Имитационное моделирование мульти-энергетических систем

Размещено на http://www.allbest.ru/

ИМИТАЦИОННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ МУЛЬТИ-ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СИСТЕМ

Герасимов Д.О.,

Суслов К.В.,

Уколова Е.В.

Введение

Использование в системах энергоснабжения элементной базы, позволяющей накапливать и преобразовывать друг в друга различные типы энергоносителей, наряду с высокоразвитыми информационными системами, делает актуальным развитие таких технологий, как интегрированные системы энергоснабжения [1]. Применение мульти-энергетических систем позволяет улучшить целый комплекс показателей работы энергетической системы, основными из которых являются: оптимизация графиков нагрузки генерирующих станций и сетевой инфраструктуры, повышение качества электрической энергии, повышение надежности энергоснабжения.

Понятие мульти-энергетической системы

Мульти-энергетические системы, посредством которых электричество, тепло, охлаждение, топливо, транспорт и т.д., оптимально взаимодействуют друг с другом на разных уровнях (например, в пределах района, города или региона), представляют собой важную техническую, экономическую и экологическую энергетические системы. Сектора этих систем рассматриваются независимо. Это происходит как на оперативном уровне, так и на этапе планирования. Такие системы образуют отдельные системы с распределенной генерацией с множеством векторов энергии (DMG - распределенная мультигенерация). Они могут стать ключевым вариантом декарбонизации энергетического сектора, подходами, необходимыми для моделирования и соответствующие инструменты для их анализа зачастую имеют большую сложность. Аналогичным образом, идентифицировать нелегко системы, которые способны правильно учесть издержки и выгоды, связанные с различными типами МЭС по различным критериям.

Изолированные системы

В зависимости от пропускной способности объектов электросетевого хозяйства, и также наличия, либо отсутствия присоединения сетей к Единой национальной электрической сети, вся территория страны условно разделена на ценовые и неценовые зоны, а также изолированные энергорайоны (Рисунок 2) [2].

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис.1 Ценовые и неценовые зоны

Первая ценовая зона (Европейская часть России, за исключением республики Коми, Архангельской и Калининградской областей, а также Урал) и Вторая ценовая зона (Сибирь) - территории, на которых возможна конкурентная торговля электрической энергией и мощностью, так как субъекты электроэнергетики не имеют возможности манипулировать ценами вследствие монопольного положения, вызванного ограниченной пропускной способностью сетей. Перетоки между ценовыми зонами, а также между ценовыми и неценовыми зонами являются незначительными.

Реализация технико-экономической модели

Применение МЭС с промежуточным накоплением энергии позволяет решать задачи энергообеспечения на различных уровнях возникающих проблем [3, 4]. На государственном (макроэкономическом) уровне - это создание в короткие сроки энергорайонов, удаленных от энергосистем, с незначительными капитальными вложениями в строительство локальных сетей, обеспечение электроэнергией населения в условиях чрезвычайных ситуаций, а также улучшение экологической обстановки. На региональном уровне - это возможность получения дополнительных мощностей без строительства новых электростанций и ввода дополнительных трансформаторных подстанций. Для предпринимателей - это получение новых доходов за счет создания предприятий (с возможностью их электроснабжения) в тех местах, где ранее это было экономически невыгодно. Это возможность работы предприятия при отключении электроэнергии (аварии) на линиях электропередачи, а также снижение расходов на электроэнергию за счет ее накопления в режиме использования ночного тарифа.

Для исследования принципов функционирования данной системы с целью оптимизации ее работы по тем или иным целевым критериям, необходимо получить математическую модель энергетического хаба, как объекта управления.

При разработке функциональной схемы энергетического хаба для анализа работы энергетической системы с разными энергоносителями, учитывая их взаимное влияние, необходимо учитывать следующее:

- Типы энергоносителей (электроэнергия, тепловая энергия, газ и т. п);

- Ограничение накладываемые на энергоносители по мощности, расходу, потери и нелинейности при передаче и преобразовании энергии;

- Приведение различных единиц измерения энергоносителей к единой системе измерения;

- Возможность технической реализации преобразования одного вида энергоносителя в другой;

- Особенности технической реализации накопления различных видов энергоносителей;

- При наличии тепловой части, эксергетическую составляющую энергетического баланса [5, 6];

- Ограничение по времени на запуск энергоносителей.

Алгоритмическая реализация блоков преобразования одного вида энергии в другой или их накопление, основывается на том, что математическое описание выходных характеристик данных устройств с достаточной точностью можно реализовать системой или одним линейным дифференциальным уравнением первого или второго порядка с постоянными коэффициентами. Также необходимо учитывать коэффициент преобразования одного вида энергии в другой.

Техническая реализация концепции мульти-энергетической системы представлена на рисунке 2.

Рис. 2 Функциональная схема для реализации в SimPowerSystem системы MatLab

В схеме видно, что основными объектами системы являются накопители и преобразователи энергии.

Программная реализация имитационной модели интегрированной системы для трех типов энергоносителей состоит из трех подсистем и имитационной модели панели управления. Подсистемы El_Sys, Heat_Sys, Gas_Sys моделирует работу по каналам электро-, тепло- и газоснабжению соответственно.

Элементы панели управления позволяют, в режиме реального времени управлять нагрузкой по всем каналам энергоснабжения, также управлять работами накопителей энергии, как при накоплении энергии, так и при ее отдаче.

Преобразователи электроэнергии в тепло, газа в тепло, и газа в электрическую энергию также имеют соответствующие органы управления.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 3 Программная реализация мульти-энергетической системы SimPowerSystem системы MatLab

Структурные схемы, реализованные в подсистемах El_Sys, Heat_Sys, Gas_Sys представлены на рисунках 4-6. Общими для всех структурных схем является имитационные блоки, реализующие нагрузку потребителя и связанные с ними органы управления. Также каналы накопления соответствующих видов энергии и связанных с ними органов управления. Преобразователи одного вида энергии в другую реализованы следующим образом: электричество в тепло, газ в тепло, газ в электроэнергию. В качестве номинальных данных взяты реальные номинальные данные водогрейного котла электрического, водогрейного котла на газе и газотурбинной установки. Преобразование различных видов энергии проводилось с учетом изменения коэффициента полезного действия преобразователя в зависимости от нагрузки.

Общими для всех структурных схем является имитационные блоки, реализующие нагрузку потребителя и связанные с ними органы управления. Также каналы накопления соответствующих видов энергии и связанных с ними органов управления. Преобразователи одного вида энергии в другую реализованы следующим образом: электричество в тепло, газ в тепло, газ в электроэнергию.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 4 - Подсистема реализующая канал электроэнергии

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 5 Подсистема реализующая канал тепловой энергии

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис.6 Подсистема реализующая канал газа

В качестве номинальных данных взяты реальные номинальные данные водогрейного котла электрического, водогрейного котла на газе и газотурбинной установки. Преобразование различных видов энергии проводилось с учетом изменения коэффициента полезного действия преобразователя в зависимости от нагрузки. Элементы мульти-энергетической системы моделировались упрошенными алгебраическими уравнениями. Для возможности учета перераспределения потоков энергии все энергетические единицы приводились к одной системе (Дж). Это позволило учитывать перераспределение потоков энергии относительно друг друга без применения сложных математических моделей физических устройств. Данная имитационная модель позволяет исследовать режимы работы мульти-энергетической системы в статическом режиме в зависимости от исследуемых целевых функций.

Особенности применения мульти-энергетических систем

Структура себестоимости характеризуется удельным весом составляющих затрат в суммарной себестоимости. Структура себестоимости для энергетических производств отличается от структуры себестоимости для промышленности и различна для отдельных типов энергетических установок [7]. Так, в электроэнергетике наибольшие затраты приходятся на топливо, а в машиностроительном и металлургическом комплексах - на сырье и материалы, на ТЭС и котельной - на топливо, на предприятиях тепловых сетей - на амортизационные отчисления. Для каждого типа производства структура зависит от мощности, типа оборудования и масштаба производства.

Для каждого преобразователя был произведен расчет издержек. Для каждого преобразователя был произведен расчет издержек. Для расчета себестоимости были учтены следующие показатели:

1.Стоимость установки, руб.

2.Издержки на амортизацию, руб.

4.Издержки на ремонт, руб.

5.Прочие (1%от стоимости),

6.Срок службы, год

7.Норма амортизации

8.Издержки годовые 1 год, руб.

9.Издержки годовые, последующие года, руб.

10.Удельные капитальные вложения, руб.

11.Объем энергии произведенный с помощью основных фондов

12.Установленная мощность кВт, годовая выработка электроэнергии

13.Капитальные затраты, руб.

Также был произведен расчет затрат при использовании накопителей. После расчета затрат бвла подсчитана себестоимость электроэнергии с учетом накопителя и без него (Рисунок 7).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 7 Себестоимость электроэнергии

Из расчета себестоимости можно сделать вывод, что цена за кВт увеличилась с учетом установки накопителя. При этом система станет более надежной. Появляется возможность бесперебойного снабжения в аварийной ситуации.

Выводы

Использование в системах энергоснабжения элементной базы, позволяющей накапливать и преобразовывать друг в друга различные типы энергоносителей, наряду с высокоразвитыми информационными системами, делает актуальным развитие таких технологий, как интегрированные системы энергоснабжения. Применение мульти-энергетических систем позволяет улучшить целый комплекс показателей работы энергетической системы, основными из которых являются: оптимизация графиков нагрузки генерирующих станций и сетевой инфраструктуры, повышение качества электрической энергии, повышение надежности энергоснабжения.

В статье описана техническая возможность реализации МЭС. Представлена функциональная схема мульти-энергетической сети, выполненная в среде MatLab. Рассмотрены накопители и преобразователи энергии.

Применение мульти-энергетических систем позволит решить ряд задач:

1.Энергоснабжение на изолированных территориях;

2.Обеспечение электроэнергией населения в условиях чрезвычайных ситуаций;

3.Улучшение экологической обстановки;

4.При применении нескольких типов энергоносителей можно менять стоимость за счет вариации;

5. Получение дополнительных мощностей без строительства новых электростанций и ввода дополнительных трансформаторных подстанций;

6.Сбор статистических данных.

В работе выполнен расчет себестоимости электроэнергии с учетом установки накопителей. Сделан обзор показателей эффективности.

энергетический мощность электрический

Список литературы