автореферат диссертации по энергетике, 05.14.08, диссертация на тему:Разработка методики технико-экономического обоснования структуры и параметров энергокомплекса на базе возобновляемых источников энергии

На правах рукописи

Сидельников Андрей Иванович

Разработка методики технико-экономического обоснования структуры и параметров энергокомплекса на базе возобновляемых источников энергии

Специальность 05.14.08 — энергоустановки на основе возобновляемых видов

энергии

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2006

Работа выполнена на кафедре «Нетрадиционных и возобновляемых, источников энергии» в Московском энергетическом институте (Техническом университете)

Научный руководитель доктор технических наук, профессор Тягунов Михаил Георгиевич

Официальные оппоненты:

доктор технических наук Муравьев Олег Алексеевич

кандидат технических наук Буранов Равшан Мамаражабович

Ведущая организация ОАО «Всероссийский научно-исследовательский институт электроэнергии».

Защита состоится 2006г. в час. О&мнн. в ау-

дитории Г — 200 на заседании диссертационного совета Д212Л 57.03 при Московском энергетическом институте (Техническом университете), по адресу: 111250, г. Москва, Красноказарменная 17.

Отзывы в двух экземплярах, заверенные печатью, просим присылать по адресу: 111250, г. Москва, Красноказарменная 14, Ученый совет МЭИ (ТУ).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МЭИ (ТУ).

Автореферат разослан " /6 " & * с л 2006 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.157.03

к, т, н., доцент

Бердник Е. Г.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

Энергетическая стратегия России на период до 2020 года, утвержденная распоряжением Правительства Российской Федерации № 1234-р от 28 августа 2003 года, предусматривает значительное увеличение доли электроэнергии, производимой установками на основе возобновляемых источников энергии (ВИЭ).

В этом документе технический потенциал возобновляемых источников энергия оценивается в 4,6 млрд. т.у.т. в год, то есть в пять раз превышает объём потребления всех топливно-энергетических ресурсов России, а экономический потенциал определен в 270 млн. т.у.т. в год, что немногим более 25% от годового внутреннего потребления энергоресурсов в стране. В настоящее время экономический потенциал ВИЭ существенно увеличился в связи с подорожанием традиционного топлива.

Доля ВИЭ в производстве электроэнергии составила в 2002 году около 0,5 процента от общего производства или 4,2 млрд. кВт-ч, а объём замещения органического топлива — около 1% от общего потребления энергии или около 10 млн. т у.т. в год.

К 2010 году может быть осуществлен ввод в действие около 1000 МВт электрических и 1200 МВт тепловых мощностей на базе ВИЭ при соответствующей государственной поддержке.

Высокий темп развития энергетики на базе ВИЭ делает необходимым создание аппарата, позволяющего решать задачи, возникающие при технико-экономическом обосновании параметров или анализе бизнес-планов проектов энергетических комплексов, состоящих из различных установок преобразования ВИЭ в электрическую энергию, быстро и достаточно

дешево. Это позволит привлечь к сооружению таких установок малые и средние компании и муниципальные образования отдаленных районов.

Поэтому создание методики проектирования энергокомплексов, позволяющей с единой методической позиции производить синтез проектируемого объекта при его работе в составе энергосистемы или при его работе на локального потребителя, вести его экспертизу и решать задачи исследовательского проектирования является актуальной.

Целью диссертационной работы является разработка методики расчета энергокомплекса на базе ВИЭ, позволяющей с единой позиции вести расчет различных вариантов энергокомплекса и его компонент. При этом решены задачи:

— разработка методики проектирования на основе имитационно-оптимизационной модели энергокомплекса на базе ВИЭ, состоящего из ветровой (ВЭС), солнечной <СЭС) и гидравлической (ГЭС) электростанций;

— исследование применимости предложенной методики и рекомендаций по характеристикам энергокомплексов, работающих в составе электроэнергетической системы (ВЭС, СЭС, ГЭС) и на автономного потребителя {ВЭС, СЭС, дизель-генератор (ДО С), аккумуляторная батарея);

Достоверность и обоснованность результатов. Достоверность выводов и рекомендаций основана на непротиворечивости выдвинутых положений известным и достоверно изученным закономерностям. Возможность практической реализации разработанной методики и целесообразности применения данных рекомендаций доказана путем анализа результатов проведенного вычислительного эксперимента.

На защиту выносятся входящие в состав работы, следующие научные положения:

1. Математическая имитационная модель энергокомплекса на базе ВИЭ;

2. Методика проектирования энергокомплексов на ее основе;

3. Рекомендации по параметрам и режимам работы энергокомплексов, выработанные на основе анализа результатов экспериментальных исследований, проведенных с использованием разработанной модели;

Научная новизна работы. Научная новизна заключается в следующем:

Обоснована эффективность исследований по созданию энергокомплексов на основе возобновляемых источников энергии, в том числе на базе существующих ГЭС;

Выявлены достоинства применения методов построения системы автоматизированного проектирования (САПР) энергокомплексов для разработки методов и программных средств быстрой оценки эффективности создания энергокомплексов на основе ВИЭ;

Разработана и опробована методика расчета параметров энергокомплекса на базе ВИЭ для оценки различных вариантов использования преобразователей и накопителей энергии. Методика основывается на анализе структуры и динамики функиио1Шрования энергокомплекса (имитационное моделирование).

На основе разработанной методики получена оценка эффективности создания энергокомплексов на базе действующих малых и средних ГЭС. Оценка сделана по относительному изменению гарантированной мощности и многолетней выработки ГЭС в составе энергокомплекса.

Практическая ценность работы.

Разработанная методика позволяет получать технико-экономическую оценку параметров энергокомплекса, работающего автономно или в составе энергосистемы. Данная методика может быть использована экспертами,

инвесторами, заказчиками или проектировщиками при проектировании и экспертизе бизнес-планов энергокомплексов на основе ВИЭ.

Методика реализована в виде программы имитационного моделирования, которая может быть использована в составе САПР энергокомплексов на базе возобновляемых источников энергии (САПР ВИЭ), в составе автоматизированной системы научных исследований в области возобновляемых источников энергии (АСНИ ВИЭ), а также в качестве учебно-лабораторного комплекса высших и средних учебных заведений.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертации доложены и обсуждены на Международной конференции «Информационные средства и технологии» (МЭИ , МГТУ "Стаикин", 2002 г.), XI Международной Научно-технической конференции студентов и аспирантов "Радиоэлектроника, электротехника и энергетика" (МЭИ, 2003 г.), а также на тучных семинарах кафедры "Нетрадиционные н возобновляемые источники энергии" в 2001 -2005.

С помощью программы имитационного моделирования были выполнены расчеты параметров СЭС по заказу ЗАО "Элма-Фитол".

Публикации. По теме диссертации опубликовано 4 печатные работы.

Структура н объем диссертации. Диссертация состоит из введения , трех глав , заключения , приложения и содержит 121 страницу текста, 30 рисунков, 31 таблицу, список определений, список литературы 62 наименования.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показана актуальность темы диссертации, обозначены вопросы, рассматриваемые в диссертации.

Первая глава. Анализ развития энергетики на основе ВИЭ показывает рост рынка проектов по созданию и применению энергетических установок и комплексов на основе ВИЭ, расширение ассортимента установок на основе ВИЭ делает необходимым работы по автоматизации процесса получения технико-экономической оценки параметров этих установок.

Показано, что в настоящий момент работы по автоматизации процессов расчета энергокомплекса на базе ВИЭ находятся на начальных стадиях, что объясняется сложностью задачи и отсутствием методики расчета, позволяющей в полной мере учитывать все необходимые факторы. В тоже время основными инвесторами или заказчиками проектов связанных с возобновляемыми источниками энергии в России являются небольшие организации. Поэтому в качестве одного из факторов , обуславливающих актуальность данной работы является требование к получению инструментария позволяющего с минимальной стоимостью , в короткие сроки решать задачи , возникающие при технико-экономическом обосновании параметров энергокомплекса или выполнять анализ уже готовых проектов.

Приведен обзор методов, которые в настоящий момент используются для решения задач проектирования.

В данной главе автор составил граф задач решаемых в рамках проектирования и анализа энергокомплекса на базе ВИЭ, с позиции их типизации. На базе данного графа описан круг задач, для решения которых разрабатывается методика.

Показано, что архитектура САПР ВИЭ может быть реализована в виде двухуровневой функционально — распределенной САПР, на первом уровне иерархии управления которой должен располагаться функциональный узел определения оптимальной схемы энергокомплекса и состава отдельных

преобразователей в данной схеме. На втором уровне иерархии управления должны быть расположены САПР, ведущие детальное проектирование по отдельным преобразователям возобновляемой энергии.

Б первой главе показано, что использование существующих методов расчета отдельных преобразователей ВИЭ для всего энергокомплекса в целом, без доработки не эффективно это приводит к уменьшению достоверности расчетов и удорожанию проекта.

Вторая глава. В данной главе разработана математическая имитационная модель энергокомплекса и его элементов на основе схем теории массового обслуживания, которая положена в основу разработанной методики.

Разработанная имитационная модель функционирования энергокомплекса, которая в общем, виде может быть представлена уравнением:

уС0=Б5(х ,и, Ь ,1), (1)

где

- совокупность выходных характеристик системы от времени; х — совокупность воздействий внешней среды; и — совокупность управляющих воздействий; Ь — совокупность внутренних состояний энергокомплекса; I- время;

Бз- закон функционирования системы;

Реализация математической схемы общего вида (1) для энергокомплекса на базе ВИЭ была осуществлена с использованием типовой математической схемы, использующейся для описания процесса функционирования систем массового обслуживания (<2-схема). Выбор О-схемы в качестве базовой для

реализации выше приведенного уравнения обусловлен функциональной схожестью элементов используемых при описание <3-схем и при описание энергокомплекса. Для описания О-схем в качестве основных элементов используются:

1) внешняя среда;

2) накопитель;

3) канал;

4) заявка;

В составе энергокомплекса присутствуют все элементы, функционально совпадающие с вышеописанными, в качестве канала может рассматриваться преобразователь ресурса ВИЭ, в качестве накопителя аккумулятор, роль заявки в энергокомплексе играют значения приходящих ресурсов и значения мощностей, выдаваемых преобразователем и накопителем.

В дальнейшем, так как речь идет о моделировании энергокомплекса, то вместо понятий канал, накопитель будем использовать терминологию преобразователь и распределитель.

<3-схема описывающая процесс функционирования систем любой сложности однозначно задается в виде:

0=<\У,идо,УЛА>, (2)

где

\У-закон прихода заявок (ресурсов);

и- закон изменения параметров управления;

Н- множество значений собственных параметров систем

преобразователей и распределителей;

Ъ- множество значений состояний систем преобразователей и распределителей;

У-множество выходных характеристик;

Я- оператор сопряжения преобразователей и распределителей (схема энергокомплекса);

Л- алгоритмы обслуживания заявки (ресурса);

Таким образом, задача моделирования энергокомплекса свелась к задаче нахождения всех сущностей входящих в выше приведенное выражение для энергокомплекса на базе ВИЗ.

Для реализации оператора Я в вышеприведенной формуле была выбрана 2-фазная схема соединения элементов энергокомплекса. Другими словами была реализована схема энергокомплекса, структуру которой можно описать матрицей состоящей из двух столбцов.

Моделирующий алгоритм был разработан так, что количество элементов первой и второй фазы модели можно менять, поэтому на одной и той же модели, можно получать различные варианты функционирования энер гоком плекса.

При реализации модели было принято правило, в соответствии с которым первая фаза модели может содержать только преобразователи ВИЗ, вторая фаза только распределители энергии.

Если вторая фаза имеет в своем составе несколько распределителей энергии, то необходимо определить правила декомпозиции цели, так как существует неопределенность в покрытие требуемого графика нагрузки мощностями распределителей. В работе было реализовано правило , согласно которому декомпозиция цели осуществляется таким образом , что следующий с верху аккумулятор пытается выполнить остаток цели которое не могло быть выполнено предыдущим аккумулятором.

В случае если целью является требуемое значение часовой мощности, математически данное правило представляется в виде:

к Ь

иак1 (0=2(1) - 2Ушр ак(1) - ЕУс^О), (3)

О О

где

7(0 — значение цели в момент I (требуемая мощность);

иак1 (0 — требуемое значение выхода электрохимического аккумулятора;

Утрак(0 - значение выдаваемое т распределителем в момент ^

Ус11 - значение выдаваемое преобразователем не имеющим

распределителя в момент ^

Ь — количество в схеме преобразователей не имеющих распределителей;

к,1 - нумерация распределителей на схеме, к<;

В данной главе были проведены работы по адаптации математических моделей преобразователей и накопителей к виду пригодному для использования в процессе моделирования.

В рамках данной главы показана зависимость данных моделей от типа систем управления реализованных в этих моделях.

Откуда был сделан вывод о целесообразности совместного математического описания объекта управления и системы управления данным объектом.

На базе разработанного модуля имитации можно осуществить два варианта синтеза облика проектируемого объекта:

1) Синтез, когда ЭВМ на базе методов решения экстремальных задач примененных к имитационной модели определяет оптимальные параметры проектируемого объекта (машинный синтез);

2) Синтез, когда инженер на базе данных имитационной модели определяет дальнейшие действия по изменению параметров модели (синтез на базе библиотеки функций);

Анализ, проведенный в данной главе, диссертационной работы показал, что на современном этапе развития САПР ВИЗ оптимальным вариантом синтеза является синтез на базе библиотеки функций.

Поэтому в данной главе были проведены исследования по определению набора фиксируемых показателей, позволяющих решать задачи синтеза ЭК.

В рамках данной главы был проведен анализ возможности реализации предложенной методики посредством готовых программных средств.

В результате анализа было принято решение по использованию языка программирования общего назначения VBA Access для реализации, предложенной методики.

Далее все компоненты разрабатываемой системы были разделены на программные модули и модули данных. Физическая реализация модулей данных была осуществлена на базе реляционной системы управления базой данных- Access2000.

Третья глава. В ходе экспериментальных исследований по предложенной методике были выполнены две группы исследований:

— основная группа исследований, связанная с оценкой адекватности модели исследуемому объекту ;

- тестовая группа исследований связанная с особенностями машинной реализации предложенной методики;

Тестовая группа исследований показала высокую чувствительность предлагаемой методики к варианту реализации данных по ресурсу.

На базе проведенных исследований построены диаграммы описывающие затраты машинного времени по каждому агрегату входящему в состав энергокомплекса . Анализ данных диаграмм показал , что независимо от типа преобразователя энергии затраты машинного времени по моделированию различных преобразователей энергии сравнимы между

собой, существенные различия возникают только в случае различного типа генерации исходных данных по ресурсу.

Для доказательства пригодности разработанной методики для решения задач проектирования энергокомплекса работающего параллельно с системой или на автономного потребителя была реализована основная группа исследований.

Все вычислительные эксперименты в рамках основной группы исследований были разбиты на две подгруппы:

- вычислительные эксперименты, связанные с оценкой пригодности методики для расчета энергокомплекса работающего в энергосистеме;

- вычислительные эксперименты, связанные с оценкой пригодности методики для расчета энергокомплекса работающего автономно;

Для экспериментов был выбран энергокомплекс в составе ВЭС , СЭС и ГЭС.

Параметры ГЭС были взяты по данным Даховской ГЭС, характеристики ВЭС соответствуют характеристикам ветроагрегата марки Мкоп (М1500-600/150-АР) Дания, технические данные фотобатарей СЭС соответствуют данным фотоэлектрических модулей фирмы "Муссон" Россия, данные по дизель — генератору соответствуют дизельной электростанции АД315С — Т400 — 1Р, производимой "ООО Курскэнергомаш".

В качестве энергетических показателей в экспериментах первой подгруппы основной группы исследований рассматривались:

• Гарантированная мощность энергокомплекса;

• Среднемноголетняя выработка энергокомплекса на базе ВИЭ;

Выбор данных показателей для исследования связан с тем, что они для варианта энергокомплекса , работающего в энергосистеме определяют выручку от результатов деятельности энергокомплекса.

Opt = ЭпродЛУ+Квыт*Т!М + Эпот*Т1Э, (б)

где

TiN - тариф за присоединенную мощность;

Т]Э — тариф за потребляемую ЭЭ из сети (выполняет регулирующие

функции);

Тг1 — тариф за продаваемую электроэнергию;

В качестве факторов , влияющих на гарантированную мощность и среднемноголетнею выработку энергокомплекса в работе рассматривались:

1) установленная мощность ВЭС;

2) установленная мощность СЭС;

3) дискретные интервалы работы ГЭС в суточном графике нагрузки;

4) график сработки -наполнения водохранилища;

5) отметка нормального подпорного уровня;

В ходе эксперимента были приняты следующие допущения:

1) линейный закон сработки - наполнения водохранилища годового регулирования;

2) энергия получаемая от ВЭС и СЭС влияет на гарантированную мощность ГЭС только в месяцы , когда необходимо получить максимум вытеснения тепловых мощностей;

3) вся рабочая мощность ГЭС равна установленной мощности, то есть не учитывается аварийный и нагрузочный резерв;

4) рассматриваются два варианта работы ГЭС в суточном графике нагрузки:

4.1) ГЭС работает в интервале [Ючасов - 14 часов] с постоянной мощностью;

4.2) ГЭС работает в интервале [Пчасов — 13час] с постоянной мощностью;

5) не учитываются потери на льдообразование, фильтрацию и испарение;

6) нет требований по водохозяйственным пропускам;

В ходе исследований по применимости модели для синтеза энергокомплекса при его работе в составе энергосистемы показано:

1) Существует диапазон наращивания мощности ВЭС или СЭС, при их совместной работе с ГЭС, в котором относительный прирост гарантированной мощности энергокомплекса имеет максимальное значение. Оценки показывают, '

что 10% от устанавливаемой мощности ВЭС идет на повышение гарантированной мощности энергокомплекса, для режима работы ГЭС 5 часов;

2) Оптимальное распределение мощности между ВЭС и СЭС при их совместной работе с ГЭС приводит к максимальному увеличению среднегодовой выработки энергокомплекса. Оценки показывают, что в зависимости от параметров ГЭС и ВЭС или ГЭС и СЭС увеличение среднем ноголетней выработки системы за счет их совместного использования составляет [2-20%] от среднемноголетней выработки ГЭС;

3) Показано, что разработанная методика позволяет определять оптимальный состав энергокомплекса и параметры при работе в энергосистеме;

Характерный график изменения гарантированной мощности энергокомплекса в зависимости от типа преобразователей и режима работы ГЭС а суточном графике нагрузка представлен на Рис I.

--ЗЭС (5 часов)

---ВЭС (3 часа)

-СЭС (5 часов)

_ ---СЭС (3 часа)

150

Установленная мощность [МВт]

Рис.1. График изменения гарантированной мощности энергокомплекса в зависимости от типа преобразователей и режима работы ГЭС в суточном графике нагрузки

При исследовании вопроса работы предлагаемой методики для расчета энергокомплекса работающего на локального потребителя была выполнена вторая подгруппа экспериментов в рамках основной группы экспериментов. В

качестве критерия эффективности проектного решения был принят критерий минимальной стоимости одного кВтч отпускаемой электроэнергии, при заданном простом сроке окупаемости.

Характерный график зависимости тарифа электроэнергии при заданном простом сроке окупаемости в зависимости от параметров энергокомплекса , работающего на локального потребителя показан ниже.

**

О 20 40 60 80 Устанавливаемая мощность [кВт]

-»-СЭС 1^=200

~•-BЭCW=0

-*-сэс w=o

-Ж-СЭС \У=100

-«-ВЭС W=100

■а.™ ВЭС W=200

Рис.2. Сравнительный график среднегодовых затрат по топливу для ВЭС и

Результаты экспериментов показали, что методика позволяет определить оптимальный состав участников энергокомплекса и их параметры. В частности при фиксированном значение простого срока окупаемости и условие минимума стоимости одного кВтч отпускаемой электроэнергии.

В результате проведенных экспериментов была доказана возможность реализации предлагаемой методики и обоснованность теоретических положений выдвинутых в данной работе

В Заключении диссертационной работы на основе проведенных исследований сделаны следующие выводы и рекомендации:

1. Показана эффективность создания энергокомплексов на базе существующих ГЭС, в частности показано, что существует оптимальное значение мощности ВЭС или СЭС совместная работа, которой с ГЭС приводит к максимальному увеличению среднегодовой выработки энергокомплекса. В зависимости от параметров ГЭС и ВЭС или ГЭС и СЭС увеличение среднемноголетней выработки системы из-за совместного

СЭС при емкости аккумулятора 200 кВт X час

использования принадлежит диапазону [2-20%] от среднемноголетней выработки ГЭС.

2. Показана применимость методов построения САПР для решения задач технико-экономической оценки эффективности создания энергокомплексов на базе ВИЭ. Разработана имитационная модель для схемного и параметрического синтеза энергокомплекса на базе ВИЭ. .Данная модель позволяет получать различные комбинации ВИЭ, накопителей ЭЭ, без перестройки моделирующего алгоритма. За счет возможности получения различных схем совместного использования ВИЭ разработанная модель позволяет решать задачи связанные с синтезом и анализом ЭК работающего в ЭС и на локального потребителя. Разработанная модель также позволяет решать задачи связанные с оптимизацией совместной работы ГЭС с другими

ВИЭ. Адаптированы модели отдельных преобразователей ВИЭ для их использования в модели энергокомплекса.

3. Разработана методика расчета параметров энергокомплекса на базе ВИЭ, основанная на имитационной модели для схемного и параметрического синтеза энергокомплекса.

4. Апробация разработанной методики показала ее работоспособность для определения оптимальной структуры энергокомплекса на базе ГЭС, ВЭС и СЭС, работающего в энергосистеме и на локально потребителя.

5. На базе проведенного исследования даны рекомендации по ведению совместного режима ГЭС с другими преобразователями ВИЭ. При этом показано, что для случая, когда установленная мощность ГЭС меньше установленной мощности преобразователей ВИЭ без аккумулятора, совместный режим работы ГЭС с остальными преобразователями ВИЭ должен вестись только с рядом агрегатов преобразователей ВИЭ, суммарная установленная мощность которых близка к установленной мощности ГЭС.

6. Построены графики для определения оптимальной схемы и параметров энергокомплекса, работающего на локального потребителя.

7. Разработанная методика реализована в виде прикладного пакета моделирования предназначенного для использования в САПР ЭК на базе

Основные положения диссертации отражены в следующих публикациях;

1. Возможности модернизации АСУ ТП ГЭС в условиях ограниченного финансирования., Алиомаров A.M., Тягунов М.Г., Сндельников А.И. и др. // Гидротехническое строительство 2000. №6 С.29-34

2. Автоматизация управления проектами энергетических комплексов на основе возобновляемых источников энергии, Сндельников А.И., Тягунов М.Г., // Доклады международный конференции "Информационные средства и технологии" / МЭИ, Mi ТУ "Станкин"-2002. С.148-152.

3. Сндельников А.И. САПР энергокомплекса на базе возобновляемых источников энергии // XI Международная Научно-техническая конференция студентов и аспирантов "Радиоэлектроника, электротехника и энергетика": Тез.докл. - М.: МЭИ - 2003. С.334 —

4. Сндельников АЛ. Результаты компьютерного моделирования совместной работы ВЭС.СЭС и ГЭС в составе энергокомплекса и на локального потребителя // XI Международная Научно-техническая конференция студентов и аспирантов "Радиоэлектроника, электротехника и энергетика": Тез.докл. — М.: МЭИ — 2003. С.ЗЗЗ — 334.

ВИЭ.

335.

Полиграфический центр МЭИ, Красноказарменная , 13

ВВЕДЕНИЕ

1. Глава АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ РАБОТ ПО СОЗДАНИЮ

ЭНЕРГОКОМПЛЕКСОВ И САПР ЭНЕРГОКОМПЛЕКСОВ.

1.1. Обоснование необходимости выполнения работ по САПР ВИЭ.

1.2. Постановка задачи и основные этапы ее решения.

1.3. Анализ состояния и тенденции развития САПР.

1.4. Состав автоматизированных систем.

1.5. Характерные особенности САПР.

1.6. Методы решения задач проектирования.

1.7. Оценка альтернатив.

1.8. Классификация САПР.

1.9. Методология создания и развития САПР.

1.10. Критерии эффективности САПР.

1.11. Классификация задач САПР ВИЭ и их анализ.

1.12. Состояние развития САПР ВИЭ.

1.13. Базовый вариант ТЗ на проектирование энергокомплекса на базе ВИЭ.

1.14. Выводы по первой главе.

2. Глава СТРУКТУРНО - ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ МОДЕЛЬ ЭНЕРГОКОМПЛЕКСА.

2.1. Формальная модель энергокомплекса для САПР ВИЭ.

2.2. Описание схемы энергокомплекса.

2.3. Выбор принципа построения моделирующего алгоритма.

2.4. Реализация моделирующего алгоритма.

2.5. Реализация системы управления модели.

2.6. Модель агрегата "внешняя среда".

2.7. Агрегат модели, моделирующий "ГЭС".

2.8. Агрегат модели, моделирующий "ВЭС".

2.9. Агрегат модели, моделирующий "СЭС".

2.10. Агрегат модели, моделирующий аккумулятор.

2.11. Блок оптимизации.

2.11.1. Машинный синтез.

2.11.2. Синтез на базе библиотеки функций.

2.12. Выбор адаптируемого и приобретаемого ПО.

2.13. Функциональное наполнение пакета моделирования.

2.14. Выводы по второй главе.

3. Глава ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПО ПРЕДЛОЖЕННОЙ МЕТОДИКЕ

3.1. Планирование машинных экспериментов.

3.2. Тестовая группа исследований "Особенности машинной реализации модели".

3.3. Основная группа исследований "Особенности функционирования моделируемого объекта".

3.3.1. Энергокомплекс работает в энергосистеме.

3.3.2. Энергокомплекс работает на локального потребителя.

3.4. Выводы по третьей главе.

Новая структурная политика в области электроэнергетики на ближайшие 10-15 лет подразумевает дальнейшее развитие электрификации за счет экономически и экологически обоснованного использования ТЭС, АЭС, ГЭС и источников нетрадиционной возобновляемой энергии /1/. Рассматривая структуру топливно-энергетического комплекса (ТЭК) Российской Федерации можно констатировать, что часть регионов являются энергоизбыточными, а часть энергодефицитными. Большинство регионов в настоящий момент не обеспечены собственными энергоресурсами в достаточном объеме и со временем их дифференциация будет возрастать. Увеличение данной дифференциации означает усиление зависимости региональной политики одного региона от политики другого. Для снятия данного ограничения энергетическая политика энергодефицитных регионов будет направлена на исследование возможности использования собственных энергоисточников или на строительство электростанций Федерального значения. В качестве собственных энергоисточников в данных исследованиях рассматриваются различные варианты использования возобновляемых источников энергии /2/.

В России, как и в США /3/ хорошим коммерческим рынком для использования возобновляемых источников энергии, работающих на локального потребителя, является телекоммуникационный рынок, где необходима энергия для работы различных повторителей и усилителей, удаленно расположенных от источников централизованной системы энергоснабжения. За 2001 год в США ввод новой мощности в данном секторе рынка, достиг 9.0 МВт , для устройств использующих только фотоэлектрические преобразователи.

В условиях общепринятого мирового роста цен на энергию стоимость выработки электроэнергии на базе возобновляемых источников падает. Так стоимость фотопреобразователей уменьшается примерно в 10 раз каждые 20 лет. Поэтому решения, которые раньше оказывались экономически не выгодными, перестают являться таковыми.

Отчет фирмы ВТМ (Великобритания) показывает , что при сохранение современного темпа роста рынка продаж ветроэлектростанций в ближайшие 10-ть лет 2% от вырабатываемой мировой электроэнергии будет выдаваться ветроэлектростанциями /4/.

На территории РФ успешно реализовано ряд проектов строительства малых ГЭС в Кабардино-Балкарии, Карелии, Адыгее, Кировской области, Новгородской области, Краснодарском крае.

По данным фирмы NYD Associates Inc. (Канада) , занимающейся строительством малых ГЭС, рост интереса к проектам, рассматривающим возобновляемые источники энергии, в мире связан с необходимостью соблюдения требований Киотского протокола /5/.

В настоящий момент как в России, так и за рубежом выпускаются гибридные электростанции (hybrid power stations), предназначенные для работы на локального потребителя.

Данные станции используют несколько видов энергетических источников (в том числе и на базе ископаемого топлива) для производства электроэнергии. За 2001 год в мире ввод новой мощности для гибридных электростанций, использующих в своем составе фотоэлектрические установки достиг значения 36 Мвт /3/. При этом надо учитывать , что стоимость устанавливаемой мощности солнечной электростанции (СЭС) не является самой дешевой среди преобразователей возобновляемой энергии.

Одним из требований потребителей электроэнергии является требование к надежности энергоснабжения. Так как ни ветроэлектростанции (ВЭС), ни СЭС, ни ГЭС по водотоку не могут удовлетворить этому требованию сами по себе, в отличие от ТЭС, то данные преобразователи должны рассматриваться в составе энергокомплекса, включающего в свой состав элементы, позволяющие гарантировать потребителю надежность энергоснабжения.

Если описанные выше преобразователи возобновляемой энергии работают в составе энергосистемы, то часть электростанций ведет совместный режим с этими преобразователями для обеспечения надежности снабжения электроэнергией потребителя. В случае, когда эти преобразователи работают на автономного потребителя, данные функции, как правило, выполняет дизель генератор (ДВС - генератор) или аккумулятор.

Таким образом, в рамках задач проектирования энергокомплекса должны рассматриваться задачи связанные с выбором оптимального состава и параметров преобразователей возобновляемой энергии, которые наилучшим образом должны удовлетворять поставленной цели.

В качестве целей САПР энергокомплекса должны рассматриваться задачи по оптимальному выбору состава и параметров преобразователей возобновляемой энергии, для работы в энергосистеме или автономно.

При известной сложности задач проектирования ГЭС, задача проектирования энергокомплекса по мощности множества рассматриваемых альтернатив превосходит задачу проектирования ГЭС. При возрастающей трудоемкости возникающих задач для сохранения прежней эффективности проведения работ необходимо повысить степень автоматизации процессов возникающих в рамках этих задач. Поэтому в качестве одного из факторов, обусловливающих актуальность данной работы, является требование к получению инструментария, позволяющего эффективно решать возникающие задачи.

Отсутствие необходимой методики не позволяет в полной мере решать задачи связанные с комплексным использованием возобновляемых источников энергии. Существующие в настоящий момент работы показывают качественную эффективность совместной работы возобновляемых источников энергии, в то время как для практического совместного использования возобновляемых источников энергии необходимо перейти к количественным характеристикам данных систем.

Развитие технического прогресса приводит к появлению новых решений по преобразователям возобновляемой энергии и как следствие к требованию по рассмотрению новых источников энергии в качестве альтернатив. Отсутствие методики позволяющей оценить совместное использование данного преобразователя энергии с другими замедляет весь процесс выполнения проекта, уменьшает возможность автоматизации технологических процессов, что приводит к удорожанию проектирования. Другими словами проект из типового переходит в разряд индивидуальных. Стоимость экспертизы такого проекта также возрастает и как следствие это ведет к увеличению рисков связанных с инвестициями в проект.

Поэтому возникла задача построения методики проектирования энергокомплекса, позволяющей:

• С единой позиции производить синтез облика проектируемого объекта и вести его экспертизу. При этом энергокомплекс может иметь различный состав" преобразователей , различный режим работы (работать в энергосистеме или автономно) и оборудование.

• Уменьшать размерность возникающих задач за счет того, что каждый эксперт, задействованный в проекте, может работать с моделью только одного объекта, не затрагивая остальные объекты энергокомплекса.

Правильное построение методики расчета опирающейся на использование средств вычислительной техники не является достаточным условием практического использования данной методики. Необходимо также произвести оценку требуемой производительности средств вычислительной техники, оценку трудоемкости программной реализации данной методики, подготовить рабочую документацию и.т.д. На территории Российской Федерации накоплен более чем 20 летний опыт работ по автоматизации проектирования, а в США этот срок превышает 50 лет /6/. Поэтому при автоматизации проектных работ по энергокомплексу на базе возобновляемых источников энергии (ВИЭ) должен быть учтен мировой и отечественный опыт разработки модулей САПР и методов, использованных в данных системах для решения задач встречающихся при проектирование энергокомплекса на базе ВИЭ.

Цель работы: Разработка методики расчета параметров энергокомплекса на базе ВИЭ, позволяющей с единой позиции вести расчет и экспертизу различных вариантов проектируемого энергокомплекса и его компонент.

Методы исследований: Структурный анализ , имитационное моделирование и планирование эксперимента.

Научная новизна: Научная новизна заключается в следующем:

• Показана эффективность исследований в направление создания энергокомплексов на основе возобновляемых источников энергии, в том числе на базе существующих ГЭС;

• Выявлены достоинства применения методов построения САПР для разработки методов и программных средств быстрой оценки эффективности создания энергокомплексов на основе ВИЭ;

• Разработана и опробована методика расчета параметров энергокомплекса на базе ВИЭ для оценки различных вариантов использования преобразователей и накопителей энергии. Методика основывается на анализе структуры и динамики функционирования энергокомплекса (имитационное моделирование).

• На основе разработанной методики получена оценка эффективности создания энергокомплексов, в том числе на базе действующих малых и средних ГЭС.

Практическая ценность: Разработана методика, позволяющая с единой позиции рассматривать задачи, связанные с проектированием энергокомплекса и экспертизой принятых проектных решений.

• Разработанная методика позволяет получать технико-экономическую оценку параметров энергокомплекса, работающего автономно или в составе энергосистемы. Данная методика может быть использована экспертами, инвесторами, заказчиками или проектировщиками.

Методика реализована в виде программы имитационного моделирования, которая может быть использована как в составе системы автоматизированного проектирования энергокомплексов на базе возобновляемых источников энергии (САПР ВИЭ), так и в составе автоматизированной системы научных исследований в области возобновляемых источников энергии (АСНИ ВИЭ), а также в качестве учебно-лабораторного средства профильных учебных заведений.

Определены оценки относительного изменения гарантированной мощности ГЭС в составе энергокомплекса и его многолетней выработки на примере моделируемого энергокомплекса, располагаемого в створе Даховской ГЭС.

3.4. Выводы по третьей главе

В ходе исследований по применимости модели для синтеза энергокомплекса при его работе в составе энергосистемы показано:

1) существует зона линейного роста гарантированной мощности энерго-комполекса при наращивание мощности ВЭС или СЭС , при их совместной работе с ГЭС , в которой относительный прирост гарантированной мощности энергокомплекса имеет свое максимальное значение. Оценки показывают, что 10% и 6% от устанавливаемой мощности ВЭС идет на повышение гарантированной мощности энергокомплекса, для режима работы ГЭС 5 часов и 3 часа соответственно. Также было показано существование зоны постепенного уменьшения скорости роста гарантированной мощности энергокомплекса до нуля, при наращивание мощности ВЭС и СЭС. Все диапазоны наращивания мощностей ВЭС и СЭС , могут быть определены с использованием разработанной методики;

2) существует оптимальное значение мощности ВЭС или СЭС совместная работа, которой с ГЭС приводит к максимальному увеличению среднегодовой выработки энергокомплекса. Данное значение может быть найдено при помощи разработанной методики. Оценки показывают, что в зависимости от параметров ГЭС и ВЭС или ГЭС и СЭС увеличение среднемноголетней выработки системы из-за совместного использования принадлежит диапазону [2-20%] от среднемноголетней выработки ГЭС. Также было показано существование диапазона наращивания мощностей ВЭС или СЭС в котором совместный режим работы с ГЭС не эффективен. Оценки показывают, что переход в диапазон, в котором совместный режим работы ГЭС с ВЭС или СЭС становится не эффективен наступает в случае, когда установленная мощность ВЭС или СЭС превосходит установленную мощность ГЭС;

При исследовании вопроса работы предлагаемой методики для расчета энергокомплекса работающего на локального потребителя была выполнена вторая подгруппа экспериментов в рамках основной группы экспериментов. В качестве критерия эффективности проектного решения был принят критерий минимальной стоимости одного кВтч отпускаемой электроэнергии, при заданном простом сроке окупаемости.

Результаты исследований показали, что существует оптимум по параметрам энергокомплекса , работающего на локального потребителя по критерию минимум стоимости одного кВтч отпускаемой электроэнергии. Данное значение может быть найдено с использованием разработанной методики.

В результате проведенных исследований была доказана возможность реализации предлагаемой методики и обоснованность теоретических положений выдвинутых в данной работе.

Основные научные и практические результаты, полученные в диссертации, заключаются в разработке методики позволяющей решать задачи синтеза и анализа параметров энергокомплекса на базе ВИЭ.

1. Показана эффективность создания энергокомплексов на базе существующих ГЭС. Анализ результатов исследования показал наличие зоны линейного роста гарантированной мощности энергокомполекса при наращивании мощности ВЭС или СЭС , в случае совместной работы их с ГЭС, в которой относительный прирост гарантированной мощности энергокомплекса имеет свое максимальное значение. В данном диапазоне относительный прирост гарантированной мощности энергокомплекса принадлежит диапазону [10%, 6%] от установленной мощности ВЭС и СЭС. В ходе исследования было показано, что существует оптимальное значение мощности ВЭС или СЭС совместная работа, которой с ГЭС приводит к максимальному увеличению среднегодовой выработки энергокомплекса. Исследования показывают, что в зависимости от параметров ГЭС и ВЭС или ГЭС и СЭС увеличение среднемноголетней выработки системы из-за совместного использования принадлежит диапазону [2-20%] от среднемноголетней выработки ГЭС

2. Показана применимость методов построения САПР для решения задач технико-экономической оценки эффективности создания энергокомплексов на базе ВИЭ. Разработана имитационная модель для схемного и параметрического синтеза энергокомплекса на базе ВИЭ. Данная модель позволяет получать различные комбинации ВИЭ , накопителей ЭЭ, без перестройки моделирующего алгоритма. За счет возможности получения различных схем совместного использования ВИЭ разработанная модель позволяет решать задачи связанные с синтезом и анализом ЭК работающего в ЭС и на локального потребителя. Разработанная модель также позволяет решать задачи связанные с оптимизацией совместной работы ГЭС с другими ВИЭ. Адаптированы модели отдельных преобразователей ВИЭ для их использования в модели энергокомплекса.

3. Разработана методика расчета параметров энергокомплекса на базе ВИЭ.

4. Для апробации разработанной методики выполнены исследования, показавшие работоспособность методики для определения оптимальной структуры энергокомплекса на базе ГЭС, ВЭС и СЭС, работающего в энергосистеме и на локально потребителя. На базе проведенного исследования рекомендовано совместное ведение режима ГЭС с другими преобразователями ВИЭ для случая, когда установленная мощность ГЭС больше чем установленная суммарная мощность преобразователей ВИЭ без аккумулятора. Исследование также показало, что для случая, когда установленная мощность ГЭС меньше установленной мощности преобразователей ВИЭ без аккумулятора, совместный режим работы ГЭС с остальными преобразователями ВИЭ должен вестись только с рядом агрегатов преобразователей ВИЭ. \

5. Выполнены исследования с моделью по оценки ее пригодности для решения задач синтеза оптимальной схемы и параметров энергокомплекса, работающего на локального потребителя. На базе экспериментальных данных получены графики, анализ которых позволяет определить оптимальную схему и параметры энергокомплекса.

6. Разработанная методика реализована в виде прикладного пакета моделирования предназначенного для использования в САПР ЭК на базе ВИЭ.

5. СПИСОК ОПРЕДЕЛЕНИЙ система автоматизированного проектирования (САПР) организационно - техническая система, состоящая из программно - технического комплекса автоматизации проектирования, пользователями которого являются сотрудники подразделений проектной организации, computer-aided design (согласно УДК 65.015.13.011.58:006.354 ОТРАСЛЕВОЙ СТАНДАРТ ГОСКОМВУЗА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ). автоматизированная система научных исследований (АСНИ) - это программно-аппаратный комплекс на базе средств вычислительной техники, предназначенный для проведения научных исследований или комплексных испытаний образцов новой техники на основе получения и использования моделей исследуемых объектов, явлений и процессов (ГКНТ СОЮЗА ССР). новые" и возобновляемые источники энергии - солнечная, геотермальная, ветровая, энергия морских волн, приливов и океана , энергия биомассы древесины, древесного угля, тяглового скота, сланцев, битумизированных песчаников и гидроэнергия, (резолюция 34/148 Генеральной Ассамблеи ООН 1978 г.). объект проектирования (проектируемое изделие) - это технический объект (ТО) , который выполняет определенные функции , состоящий из элементов , характеризующийся показателями и зависящий от внешних условий. В основе ТО лежат функции , реализующие необходимые потребности (цели) /14/. уровень автоматизации

Степень использования автоматизированных информационных технологий (automation level) при выполнении функций автоматизированной информационной системы, (согласно УДК 65.015.13.011.58:006.354 ОТРАСЛЕВОЙ СТАНДАРТ ГОСКОМ-ВУЗА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ). энергетическая система установки по производству , преобразованию , распределению и потреблению электроэнергии и теплоты , связанные между собой электрическими и тепловыми сетями с общим режимом управления /61/. энергокомплекс - энергетическая установка, состоящая из энергетических агрегатов основанных на разных принципах преобразования энергии и объединенных в единый технологический процесс (в том числе в процесс хозяйственного управления).

1. Новая энергетическая политика России, под ред. Шафраник Ю.К., М.:Энергоатомиздат, 1995.

2. Энергетика Карелии. Современное состояние, рресурсы и перспективы развития. Борисов Г.А., Сидоренко Г.И., СПб.: Наука ,1999.

3. The world PV market production increases 36%, Paul Maycock, UK: Renewable Energy World, July August, 2002.

4. Soaring to new heights the world wind energy market, Paul Gipe., // Renewable Energy World 2002, July August, p33 - 47

5. Kyoto Protocol to the United Nations Frameworks Convention on climate change / Conference of the Parties to the UNFCCC in Kyoto 1997.

6. Как правильно выбрать САПР ., Абакумов В., / Открытые системы № 2 ,1997.

7. Бельянский А.Б., Развитие малой энергетики путь выживания // Промышленное и гражданское строительство, 2002.

8. Технические характеристики генераторов типа СГ2-500, СГ2-600, СГ2-750, // Сафроновский электромашиностроительный завод, 2002.

9. Energy storage enabling a future for renewables , Richard Baxter., UK: Renewable Energy World, July August, 2002.

10. Comming of age-the energy revolution, Cristopher Flavin, Seth Dunn., // Re-neweble Energy World 1999, July p 29-32.

11. Как управлять проектами . Бурков В.Н., Новиков Д.А., М.: "Синтег -ГЭО", 1997.

12. Валуев, Шаг в XXI век, //Вестник воздушного флота №3,4,1996.

13. Англо русский толковый словарь по информатике., Мячев А.А., М.: "Приор", 1997.

14. Интеллектуальные системы принятия проектных решений. Алексеев А.В., Борисов А.Н., Вилюмс Э.Р., Слядзь Н.Н., Фомин С.А. Рига : Зи-натне, 1997г.

15. Современные проблемы технологии проектирования гидроэлектростанций. Михайлов Л.П.,Золотов Л.А., М.: МЭИ ,1991.

16. Кукк В.,Венделин Е., Управление вычислительным процессом /Автоматизация проектирования в электроники система SPADE/ Таллинский политехнический институт, 1982.-№ 535. С.33-45

17. Советов Б.Я.,Яковлев С.А.,Моделирование систем., М.:Высшая школа,1998.

18. Возможности модернизации АСУ ТП ГЭС в условиях ограниченного финансирования., Алиамаров A.M., Тягунов М.Г., Сидельников А.И. и др. // Гидротехническое строительство №6 , 2000. С 29-3419