ДонНТУ   Портал магистров

Реферат по теме выпускной работы

Содержание

Введение

Последние десятилетия характеризуются бурным развитием техники, экономики и общества, в которых происходят кардинальные изменения (высокие технологии, рост численности населения планеты, глобальное изменение климата и т. п.), влияющие, в том числе, и на энергетический баланс, предъявляя к нему все новые и новые требования.

К числу наиболее существенных изменений в развитии энергетической отрасли, зарубежные ученые и исследователи относят следующие [1]:

– дефицит источников электрической энергии;

– постоянно растущие требования к надежности и качеству электроснабжения со стороны потребителей;

– постоянное повышение стоимости электрической энергии во всем мире;

– требования экологической и промышленной безопасности функционирования энергетических объектов;

– снижение общесистемных затрат.

Перечисленные изменения требуют разработки новой концепции инновационного развития электроэнергетики. Эта концепция с одной стороны должна соответствовать современным взглядам, целям и ценностям социального и общественного развития, формирующимся и ожидаемым потребностям людей и общества в целом. А с другой – максимально учитывать основные тенденции и направления научно-технического прогресса во всех отраслях, сферах жизни и деятельности общества [2].

1. Актуальность темы

На сегодняшний день электрические сети Украины базируются на устаревшей конструкции середины 20 века. Это одна из основных причин сложности расширения сетевой инфраструктуры для удовлетворения постоянно растущих энергетических потребностей. В следующем десятилетии ожидается, что спрос на электроэнергию вырастет на 19%, а существующая сетевая инфраструктура имеет возможность увеличить свою производительность лишь на 6% [1]. По этим причинам отключения и перебои электроснабжения – проблемы для большинства электрических сетей.

Непрерывный рост стоимости энергетических ресурсов, основой которых являются ископаемые углеводороды (нефть, газ, каменный уголь и др.), и возрастающая сложность их добычи являются сдерживающими факторами для развития традиционной энергетической инфраструктуры. Переработка углеводородных топливных ресурсов оказывает негативное влияние на окружающую среду. Поэтому становится актуальным применение источников возобновляемой энергии, как в больших электрических сетях, так и в малых [3].

Возобновляемая энергетика базируется на энергии солнца, ветра, воды и других экологически чистых ресурсах. В будущем она сможет составить конкуренцию традиционной энергетике. Согласно прогнозам Европейского совета по возобновляемой энергетике, доля возобновляемых источников энергии (ВИЭ) в мировом производстве первичной энергии составит в 2020 г. 23,6%, в 2030 г. – 34,7%, в 2040 г. – 47,7% [4]. Основной недостаток ВИЭ – нестабильный график генерации, который зависит от географического положения, времени года, времени суток, погодных условий и других факторов [3]. Поэтому при использовании ВИЭ востребованы специальные, так называемые, «интеллектуальные» системы, способные оптимально использовать различные распределенные источники энергии. Одним из видов интеллектуальной энергетической системы является система микрогрид. Это низковольтная интеллектуальная распределительная сеть, содержащая разнообразные распределенные источники энергии, накопители энергии, управляемые нагрузки и другие элементы (рис. 1).

pic1

Рисунок 1 – Здание в системе микрогрид

Отмеченные особенности делают актуальным создание единой методики разработки и исследования распределённых энергосистем со значительной долей генерации от ВИЭ.

2. Цель и задачи исследования:

Целью магистерской работы является исследование систем электроснабжения интеллектуальных зданий с применением распределенных возобновляемых источников энергии.

К задачам магистерской работы относятся:

  1. Анализ электрических нагрузок здания, разделение их по приоритетам.
  2. Привязка к различным ставкам тарифов на электроэнергию.
  3. Анализ распределенных источников энергии для интеллектуального здания (коммунальная электросеть, малая солнечная электростанция, малая ветровая электростанция и др.).
  4. Анализ системы накопления энергии (аккумуляторная батарея).
  5. Разработка математической модели нагрузок, источников энергии, накопителя энергии для интеллектуального здания.
  6. Разработка алгоритма управления распределенными источниками энергии, накопителем энергии и потребителями энергии для интеллектуального здания.
  7. Оценка алгоритма управления и его эффективности.

3. Обзор литературы, исследований и разработки

Исследование системы микрогрид, мотивы и причины ее использования приведены в [5-11], где рассматриваются ключевые ценности новой энергетики, такие как:

– доступность – обеспечение потребителей электроэнергией без ограничений в зависимости от того, когда и где она им необходима, и в зависимости от ее качества, оплачиваемого потребителем;

– надежность – возможность противостояния физическим и информационным негативным воздействиям без тотальных отключений или высоких затрат на восстановительные работы, максимально быстрое восстановление (самовосстановление) работоспособности;

– экономичность – оптимизация тарифов на электрическую энергию для потребителей и снижение общесистемных затрат;

– эффективность – максимизация эффективности использования всех видов ресурсов, технологий и оборудования при производстве, передаче, распределении и потреблении электроэнергии;

– органичность взаимодействия с окружающей средой – максимально возможное снижение негативных экологических воздействий;

– безопасность – недопущение ситуаций в электроэнергетике, опасных для людей и окружающей среды;

– гибкость с точки зрения отклика на изменения потребностей.

В [12] описываются основные компоненты системы распределения электроэнергии – распределительные сети подстанции, и связанные с ними электрооборудование и элементы управления. Рассматриваются коммерческие доступные технологии для распределенной генерации на основе ветряков, двигателей внутреннего сгорания, микро- и мини-газовых турбин, топливных элементов, фотогальванической установки, низконапорные гидроагрегаты и геотермальные системы. Также описывается последовательность автоматизации, включающая обнаружение неисправностей, локализацию, изоляцию и восстановление нагрузки.

Подход к абсолютно распределенной системе осуществляется с помощью агентной технологии. Интеллектуальная распределительная мультиагентная технология применяется с целью сделать энергосистему более надежной, эффективной и допускающей использование и интеграцию альтернативных источников энергии.

В агентной платформе, каждый энергетический ресурс и потребитель в микрогрид представлены как автономный агент, который обеспечивает общий коммуникационный интерфейс для всех различных компонентов в системе. За каждым агентом управления, установленном на отдельном компьютере, закреплена энергетическая система. Агентный подход упрощает самоорганизацию. Каждый агент независим, но как только он присоединяется к системе, логика позволяет ему присоединиться к интерфейсу других существующих агентов. Общепринятая методика интерфейса осуществляется через службу каталогов, посредством чего агенты фиксируют себя в общем каталоге и затем самоорганизуют свои действия. Так как система самоорганизуется, не может быть никакого предела тому, сколько агентов и когда может присоединиться к микрогрид, и нет ограничений на то, когда агент должен/может присоединиться. Предложенный агентный микрогрид распределенных энергетических ресурсов показан на рис. 2. Ниже – краткое описание элементов агентной структуры.

pic2

Рисунок 2 – Агентная платформа управления распределенных энергоресурсов микрогрид

  1. Модуль источника энергии проводит электричество или тепло к микрогрид. Примеры типичных распределенных источников энергии – топливные элементы, микротурбины, фотогальванические элементы, ветряные двигатели, геотермические заводы и микрогидроэлектростанции.
  2. Модуль аккумулирования энергии накапливает энергию, когда количество электроэнергии в энергетической системе достаточно и отдает энергию назад в микрогрид, когда избыточная энергия будет затребована. Примеры модулей аккумулирования энергии могут включать водородные системы хранения (электролизер, водородное хранение и системы топливного элемента), суперконденсаторы, батареи, маховики и системы сверхпроводящего магнитного аккумулирования энергии.
  3. Нагрузка в микрогрид представляет собой потребителя электроэнергии или тепла в указанной области.
  4. Агент источника энергии управляет представленным источником энергии на основе локально измеренной информации и связи с другими агентами. Агент определит, сколько энергии понадобилось и включит соответствующий источник энергии. Стратегии управления для различных типов источников энергии могут отличаться друг от друга, в зависимости от характеристик топлива.
  5. Агент аккумулирования энергии управляет представленным модулем аккумулирования энергии, на основе локально измеренной информации и связи с другими агентами источника энергии и агентами нагрузки. Агент аккумулирования энергии определит, сколько энергии будет сохранено или отдано в любое время.
  6. Агент нагрузки управляет нагрузкой, чтобы сделать ее управляемым энергетическим ресурсом. В агентнобазированном микрогриде нагрузка также участвует в конкурентной борьбе.
  7. Человеко–машинный интерфейс для операторов, чтобы контролировать и наблюдать за состоянием системы [13], [14].

На рис. 3 представлен процесс электроснабжения в микрогрид. Умная система сама выбирает какой источник электроэнергии использовать в данную минуту для питания нагрузки. Либо это будет централизованная сеть, либо альтернативные источники энергии, а иногда этим источником будет являться накопительный элемент (аккумулятор), заряженный ранее.

Процес электроснабжения нагрузок в микрогрид

Рисунок 3 – Процесс электроснабжения нагрузок в микрогрид
(анимация: количество кадров:4, количество циклов:4, объем: 48 кБ)

Однако концепция микрогид наряду с достоинствами и преимуществами имеет недостатки, которые требуют решения для скорейшего развития данной концепции. Основные недостатки и проблемы развития микрогрид рассматриваются в [15–22], среди них следует отметить:

  1. Малая генерация – это новые элементы электроэнергетической системы (ЭЭС), во многом с новыми динамическими характеристиками и возможностями управления. Так, например, ветряные электроустановки (ВЭУ) имеют переменный режим работы, который при больших суммарных мощностях ВЭУ может создавать проблемы при управлении режимами и регулировании частоты ЭЭС. При очень сильном ветре ВЭУ останавливаются, что при больших их суммарных мощностях может оказаться экстраординарным возмущением в ЭЭС, могущим привести к нарушению устойчивости системы и развитию аварии [16], [18], [20].
  2. Неоднозначно влияние распределенной генерации на качество электроэнергии по уровням напряжений. С одной стороны, наличие распределенной генерации в распределительной сети позволяет более стабильно поддерживать уровни напряжений в узлах за счет возможностей этих генераторов по генерированию реактивной мощности (в отличие от традиционных распределительных сетей, в которых потери напряжения тем больше, чем дальше от питающей подстанции высокого напряжения). С другой стороны, обнаружено явление возникновения быстрых колебаний напряжения в сети («фликкер»). Характерно, что фликкер развивается при резком снижении напряжения в узле присоединения малого генератора (особенно если генератор – асинхронный) [17], [19].
  3. Неоднозначно влияние малой генерации на генерацию высших гармоник в системе. С одной стороны, наличие малых генераторов снижает их уровень. С другой стороны, ряд малых установок (например, ВЭУ) подключается к распределительной сети через преобразователи переменного тока в постоянный и обратно, которые генерируют в сеть высшие гармоники [15], [19], [22].
  4. Подключение источников малой генерации к распределительной сети увеличивает токи короткого замыкания, что может потребовать замены коммутационных аппаратов, изменения настроек защит и др. [17], [19], [21].
  5. Появление малой генерации усложняет диспетчерское управление ЭЭС, смещая его функции на распределительную сеть. Проблема при этом заключается в высокой неопределенности режимов работы малой генерации вследствие неравномерности загрузки агрегатов, отсутствия текущей информации об их работе и др.
  6. Малая генерация усложняет также систему релейной защиты и автоматики противоаварийного управления ЭЭС [17], [18]. Распределительная сеть с появлением в ней установок малой генерации приобретает черты основной сети – т.е. в ней возникают проблемы устойчивости и др., что требует разработки устройств автоматики, аналогичных основной сети (например, при потере электроснабжения от питающей подстанции основной сети должно обеспечиваться выделение установки малой генерации на близкую по мощности нагрузку, что обеспечит электроснабжение ответственных потребителей).

Выводы

Сети микрогрид позволяют обеспечить потребителей требуемой энергией с наименьшими затратами на ее производство, передачу, накопление. Энергия потребителям в таких сетях поступает из централизованной электрической сети, а также от распределенных возобновляемых источников энергии. Возобновляемая энергия может быть получена от солнца, ветра, воды и других «зеленых» источников. Потребление энергии из местной электрической сети в системе микрогрид должно быть минимальным, что определяется экономическими и экологическими требованиями.

Сведения, приведенные выше, могут отличаться от информации и полученных результатов, приведенных в тексте выполненной магистерской работы, которая будет завершена к январю 2015 г.

Список источников

  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.