Содержание к диссертации
Введение
1 Исследование особенностей электроснабжения энергоудаленных (автономных) потребителей малой мощности. Постановка цели и задач исследования 12
1.1 Общая характеристика энергоудаленных потребителей малой мощности 12
1.1.1 Проблемы электроснабжения энергоудаленных потребителей 12
1.1.2 Классификация энергоудаленных потребителей 15
1.2 Исследование особенностей электроснабжения поселковых образовательных учреждений Нижегородской области 16
1.2.1 Анализ схем передачи и распределения электроэнергии 16
1.2.2 Оценка показателей качества электроэнергии 18
1.2.3 Анализ электропотребления поселковых образовательных учреждений 20
1.2.4 Анализ получасовых максимумов электрической нагрузки 26
1.3 Требования к показателям эффективности систем электроснабжения
энергоудаленных потребителей. Постановка цели и задач исследования.. 28
1.3.1 Требования к показателям эффективности систем электроснабжения энергоудаленных потребителей 28
1.3.2 Постановка цели и задач исследования 31
1.4 Выводы 33
2 Исследование и разработка технических решений сопряжения - разнохарактерных- ВИЭ, - обеспечивающих гарантированное электроснабжение автономных потребителей 35
2.1 Анализ возобновляемой энергетики России 35
2.1.1 Оценка возобновляемых энергоресурсов России 35
2.1.2 Экономические и целевые показатели возобновляемой энергетики.. 39
2.1.3 Техническая база ВИЭ
2.2 Вопросы комплексного применения ветровых и солнечных электростанций в локальных СЭС 44
2.2.1 Корреляционный анализ вырабатываемой мощности ветровых и солнечных электростанций 44
2.2.2 Экономическая оценка комплексного применения ветровых и солнечных электростанций 16
2.2.3 Проблемы комплексного использования разнохарактерных ВИЭ... 47
2.3 Научно-технические решения подключения к нагрузке ВИЭ с различными выходными параметрами 48
2.3.1 Сравнительная оценка эффективности применяемых способов сопряжения разнородных источников 48
2.3.2 Новизна технического решения Устройства интеграции 51
2.3.3 Особенности модульной конструкции Устройства интеграции 53
2.3.4 Структурные элементы силовой части Устройства интеграции 54
2.3.5 Обоснование эффективности применения Устройства интеграции в локальных СЭС 57
2.4 Выводы 59
3 Исследование критерия выбора ВИЭ, учитывающего риск непостоянства энергоносителя, и разработка алгоритма для его количественной оценки 61
3.1 Исследование риска непостоянства энергоносителей при комплексном использовании ВИЭ в локальных СЭС 61
3.1.1 Определение и характеристика эксплуатационного риска в электроснабжении потребителей (ЭРЭП) 62
3.1.2 Сравнительный анализ подходов к расчету ЭРЭП 63
3.2 Разработка алгоритма количественной оценки ЭРЭП 69
3.2.1 Основные положения и допущения при расчете 69
3.2.2 Формирование исходных данных 70
3.2.3 Последовательность расчета 71
3.2.4 Анализ законов распределения вырабатываемой мощности ВИЭ... 73
3.3 Расчет ЭРЭП на примере СЭС ПОУ и исследование методов снижения ЭРЭП 76
3.3.1 Расчет ЭРЭП на примере систем электроснабжения поселковых образовательных учреждений 76
3.3.2 Анализ зависимости ЭРЭП от статистических характеристик вырабатываемой мощности ВИЭ 79
3.4 Выводы 85
4 Разработка методики выбора параметров комбинированных электротехнических комплексов на основе ВИЭ, обеспечивающих эффективное функционирование локальных СЭС 86
4.1 Выбор возобновляемых источников энергии 86
4.1.1 Анализ способов получения метеоданных 86
4.1.2 Оценка отрицательного воздействия ВИЭ на окружающую среду...
4.1.3 Алгоритм выбора оптимального сочетания ВИЭ с учетом непостоянства поступления возобновляемой энергии 88
4.1.4 Оценка снижения капитальных удельных затрат на единицу вводимой мощности ВИЭ 91
4.2 Выбор резервных источников питания 97
4.2.1 Вопросы проектирования системы накопления электроэнергии 97
4.2.2 Вероятностный подход к определению установленной мощности дизельной электростанции 99
4.2.3 Оценка снижения установленной мощности дизельной электростанции 101
4.2.4 Оценка снижения расхода органического топлива 105
4.3 Схемы эффективных локальных СЭС автономных потребителей малой мощности 106
4.4 Выводы 108
Заключение
- Исследование особенностей электроснабжения поселковых образовательных учреждений Нижегородской области
- Оценка возобновляемых энергоресурсов России
- Определение и характеристика эксплуатационного риска в электроснабжении потребителей (ЭРЭП)
- Алгоритм выбора оптимального сочетания ВИЭ с учетом непостоянства поступления возобновляемой энергии
Введение к работе
Актуальность темы. Для современной России важной задачей является обеспечение энергетической безопасности ее регионов. Единая электроэнергетическая система (в силу охвата только 30% территории страны, значительного износа оборудования и сетей) в полной мере решить данную задачу не способна. Поэтому одним из приоритетных направлений энергетической стратегии России является развитие малой распределенной энергетики (МРЭ), в том числе локальных систем электроснабжения (СЭС) с генерирующими установками, расположенными в непосредственной близости от потребителей.
Слабое развитие транспортной системы, низкая плотность населения в районах, перспективных для появления локальных СЭС, определяют актуальность и конкурентоспособность применения возобновляемых источников энергии (ВИЭ). Широкое использование ВИЭ позволит решить проблемы надежного электроснабжения отдаленных, труднодоступных регионов, обеспечить экономию углеводородного топлива, а также снизить объем вредных выбросов в окружающую среду.
Несмотря на принятие новых нормативно-законодательных документов в области возобновляемой энергетики и расширяющийся ассортимент энергоустановок на ВИЭ, темпы развития локальных СЭС с использованием возобновляемой энергии в России медленные. Одним из барьеров, препятствующих использованию ВИЭ, является низкое качество электроснабжения автономных потребителей вследствие случайного характера поступления возобновляемой энергии.
Обеспечить гарантированное электроснабжение энергоудаленных потребителей позволяет комбинированное использование разнородных источников энергии (ветровые и солнечные энергоустановки, дизель-генераторы) и накопителей электроэнергии. Необходимым условием эффективной работы такой системы генерирования электроэнергии является успешное решение двух проблем - сопряжения разнородных источников и выбора параметров комбинированного электротехнического комплекса на основе ВИЭ.
Проблема сопряжения разнородных источников связана с необходимостью приведения параметров ВИЭ к стандартным параметрам электрической сети. В России и за рубежом распространены технологии совместного использования одного типа ВИЭ (ветровая или солнечная энергоустановка) и дизель-генератора. Разработки, позволяющие эффективно объединять несколько ВИЭ с различным характером выходного напряжения (постоянное, переменное) пока не достигли высокого уровня.
Вопросам выбора генерирующих энергоустановок на ВИЭ посвящены работы многих отечественных и зарубежных ученых (ОБ. Попель, В.И. Виссарионов, П.П. Безруких, Ю.Г. Шакарян, СП. Филиппов, С.К. Шерьязов,
Р.А. Амерханов, М.А. Ташимбетов, Альдо Да Роса Т. Бартон, М.А. Бернер и др.). Основными критериями при выборе ВИЭ, как правило, являются экономические показатели проекта и технические характеристики энергоустановок. При этом отсутствуют критерии оценки принимаемых решений, учитывающие главный недостаток возобновляемой энергии - риск непостоянства энергоносителя.
От эффективности применения разнохарактерных ВИЭ в сочетании с дизельным генератором напрямую зависит эффективность локальных СЭС, которая выражается в надежности электроснабжения потребителей, качестве поставляемой потребителям электрической энергии, капитальных удельных затратах на единицу вводимой мощности и доле расхода органического топлива.
Объект исследования - локальные системы электроснабжения потребителей малой мощности с возобновляемыми источниками энергии.
Предмет исследования - комплексное использование ВИЭ.
Цель работы - исследование и разработка научно-технических решений по созданию комбинированных электротехнических комплексов на основе ВИЭ, обеспечивающих эффективное функционирование локальных систем электроснабжения и качественное электроснабжение автономных потребителей малой мощности.
Для достижения поставленной цели в диссертации решаются следующие научные и практические задачи:
исследование особенностей электроснабжения энергоудаленных (автономных) потребителей малой мощности;
исследование и разработка технических решений сопряжения разнохарактерных ВИЭ, обеспечивающих гарантированное электроснабжение автономных потребителей;
исследование критерия выбора ВИЭ, учитывающего риск непостоянства энергоносителя, и разработка алгоритма для его количественной оценки;
разработка методики выбора параметров комбинированных электротехнических комплексов на основе ВИЭ, обеспечивающих эффективное функционирование локальных СЭС.
Связь работы с научными программами. Работа выполнялась в рамках Федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2013 годы» (государственные контракты № 16.526.12.6016 по теме: «Разработка и создание типового ряда трансформаторно-тиристорных регуляторов напряжения и мощности с расщепленной первичной обмоткой трансформатора и ключами однонаправленного тока»; № 16.516.11.6114 по теме: «Разработка технологии эффективного использования возобновляемых источников энергии в локальной системе электроснабжения потребителей»).
Методы научных исследований. Для решения поставленных задач использовались: анализ, синтез, сравнение, классификация, корреляционный анализ, методы теории вероятности и математической статистики, положения теории портфельного анализа.
Достоверность результатов, полученных в диссертации, определяется корректным использованием основных законов электротехники, адекватностью принятых допущений, применением современных лицензионных программных продуктов, сравнением результатов моделирования с экспериментальными данными. Для выполнения исследований и расчетов использованы метеоданные с сайта NASA Surface meteorology ().
Научная новизна работы состоит в разработке новых подходов, направленных на повышение эффективности функционирования локальных систем электроснабжения с ВИЭ:
разработаны научно-технические решения по сопряжению разнохарактерных ВИЭ, использованные при создании Устройства интеграции. В отличие от существующих технологий сопряжения применение Устройства интеграции в локальных СЭС обеспечивает параллельную работу источников с различными выходными и эксплуатационными параметрами и позволяет дополнять конфигурацию системы генерирования в процессе развития;
обоснован дополнительный критерий оценки правильности принятия решений при выборе ВИЭ и разработан алгоритм для его количественной оценки. Новизна критерия выбора ВИЭ заключается в учете случайного характера поступления возобновляемой энергии;
разработана методика выбора параметров комбинированных
электротехнических комплексов на основе ВИЭ, отличающаяся от
существующих тем, что позволяет учесть случайный характер поступления
возобновляемой энергии.
Практическая ценность и реализация результатов работы.
Результаты исследований и технические решения комплексного применения ВИЭ были использованы при разработке экспериментального образца Устройства интеграции разнородных источников энергии автономных потребителей.
Разработанная методика выбора параметров электротехнических комплексов на основе ВИЭ, учитывающая случайный характер поступления возобновляемой энергии, может быть использована при проектировании систем электроснабжения автономных и энергоудаленных потребителей.
Результаты исследований особенностей электроснабжения
энергоудаленных потребителей малой мощности использованы при разработке интерактивного комплекса лабораторных работ «Энергосбережение и энергоэффективность в системах электроснабжения».
Материалы диссертационной работы используются в учебном процессе кафедры «Электроэнергетика и электроснабжение» Нижегородского государственного технического университета им. Р.Е. Алексеева при чтении
лекций, проведении лабораторных, научно-исследовательских работ по курсам «Электроэнергетика», «Системы электроснабжения» и в дипломном проектировании.
Автор защищает:
результаты исследований особенностей электроснабжения потребителей малой мощности, удаленных от сетей централизованного электроснабжения;
результаты исследований и решение технической задачи сопряжения разнохарактерных ВИЭ, обеспечивающее гарантированное электроснабжение автономных потребителей малой мощности;
алгоритм для количественной оценки критерия выбора ВИЭ, учитывающего риск непостоянства энергоносителя;
методику выбора параметров комбинированных электротехнических комплексов на основе ВИЭ, обеспечивающих эффективное функционирование локальных СЭС.
Апробация результатов работы.
Основные положения диссертационной работы докладывались:
на международных конференциях и саммитах: X, XI, XII Молодежная научно-техническая конференция «Будущее технической науки» НГТУ им. Р.Е. Алексеева Н. Новгород 2011, 2012, 2013 г.г.; Молодежной научно-технической конференции «Энергосистема и активные адаптивные электрические сети: проектирование, эксплуатация, образование» СамГТУ Самара 2011 г.; «Young scientists conference» Warsaw Politechnical University Варшава Польша 2012 г.; XI Ярмарке стартовых инновационных проектов и компаний в рамках международного бизнес-саммита, Н.Новгород, 2013 г;
на всероссийских конференциях: XL, XLI, XLII Научно практическая конференция «Федоровские чтения» МЭИ Москва 2010, 2011, 2012 г.г.; VII, VIII Научная молодежная школа «Возобновляемые источники энергии» МГУ им. М.В. Ломоносова Москва 2010, 2012 г.г;
на региональных конференциях: XXIX, XXX, XXXI Научно-техническая конференция «Актуальные проблемы электроэнергетики» » НГТУ им. Р.Е. Алексеева Н. Новгород 2010, 2011, 2012 г.г.; XIV, XVI, XVII, XVIII Нижегородская сессия молодых ученых (технические науки) Н. Новгород 2009, 2011, 2012, 2013 г.г.
Публикации.
По теме диссертации опубликовано 19 работ, 7 из них в рецензируемых журналах ВАК, 1 статья в иностранном журнале.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников из 202 наименований, 2 приложений и содержит 165 страниц, в том числе 132 страницы основного текста.
Исследование особенностей электроснабжения поселковых образовательных учреждений Нижегородской области
Электроснабжение ПОУ осуществляется на напряжение 0,4 кВ по воздушным линиям (ВЛ-0,4 кВ). ВЛ-0,4 кВ получают питание от трансформаторной подстанции (ТП), расположенной вблизи здания ПОУ. Границы балансовой принадлежности, как правило, проходят по концам линии со стороны ТП. В ТП находятся трансформаторы напряжением 6/0,4 кВ или 10/0,4 кВ. Для электроснабжения ПОУ в основном используется один трансформатор. От трансформатора так же могут питаться близлежащие объекты (котельная, гараж). В двух трансформаторных ТП один трансформатор используется для питания ПОУ, второй является источником электроэнергии для других сельских объектов. Трансформаторы устанавливаются на открытом воздухе, на расстоянии 20-200 м от здания ПОУ. ТП 10(6)/0,4 кВ получают питание по протяженным линиям 10(6) кВ от подстанций (ПС) 110/10 кВ. В Бутурлинском районе - ПС «Бутурлине», в Сергачском районе - ПС «Сергач».
Два ввода 0,4 кВ используются при большой установленной мощности электроплит. К одному вводу подключаются только электроплиты, от второго ввода получают питание все электроприемники и освещение. При одном вводе 0,4 кВ электроплиты подключаются через отдельный распределительный щит (ЩР), электроприемники, питающиеся от розеточной сети, и светильники внутреннего освещения подключаются через осветительные щиты (ЩО).
Анализ схем передачи и распределения электроэнергии показал большую протяженность линий 10(6) кВ (до 50 км) и низкие коэффициенты загрузки трансформаторов 10(6)/0,4 кВ (от 0,3 и ниже), что определяет высокий уровень потерь электроэнергии в этих элементах (по статистике соответственно34 и 26%).
Проведены измерения показателей качества электроэнергии (ПКЭ). Измерения проводились с помощью прибора Fluke 434. Точка подключения прибора - ВРУ 0,4 кВ здания. Результаты измерений показали, что для многих ПОУ границу предельно-допустимых значений (±10%) превышают отклонение и несимметрия напряжения (рисунок 1.3). несимметрия напряжения К отклонению напряжения наиболее чувствительными являются осветительные приборы. При повышении напряжения сокращается срок службы ламп. При понижении напряжения световой поток от ламп заметно снижается, что отрицательно сказывается на зрении сотрудников и обучающихся. Изменение уровня напряжения оказывает отрицательное влияние на работу короткозамкнутых асинхронных двигателей [10]. Низкий уровень напряжения уменьшает вращающий момент асинхронных двигателей, увеличивает их нагрев и ускоряет износ изоляции (уменьшая срок службы). Значительное снижение напряжения может вызвать полную остановку двигателя и нарушение технологического процесса (остановка насоса в котельной). Повышенный уровень напряжения так же отрицательно сказывается на работе бытовых электроприборов (телевизоров), холодильников, водонагревателей, уменьшая срок их службы.
Несимметрия напряжений появляется вследствие токовой несимметрии. В трехфазной системе несимметрия токов характеризуется появлением составляющих нулевой и обратной последовательности. В трехфазных асинхронных электродвигателях токи обратной последовательности могут достигать больших значений, что приводит к нагреву двигателей и сокращению срока их службы. Также следствием несимметрии напряжений является вибрация двигателей.
Все электроприемники ПОУ питаются переменным током частотой 50 Гц на напряжении 220 или 380 В. Состав оборудования и режимы его работы в различных поселковых школах и детских садах близки друг к другу.
Выполнена классификация электроприемников ПОУ по характерным группам. Суммарные установленные мощности выделенных групп электроприемников для школ представлены в таблице А.2, для детских садов в таблице А.З. Соотношение суммарных установленных мощностей показано на рисунках 1.4 и 1.5.
Из рисунков 1.4 и 1.5 следует, что наибольшая доля суммарной установленной мощности электроприемников (до 70%) как в школах, так и в детских садах приходится на электроплиты, единичная мощность которых достигает 20 кВт. До 30% суммарной установленной мощности ПОУ приходится на систему внутреннего освещения. Источниками света являются светильники с люминесцентными лампами по 20 и 40 Вт и светильники различного исполнения с лампами накаливания до 95 Вт. В поселковых школах до 25% суммарной установленной мощности может приходиться на электрооборудование мастерских (строгальные, сверлильные, фрезерные станки). Однако коэффициент использования электроприемников мастерских низкий. В крупных школах имеются компьютерные классы (несколько десятков компьютеров). В удаленных ПОУ количество компьютеров не превышает нескольких единиц.
С целью определения получасовых максимумов электрической нагрузки ПОУ, которые необходимы для оценки требуемой мощности энергоустановок ВИЭ, построены групповые графики электрической нагрузки. Построение графиков нагрузки основано на результатах анализа мощности электроприемников ПОУ, их режимов работы и коэффициентов загрузки.
Оценка возобновляемых энергоресурсов России
Комплексное применение ВЭУ и ФЭП, при отрицательной корреляции генерируемой ими электроэнергии, определяет возможность использовать в сочетании энергоустановки значительно меньших номинальных мощностей и, как следствие, меньших стоимостей по сравнению с одиночными ВИЭ [83]. Это положительно отражается на себестоимости производимой электроэнергии, которая по регионам России изменяется в широком диапазоне (рисунок 2.5).
Из рисунка 2.5 видно, что наименьшая себестоимость от 10 до 30 центов за кВтч соответствует территориям, протянувшимся вдоль южной, восточной и северной границы России. 2.2.3 Проблемы комплексного использования разнохарактерных ВИЭ Эффективное комплексное использование разнородных источников энергии связано с успешным решением двух проблем: 1) Проблемы сопряжения разнородных источников. 2) Проблемы выбора оптимального сочетания источников питания. Проблема сопряжения определяется необходимостью согласования работы разнородных энергоустановок между собой и сложностью преобразования параметров ВИЭ к стандартным параметрам электрической сети (ГОСТ Р 54149-2010). ВЭУ является источником с переменным выходным напряжением, а ФЭП с постоянным. Технологии, обеспечивающие параллельную работу ВИЭ с различными выходными параметрами, не достигли достаточного развития и характеризуются ограниченными возможностями по типу и мощности подключаемых энергоустановок.
От выбора сочетания источников питания во многом зависят показатели эффективности локальной СЭС. Проблема выбора обуславливается отсутствием единой общепринятой методики и необходимостью учета большого количества факторов (технических, экономических, экологических, климатических).
Вопросы выбора энергоустановок ВИЭ для систем питания различных объектов исследуются в работах многих ученых и специалистов, таких как А.И. Сидельников, С.К. Шерьязов, Р.А. Амерханов, М.А. Ташимбетов, СМ. Воронин, Т.Г. Хамитов, А.Н. Брусницын, А.Н. Дорошин. Анализ научных работ показал, что основными критериями при выборе энергоустановок ВИЭ для локальных СЭС являются: 1) Минимальная стоимость вырабатываемой электроэнергии -присутствующая на рынке ВИЭ конкуренция позволяет выбирать источники по критерию наименьшей величины капитальных затрат на их приобретение. 2) Технические характеристики - выбираются энергоустановки, технические характеристики которых удовлетворяют требованиям потребителя (мощность, габаритные размеры, КПД). 3) Доля замещения углеводородного топлива - применение ВИЭ позволяет значительно снизить топливную составляющую затрат (хотя полностью заместить углеводородное топливо в большинстве случаев невозможно).
То есть в методиках выбора энергоустановок ВИЭ основное внимание уделяется выполнению технических условий и достижению заданных экономических показателей проекта. При этом не учитываются риски в электроснабжении потребителей, связанные с главным недостатком возобновляемой энергии - случайным характером поступления. Учет непостоянства поступления возобновляемой энергии позволит снизить вероятность нарушения электроснабжения автономных потребителей.
При участии автора разработаны научно-технические решения по созданию Устройства интеграции разнородных источников.
В настоящее время широкое распространение к сопряжению разнородных источников энергии, в том числе ВИЭ, в СЭС автономных объектов получили два подхода - схемы подключения на стороне постоянного/переменного тока (рисунки 2.6, 2.7) и применение гибридных инверторов [86, 133, 193, 195]. СЭУ
Схемы соединения источников на стороне переменного тока: а - Непосредственное подключение источников; б - Использование высокочастотной шины переменного тока Схемы соединение источников на стороне постоянного тока, как правило, используются для питания потребителей малой и средней мощности (10-30 кВт). Все энергоустановки связаны с линиями постоянного тока, к которым подключен инвертор. Выделяют последовательные, переключаемые и параллельные схемы (рисунок 2.6). В схемах соединения источников на стороне постоянного тока, благодаря питанию потребителей от общего инвертора, обеспечивается высокое качество отпускаемой электроэнергии. Общие недостатки схем заключаются в низкой гибкости применительно к изменению сочетания источников и наращиванию мощности системы, а так же в необходимости в индивидуальных преобразовательных элементах для каждой энергоустановки ВИЭ, что увеличивает стоимость системы.
На стороне переменного тока 220/380 В энергоустановки выгодно соединять при их суммарной мощности более 10 кВт и при расположении на относительном удалении друг от друга. Выделяют две конфигурации подключения источников энергии - непосредственное подключение источников и использование высокочастотной шины переменного тока (рисунок 2.7). Прямое подключение источников к шине переменного тока отрицательно сказывается на качестве поступающей к потребителям электроэнергии. Использование шины высокой частоты, вследствие сложности технологий, увеличивает стоимость электроэнергии [107].
По сравнению со схемами подключения на стороне постоянного/переменного тока гибридные инверторы обладают преимуществом - объединение функций источника энергии, контроллера и резервного источника бесперебойного питания. Лидерами в области разработок универсальных инверторов являются Китай (AnHui Hummer, Aeo Energy, Guangzhou Sunning Windpower Generator, Santakups), Испания (Zigor, Revosolar), Германия (BEKAR) [184, 185]. Наиболее совершенные модели гибридных инверторов позволяют объединять в одной системе питания разнохарактерные энергоустановки ВИЭ, накопители электроэнергии, ДЭС и промышленную электросеть.
Определение и характеристика эксплуатационного риска в электроснабжении потребителей (ЭРЭП)
Величина ЭРЭП может находиться в диапазоне от 0 до 100%. При этом вероятность нарушения электроснабжения потребителей снижается при уменьшении величины ЭРЭП.
По разработанному алгоритму выполнен расчет ЭРЭП на примере поселковых образовательных учреждений, исследование СЭС которых выполнено в главе 1. Подробные результаты расчета ЭРЭП приведены в Приложении Б.
Исходные данные для расчета Расчет основан на следующих исходных данных: 1) В качестве энергоустановок ВИЭ анализировались 7 моделей ВЭУ и 3 модели ФЭП. Технические характеристики энергоустановок ВИЭ представлены в таблицах 3.6 и 3.7. 2) В расчете использовались среднесуточная скорость ветра и значения среднесуточного солнечного излучения за 2010 год для городов Анадырь, Норильск, Магадан. Данные территории выбраны за основу для расчета, так как характеризуются значительным потенциалом энергии ветра и солнца (в отличие от территории Н.Новгорода, где расположены исследуемые ПОУ). Информация о метеоданных регионов получена из архивов специализированного сайта NASA Surface meteorology and Solar Energy [186, 188]. Используемые в расчетах значения скорости ветра и солнечного излучения приведены в таблице Б.1. 3) По результатам анализа получасовых максимумов электрической нагрузки ПОУ, проведенного в главе 1, приняты два варианта требуемой мощности потребителей - 10 и 20 кВт. Результаты расчета и их анализ Путем перебора семи моделей ВЭУ и трех моделей ФЭП сформировано 360 различных сочетаний энергоустановок ВИЭ (портфелей ВИЭ). -Количество — энергоустановок в одном портфеле изменяется от одной до восьми. Сформированные сочетания энергоустановок ВИЭ приведены в таблице Б.2.
В таблице Б.З приведены результаты расчета статистических характеристик вырабатываемой мощности и значений ЭРЭП для 360 портфелей ВИЭ (расчеты по выражениям (3.7) и (3.8), (3.9)). Соотношения статистических характеристик вырабатываемой мощности и величин ЭРЭП, рассчитанных по исходным метеоданным представлены на рисунках Б.1-Б.З. На рисунке 3.6 показана зависимость ЭРЭП от (х(Р2Виэ) и о(Л:виэ), полученная на основе метеоданных для города Анадырь. 1) Значения ЭРЭП изменяются в широком диапазоне (от 100 до 0%) и зависят от математического ожидания и стандартного отклонения вырабатываемой мощности. 2) Наименьшие значения ЭРЭП наблюдаются у портфелей ВИЭ, состоящих из разнородных источников энергии (сочетание ВЭУ и СЭУ), что подтверждает эффективность комплексного использования разнородных источников энергии в локальных СЭС.
Из формулы (3.8) и рисунка 3.6 следует, что при неизменной /ТРЕБ величина ЭРЭП зависит от математического ожидания - цСР виэ) и стандартного отклонения - о(РВиэ) вырабатываемой мощности энергоустановками ВИЭ. Изменение ц(Рхвиэ) цСР виэ) соответствует прогнозируемой суммарной вырабатываемой мощности портфелем ВИЭ. Величина ЭРЭП снижается при увеличении (Р виэ), так как увеличение прогнозируемой вырабатываемой мощности снижает вероятность того, что этой мощности будет недостаточно для покрытия нужд потребителей.
На рисунке 3.7 синим цветом показана величина ЭРЭП при исходной прогнозируемой суммарной вырабатываемой мощности портфелем ВИЭ -Ці( івиз)- Красным цветом показана новая величина ЭРЭП, получившаяся при увеличении суммарной установленной мощности энергоустановок ВИЭ и.как следствие увеличении прогнозируемой суммарной вырабатываемой мощности - ДзС хвиз)- Данные утверждения подтверждаются результатами проведенных расчетов (Таблица Б.З). Ці(Рівиз) (Рцвиэ)
Увеличение шТ виз) возможно следующими способами: 1) Выбор энергоустановок ВИЭ с улучшенными техническими характеристиками: для ФЭП - более высокий КПД; для ВЭУ - более высокий КПД, большая ометаемая площадь и меньшая стартовая скорость ветроколеса. 2) Увеличение количества энергоустановок такой же мощности или увеличение мощности энергоустановок при неизменном количестве. Оба способа снижения ЭРЭП связаны со значительным увеличением капитальных затрат на приобретение и установку ВИЭ. Изменение «К/ виэ) о( виэ) определяет форму кривой нормального закона распределения вырабатываемой мощности энергоустановками ВИЭ. Значение аСР виэ) определяется значениями а(Рвиэ ) отдельных энергоустановок ВИЭ и коэффициентом корреляции р(Рвиэ/ между вырабатываемыми мощностями.
Проведен анализ влияния р(Рвиэу) на величину ЭРЭП для двух возможных случаев: суммарная прогнозируемая вырабатываемая мощность превышает требуемую мощность потребителей (ц(.Рхвиэ) РТРЕБ) И требуемая мощность потребителей больше суммарной прогнозируемой вырабатываемой мощности (шТхвиэ) РТРЕБ).
Алгоритм выбора оптимального сочетания ВИЭ с учетом непостоянства поступления возобновляемой энергии
На рисунке синим цветом выделены характеристики для портфелей из таблицы 4.2 (20% R 50%), оранжевым - для портфелей из таблицы 4.3 (R — min).
Из рисунка 4.11 следует, что для всех случаев вероятность потребности от ДЭС мощности 10 кВт составляет менее 10%. Поэтому использовать в локальной СЭС одну ДЭС, установленной мощностью от 10 кВт и более не эффективно вследствие низкого коэффициента загрузки.
Для портфелей ВИЭ, оптимальных для случая 20% R 50%, целесообразно использовать две ДЭС с меньшей установленной мощностью. Первая ДЭС является основной, вторая - резервной. Установленная мощность основной ДЭС (Рдэс.осн) выбирается из предположения в ее периодическом использовании для заряда накопителей или питания потребителей. Резервная ДЭС (РДЭС.РЕЗ) используется только в редких случаях нехватки мощности от других источников питания. Для анализируемых портфелей ВИЭ установленная мощность основной ДЭС определена исходя из условия, что вероятность покрытия нагрузки потребителей составит не менее 90%. Установленная мощность резервной ДЭС принята равной РТРЕБ Для портфелей ВИЭ, оптимальных для случая 20% R 50%, выбраны следующие установленные мощности ДЭС:
Для обеспечения гарантированного электроснабжения потребителей в системе питания можно предусмотреть резервную ДЭС, установленная мощность которой равна Ртреб Полученные результаты показывают, что вероятностный подход при расчете параметров резервных источников питания позволяет снизить установленную мощность ДЭС на величину до 50% (без увеличения вероятности нарушения электроснабжения потребителей).
Кроме того, для многих удаленных районов России серьезной проблемой являются перебои с доставкой органического топлива (бензин, дизельное топливо). Отсутствие органического топлива в периоды недостаточной возобновляемой энергии может привести к нарушениям электроснабжения. На основе ЭРЭП возможно оценить вероятность потребности в мощности от ДЭС для каждого месяца года. Сопоставление динамики изменения ЭРЭП и графика завоза органического топлива позволит определить наиболее опасные для электроснабжения потребителей периоды года и сохранить на это время дополнительные запасы органического топлива.
Работа ДЭС оценивается ее экономичностью. Показатель экономичности определяется отношением расхода топлива за час работы к выработанной мощности - т у.т./( кВтч). Экономичность зависит от качества топлива и от соотношения номинальной мощности энергоустановки и питаемой нагрузки. Оптимальной считается нагрузка, находящаяся в интервале 40 — 75 % от мощности ДЭС.
Работа ДЭС с нагрузкой, ниже 40% номинальной мощности установки, значительно повышает удельный расход топлива. Специалистами установлено, что подключение слишком малых нагрузок снижает показатель экономичности на 10-20 %. Также вследствие скопления в цилиндрах продуктов неполного сгорания топлива (эффект карбонизации) уменьшается ресурс ДЭС.
В существующих автономных энергосистемах номинальная мощность ДЭС выбирается сопоставимой с наибольшей требуемой мощностью потребителей. Учитывая возможность параллельной работы с энергоустановками ВИЭ, это приведет к тому, что загрузка ДЭС в случаях ее использования будет малой. При выборе параметров ДЭС вероятностный подход позволяет оценить поступление возобновляемой энергии, тем самым повысить показатель экономичности работы ДЭС на 10-20%, и как следствие снизить суммарный расход топлива и увеличить ресурс электростанции.
Комплексное использование разнородных источников энергии и построение системы генерирования электроэнергии на основе Устройства интеграции позволяет обеспечить уровень надежности электроснабжения для электроприемников первой категории в отличие от существующих автономных систем электроснабжения, предназначенных для питания потребителей второй и третьей категории.
На рисунке 4.12 представлены примеры двух схем локальных СЭС (по расчетным данным для города Анадырь для случая Ртреб = 10 кВт) в зависимости от возможности использования органического топлива.
Первая схема основана на портфеле ВИЭ № 38 и выбранными к нему основной ДЭС 5 кВт и резервной ДЭС 10 кВт. Условие выбора портфеля 20% R 50% предполагает, что эффективный режим заключается в использовании, как только ВЭУ (4.5), так и в параллельной работе ВЭУ, накопителей и основной ДЭС (4.6):
