Введение 8
1 Влияние ветроэнергии на энергосистему 10
1.1 Особенности выработки ветроэнергии 10
1.2 Оценка влияния энергии ветра на энергосистему 13
2 Анализ существующих моделей и конструкций ветротурбин 15
2.1 Классификация ветротурбин 15
2.2 Обзор концепций контроля мощности 16
2.3 Обзор генераторов ветротурбин 18
2.4 Обзор современных конфигураций турбин 19
2.5 Асинхронный генератор двойного питания 25
3 Стандарты качества энергии ветровых турбин 28
4 Проблемы при интеграции ветровой энергии в сеть 33
4.1 Базовые проблемы интеграции 33
4.2 Обеспечение баланса активной мощности в энергосистеме 38
4.3 Обеспечение баланса реактивной мощности в энергосистеме 40
5 Устойчивость энергосистем с ветрогенераторами 42
5.1 Режимы работы энергосистемы 42
5.2 Статическая устойчивость 44
5.3 Динамическая устойчивость 47
6 Анализ динамических нарушений устойчивости 52
6.1 Виды возмущений динамической устойчивости 52
6.2 Аггрегированное моделирование ветроферм для исследования 54 устойчивости
6.3 Моделирование и анализ динамической устойчивости в программе 55 PSS/E
7 Проверка динамической устойчивости синхронных генераторов, 58 работающих параллельно с крупными ветрофермами
7.1 Модель энергосистемы 58
7.2 Исследвование динамической устойчивости модели 61
8 Анализ влияния на динамическую устойчивость замены синхронного 69 генератора на ветроферму
8.1 Анализ текущего состояния и перспектив развития ТЭЦ 69
8.2 Разработка конфигурации и выбор оборудования ветрофермы 72
8.3 Моделирование и анализ установившегося режима 75
8.4 Моделирование динамической симуляции 76
9 Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и 82 ресурсосбережение
9.1 Описание объекта исследования 82
9.2 Анализ первого сценария 83
9.3 Анализ второго сценария 93
10 Социальная ответственность 110
10.1 Описание автоматизированного рабочего места оператора 110
10.2 Анализ выделенных вредных факторов 111
10.3 Анализ выявленных опасных факторов 116
10.4 Охрана окружающей среды 122
10.5 Защита в чрезвычайных ситуациях 123
10.6 Организационные мероприятия при компоновке рабочей зоны 126
Заключение 129
Список публикаций 131
Список используемых источников 132
Приложение А 136
Величина выработки ветроэнергии возрастает по всему миру. Ветроэнергия превратилась в одну из главных альтернатив для производства чистой энергии, которая не загрязняет окружающую среду.
В настоящее время в энергосистемах многих стран возрастает доля электроэнергии, полученной от ветроустановок. Однако с теоретической точки зрения вопрос внедрения ветроэнергии в энергосистему остается малоисследованным. С технической точки зрения возможно внедрение весьма крупных объемов ветроэнергетических мощностей в энергосистему. Так как внедрение ветроэнергии в региональные энергосистемы исследовано только на теоретических основах, внедрение ветроэнергии все еще лимитировано во многих странах и энергосистемах.
Выработка ветроэнергии вносит дополнительную вариативность и неопределенность в управление энергосистемой. Это может повлиять на надежность и эффективность энергосистемы. Влияние ветра может быть как позитивным, так и негативным, однако даже позитивное влияние может сказаться негативным образом, когда стоимость интеграции ветра в энергосистему превышает допустимую. Для решения этой задачи требуется большая гибкость энергосистемы. Требуемая гибкость энергосистемы с одной стороны зависит от того, какова доля ветроэнергии введена в энергосистему, с другой стороны, зависит от уже присутствующей гибкости в энергосистеме.
До недавнего времени вклад ветровой энергии в обеспечении стабильности энергосистемы был незначительным. Однако, с увеличением мощностей ветроферм стало очевидным, что отключение крупных ветроферм от сети во время сетевых возмущений приведет к потере большой части генерируемой энергии, что в свою очередь вызовет дальнейшее нарушение стабильности энергосистемы. Из-за увеличения фракции ветровой энергии ветротурбины должны выдавать реактивную мощность во время установившегося режима и в условия переходного процесса. В странах со значительной долей ветроэнергии в системе системными операторами были разработали и добавилены в правила эксплуатации энергосистем правила, которые устанавливают правила и требования для ветроферм во время сетевых возмущений.
В отношении единой энергосистемы России и стран СНГ попытки провести подобные исследования не предпринимались. Цель данной работы состоит в том, чтобы определить в процентном соотношении, какая доля ветроэнергии может быть внедрена в конкретную энергосистему без существенного снижения эффективности и надежности. Цель работы также состоит в исследовании динамической устойчивости подобных энергосистем.
В данной работе было проведено исследование динамической устойчивости крупных ветроферм, работающих в энергосистеме, а также проведена оценка влияния внедрения ветроэлектростанций на динамическую устойчивость синхронных генераторов энергосистемы.
В первой главе были рассмотрены особенности выработки электроэнергии с помощью ветротурбин и влияние энергии ветра на функционирование энергосистемы.
Во второй главе был проведен обзор конструкций ветротурбин, систем управления, моделей генераторов, которые устанавливаются на ветротурбинах. Особое внимание было уделено ветротурбинам, оснащенным асинхронными генераторами двойного питания.
В третьей главе был проведен обзор стандартов качества энергии, вырабатываемой ветротурбинами, который принят в большинстве европейских стран.
В четвертой главе рассмотрены базовые проблемы интеграции ветроэнергии в энергосистему, такие как соответствие генерируемой и потребляемой энергии, обеспечение баланса активной, реактивной мощности.
В пятой главе был проведен теоретический обзор проблемы статической и динамической устойчивости энергосистем.
В шестой главе проанализированы причины нарушения устойчивости энергосистемы, в качестве инструмента исследования было выбрано моделирование в программных средствах PSS/E, EnergyPRO Software.
В седьмой главе были разработаны различные модели энергосистем и исследована их динамическая устойчивость до и после введения различных объемов ветроэнергии.
В восьмой главе объектом исследования является тепловая электростанция. В процессе модернизации было предложено исследовать возможность замены синхронного генератора ветрофермой и оценить влияние данного решения на динамическую устойчивость.
Как было описано ранее, динамическая устойчивость - это способность системы сохранять синхронизм после сильных возмущений. Устойчивость зависит от исходного состояния системы и силы возмущения. Возмущения, которые рассматриваются при анализе устойчивости, это однофазное или трехфазное короткое замыкание. Они наиболее часто происходят на передающих линиях.
Можно сделать общий вывод о том, что динамическая устойчивость подобных систем зависит от конфигурации энергосистемы, исходного состояния, тяжести возмущения, объема ветроэнергии в системе.
В разделе «Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и ресурсосбережение» была проведена оценка двух сценариев эксплуатации тепловой электростанции, была определена себестоимость производства тепловой и электрической энергии. По результатам расчета можно сделать вывод о том, что постройка ветропарка мощностью 60 МВт, который будет работать вместе с ТЭЦ мощностью 556 МВт, не оказывает существенного влияния на цену энергии. Это объясняется тем, что высокая себестоимость ветропарка компенсируется экономией угольного топлива. Данный расчет может быть использован для привлечения инвестиций в ветроэнергетику.
В разделе «Социальная ответственность» были исследованы вредные и опасные факторы на рабочем месте и в рабочей зоне оператора ветрофермы. Рассмотрены вопросы охраны окружающей среды в процессе строительства и эксплуатации ветрофермы. Проанализированы возможные чрезвычайные ситуации на объекте, более подробно рассмотрены противопожарные мероприятия, так как пожар является наиболее вероятной чрезвычайной ситуацией на данном объекте.
Список публикаций
1. Публикация доклада «Имитационное моделирование энергетических характеристик ветротурбин в программной среде Matlab». Сборник материалов
1 Международного молодежного форума «Интеллектуальные энергосистемы»: в 2 т., Томск, 21-25 Октября 2013. - Томск: ТПУ, 2013 - Т. 2 - C. 15-19.
2. Публикация доклада «Применение MODEL - BASED CALIBRATION TOOLBOX для моделирования характеристик ветротурбин». Сборник трудов XIX Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные техника и технологиив»: в 3 т., Томск, 15-19 Апреля 2013. - Томск: ТПУ, 2013 - Т. 1 - C. 38-39.
3. Публикация доклада «История и современное состояние ветроэнергетики в России». Труды XIV Международного студенческого научно-технического семинара «Энергетика: эффективность, надежность, безопасность»: в 2-х томах, Томск, 24-27 Апреля 2012. - Томск: Изд-во СПБ Графикс, 2012 - Т. 1 - C. 145-149.
4. Публикация доклада «Разработка программных средств по оптимизации параметров дизельной электростанции». Сборник материалов II Международного молодежного форума «Интеллектуальные энергосистемы»: в
2 т., Томск, 6-10 Октября 2014. - Томск: ТПУ, 2014 - Т. 1 - C. 195-198.
5. Публикация доклада «Проектирование дизельной электростанции для энергокомплекса «Южно-Курильская». Энергетическое обследование как первый этап реализации концепции энергосбережения: материалы международной молодёжной конференции, Томск, 21-23 Октября 2014. - Томск: Скан, 2014 - C. 323-325.
6. Aleksandr V. Doroshenko, Nina M. Kosmynina. “Development and Research of Electric Supply Structure of Remote Populated Areas by Diesel Power Plants”. MATEC Web of Conferences. Volume 19, 2014. The 2nd International Youth Forum «Smart Grids». 15 December 2014.
Список используемых источников
1. Лукутин Б.В., Суржикова О.А., Шандарова Е.Б. Возобновляемая энергетика в децентрализованном электроснабжении. - М.: Энергоатомиздат, 2008. - 230 с.
2. Hannele Holttinen. Peter Meibom. Antje Orths. Design and operation of power systems with large amounts of wind power. IEA Wind Task 25. Final report, Phase one 2006 - 08. - 200p.
3. Thomas Ackerman. Wind power in power systems. Royal Institute of Technology.-Stockholm-2005. - 691 p.
4. Mohammad Seyedi. Evaluation of the DFIG Wind Turbine Built - in Model in PSS/E. Chalmers University of Technology,-Goteborg, Sweden - 2009. - 44 p.
5. Идельчик В. И. Электрические системы и сети: Учебник для вузов.- М.: Энергоатомиздат, 1989.-592 с.: ил.
6. Хрущев Ю.В., Заподовников К.И., Юшков А.Ю.
Электромеханические переходные процессы в электроэнергетических
системах: учебное пособие. Томский политехнический университет. - Томск: Изд - во Томского политехнического университета, 2012. - 160 с.
7. European Wind Energy Association. Large scale integration of wind energy in the European power supply: analysis, issues and recommendations. - Brussel, 2015. - 234 p.
8. Файбисович Д.Л. Справочник по проектированию электрических сетей. - М.:Изд - во НЦ ЭНАС, 2005 - 320 с. ил.
9. Оценка воздействия на окружающую среду, стадия «Раздел охраны окружающей среды» к рабочему проекту «Реконструкция парового котла
БКЗ - 420 - 140 ст.№3 ТЭЦ - 3.»
10. Попова С.Н. Экономика и организация энергетического производства. Методические указания для выполнения курсовой работы для студентов - Томск: Изд - во Томского политехнического университета, 2011. - 24 с.
11. ОАО «ЕЭС России» Нормативы численности промышленно - производственного персонала тепловых электростанций. Москва, 2014. - 61 с.
12. Агентство Trading Economics. Прогноз ставки инфляции. URL: http://www.tradingeconomics.com/kazakhstan/inflation-cpi/forecast, свободный. - Загл. С экрана. - Яз. Англ. Дата обращения 13.10.2016 г.
13. Kazakhstan: Accounting and Taxation Overview. URL:
http: //www2. deloitte. com/content/dam/Deloitte/kz/Documents/media/KZ Taxation KAZAKHSTAN Mahon.pdf, свободный. - Загл. С экрана. - Яз. Англ. Дата обращения 13.10.2016 г.
14. Electricity regulation in Kazakhstan: overview. URL:
http://uk.practicallaw.com/7-567-0345?source=relatedcontent , свободный. - Загл. С экрана. - Яз. Англ. Дата обращения 13.10.2016 г.
15. Deloitte. Establishing the wind power investment case. August 2015. URL: http://www2.deloitte.com/content/dam/Deloitte/global/Documents/Energy-and- Resources/gx-er-deloitte-establishing-the-wind-investment-case2014.pdf, свободный. - Загл. С экрана. - Яз. Англ. Дата обращения 13.10.2016 г.
16. Oliveira W., A. Fernandes. Investment analysis for wind energy projects, Revista Brasileira de Energia, Vol. 19, No. 2, 2o Sem. 2013, pp. 239 - 285.
17. IRENA. Renewable energy technologies: cost analysis series. Wind
power. Volume 1: Power Sector. Issue 5/5. URL:
https://www.irena.org/documentdownloads/publications/re technologies cost analys is-wind power.pdf, свободный. - Загл. С экрана. - Яз. Англ. Дата обращения 13.10.2016 г.
18. Агентство Trading Economics. Прогноз процентной ставки. URL: http://www.tradingeconomics.com/kazakhstan/interest-rate/forecast, свободный. - Загл. С экрана. - Яз. Англ. Дата обращения 13.10.2016 г.
19. Oliveira W., A. Fernandes. Optimization Model for Economic Evaluation of Wind Farms - How to Optimize a Wind Energy Project Economically and Technically, International Journal of Energy Economics and Policy Vol. 2, No. 1,
2012, pp. 10 - 20.
20. СанПиН 2.2.2/2.4.1340-03 Гигиенические требования к персональным электронно-вычислительным машинам и организации работы.- М.: ИПК Издательство стандартов, 2001.- 28 с.
21. СН 2.2.4/2.1.8.562-96 Шум на рабочих местах, в помещениях жилых, общественных зданий и на территории жилой, застройки.- М.: ИПК Издательство стандартов, 1996.- 56 с.
22. СНиП 23-05-95 Естественное и искусственное освещение.- М.: Г осстрой России, ГУП ЦПП, 2003.-60 с.
23. СНиП 21-01-97 Пожарная безопасность зданий и сооружений. Строительные нормы и правила.. М.: Госстрой России, 1997г. 15 с.
24. Kling W.L., J. G. Slootweg. Wind Turbines as Power Plants. URL: https://www.researchgate.net/publication/228488368 Wind turbines as power plan ts, свободный. - Загл. С экрана. - Яз. Англ. Дата обращения 05.01.2016 г.
25. Erlich I., K. Rensch, F. Shewarega. Impact of Large Wind Power Generation on Frequency Stability. Power Engineering Society General Meeting, 2006 IEEE. URL http://www.science.smith.edu/~icardell/Readings/Wind/Erlich%20- %20freq%20stab.pdf. свободный. - Загл. С экрана. - Яз. Англ. Дата обращения 05.01.2016 г.
26. Kuhi-Thalfeldt R., J. Valtin. Combined heat and power balancing wind power. Oil shale, 2009, Vol. 26, No 3 Special, pp.294-308. URL: http://www.eap.ee/public/oilshale pdf/2009/issue 3s/oil-2009-3S-294-308.pdf, свободный. - Загл. С экрана. - Яз. Англ. Дата обращения 16.01.2016 г.
27. Sushil Arun Patil. A simple approach to estimate the capacity credit of wind electric conversion systems and its economic aspect. May, 2010. URL: http://www.science.smith.edu/~icardell/Courses/EGR325/Readings/EstimatingCC&E CLL.pdf , свободный. - Загл. С экрана. - Яз. Англ. Дата обращения 09.01.2016 г.