Автономные системы электроснабжения на основе энергоэффективных ветро-дизельных электростанций

Актуальность. Более 20 млн. россиян, на сегодняшний день, проживая в удаленных от центра России регионах, не входящих в зону обслуживания российской 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. Одним из перспективных направлений развития автономного энергоснабжения, позволяющих в значительной степени решить проблемы ДЭС, является возобновляемая энергетика, в частности ветроэнергетика. Большая часть энергоисточников малой мощности расположена в северовосточных регионах России, что объясняется экономико-географическими характеристиками этой зоны, слабой освоенностью и преимущественно ресурсной специализацией. Более 30% всех дизельных электростанций (ДЭС) России расположено в северных районах Дальнего Востока, в которых доля ДЭС в суммарной выработке электроэнергии достигает 1215% в отличие от других регионов, где этот показатель в основном не превышает 1%.

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. Моторесурс практически исчерпан: износ агрегатов достигает 80−90%.

Рост цен на дизельное топливо способствует повышению стоимости электроэнергии вырабатываемой дизельными электростанциями. Многие регионы Сибири, Дальнего Востока и Крайнего Севера характеризуются высоким ветровым потенциалом, поэтому важным направлением в развитии децентрализованного энергоснабжения является применение ветроэлектрических станций (ВЭС) в составе автономных электросистем.

Применение возобновляемых источников энергии в составе автономных энергетических систем позволяет снизить топливную составляющую в себестоимости вырабатываемой электроэнергии, что существенно повышает их технико-экономическую эффективность. В настоящее время в мире применяются различные варианты построения гибридных электростанций на базе ВЭС, однако оптимальная структура системы не определена. 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.

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, A.A. Аверин, A.B. Бобров, В. В. Вессарт, A.B. Чебодаев, А. Н. Дорошин, Н. М. Парников, Р. В. Пугачев, и зарубежных авторов: Tomilson Andrew, Memorial University of NewfoundlandJeffries William Q. Ph.D. University of Massachusetts AmherstAkarin Suwannarat, Institute of Energy Technology, Aalborg University, Denmark. В работах рассматриваются вопросы: математического моделирования рабочих режимов автономных электроэнергетических систем, алгоритмов работы ВДЭС, оценка экономической эффективности системы, однако существует ряд проблем в данной области, которые до конца не изучены.

Объект исследования. Автономные ветро-дизельные электроэнергетические системы (ВДЭС).

Предмет исследования. Энергетические процессы в автономной ветро-дизельной электроэнергетической системе, способы их управления и регулирования.

Цель работы. Повышение энергоэффективности автономных ветро-дизельных электроэнергетических систем 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 электроэнергетических системах, 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, приведенные в научно-технической литературе, вероятностно-статистические методы анализа данныхметоды математического моделирования, имитационного моделирования, экспериментальные исследования.

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 электроэнергетической системы, 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.

Практическая ценность работы:

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

— разработана методика выбора основного энергетического оборудования автономной ветро-дизельной электроэнергетической системы и оценки ее экономической эффективности;

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

— создан программный пакет для исследования и формирования статических режимов ВДЭС и анализа энергетических балансов автономной энергосистемы.

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.

Реализация результатов работы. Полученные в диссертационной работе решения использованы в отчетах по ГК ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технического комплекса России на 2007 — 2013 годы» по направлению «Проведение проблемно-ориентированных поисковых исследований в области создания эффективных накопителей электрической энергии для нужд централизованной и автономной энергетики». Результаты выполненной работы использованы в учебном процессе на кафедре Электроснабжения промышленных предприятий Энергетического института Томского политехнического университета для студентов специальности «Возобновляемые источники энергии» при разработке методических рекомендаций для выполнения практических занятий и курсовых работ.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на Всероссийской научно-практической конференции «Электроэнергия от получения и распределения до эффективного использования», г. Томск, 2010 г., на Международной научно-технической конференции «IV чтения Ш. Шокина», г. Павлодар, 2010 г.

Публикации. Основные положения и результаты выполненных исследований отражены в 6 публикациях, из них 3 по перечню ВАК.

Структура и объем диссертации

Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, содержащих 144 страниц основного текста, 9 таблиц, 49 рисунка и список литературы из 72 наименований.

Основные результаты проведенных в диссертационной работе исследований, направленных на повышение энергоэффективности автономных ветро-дизельных электроэнергетических систем заключаются в следующем:

1. Проведен анализ децентрализованной энергетики России, основу которой составляют дизельные электростанции. Выявлены негативные факторы, влияющие на надежность автономного электроснабжения потребителей, определяющие низкие технические показатели и экономические характеристики ДЭС. Определены основные направления повышения эффективности автономных электростанций с помощью возобновляемой энергетики.

2. Проанализированы варианты построения гибридных систем электроснабжения на базе ВДЭС, определена перспективная структурная схема построения ветро-дизельной электроэнергетической системы для автономного электроснабжения.

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 ВДЭС с учетом реальных характеристик ветро-дизельной установки, и универсальная методика определения нагрузки электропотребления.

4. Разработаны эффективные алгоритмы управления режимами работы ветро-дизельных электроэнергетических систем для автономного электроснабжения, позволяющие: максимально использовать потенциал ветраобеспечить наиболее экономичный режим работы ДЭСповысить эксплуатационный ресурс оборудования.

5. Предложена автоматизированная методика выбора компонентов ветро-дизельной электроэнергетической системы для децентрализованного электроснабжения, расчета основных показателей экономической эффективности применения ВДЭС.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ