы в программном пакете Microsoft Office 2010, приложении Excel с использованием языка программирования Visual Basic и входят в состав "Универсальной методики формирования ценологической структуры распределенных возобновляемых источников энергии малой мощности":

1. Алгоритм вычисления электропотребления населённого пункта в условиях ограниченной статистической информации.

Необходимыми исходными данными для воспроизведения программного кода являются: общая численность населённого пункта; количество семей (домовладений); средняя численность семьи; электропотребление семей различной численности.

На аналитическом этапе производится расчет электропотребления всех населённых пунктов, входящих в данный муниципальный округ Астраханской области при помощи гауссова оператора, для которого справедливы понятия среднего и конечности дисперсии. Показания электропотребления отдельной семьи генерируются для каждых суток года, затем определяется ежемесячное, общее, среднедушевое и среднесемейное потребление электроэнергии населённого пункта. После этого определяется суммарное электропотребление муниципального округа области с разграничением по численности человек: меньше или равно 100 и более 100, но меньше 5000 чел. (рисунок 7а).

2. Алгоритм определения энергоэффективности единичной ВЭУ

На информационном этапе собираются данные о ВЭУ малой мощности (до 50 кВт) отечественного и зарубежного производства для сопоставления следующих характеристик: диаметр ветроколеса, профиль его лопастей; номинальная и максимальная мощности ветрогенератора, его номинальное напряжение; начальная рабочая и буревая скорости; высота мачты и её тип; комплектация; КПД ветроколеса, генератора, редуктора, ЛЭП, АБ, инвертора; возможность

В Г

лс. 7. Итоговое меню программы: а - вычисления электропотребления

деленного пункта; б - расчета энергоэффективности ВЭУ; в - распределения

мал0и мощности по повторяемости; г - технико-экономического расчета лроагрегатов.

подключения к блоку автоматики дополнительных источников электроэнергии (.ДЗС, солнечные батареи и др.).

Для определения энергоэффективности единичной ВЭУ необходимо определить метеорологические данные муниципальных образований Астраханской области: среднемесячное атмосферное давление; среднемесячную скорость ветра на высоте 10 м над поверхностью земли для ландшафтов подобных аэропорту; среднемесячный процент времени скорости ветра на высоте 50 метров над поверхностью земли в заданном диапазоне.

На аналитическом этапе производится расчет энергоэффективности ВЭУ на основании одной из представленных выше методик согласно зависимостям (8) (12) с проверкой адекватности математической модели посредством распределения Вейбулла (рисунок 76), предполагая, что расчёт осуществляется в диапазоне скоростей ветра от пусковой до буревой для данной ВЭУ.

3. Алгоритм формирования устойчивой ценологической структуры распределённой генерации.

Исходными данными, необходимыми для реализации алгоритма, являются: энергоэффективность каждой ВЭУ, т.е. количество электроэнергии производимое в течение года; электропотребление поселения или муниципального округа в целом.

Результатом работы программы является гиперболическая кривая, описывающая распределение простых чисел в факториале натурального числа, причем аналогами встречаемости простых чисел являются численности ВЭУ Суммарное число ветряков растет до тех пор, пока их ежегодная общая энергоэффективность не превысит необходимый уровень потребления электроэнергии населенного пункта. Как только это условие соблюдается, программный цикл выводом результатов на монитор ЭВМ (рисунок 7в).

4. Алгоритм оценки сроков окупаемости возобновляемых источников энергии при организации питания от централизованной сети электроснабжения или от дизель-генераторных установок.

Исходными данными являются: стоимость дизельного топлива; КПД дизельного двигателя и электрогенератора; стоимость электроэнергии от сети централизованного электроснабжения; темпы роста цен на электроэнергию и дизельное топливо; стоимость ВЭУ в конечной комплектации с учетом монтажных и пуско-наладочных работ.

Результатом работы алгоритма являются (рисунок 7г): для автономных поселений определяется срок окупаемости ВЭУ за вычетом стоимости ДЭС согласно цене дизельного топлива с перспективой её ежегодного роста 20 %; для поселений с централизованным электроснабжением определяется срок окупаемости ВЭУ относительно цены электроэнергии для сельских жителей с перспективой ежегодного роста 20 %.

В приложениях представлены данные о стоимости технологического подключения потребителей к региональным сетям электроснабжения; об установленной мощности ВЭС в странах мира и перспективах её роста; о совокупности промышленных ВЭС на территории России; об экологическом аспекте ветроэнергетики и иностранном законодательстве в этой области; о демографических, социальных, экономических, энергетических, метеорологических по округам характеристиках Астраханской области; о проверке адекватности математических моделей прогнозирования электропотребления России, ЮФО, областей и республик в его составе; о совокупности существующих бытовых электроприёмников; об электропотреблении семей численностью 1, 2, ..., 5 человек; выходные данные программного комплекса "Универсальная методика формирования ценологической структуры распределенных возобновляемых источников энергии малой мощности"; комплектация ВЭУ для осуществления автономного и централизованного электроснабжения.

Заключение и основные выводы по работе

Научные и практические результаты диссертационной работы состоят в следующем:

1. Выявлены тенденции развития и определены сдерживающие факторы полной электрификации регионов России на примере Астраханской области. Дальнейшее развитие энергетики должно идти по пути сочетания объектов крупной и распределённой генерации для минимизации потерь энергии и обеспечения надёжного энергоснабжения.

2. Доказана применимость ценологического подхода для оценки оптимальности структуры на примере социоценоза, состоящего из населённых пунктов Астраханской области, и техноценоза, состоящего из ветроагрегатов, позволяющих завершить электрификацию области и обеспечить необходимый минимальный уровень энергоснабжения.

3. На основе корреляционно-регрессионного анализа получены прогнозы развития электропотребления России, Южного федерального округа, областей и республик в составе последнего. Выявлено, что причинами сдерживания эко-

номического роста регионов и страны в целом является дефицит электроэнео гии и электрической мощности, неудовлетворительное сост^Г вшдуГых и кабельных линий, устаревшее оборудование подстанций У * И

владсний^м™по7'1ИВе?СаЛЬНаЯ М£Т0ДИКа °ЦенКИ ^ектропотребления домовладении малых поселении, муниципальных округов и области в целом.

ной ? НЫ методики кубического средневзвешенного, продолжительной средней скорости и графического модифицированного метода ГГоеле ления производимого единичной ВЭУ количества элекфоэнергии' ьшощие сходимость с эталонной интегральной метод^й Ве^ точной степенью точности. Основным и отличием от общепри^Гкласс^е

1осТиТвеГ„ЯатаеТСЯ °ТКа3 °Т °ШИб0ЧН0Г0 -пользо«

скорости ветра и переход к частоте встречаемости скорости ветра тИМЯ!;1гР На У?ИБерсаЛЬ!1ая математическая модель формирования оп-

X™ ГпшГп!стру1аурь1 объе1СГОВ ^^ С—

ГложеЗх пе1ГР №СеЛеНИЙ области, основанная на

Логического повода и объективном математическом законе распределения простых чисел в составе факториала натурального числа

энергетики И Д°Ка3аНа экономич™ эффективность объектов ветро-

энергетики для территории с автономным и сетевым электроснабжение п

ДефйЦИТа и найден^етод ^повыше-

э^ргии комбинированного производства тепловой и электрической

публикаций П°Л0ЖеНИЯ ДИССерТаШ1И -Р— в следующих

тики } вТгТо™ ?/Т0ЛаТеЛГ0е 0беС"еЧСШ,С возобновляемой энерге-201Л- №8.'-^С Л 6-23. ^Р000^™^ эксплуатация и ремонт,

нпгЛГрОЗНЫХ' В А" ПР°гнозиРование элекгропотребления России и Юж-Гр Нь^ТиХ°п0КТ« ПОСРеДСТВ°И Р-Реесио„ного анализа / 20П С4^57Р ВЫСШИХ УЧебНЫХ 3аВедеНИЙ ^рноземья,

о„е^коГС;;Рое^;дИЮЛ£;ГВаНИе хозяйства ев-

. Р°зных> В-А- Математическая модель элиминации / В А Грозных и

—О^ая и прткладная це-могия. Материалы XIV конференции по технетике и общей ценологии с меж народным участием Москва, МЭИ, 19 ноября 2009 гГишТ н *кие исследования". - М.: Технет*^ 2о!о. С 218^^ ЦеН°Л°ГИ"

аПШРаТ ПраКТИЧ£СК0ГО "Рименепия Н-ния и п™ Р Ценологическое моделирование: теоретические осно-

ния и практические результаты. Материалы XV конференции по философии

техники и тёхнетике и семинара по ценологии (Москва, 19 ноября 2010 г.). Вып. 47. "Ценологаческиё исследования". - М.: Технетика, 2011. - С.110-120.

6. Грозных, В.А. Меры стимулирования использования возобновляемых источников энергии / В.А. Грозных // Материалы докладов V Международной молодёжной научной конференции "Тинчуринские чтения" / Под общ. ред. д.ф.-м.н., проф. Петрушенко Ю.Я. В 4т.; Т. 3. - Казань: Казанский государственный энергетический университет, 2010. - С.102-104.

7. Грозных, В.А. О классификации ветроэнергетических установок / В.А. Грозных II Федоровские чтения - 2010. ХЬ Всероссийская научно-практическая конференция (с международным участием) с элементами научной школы для молодёжи (Москва, 16-19 ноября 2010 г.) / Под общ. ред. Кудрина Б.И., Матюниной Ю.В. - М.: Издательский дом МЭИ, 2010. - С.163-170.

8. Грозных, В.А. Применение теории ценологии в электроснабжении для обоснования необходимости альтернативной энергетики / В.А. Грозных // Повышение эффективности электрического хозяйства потребителей в условиях ресурсных ограничений. Материалы Всероссийской научно-практической конференции с международным участием (Москва, 16-20 ноября 2009 г.) / Под общ. ред. Кудрина Б.И. и Матюниной Ю.В. В 2-х т.: 1 т. Электроснабжение, 2 т. Электрооборудование и менеджмент. М.: Технетика, 2009. Том П. - С.226-230.

9. Грозных, В.А. Среднесуточное электропотребление семей малых поселений в условиях комбинированного энергоснабжения / В.А. Грозных // Электрика, 2010. №7.-С.10-14.

10. Кудрин, Б.И. Возобновляемая энергетика в России / Б.И. Кудрин, В.А. Грозных // Энерго- и ресурсосбережение - XXI век.: Сборник материалов VIII-ой международной научно-практической интернет-конференции / Под ред. д.т.н., проф. Голенкова В.А.; д.т.н., проф. Качанова А.Н.; д.т.н. проф. Степанова Ю.С. - Орёл: Издательский Дом "ОРЛИК" и К, 2010. - С.61-63.

11. Кудрин, Б.И. Применение ветроэнергетических установок для горячего водоснабжения и отопления / Б.И. Кудрин, В.А. Грозных // Энерго- и ресурсосбережение - XXI век.: Сборник материалов 1Х-ой международной научно-практической интернет-конференции / Под ред. д.т.н., проф. Голенкова В.А.; д.т.н., проф. Качанова А.Н.; д.т.н. проф. Степанова Ю.С. - Орёл: ООО "Картуш", 2011. - С.80-84.

12. Кудрин, Б.И. Проектирование систем электроснабжения на базе установок альтернативной энергетики / Б.И. Кудрин, В.А. Грозных / Информационные технологии, энергетика и экономика (электроэнергетика, электротехника, теплофизика и теплоэнергетика, энергосбережение в технике и технологиях). Сборник трудов 8-ой Межрегиональной (Международной) научно-технической конференции студентов и аспирантов. В 3 т. Т 2. 2011. -С.16-21.

Подписано в печать '' '■' Зак. Л £ + Тир. Я1 Пл.

Полиграфический центр МЭИ(ТУ)

Красноказарменная ул.,д.13

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

На правах рукописи

0?,2.01 1 6 7 3 8 3 "

Грозных Вадим Алексеевич

РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ПОВЫШЕНИЯ НАДЕЖНОСТИ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ОТДАЛЕННЫХ ПОСЕЛЕНИЙ ЗА СЧЕТ ВЕТРОЭНЕРГЕТИКИ (НА ПРИМЕРЕ АСТРАХАНСКОЙ ОБЛАСТИ)

05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы

*

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

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

Москва 2011

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ..........................................................................................................................4

ГЛАВА 1. СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ТЕНДЕНЦИЙ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКИ МИРА И РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ...........................11

1.1. Состояние и тенденции развития энергетики Российской Федерации до 2020 года и место вторичных энергоресурсов в обеспечении надёжности электроснабжения и повышении энергоэффективности...............................................11

1.2. Мировые тенденции использования возобновляемых, вторичных и низкопотенциальных источников энергии.....................................................................17

1.3. Потенциал возобновляемых источников энергии и его реализация на территории Российской Федерации.....................................................................................................25

1.4. Особенности, область применения, препятствия на пути использования

ветровой энергии...............................................................................................................32

ГЛАВА 2. МЕТОДОЛОГИЯ ОЦЕНКИ И ПРОГНОЗА ЭЛЕКТРОПОТРЕБЛЕНИЯ МАЛЫХ ПОСЕЛЕНИЙ АСТРАХАНСКОЙ ОБЛАСТИ..............................................41

2.1. Понятийный аппарат методологии ценологического подхода.............................41

2.2. Математический аппарат рангового анализа и устойчивость //-распределений................................................................................................................46

2.3. Сравнительный анализ наиболее распространенных статистических методов прогнозирования................................................................................................................53

2.4. Преимущества и область применения линейной регрессии..................................61

2.5. Математическая модель функционирования ВЭУ.................................................69

ГЛАВА 3. МЕТОДОЛОГИЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ НЕОБХОДИМОЙ МОЩНОСТИ ВЭС ДЛЯ МАЛЫХ ПОСЕЛЕНИЙ РЕГИОНА.......................................................................78

3.1. Анализ топливно-энергетических и человеческих ресурсов Астраханской области................................................................................................................................78

3.2. Прогноз потребления электроэнергии Российской Федерации, Южного федерального округа, областей и республик в его составе...........................................85

3.3. Методика определения энергоэффективности единичной ВЭУ...........................93

3.4. Методика оценки электропотребления малых населённых пунктов..................100

3.5. Диспозиция и выбор числа ВЭУ для населённых пунктов Астраханской области..............................................................................................................................106

3.6. Применение ВЭУ для отопления и горячего водоснабжения..............................114

ГЛАВА 4. АНАЛИЗ И ОПТИМИЗАЦИЯ СТРУКТУРЫ СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ С УЧЁТОМ ВВОДА ОБЪЕКТОВ ВЕТРОЭНЕРГЕТИКИ.....................................................................................................122

4.1. Проблемы бесперебойности и надёжности электроснабжения от ВЭУ...................................................................................................................................122

4.2. Проблемы взаимодействия, самозапуска, взаимного влияния ВЭУ...................131

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ ПРИЛОЖЕНИЯ.........................................................

.152 154 170

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы.

Задачи удовлетворения существующей и будущей потребности населения и промышленности России в электрической и тепловой энергии связаны с ограниченными запасами органических ископаемых и требованиями экологии, что приводит к необходимости использования возобновляемых источников энергии (ВИЭ). Практически наиболее значимым и освоенным в мире видом ВИЭ является ветровая энергия, которая в настоящее время не только используется в более широких масштабах, чем остальные возобновляемые виды энергии, но и имеет большие перспективы развития в ближайшие десятилетия. Россия обладает огромным потенциалом ветровой энергии, но по установленной мощности ветроэнергетических установок (ВЭУ) отстает не только от ведущих промышленно развитых стран, но и от большинства развивающихся стран. Установленная мощность ВЭС России на начало 2011г., равная 15,4 МВт, в 2900, 2600, 1750, 1350, 850 раз ниже, чем в Китае, США, Германии, Испании, Индии соответственно. Это положение является тем более нетерпимым, если вспомнить, что в 30-е годы XX века Россия являлась мировым лидером ветроэнергетики.

Перспективными регионами с точки зрения развития ветроэнергетики являются Поволжье; Северный Кавказ; Якутия; Калмыкия; Приморье; Архангельская, Ленинградская, Калининградская, Саратовская, Сахалинская и Магаданская области. Энергетическими ветровыми зонами в России являются также побережье и острова Северного Ледовитого океана от Кольского полуострова до Камчатки, районы Каспийского и Аральского морей, нижней Волги, побережья Охотского, Баренцева, Черного, Азовского морей. Длительность полезного энергетического потока ветра варьируется в этих регионах от 2000 до 5000 часов ежегодно.

Существует тесная корреляционная связь между экономической целесообразностью прокладки новых энергосетей и плотностью населения: показатели эффективности централизованного расширения сетей тем больше, чем выше плотность и

компактность проживающего населения, поэтому в малонаселённых районах целесообразно развитие возобновляемой энергетики, поскольку развитие централизованного электроснабжения нерентабельно.

Особенностью современного состояния разработок и практического использования ВИЭ, в общем случае, является более высокая стоимость получаемой тепловой и электрической энергии по сравнению с традиционными источниками, хотя в мире стоимость ВЭУ непрерывно падает. В России существуют обширные регионы, где по экономическим и экологическим условиям целесообразно приоритетное развитие возобновляемой энергетики и в том числе ветроэнергетики. В этой связи актуализируются целесообразности, направления и масштабы развития ветроэнергетики /

России в ближайшие десятилетия. Важно определение места и роли государства в решении возникающих научно-технических, производственных и социально-экономических проблем внедрения ВИЭ.

Экономически оправдано использование ВЭУ для электрообогрева зданий в удалённых районах, куда в настоящее время доставляется автомобильным транспортом дизельное топливо на расстояние свыше 600 км. Вскоре ветроэнергетика станет успешно конкурировать с традиционными источниками - нефтью, газом, углём. Себестоимость производства электроэнергии за счёт ветра с каждым днём падает. В то же время себестоимость углеводородного топлива будет расти вследствие истощения его запасов. Разработка новых месторождений в будущем потребует повышения капиталовложений, что неблагоприятно отразится на цене топлива для его потребителей.

Причина интереса к использованию энергии ветра лежит, прежде всего, в стремлении расширить виды используемых энергетических ресурсов в связи с быстрым ростом потребления энергии. Для условий РФ важно и то, что энергетика сельского хозяйства не может полностью базироваться на присоединении сельских потребителей к сетям электрических систем, а должна использовать так же местные энергоресурсы. Свыше 60% территории Российской Федерации в настоящий момент не обеспечено централизованным электроснабжением. Ввод объектов генерации на

основе ВИЭ является одним из способов решения проблемы электрификации страны.

Возрастающий интерес к энергетическим ресурсам связан так же с глобальным потеплением и последствиями парникового эффекта. Сегодня происходит осознание, что запасы ископаемого топлива ограничены и их использование ведет к загрязнению окружающей среды. В будущем неизбежно сокращение потребления органического топлива и его замена другими источниками энергии. Использование ВИЭ наиболее привлекательно, так как они не нарушают естественного баланса энергии, получаемой нашей планетой. Если произойдет дальнейшее загрязнение атмосферы Земли прежними темпами, то это может привести к резкому изменению климата, к таянию ледников и, как следствие, повышению уровня океана, разрушению животной среды обитания и угрозе существования человечества.

Современная энергетическая стратегия России делает упор на развитие ядерной энергетики и освоение удалённых каменноугольных бассейнов, в то время как тенденции мировой энергетики направлены на развитие ВИЭ.

Целью работы является разработка практической методики определения оптимальной структуры системы электроснабжения на базе централизованных и распределенных генерирующих источников электроэнергии малых поселений посредством Н-анализа для повышения надёжности электроснабжения в долгосрочной перспективе.

В соответствии с поставленной целью в работе решаются следующие задачи:

1. Проанализировать энергетические, социальные, экономические показатели малых поселений региона и дать комплексную оценку текущему состоянию их электро- и теплоснабжения.

2. Осуществить структурирование и классификацию совокупности типов ВЭУ (видов), используемых на территории РФ, включая отечественные организации, занимающиеся производством и комплектацией ВЭУ.

3. Выполнить для муниципальной структуры потребителей региона технико-экономическое обоснование типа, количества и мощности используемых ВЭУ.

4. На базе системного подхода произвести исследование энергетической эффективности единичной ВЭУ горизонтального типа с учётом метеоусловий.

5. Выполнить прогноз величины годового регионального электропотребления до 2020г. с учётом использования ВИЭ для оптимизации системы электроснабжения.

6. Разработать математическую модель структурирования объектов возобновляемой генерации.

7. Произвести оптимизацию системы электроснабжения низкого напряжения частных домохозяйств и малого бизнеса.

Основные методы научных исследований.

При выполнении работы применялись методы математической статистики, це-нологический подход, методика регрессионного анализа, математическая модель простых чисел. Произведено математическое моделирование качественной, количественной и пространственной структуры объектов возобновляемой генерации в проекции на Астраханскую область. Результатом теоретических исследований явились разработанные универсальные прикладные математические модели, реализованные посредством различных программных пакетов.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Разработка методики расчёта производства электроэнергии единичной ветроэнергетической установкой в условиях имеющихся внешних факторов и условий.

2. Создание методики расчёта потребления электроэнергии малыми поселениями всего региона в условиях ограниченности и противоречивости статистического материала.

3. На основе Я-анализа разработана методика формирования структуры источников генерации на базе ВИЭ с целью повышения эффективности электроснабжения территориальных образований.

4. Представлен прогноз величины годового регионального электропотребления в долгосрочной перспективе с помощью математического аппарата регрессионного анализа с учетом планируемого ввода генерации за счет ВИЭ.

5. Произведено обоснование эффективности сочетания централизованной и распределенной энергетики для обеспечения гарантированного минимума энергопотребления населения и малого частного производства в зонах неустойчивого централизованного энергоснабжения.

6. Обоснована экономическая эффективность комбинированного производства тепловой и электрической энергии посредством ветроэнергетических установок с экологической оценкой использования объектов возобновляемой энергетики в течение нормативного срока эксплуатации в сравнении с объектами традиционной генерации (ТЭС на угле, мазуте и природном газе) аналогичной мощности.

7. Предложен сценарий ввода новых генерирующих мощностей на базе ВИЭ малой мощности на территории малых поселений Астраханской области, позволяющий осуществить частичную или полную автономность электроснабжения конечных потребителей малых поселений.

Практическая ценность и реализация полученных результатов заключается в следующем:

1. Создана математическая модель определения энергопотребления малых поселений для оценки текущих энергозатрат и прогнозирования дальнейшего развития региона. Алгоритм модели справедлив для любого региона страны.

2. Разработана универсальная математическая модель работы горизонтальных ВЭУ для их сравнительного анализа и прогнозирования количества производимой ими электроэнергии при заданных метеорологических условиях.

3. Разработана методика построения оптимальной устойчивой структуры ценозов любой природы.

Апробация работы.

Основные положения диссертации, её отдельные решения и результаты докладывались на заседаниях кафедры ЭПП МЭИ (ТУ) в 2009, 2010, 2011 годах и обсуждались на ряде конференций и семинаров, в том числе:

1. XXXIX научно практическая конференция с международным участием "Повышение эффективности электрического хозяйства потребителей в условиях ресурсных ограничений" (г. Москва, МЭИ (ТУ), 16-20 ноября 2009г.).

2. XIV конференция по технетике и общей ценологии с международным участием "Междисциплинарность ценологических исследований. Общая и прикладная ценология" (г. Москва, МЭИ (ТУ), ноябрь 2009г.).

3. VTII международная научно-практическая интернет-конференция "Энерго- и ресурсосбережение - XXI век" (г. Орёл, ОГТУ, 1 марта - 30 июня 2010г.).

4. V Молодёжная Международная научная конференция "Тинчуринские чтения" (г. Казань, КГЭУ, 28 - 29 апреля 2010г.).

5. XL Всероссийская научно-практическая конференция (с международным участием) с элементами научной школы для молодёжи "Федоровские чтения - 2010" (г. Москва, МЭИ (ТУ), 16-19 ноября 2010г.).

6. XV конференция по философии техники и технетике и семинар по ценологии "Ценологическое моделирование: теоретические основания и практические результаты" (г. Москва, МЭИ (ТУ), ноябрь 2010г.).

7. IX международная научно-практическая интернет-конференция "Энерго- и ресурсосбережение - XXI век" (г. Орёл, ОГТУ, 15 марта - 30 июня 2011г.).

8. VIII Межрегиональная (Международная) научно-техническая конференция студентов и аспирантов "Информационные технологии, энергетика и экономика" (г. Смоленск, МЭИ (ТУ) в г. Смоленск, 14-15 апреля 2011г.).

Публикации.

По теме диссертации опубликовано 12 печатных работ, в том числе 3 в изданиях, включённых в перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, рекомендованных ВАК РФ.

Объём и структура работы.

Диссертационная работа изложена на 169 страницах машинописного текста, включая 21 таблицу и 53 иллюстрации. Список использованной литературы включает 161 наименование работ отечественных и зарубежных авторов. Работа состоит из введения, четырёх глав, заключения и 21 приложения. Приложения представлены на 103 страницах.

ГЛАВА 1. СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ТЕНДЕНЦИЙ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКИ МИРА И РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ 1.1. Состояние и тенденции развития энергетики Российской Федерации до 2020 года и место вторичных энергоресурсов в обеспечении надёжности электроснабжения и повышении энергоэффективности

Главными стратегическими ориентирами долгосрочной государственной энергетической политики России являются: энергетическая безопасность; энергетическая эффективность экономики; бюджетная эффективность энергетики; экологическая безопасность энергетики [139].

Установленная мощность электростанций зоны централизованного электроснабжения России (таблица 1.1) по состоянию на 31 декабря 2006г. составила 210,8 ГВт, из них мощность тепловых электростанций составляет 142,4 ГВт (68% суммарной установленной мощности), ГЭС и гидроаккумулирующих электростанций- 44,9 ГВт (21% суммарной установленной мощности) и атомных электростанций - 23,5 ГВт (11% суммарной установленной мощности) [22, 139, 84].

Таблица 1.1.

Структура объектов генерации Российской Федерации.

Электростанции Мощность, МВт Доля суммарной мощности, %

Все электростанции РФ 216585 100

ТЭС 147032 68,0

ГЭС 44836 21,0

АЭС 22900 10,6

Гидроаккумулирующие 1215 0,4

Геотермальные 86 0

Ветровые 10 0

Введено в эксплуатацию с 1990 по 2007г. преимущественно на тепловых электростанциях 24,6 ГВт новых мощностей. К 2020г. уже 57 % мощностей действующих тепловых электростанций отработают свой ресурс. К этому периоду с учетом работ по техническому перевооружению предполагается вывести из эксплуатации устаревшее оборудование на 51,7 ГВт установленной в настоящее время мощности, в том числе на тепловых электростанциях - 47,7 ГВт и на атомных - 4,0 ГВт.

Протяженность электрических сетей напряжением 110-1150 к