Содержание к диссертации
Введение
1. Технико-экономический анализ автономных систем электроснабжения и определение путей повышения их эффективности 14
1.1. Современное состояние систем электроснабжения децентрализованных потребителей 14
1.2. Технико-экономические показатели систем электроснабжения на базе дизельных электростанций 18
1.3. Анализ возможностей применения установок возобновляемой энергетики в автономных системах электроснабжения 24
1.4. Синтез требований, предъявляемых к комбинированным автономным системам электроснабжения 29
1.5. Выбор и обоснование структуры комбинированных автономных систем электроснабжения 34
1.6. Выводы 44
2. Математические модели и методы исследования комбинированных систем автономного электроснабжения 48
2.1. Обоснование и выбор методов исследования комбинированных систем автономного электроснабжения с возобновляемыми источниками энергии 48
2.2. Математическое моделирование ветроэнергетических установок малой мощности 52
2.2.1. Метод моделирования механических характеристик ветротурбин малой мощности по данным их технической спецификации 54
2.2.2. Математическая модель ветротурбины малой мощности в MatLab Simulink 59
2.2.3. Динамическая модель ветра 68
2.3. Математическая модель дизельной электростанции 75
2.3.1. Математическая модель дизельного двигателя 76
2.3.2. Математическая модель синхронного генератора 82
2.4. Математическая модель солнечной электростанции 92
2.4.1. Математическое описание процессов энергопреобразования и эквивалентная схема замещения солнечного элемента
2.4.2. Математическая модель солнечной батареи в Matlab/Simulink 99
2.4.3. Математическая модель прихода солнечной радиации
2.5. Математическое моделирование силовых преобразователей энергии 105
2.6. Математическое моделирование буферного накопителя энергии 110
2.7. Имитационная модель режимов электропотребления автономным объектом электроснабжения -. 113
2.8. Выводы 120
3. Повышение эффективности автономных систем электроснабжения на базе дизельных электростанций 123
3.1. Обзор технических возможностей повышения эффективности автономных дизельных электростанций 123
3.2. Оптимальный выбор числа и мощности дизель-генераторов автономной дизельной электростанции 127
3.3. Системы оперативного управления рабочими режимами дизельных электростанций 144
3.4. Буферные накопители энергии в составе автономных дизельных электростанций 147
3.5. Выводы 153
4. Дизельные электростанции с переменной частотой вращения 155
4.1. Сравнительный анализ структурных схем построения автономных дизельных электростанций 155
4.2. Теоретический анализ энергетических характеристик ДЭС с переменной скоростью вращения 168
4.3. Экспериментальные исследования рабочих режимов ДЭС с переменной скоростью вращения 177
4.3.1. Лабораторная установка для проведения экспериментальных исследований 177
4.3.2. Программа проведения экспериментальных исследований 198
4.3.3. Характеристики ДЭС со стандартной системой управления рабочими режимами 204
4.3.4. Характеристики ДЭС с переменной скоростью вращения 2 4.4. Разработка структурной и функциональной схем построения ДЭС с переменной частотой вращения 223
4.5. Технико-экономическая оценка эффективности применения ДЭС с
переменной частотой вращения 233
4.6. Выводы 241
5. Разработка и исследование комбинированных автономных систем электроснабжения с возобновляемыми источниками энергии 243
5.1. Обоснование структуры и разработка стратегии управления режимами комбинированных автономных энергетических комплексов 243
5.2. Разработка структурной и функциональной схем построения гибридной системы буферного накопления энергии для комбинированных автономных энергетических комплексов 258
5.3. Разработка алгоритмов управления комбинированными автономными энергетическими комплексами 264
5.4. Оценка энергетических характеристик комбинированной системы автономного электроснабжения с буферным накопителем энергии... 269
5.5. Теоретические исследования комбинированных автономных систем электроснабжения 279
5.6. Экспериментальные исследования комбинированных автономных систем электроснабжения 287
5.7. Выводы 298
6. Технико-экономическое обоснование использования установок возобновляемой энергетики в автономных системах электроснабжения 300
6.1. Методика выбора ветроэнергетических установок малой мощности для комбинированных систем автономного электроснабжения 301
6.2. Методика оценки технико-экономической эффективности применения ветро-дизельных электростанций 314
6.3. Оценка рыночного потенциала применения гибридной системы буферного накопления энергии в реальном секторе экономики 326
6.4. Выводы 335
Заключение 337
Список использованных источников
- Анализ возможностей применения установок возобновляемой энергетики в автономных системах электроснабжения
- Метод моделирования механических характеристик ветротурбин малой мощности по данным их технической спецификации
- Системы оперативного управления рабочими режимами дизельных электростанций
- Лабораторная установка для проведения экспериментальных исследований
Введение к работе
Актуальность. Огромную роль в экономике страны играют Восточные и Северные регионы. К зоне Севера и Востока относится почти 2/3 территорий России, на которых проживают около 20 млн. человек. Только незначительная часть Восточных и Северных территорий России находится в зоне централизованного электроснабжения, большая же часть потребителей получает электроэнергию от автономных изолированных энергетических систем. Надежное электроснабжение децентрализованных регионов является актуальной задачей энергетики России, от успешного решения которой зависит не только ее социально-экономическое развитие, но и безопасность значительной части населения.
Основу локальной энергетики России составляют дизель-генераторы (ДГ) и дизельные электростанции (ДЭС) на их основе. Как источники электроэнергии автономных систем электроснабжения они обладают очевидными достоинствами и известными недостатками, к главным из которых относятся большой расход органического топлива на выработку одного кВтч электроэнергии и загрязнение окружающей среды. В тоже время полноценной замены им нет. Серьезной проблемой изолированных от центральных энергосистем потребителей является дальний и дорогостоящий транспорт топлива, ограниченный сроками сезонного завоза, что является одной из главных причин снижения надежности электроснабжения.
Учитывая дефицитность, высокую стоимость и трудность доставки топлива в отдаленные регионы России, важнейшей задачей становится коренное повышение эффективности использования топлива объектами малой энергетики за счет применения современного высокоэффективного оборудования, оптимизации рабочих режимов генерирующих установок, использования нетрадиционных, возобновляемых и местных энергоресурсов. Так как для потребителей электроэнергии децентрализованных зон необходим гарантированный источник питания, наиболее перспективным вариантом построения изолированных энергетических систем представляются комбинированные автономные системы электроснабжения с энергетическими установками возобновляемой энергетики.
Методологическое и научно-техническое обоснование ресурсов
возобновляемых источников энергии и направлений их практического
применения отражено в работах известных российских ученых
Н.Е.Жуковского, Г.Х.Сабинина, В.П.Ветчинкина, Ж.И.Алферова,
В.П.Харитонова, П.П.Безруких, В.В.Елистратова, В.И.Виссарионова, О.С.Поппеля, Д.С.Стребкова, В.Г.Николаева и др. Разработке и совершенствованию автономных систем электроснабжения посвящены работы Д.А.Бута, В.А.Балагурова, Л.М.Паластина, Ф.Ф.Галтеева, А.А.Малоземова, Б.В.Лукутина и др. Однако, научные и технические проблемы, связанные с объединением в составе единой изолированной энергетической системы разнотипных энергетических установок остаются во многом нерешенными.
Основной технической проблемой, возникающей при практическом использовании установок возобновляемой энергетики в составе изолированных энергетических систем, является необходимость согласования режимов производства и потребления энергии. Соизмеримость мощностей генерирующих источников и потребителей в автономных системах электроснабжения приводит к ухудшению качества выходного напряжения в периоды пиков электрической нагрузки, неэффективному использованию природной возобновляемой энергии, снижает общий уровень надежности электроснабжения потребителей.
Большинство, находящихся в эксплуатации и предлагаемых на рынке автономных энергетических систем, использующих возобновляемые источники энергии (ВИЗ), являются технически законченными изделиями, адаптированными под строго определенный тип энергетического оборудования, не допускают расширения их функциональных возможностей и наращивания мощностей за счет подключения новых генерирующих установок. Такая ситуация обусловлена главным образом тем обстоятельством, что параметры генерируемой электроэнергии установками возобновляемой энергетики существенно различаются по основным техническим показателям, таким как род тока, частота и величина выходного напряжения.
Отсутствие на рынке возобновляемой энергетики универсальных технических устройств, обеспечивающих возможность объединения в рамках единой энергетической системы разнотипных энергетических установок с возможностью эффективного управления режимами их работы, является негативным фактором развития малой энергетики России и в то же время актуальной научной и технической задачей для практического решения.
Создание комбинированных автономных систем электроснабжения с возобновляемыми источниками энергии требует решения научной проблемы управления процессами преобразования и распределения энергии в изолированных энергетических системах с генерирующими установками различной физической природы по определенным законам, обеспечивающим их высокую энергетическую эффективность, имеющей важное социально-экономическое значение для децентрализованных регионов страны.
Научные исследования проводились в рамках реализации федеральных целевых программ «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009-2013 гг», «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2013 гг», единого заказ-наряда Минобразования РФ в 2004-2009 гг..
Объектом исследования являются комбинированные автономные системы электроснабжения на основе ветровых, солнечных и дизельных электростанций.
Предмет исследования: физические процессы генерирования, преобразования и передачи энергии в комбинированных автономных системах электроснабжения потребителей с возобновляемыми источниками энергии,
энергетические параметры и режимы работы генерирующих и преобразовательных установок изолированных энергетических систем.
Цель работы состоит в разработке научного обоснования, технических и технологических решений по повышению эффективности комбинированных автономных систем электроснабжения, использующих ДЭС и электроустановки возобновляемой энергетики.
Идея работы заключается в создании универсального энергетического комплекса, обеспечивающего возможность рационального объединения в составе изолированной электроэнергетической системы разнотипных электрических станций и формирование эффективных режимов их работы в зависимости от временных изменений доступной генерируемой и потребляемой мощности.
Для достижения поставленной цели в диссертационной работе определены и решены следующие задачи:
выполнен технико-экономический анализ автономных систем электроснабжения децентрализованных потребителей на основе типовых ДЭС и определены пути повышения их эффективности;
разработана концепция построения комбинированных автономных систем электроснабжения малой мощности с возобновляемыми источниками энергии;
разработаны математические модели энергетических процессов преобразования и распределения потоков энергии в изолированных энергетических системах с возобновляемыми источниками энергии, позволяющие проводить анализ энергетических характеристик и синтезировать эффективные алгоритмы управления рабочими режимами генерирующих установок;
разработаны перспективные технические и технологические решения, обеспечивающие повышение энергетической эффективности автономных дизельных электростанций;
теоретически обоснована и экспериментально доказана эффективность перевода рабочего режима автономной дизель-генераторной установки с постоянной частоты вращения на переменную, оптимизированную по величине электрической нагрузки электростанции;
разработана, спроектирована и реализована в действующей полунатурной модели дизель-генераторная установка, работающая на переменной частоте вращения;
выполнены теоретические и экспериментальные исследования рабочих режимов комбинированных автономных систем электроснабжения с возобновляемыми источниками энергии;
обоснована структура и разработана стратегия управления режимами комбинированных автономных энергетических комплексов с установками возобновляемой энергетики;
разработана, спроектирована и реализована в действующем экспериментальном образце система буферного накопления энергии,
предназначенная для согласования режимов производства и потребления электроэнергии в изолированных энергетических системах, включающих несколько независимых генерирующих установок различной физической природы; - разработаны методики выбора и оценки технико-экономической эффективности применения установок возобновляемой энергетики в комбинированных автономных системах электроснабжения. Используемые в работе методы исследования базируются на общепринятой теории электромеханического преобразования энергии, общей теории сложных технических систем, вероятностно-статистических методов анализа данных; теории автоматического управления, математического моделирования и оптимизации, численных и натурных экспериментов.
Достоверность научных положений подтверждена сопоставлением с результатами других аналогичных исследований, соответствием результатов имитационного компьютерного и полунатурного моделирования установившихся и динамических режимов комбинированных автономных систем электроснабжения с возобновляемыми источниками энергии.
Научную новизну имеют следующие положения, выносимые на защиту:
-
Концепция построения комбинированных автономных систем электроснабжения с возобновляемыми источниками энергии, позволяющая объединять в составе единой изолированной энергетической системы разнотипные энергетические установки различной физической природы с генерирующими мощностями отдельных агрегатов до 100 кВт.
-
Вероятностно-статистические математические модели компонентов комбинированных автономных систем электроснабжения, построенные на базе их энергетических характеристик, позволяющие исследовать и оптимизировать их рабочие режимы и синтезировать эффективные алгоритмы управления.
-
Метод моделирования механических характеристик ветротурбин малой мощности по данным их технической спецификации, учитывающий конструктивные и геометрические особенности моделируемых ветродвигателей.
-
Способы управления рабочими режимами автономной дизельной электростанцией по прогнозному графику электрических нагрузок, обеспечивающие экономию дизельного топлива и увеличение эксплуатационного ресурса дизельных двигателей.
-
Впервые выявлены качественные и количественные характеристики эксплуатационных, экологических и эргономических показателей ДЭС при работе на переменной частоте вращения, установлена универсальная функциональная зависимость частоты вращения вала дизеля от электрической нагрузки дизель-генератора, обеспечивающая минимальный расход топлива.
6. Методика технико-экономического анализа характеристик ветро-
дизельных электростанций с буферным накопителем энергии,
обеспечивающая рациональный выбор основного генерирующего
оборудования.
Новизна результатов подтверждена авторскими свидетельствами и патентами.
Практическую ценность работы составляют разработанные технические и технологические решения, обеспечивающие создание энергетически эффективных систем автономного электроснабжения потребителей, которые по своим техническим характеристикам не уступают лучшим зарубежным и отечественным объектам-аналогам, но обладают большими функциональными возможностями. Полученные результаты могут быть использованы разработчиками и производителями оборудования для установок возобновляемой энергетики, а также предприятиями, занимающимися вопросами энергообеспечения удаленных децентрализованных регионов России.
Личный вклад автора. Диссертация является результатом самостоятельных исследований автора, которые проводились под его руководством или с непосредственным участием. Все научные положения и результаты, определяющие научную новизну и практическую ценность работы, получены соискателем лично. Личное участие автора подтверждено публикациями и выступлениями на конференциях. В опубликованных в соавторстве печатных работах, автору принадлежит научное обоснование принятых технических решений; разработка математических моделей, методик и алгоритмов; анализ и обобщение результатов теоретических и экспериментальных исследований.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертации докладывались и обсуждались на Международной конференции «Возобновляемая энергетика в изолированных системах Дальнего Востока России» (г.Якутск, 2013 г.), XII Международной научной конференции «Интеллект и наука» (г.Железногорск, 2012 г.), V Всероссийской научно-технической конференции «Электроэнергия: от получения и распределения до эффективного использования» (г.Томск, 2012 г.), II Международной конференции по возобновляемым источникам энергии и альтернативным видам топлива «REenergy» (г.Москва, 2011 г.), Международной конференции «Эффективная генерация энергии» (г.Москва, 2011 г.), научно-практической конференции «Локальная энергетика: опыт, проблемы, перспективы развития» (г.Якутск,2010 г.).
Реализация результатов работы. Полученные результаты работы нашли практическое применение при разработке, проектировании и изготовлении технологических элементов системы автоматического управления ДЭС на переменной частоте вращения по договору № 05-1/12-АЭ от 01.07.2012 г. с ОАО «Сахаэнерго»; при разработке, проектировании, изготовлении и испытаниях экспериментального образца гибридной системы
буферного накопления энергии по госконтракту № 16.516.11.6033 от 21.04.2011 г. с Минобрнауки РФ; при разработке схем контроллера системы управления ветро-дизельной электростанцией по госконтракту №П627 от 18.05.2010 г. с Минобрнауки РФ; при разработке способов управления рабочими режимами автономной дизельной электростанцией по прогнозному графику электрических нагрузок по договору № 7-205/10 от 01.09.10 г. с ОАО «Сахаэнерго»; при выполнении работ по договорам № 7-156-159/07 от 29.08.07 г. с ГУ «Кузбасский центр энергосбережения».
Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 46 печатных работах, в том числе 4 монографиях, 26 статьях в изданиях из Перечня, рекомендованного ВАК РФ, 7 патентах на изобретения и полезные модели.
Структура и объем работы. Диссертационная работа объемом 340 страниц основного текста, состоит из введения, шести глав, заключения, 4 приложений, списка использованных источников из 180 наименований; содержит 31 таблицу и 132 рисунка.
Анализ возможностей применения установок возобновляемой энергетики в автономных системах электроснабжения
Мировой опыт свидетельствует о том, что интеграция установок возобновляемой энергетики в изолированные энергетические системы, построенные на базе ДЭС, в целом проходит весьма успешно. В качестве положительного примера можно привести крупномасштабный проект развития возобновляемой энергетики в штате Аляска (США), реализация которого началась в 1997 году, и продолжается по сегодняшний день [143]. В настоящее время успешно завершены 27 проектов по разработке и введению в эксплуатацию ветро-дизельных и ветро-фото-дизельных энергетических комплексов с общей установленной мощностью оборудования возобновляемой энергетики более 15 МВт. Ветро-дизельные энергетические комплексы (ВДК) успешно эксплуатируются в Австралии, Канаде, Великобритании, Китае и других странах мира. Как правило, установленная мощность подобных энергосистем составляет 0.6-2.0 МВт.
Необходимо отметить, что подавляющее большинство реализованных на практике систем комбинированного автономного электроснабжения с использованием установок возобновляемой энергетики, выполнено по индивидуальным проектам. С учетом высокой стоимости технологий возобновляемой энергетики, такой подход является вполне оправданным для автономных энергетических систем относительно большой мощности в сотни кВт, так как позволяет произвести рациональный выбор основного генерирующего оборудования и спроектировать систему управления энергетическим комплексом, обеспечивающую максимально эффективное использование установок возобновляемой энергетики.
Однако, принятая в мировой практике технология разработки и практического внедрения комбинированных систем автономного электроснабжения, в большинстве случаев не приемлема для условий России. В настоящее время в децентрализованных регионах России находятся в эксплуатации более 49 тысяч систем автономного электроснабжения, большинство из которых построено на базе дизельных электростанций. Установленная мощность генерирующего оборудования всех ДЭС составляет около 17млн. кВт, годовая выработка электроэнергии достигает 50 млрд. кВтч, средняя установленная мощность одной электростанции 340 кВт. С учетом того, что большая часть ДЭС являются многоагрегатными энергетическими установками, а в общем составе ДЭС имеются станции МВт-го класса, можно сделать очевидный вывод о том, что большинство автономных изолированных энергетических систем РФ построены на базе генерирующих агрегатов, единичная мощность которых не превышает 100 кВт.
Повышение энергетической эффективности станций именно этого класса является первоочередной задачей совершенствования комплекса децентрализованного электроснабжения России.
Для создания энергетически эффективных комбинированных систем автономного электроснабжения на базе существующих ДЭС небольшой мощности, необходимо решить техническую проблему их сопряжения с энергетическими установками возобновляемой энергетики, которые могут существенно различаются по основным техническим показателям, таким как род тока, частота и величина выходного напряжения.
Большинство, находящихся в эксплуатации и предлагаемых на рынке автономных энергетических систем, использующих возобновляемые источники энергии, являются технически законченными изделиями, адаптированными под строго определенный тип энергетического оборудования, не допускающие возможности расширения их функциональных возможностей и наращивания мощностей за счет подключения новых генерирующих установок.
Разработка индивидуальных технических проектов для каждой комбинированной автономной энергетической системы, потенциальное количество которых составляет десятки тысяч, а установленная мощность небольшая, предопределяет необходимость огромных финансовых затрат, преимущественно из региональных бюджетов, что и является главным сдерживающим фактором развития новых перспективных технологий в регионах.
Отсутствие на рынке возобновляемой энергетики универсальных технических устройств, обеспечивающих возможность объединения в рамках единой изолированной энергетической системы разнотипных энергетических установок с возможностью эффективного управления режимами их работы, является негативным фактором развития малой энергетики России и в то же время актуальной научной и технической задачей для практического решения.
Создание и практическое внедрение подобного устройства обеспечит значительное повышение энергетической эффективности автономных систем электроснабжения с использованием энергоустановок возобновляемой энергетики за счет: - повышения качества напряжения у потребителя до уровня, удовлетворяющего требованиям ГОСТ Р 54149-2010; - снижения удельного расхода топлива на выработку 1 кВт-ч электроэнергии, обеспечиваемого большим полезным использованием энергии первичного возобновляемого энергоресурса и оптимизации рабочих режимов дизель-генераторных установок; - увеличения ресурса дизель-генераторов, обеспечиваемого уменьшением числа часов их общей наработки на вырабатываемую электрическую энергию и оптимизации рабочего режима; - снижения себестоимости вырабатываемой электроэнергии, обеспечиваемого уменьшением общего расхода топлива и затрат на его транспортировку; - повышения уровня надежности электроснабжения потребителей, обеспечиваемого резервом генерирующих мощностей.
Метод моделирования механических характеристик ветротурбин малой мощности по данным их технической спецификации
Для статистического описания турбулентной составляющей скорости ветра в ветроэнергетике преимущественно используют эмпирические модели спектральной плотности S{f), наиболее известными из которых являются функции Давенпорта, Кармана и Каймала [142]. Для моделирования динамической составляющей скорости ветра в настоящей работе использовалась спектральная модель Каймала, рекомендованная международным стандартом [151].
В соответствии с моделью нормальной турбулентности, предполагается, что турбулентные флюктуации скорости ветра являются стационарным полем случайных векторов, составляющие которого имеют гауссово статистическое распределение с нулевым математическим ожиданием.
Спектральные плотности мощности составляющих в нормализованном виде для модели Каймала описываются уравнением: /(/)_ 4-f-L/V a2 "(1 + 6./.L/K)5 3 { } где / - частота в Гц; S(f) - односторонний спектр продольной составляющей вектора скорости; а - среднеквадратичное отклонение продольной составляющей вектора скорости; L - интегральный масштабный параметр турбулентности. Спектральное разложение изображает стационарную случайную функцию разложенной на гармонические колебания различных частот/ь , .. fk,-.-, при этом амплитуды гармоник являются случайными величинами. Согласно теореме Фурье любую функцию с периодом л можно представить в виде ряда: /(0 = 4,+ZA-COS(UV + / J, (2.21) Ы где Ак - амплитуда к-го гармонического колебания; со/, - круговая частота гармонического колебания; щ - начальная фаза А го колебания; Ао - свободный член, представляющий собой математическое ожидание функции на интервале п. С другой стороны дисперсия стационарной случайной функции равна сумме дисперсий всех гармоник ее спектрального разложения: со оо со = cr2=JS(/)-# = A=s(A)-A/, (2-22) Если использовать один и тот же набор частот для спектрального разложения функции и ряда Фурье, то из (2.21)-(2.22) следует, что амплитуда к-го гармонического колебания ряда Фурье будет равна среднеквадратическому отклонению соответствующей гармоники спектра: A=jDk=JS(fk)-Af, (2.23) где А/"— расстояние между соседними частотами. Выполнив несложные преобразования и перейдя к конечному числу частот N, получим уравнение для продольной составляющей скорости ветра, определенной на временном интервале Т: К(0 = К + ХЛ-со5К? + %), (2.24) где V— скорость ветра, осредпенная на 10-ти минутном временном интервале; В выражении (2.24) время моделирования Г соответствует полупериоду основной гармоники: Т=л, соответственно число N определяет частоту дискретизации временного сигнала: Аґ=—; Асо=—; Д/ = —; = ЬД/ fc=l..JV Л= — (2.25) ЛГ Т 2Т 2-Т Выражения (2.20)-(2.24) позволяют построить имитационную временную модель продольной составляющей скорости ветра, если известны спектральные параметры турбулентности.
Величина спектральной плотности для соответствующей частоты fit определяется из уравнения (2.20), а фазовый угол щ представляет собой случайное число в диапазоне от 0 до 2л.
Спектральные параметры турбулентности для модели Каймала определяются в соответствии с требованиями, заданными в [151], согласно которым все ветроэнергетические установки по интенсивности турбулентности подразделяются на при подкласса А, В, С, каждый из которых характеризуется своим ожидаемым значением интенсивности турбулентности воздушного потока на высоте оси ветроколеса /ref.
Класс А соответствует ВЭУ с повышенной турбулентностью (7rct=0.16) и принимается для урбанизированной местности, в которой шероховатость земной поверхности составляет z0 0.3 [142]. Класс В соответствует более открытой местности (0.1 z0 0.3) и интенсивность турбулентности для него принимается равной 7гер0.14. Класс С характеризуется открытой местностью (zo 0.1) с интенсивностью турбулентности /ref=0.12.
Среднеквадратическое отклонение продольной составляющей скорости ветра на высоте оси ветроколеса для 90% квантиля и стандартных классов ВЭУ задается выражением: СУ = Iref-(0J5-Vниь+Ь); 6=5.6 м/с (2.26) где Vhub - средняя скорость ветра на оси вращения ветроколеса. Продольный масштабный параметр турбулентности воздушного потока Л на высоте оси ветроколеса Z выражается зависимостью: д Г0.7 Z Z 60M = (2.27) [ 42 м Z 60 м Для вычисления интегрального масштабного параметра продольной составляющей вектора скорости/, используется выражение: 1 = 8.1-Л (2.28) Исходными данными для расчета параметров турбулентности являются класс ВЭУ, который определяется местом ее размещения, высота оси вращения ветроколеса Z и средняя скорость ветра для данного временного интервала моделирования Уы,ь.
Программная реализация представленной выше модели осуществляется в два этапа. На первом этапе рассчитываются значения амплитуд Ак и фазовых углов щ соответствующих гармоник моделируемого сигнала, а на втором этапе осуществляется его синтез.
Для выполнения вычислений необходимо создать два числовых массива данных: один размерностью M\[m,N], второй M2[N,Nt].
Параметр т в массиве Ml определяется количеством рассчитываемых переменных: fk, S(fk), Ак и т.п. Величина N определяет число гармонических колебаний, которые учитываются при разложении функции. При малой величине N получим невысокую точность расчета, большая величина N требует дополнительных ресурсов. Для решаемого класса задач вполне приемлемым представляется выбор числа учтенных гармоник, порядка iV=50.
Параметр Nt соответствует заданному числу расчетных точек процесса, используемых для вывода. Важно отметить, что синхронизация частот, принятая при разработке модели, требует выполнения определенных соотношений между N и Nt.
Например, целью моделирования является имитация продольной составляющей скорости ветра на временном интервале Гмод=100 с. с дискретизацией Лґзад=0.1 с. Если непосредственно принять 7=100 с, то при N=50 по выражениям (2.25) получим Дґ=2 с, что намного превышает желаемый интервал дискретизации
Системы оперативного управления рабочими режимами дизельных электростанций
При проектировании энергетических систем, использующих энергию солнечного излучения, необходим достоверный прогноз прихода солнечной радиации. Величина солнечной энергии, поступающей на поверхность Земли, является случайной величиной, зависящей от множества факторов.
Общепринятым подходом при моделировании солнечной радиации является применение стохастических моделей, основанных на использовании статистических данных метеонаблюдений за длительный период времени.
Наибольшую достоверность прогноза обеспечивают интегральные модели, позволяющие определить среднемесячный или среднегодовой суточный приход солнечной радиации [14,93]. Данные модели максимально просты и удобны для выбора основного энергетического оборудования ФЭС, расчета выработки электроэнергии, проведения технико-экономического анализа. Для выбора параметров регулирующих устройств и настройки систем управления необходимы модели, позволяющие определить почасовой приход солнечной радиации.
В настоящей работе для моделирования прихода солнечной радиации использовалась методика, предложенная Д.В.Самойловым [117], в основу которой положены классические работы российских и зарубежных ученых [9,32,32,118]. Суммарная солнечная радиация, поступающая на наклонную поверхность ?„акл определяется по выражению: GL, = S— + Ощ. + зем, Вт/м2 (2.40) где 5накл, А,акл, йзсм - прямое солнечное излучение, рассеянное излучение и излучение, отраженное от поверхности Земли, соответственно, Вт/м . Величину 5„акл определяют по выражению: 5гак,= рт соз0 Вт/м2 (2-41) где SopT — прямое солнечное излучение на ортогональную солнечным лучам поверхность, Вт/м2. Для определения 5орт используется формула Кастрова [62,118]: VsinajBT/M2 sina+c где So — солнечная постоянная, Вт/м2; с — коэффициент, характеризующий степень прозрачности атмосферы [62]. Косинус угла в в выражении (2.61) зависит от географической широты местности ф, угла склонения Солнца 5, угла наклона плоскости к горизонту s, азимутального угла у и часового угла со [32]: cosfl = sin 5 sin р coss-sin 5-cosip-sins-cosy + cos 5 cos -cos5-cosoj + cos(5-sin -sini-cosj -cosffl + , рад. (2.43) cos5 sin5-sinу-sina» Склонение Солнца определяется по приближенной формуле Купера: g = 0.41sinf360-284 + A4,pafl (2.44) 102 где N - порядковый номер дня года,
Угол наклона плоскости к горизонту s определяется положением солнечной панели в пространстве и может изменяться от 0 до л/2: 0 -горизонтальное расположение, л/2 - вертикальное.
При ориентации солнечной панели на юг азимутальный угол плоскости у=0, при ориентации на юго-восток у=л/2, при ориентации на юго-запад у=-я/2. Часовой угол Солнца зависит от дня года, широты и времени суток. В полдень га=0, при восходе солнца ю= я/2, при закате со= - л/2. Синус угла а в выражении (2.62) определяют по формуле [32]: sina = sin p-sin(5+cos(/ -cos 5-cosa (2.45) Для определения рассеянной солнечной радиации используем эмпирическую зависимость, приведенную в [124]: Ha„=A„p[0.55 + 0.434.cos ? + 0.3l3-(cos602] , (2.46) где Дим - поток рассеянной солнечной радиации (Вт/м2) на горизонтальную поверхность, которую можно найти по формуле Берлаге [62]: D -iSo-S sincc (2.47) Отраженное от поверхности Земли солнечное излучение определяется по формуле [124]: Л«м=0.47-48М(5гор + ) , (2.48) где Ажм — альбедо Земли; 5гор — прямая солнечная радиация, поступающая на горизонтальную поверхность.
Существенное влияние на поток суммарной солнечной радиации оказывает облачность, для учета которой вводят эмпирические коэффициенты. Для оценки уменьшения интенсивности солнечной радиации от облачности в работе [62] предлагается следующая формула: e ,=e.[l-(a + 0.38-»H, (2.49) где п - количество облаков в долях единицы (и=0 - безоблачное небо; и=1 — сплошная облачность); а - коэффициент, величина которого зависит от среды (суша или море) и от широты местности (численные значения приведены в [62]).
Выражения (2.40)-(2.49) можно использовать для построения математической модели почасового прихода солнечной радиации в произвольно выбранный населенный пункт.
По известному географическому положению населенного пункта необходимо определить близлежащую метеостанцию, для которой проводятся регулярные метеорологические наблюдения, опубликованные на специализированных метеорологических сайтах [94,97]. Для моделируемого дня года из архива фактической погоды на метеостанции нужно определить время восхода/захода Солнца и количество облаков, наблюдаемое в данном населенном пункте в выбранный день, после чего выполнить расчеты по приведенной выше методике.
В качестве примера на рис.2.28 представлены расчетные графики поступления суммарной солнечной радиации на наклонную поверхность (угол наклона к горизонту s=rc/6), ориентированную строго на Юг, и размещенную в районе города Томска 13 мая 2012 года. облачно 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 Г, час. Рисунок 2.28 - Графики поступления суммарной солнечной радиации на наклонную поверхность, ориентированную строго на Юг, и размещенную в районе города Томска 13 мая 2012 года Представленная математическая модель прихода солнечной радиации реализуется средствами простых прикладных программ, легко интегрируется в состав общей математической модели комбинированной системы электроснабжения и использовалась в работе при анализе рабочих режимов фотоэлектрических преобразователей.
Важной компонентой комбинированных автономных систем электроснабжения являются силовые преобразователи электрической энергии. В соответствии с принятой концепцией построения комбинированных автономных энергетических систем сопряжение отдельных генерирующих установок осуществляется посредством шины постоянного тока.
Применение вставки постоянного тока обеспечивает простое наращивание генерирующих и накапливающих мощностей электротехнического комплекса, не требуется временной синхронизации работы отдельных генерирующих установок, имеется возможность гибкого управления потоками энергии между отдельными частями энергоустановки. Комбинированная энергетическая система может быть построена по модульному принципу, что обеспечивает хорошие перспективы для ее практической реализации.
В тое время данный подход обуславливает необходимость применения в системе силовых преобразователей электрической энергии, обеспечивающих выполнение ряда важных и разнообразных функций: - преобразование электрической энергии переменного тока в энергию постоянного тока в широком диапазоне изменений входных параметров (частоты и амплитуды) трехфазных переменных напряжений, поступающих с генераторов ДЭС и ВЭУ;
Лабораторная установка для проведения экспериментальных исследований
По данным Минэнерго России, из 50000 электростанций, функционирующих на территории России, 49000 относятся к малым. Их суммарная установленная мощность составляет 17 тыс. МВт (около 8 % от общей установленной мощности электростанций России), годовая выработка электрической энергии достигает 50 млрд. кВт-ч при расходе топлива - 17 млн.т.у.т.
Доля установок малой энергетики, работающих на нетрадиционных видах топлива, в России крайне мала. Подавляющее большинство объектов используют два основных вида топлива: дизельное топливо и газ. Электроснабжение потребителей осуществляется от передвижных и стационарных энергетических установок: дизельных электростанций (ДЭС), газотурбинных или газопоршневых станций.
Основу малой энергетики России составляют автономные дизельные электростанции, общее число которых превышает 47 тыс., что составляет около 96 % от общего числа малых энергетических установок.
Значительная часть объектов малой энергетики размещена в децентрализованных зонах электроснабжения, большинство из которых расположены на северных территориях страны. В районах Севера в эксплуатации находятся более 6 тысяч ДЭС, суммарная установленная мощность которых составляет более 3000 МВт, ими производится около 6 млрд. кВт-ч электроэнергии в год. Большая часть этих станций работает на дорогостоящем привозном дизельном топливе.
Главными недостатками ДЭС являются высокая стоимость топлива, загрязнение окружающей среды, ограниченный срок службы по сравнению с электростанциями централизованных систем.
Анализ данных свидетельствует о том, что все ДЭС мощностного ряда от 315 до 2500 кВт имеют относительно высокие значения моторесурса (32000-100000 часов) и высокие показатели топливной экономичности (значения коэффициента использования топлива 0.33-0.4), у ДЭС малой мощности эти показатели существенно хуже. Стоимость электроэнергии, вырабатываемой ДЭС, составляет в среднем 10-12 руб/кВт-ч, а стоимость 1 кВт установленной мощности - порядка 180-250 USD. В стоимости электроэнергии доля топливной составляющей (для работы на дизельном топливе) доходит до 80 %.
Повысить экономичность ДЭС можно за счёт полезного использования тепловых потерь двигателей, достигающих в современных дизелях 55-60% от общего количества выделяемого тепла. Тепловые потери можно использовать для подогрева топлива и масла, покрытия отопительных и бытовых нужд станционного здания и прилегающих к нему помещений. Отходящее тепло мощных ДЭС можно использовать для теплофикации пристанционного района.
Основной проблемой утилизации тепловых потерь дизельных двигателей является несовпадение графиков электрических и тепловых нагрузок, что требует введения в состав электростанций дополнительных технических устройств.
Значительную экономию дорогостоящего дизельного топлива можно получить путем перевода ДЭС на «сырую» нефть или газ, особенно если они добываются в регионе.
Существенным резервом повышения экономичности автономных систем электроснабжения является использование комбинированных электроустановок, сочетающих в себе установки возобновляемой энергетики и дизельные электростанции. Однако, введение в состав дизельной электростанции установок возобновляемой энергетики будет экономически оправдано только тогда, когда расчетные затраты на ВИЭ будут сопоставимы со стоимостью сэкономленного топлива и моторесурса ДЭС. Эффективность установок возобновляемой энергетики во многом определяется потенциалом первичного энергетического ресурса: чем больше часов в году будет работать установка, тем будет больше экономия топлива ДЭС и меньше расходы на ремонт. Стоимость дизельного топлива, включая расходы на его доставку, и стоимость ремонтных и профилактических работ ДЭС, также во многом определяют эффективность совместной работы нетрадиционных и традиционных энергетических установок.
Современные тенденции постоянного роста цен на топливо и транспортные расходы могут значительно расширить зоны экономически целесообразного применения комбинированных энергосистем, во многом этому способствует развитие и все большая ценовая доступность технологий возобновляемой энергетики.
Проведенные исследования показывают, что для ДЭС большой мощности возможно снижение удельного расхода топлива до 15-20 % за счет оперативного управления рабочими режимами электростанции [83]. Автоматизированная система оперативного управления должна обеспечивать рациональное включение/отключение дизель-генераторов в соответствии с прогнозным графиком нагрузки потребителя.
Характерной особенностью рабочих режимов ДЭС малой мощности является резко переменный характер нагрузки и ограниченное число рабочих дизель-генераторов, что приводит к малой загрузке дизелей и соответственно, к завышенному удельному расходу топлива. Для ДЭС малой мощности необходимо изучить возможность оптимизации режимов за счет использования в их составе буферных накопителей энергии и перевода дизельных двигателей с постоянной частоты вращения на переменную. Предварительные исследования показывают, что с помощью данных мер можно обеспечить экономию топлива на 10-25 %.
