Помощь студентам в учебе
Интеллектуальная система управления отбором мощности ветроустановки в составе ветроэлектростанции
|
ВВЕДЕНИЕ 3
1 Схемы выдачи мощности для объектов распределенной генерации 6
1.1 Понятие объект распределенной генерации 6
1.2 Требования к объектам распределенной генерации 7
1.3 Существующие виды схем выдачи мощности, объектов распределенной
генерации 12
1.4 Существующие виды схем выдачи мощности, крупных электростанций 17
1.5 Оценка применимости требований к проектированию схем выдачи
мощности объектов распределенной генерации 22
1.6 Выводы по разделу 1 25
2 Интеллектуальная система управления отбором мощности ветроустановки
в составе ветроэлектростанции 27
2.1 Существующие конструкции ветротурбин 29
2.2 Применение генераторов различной конструкции в составе ВЭС 32
2.3 Алгоритмы работы интеллектуальной системы управления
ветроустановкой в составе ветроэлектростанции 38
2.4 Выводы по разделу 2 50
3 Моделирование интеллектуальной системы выдачи мощности
ветроэлектростанции 52
3.1 Выбор программного продукта для моделирования 53
3.2 Интеллектуальная модель ВЭС в программном комплексе PSCAD 54
3.3 Моделирование работы модели интеллектуальной ВЭС и верификация
результатов моделирования 78
3.4 Выводы по разделу 3 83
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 84
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ 88
1 Схемы выдачи мощности для объектов распределенной генерации 6
1.1 Понятие объект распределенной генерации 6
1.2 Требования к объектам распределенной генерации 7
1.3 Существующие виды схем выдачи мощности, объектов распределенной
генерации 12
1.4 Существующие виды схем выдачи мощности, крупных электростанций 17
1.5 Оценка применимости требований к проектированию схем выдачи
мощности объектов распределенной генерации 22
1.6 Выводы по разделу 1 25
2 Интеллектуальная система управления отбором мощности ветроустановки
в составе ветроэлектростанции 27
2.1 Существующие конструкции ветротурбин 29
2.2 Применение генераторов различной конструкции в составе ВЭС 32
2.3 Алгоритмы работы интеллектуальной системы управления
ветроустановкой в составе ветроэлектростанции 38
2.4 Выводы по разделу 2 50
3 Моделирование интеллектуальной системы выдачи мощности
ветроэлектростанции 52
3.1 Выбор программного продукта для моделирования 53
3.2 Интеллектуальная модель ВЭС в программном комплексе PSCAD 54
3.3 Моделирование работы модели интеллектуальной ВЭС и верификация
результатов моделирования 78
3.4 Выводы по разделу 3 83
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 84
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ 88
Тенденция развития распределенной генерации в России носит во многом стихийный, не контролируемый государством характер, что может нанести существенный вред энергетической безопасности страны.
Согласно прогнозу научно-технического развития России, до 2030 г. в число среднесрочных и долгосрочных перспектив приоритетного направления «Энергоэффективность и энергосбережение» входят разработка новых методов математического моделирования, а также оптимизация перспективных технологических изменений и внедрение интеллектуальных мини- и микросетей на базе объектов распределенной генерации. Это прогноз подтверждает вхождение технологической платформы «Малая распределенная энергетика» в состав высоких технологий и инноваций, определенный Правительством Российской федерации в 2011 г.
Основными предпосылками развития распределенной генерации в России являются:
- Ограниченная возможность развития распределительных сетей в крупных городах (закрытые центры питания);
- Значительный рост стоимости электроэнергии и дорогостоящее присоединение к сетям, контролируемое энергоснабжающими компаниями;
- Рост потребления электроэнергии при ограниченной пропускной способности сетевого хозяйства и изношенности энергокомплекса;
- Преобладающее большинство монопроизводства (производство
электрической энергии на крупных АЭС и ГРЭС; производство тепла на котельных) с незначительной долей применения технологий когенерации и тригенерации;
- С увеличением доли распределенной генерации в энергосистеме России позволит снизить затраты на передачу и распределения электроэнергии по магистральным и распределительным сетям;
- Эффективная утилизация вторичных энергоресурсов (отходы лесопереработки и сельского хозяйства, различного рода газы - доменный, конвертерный, попутный нефтяной, метан) позволит повысить экономическую эффективность основного производства;
- Немаловажным является обеспечение надежного электроснабжения социально-значимых и особо ответственных потребителей для минимизации экономических и социальных рисков.
Несмотря на эти предпосылки существует ряд проблем технологического присоединения объектов распределённой генерации:
«- Отсутствие эффективных стимулирующих экономических механизмов развития распределенной генерации на государственном уровне;
- Высокие административные барьеры и пассивность сетевых компаний
к развитию объектов распределенной генерации;
- Тарифные диспропорции и перекрестное финансирование вследствие «рыночного» подхода генерирующих компаний и социальных обязательств со стороны Правительства;
- Сохранение высоких барьеров для входа - отказ в признании Гарантирующим поставщиком объектов распределенной генерации в отличие от крупных игроков - генерирующих компаний.
- Технические проблемы, обусловленные влиянием РГ на параметры режимов прилегающей сети».
В районах, где отсутствует возможность подключения к общим сетям электроснабжения удобно использовать ветрогенераторы в составе альтернативных гибридных. Альтернативные гибридные электростанции, в состав которых входят ветрогенераторы, солнечные панели, а также дизельные электростанции, являются экономичной альтернативной традиционному электроснабжению и могут быть использованы для организации электроснабжения различных объектов.
Целью выпускной квалификационной работы, темой которой является «Интеллектуальная система управления отбором мощности ветроустановки в составе ветроэлеткростанции», заключается в повышение эффективности работы ветроустановки в составе ветроэлектростанции в составе электроэнергетической системы.
Задачи ВКР, ставятся исходя из поставленной цели, они необходимы для ее достижения. Для достижения цели выделим основные задачи:
1) Анализ существующей проблематики объектов распределенной генерации и в частности ветроэлеткростанции в составе электроэнергетической системы России;
2) Разработка состава интеллектуальной системы выдачи мощности ветроустановки в составе ветроэлектростанции.
3) Разработка компьютерной модели ветроэлектростанции с интеллектуальной системой управления отбором мощности и ее апробация.
Согласно прогнозу научно-технического развития России, до 2030 г. в число среднесрочных и долгосрочных перспектив приоритетного направления «Энергоэффективность и энергосбережение» входят разработка новых методов математического моделирования, а также оптимизация перспективных технологических изменений и внедрение интеллектуальных мини- и микросетей на базе объектов распределенной генерации. Это прогноз подтверждает вхождение технологической платформы «Малая распределенная энергетика» в состав высоких технологий и инноваций, определенный Правительством Российской федерации в 2011 г.
Основными предпосылками развития распределенной генерации в России являются:
- Ограниченная возможность развития распределительных сетей в крупных городах (закрытые центры питания);
- Значительный рост стоимости электроэнергии и дорогостоящее присоединение к сетям, контролируемое энергоснабжающими компаниями;
- Рост потребления электроэнергии при ограниченной пропускной способности сетевого хозяйства и изношенности энергокомплекса;
- Преобладающее большинство монопроизводства (производство
электрической энергии на крупных АЭС и ГРЭС; производство тепла на котельных) с незначительной долей применения технологий когенерации и тригенерации;
- С увеличением доли распределенной генерации в энергосистеме России позволит снизить затраты на передачу и распределения электроэнергии по магистральным и распределительным сетям;
- Эффективная утилизация вторичных энергоресурсов (отходы лесопереработки и сельского хозяйства, различного рода газы - доменный, конвертерный, попутный нефтяной, метан) позволит повысить экономическую эффективность основного производства;
- Немаловажным является обеспечение надежного электроснабжения социально-значимых и особо ответственных потребителей для минимизации экономических и социальных рисков.
Несмотря на эти предпосылки существует ряд проблем технологического присоединения объектов распределённой генерации:
«- Отсутствие эффективных стимулирующих экономических механизмов развития распределенной генерации на государственном уровне;
- Высокие административные барьеры и пассивность сетевых компаний
к развитию объектов распределенной генерации;
- Тарифные диспропорции и перекрестное финансирование вследствие «рыночного» подхода генерирующих компаний и социальных обязательств со стороны Правительства;
- Сохранение высоких барьеров для входа - отказ в признании Гарантирующим поставщиком объектов распределенной генерации в отличие от крупных игроков - генерирующих компаний.
- Технические проблемы, обусловленные влиянием РГ на параметры режимов прилегающей сети».
В районах, где отсутствует возможность подключения к общим сетям электроснабжения удобно использовать ветрогенераторы в составе альтернативных гибридных. Альтернативные гибридные электростанции, в состав которых входят ветрогенераторы, солнечные панели, а также дизельные электростанции, являются экономичной альтернативной традиционному электроснабжению и могут быть использованы для организации электроснабжения различных объектов.
Целью выпускной квалификационной работы, темой которой является «Интеллектуальная система управления отбором мощности ветроустановки в составе ветроэлеткростанции», заключается в повышение эффективности работы ветроустановки в составе ветроэлектростанции в составе электроэнергетической системы.
Задачи ВКР, ставятся исходя из поставленной цели, они необходимы для ее достижения. Для достижения цели выделим основные задачи:
1) Анализ существующей проблематики объектов распределенной генерации и в частности ветроэлеткростанции в составе электроэнергетической системы России;
2) Разработка состава интеллектуальной системы выдачи мощности ветроустановки в составе ветроэлектростанции.
3) Разработка компьютерной модели ветроэлектростанции с интеллектуальной системой управления отбором мощности и ее апробация.
1. Определено, что в настоящее время процедура технологического присоединения объектов распределенной генерации не отличается от процедуры присоединения обычного потребителя в связи с отсутствием законодательного разделения. В связи с этим объекты зачастую устанавливаются без проработки схемы выдачи мощности. Вследствие чего возникают неучтенные схемно-режимные ситуации, в которых устойчивая работа объекта распределенной генерации невозможна.
2. Установлено, что объекты генерации устанавливаются без согласования с сетевыми организациями и системным оператором. Схема и программа развития энергорайонов (развитие электрических сетей напряжением 35 кВ и ниже) в принципе не подразумевает учет новых генерирующих мощностей на напряжение 35 кВ и ниже. По этой причине появляются не учтенные генерирующие мощности объектов распределенной генерации.
3. Определено, что отсутствие нормативно-технической документации и нормативно правовых актов, которые регламентировали бы технические требования к объектам распределенной генерации (с учетом их типологии и особенностей их подключения в состав ЕЭС России), создают большие проблемы при технологическом присоединении объектов РГ.
4. Установлено, что развитие энергосистемы, в целом, проектируется без учета особенностей функционирования объекта распределенной генерации. Примером может стать действие автоматики выделения на сбалансированный район без учета объекта распределенной генерации может произойти каскадное отключение потребителей вследствие некорректного определения района выделения генерации на сбалансированную нагрузку. Технологическое присоединение объектов генерации электрической энергии осуществляется только на напряжение 110 кВ и выше, согласно Постановлению правительства Российской федерации №861 (раздел 2, п.8).
5. Установлено, что развитие систем управления ветрогенераторами зависит от большого количества наиболее важных факторов: таких как тип генерирующего устройства, режима работы ветряного генератора, системы регулирующей угол поворота лопастей, стоимости системы управления. Таким образом, планируется разработать систему управления, эффективно управляющую ветроэлектростанцией и диагностирующую возможную неисправность или отказ генератора.
6. Установлено, что для анализа режимов работы ветроэлектростанций относящихся к объектам распределенной генерации необходимо создать компьютерную модель. Которая позволит учитывать различное число генерирующих установок и алгоритмы их работы, что позволит выполнять анализ режимов работы электроэнергосистемы и влияние на ее параметры ветроэлектростанций.
7. Рассмотрена типовая конструкция ветроэлектрогенератора, определены основные составные части ветроэлектрогенератора.
8. Определены основные конструкции ветротурбин применяемых в составе установок ветрогенераторов. Определены основные достоинства и недостатки каждого типа ветротурбины.
9. Установлено, что для разработки интеллектуальной системы выдачи мощности ветроэлектростанции рационально для крупных и мощных ВЭС применение горизонтально осевых установок ветротурбин, так как их эффективность гораздо выше чем установок с вертикально осевой конструкцией. Высота установки с горизонтально осевой турбиной может быть определена в зависимости от местности и региона строительства ветроэлеткростанции.
10. Определено, что для использования в мощных ветроэлектростанциях наиболее эффективным является использование синхронного генератора с классической конструкцией. Преимуществами является возможность выдачи большой мощности. Недостатком же данного генератора является высокая вероятность возникновения неустойчивой работы в режиме параллельно с сетью при резких перепадах ветровой нагрузки.
11. Установлено, что для компенсации недостатков применение синхронного генератора, в модели интеллектуальной системы выдачи мощности возможно рассмотреть применение генератора на постоянных магнитах, а также определенную комбинацию с аккумулирующей установкой
12. Установлено, что для управления выдачей мощности крупной ветроэлектростанции рационально использовать алгоритм отслеживания максимальной мощности в комбинации с методом поиска экстремума.
13. Для создания модели интеллектуальной системы выдачи мощности ветроустановки в составе ветроэлектростанции выполнен анализ программных комплексов, определены их достоинства и недостатки при реализации конкретно поставленной задачи разработки интеллектуальной системы выдачи мощности.
14. Определено, что для разработки модели интеллектуальной системы выдачи мощности ветроустановки в составе ветроэлектростанции наиболее подходящим программным продуктом является программный комплекс PSCAD.
15. Разработана модель интеллектуальной системы выдачи мощности ветроэлеткростанции в программном комплексе PSCAD. Модель интеллектуальной системы выдачи мощности позволит моделировать различное число ветроустановок в составе ветроэлектростанции и определять режимы функционирования ветроэлеткростанции и ее влияние на режимы работы электроэнергетической системы.
16. Выполнено моделирование и сравнение результатов со стандартной моделью ветроэлектростанции. Полученные результаты позволяют говорить об адекватности модели. Адекватность разработанной модели дает возможность использования ее для моделирования режимов работы энергосистем в присутствии генерации основанной на преобразовании энергии ветра. Задачи моделирования переходных режимов для энергосистем с ВЭС позволит определять требуемые параметры режимов энергосистем, выполнять расчет уставок релейной защиты и режимной автоматики, что является необходимым требованием для устойчивого функционирования энергосистемы в целом.
В результате выполнения выпускной квалификационной работы поставленная цель достигнута. Задачи, поставленные в работе, выполнены. Результаты работы могут быть использованы на практике, так как в настоящее время в электроэнергетической системе России существует проблема оценки мощности, которая может быть выдана ветроэлеткростанцией. Все ветроэлектростанции не могут учитываться в общем режиме, что является недопустимым. Данная модель может повлиять на дальнейшее развитие ветроэнергетике в России.
2. Установлено, что объекты генерации устанавливаются без согласования с сетевыми организациями и системным оператором. Схема и программа развития энергорайонов (развитие электрических сетей напряжением 35 кВ и ниже) в принципе не подразумевает учет новых генерирующих мощностей на напряжение 35 кВ и ниже. По этой причине появляются не учтенные генерирующие мощности объектов распределенной генерации.
3. Определено, что отсутствие нормативно-технической документации и нормативно правовых актов, которые регламентировали бы технические требования к объектам распределенной генерации (с учетом их типологии и особенностей их подключения в состав ЕЭС России), создают большие проблемы при технологическом присоединении объектов РГ.
4. Установлено, что развитие энергосистемы, в целом, проектируется без учета особенностей функционирования объекта распределенной генерации. Примером может стать действие автоматики выделения на сбалансированный район без учета объекта распределенной генерации может произойти каскадное отключение потребителей вследствие некорректного определения района выделения генерации на сбалансированную нагрузку. Технологическое присоединение объектов генерации электрической энергии осуществляется только на напряжение 110 кВ и выше, согласно Постановлению правительства Российской федерации №861 (раздел 2, п.8).
5. Установлено, что развитие систем управления ветрогенераторами зависит от большого количества наиболее важных факторов: таких как тип генерирующего устройства, режима работы ветряного генератора, системы регулирующей угол поворота лопастей, стоимости системы управления. Таким образом, планируется разработать систему управления, эффективно управляющую ветроэлектростанцией и диагностирующую возможную неисправность или отказ генератора.
6. Установлено, что для анализа режимов работы ветроэлектростанций относящихся к объектам распределенной генерации необходимо создать компьютерную модель. Которая позволит учитывать различное число генерирующих установок и алгоритмы их работы, что позволит выполнять анализ режимов работы электроэнергосистемы и влияние на ее параметры ветроэлектростанций.
7. Рассмотрена типовая конструкция ветроэлектрогенератора, определены основные составные части ветроэлектрогенератора.
8. Определены основные конструкции ветротурбин применяемых в составе установок ветрогенераторов. Определены основные достоинства и недостатки каждого типа ветротурбины.
9. Установлено, что для разработки интеллектуальной системы выдачи мощности ветроэлектростанции рационально для крупных и мощных ВЭС применение горизонтально осевых установок ветротурбин, так как их эффективность гораздо выше чем установок с вертикально осевой конструкцией. Высота установки с горизонтально осевой турбиной может быть определена в зависимости от местности и региона строительства ветроэлеткростанции.
10. Определено, что для использования в мощных ветроэлектростанциях наиболее эффективным является использование синхронного генератора с классической конструкцией. Преимуществами является возможность выдачи большой мощности. Недостатком же данного генератора является высокая вероятность возникновения неустойчивой работы в режиме параллельно с сетью при резких перепадах ветровой нагрузки.
11. Установлено, что для компенсации недостатков применение синхронного генератора, в модели интеллектуальной системы выдачи мощности возможно рассмотреть применение генератора на постоянных магнитах, а также определенную комбинацию с аккумулирующей установкой
12. Установлено, что для управления выдачей мощности крупной ветроэлектростанции рационально использовать алгоритм отслеживания максимальной мощности в комбинации с методом поиска экстремума.
13. Для создания модели интеллектуальной системы выдачи мощности ветроустановки в составе ветроэлектростанции выполнен анализ программных комплексов, определены их достоинства и недостатки при реализации конкретно поставленной задачи разработки интеллектуальной системы выдачи мощности.
14. Определено, что для разработки модели интеллектуальной системы выдачи мощности ветроустановки в составе ветроэлектростанции наиболее подходящим программным продуктом является программный комплекс PSCAD.
15. Разработана модель интеллектуальной системы выдачи мощности ветроэлеткростанции в программном комплексе PSCAD. Модель интеллектуальной системы выдачи мощности позволит моделировать различное число ветроустановок в составе ветроэлектростанции и определять режимы функционирования ветроэлеткростанции и ее влияние на режимы работы электроэнергетической системы.
16. Выполнено моделирование и сравнение результатов со стандартной моделью ветроэлектростанции. Полученные результаты позволяют говорить об адекватности модели. Адекватность разработанной модели дает возможность использования ее для моделирования режимов работы энергосистем в присутствии генерации основанной на преобразовании энергии ветра. Задачи моделирования переходных режимов для энергосистем с ВЭС позволит определять требуемые параметры режимов энергосистем, выполнять расчет уставок релейной защиты и режимной автоматики, что является необходимым требованием для устойчивого функционирования энергосистемы в целом.
В результате выполнения выпускной квалификационной работы поставленная цель достигнута. Задачи, поставленные в работе, выполнены. Результаты работы могут быть использованы на практике, так как в настоящее время в электроэнергетической системе России существует проблема оценки мощности, которая может быть выдана ветроэлеткростанцией. Все ветроэлектростанции не могут учитываться в общем режиме, что является недопустимым. Данная модель может повлиять на дальнейшее развитие ветроэнергетике в России.