ДонНТУ   Портал магістрів

Реферат на тему випускної роботи

Зміст

Вступ

Останні десятиліття характеризуються бурхливим розвитком техніки, економіки та суспільства, в яких відбуваються кардинальні зміни (високі технології, зростання чисельності населення планети, глобальна зміна клімату і т. і.), що впливають, в тому числі, і на енергетичний баланс, пред'являючи до нього більш нові вимоги.

До числа найбільш істотних змін у розвитку енергетичної галузі, зарубіжні вчені та дослідники відносять наступні [1]:

– дефіцит джерел електричної енергії;

– постійно зростаючі вимоги до надійності і якості електропостачання з боку споживачів;

– постійне підвищення вартості електричної енергії в усьому світі;

– вимоги екологічної та промислової безпеки функціонування енергетичних об'єктів;

– зниження загальносистемних витрат.

Перелічені зміни вимагають розробки нової концепції інноваційного розвитку електроенергетики. Ця концепція з одного боку повинна відповідати сучасним поглядам, цілям і цінностям соціального і суспільного розвитку, очікуваним потребам людей і суспільства в цілому. А з іншого – максимально враховувати основні тенденції та напрямки науково-технічного прогресу у всіх галузях, сферах життя і діяльності суспільства [2].

1. Актуальність теми

На сьогоднішній день електричні мережі України базуються на застарілій конструкції середини 20 століття. Це одна з основних причин складності розширення мережевої інфраструктури для задоволення постійно зростаючих енергетичних потреб. У наступному десятилітті очікується, що попит на електроенергію зросте на 19%, а існуюча мережева інфраструктура має можливість збільшити свою продуктивність лише на 6% [1]. З цих причин відключення і перебої електропостачання – проблеми для більшості електричних мереж.

Безперервне зростання вартості енергетичних ресурсів, основою яких є вуглеводні копалини (нафта, газ, кам'яне вугілля та ін), і зростаюча складність їх видобутку є стримуючими факторами для розвитку традиційної енергетичної інфраструктури. Переробка вуглеводневих паливних ресурсів робить негативний вплив на навколишнє середовище. Тому стає актуальним застосування джерел відновлюваної енергії, як у великих електричних мережах, так і в малих [3].

Відновлювана енергетика базується на енергії сонця, вітру, води та інших екологічно чистих ресурсах. У майбутньому вона зможе скласти конкуренцію традиційній енергетиці. Згідно з прогнозами Європейської Ради з відновлюваної енергетики, частка відновлюваних джерел енергії (ВДЕ) в світовому виробництві первинної енергії складе у 2020 році 23,6%, в 2030 р. – 34,7%, в 2040 р. – 47,7% [4]. Основний недолік ВДЕ – нестабільний графік генерації, який залежить від географічного положення, пори року, часу доби, погодних умов та інших факторів [3].Тому при використанні ВДЕ потрібні спеціальні, так звані, «інтелектуальні» системи, здатні оптимально використовувати різні розподілені джерела енергії. Одним з видів інтелектуальної енергетичної системи є система мікрогрід. Це низьковольтна інтелектуальна розподільча мережа, що містить різноманітні розподілені джерела енергії, накопичувачі енергії, керовані навантаження та інші елементи (рис.1).

Будівля в системі мікрогрід

Рисунок 1 – Будівля в системі мікрогрід

Зазначені особливості роблять актуальним створення єдиної методики розробки та дослідження розподілених енергосистем зі значною часткою генерації від ВДЕ.

2. Мета і задачі дослідження

Метою магістерської роботи є дослідження систем електропостачання інтелектуальних будівель із застосуванням розподілених поновлюваних джерел енергії.

До задач магістерської роботи відносяться:

  1. Аналіз електричних навантажень будівлі, їх поділ за пріоритетами.
  2. Прив'язка до різних ставок тарифів на електроенергію.
  3. Аналіз розподілених джерел енергії для інтелектуальної будівлі (комунальна електромережа, мала сонячна електростанція, мала вітрова електростанція та ін.).
  4. Аналіз системи накопичення енергії (акумуляторна батарея).
  5. Розробка математичної моделі навантажень, джерел енергії, накопичувача енергії для інтелектуальної будівлі.
  6. Розробка алгоритму управління розподіленими джерелами енергії, накопичувачем енергії та споживачами енергії для інтелектуальної будівлі.
  7. Оцінка алгоритму управління та його ефективності.

3. Огляд літератури, досліджень та розробок

Дослідження системи мікрогрід, мотиви і причини її використання наведені в [5-11], де розглядаються ключові цінності нової енергетики, такі як:

– доступність – забезпечення споживачів електроенергією без обмежень залежно від того, коли і де вона їм необхідна, і залежно від її якості, що сплачується споживачем;

– надійність – можливість протистояння фізичним і інформаційним негативним впливам без тотальних відключень або високих витрат на відновлювальні роботи, максимально швидке відновлення (самовідновлення) працездатності;

– економічність – оптимізація тарифів на електричну енергію для споживачів і зниження загальносистемних витрат;

– ефективність – максимізація ефективності використання всіх видів ресурсів, технологій та обладнання при виробництві, передачі, розподілі та споживанні електроенергії;

– органічність взаємодії з навколишнім середовищем – максимально можливе зниження негативних екологічних впливів;

– безпека – недопущення ситуацій в електроенергетиці, небезпечних для людей і навколишнього середовища;

– гнучкість з точки зору відклику на зміни потреб.

В [12] описуються основні компоненти системи розподілу електроенергії – розподільні мережі підстанції, і пов'язане з ними електрообладнання та елементи управління. Розглядаються комерційні доступні технології для розподіленої генерації на основі вітряків, двигунів внутрішнього згоряння, мікро- і міні-газових турбін, паливних елементів, фотогальванічної установки, низьконапірні гідроагрегати і геотермальні системи. Також описується послідовність автоматизації, що включає виявлення несправностей, локалізацію, ізоляцію і відновлення навантаження.

Підхід до абсолютно розподіленої системи здійснюється за допомогою агентної технології. Інтелектуальна розподільча мультиагентна технологія застосовується з метою зробити енергосистему більш надійної, ефективної і допускає використання та інтеграцію альтернативних джерел енергії.

В агентній платформі, кожен енергетичний ресурс і споживач у мікрогрід представлені як автономний агент, який забезпечує загальний комунікаційний інтерфейс для всіх різних компонентів в системі. За кожним агентом управління, встановленим на окремому комп'ютері, закріплена енергетична система. Агентний підхід спрощує самоорганізацію. Кожен агент незалежний, але як тільки він приєднується до системи, логіка дозволяє йому приєднатися до інтерфейсу інших існуючих агентів. Загальноприйнята методика інтерфейсу здійснюється через службу каталогів, за допомогою чого агенти фіксують себе в загальному каталозі і потім самоорганізовують свої дії. Так як система самоорганізується, не може бути ніякої межі того, скільки агентів і коли може приєднатися до мікрогрід, і немає обмежень на те, коли агент повинен чи може приєднатися. Запропонований агентний мікрогрід розподілених енергетичних ресурсів приведений на рис.2. Нижче – короткий опис елементів агентної структури.

Агентна платформа управління розподілених

Рисунок 2 – Агентна платформа управління розподілених енергоресурсів мікрогрід

  1. Модуль джерела енергії проводить електрику або тепло до мікрогрід. Приклади типових розподілених джерел енергії – паливні елементи, мікротурбіни, фотогальванічні елементи, вітряні двигуни, геотермические заводи і мікрогідроелектростанцій.
  2. Модуль акумулювання енергії накопичує енергію, коли кількість електроенергії в енергетичній системі досить і віддає енергію назад в мікрогрід, коли надлишкова енергія буде потрібна. Приклади модулів акумулювання енергії можуть включати водневі системи зберігання (електролізер, водневе зберігання та системи паливного елементу), суперконденсатори, батареї, маховики та системи надпровідного магнітного акумулювання енергії.
  3. Навантаження в мікрогрід являє собою споживача електроенергії або тепла в зазначеній галузі.
  4. Агент джерела енергії управляє представленим джерелом енергії на основі локально виміряної інформації та зв'язку з іншими агентами. Агент визначить, скільки енергії знадобилося і включить відповідне джерело енергії. Стратегії управління для різних типів джерел енергії можуть відрізнятися одна від одної, в залежності від характеристик палива.
  5. Агент акумулювання енергії управляє представленим модулем акумулювання енергії, на основі локально виміряної інформації та зв'язку з іншими агентами джерела енергії та агентами навантаження. Агент акумулювання енергії визначає, скільки енергії буде збережено або віддано в будь-який час.
  6. Агент навантаження управляє навантаженням, щоб зробити його керованим енергетичним ресурсом. В агентнобазованому мікрогріді навантаження також бере участь у конкурентній боротьбі.
  7. Людино-машинний інтерфейс для операторів, щоб контролювати і спостерігати за станом системи [13], [14].

На рис. 3 представлено процес електропостачання в мікрогрід. Розумна система сама вибирає яке джерело електроенергії використовувати в дану хвилину для живлення навантаження. Або це буде централізованна мережа, або альтернативні джерела енергії, а іноді цим джерелом буде накопичувальний елемент (акумулятор), заряджений раніше.

Процес електропостачання навантажень в мікрогрід

Рисунок 3 – Процес електропостачання навантажень в мікрогрід
(анімация:кількість кадрів:4, кількість циклів:4, об'єм: 48 кБ)

Однак концепція мікрогрід разом з перевагами має недоліки, які потребують вирішення для якнайшвидшого розвитку даної концепції. Основні недоліки та проблеми розвитку мікрогрід розглядаються в [15-22], серед яких слід відзначити:

  1. Мала генерація – це нові елементи електроенергетичної системи (ЕЕС), багато в чому з новими динамічними характеристиками і можливостями управління. Так, наприклад, вітряні електроустановки (ВЕУ) мають змінний режим роботи, який при великих сумарних потужностях ВЕУ може створювати проблеми при управлінні режимами та регулюванні частоти ЕЕС. При дуже сильному повітрі ВЕУ зупиняються, що при великих сумарних потужностях може виявитися екстраординарним збуренням в ЕЕС, та може призвести до порушення стійкості системи і розвитку аварії [16], [18], [20].
  2. Неоднозначний вплив розподіленої генерації на якість електроенергії за рівнями напруг. З одного боку, наявність розподіленої генерації в розподільній мережі дозволяє більш стабільно підтримувати рівні напруг у вузлах за рахунок можливостей цих генераторів по генерації реактивної потужності (на відміну від традиційних розподільних мереж, в яких втрати напруги тим більше, чим далі від живильної підстанції високої напруги). З іншого боку, виявлено явище виникнення швидких коливань напруги в мережі (флікер). Характерно, що флікер розвивається при різкому зниженні напруги в вузлі приєднання малого генератора (особливо якщо генератор – асинхронний) [17], [19].
  3. Неоднозначний вплив малої генерації на генерацію вищих гармонік в системі. З одного боку, наявність малих генераторів знижує їх рівень. З іншого боку, ряд малих установок (наприклад, ВЕУ) підключається до розподільчої мережі через перетворювачі змінного струму в постійний і назад, які генерують в мережу вищі гармоніки [15], [19], [22].
  4. Підключення джерел малої генерації до розподільної мережі збільшує струми короткого замикання, що може вимагати заміни комутаційних апаратів, зміни налаштувань захистів та ін. [17], [19], [21].
  5. Поява малої генерації ускладнює диспетчерське управління ЕЕС, зміщуючи його функції на розподільну мережу. Проблема при цьому полягає у великій невизначеності режимів роботи малої генерації внаслідок нерівномірності завантаження агрегатів, відсутності поточної інформації про їх роботу та ін
  6. Мала генерація ускладнює також систему релейного захисту та автоматики протиаварійного керування ЕЕС [17], [18].Розподільча мережа з появою в ній установок малої генерації набуває рис основної мережі – тобто в ній виникають проблеми стійкості та ін, що потребує розробки пристроїв автоматики, аналогічних основній мережі (наприклад, при втраті електропостачання від живильної підстанції основної мережі повинно забезпечуватися виділення установки малої генерації на близьку по потужності навантаженні, що забезпечить електропостачання відповідних споживачів).

Висновки

Мережі мікрогрід дозволяють забезпечити споживачів необхідною енергією з найменшими витратами на її виробництво, передачу, накопичення. Енергія споживачам в таких мережах надходить з централізованої електричної мережі, а також від розподілених поновлюваних джерел енергії. Відновлювана енергія може бути отримана від сонця, вітру, води та інших "зелених" джерел. Споживання енергії з місцевої електричної мережі в системі мікрогрід має бути мінімальним, що визначається економічними та екологічними вимогами.

Відомості, наведені вище, можуть відрізнятися від інформації та отриманих результатів, наведених у тексті виконаної магістерської роботи, яка буде завершена до січня 2015 р.

Перелік посилань

  1. Стычинский З.A.,  Воропай Н.И.  Возобновляемые источники энергии: теоретические основы, технологии, технические характеристики, экономика. – Иркутск 2010, – С. 28.
  2. Кобец Б. Б.; Волкова И.О.  Инновационное развитие электроэнергетики на базе концепции Smart Grid. – М.: ИАЦ Энергия, 2010. – С. 10-14.
  3. Колот М.А.,  Левшов А.В.,  Коротков А.В.  Алгоритм управления источниками и потребителями электроэнергии интеллектуального здания. Электромеханические и энергетические системы, методы моделирования и оптимизации. Сборник научных трудов XI Международной научно–технической конференции молодых ученых и специалистов в Кременчуге 10–11 апреля 2014 г. – Кременчуг: КрНУ, 2014. – С. хх–хх.
  4. Безруких П.П.;  Возобновляемая энергетика: сегодня – реальность, завтра – необходимость. – М.: Лесная страна, 2007. – ISBN 978-5-91505-004-3.152.
  5. Boynuegri A.R.;  Yagcitekin B.;  Baysal M.;  Karakas A.;  Uzunoglu M.  «Energy management algorithm for smart home with renewable energy sources», Power Engineering, Energy and Electrical Drives (POWERENG), 2013 Fourth International Conference, pages: 1753 – 1758.
  6. Pedro S. Moura;  Gregorio L. Lopez;  Jose I. Moreno.  Anibal T. De Almeida.  «The role of Smart Grids to foster energy efficiency». Original article. Springer Science+Business Media Dordrecht 2013. 12 May 2013.
  7. Ye Yan;  Yi Qian;  Hamid Sharif;  David Tipper.  «A Survey on Smart Grid Communication Infrastructures: Motivations, Requirements and Challenges». IEEE Communications Surveys & Tutorials, Vol. 15, No. 1, First Quarter 2013, page 5-20.
  8. Sakis Meliopoulos A. P.  «Smart Grid Technologies for Autonomous Operation and Control». IEEE Transactions On Smart Grid, Vol. 2, No. 1, March 2011, Page 1-10.
  9. Vehbi C. Gungor;  Dilan Sahin;  Taskin Kocak;  Salih Ergut;  Concettina Buccella;  Carlo Cecati.  «Smart Grid Technologies: Communication Technologies and Standards». IEEE Transactions On Industrial Informatics, Vol. 7, No. 4, November 2011 , Page 529-539.
  10. Bernd M. Buchholz,  Zbigniew Styczynski.  Smart Grids – Fundamentals and Technologies in Electricity Networks. – Magdeburg 2014, – 396 р.
  11. European Technology Platform SmartGrids. Vision and Strategy for Europe’s Electricity Networks of the Future, 2006 – 44 pp.
  12. Begovich Miroslav M.  Electrical Transmission Systems and Smart Grids. Selected Entries from the Encyclopedia of Sustainability Science and Technology. – New York, 2012, – 323 pp.
  13. Zhenhua Jiang.  Agent-Based Control Framework for Distributed Energy Resources Microgrids. Proceedings of the IEEE/WIC/ACM International Conference on Intelligent Agent Technology (IAT'06), 2006.
  14. Shawkat Ali A. B. M.  Opportunities, Developments, and Trends Smart Grids. Green Energy and Technology, 2013, – 230 pp.
  15. Chiradeja Р.,  Ramakumar R.  An Approach to Quantify the Technical Benefits of Distributed Generation // IEEE Trans. Energy Conversion, 2004, V 01. 19, No 4.
  16. Donelly M.R.;  Dagle J.E.;  Trudnowski D.J.;  Riders G.J.  Impact of the Distributed Utility оn Transmission System Stability // IEEE Trans. Power Systems, 1996, Vоl.11, No 2.
  17. Jenkins N.;  Аllаn R.;  Grossley Р.;  Kirschen D.;  Strbac G.  Embedded Generation. London; IEE, – 2000.
  18. Batrinu F.;  Chicco G.;  Рomrub R.;  Postolache Р.;  Toader С.  Сuпепt Issues оn Operation and Management of Distributed Resources // 5th Int. World Energy System Conf., Oradea, Romania, Мау 17-19, 2004.
  19. Barker Ph.Р.,  De Меllо R.W.  Determining the Impact of Distributed Generation оn Power Systems: Part 1 – Radial Distribution Systems // 2000 IEEE PES Summer Meeting, Seattle, W А, USA, July 11-15, 2000.
  20. Dany G.  Impact of Inercasing Wind Generation оn the Electricity Supply System // IAEW-FGE-Annual Report 2003, Aachen, Germany, 2003.
  21. Papathanassiou S.A.,  Hatziargyriou N.D.  Technical Requirements for the Connection of Dispersed Generation to the Grid // 2001 IEEE PES Summer Meeting, Vancouver, Canada, July 15-19, 2001.
  22. Воропай Н.И.,  Ефимов Д.Н.  Требования к противоаварийному управлению ЭЭС с учетом изменения условия их развития и функционирования // Надежность либерализованных систем энергетики. Новосибирск: Наука, 2004.