Українська   English
ДонНТУ   Портал магистров

Реферат по теме выпускной работы

Содержание

Введение

Более 20 млн., проживающих 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.

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. Рост цен на дизельное топливо способствует повышению стоимости электроэнергии вырабатываемой дизельными электростанциями.

Одним из перспективных направлений развития автономного энергоснабжения, позволяющих в значительной степени решить проблемы ДЭС, является возобновляемая энергетика, в частности ветроэнергетика.

Многие регионы автономной энергетики Сибири, Дальнего Востока и Крайнего Севера характеризуются высоким ветровым потенциалом, поэтому важным направлением в развитии децентрализованного энергоснабжения является применение ветро-дизельных станций (ВДЭС).

Применение возобновляемых источников энергии в составе автономных энергетических систем позволяет снизить топливную составляющую в себестоимости вырабатываемой электроэнергии, что существенно повышает их технико-экономическую эффективность.

1. Актуальность темы

В настоящее время в мире применяются различные варианты построения гибридных станций на базе ВДЭС, однако вопросы оптимизации структуры и параметров системы требуют продолжения исследований.

Научным исследованиям в области электроснабжения автономных потребителей на базе ВДЭС за последние 10 лет посвящен ряд научно- исследовательских работ российских ученых: П.П. Безруких, В.Г.Николаев, М.А. Сурков, В.Р. Киушкина, А.А. Аверин, А.В. Бобров, В.В. Вессарт, А.В. Чебодаев, А.Н. Дорошин, Н.М. Парников, Р.В. Пугачев, и зарубежных авторов: Tomilson Andrew, Memorial University of Newfoundland; Jeffries William Q. Ph.D. University of Massachusetts Amherst; Akarin Suwannarat, Institute of Energy Technology, Aalborg University, Denmark. В работах рассматривались вопросы: математического моделирования рабочих режимов станции, алгоритмов работы ВДЭС, оценка экономической эффективности системы, однако существует ряд проблем в данной области, которые до конца не изучены.

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 ветро-дизельных электростанций [1].

2. Цель и задачи исследования

Цель работы. Повышение энергоэффективности автономных систем электроснабжения на базе ВДЭС путем рационального выбора основного генерирующего оборудования и оптимизации его рабочих режимов.

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

– проведен сравнительный анализ вариантов построения ветро-дизельных 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 сетях, 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 ветро-дизельных электростанций, позволяющая производить рациональный выбор основного генерирующего оборудования и режимов его работы.

Методы исследования. При выполнении диссертационной работы использовались: методы анализа и обобщения данных, приведенных в научно-технической литературе, вероятностно-статистические методы анализа данных; методы математического моделирования, имитационного моделирования, экспериментальные исследования [4].

.

Научная новизна работы. В результате выполнения исследований получены следующие новые научные результаты:

– предложены рациональные варианты структуры автономной системы электроснабжения на базе ВДЭС, в том числе с управляемой балластной нагрузкой позволяющей оптимизировать режимы работы основного энергетического оборудования;

– разработана математическая модель ветро-дизельной системы электроснабжения, учитывающая реальные изменения мощности нагрузки, соотношение установленных мощностей ветровой и дизельной составляющей генерирующего оборудования, действительные ветровые условия района электроснабжения;

– построены энергоэффективные алгоритмы управления режимами силовых энергетических установок ВДЭС, позволяющие: максимально использовать потенциал ветра; обеспечить наиболее экономичный режим работы ДЭС; повысить эксплуатационный ресурс оборудования.

Практическая ценность работы:

– предложены универсальные методики расчета нагрузки потребления и ветроэнергетического потенциала для краткосрочного и долгосрочного планирования режимов работы ВДЭС;

– разработана методика оценки экономической эффективности автономной ветро-дизельной системы электроснабжения;

– разработаны рекомендации по повышению энергоэффективности автономных систем электроснабжения путем выбора рационального состава ВДЭС и режимов работы энергетического оборудования;

– создан программный пакет для исследования и формирования рациональных режимов работы ВДЭС и анализа её энергетических балансов.

Достоверность результатов диссертационной работы. Полученные в ходе диссертационной работы научные результаты базируются на всестороннем анализе выполненных ранее научно-исследовательских работ в данной области исследования. В ходе работы использовались аналитические и экспериментальные методы проверки достоверности результатов.

3. Проблемы автономных систем электроснабжения

Основу малой энергетики в настоящее время составляют до 50 тысяч различных, преимущественно дизельных электростанций. Практический опыт эксплуатации ДЭС показывает, что затраты на топливо являются определяющими в себестоимости вырабатываемой ДЭС электроэнергии (рис.1). Поэтому минимизация расхода топлива при эксплуатации ДЭС является важнейшей стратегической задачей, определяющей экономическую эффективность электростанции.

Рисунок 1. Диаграмма затрат на производство и транспорт электроэнергии: на ДЭС ОАО "Сахаэнерго".
(анимация: 5 кадров, 6 циклов повторения, 166 килобайт)

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. 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.

Малые ветроэнергетические установки (ВЭУ) (мощностью до 100 кВт) находят широкое применение для автономного питания потребителей, т.к. они конструктивно просты, а необходимая ветровая энергия имеется во многих районах автономного электроснабжения [9].

Скорость ветра и нагрузка потребления являются случайными величинами, что в сочетании с соизмеримостью мощностей основного энергетического оборудования требует согласования в реальном масштабе времени режимов производства и потребления электроэнергии. Частично проблему согласования можно решить, используя в энергетической системе буферные накопители энергии, в качестве которых используются аккумуляторные батареи (АБ).

Повышение энергоэффективности дизельных электростанций с помощью ветроэнергетической установки достаточно сложная задача. Обзор структурных схем наиболее распространенных ВДЭС позволил определить перспективную систему (рис.2), обеспечивающую рациональное электроснабжение потребителя в широком диапазоне мощностей и ветровых условий.

Рисунок 2. Перспективная блок-схема построения ВДЭС Условные обозначения: Г – генератор; РБ – регулятор балласта; В – выпрямитель; БН – блок балластных сопротивлений; АБ – аккумуляторная батарея; И – инвертор; Н – полезная нагрузка; ДД – дизельный двигатель; СГ – синхронный генератор; СШ – сборная шина; РА – регулятор аккумуляторной батареи.

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.

4. Потребление электрической энергии автономной энергетической системой

Для практического использования установок возобновляемой энергетики в составе автономных энергетических комплексов, а также выбора основного энергетического оборудования необходимо решить ряд технических задач, рассмотренных во второй главе, важнейшей из которых является согласование режимов производства и потребления энергии в условиях стохастических временных процессов изменения электрической нагрузки потребителя и мощности первичного энергоносителя, ветра. Опираясь, на нормативные документы и типовые графики нагрузок, разработана универсальная методика определения нагрузки потребления децентрализованного потребителя (рис.3).

Рисунок 3. Блок-схема расчета прогнозных режимов потребления электрической энергии автономной энергетической системой

Основными факторами, определяющими режимы электропотребления населенного пункта, обеспечиваемого электроэнергией от автономной энергетической системы, являются численность жителей и виды электрических нагрузок, которые в общем случае подразделяется на: – бытовую – нагрузку, потребляемую населением (жилые дома, общежития); – социальную – нагрузку, потребляемую объектами социального назначения (магазины, школы, кинотеатры и т.д.) – производственную – нагрузку, потребляемую предприятиями.

Существенное влияние на режимы электропотребления могут оказывать географические, климатические и технические характеристики конкретного населенного пункта: среднегодовая температура воздуха, количество зимних и летних дней, уровень комфортности коммунально-бытовой сферы и т.п.

Определение нагрузки потребления основывается на использовании типовых графиков электирических нагрузок.

Проведенный анализ фактических данных по годовому потреблению электрической энергии автономными энергетическими системами показал, что объединение бытовой и социальной нагрузки с привязкой ее к численности населения, принятое в нормативных документах, обеспечивает невысокую точность прогноза.

На рис. 4 представлены осредненные за 2006 – 2010 гг. зависимости годового объема потребленной электрической энергии, построенные по фактическим данным электропотребления 79 автономными энергетическими системами Республики Саха (Якутия) с численностью обслуживаемого населения от 20 до 859 чел.

Рисунок 4. Фактическая зависимость годового потребления электроэнергии от численности населения автономных систем электроснабжения Республики Саха (Якутия): а) бытовая нагрузка б) социальная нагрузка.

4. Алгоритмы управления режимами работы ВДЭС

В логику работы предлагаемого алгоритма положены два основных принципа: максимальное полезное использование энергии, генерируемой ВЭС и минимизация числа часов работы ДЭС. Для практической реализации алгоритма управления необходим постоянный контроль за запасом энергии в буферном накопителе и текущими значениями генерируемой, потребляемой и аккумулируемой мощностями. Кроме того, ДЭС должна быть выполнена по 3 степени автоматизации, обеспечивающей дистанционный автоматический запуск и останов дизельного двигателя. Интеллектуальная система управления (СУ) ВДЭС обеспечивает постоянное распределение потоков энергии в замкнутой энергетической системе в зависимости от ее текущего состояния. С точки зрения управления, режим работы станции определяется соотношением текущих значений мощности, генерируемой ВЭУ и потребляемой нагрузкой. Возможны два основных режима: [4].

Рисунок 5. Алгоритм управления режимами ВДЭС

1. Выходная мощность ВЭУ больше потребляемой активной мощности нагрузки. В этом режиме потребитель полностью обеспечивается энергией от ВЭУ. Излишки вырабатываемой ВЭУ мощности направляются на заряд аккумуляторных батарей, а в случаях, когда они превышают максимальную зарядную мощность АБ, избыток энергии рассеивается на балластных сопротивлениях.

2. Выходная мощность ВЭУ меньше потребляемой активной мощности нагрузки. В этом режиме СУ определяет недостаток мощности, необходимой потребителю, и производит оценку возможности ее получения из АБ. Если необходимая в текущем режиме разрядная мощность накопителя не превышает предельно допустимых значений, покрытие электрической нагрузки ВДЭС производится за счет мощности ВЭУ и разрядной мощности АБ. В противном случае СУ формирует управляющий сигнал на запуск дизельного двигателя, и покрытие электрической нагрузки производится совместными усилиями ВЭУ и ДЭС, которые, кроме этого, обеспечивают заряд АБ.

В качестве примера на рисунке 6 показан суточный режим работы ВДЭС, построенной на базе дизель-генератора номинальной мощностью 1 5 кВт, ВЭУ 13 мощностью 50 кВт и буферного накопителя из 40 аккумуляторов с суммарной емкостью 90 кВт•ч.

Рисунок 6 Суточный рабочий режим ВДЭС с буферным накопителем энергии

Представленный график получен по результатам имитационного математического моделирования автономной системы электроснабжения, расположенной в поселке Усть-Оленёк, Булунский улус, республика Саха (Якутия), энергообеспечение данного поселка обеспечивается дизельными электростанциями. Использование ветро-дизельных систем электроснабжения обеспечит экономию топлива, увеличит моторесурс дизельгенератора. При моделировании использовались вероятностно-статистические модели нагрузок автономного потребителя и энергии воздушного потока, а также энергетические модели ВЭУ и ДЭС.

Результаты расчетов свидетельствуют о том, что для обеспечения рационального энергетического баланса в автономной ВДЭС, а соответственно повышения ее энергетической эффективности, необходимо тщательным образом согласовывать установленные мощности ДЭС, ВЭУ и АБ с учетом ветровых условий в месте размещения электростанции и прогнозного графика электрических нагрузок. Тем не менее, даже при рационально выбранной схеме ВДЭС остаются излишки генерируемой ВЭУ электроэнергии, которые невозможно полностью утилизировать с помощью накопителей энергии, построенных на базе АБ. Следовательно, любая автономная ВДЭС должна содержать в своем составе регулируюмую балластную нагрузку, необходимую для согласования режимов производства и потребления энергии в режимах превышения мощности, вырабатываемой ВЭУ над текущей мощностью нагрузки.

На рисунке 7 представлен суточный режим работы ВДЭС, полученный по результатам имитационного математического моделирования по алгоритму с использованием балластной нагрузки.

Рисунок 7. Оптимизированный суточный рабочий режим ВДЭС с буферным накопителем энергии и балластной нагрузкой

Методика выбора оптимального варианта построения ВДЭС основана на расчете и сравнительном анализе энергетических характеристик автономной электростанции, предназначенной для электроснабжения конкретного потребителя с географической привязкой к месту ее размещения. Улучшение энергетических характеристик ВДЭС достигается за счет рационального выбора установленных мощностей генерирующих и аккумулирующих источников, определяемых параметрами ветрового режима в месте размещения электростанции и характером электрической нагрузки потребителя, а также оптимального управления потоками энергии в замкнутой энергетической системе, которое обеспечивает единая система управления рабочими режимами. Так как рациональное соотношение установленных мощностей ДЭС, ВЭУ и БНЭ не является типовым, а определяется индивидуально для каждой ВДЭС с учетом конкретных условий ее размещения и эксплуатации, в качестве критерия выбора основного силового оборудования целесообразно использовать технико-экономические показатели.

Выводы

Основные результаты проведенных в диссертационной работе исследований, направленных на повышение энергоэффективности системы автономного ветро-дизельного электроснабжения заключается в следующем: 1. Проведен анализ децентрализованной энергетики России, основу которой составляют дизелные электростанции. Выявлены негативные факторы, влияющие на надежность автономного электроснабжения, определяющие низкие технические показатели и экономические характеристики ДЭС. Определены основные направления повышения эффективности автнонмных электростанций с помощью возобновляемой энергетики. 2. Проанализированы варианты построения гибридных систем электроснабжения на базе ВДЭС, определена перспективная структурная схема построения ветро-дизельного электроснабжения автономного потребителя. 3. Проведен анализ методов определения основных энергетических параметров систем автономного электроснабжения с использованием ВЭС: ветроэнергетического потенциала и нагрузки потребления, определяющих выбор основных компонентов изолированной энергетической системы. Разработаны математические модели и предложена методика определения вырабатываемой энергии ВЭС с учетом реальных характеристик ветро- дизельной установки, и универсальная методика определения нагрузки электропотребления. 4. Разработаны эффективные алгоритмы управления режимами работы ветро-дизельных электростанций для автономного электроснабжения, позволяющие: максимально использовать потенциал ветра; обеспечить наиболее экономичный режим работы ДЭС; повысить эксплуатационный ресурс оборудования. 20 5. Предложена автоматизированная методика выбора компонентов децентрализованной ветро-дизельной системы электроснабжения, расчета основных показателей экономической эффективности применения ВДЭС.

*При написании данного реферата магистерская работа еще не завершена. Полный текст работы и материалы по теме могут быть получены у автора или его руководителя в январе 2016 года.

Список источников

  1. Хошнау З. П. Пути повышения энергоэффективности автономных ветроэлектростанций // Материалы Всероссийской научно- технической конференции "Электроэнергия: от получения и распределения до эффективного использования" Национальный исследовательский Томский политехнический университет. – Изд-во Томского политехнического университета, 2010. – 351с.
  2. Обухов С.Г., Сурков М.А., Хошнау З.П. Методика выбора ветроэнергетических установок малой мощности // Электро. Электротехника, электроэнергетика, электротехническая промышленность. – 2011 – №2 – С. 25 – 30.
  3. Хошнау З.П. Методика выбора ветроэлектростанции по функции распределения вейбулла и определение экономической эффективности инвестиционного проекта // Сборник трудов международной научно- технической конференции "IV чтения Ш. Шокина" I том – Павлодар: ПГУ им. С. Торайгырова, 2010. – 284 с.
  4. Лукутин Б.В., Обухов С.Г., Шутов Е.А., Хошнау З.П. Обоснование применения буферных накопителей энергии для повышения энергоэффективности ветро-дизельных электростанций // Электричество, 2012. – № 6 – С. 24 – 29.
  5. Обухов С.Г., Хошнау З.П. Прогнозирование режимов потребления электрической энергии автономными энергетическими системами // Промышленная энергетика. (в печати).
  6. Попель О.С., Туманов В.Л. Возобновляемые источники энергии: состояние и перспективы развития / Международный научный журнал Альтернативная энергетика и экология, АЭЭ, №2(46) (2007) – 135 с.
  7. Savita Nema, R.K. Nema, Gayatri Agnihotri Matlab/simulink based study of photovoltaic cells/modules/array and their experimental verification, International Journal of Energy and Environment
  8. Soumyadeep Ray , Sushree Subhadarsini Harmonic reduction technique using multilevel inverter in photo voltaic system with MPPT, International Journal of Advanced Research in Electrical, Electronics and Instrumentation Engineering, 2013.
  9. Левшов А.В., Федоров А.Ю., Молодиченко А.В. Математическое моделирование фотоэлектрических солнечных элементов, Научные труды Донецкого национального технического университета, №11(186), 2011.
  10. Альтернативная энергетика[Электронный ресурс] - Режим доступа: http://alternativenergy.ru