Оптимизация размещения накопителей энергии в электрических сетях

Электрические нагрузки современных электроэнергетических систем (ЭЭС) имеют резко выраженную неравномерность в суточном, недельном, сезонном и годовом разрезах. Технический прогресс и появление новых видов электрических устройств в промышленных, коммунально-бытовых и сельскохозяйственных отраслях приводит к увеличению неравномерности графиков нагрузки. Основной особенностью ЭЭС является одновременность выработки и потребления электроэнергии. По этой причине графики генерирующих мощностей также имеют резко выраженную неравномерность, что является крайне нежелательным не только с технической, но и с экономической точек зрения. Поэтому выравниванием графиков нагрузки ЭЭС занимаются с давних пор и эта задача является одной из важных оптимизационных задач электроэнергетики.

В последние годы большое внимание уделялось созданию принципиально новых устройств, способных аккумулировать электрическую энергию, что позволяет рассматривать процессы ее выработки и потребления по отдельности. Таким образом, появление накопителей энергии (НЭ) как новых элементов ЭЭС способствует выравниванию графиков нагрузок, и тем самим уменьшению расхода топлива. Применение НЭ в ЭЭС началось довольно давно, но в силу объективных причин их массовое применение было невозможным или экономически невыгодным. Во многом это было связано с низкой маневренностью и жесткостью требований к месту установки НЭ. Развитие полупроводниковой преобразовательной техники, а также появление сверхпроводящих материалов привело к появлению НЭ с повышенной маневренностью и с минимальными требованиями к месту установки. Интерес к НЭ в мире все больше и больше возрастает, и в последнее 15 лет достаточно большое их число было установлено во многих ЭЭС мира. В соответствии с прогнозом [1] к 2000 г. более 15% от всей выработанной энергии будет проходить через системы накопления, прежде чем попасть к потребителю. Поэтому возникает необходимость в определении технико-экономической эффективности функционирования НЭ в ЭЭС, их оптимальных параметров, выбора мест установки.

Кроме выравнивания графиков нагрузки НЭ используются как многофункциональные устройства, которые способны одновременно решать целый ряд задач, возникающих при работе ЭЭС: снижение потерь мощности и электроэнергии, поддержание постоянных напряжений в некоторых точках ЭЭС, повышение экономической эффективности резервов мощности, обеспечение статической устойчивости возможных режимов работы ЭЭС с заданным запасом, регулирование потоков обменных мощностей между ЭЭС.

Задача выбора мощности и размещения НЭ в ЭЭС является сложной оптимизационной задачей. Ее решение можно разделить на три этапа. На первом этапе определяется суммарная мощность и энергоемкость НЭ, которые экономически целесообразно установить в системе [2]. Основой для такого решения является учет таких факторов, как уменьшение пика нагрузки системы и, следовательно, уменьшение мощности пиковых станций и энергоблоков, связанное с этим уменьшение расхода топлива, уменьшение необходимого резерва мощности и отсрочка капиталовложений в развитие генераторных мощностей и электрических сетей. Далее решается задача определения экономически целесообразных параметров отдельных модулей НЭ и в первую очередь их номинальной мощности [3,4]. Следующая по важности задача — это правильный выбор мест установки НЭ в электрической сети ЭЭС. На размещение НЭ в ЭЭС наиболее существенное влияние оказывает изменение потерь мощности и электроэнергии в сетях и принятый подход к выравниванию графиков нагрузки. Решение данной проблемы рассматривается в данной работе.

Выравнивание графика нагрузки в результате установки НЭ может рассматриваться в двух направлениях: 1) выравнивание суммарного графика нагрузки системы, 2) выравнивание графика нагрузки в том узле, где устанавливается НЭ. Выбор того или иного способа выравнивания графиков нагрузки зависит от решаемой с помощью НЭ задачи. Если ставится задача максимального выравнивания графика нагрузки системы, то в этом случае режим работы НЭ должен подчиниться решению этой задачи и будет одинаковым для всех НЭ с соответствующим выбором мест их установки. При этом режим разряда НЭ в конкретном узле может не совпадать с максимумом нагрузки этого узла.

В ряде случаев может возникать задача сглаживания графиков нагрузки, уменьшение пиков нагрузки в отдельных узлах ЭЭС. Это может быть при кратковременных включениях потребителей большой мощности в часы, не совпадающие с максимумом нагрузки системы. НЭ в этом случае является демпфирующим элементом между генераторами и потребителями, работающими в нестационарных режимах. Кроме снижения потерь мощности и электроэнергии НЭ в этом случае позволяет улучшить устойчивость работы нагрузки и системы. В этих условиях график работы каждого НЭ будет индивидуальным и отвечающим условию максимального выравнивания нагрузки в узле установки НЭ.

В том и другом случае работа НЭ приводит к изменению потоков мощности ЭЭС и, следовательно, к изменению потерь мощности и электроэнергии.

Потери электроэнергии являются одним из важных показателей функционирования ЭЭС. При передаче электроэнергии от вала генератора к валу двигателя суммарные потери энергии в генераторе, сети, трансформаторе и двигателе составляют около 30% всей выработанной на станции энергии. Из них значительная часть (-18%) приходится на электрические сети [5].

Поэтому размещение НЭ в ЭЭС с одновременным снижением потерь электроэнергии повышает уровень полезного использования энергетических ресурсов.

Данная диссертационная работа посвящена разработке методов оптимального размещения НЭ в ЭЭС при заданных значениях номинальных параметров НЭ и их количестве с целью выравнивания графика нагрузки и минимизации потерь электроэнергии, а также исследованию изменения графиков нагрузки и потерь электроэнергии в ЭЭС после установки НЭ с помощью разработанных методов.

Диссертационная работа общим объемом 129 печатных страниц, состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 54 наименований, шести приложений, содержит 27 рисунков и 46 таблиц.

3.5. Выводы.

1. Учет действующих значений напряжений при определении потерь мощности требует многократного выполнения расчетов установившихся режимов. При решении данной задачи применение большинства стандартных методов приводит к усложнению общего алгоритма или к снижению его быстродействия.

2. Предложен новый метод и алгоритм расчета установившегося режима для разомкнутых электрических сетей, преимуществами которого является простота реализации, быстродействие, минимальный объем требуемой памяти машины.

ГЛАВА 4.

РАСЧЕТЫ ПО РАЗМЕЩЕНИЮ НЭ В ЭЭС И ИХ АНАЛИЗ.

4.1.

Введение

.

Основной задачей, решаемой с помощью накопителей электроэнергии, является выравнивание графиков нагрузки. Преимущественно по этому признаку определяются номинальная мощность и количество НЭ для заданной электрической сети. Наряду с этим оптимальное размещение НЭ позволяет повышать технико-экономические показатели функционирования самой электрической сети. Во второй и третьей главах описаны алгоритмы по размещению НЭ в ЭЭС по условию минимизации потерь электроэнергии. По этим алгоритмам были разработаны программы по размещению НЭ в ЭЭС. Целью данной главы является проведение тестовых расчетов и сравнительный анализ результатов, полученных с помощью этих программ. Размещение НЭ проводится с помощью следующих методов: Алгоритм 1:

Размещение НЭ в электрической сети по минимуму потерь электроэнергии или их стоимости с выравниванием индивидуальных графиков нагрузок потребителей. Алгоритм 2:

Размещение НЭ в электрической сети по минимуму потерь электроэнергии или их стоимости с выравниванием суммарного графика нагрузки ЭЭС без учета режимных параметров сети. Алгоритм 2 (И):

Размещение НЭ в электрической сети по минимуму потерь электроэнергии или их стоимости с выравниванием суммарного графика нагрузки и с учетом режимных параметров сети.

В качестве тестовой схемы была выбрана электрическая сеть, конфигурация которой приведена в приложении 2. Данные по ветвям, активные и реактивные мощности в узлах в течение суток, номинальные напряжения в узлах приведены в приложении 3. Основные характеристики этой схемы приведены в табл. 4.1.

Заключение

.

За последние 15 лет немало усилий были сделано в области выравнивания графиков нагрузок. В первую очередь это связано с появлением таких накопители энергии (НЭ) как емкостные накопители, аккумуляторные батареи, сверхпроводящие индуктивные накопители. Благодаря снижению требований к месту установки и уменьшению времени реверса стало возможным размещение их практически в любом месте ЭЭС и использование их в качестве многофункциональных устройств. В силу ряда причин массовое применение этих НЭ в ЭЭС пока ограничено. Некоторые из них пока находятся на стадии опытных образцов или эксплуатируются в небольших ЭЭС. Однако результаты проводимых исследований говорят о высокой вероятности их использования в больших ЭЭС. Ведущие специалисты полагают, что мощности НЭ могут быть сравнимы с мощностью генераторов. В многих странах ведутся работы: определению оптимальной суммарной мощности НЭ в ЭЭС, по определению оптимальных параметров используемых НЭ. Эти вопросы широко обсуждаются в литературе. Однако пока нет ясного ответа на вопроскаким образом разместить эти НЭ в узлах ЭЭС. В данной работе сделана попытка размещения их по критерию минимума потерь электроэнергии или минимума затраты на возмещения этих потерь при обеспечении выравнивания графиков нагрузки. В данной работе:

1. Предложен метод размещения НЭ в ЭЭС исходя из выравнивания индивидуальных графиков нагрузки.

2. Предложен метод размещения НЭ в ЭЭС исходя из выравнивания суммарного графика нагрузки.

3. Предложен новый алгоритм оптимизации размещения НЭ в разомкнутых электрических сетях, учитывающий изменение режимных параметров вследствие установки НЭ и отвечающий по своему быстродействию требованиям оперативного управления.

4. Для уменьшения пика нагрузки отдельных узлов можно рекомендовать алгоритм 1. Однако при этом сглаживающий эффект для суммарного графика нагрузки системы снижается.

5. Для выравнивания суммарного графика нагрузки системы используется второй алгоритм. При этом режимы работы всех НЭ сосредоточены в периодах провала и пика нагрузки системы. В этом случае коэффициент неравномерности отдельных нагрузочных узлах может уменьшаться. При размещении НЭ с помощью алгоритма 2 наблюдается наиболее равномерное их распределение между узлами.

6. При размещении НЭ по предложенным алгоритмам уменьшение потерь электроэнергии составляет до 0,4% в зависимости от их энергоемкости. Из алгоритмов 1 и 2 наибольшее уменьшение потерь электроэнергии наблюдается при использовании алгоритма 2.

7. С увеличением стоимости пиковой электроэнергии в результате размещения НЭ потери электроэнергии в сети могут даже увеличиваться. Однако при этом существенно уменьшаются затраты на возмещение потерь электроэнергии. Кроме того, количество узлов, в которых размещаются НЭ, в данном случае увеличивается.

8. При учете текущих режимных параметров ЭЭС до и после размещения НЭ снижение потерь электроэнергии или снижение стоимости потерь электроэнергии еще больше увеличиваются. Кроме того, места размещения НЭ в ЭЭС при использовании алгоритмов 2 и 2(11) не всегда совпадают. Это говорит о том, что при размещении более одного НЭ для получения точной информации о местах их размещения может оказаться необходимым учет изменения режимных параметров системы.