Вопросы разработки электротехнического комплекса виртуальной электростанции с источниками распределенной генерации

Размещено на http://www.allbest.ru/

Вопросы разработки электротехнического комплекса виртуальной электростанции с источниками распределенной генерации

Е.Н. Соснина,

А.В. Шалухо,

А.Ю. Кечкин,

Н.В. Шумский

Введение

В ключевых документах [1, 2], определяющих направления развития электроэнергетической системы России, говорится о перспективе усиления позиций малой распределенной энергетики и её эффективного взаимодействия с централизованной энергетикой.

Растущее количество источников малой генерации (ИМГ) оказывает существенное влияние на режим энергосистемы. Добиться эффективного взаимодействия можно с использованием технологии «виртуальной электростанции» (ВиЭС) [3].

ВиЭС - это интеллектуальная система, обеспечивающая технологическое и информационное объединение источников малой генерации (ИМГ), накопителей электроэнергии (АКБ), управляемой нагрузки для их совместного участия на рынках электроэнергии, оказания системных услуг и взаимного резервирования.

Развитие в России технологий ВиЭС предполагает преодоление ряда барьеров: технического (разработка силового и преобразовательного оборудования с новыми функциями и совершенствование активно-адаптивных систем управления); нормативного (создание и запуск нормативно-правовых механизмов, позволяющих ИМГ участвовать на рынках электроэнергии) и методологического [4].

Актуальность методологических задач обусловлена тем, что по сравнению с существующими электротехническими комплексами с одним или несколькими ИМГ ВиЭС является гораздо более сложной системой, состоящей из разнохарактерных объектов и подсистем. Проектирование электротехнического комплекса ВиЭС должно отличаться более глубокими подходами, учитывающими многовариантность и многоэтапность решения, а также наличие неопределенностей.

В статье рассмотрены методологические вопросы разработки электротехнического комплекса виртуальной электростанции с источниками распределенной генерации. Предложены подходы к оптимизации структуры комплекса и учету непостоянства возобновляемых источников энергии.

Основная часть

Для объединения ИМГ в ВиЭС на низком и среднем напряжении требуется решение задачи выбора оптимальной структуры электротехнического комплекса с определением наиболее эффективных маршрутов передачи электрической мощности.

Для представления сложной структуры электрических связей ВиЭС в виде удобного символического изображения предложено использовать теорию графов. Теория графов нашла широкое применение в энергетике, логистике, экономике при решении задач выбора наиболее эффективных линий связи между различными объектами.

Важное достоинство применения теории графов для структурного анализа систем (в том числе электротехнических) заключается в том, что при минимуме исходных данных данный подход позволяет сравнивать между собой различные варианты проектов на ранних стадиях разработки и получать качественно достоверные результаты.

Пример структурной схемы электрической сети с ИМГ и соответствующего ей графа приведен на рис. 1.

Рис.1. Структурная схема ВиЭС и соответствующий ей граф

Вершинами графа являются распределительные пункты, потребители (ПЭ), источники. Ветви графа - линии электропередач. Ориентация ветвей соответствует преобладающим потокам электроэнергии. Также ветви графа характеризуются удельным сопротивлением; протяженностью, затратами на передачу электроэнергии.

Первый этап оптимизации топологии ВиЭС с большим количеством ИМГ подразумевает устранение заведомо неэффективных путей передачи мощности от источников.

Наибольшее целесообразное расстояние передачи мощности от ИМГ с учетом электрических потерь при заданном КПД можно оценить по формуле:

, (1)

где G - передаваемая мощность; U - номинальное напряжение сети; з - КПД линии (отношение мощности, полученной потребителем, к мощности ИМГ).

Также необходимо устранить варианты передачи незначительной величины мощности на большие расстояния, являющиеся нерентабельными. Максимально целесообразное расстояние передачи мощности от источника потребителю с учетом затрат на сооружение линии можно оценить по формуле:

, (2)

где С_E - стоимость 1 кВтч электроэнергии; С_L - стоимость сооружения 1 км линии; t - заданный срок окупаемости.

Исходя из выражений (2) и (3) составляется условие оптимальной области передачи:

, (3)

где L_О - граница оптимальной области передачи.

Графически условие (3) представляется в виде пересечения графиков функций (1) и (2), разделяющих область графика на две зоны: область оптимальной передачи А и область неоптимальной передачи В (рис. 2).

Рис.2. Определение области оптимальной передачи мощности

Так же на рис. 2 показана зависимость математического ожидания передаваемой мощности ИМГ от расстояния с учетом электрических потерь. Считается, что передача мощности от ИМГ к потребителю происходит по эффективному маршруту, если данная зависимость входит в область А.

В большинстве случаев ИМГ в сети низкого и среднего напряжения располагаются в непосредственной близости от группы потребителей и накопителей электроэнергии, что определяет особенность графа ВиЭС - объединение ИМГ, потребителей и накопителей в обособленные вершины.

Предложен подход к определению состава обособленного узла ВиЭС:

· определяется область оптимальной передачи ИМГ по (3);

· рассчитываются границы эффективной передачи мощности к каждой нагрузке, входящей в оптимальную область ИМГ;

· сопоставляются объемы и режимы генерации и потребления.

При определении состава узла ВиЭС важным является учет стохастического характера генерации ВИЭ. В качестве возможного решения этой задачи следует рассматривать вероятностно-статистический подход [5].

Суть подхода заключается в следующем. Для всех входящих в ВиЭС возобновляемых источников энергии и потребителей строятся функции распределения вероятности генерируемой и потребляемой мощности соответственно. Закон распределения вероятности и его характеристики (математическое ожидание и среднеквадратичное отклонение) определяются на основе статистической информации или экспериментальных исследований.

Путем совмещения функций распределения вероятности генерируемой и потребляемой мощности двух объектов можно получить график, который будет разделен на несколько частей.

На рис. 3 на примере нормальных законов распределения показано совмещение функций распределения вероятности генерируемой и потребляемой мощности.

Рис.3. Совмещение функций распределения вероятности генерируемой F (P_г) и потребляемой F (P_н) мощности

Площадь области А между нулем и точкой 1 определяет вероятность превышения потребляемой мощности над генерируемой. Площадь области В между точками 1 и 2 определяет вероятность превышения генерируемой мощности над потребляемой. Для повышения эффективности использования ВИЭ необходимо минимизировать площадь области В. Вся мощность, генерируемая ВИЭ, будет использована. Для нормальных законов распределения это условие будет соответствовать функции (4):

(4)

где R - вероятность превышения генерируемой мощности над потреблением; м(P_Г) - среднее значение генерируемой мощности; м(P_Н) - средняя потребляемая мощность; у (P_Г) - среднеквадратичное отклонение генерируемой мощности; у (P_Н) - среднеквадратичное отклонение потребляемой мощности.

Следующий шаг заключается в оценке оптимальных путей передачи электроэнергии между узлами ВиЭС.

Для поиска оптимальной величины и направления передаваемой электроэнергии предложено использовать математический аппарат транспортной задачи Монжа-Канторовича [6].

Суть задачи Монжа-Канторовича заключается в поиске оптимальных путей передачи однородного объекта из пунктов производства к пунктам потребления с минимальными затратами на передачу.

Для исследуемого случая задача Монжа-Канторовича формулируется следующим образом. Имеются источники распределенной генерации, вырабатывающие некоторое количество электроэнергии (за рассматриваемый промежуток времени, например, за месяц или за год). Имеются потребители, нуждающиеся в определенном количестве электроэнергии (за рассматриваемый промежуток времени). При передаче электроэнергии от источников к потребителям возникают потери. Требуется найти такой план передачи электроэнергии, при котором общие потери электроэнергии будут минимальны.

В первую очередь, на этапе проектирования решение задачи позволит выбрать оптимальные ЛЭП для соединения объектов. В дальнейшем, на этапе эксплуатации решение будет использоваться динамической системой управления для суточного прогнозирования потоков мощности между узлами ВиЭС и прогнозирования рынка электроэнергии.

Решение задачи с помощью теории графов заключается в построении и дальнейшем анализе двудольного транспортного графа. Общий вид двудольного транспортного графа ВиЭС изображен на рис. 4.

Рис.4. Общий вид двудольного транспортного графа

Применительно к ВиЭС: передаваемый однородный объект - это электроэнергия; пункты отправления и потребления - узлы с положительным и отрицательным математическим ожиданием мощности соответственно.

В двудольном графе положительные узлы располагаются в одном поле, а отрицательные - в другом. Пункты производства и потребления попарно соединяются дугами. При составлении двудольного транспортного графа необходимо провести проверку на сбалансированность. Как правило, объемы генерируемой и потребленной электроэнергии не совпадают. В этом случае задача является открытой (несбалансированной). Для приведения ее к закрытой следует ввести фиктивные пункты производства или потребления электроэнергии. Фиктивным узлом производства или потребления для ВиЭС является трансформаторная подстанция. В случае недостатка мощности от ИМГ в ВиЭС добавляется мощность от энергосистемы, а иначе - излишек мощности может быть передан в энергосистему. Для оценки величины небаланса могут быть использованы статистические данные (по потреблению электроэнергию) и расчетные значения (генерации электроэнергии).

Алгоритм решения задачи основывается на анализе транспортных таблиц, пример которой приведен в табл.1.

Таблица 1. Общий вид транспортной таблицы для ВиЭС

Опорный план составляется методом минимального элемента. В левый столбец транспортной таблицы последовательно заносятся все положительные узлы ВиЭС. В верхнюю строку последовательно заносятся все отрицательные узлы.

Для анализа опорного плана используется метод потенциалов. Он позволяет учесть дополнительные характеристики положительных и отрицательных узлов, описываемые потенциалами этих узлов Q_i и V_j. Для всех базисных клеток плана (клетки таблицы, в которые записаны отличные от нуля значения передаваемой мощности) должно выполняться соотношение:

.(5)

Для каждой свободной клетки плана вычисляется разность:

.(6)

Последовательно обходятся все ячейки цикла, поочередно вычитаются и прибавляются к ним минимальное значение, с учетом перерасчета переданной и отправленной мощностей. План является оптимальным, если каждое ?l_ij>=0.

Полученный план определит наиболее эффективное с точки зрения потерь распределение мощности между узлами ВиЭС.

электротехнический виртуальный электростанция генерация

Выводы

В статье представлены подходы к оптимизации структуры ВиЭС с источниками распределенной генерации. Рассмотрены возможности учета стохастического характера ИМГ с целью уменьшения количества АБ на основе совмещении функций распределения вероятностей генерируемой и потребляемой мощности. Предложена методика, позволяющая на основе теории графов определить наиболее оптимальные маршруты передачи электроэнергии исходя из минимизации затрат и относительных потерь. Для сокращения области поиска оптимальной топологии предложено ввести ограничения по пропускной способности ЛЭП, а также оценивать наибольшие целесообразные расстояния передачи мощности от источников к потребителям в зависимости от электрических потерь в линии и капитальных затрат на ее сооружение.

Список литературы

Энергетическая стратегия России на период до 2030 года: [утверждена распоряжением Правительства РФ от 13 ноя. 2009 года№1715-р].

Бердников, Р.Н. Концепция интеллектуальной электроэнергетической системы России с активно-адаптивной сетью. - М.: ОАО "НТЦ ФСК ЕЭС", 2012. - 235 с.

Энерджинет. Национальная технологическая инициатива. Новые возможности энергетики будущего // Сайт EnergyNET: [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://energynet.ru/data/ EnergoNET2.pdf (дата обращения: 05.08.17).

План мероприятий («дорожная карта») «Энерджинет» Национальной технологической инициативы // Сайт АО «РВК»: [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.rvc.ru/nti/roadmaps/ dk_energynet_new.pdf (дата обращения: 05.08.17).

Sosnina, E. The effective utilization of renewable energy sources in a local power supply system // Power Technology and Engineering.-2013, Volume 46.

Chen, W.K. Graph Theory and Its Engineering Applications. - Singapore: World Scientific Publishing Company, 1997. - 698 p.

Размещено на Allbest.ru