Автономные ветродизельные электроэнергетические системы

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1. Перспективы ветродизельных электростанций в автономных электроэнергетических системах

1.1 Проблемы автономных электроэнергетических систем

1.2 Повышение энергоэффективности дизельных систем электроснабжения с помощью возобновляемой энергетики

1.3 Варианты построения ветродизельных электростанций

1.4 Выводы

2. Моделирование статических режимов работы элементов автономной ветродизельной электроэнергетической системы

2.1 Моделирование электрических нагрузок

2.2 Моделирование энергетических характеристик ветра

2.3 Моделирование статических режимов работы ветроэлектростанции

2.4 Моделирование накопителей электроэнергии

2.5 Моделирование процессов энергопреобразования в дизельной электростанции

2.6 Выводы

3. Разработка рекомендаций по построению энергоэффективных ветродизельных электроэнергетических систем

3.1 Обоснование целесообразности применения ветродизельных электроэнергетических систем для электроснабжения автономного потребителя

3.2 Алгоритм рационального формирования режимов энергопреобразования в ветродизельной электроэнергетической системе

3.3 Повышение энергетической эффективности гибридной системы электроснабжения с применением регулируемой балластной нагрузки 43

3.4 Выводы 49

4. Моделирование гибридной системы электроснабжения с целью рационального выбора состава оборудования и режимов его работы

Заключение

Список использованной литературы



Введение

Актуальность. Несколько сотен тысяч человек на сегодняшний день, проживая в удаленных от центра регионах, не входящих в зону обслуживания централизованной энергетики, испытывают острый недостаток в электрической энергии. Основными проблемами энергоснабжения таких, изолированных от энергосистем, потребителей являются дальний транспорт топлива для локальных дизельных электростанций (ДЭС) и зависимость от его поставок. В наиболее труднодоступных районах эти проблемы усугубляются многозвенной транспортной схемой и ограниченностью сроков сезонного завоза. Одним из перспективных направлений развития автономного энергоснабжения, позволяющих в значительной степени решить проблемы ДЭС, является возобновляемая энергетика, в частности ветроэнергетика. Более 30% всех дизельных электростанций (ДЭС) расположено в северных районах, в которых доля ДЭС в суммарной выработке электроэнергии достигает 12- 15% в отличие от других регионов, где этот показатель в основном не превышает 1%.

Источники малой мощности, используемые для автономного энергоснабжения, имеют, как правило, низкие технико-экономические показатели - удельные расходы топлива составляют 500-600 г у.т./кВт ч и 300-350 кг у.т./Гкал. Дизельные электростанции и котельные зачастую находятся в неудовлетворительном состоянии. Моторесурс практически исчерпан: износ агрегатов достигает 80-90%.

Рост цен на дизельное топливо способствует повышению стоимости электроэнергии вырабатываемой дизельными электростанциями. Многие регионы характеризуются высоким ветровым потенциалом, поэтому важным направлением в развитии децентрализованного энергоснабжения является применение ветроэлектрических станций (ВЭС) в составе автономных электросетей.

Применение возобновляемых источников энергии в составе автономных энергетических систем позволяет снизить топливную составляющую в себестоимости вырабатываемой электроэнергии, что существенно повышает их технико-экономическую эффективность. В настоящее время в мире применяются различные варианты построения гибридных электростанций на базе ВЭС, однако оптимальная структура системы не определена. Производительность комбинированных энергосистем во многом зависит от энергетических и рабочих характеристик, входящих в неё установок и их режимов работы. Важной задачей является согласование режимов работы компонентов входящих в состав ветродизельных электростанций.

Объект исследования. Автономные ветродизельные электроэнергетические системы.

Предмет исследования. Энергетические процессы в автономной ветродизельной электроэнергетической системе, способы их управления и регулирования.

Цель работы. Повышение энергоэффективности автономных ветродизельных электроэнергетических систем путем рационального выбора основного генерирующего оборудования и оптимизации его рабочих режимов.

Для достижения поставленной цели в дипломной работе определены и решены следующие задачи исследования:

- проведен сравнительный анализ вариантов построения ветродизельных электростанций, определена наиболее перспективная схема построения ВДЭС для автономного электроснабжения;

- проведен анализ существующих методов расчета мощности, вырабатываемой ВЭС, предложена методика, позволяющая более точно рассчитать вырабатываемую ветроэлектростанцией электроэнергию;

- проведен анализ методик по расчету электрических нагрузок в изолированных электроэнергетических системах, построению графиков электрических нагрузок автономного потребителя, разработана универсальная методика расчета нагрузки потребления;

- построен алгоритм эффективного управления рабочими режимами ВДЭС, обеспечивающий максимальное использование ветрового потенциала, что позволяет снизить расход топлива и повысить эксплуатационный ресурс оборудования;

- разработана методика оценки экономической эффективности автономных ветродизельных электростанций, позволяющая производить рациональный выбор основного генерирующего оборудования и режимов его работы.

Методы исследования. При выполнении дипломной работы использовались: методы анализа и обобщения данных, приведенные в научно-технической литературе, вероятностно-статистические методы анализа данных; методы математического моделирования, имитационного моделирования, экспериментальные исследования.

ветродизельный электростанция электроэнергетический

1. Перспективы ветродизельных электростанций в автономных электроэнергетических системах

1.1 Проблемы автономных электроэнергетических систем

Современной тенденцией развития энергетики является стремление к сбалансированности энергорайонов, повышение надежности электроснабжения потребителей. Дефицит энергоресурсов сегодня называют главным сдерживающим фактором дальнейшего экономического роста страны. ВВП растет из года в год. Но для того, чтобы он рос, должны появляться новые производственные мощности, что без увеличения потребления электроэнергии невозможно, между тем дефицит электроэнергии постоянно нарастает. Более того, доля затрат на энергетику составляет значимую часть себестоимости продукции и услуг, производимых отечественными предприятиями, и дальнейший неоптимальный рост цен на энергоносители может привести к неконкурентоспособности наших производителей.

В отличие от большой энергетики, которая наращивает свои мощности привлечением значительных инвестиций, малая энергетика способна за считанные месяцы увеличить мощности для непосредственных потребителей, тем самым закрыв часть проблем и позволив большой энергетике перенаправить освободившиеся мощности в другую сферу. Важное место в стратегии развития электроэнергетики занимают автономные системы электроснабжения (АСЭ). В последнее время АСЭ получают все более широкое распространение в системе электроснабжения не только специального, но и общего применения. Указанные электроэнергетические системы используются почти во всех областях народного хозяйства. Их самыми большими потребителями являются топливно-энергетический, агропромышленный и машиностроительный комплексы страны. Области применения таких систем охватывают различного рода электроагрегаты (стационарные, судовые, передвижные) и управляемые электромеханические системы (строительно-дорожные, транспортные, ветроэнергетические установки и малые ГЭС, генераторы, которые работают на статические преобразователи частоты и электромашинные агрегаты), системы бесперебойного питания ответственных потребителей, в том числе современных вычислительных комплексов. Необходимость в АСЭ возникает там, где технически невозможно или экономически невыгодно использовать централизованное электроснабжение, например, на передвижных или труднодоступных объектах, отдаленных от больших электрических систем.

АСЭ находят широкое применение в промышленности, строительстве, сельском и коммунальном хозяйствах. Они работают на предприятиях, в аэро-, морских и речных портах, в энергоблоках больниц, в фермерских хозяйствах, в системах аварийного энергоснабжения, на объектах оборонного комплекса - везде, где необходима электроэнергия, а сеть или отдалена, или работает с перебоями.

Основу малой энергетики в настоящее время составляют до 50 тысяч различных, преимущественно дизельных электростанций (более 98% от общего числа), средней единичной мощностью - 340 кВт и суммарной мощностью 17 млн. кВт (8% от общей установленной мощности), вырабатывающих до 50 млрд. кВт*ч и потребляющих -17 млн. т.у.т. в год.

Проблема электроснабжения автономных потребителей имеет особую значимость, поскольку большая часть ее территории находится в суровых климатических зонах, и требования к надежности систем электроснабжения должны быть очень жесткими. Теплоснабжение населенных пунктов также зависит от электроснабжения, поскольку осуществляется от большого количества электрокотельных.

Районы Севера и Востока, являющиеся зонами преимущественно децентрализованного энергоснабжения, характеризуются некоторыми общими чертами. Это, в первую очередь, специфически суровые климатические условия, неблагоприятные не только для проведения масштабных строительно-монтажных работ вообще, но и особенно пагубные для сооружения и эксплуатации электроэнергетических объектов (неустойчивость грунтов, критически высокие перепады температур в сезонном и суточном разрезе, сильные ветры, запредельные показатели гололедообразования). Дополнительными общими чертами рассматриваемых районов, исторически, однако, порожденными все теми же климатическими условиями, являются схожие социальные факторы:

- низкая плотность населения;

- малое количество городов (в них сосредоточена промышленность);

- подавляющее большинство сельских населенных пунктов, не оснащенных инженерными коммуникациями;

- ярко выраженная сезонность как в сельскохозяйственной деятельности местного населения (рыболовство, охота, оленеводство), так и в промышленной сфере (добыча драгоценных металлов, алмазов и все виды работ, связанные с выемкой грунта в условиях вечной мерзлоты);

- отсутствие стабильных транспортных систем (летом - реки, зимой - автомобильная и тракторная доставка) и резкое снижение грузопотоков в последнее время ввиду сокращения поставок топлива, используемого транспортными хозяйствами;

- общая социально-экономическая отсталость районов в сочетании с контрастно высокими по сравнению с другими местами богатствами недр и природных комплексов;

- удельно более высокая, чем в традиционно освоенных районах, потребность в развитии базисной отрасли народного хозяйства - энергетики.

Сезонная ограниченность периодов завоза, создание больших запасов топлива приводят к высоким потерям энергоресурсов - до 20%. У наиболее удаленных потребителей транспортная составляющая стоимости привозного топлива достигает 70-80%. Это касается не только завозимого жидкого топлива, но и добываемого в северных районах угля. Его доставка от мест добычи до удаленных населенных пунктов водным путем и по автозимникам на большие расстояния сопряжена с большими трудностями. Цена дизельного топлива у наиболее труднодоступных потребителей на северо-востоке страны достигает 800-1000 долл./т, котельно-печного - 100-150 долл./т.у.т., что приводит к высокой себестоимости производства энергии: электроэнергии - 30-40 цент/кВтч, тепла - 60-80 долл./Гкал. Учитывая, что тарифы для населения вынуждены поддерживать на допустимо приемлемом уровне (на электроэнергию - 5-10 цент/кВтч, на тепло - 20-40 долл./Гкал), из бюджетов различных уровней выделяются значительные дотации на завоз топлива и содержание энергоисточников.

Многие дизельные электростанции находятся в неудовлетворительном состоянии. Моторесурс ДЭС практически исчерпан: на многих электростанциях износ оборудования достиг 80-90%. Требуется замена оборудования на современное с улучшенными техникоэкономическими показателями и восстановление или строительство новых зданий. Из-за экономии топлива и денежных средств на его закупку зачастую ограничен отпуск электроэнергии потребителям: до 5 часов в сутки летом и до 10 часов зимой.

Основными препятствиями для развития автономной энергетики являются:

- отсутствие работающих экономических механизмов и мер, стимулирующих ее развитие - в том числе слабая проработанность правил продажи электроэнергии и мощности малой генерации на розничном рынке;

- плохая приспособленность структур российской электроэнергетики и производства тепла к расширению участия в них малых энергетических установок (как на основе традиционных видов топлива, так и ВИЭ);

- отсутствие механизмов тарифной поддержки малой генерации в сфере ЖКХ, в итоге - отсутствие заказчика на использование малой генерации в ЖКХ;

- сложности технологического присоединения генерирующих установок к единой сети;

- затрудненность в получении квот на природный газ для малых генерирующих установок.

Накопившиеся проблемы в энергоснабжении изолированных потребителей требует решения следующих задач:

- развитие систем энергоснабжения изолированных потребителей, снижение объемов завозимого топлива в труднодоступные и северные районы и уменьшение зависимости энергоисточников в этих районах от сезонного завоза топлива;

- улучшение технического состояния энергетического хозяйства изолированных потребителей, снижение удельных расходов топлива и повышение экономической эффективности систем энергоснабжения;

- уменьшение бюджетных дотаций и расходов на энергоснабжение изолированных потребителей.

Основной целью развития систем энергоснабжения изолированных потребителей является надежное обеспечение энергией и создание условий для социально-экономического развития удаленных районов.

К числу важнейших направлений развития систем энергоснабжения изолированных потребителей, обеспечивающих повышение качества и экономической эффективности электро- и теплоснабжения за счет снижения потребления топлива, наряду с реконструкцией, является применение возобновляемых источников энергии.

Проекты сооружения ВИЭ в нашей стране пока не являются коммерчески привлекательными проектами. Вместе с тем, в ряде случаев, особенно для суровых северных условий, окупаемость проектов сооружения конкретных ВИЭ может быть обеспечена сокращением дотаций из бюджета на энергоснабжение потребителей за счет сокращения потребления дорогого привозного дизельного топлива. Поэтому размещение ВИЭ в первую очередь целесообразно в удаленных населенных пунктах с высокой стоимостью топлива и наилучшими показателями потенциала возобновляемых энергоресурсов.

В наиболее развитых странах использование ВИЭ является приоритетным направлением. В настоящее время на рынке альтернативной энергетики доминируют компании из США, Европы, Китая и Японии.

Основу современной энергетики составляют:

- тепловые электростанции - 67%;

- гидроэлектростанции - 15%;

- атомные электростанции - 17%;

- ВИЭ - <1%.

Учитывая вышесказанное, опираясь на мировой опыт применения ВИЭ, необходимо развивать автономные системы электроснабжения с их использованием. Особенно важным направлением развития возобновляемой энергетики является применение наиболее универсальных гибридных ветродизельных энергетических станций (ВДЭС), т.к. это может быть решением проблемы экономии ценных высококалорийных топлив для ДЭС за счет их замены на возобновляемые экологически чистые источники энергии.

1.2 Повышение энергоэффективности дизельных систем электроснабжения с помощью возобновляемой энергетики

В настоящее время при частой необходимости использования дополнительных источников электроэнергии повышенной мощности, при периодических трудностях с электроснабжением или для использования электростанции в качестве постоянного, бесперебойного источника электроэнергии, в течение длительного времени, широкое применение получили дизельные электростанции, которые по праву можно считать самыми надежными. Обладая отличными техническими характеристиками и относительно большим моторесурсом дизель-генераторы способны вырабатывать ток большой мощности, что дает им возможность питать электроэнергией большой загородный дом, поселок, промышленное предприятие, и т.д. Дизельные электростанции являются по-настоящему качественным электровырабатывающим оборудованием с ресурсом работы, в среднем, до 20000 моточасов. В соответствии с выходной мощностью и своему назначению, дизельные электростанции могут быть как очень компактными, легко помещаясь в багажник семейного автомобиля, так и могут монтироваться в специально построенном здании или в контейнере (контейнерное исполнение). Такая черта, как экономичность, делает дизельную электростанцию более привлекательным вариантом, при сравнении с генераторными установками, работающими на бензине.

Практический опыт эксплуатации ДЭС показывает, что именно затраты на топливо являются определяющими в себестоимости вырабатываемой ДЭС электроэнергии. Поэтому минимизация расхода топлива при эксплуатации ДЭС является важнейшей стратегической задачей, определяющей экономическую эффективность электростанции. На рисунке 1.2 приведено распределение затрат на выработку электроэнергии на дизельных электростанциях ОАО "Энерго" в 2008 году.

Обеспечить наибольшую эффективность ДЭС возможно за счет оптимизации ее рабочего режима, для достижения которого часто используют режим параллельной работы дизель-генераторов. Количество и номинальная мощность дизельных агрегатов определяются на этапе проектирования и должны быть согласованы с ожидаемым графиком электрических нагрузок. При этом требуется тщательная настройка системы управления электростанцией, которая должна обеспечить подключение или отключение дизель-генераторов по мере изменения величины нагрузки.

Режим параллельной работы дизель-генераторов на общую нагрузку позволяет также повысить общую надежность электроснабжения потребителей, снизить величину возможного ущерба от недоотпуска электроэнергии, увеличить моторесурс дизельных агрегатов.

Определение закономерностей формирования и регулирования графиков электрических нагрузок децентрализованных потребителей необходимо для повышения эффективности режимов работы как дизель- генераторов, так и автономной электроэнергетической системы в целом.

В настоящее время стало возможным использовать технологии, разработанные для создания систем автономного электроснабжения малых населенных пунктов, для оптимизации размера и режимов работы дизельной станции. Основной принцип заключается в том, что генератор работает 6 и менее часов в день (если применяется дополнительный возобновляемый источник энергии). В остальное время энергия поступает от аккумуляторных батарей через инвертор. Аккумуляторная батарея в этом случае заряжается каждый раз, когда запускается генератор.

Встроенный в инвертор микропроцессор контролирует нагрузку и зарядный ток аккумуляторов так, что дизель-генератор (ДГ) всегда работает в оптимальном режиме. Генератор работает только такой период времени, при котором обеспечивается адекватный заряд аккумуляторной батареи (АБ). Общее количество потребляемой электроэнергии остается на том же уровне; экономия средств происходит за счет того, что, во-первых, ДГ работает меньшее количество времени, что увеличивает периоды между капитальными ремонтами, и, во-вторых, вследствие оптимальной загрузки ДГ уменьшается удельное потребление топлива, т.е. количество топлива для выработки одного кВт-ч электроэнергии. Такая генератор- аккумуляторная система электроснабжения состоит из жидкотопливного генератора, аккумуляторной батареи и инвертора с функцией зарядного устройства. Двусторонний инвертор управляет потоками энергии между ДГ, АБ и нагрузкой. Инвертор также имеет встроенный процессор, который можно программировать на определенное расписание и режимы работы. Обычно инверторы имеют отдельную или встроенную систему автоматизации пуска и останова генератора в зависимости от напряжения на АБ. Обычно выбирается оптимальная загрузка ДГ, примерно соответствующая 80% от номинальной мощности дизель-генератора. Инвертор будет стараться поддерживать нагрузку ДГ на этом уровне путем перераспределения потоков энергии между нагрузкой и зарядом АБ.

В индустриально развитых странах бурное развитие в последние два десятилетия получили возобновляемые или нетрадиционные источники энергии (НВИЭ), к которым относятся малые ГЭС, геотермальные электростанции (на горячей воде, паре, тепле твердых пород и на магме), ветроэлектрические (ВЭС), солнечные, тепловые и фотоэлектрические, волновые и приливные, а также электростанции на муниципальных отходах и на биомассе (сельскохозяйственных и растительных отходах). Согласно данным детальных исследований и передовому мировому опыту в недалекой перспективе (2010-2020гг.) с традиционной электроэнергетикой смогут конкурировать малые ГЭС, геотермальные электростанции на ближнем тепле (на горячих источниках и гейзерах) и наземные ВЭС. Именно эти виды ВИЭ должны рассматриваться как приоритетные для первоочередного развития и внедрения в практику.

Солнечная энергия самый мощный из возобновляемых источников энергии. Солнечные коллекторы устанавливают на крышах. Для большей эффективности важна их ориентация на юг, угол установки коллектора и, конечно же, его площадь. Чем больше площадь, тем больше энергии он может впитать. Плюсы такой энергии: бесплатный, безвредный, безграничный источник энергии, особенно выгодный в местах, куда проблематично провести линию электропередач. Минусы: такой источник питания не постоянный - мощность генерации зависит от погодных условий и от времени суток. Сами устройства дорогие, эффективность довольно низкая и они занимают большие площади.

Биоэнергетика один из самых распространенных источников альтернативной энергии. Из большей части биомассы на сегодняшний день добывают тепло. При этом производитель сжигает древесину, солому, щепки, растения, торф, коммунальные и другие горючие отходы. Полученную тепловую энергию можно использовать и для выработки электричества. Электростанции, сжигающие биомассу - это уже не самый чистый производитель энергии, но отопление и электричество таких станций будут дешевле. Следует отметить, что продукты горения биомассы содержат гораздо меньше вредных веществ, чем образуется при сжигании ископаемых углеводородов. Кроме того, биотопливо в значительно меньшей степени, чем традиционные виды топлива влияет на парниковый эффект.

Гидроэнергетика. Энергию текучей воды человек использует уже не первый век. Плюсы: бесплатный, возобновляемый, мощный источник энергии, никаких вредных выбросов в атмосферу. Минусы: затопление пахотных земель, географическая зависимость таких электростанций, определенный вред некоторым видам речной живности.

Энергия ветра. Ветряная энергетика растет самыми большими темпами. Для увеличения мощности отдельные ветряки объединяют в парки ветровых генераторов. Лучшие места для таких парков - вершины холмов (гор), равнины и берега моря или океана. Все больше ветряных генераторов ставят прямо в открытом море в некотором отдалении от берега, где ветер имеет больший энергетический потенциал, что повышает экономическую отдачу.

Минус такого источника энергии: зависимость от метеорологических условий и структуры передающих электросетей. Однако для автономного энергоснабжения применение ветроэнергетических установок (ВЭУ) достаточно перспективно, т.к. нет необходимости в передающих линиях электросетей.

В условиях просторов с хорошими ветроэнергетическими ресурсами эксплуатация ветровых генераторов является одним из самых перспективных направлений развития малой электроэнергетики. По некоторым данным, потенциал ветровой энергии составляет до 30% производства электроэнергии всеми электростанциями страны. Энергоснабжение потребителей осуществляется преимущественно с помощью автономных энергоустановок, работающих на дорогом привозном жидком топливе.

Строительство станций по переработке биотоплива для электроснабжения автономного потребителя не целесообразно в виду отсутствия постоянной дорожной сети, не развитой дорожной инфраструктуры.

Основными проблемами применения гидроэнергетики являются: жесткий климат, особенности гидрологического режима рек, короткий летний сезон времени, вечномерзлое состояние грунтов оснований гидротехнических сооружений и месторождений строительных материалов.

В условиях севера имеется ряд серьезных трудностей в использовании солнечной энергии. В первую очередь они обусловлены минимумом поступления солнечной энергии или ее полным отсутствием в зимние месяцы, когда потребность в энергии со стороны потребителя максимальна.

Для зон децентрализованного электроснабжения чрезвычайный интерес представляют комбинированные или гибридные установки, сочетающие в себе ВЭС с дизельными электростанциями, которые покрывают недостаток вырабатываемой энергии в безветренные промежутки времени. Ветроэлектростанции наиболее удачно сочетаются с дизель-генераторными установками благодаря большой универсальности ветроэнергетики и приемлемым технико-экономическим характеристикам. Таким образом, наиболее перспективным направлением для автономного электроснабжения в настоящее время являются ветродизельные электроэнергетические системы, включающие различные варианты их построения, определяющие разнообразные задачи их практического внедрения и эксплуатации.

Эффективность работы ветродизельной электростанции (ВДЭС) зависит от ветрового потенциала местности, где планируется установить станцию. Как известно ветер, случайная величина, от природы нестабилен, с усилениями и ослаблениями. Это затрудняет полезное использование ветровой энергии.

Скорость ветра - один из необходимых параметров для оценки мощности ветряного потока исследуемой местности. Ветер никогда не находится в устойчивом состоянии, на него влияют погодные условия, ландшафт местности и относительная высота над поверхностью. Скорость ветра может изменяться в течение минут, часов, дней, сезона или года. В большинстве мест на земле изменения скорости ветра более значительны в течение дня, чем ночи. Изменения скорости ветра тем больше, чем больше разница температур морской и земной поверхностей, кроме того, ветер имеет большую турбулентность и тенденцию к смене направления. Турбулентность снижает эффективность использования ветровых турбин и увеличивает их износ. Поэтому башни для ветровых турбин делают достаточно высокими, чтобы избежать сильной турбулентности в непосредственной близости над поверхностью земли. Все процессы, напрямую связанные с использованием текущего значения скорости ветра, в частности, генерация электроэнергии в ветроэлектрических установках, имеют сложный характер, так как их характеристики обладают статистическим разбросом и неопределенностью средних ожидаемых значений. Для систематизации характеристик ветровой энергии в конкретном регионе с целью ее эффективного использования, как правило, разрабатывается ветроэнергетический кадастр, представляющий собой совокупность аэрологических и энергетических характеристик ветра, позволяющих определить его энергетическую ценность, а также целесообразные параметры и режимы работы ВЭУ.

Проведенный анализ существующих систем автономного электроснабжения показывает, что наиболее востребованы ВЭУ мощностью от 5 до нескольких сотен кВт. В настоящее время остается ряд проблем, решение которых необходимо для эффективного использования ВЭУ в гибридных системах электроснабжения. Эти проблемы связаны с временным и пространственным изменением ветрового потенциала, нестационарным характером электропотребления, необходимостью повышения технико-экономических характеристик непосредственно ветроэлектростанций и ВДЭС в целом.

Во всех странах имеются метеорологические службы, занимающиеся регистрацией и распространением метеосводок, включающих, в том числе и данные о направлении и силе ветра. Следует заметить, что даже наиболее оснащенные метеостанции непрерывного наблюдения регистрируют лишь наиболее важные атмосферные параметры. Интересующие нас параметры ветра регистрируются, как правило, на одной стандартной высоте 10 м на метеостанциях вблизи аэропортов и городов, т.е. мест, возможно, наиболее защищенных от ветра. Поэтому эти данные можно использовать лишь для грубой оценки ветроэнергетических ресурсов рассматриваемого района, но их недостаточно для принятия конкретных технических решений, как, например, выбор оптимальной конструкции ветроустановки. Неопределенность ветроэнергетического потенциала является одной из основных причин, затрудняющих полезное использование ветровой энергии. Поиск технических решений, которые позволили бы компенсировать этот недостаток - главная задача при создании систем электроснабжения, построенных на базе ветроэлектростанций.

Нагрузка потребления, так же как ветер, является случайной величиной. Определение электрических нагрузок является одним из первых этапов проектирования любой системы электроснабжения. Значения электрических нагрузок определяют выбор всех элементов и технико-экономические показатели проектируемой системы электроснабжения. От правильной оценки ожидаемых нагрузок зависят капитальные затраты в схеме электроснабжения, потери электроэнергии и эксплуатационные расходы. Электропотребление в течение суток резко меняется в относительно короткие промежутки времени, измеряемые часами и даже минутами. Неравномерность электрической нагрузки усугубляется характеристикой коммунально-бытового потребления электроэнергии. Переменность электрической нагрузки во времени заставляет выбирать мощность станции (или системы) по максимуму нагрузки.

Из выше перечисленных проблем вытекает задача определения оптимальной структуры автономной электроэнергетической системы с использованием ВЭУ. Так как ветер не всегда может покрыть нагрузку потребления необходимо проектировать такую энергетическую систему, которая покрывала бы недостаток электроэнергии и сохраняла излишки энергии, выработанной ВЭУ. Чтобы полностью обеспечить потребителей электроэнергией, необходимо применение комбинированных (гибридных) систем, из которых наиболее перспективным вариантом является ВДЭС.

Для эффективной эксплуатации ВДЭС встает задача согласования, управления и регулирования режимов работы всех компонентов данной системы. Так как решать данную задачу необходимо в условиях временной неопределенности как генерируемой, так и потребляемой электроэнергии, для ее решения представляется целесообразным использование методов математического моделирования.

1.3 Варианты построения ветродизельных электростанций

Существуют различные системы автономного энергообеспечения на базе ВЭС.

По установленной мощности ВЭС можно классифицировать следующим образом:

1-10 кВт - электропитание дач, малых сельскохозяйственных объектов, бензозаправочные станции, средства связи, базовые сотовые станции, объекты МЧС, воинские подразделения, PJIC пунктов технического наблюдения и т.д.;

10-90 кВт - электропитание коттеджей, малых поселков и производств, сельскохозяйственные объекты, воинские объекты, пункты технического наблюдения, газоперекачивающие станции, маяки и др.;

100 - 1000 кВт - электро и теплоснабжение средних и больших населенных пунктов, военных городков, промышленных объектов.

Из-за непостоянства скорости ветра автономные ВЭС не могут обеспечить гарантированное энергоснабжение. При работе ВЭС на электрическую сеть проблема гарантированного энергообеспечения решается автоматически, так как ВЭС не является основным источником энергии.

Для обеспечения гарантированного энергообеспечения автономные ВЭС дополняются системами аккумулирования энергии или используются совместно с традиционными энергоустановками, такими как дизельные и бензиновые электростанции.

Системы аккумулирования электроэнергии являются громоздкими и составляют значительную долю стоимости ВЭС, поэтому данные системы рассчитываются для перекрытия небольшого ветрового штиля (несколько часов). В автономном энергоснабжении наибольше распространение получили ветродизельные комплексы (ВДК), которые включают аккумуляторную батарею и ДЭС. ВДК способны обеспечить гарантированное автономное энергоснабжение. За счет экономии дизельного топлива ВДК конкурентоспособны с дизельными электростанциями.

Проведем обзор схем автономного электроснабжения с использованием ВЭС:

1) Система ВЭС+АБ (рис. 1.3) предназначена для автономного обеспечения небольшого объекта.

Принцип работы ВЭУ заключается в следующем: ветроколесо преобразует энергию ветра в механическую энергию вращательного движения. Генератор преобразует механическую энергию в энергию трехфазного тока. Выпрямитель, входящий в состав регулятора заряда,

преобразует трехфазный ток в энергию постоянного тока. Постоянный ток заряжает аккумуляторную батарею. Батарея выполняет две функции. Первая - это стабилизация напряжения, вторая - это накапливание электроэнергии, когда отсутствует потребление. К батарее подключается инвертор, который преобразует напряжение постоянного тока в стандартное синусоидальное напряжение 220В/50Гц. Регулятор заряда предохраняет АБ от перезаряда [15].

2) Система ВЭУ+АБ+ДЭС (или ВДЭС): данные системы подразделяются на 4 класса [68].

ВДЭС 1 класса (рис. 1.4) предельно проста и приемлема, когда более важна надежность, чем экономия топлива. В ней используется стандартный ветровой агрегат ВА сетевого использования с асинхронным генератором АГ, который работает с постоянным включением на сборные шины СШ потребителя. В комплект оборудования ВА введена автоматически регулируемая нагрузка PH, предотвращающая перегрузку ВА при высоких скоростях ветра за счет снижения частоты вращения до заданного расчетного уровня. Стандартная ДЭС работает постоянно, обеспечивая реактивной энергией асинхронный генератор АГ.

Конструкцию ДЭС внесены изменения: между дизельным двигателем ДД и синхронным генератором СГ установлены: соединительная муфта СМ и небольшой инерционный аккумулятор ИА. Ветроагрегат В А имеет асинхронный генератор АГ. Когда ветер сильный и ВА один способен обеспечить требуемую потребителем мощность, ДЭС прекращает работу, и муфта СМ разъединяет инерционный аккумулятор ИА с генератором СГ от дизельного двигателя ДД. Генератор СГ будет продолжать вращение, обеспечивая АГ реактивной энергией. В случае, когда развиваемая мощность ветроагрегата начинает превышать потребность потребителей энергии, автоматически включается регулируемая нагрузка PH, обеспечивающая снижение частоты тока до стандартного уровня. Система управления ВДЭС должна быть оснащена дополнительными устройствами пуска и останова ДД при резком изменении нагрузки потребления или при спаде скорости ветра. ВДЭС класса 2 достаточно проста и требует минимума электронного оборудования. Экономия топлива в данной системе существенно возрастает благодаря тому, что при благоприятных ветровых условиях дизельный двигатель не работает и не расходует топливо [68].

Схема ВДЭС 3 класса отличается от предыдущего варианта введением в состав ВДЭС аккумулятора энергии АЭ, в качестве которого может служить аккумуляторная батарея, гидравлический аккумулятор и другие источники энергии, преобразующие первичную энергию в электричество. Емкость АЭ может быть различной: в одних случаях емкость АЭ рассчитывается исходя из условия обеспечения работоспособности ВДЭС при перерывах энергоснабжения от ВА в течение нескольких минут, а в других - считается необходимым иметь АЭ, обеспечивающий работоспособность системы в течение 2-3 часов. В последнем случае ДЭС не работает длительный период времени без ущерба для потребителей энергии. Экономия топлива при использовании ВДЭС класса 3 в районах с благоприятными ветровыми условиями достигает высокого уровня. Использование инерционного аккумулятора и соединительной муфты дополнительно повышает эффективность ВДЭС за счет возможности снижения времени работы ДД при благоприятных ветровых условиях.

ВДЭС 4 класса имеет в своем составе ВА стандартного типа с синхронным или асинхронным генератором, и стандартной конструкции ДЭС соизмеримой с ВА мощности, без использования инерционного аккумулятора. Ветроагрегат работает через выпрямитель В на инвертор Ин, выход которого соединен со сборными шинами СШ потребителя. В случае недостатка энергии для обеспечения нужд потребителя недостающая часть поступает от аккумуляторной батареи АБ. В случае избытка энергии производится питание нагрузок потребителя и подзаряд АБ. При штилевой погоде и при слабом ветре работает ДЭС в режиме обеспечения нагрузок потребителей. ВДЭС 4 класса имеет возможности для достижения максимальной экономии топлива. Система контроля и управления работой комплекса должна быть компьютерной, чтобы обеспечить выполнение всех необходимых операций.

ВДЭС класса 4 самая перспективная из выше перечисленных систем, однако в данной системе нет заряда аккумуляторных батарей от дизель- генератора. Данная система эффективна для местностей со скоростью ветра от 8 м/с и выше. На большей части территории пригодной для ветроэнергетики преобладает средняя скорость ветра около 4 м/с, поэтому ВДЭС класса 4 приемлема далеко не во всех регионах страны.

Предлагается следующая схема построения ВДЭС. В данной схеме алгоритм работы системы аналогичен ВДЭС класса 4, однако при полном штиле работает ДЭС, вырабатываемая энергия которой идет на нагрузку потребителей и обеспечивает заряд аккумуляторных батарей. Предлагаемая схема ВДЭС позволяет наиболее эффективно согласовать процессы производства и потребления электрической энергии в изолированной энергетической системе, однако схема электростанции и режимы ее работы усложняются.

Многокомпонентная структура электростанции требует разработки специализированных алгоритмов управления, которые должны обеспечить бесперебойное снабжение потребителя электрической энергией в условиях изменяющихся внешних факторов, оказывающих существенное влияние на работу основного генерирующего оборудования (нагрузки и скорости ветра). Кроме того, необходимо создание методик рационального выбора типа и мощности силовых агрегатов, а также методик расчета технико-экономических характеристик проекта.

1.4 Выводы

Проведенный анализ проблем автономного электроснабжения показал, что в настоящее время в децентрализованных районах используются в основном дизельные электростанции, работа которых не достаточно эффективна. Затраты на производство электроэнергии вырабатываемой ДЭС, большую часть которых составляют затраты на ГСМ, определяют высокую стоимость генерирумой электроэнергии. Экологические аспекты применения ДЭС оставляют желать лучшего. Для решения данных проблем предлагается использование в автономных системах электроснабжения гибридных энергетических установок на базе ВЭУ и ДЭС.

Проведенный анализ возможных вариантов построения ветродизельных электростанций позволил определить перспективную схему построения ВДЭС, которая характеризуется достаточно сложной структурой и требует проведения специальных исследований.

Для создания энергетически эффективных ВДЭС необходимо решить следующие задачи: разработать методики рационального выбора установленных мощностей ВЭУ и ДЭС, емкости аккумуляторных батарей с учетом характеристик ветрового режима и характера нагрузки электропотребления в месте размещения электростанции; разработать эффективные алгоритмы управления рабочими режимами генерирующих установок; провести оценку энергетических балансов в изолированной электроэнергетической системе; разработать методику оценки ее техникоэкономической эффективности.

Для решения перечисленных выше задач необходимо разработать методику определения ветрового потенциала, т.к. вырабатываемая ВЭУ энергия определяется текущей скоростью ветра. Необходимо также

разработать методику определения нагрузки потребления, поскольку выбираемая мощность и энергопроизводительность системы напрямую зависит от величины и характера ее электрической нагрузки.

Так как физические процессы изменения скорости ветра и нагрузки потребления характеризуются нестационарностью и изменчивостью во времени, для успешного решения обозначенных выше задач необходимо создать временную имитационную модель электроэнергетической системы, которая позволит разработать эффективные алгоритмы управления и методику выбора компонентов ветродизельного комплекса с точки зрения оптимальности его работы и экономической эффективности.

2. Моделирование статических режимов работы элементов автономной ветродизельной электроэнергетической системы

2.1 Моделирование электрических нагрузок

Для практического использования установок возобновляемой энергетики в составе автономных электроэнергетических систем необходимо решить ряд технических проблем, важнейшей из которых является согласование режимов производства и потребления энергии в условиях стохастических временных процессов изменения электрической нагрузки потребителя и выходной мощности первичного энергоносителя.

Процесс электропотребления (ЭП) является сложным случайным нестационарным процессом, который может быть представлен несколькими регулярными и нерегулярными (случайными) составляющими. Построение системы электроснабжения обычно начинается с анализа электрических нагрузок. Чтобы анализ был полным, при определении нагрузки для электростанции или энергетической установки необходимо изучить энергетические требования для каждой группы потребителей. Производство электрической и тепловой энергии на электростанциях и их потребление различными пользователями - процессы взаимосвязанные. В силу физических закономерностей мощность потребления энергии в какой-либо момент времени равна генерируемой мощности. В этом заключается особенность энергетического производства.

При проектировании необходимо правильно оценить максимальные расчетные нагрузки как в целом по объекту, так и на разных уровнях системы внутреннего электроснабжения. По этим нагрузкам выбирают все электрооборудование, поэтому они не должны быть превышены в процессе эксплуатации. В то же время, неоправданное завышение расчетных нагрузок приводит к увеличению стоимости электрооборудования. Следовательно, нагрузка должна быть рассчитана как можно более точно.

Следует отметить, что на стадии проектирования эти расчетные нагрузки не могут быть получены по характеристикам технологического оборудования (электроприемников).

На это есть ряд причин:

а) предварительная оценка нагрузки для решения вопросов выбора системы энергоснабжения должна быть определена еще на предпроектной стадии, в условиях минимума исходной информации, без трудоемких расчетов;

б) полный перечень электроприемников и их характеристики могут быть неизвестны или меняться в процессе проектирования;

в) даже если перечень всех приемников известен, то множество единиц оборудования (их число трудно определить даже на объекте средней величины) и разнообразие режимов их работы не позволяют точно определить создаваемую ими нагрузку в различные моменты времени.

Таким образом, множество электроприемников каждого потребителя создает электротехническую систему, характеризуемую обобщенными параметрами электрической нагрузки (электропотребления).

Для оценки этой нагрузки, с учетом перечисленных выше причин, используются обобщенные показатели, коэффициенты, удельные нагрузки и удельные расходы электроэнергии, полученные на аналогичных реальных потребителях в процессе их эксплуатации.

В зависимости от выполняемых функций, возможностей обеспечения схемы питания от энергосистемы, величины и режимов потребления электроэнергии и мощности, особенностей правил пользования электроэнергией потребителей электроэнергии принято делить на следующие основные группы:

- промышленные и приравненные к ним;

- производственные сельскохозяйственные;

- бытовые;

- общественно-коммунальные (учреждения, организации, предприятия торговли и общественного питания и др.).

Каждая из групп потребителей имеет определенный режим работы. Так, например, электрическая нагрузка от коммунально-бытовых потребителей с преимущественно осветительной нагрузкой отличается большой неравномерностью в различное время суток. Днем нагрузка небольшая, к вечеру она возрастает до максимума, ночью она резко падает и к утру вновь возрастает. Электрическая нагрузка промышленных предприятий более равномерна в течение дня и зависит от вида производства, режима рабочего дня и числа смен.

При очень большом числе электроприемников, входящих в группу, суточный график приобретает устойчивый характер. Длительные наблюдения за действующими объектами позволили составить характерные графики для различных отраслей промышленного и сельскохозяйственного производства, а также для городов и поселков. Такие графики называют типовыми и строят их в относительных единицах, выражая нагрузки в разные часы суток в процентах от максимальной нагрузки, принимаемой за 100%.

Максимум электрической нагрузки энергообъединения определяется суммированием максимальных нагрузок отдельных потребителей с использованием соответствующих нагрузочных коэффициентов (одновременности загрузки, спроса, разновременности). Так как максимум нагрузки различных групп потребителей в рассматриваемом районе энергоснабжения наступает в различные часы суток, совмещенный максимум нагрузки района оказывается меньше, чем арифметическая сумма максимумов отдельных групп потребителей. Максимальная суточная нагрузка однотипных потребителей определяется максимальными мощностями отдельных потребителей и коэффициентами спроса. Наибольший максимум имеет место в зимнем графике и может наступать в утренние часы (например, для ОЭС Северо-запада) или в вечерние часы (ОЭС Центра), что определяется структурой потребителей электроэнергии. В большинстве энергосистем максимум нагрузки приходится на конец года.

Существует несколько методов построения суточных графиков нагрузки энергосистемы:

- для получения графиков на ближайший период при незначительном изменении структуры потребления электроэнергии может быть применен метод аналогий, по которому за основу принимается отчетный график с необходимыми уточнениями;

- для более далекой перспективы, а также для новых быстро развивающихся энергосистем используются: интегральный, синтезированный методы и метод обобщенных характеристик. Интегральный метод состоит в суммировании типовых суточных

графиков электрической нагрузки отраслей (подотраслей) промышленности, сельского хозяйства, электрифицированного транспорта, коммунально-бытового хозяйства, выраженных в МВт с

использованием максимальных электрических нагрузок для зимнего (декабря, нормального рабочего) и летнего (июня - июля, нормального рабочего) дня. Типовые графики строятся на основе отчетных графиков предприятий и учета предстоящих изменений в технологии, производственном режиме и т.п. Синтезированный метод состоит в суммировании суточного графика технологической нагрузки промышленности в целом с типовыми графиками нагрузки освещения промышленности, коммунально-бытового хозяйства, сельского хозяйства, электрифицированного транспорта.

При перспективных исследованиях для построения приближенных графиков нагрузок с достаточной для практики точностью применяют упрощенный метод, так называемый, метод обобщенных характеристик.

Исходными данными для расчета служат состав потребителей; объем производства каждого из потребителей, который для предприятий промышленности измеряется в тоннах или в рублях производимой продукции, а для транспорта - в т-км. Предприятия сельского хозяйства характеризуются количеством людей, участвующих в производстве, а предприятия коммунально-бытового назначения характеризуются численностью населения, проживающего в данном районе. Кроме того, при расчете электрических нагрузок используют показатель «удельное электропотребление», который определяется по промышленности - в квтч на единицу производимой продукции, по транспорту - в квтч /т-км, по сельскому хозяйству - в квтч /чел, по коммунально-бытовому хозяйству ~ в квтч /чел. Часто в качестве исходных данных используют годовое число часов использования максимума электрической нагрузки каждым из потребителей и географический район расположения потребителей.

При применении метода обобщенных характеристик принимается допущение, что максимумы нагрузки различных групп промышленности, транспорта, предприятий сельского хозяйства совпадают по времени.

Последовательность определения зимнего и летнего максимума нагрузки энергосистемы и построения суточных графиков нагрузки при использовании метода обобщенных характеристик следующая: по известному объему производства и (заданному) известному удельному электропотреблению определяется электропотребление каждым из потребителей и каждой из групп потребителей, после чего определяется суммарное значение промышленно-транспортного, сельскохозяйственного электропотребления и перетока электроэнергии в целом по энергосистеме.

Используя типовые суточные графики в относительных единицах и полученные значения Р_тах для зимних и летних суток, находятся часовые значения нагрузок и строятся суточные графики для зимних и летних суток в мВт.

Каждый из рассмотренных методов построения суточных графиков электрической нагрузки энергосистемы имеет свои преимущества и недостатки. Интегральный метод наиболее трудоемок, требует обширной информации, но в тоже время дает возможность провести анализ влияния конфигураций графиков электрической нагрузки отдельных групп потребителей на суммарный график нагрузки энергосистемы. Метод «обобщенных характеристик» менее трудоемок, но не позволяет проводить анализ влияния режимов отдельных групп потребителей. Синтезированный метод занимает промежуточное место.

Существует ряд нормативных документов по расчету электрических нагрузок таких как:

1. РТМ 36.18.32.4-92 «Указания по расчету электрических нагрузок»;

2. РД 34.20.185-94 «Нормативы для определения расчетных электрических нагрузок зданий (квартир), коттеджей, микрорайонов (кварталов) застройки и элементов городской распределительной сети»;

3. СниП 2.07.01-89 «Планировка и застройка городских и сельских поселений»;

4. Справочные материалы по режимным показателям активных и реактивных нагрузок сельскохозяйственных потребителей;

5. Нормативы потребления электроэнергии для населения.

Достоверный прогноз режимов электропотребления, как в целом, так и по сезонам года, определение зимнего и летнего максимумов нагрузки, а также предсказание характерной формы суточного графика электрических нагрузок является необходимым условием проектирования и модернизации систем автономного электроснабжения с применением ВИЭ.

...