Введение к работе
Актуальность темы диссертационной работы.
Среди причин отставания России в развитии энергетики возобновляемых источников следует отметить ее малую конкурентоспособность при использовании в централизованно управляемой Единой энергетической системе (ЕЭС) России и трудность включения в существующую модель рынка электроэнергии и мощности.
В централизованной энергетической системе все источники энергии должны обеспечивать всем потребителям энергии, в зависимости от категории, гарантированное энергоснабжение. Основной задачей генерирующих объектов централизованной энергетики является обеспечение надежного и бесперебойного энергоснабжения эквивалентного не структурированного потребителя энергии, питающегося от энергетической (электрической, тепловой и т.д.) сети. От проектируемого источника энергии требуется выработка энергии в точном соответствии с графиком потребления энергии в заданном интервале времени. Иными словами, параметры генерирующей части системы выбираются исходя из потребностей потребителей с независимо выбранными структурой и параметрами.
Интенсификация развития возобновляемой энергетики в России может быть в значительной степени достигнута в том случае, если установки на основе возобновляемых источников энергии (ВИЭ) будут работать вне пределов ЕЭС, не подчиняясь существующим правилам ее функционирования.
Две трети территории России не имеют централизованного электроснабжения, а это означает, что обеспечить электроэнергией и теплом потребителей можно только с помощью распределённой энергетики. В связи с этим «Энергетическая стратегия России на период до 2030 года» определила развитие распределённой энергетики в качестве важнейшего направления развития энергетического сектора. Это значит, что возобновляемая энергетика должна в первую очередь развиваться в распределенных энергосистемах, которые охватывают более половины территории России. При этом возобновляемая энергетика будет улучшать экологическую обстановку в автономных энергосистемах Крайнего Севера и Дальнего Востока, работающих преимущественно на базе дизель-генераторных установок.
На сегодняшний день распределенная энергетика России — это около 50 тысяч различных электростанций (более 98% из них – дизельные) суммарной мощностью 17 ГВт — примерно 8% от установленной мощности всех электростанций страны. На малых станциях вырабатывается порядка 50 млрд. кВтч в год, что составляет примерно 5% от всего объема производимой в стране электроэнергии. Не трудно видеть, что с ростом цен на углеводородное и иное ископаемое топливо, экономическая эффективность установок на основе ВИЭ будет возрастать, особенно в удаленных и труднодоступных районах страны.
Можно достаточно смело предполагать, что установки на основе ВИЭ найдут достойное применение в распределенных энергетических системах, разработка которых с ноября 2010 года приобрела статус Технологической платформы.
К особенностям распределённых энергосистем следует отнести:
- несущественность потерь энергии в транспортной системе (электро-, тепло- и других линиях передачи энергии) в связи с незначительным расстояние между местом производства и потребления энергии;
- соизмеримость единичной мощности источников и потребителей энергии с мощностью энергосистемы;
- существенное взаимное влияние режимов работы элементов на устойчивость и надёжность работы энергосистемы.
Отмеченные особенности делают актуальным создание единой методики проектирования и экспертизы проектов распределённых энергосистем со значительной долей генерации на основе ВИЭ в части обоснования их структуры и параметров.
Цель диссертационной работы:
- проведение исследования зависимости параметров гибридных энергетических комплексов (ГЭК) на основе ВИЭ от структуры потребителей распределенных энергосистем и разработка на их основе методики и прототипного программного обеспечения оптимизации структуры и параметров ГЭК.
Основные задачи исследований.
Для достижения поставленной цели в работе были сформулированы и решены следующие задачи:
1. Исследовать взаимозависимость параметров генераторов и потребителей распределенной энергосистемы с целью оценки эффективности использования в их составе энергоустановок на основе ВИЭ.
2. Создать единую методику и основанный на ней аппарат технико-экономического обоснования структуры и параметров ГЭК для выбора параметров источников и потребителей энергии ГЭК на различных стадиях проектирования
3. Провести вычислительные эксперименты, подтверждающие корректность и эффективность методики, разработанного на ее основе прототипного программного обеспечения при обосновании параметров конкретных проектируемых объектов.
Научная новизна работы.
Научная новизна работы состоит в следующем:
-
Экспериментально показана зависимость эффективности использования ВИЭ в составе распределённых энергосистем от внутренней структуры потребителей.
-
Разработана методика обоснования структуры и параметров ГЭК для распределённых энергосистем, включающего в свой состав малые гидроэнергетические установки, ветроэлектрические и солнечные энергоустановки, дизельные энергоустановки и регулируемых потребителей различного типа.
-
На основе разработанной методики созданы математические модели и прототипное программное обеспечение (ПО), предназначенное для использования в САПР ГЭК для распределённых энергосистем.
Основные положения, выносимые на защиту
На защиту автором выносятся следующие положения:
-
Результаты исследований зависимости эффективности использования ВИЭ в составе распределённых энергосистем от внутренней структуры потребителей
-
Методика обоснования структуры и параметров ГЭК для распределённых энергосистем, включающего в свой состав малые гидроэнергетические установки, ветроэлектрические и солнечные энергоустановки, дизельные энергоустановки и потребителей различного типа.
-
Алгоритм и структура разработанного прототипного программного обеспечения (ПО), предназначенного для использования в САПР ГЭК для распределённых энергосистем.
Достоверность полученных результатов обусловлена использованием известных апробированных методик моделирования отдельных элементов ГЭК, подтверждена сопоставлением полученных с использованием разработанной методики результатов с аналогичными результатами, полученными другими авторами.
Личный вклад автора заключается в следующем:
- проведен анализ существующих моделей элементов определения параметров энергоустановок на основе ВИЭ и разработана модель ГЭК с заданным составом элементов;
- разработана программа проведения численных экспериментов, показывающих зависимость эффективности использования ВИЭ в составе распределённых энергосистем от внутренней структуры потребителей;
- проведены численные эксперименты, обработаны и обобщены их результаты, сформулированы выводы и предложения;
- разработана методика обоснования состава и параметров энергокомплекса, базирующаяся на хорошо изученных математических моделях элементов ГЭК, которые связаны между собой единым алгоритмом, позволяющим при необходимости изменять и модифицировать применяемые математические модели;
- создано прототипное программное обеспечение (элементы САПР ГЭК), имеющее модульную структуру и позволяющее автоматизировать процесс обоснования состава и параметров ГЭК на предпроектной стадии.
Практическая ценность работы состоит в возможности использования разработанной методики для определения параметров ГЭК на ранних стадиях проектирования. Методика использована при выполнении НИР «Разработка технологии обоснования параметров гибридных энергетических комплексов мощностью от 500 кВА на основе теплонасосных, дизельных, ветровых и гидравлических установок с новыми типами генераторов.» в рамках ФЦП (2011-2012 гг) и при составлении программы «Развития малой энергетики Сахалинской области на период до 2020 года».
Апробация работы.
Результаты выполненной работы докладывались и обсуждались на Всероссийских и международных конференциях: Шестнадцатая международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов «РАДИОТЕХНИКА, ЭЛЕКТРОТЕХНИКА И ЭНЕРГЕТИКА», Х Всероссийская выставка научно-технического творчества молодежи НТТМ-2010 -II Международная научно-практическая конференция «Научно-техническое творчество молодежи – путь к обществу, основанному на знаниях», VII Всероссийской научно-молодежной школы «Возобновляемые источники энергии» с международным участием, МГУ, Пятой международной Школы-семинара молодых ученых и специалистов «Энергосбережение – теория и практика», и других международных конференциях.
Публикации
По основным результатам диссертации опубликовано 11 печатных работ, в том числе 1 в рекомендованном ВАК России издании.
Объём и структура диссертационной работы
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 137 наименований, 3 приложений.
Работа изложена на 181 странице основного текста, содержит 35 рисунков, 21 таблицу, 12 страниц приложения.
