Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Научно-технические проблемы при построении системы электроснабжения промышленного предприятия с централизованными и локальными источниками энергии 11
1.1 Современные направления развития электроэнергетических систем 11
1.2 Административно-правовые и технические основы применения локальных источников энергии в распределительных сетях промышленных предприятий 16
1.3 Существующие методы разработки структуры электротехнических комплексов с локальными источниками энергии и количественной оценки их влияния на режимы работы системы электроснабжения промышленного предприятия 22
1.4 Выбор объекта научных исследований 34
1.5 Выводы по главе 1 41
Глава 2 Математический аппарат решения проблемы обоснования структуры и параметров электротехнических комплексов промышленных предприятий с локальными источниками энергии 42
2.1 Расчет потоков мощности в распределительной сети промышленного предприятия с локальным источником энергии 42
2.2 Методы однокритериальной оптимизации режимов работы распределительной сети промышленного предприятия с локальным источником энергии 60
2.3 Методы многокритериальной оптимизации режимов работы распределительной сети промышленного предприятия с локальным источником энергии з
2.4 Эволюционный алгоритм поиска оптимальной емкости локального источника реактивной мощности 76
2.5 Выводы по главе 2 79
Глава 3 Влияние параметров и структуры электротехнических комплексов с локальными источниками энергии на показатели режима работы распределительной сети промышленного предприятия 81
3.1 Зависимости показателей режима работы распределительной сети промышленного предприятия от параметров и структуры электротехнических комплексов с локальными источниками энергии 81
3.2 Целевая функция задачи оптимизации режимов работы распределительной сети промышленного предприятия с локальными источниками энергии 99
3.3 Выводы по главе 3 103
Глава 4 Разработка алгоритма выбора параметров и структуры электротехнического комплекса промышленного предприятия с локальными источниками энергии в распределительной сети 105
4.1 Последовательность выбора оптимальных параметров и структуры электротехнического комплекса промышленных предприятий с локальными источниками энергии в распределительных сетях 105
4.2 Параметры распределительной сети промышленного предприятия с локальными источниками энергии 107
4.3 Результаты работы алгоритма выбора параметров и структуры электротехнического комплекса промышленного предприятия с локальными источниками энергии в распределительной сети 111
4.4 Выводы по главе 4 114
Заключение 115
Список литературы
- Административно-правовые и технические основы применения локальных источников энергии в распределительных сетях промышленных предприятий
- Методы однокритериальной оптимизации режимов работы распределительной сети промышленного предприятия с локальным источником энергии
- Целевая функция задачи оптимизации режимов работы распределительной сети промышленного предприятия с локальными источниками энергии
- Параметры распределительной сети промышленного предприятия с локальными источниками энергии
Административно-правовые и технические основы применения локальных источников энергии в распределительных сетях промышленных предприятий
Во-первых, необходимо определить максимальную мощность распределенной генерации и структуру системы, не вызывающие аварийных ситуаций (перегрузок системы, провалов напряжения, перенапряжений [92]) или неприемлемых колебаний показателей качества электроэнергии, а также обеспечить корректную работу средств РЗА сети и АСУ генерирующей установки. Правильный выбор алгоритмов управления и защиты позволяет «смягчить» ограничения и повысить мощность внедряемых установок распределенной генерации и оптимизировать режим их работы. Также необходимо отметить, что внедрение распределенной генерации приводит к двунаправленному потоку мощности: конечный потребитель может не только импортировать электроэнергию, но и поставлять ее. В связи с этим, генерирующая установка рассматривается в качестве «отрицательной нагрузки» [37,47,72,79,86]. Во-вторых, при использовании ВИЭ следует принимать в расчет переменный характер производства энергии. В зависимости от вида первичного источника, колебания могут происходить в суточном, недельном или сезонном масштабе. При этом, как в случае солнечной энергии, пик производительности установки может сильно не совпадать с пиком потребления.
В-третьих, важно выбрать технологию интерфейса источника энергии с распределительной системой, для того чтобы удовлетворить требования, предъявляемые к качеству энергии, а также обеспечить управляемость установки распределенной генерации. Также выбор интерфейса является ключевым шагом на пути к достижению возможности использовать различные источники энергии в режиме plug-and-play (подключение и эксплуатация без дополнительных операций).
Крайне важны способы количественной оценки технической и экономической целесообразности использования распределенных источников электрической энергии в рамках концепции ИЭС ААС.
Внедрение локальных источников энергии связано с определением потребителя и поставщика электроэнергии как в пространстве административно-правовых отношений, так и на техническом уровне. В [19] объекты распределенной генерации разделены на три категории: - блок-станции, принадлежащие или предоставляемые промышленным предприятиям на правах аренды; - ТЭЦ в населенных пунктах; - объекты малой и средней генерации, владельцы которых не являются электроэнергетическими компаниями.
В [20] приведены следующие понятия: «1) Потребитель с блок-станцией - потребитель, владеющий на праве собственности или ином законном основании объектом по производству электрической энергии (мощности) и энергопринимающими устройствами, соединенными принадлежащими этому потребителю на праве собственности или ином законном основании объектами электросетевого хозяйства, по которым осуществляется передача всего или части объема электрической энергии, потребляемой указанными энергопринимающими устройствами такого потребителя;
2) Производитель электрической энергии (мощности) на розничном рынке собственник или иной законный владелец объекта по производству электрической энергии (мощности), который входит в Единую энергетическую систему России, в отношении которого на оптовом рынке электрической энергии и мощности (далее - оптовый рынок) не зарегистрированы группы точек поставки и установленная генерирующая мощность которого составляет менее 25 МВт или равна либо превышает 25 МВт и на которого не распространяется требование законодательства РФ об электроэнергетике о реализации производимой электрической энергии (мощности) только на оптовом рынке, с использованием которого осуществляется производство электрической энергии (мощности) с целью ее продажи на розничном рынке (начиная с 1 января 2013 г. нераспространение требования законодательства РФ об электроэнергетике о реализации производимой электрической энергии (мощности) только на оптовом рынке подтверждается в соответствии с Правилами оптового рынка электрической энергии и мощности, утвержденными постановлением Правительства РФ от 27 декабря 2010 г. № 1172 (далее - Правила оптового рынка)), либо иное юридическое лицо, обладающее правом продажи электрической энергии (мощности), произведенной на таких объектах по производству электрической энергии (мощности), а также собственник или иной законный владелец объекта по производству электрической энергии (мощности) в технологически изолированных территориальных электроэнергетических системах.»
В [20] к производителю электрической энергии (мощности) на розничном рынке также приравнивается «потребитель с блок-станцией, продающий на розничном рынке электрическую энергию, произведенную на принадлежащих ему объектах по производству электрической энергии (мощности), в пределах объемов продажи, определяемых в соответствии с [20], в случае если на объект по производству электрической энергии (мощности) не распространяется требование о реализации этой электрической энергии (мощности) только на оптовом рынке (начиная с 1 января 2013 г. нераспространение требования законодательства РФ об электроэнергетике о реализации производимой электрической энергии (мощности) только на оптовом рынке подтверждается в соответствии с Правилами оптового рынка) и в отношении объектов по производству электрической энергии (мощности) и энергопринимающих устройств такого потребителя с блок-станцией не зарегистрированы группы точек поставки на оптовом рынке.»
Методы однокритериальной оптимизации режимов работы распределительной сети промышленного предприятия с локальным источником энергии
При решении задачи многоцелевой оптимизации выделяют множество оптимальных решений по Парето, под которым понимается такое множество, в котором одно решение не может быть заменено другим, более хорошим по какому-либо критерию, без ухудшения по одному или более критериям. Поиск оптимальной альтернативы, таким образом, осуществляется на множестве решений эффективных по Парето с привлечением дополнительных условий. Задача одноцелевой оптимизации может быть представлена как частный случай многоцелевой, когда все критерии кроме одного заменены ограничениями, и в этом случае множество Парето вырождается в оптимальное решение, в зависимости от формы представления и полноты информации о системе [1, 26].
Все решения оптимальные по Парето лежат на границе области допустимых значений целевого вектора [57].
Одним из возможных способов решения задачи в условиях многокритериальности является поиск т.н. идеальной точки среди решений оптимальных по Парето, т.е. лежащей на минимальном расстоянии от т.н. точки утопии F0, в которой все целевые функции принимают оптимальные значения f (при этом данная точка лежит вне множества паретоптимальных альтернатив и принципиально недостижима) [57].
Другим способом решения задачи многоцелевой оптимизации является метод скаляризации (метод весовых коэффициентов), при котором критериальные функции fi заменяются одной целевой функцией F с учетом значимости ft, выраженной через весовые коэффициенты
Лексикографические методы (метод предпочтений, метод последовательных уступок) также являются способами многоцелевой оптимизации и заключаются в поочередной оптимизации частных критериев согласно их относительной важности в порядке убывания, в т.ч. с установленной величиной допустимых отклонений от оптимального значения [1, 57].
Недостатком методов также является субъективность экспертного мнения, однако, в меньшей степени, чем в методе скаляризации, так как применяется относительная оценка важности критериев, а не выраженная в абсолютных величинах.
Кроме того, метод предпочтений показывает свою эффективность в условиях неопределенности информации о системе [1].
В качестве способов экспертных оценок применяется ряд методов [1]: 1. Метод балльных оценок и его разновидности (метод Борда-Лапласа); 2. Метод дерева целей; 3. Метод решающих матриц.
Существуют различные техники организации взаимодействия экспертов -метод круглого стола, метод «мозгового штурма», метод Дельфи (частный случай итерационной стратегии с обратной связью) [1, 26]. В настоящее время все большее распространение при решении задач проектирования и эксплуатации инженерных систем получают эвристические методы принятия решения, например, применение генетических алгоритмов оптимизации [1, 12, 25, 57]. К основным достоинствам данного метода можно отнести следующие положения [12, 57]: - в случае однокритериальной оптимизации осуществляется поиск глобальных экстремумов целевой функции, в случае многокритериальной -глобальных решений оптимальных по Парето; - независимость от структуры целевых функций, а также условий ограничений и связи; - меньшее по сравнению с традиционными методами время расчета; - робастность расчета [61].
Строго говоря, генетический алгоритм поиска решений относится к более широкому классу методов - эволюционным алгоритмам, имея при этом ряд отличий [61]: 1. Форма представления информации. Работа классического генетического алгоритма основывается на оперировании строгим набором бинарных переменных (т.н. «хромосомой»), в то время как данные в прочих эволюционных методах могут иметь различную форму. 2. Виды операторов. Изменение наборов бинарных переменных в классическом генетическом алгоритме осуществляется посредством двух основных операторов - скрещивания и мутации (см. Главу 1). При создании прочих эволюционных алгоритмов возможно применение других операторов, в зависимости от формы представления информации и цели поиска решения. Кроме того, создание программы на основе генетического алгоритма для конкретных приложений вызывает сложность в части отработки ограничений, накладываемых на решения [61]. Ввиду указанных отличий, для успешного решения прикладных задач удобней применять методы эволюционного программирования, в т.ч. созданные на основе классического генетического алгоритма (т.н. модифицированные генетические алгоритмы) [61]. Зачастую понятия «генетический алгоритм» и «эволюционный алгоритм» тождественны, в т.ч. вследствие того, что структуры программ на основе указанных алгоритмов идентичны (рисунок 2.12) [61].
Целевая функция задачи оптимизации режимов работы распределительной сети промышленного предприятия с локальными источниками энергии
Активная и реактивная мощности, а также место подключения внедряемых в электротехнический комплекс локальных источников энергии, ограничиваются допустимыми минимальным и максимальным значениями напряжений в узлах и длительно допустимыми токами в линиях электропередач. Кроме того, на параметры и структуру электротехнического комплекса с генерирующими мощностями влияет режим потребления электрической энергии в распределительной сети. Показано, что определенное сочетание параметров и места подключения локальных источников энергии позволяет обеспечить минимальные потери активной мощности в элементах распределительной сети электротехнического комплекса промышленного предприятия. Приведены способы, позволяющие увеличить мощность внедряемых локальных источников энергии.
В результате анализа указанных зависимостей сформулирована целевая функция задачи оптимизации режима работы распределительной сети промышленного предприятия, содержащей локальный источник энергии, а также условия ограничений, обеспечивающие плановую эксплуатацию электротехнического комплекса.
Сделан вывод относительно разработки структуры и обоснования параметров электротехнического комплекса с локальными источниками энергии: выбор характеристик электротехнических устройств, включающих систему внешнего электроснабжения и систему независимых локальных источников энергии, следует производить на основе зависимостей напряжений в узлах распределительной сети, токов в линиях и электрических потерь от топологии распределительной сети, активной и реактивной мощностей локальных источников энергии для периодов максимальной и минимальной нагрузок.
Последовательность выбора оптимальных параметров и структуры электротехнического комплекса промышленных предприятий с локальными источниками энергии в распределительных сетях
На основании выводов, приведенных в Главах 1-3, разрабатывается алгоритм выбора параметров и структуры электротехнического комплекса промышленного предприятия с локальными источниками энергии в распределительной сети. Последовательность шагов представлена на рисунке 4.1.
На основании исходных данных осуществляется разработка схемы замещения распределительной сети промышленного предприятия (замена линий эквивалентными импедансами). При учете КБ необходимо уменьшить величину нагрузки узла по реактивной мощности на значение мощности КБ на данном напряжении. В случае, когда учитывается нелинейность нагрузки или напряжения, составление схемы замещения осуществляется для различных гармонических составляющих с последующим расчетом потокораспределения и применением метода наложения [12].
В случае нелинейной модели и при наличии условий ограничения поиск глобального оптимума может привести к полному перебору возможных решений [61].
Чтобы ограничить область поиска оптимальных параметров и структуры электротехнического комплекса с локальными источниками энергии, определяется средний уровень потерь в элементах распределительной сети и в качестве мест возможной установки принимаются узлы, к которым присоединены линии со значением потерь выше среднего.
Затем при помощи эволюционного алгоритма, являющегося модифицированным генетическим, осуществляется поиск оптимальных мест установки и активной мощности локального источника энергии при постоянном коэффициенте мощности 0,9 с генерацией реактивной составляющей.
На следующем этапе на основании оптимальных мест установки и активных мощностей локальных источников энергии также при помощи эволюционного алгоритма определяются значения реактивных мощностей, обеспечивающих минимум показателя эффективности.
Для осуществления поиска оптимальных значений целевой функции нескольких переменных с учетом условий ограничения генетический алгоритм, приведенный в Главе 2, должен быть модифицирован в части интерпретации генотипа индивида и оценки целевой функции, структуры генетических операторов остаются неизменными.
При поиске оптимальной структуры электротехнического комплекса с заранее известным числом локальных источников энергии также необходима модификация генетического алгоритма в части формирования популяции решений, а также операторов.
Для расчета по указанному алгоритму формируется схема, которая основана на распределительной сети Завода по переработке никелевых руд им. команданте Эрнесто Че Гевары (см. Глава 1) [12]. Потери в двух параллельно работающих силовых трансформаторах 110/10 [11]: АР2Т = 2АРХ + 0,5APK(f)2, (4.1) где ДРХ - потери холостого хода, ДРК - потери короткого замыкания, 5Н -номинальная мощность одного трансформатора, S - суммарная (балансовая) нагрузка трансформаторов (подстанции) предприятия.
Потери активной мощности в силовых трансформаторах 10/0,4 кВ не учитываются. Кроме того, т.к. электроприемники в сетях 0,4 кВ приняты территориально концентрированными, потери активной мощности в данных линиях не учитываются. Также необходимо отметить, что при выборе мест установки генераторов подключение их к шинам ЭЭС осуществляется через комплектные токопроводы, рассчитанные на максимальную полную мощность локальных источников энергии в рамках области поиска, и через токоограничивающие реакторы, приведенные в таблице 1.6, при подключении к узлам вне ГПП.
На рисунке 4.2 приведен график продолжительности активной и реактивной нагрузок, согласно которому предприятия цветной металлургии имеют минимум потребления активной и реактивной мощностей на уровне 85% в течение 260 часов в году, а максимум - 2500 часов [11].
Параметры распределительной сети промышленного предприятия с локальными источниками энергии
Отключение линии 3-4 в часы максимума не приводит к значительному изменению параметров работы ЭЭС и данная ветвь может быть разомкнута в данном режиме, а при снижении производительности локального источника энергии на 1 МВт - и в режиме минимума потребления.
При отключении остальных линий (в т.ч. линии 1-2 в часы максимума) снижения производительности локального источника энергии недостаточно и требуется отключение потребителей с целью уменьшения нагрузки.
На показатели режима работы ЭЭС также оказывает влияние коэффициент мощности локального источника. Так, например, при потреблении установленным на фидере радиальной СЭС генератором реактивной мощности увеличение напряжения происходит менее значительно, в то время как генерация реактивной мощности приводит к появлению проблемы перенапряжений, однако при работе с единичным коэффициентом мощности достигается самый большой рост напряжения [37]. Для модели распределительной сети промышленного предприятия зависимости напряжений в узлах системы от коэффициента мощности (электрического угла) при постоянной активной мощности генератора равной 12 МВт приведены на рисунке 3.8. Зависимость потерь активной мощности в ЭЭС от коэффициента мощности локального источника энергии представлена на рисунке 3.9. Рисунок 3.9 - Зависимость значения потерь активной мощности ЭЭС от коэффициента мощности генератора Потери мощности минимальны при коэффициенте мощности генератора 0,92 (производство реактивной мощности) и снижаются на 13,1% по сравнению с потерями при начальном коэффициенте мощности равном 0,8 (производство реактивной мощности). Семейство зависимостей потерь активной мощности ЭЭС от активной мощности локального источника энергии при различных коэффициентах мощности приведены на рисунке 3.10. Зав60005500 50004500&t 40001-о оf 3500 ио 3000 Ёго5 _Ї 2500 1=200015001000500 їсимость потерь активной мощности в системе от активной мощности генератора
Семейство зависимостей потерь активной мощности ЭЭС от активной мощности локального источника энергии при различных значениях коэффициента мощности: 1 - км=0,8 (генерация реактивной мощности); 2 км=0,916 (генерация реактивной мощности); 3 - км=1; 4 - км=0,916 (потребление реактивной мощности); 5 - км=0,804 (потребление реактивной мощности)
Очевидно, что при производстве реактивной мощности (кривые 1 и 2), уровень потерь активной мощности в ЭЭС ниже, чем при потреблении (кривые 4 и 5), и при производительности генератора 7 МВт совпадают. При генерировании только активной мощности (кривая 3) значение потерь не превышает уровня, полученного при нулевой производительности по активной мощности, на промежутке от 0 до 18 МВт, что также справедливо для кривой 1. Таким образом, в данной модели распределительной сети допустимо проводить расчет оптимальной мощности локального источника энергии с учетом производства реактивной мощности. Семейство зависимостей потерь активной мощности ЭЭС от реактивной мощности локального источника энергии при различной производительности приведены на рисунке 3.11.
Семейство зависимостей потерь активной мощности ЭЭС от реактивной мощности локального источника энергии при различной производительности по активной мощности: 1 - Рг=1,8 МВт; 2 - Рг=3,8 МВт; 3 -Рг=7,8 МВт; 4 - Рг=11 МВт; 5 - Рг=15,8 МВт; 6 - Рг=19,8 МВт; 7 - Рг=23,8 МВт При незначительной производительности локального источника энергии по активной мощности, влияние коэффициента мощности на уровень потерь в ЭЭС линейно и также носит относительно слабый характер (кривые 1 и 2). Однако с дальнейшим ростом производительности по активной мощности в зависимостях потерь наблюдается ярко выраженный минимум (кривые 3-7).
Расположение локального источника энергии также оказывает влияние на режим работы и, как следствие, вмещающую способность ЭЭС [37].
Питание потребителей осуществляется через распределительные пункты (РП) 6 кВ от главной понизительной подстанции (ГПП) 35/6 кВ. В качестве основных приемников электроэнергии на нефтедобывающих предприятиях можно выделить: буровые установки, блочные кустовые насосные станции (БКНС) системы поддержания пластового давления (СППД), дожимные насосные станции (ДНС), дожимные компрессорные станции (ДКС), насосы внутрипромысловой перекачки нефти, штанговые насосы, погружные центробежные насосы и т.д.
