Введение к работе
Актуальность. Стратегической задачей России является улучшение социально-экономического и индустриального положения отдаленных территорий (Сибири, Дальнего Востока, Крайнего Севера). Электроснабжение потребителей в этих районах осуществляется, как правило, децентрализовано и характеризуется низкой эффективностью.
Несмотря на повышенное внимание со стороны государства (стимулирование ввода источников малой распределенной генерации (МРГ), в том числе возобновляемых источников энергии (ВИЭ), совершенствование нормативной базы и др.), научные и инженерные разработки (улучшение технико-экономических показателей энергоустановок МРГ, совершенствование методологической базы проектирования и др.), проблема низкой эффективности электроснабжения энергоудаленных потребителей остается нерешенной.
С развитием ВИЭ, устройств силовой электроники, IT-технологий и систем управления открываются новые возможности при проектировании децентрализованных систем электроснабжения (ДСЭ). Примером нового подхода к проектированию ДСЭ являются технологии «виртуальной электростанции».
Понятие «виртуальная электростанция» (ВиЭС) предполагает агрегацию источников распределенной генерации, накопителей и потребителей электроэнергии посредством информационных и электрических связей для их взаимодействия с крупной энергетической системой в качестве единого объекта (кластера). Технологии ВиЭС включают возможность информационного и энергетического обмена между агрегированными объектами, систему дистанционного управления, гибкое ценообразование на электроэнергию.
Объединение на основе технологий ВиЭС нескольких ДСЭ в единый электротехнический комплекс позволит полезно использовать весь потенциал генерации от ВИЭ, снизить потребление органического топлива, получить дополнительные мощности без установки новых источников, по-новому рассматривать вопросы определения тарифов.
Исследованиями технологий ВиЭС занимаются ученые в России (Воропай Н.И., Елистратов В.В., Илюшин П.В., Кучеров Ю.Н., Суслов К.В. и др.) и широкий круг ученых экономически развитых стран мира. Наибольшее внимание уделяется развитию систем управления и вопросам продажи/покупки электроэнергии. Однако, технические вопросы объединения ДСЭ с разнохарактерными источниками в единый электротехнический комплекс, обеспечивающий высокое качество электроснабжения при минимальных потерях передаваемой мощности, пока не решены. Решение этих вопросов, во многом, связано с выбором оптимальной топологии электрической сети данного комплекса.
Степень проработанности проблемы. Значительный вклад в исследование вопросов построения и оптимизации топологии сети с применением технологии ВиЭС внесли зарубежные ученые, такие как: Leo R.P.S., Antunes F.L.M., Imari А., Lombardi P., Rudion K, Styczynski Z., Hegazy Y.G., Abdelaziz A.Y., Ivaneck J., Hropko D. и др.
Несмотря на большое количество исследований по данной тематике, вопросы определения оптимальной топологии электрической сети электротехнического комплекса, функционирующего по принципу ВиЭС, остаются открытыми. Предлагаемые методы и подходы обладают рядом недостатков (отсутствие универсальности, большой объем исходных данных, сложность адаптации оптимизационного алгоритма к конкретному объекту, сложность вычислений), что ограничивает их практическое использование при проектировании.
Объект исследования - децентрализованные системы электроснабжения с возобновляемыми источниками энергии.
м в
Предмет исследования - топология и режимы работы электротехнического комплекса, объединяющего децентрализованные системы электроснабжения.
Цель диссертации - повышение эффективности децентрализованных систем электроснабжения энергоудаленных потребителей путем их объединения электротехнический комплекс, имеющий оптимальную топологию электрической сети и функционирующий по принципу «виртуальной электростанции».
Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие задачи:
исследование особенностей электроснабжения энергоудаленных потребителей и подхода к повышению его эффективности на основе объединения децентрализованных систем электроснабжения (ДСЭ) в электротехнический комплекс (ЭТК) с использованием технологий «виртуальной электростанции»;
разработка алгоритма определения оптимальной топологии электрической сети ЭТК, объединяющего ДСЭ;
отработка разработанного алгоритма и теоретическое исследование режимов работы ЭТК, объединяющего ДСЭ;
экспериментальное исследование режимов работы ЭТК, функционирующего по принципу виртуальной электростанции.
Методы исследования. Для решения поставленных задач использовались: анализ, синтез, сравнение, классификация, методы статистической обработки эмпирических данных, положения теории графов и структурно-топологического анализа, методы компьютерного моделирования электротехнических систем, физическое моделирование.
Научная новизна работы:
-
Предложен новый подход к повышению эффективности электроснабжения энергоудаленных потребителей, отличающийся объединением ДСЭ в единый ЭТК, функционирующий по принципу «виртуальной электростанции».
-
Разработан алгоритм определения оптимальной топологии электрической сети ЭТК, объединяющего ДСЭ, отличающийся интегральной совокупной оценкой структурно-топологических характеристик сети.
-
Разработана имитационная компьютерная модель ЭТК, объединяющего три ДСЭ, позволяющая проводить теоретические исследования параметров нормальных режимов при различных сценариях работы ЭТК.
-
Разработана физическая модель ЭТК с источниками РГ, позволяющая проводить экспериментальные исследования параметров режимов и показателей качества электроэнергии при различных сценариях работы и отличающаяся
наличием имитаторов солнечной электростанции, ветроэнергетической установки, накопителей электроэнергии, двигательной и резистивной нагрузки, объединенных на общей шине переменного тока.
Практическая значимость и реализация результатов работы.
1. Результаты исследований и разработанные научно-технические решения по
объединению ДСЭ в ЭТК, функционирующий по принципу «виртуальной
электростанции», будут полезны при разработке пилотных проектов и создании
нормативно-методической базы проектирования «виртуальных электростанций».
-
Разработанный лабораторный стенд был использован в работе НГТУ по проекту «Повышение эффективности использования малой распределенной генерации на основе технологий «виртуальной электростанции» в рамках ГЗ № 13.2078.2017/4.6 от 31.05.2017.
-
Материалы диссертационной работы внедрены в учебный процесс кафедры «Электроэнергетика, электроснабжение и силовая электроника» НГТУ им. Р.Е. Алексеева при чтении лекций, проведении практических и лабораторных (с использованием лабораторного стенда) работ по курсам «Специальные вопросы электроснабжения», «Автоматизация и управление систем электроснабжения».
На защиту выносятся:
-
Результаты исследования особенностей электроснабжения энергоудаленных потребителей.
-
Алгоритм определения оптимальной топологии электрической сети электротехнического комплекса, объединяющего ДСЭ.
-
Результаты теоретических и экспериментальных исследований режимов работы электротехнического комплекса, объединяющего ДСЭ.
Апробация результатов работы. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались:
на международных конференциях и форумах: X, XIII НТК «Энергия», ИГЭУ, Иваново, 2015 г., 2018г.; XVIII НТК «Бенардосовские чтения», ИГЭУ, Иваново, 2015 г.; XIII-XVI Молодежные НТК «Будущее технической науки», НГТУ, Н. Новгород, 2014-2017 гг.; VI, VII Молодежные НТК «Электроэнергетика глазами молодежи», ИГЭУ, Иваново, 2015 г., г. Казань, КГЭУ, 2016 г.; XLVI, XLVII НПК «Федоровские чтения», МЭИ, Москва, 2016, 2017 гг.; V Молодежный форум «Интеллектуальные энергосистемы», ТПУ, Томск, 2017 г.; XX Научно-промышленный форум «Великие реки», Н.Новгород, 2018;
на всероссийских конференциях: I НТК «Энергосберегающие технологии в АПК», НГИЭИ, Княгинино, 2014 г.; IX, X научные конференции «Возобновляемые источники энергии», МГУ, Москва, МГУ, 2014, 2016 гг.; II, III НТК «Актуальные проблемы электроэнергетики», НГТУ, Н.Новгород, 2016, 2017 гг.;
на региональных конференциях: XXXII НТК «Актуальные проблемы электроэнергетики» НГТУ, Н.Новгород, 2013 г.; XIX, ХХ, ХХII Нижегородские сессии молодых ученых (технические науки), Н.Новгород, 2014, 2015, 2017 гг.
Связь диссертации с научными программами. Работа выполнена в рамках государственного задания Минобрнауки России по теме «Повышение эффективности использования малой распределенной генерации на основе технологий «виртуальной электростанции» (ГЗ № 13.2078.2017/4.6 от 31.05.2017).
Личный вклад автора. Математический и структурный анализ электрической сети электротехнического комплекса, объединяющего ДСЭ, разработка теоретических и методических положений, алгоритма оптимизации, разработка программы на ЭВМ, разработка схемы и расчет параметров оборудования лабораторного стенда, анализ результатов исследований и формирование методических рекомендаций.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 24 работы, в том числе 2 статьи в журналах, входящих в Перечень рецензируемых научных изданий, рекомендованных ВАК РФ, 2 статьи в журналах, входящих в базу цитирования Scopus, свидетельство о регистрации программы для ЭВМ.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников и шести приложений. Объем диссертации составляет 172 страницы, из них 130 страниц основного текста, включая 49 рисунков, 31 таблицу. Список использованных источников содержит 207 наименований.