Помощь студентам в учебе
ОПТИМИЗАЦИЯ ОБЪЕМОВ И МЕСТ ПОДКЛЮЧЕНИЯ ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК НА ОСНОВЕ ОЦЕНКИ ВЕРОЯТНОСТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ПАРАМЕТРОВ УСТАНОВИВШЕГОСЯ РЕЖИМА ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СИСТЕМ
|
ОГЛАВЛЕНИЕ
ОГЛАВЛЕНИЕ 2
ВВЕДЕНИЕ 4
1. ОБЗОР И АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ МЕТОДОВ ОПРЕДЕЛЕНИЯ
ОПТИМАЛЬНЫХ ОБЪЕМОВ И МЕСТ ПОДКЛЮЧЕНИЯ
ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК, ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ 13
1.1. Детерминированные и вероятностные методы определения оптимальных
объемов и мест подключения ветроэнергетических установок 13
1.2. Целевые функции и технико-экономические показатели эффективности 22
1.2. Случайные величины и случайные события 24
1.3. Вероятностные характеристики параметров режима 26
1.4. Проблема аналитического решения многомерных задач 29
1.5. Применимость методов численного формирования полных вероятностных
характеристик параметров ЭЭС 31
1.6. Стохастическое поведение ветра. Вероятностные характеристики
ветроэнергетических установок 40
1.7. Аппроксимация закона распределения ветра 43
1.8. Оценка закона распределения ветра. Применение критериев согласия ... 45
1.9. Выводы по первой главе 46
2. МЕТОДИКА ПОВЫШЕНИЯ ДОСТОВЕРНОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ
ВЕРОЯТНОСТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ПАРАМЕТРОВ
УСТАНОВИВШЕГОСЯ РЕЖИМА ЭЭС 48
2.1. Разработка методики 48
2.2. Предлагаемое решение проблемы формирования вероятностных
характеристик многомерных функциональных зависимостей 57
2.3. Верификация методики 61
2.4. Выводы по второй главе 74
3. ФОРМИРОВАНИЕ ЗАКОНОВ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ВЕРОЯТНОСТЕЙ
ПАРАМЕТРОВ УСТАНОВИВШЕГОСЯ РЕЖИМА ЭЭС С ВЭУ 75
3.1. Постановка задачи расчета установившегося режима 75
3.2. Расчет установившегося режима с использованием разработанной
методики повышения достоверности формирования вероятностных
характеристик 77
3.3. Подготовка исходных данных ВЭУ 85
3.4. Выводы по третьей главе 88
4. РАЗРАБОТКА И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ МЕТОДИКИ
ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОНТИМАЛЬ1Ы1Х ОБЪЕМОВ И МЕСТ ПОДКЛЮЧЕНИЯ
ВЭУ 89
4.1. Используемые программные средства моделирования 89
4.2. Описание используемых тестовых схем 90
4.3. Формирование ЗРВ входных параметров ЭЭС 91
4.4. Расчет установившегося режима 93
4.5. Расчет установившегося режима схемы IEEE-14 94
4.6. Расчет установившегося режима схемы IEEE-57 98
4.7. Входные временные ряды ветра 99
4.8. Аппроксимация временных рядов ветра 102
4.9. Подготовка исходных данных ВЭУ 105
4.10. Расчет установившегося режима с ВЭУ 108
4.11. Расчет установившегося режима IEEE-14 с ВЭУ 109
4.12. Расчет установившегося режима IEEE-57 с ВЭУ 115
4.13. Выводы по четвертой главе 118
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 119
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ 120
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 121
Приложение А. Вероятностные параметры потерь мощности (IEEE-14) 132
Приложение Б. Вероятностные параметры потерь мощности (IEEE-57) 135
Приложение В. Патенты на изобретения 136
ОГЛАВЛЕНИЕ 2
ВВЕДЕНИЕ 4
1. ОБЗОР И АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ МЕТОДОВ ОПРЕДЕЛЕНИЯ
ОПТИМАЛЬНЫХ ОБЪЕМОВ И МЕСТ ПОДКЛЮЧЕНИЯ
ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК, ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ 13
1.1. Детерминированные и вероятностные методы определения оптимальных
объемов и мест подключения ветроэнергетических установок 13
1.2. Целевые функции и технико-экономические показатели эффективности 22
1.2. Случайные величины и случайные события 24
1.3. Вероятностные характеристики параметров режима 26
1.4. Проблема аналитического решения многомерных задач 29
1.5. Применимость методов численного формирования полных вероятностных
характеристик параметров ЭЭС 31
1.6. Стохастическое поведение ветра. Вероятностные характеристики
ветроэнергетических установок 40
1.7. Аппроксимация закона распределения ветра 43
1.8. Оценка закона распределения ветра. Применение критериев согласия ... 45
1.9. Выводы по первой главе 46
2. МЕТОДИКА ПОВЫШЕНИЯ ДОСТОВЕРНОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ
ВЕРОЯТНОСТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ПАРАМЕТРОВ
УСТАНОВИВШЕГОСЯ РЕЖИМА ЭЭС 48
2.1. Разработка методики 48
2.2. Предлагаемое решение проблемы формирования вероятностных
характеристик многомерных функциональных зависимостей 57
2.3. Верификация методики 61
2.4. Выводы по второй главе 74
3. ФОРМИРОВАНИЕ ЗАКОНОВ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ВЕРОЯТНОСТЕЙ
ПАРАМЕТРОВ УСТАНОВИВШЕГОСЯ РЕЖИМА ЭЭС С ВЭУ 75
3.1. Постановка задачи расчета установившегося режима 75
3.2. Расчет установившегося режима с использованием разработанной
методики повышения достоверности формирования вероятностных
характеристик 77
3.3. Подготовка исходных данных ВЭУ 85
3.4. Выводы по третьей главе 88
4. РАЗРАБОТКА И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ МЕТОДИКИ
ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОНТИМАЛЬ1Ы1Х ОБЪЕМОВ И МЕСТ ПОДКЛЮЧЕНИЯ
ВЭУ 89
4.1. Используемые программные средства моделирования 89
4.2. Описание используемых тестовых схем 90
4.3. Формирование ЗРВ входных параметров ЭЭС 91
4.4. Расчет установившегося режима 93
4.5. Расчет установившегося режима схемы IEEE-14 94
4.6. Расчет установившегося режима схемы IEEE-57 98
4.7. Входные временные ряды ветра 99
4.8. Аппроксимация временных рядов ветра 102
4.9. Подготовка исходных данных ВЭУ 105
4.10. Расчет установившегося режима с ВЭУ 108
4.11. Расчет установившегося режима IEEE-14 с ВЭУ 109
4.12. Расчет установившегося режима IEEE-57 с ВЭУ 115
4.13. Выводы по четвертой главе 118
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 119
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ 120
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 121
Приложение А. Вероятностные параметры потерь мощности (IEEE-14) 132
Приложение Б. Вероятностные параметры потерь мощности (IEEE-57) 135
Приложение В. Патенты на изобретения 136
Актуальность темы исследования.
Согласно статистическим данным потребление электроэнергии в мире стремительно увеличивается, и за последние 15 лет прирост составил примерно 35-40%. Такая тенденция приводит к необходимости ввода новых генерирующих мощностей и замене старых, преимущественно основанных на использовании ископаемого топлива. Многие страны, учитывая мировую экологическую повестку и стремление к энергетической независимости, стремятся перейти к низкоуглеродной или безуглеродной энергетике за счет возобновляемых источников энергии (ВИЭ). Мировыми лидерами в интеграции ВИЭ являются США, Китай и страны Западной Европы. В настоящее время суммарная установленная мощность ВИЭ в мире приблизительно равна 2497 ГВт, что составляет 37% от всей генерации. Российской Федерацией подписано Парижское соглашение по климату, что накладывает на страну ряд обязательств по снижению углеродных выбросов, в частности, за счет перехода на «зеленую» энергетику. В этом направлении уже предпринят ряд шагов: ГК «Росатом» и Фонд развития ветроэнергетики (ГК «РОСНАНО») получили право на строительство порядка 1,5 ГВт ветрогенерации в Адыгее, Краснодарском крае, Ростовской области, Калмыкии, Астраханской области и Ставропольском крае. Благодаря этому общая установленная мощность ВИЭ будет постепенно увеличиваться, при этом прогнозы, сделанные разными аналитическими агентствами, также показывают, что спрос за период с 2010 по 2040 год на альтернативные источники энергии увеличится на 92%. В рамках диссертации для исследования выбраны ветроэнергетические установки (ВЭУ), поскольку для России они более перспективны в плане широкомасштабного внедрения.
Темпы развития «зеленой» энергетики значительно опережают планы по модернизации электрических сетей, вследствие чего интеграция объектов ВЭУ зачастую происходит без решения ряда вопросов, связанных с их подключением к существующей сети. Это особенно справедливо для российских электроэнергетических систем (ЭЭС), сети в которых отличаются значительной протяжённостью и сложностью топологии. В итоге такой подход неминуемо ведет к повышению токовой загрузки в сети (35 кВ и выше) и, как следствие, росту потерь мощности.
Минимизировать потери мощности при передаче энергии без существенных изменений инфраструктуры можно путем решения задачи определения оптимального объема и места подключения ВЭУ. Данный вопрос относится к классу задач глобальной оптимизации, решение которой относительно заданной целевой функции позволяет минимизировать (или максимизировать) интересующий параметр. Сам вид и состав целевой функции может варьироваться, однако минимизация потерь мощности выступает одним из основных индикаторов в составе целевой функции как в явном виде, так и с точки зрения расчета себестоимости электроэнергии, поскольку объем выработки электроэнергии объектами ВЭУ носит переменный характер, и несовпадение графиков мощности ветрового потока и электрической нагрузки непосредственно оказывают влияние на возрастание потерь мощности. Минимизация данной составляющей, в свою очередь, зависит от достоверности учета вероятностного характера ВЭУ и параметров режима ЭЭС.
Поставленный вопрос относится к задачам перспективного планирования, и требует оценки распределения перетоков мощности в ЭЭС для разных комбинаций графиков мощности ветрового потока и электрической нагрузки, достоверность проверки которых зависит от используемых в исследовании методов оптимизации. Для решения задач подобного типа активно используются классические (линейного, нелинейного программирования) и современные (алгоритм имитации отжига, роя частиц, генетический алгоритм и др.) алгоритмы оптимизации. С точки зрения нахождения глобального экстремума самыми точными являются методы полного перебора, случайного поиска (методы Монте-Карло) и случайного поиска с накоплением. Также, благодаря полному охвату всей области возможных состояний ЭЭС, данные методы позволяют сформировать соответствующие вероятностные характеристики исследуемых величин, такие как плотность (ПРВ) и функцию распределения вероятностей (ФРВ), что позволяет оценить все возможные значения параметров электрического режима, которые могут наблюдаться в ветвях и узлах ЭЭС. Тем не менее, из-за проблемы формирования вероятностных характеристик параметров режима при значениях редкой повторяемости, применимость ранее обозначенных методов ограничена. Учитывая размерность и сложную топологию современных ЭЭС, актуальными на данный момент являются стохастические и метаэвристические методы. Однако для данных методов возможность решения достигается снижением точности получаемого результата, или отсутствует гарантия получения глобального решения в соответствии с логикой цепей Маркова, которые позволяют доказать сходимость алгоритмов к глобальному оптимуму только теоретически при устремлении времени работы алгоритма к бесконечности.
Для решения обозначенной проблемы формирования вероятностных характеристик параметров режима при значениях редкой повторяемости, в диссертационной работе представлена разработка методики и средств повышения достоверности формирования вероятностных характеристик параметров установившегося режима ЭЭС для уточнения (в сравнении с методом Монте-Карло) потокораспределения и возможных потерь мощности, в значительной степени определяющих выбор оптимального объема и места подключения ВЭУ.
Степень разработанности темы исследования.
Общие исследования формирования законов распределения вероятностей (ЗРВ) многомерных функциональных зависимостей (ФЗ) различных задач как электроэнергетики, так и математики занимают немаловажную часть в изучении протекаемых в природе процессов. В СССР этой проблеме уделял особое внимание ряд советских ученых: Е.С. Вентцель, А.М. Андронов, В.П. Обоскалов,
A. С. Шведов. В других странах данный вопрос разрабатывали: A. Genz, J. Hsu, Ch. M Grinstead и др.
Сравнительный анализ существующих численных методов получения полных вероятностных характеристик представлен в работах ученых: Н.И. Воропай, H. Huang, K. Dongbum, A. Genz и др. В связи с ростом объемов подключения ВИЭ отдельно можно выделить связанные с этим проблемы при решении задач перспективного планирования, развития сети: Н.И. Воропай,
B. А. Веников, В.В. Елистратов, С.А. Ульянов, A. Karimishad, T. Tran-Quoc, P. A. C. Rosas, P. Ju, A. Azmy, J. Milanovic, M. Ehsan, S. Xia, L. Miao, и др. Проблема определения оптимальных узлов и объемов подключения ВЭУ рассматривается в статьях: H. Huang, W. LI, M.A. Ehsan, P. Lamaina, Y.C. Chen, H. Kumar, R. Anand, J. Mengshoel, U. Sultana и др.
Проблемам сбора, анализа, аппроксимации и воспроизведения временных рядов скорости ветра посвящены труды: А.Б. Рыхлов, Л.М. Гафарова, J. Wang, H. Akyuz, A. Akdag, H. Celik, R. Ross, D. Cousineau, K. Dongbum, J.V. Seguro. Непосредственному моделированию полных детерминированных и вероятностных характеристик ВЭУ посвящены труды ученых: V. Sohoni,
S.H. Karaki, В.З. Манусов, A. Soroudi, K. Dongbum, A. Teyabeen, S. Vaishali, K. Yang.
Несмотря на достаточно глубокое изучение отдельных вероятностных характеристик параметров установившегося режима ЭЭС, вопросы, связанные с комплексным анализом процессов в ЭЭС, по-прежнему являются актуальными, поскольку данная информация необходима для надежного и эффективного решения задачи определения оптимальных объемов и мест подключения ВИЭ.
Цели и задачи работы.
Целью работы является повышение достоверности оценки параметров установившегося режима электроэнергетических систем с
ветроэнергетическими установками.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
1. Провести анализ существующих методов и алгоритмов учета вероятностного характера параметров установившегося режима при решении задачи определения оптимальных объемов и мест подключения ВЭУ.
2. Разработать и верифицировать методику повышения достоверности формирования вероятностных характеристик параметров установившегося режима ЭЭС с ВЭУ, снижающую необходимое количество статистических испытаний с сохранением статистической значимости.
3. Разработать методику и алгоритм вероятностного определения оптимальных объемов и мест подключения ВЭУ в ЭЭС, обеспечивающие контролируемую дискретизацию параметров узлов, которая позволяет учесть влияние вида закона распределения вероятностей входных параметров ЭЭС (напряжение в узлах, мощность генерации и нагрузки) на закон распределения вероятностей выходных параметров (потери мощности).
4. Провести комплекс экспериментальных исследований,
подтверждающих свойства и возможности разработанных методики и алгоритма определения оптимальных объемов и мест подключения ВЭУ в ЭЭС.
Объект исследования - расчет установившегося режима ЭЭС.
Предмет исследования - законы распределения вероятностей параметров установившихся режимов ЭЭС, в том числе с ВЭУ.
Научная новизна работы:
1. Разработана методика расчета вероятностных характеристик параметров установившегося режима ЭЭС, повышающая достоверность и скорость их формирования за счет учета значений редкой повторяемости путем обработки вероятностных характеристик по принципу несовместных независимых событий установившегося режима.
2. Предложена методика определения оптимальных объемов и мест подключения ВЭУ на основе законов распределения вероятностей параметров установившегося режима ЭЭС, задающая контролируемую дискретизацию аргументов для учета влияния вида закона распределения вероятностей входных параметров (напряжение в узлах, мощность генерации и нагрузки) на закон распределения вероятностей выходных параметров (потери мощности) и контроля заданных предельно допустимых параметров режима.
3. Разработан алгоритм определения оптимальных объемов и мест подключения ВЭУ в ЭЭС, основанный на формировании и оценке вероятностных характеристик параметров режима, обеспечивающий минимизацию возможных потерь мощности путем оценки изменения числовых характеристик вероятностных параметров потерь мощности.
Практическая значимость работы.
Разработанный алгоритм по сравнению с существующими обладает более высокой достоверностью и скоростью формирования вероятностных характеристик, что способствует уточнению значений потокораспределения и, как следствие, определению объемов и мест подключения ВЭУ с минимально возможными потерями мощности. Данные результаты могут быть актуальны организациям, специализирующимся на интеграции ВИЭ (например, АО «Роснано», АО «НоваВинд» и др.), а также электросетевым компаниям (ПАО «Россети» и др.), поскольку одним из приоритетных направлений программ их инновационной деятельности является снижение электрических потерь в сети и повышение ресурсоэффективности.
Методы исследований:
Методы статистического моделирования, теория вероятностей и математическая статистика, теория дифференциального и интегрального исчислений, теория методов дискретизации для обыкновенных дифференциальных уравнений, теория линейных и нелинейных электрических цепей, методы математического моделирования.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Разработанная методика повышения достоверности формирования вероятностных характеристик параметров установившегося режима ЭЭС с ВЭУ обеспечивает более достоверный расчет вероятностных характеристик посредством учета значений редкой повторяемости и снижения количества статистических испытаний (в сравнении с методом Монте-Карло).
2. Предложенная методика определения оптимальных объемов и мест подключения ВЭУ на основе законов распределения вероятностей параметров установившегося режима ЭЭС позволяет учитывать характеристики формы вероятностных распределений различных типов, обеспечивая полное и достоверное формирование вероятностных характеристик выходных параметров (потери мощности).
Достоверность результатов исследования.
Достоверность полученных в ходе экспериментальных исследований результатов подтверждается регламентирующими нормативно-техническими документами, общими положениями теории вероятностей, математики, теоретически обоснованными исследованиями свойств зависимых/независимых случайных аргументов и несовместных значений многомерных функциональных зависимостей, верификацией разработанной методики путем сравнения результатов расчетов с аналитическими решениями задач малой размерности, использованием методов аппроксимации в совокупности с критериями согласия.
Апробация результатов исследований.
Основные результаты диссертационных исследований докладывались и обсуждались на XXV Международном научном симпозиуме студентов и молодых ученых имени академика М.А. Усова «Проблемы геологии и освоения недр» (Томск, 2021), XI Международной научно-технической конференции «Электроэнергетика глазами молодежи» (Ставрополь, 2020), International Youth Scientific Conference on Heat and Mass Transfer in the Thermal Control System of Technical and Technological Energy Equipment (Томск, 2019), Международной научной конференции «Энерго-ресурсоэффективность в интересах устойчивого развития» (Томск, 2018), XXXIX сессии семинара «Кибернетика энергетических систем» по тематике «Электроснабжение» (Новочеркасск, 2017), 5th International Youth Forum on Smart Grids (Томск, 2017), VII Всероссийской конференции
«Ресурсоэффективным технологиям - энергию и энтузиазм молодых» (Томск, 2016), VII Международной научно-технической конференции
«Электромеханические преобразователи энергии» (Томск, 2015), XX Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные техника и технологии» (Томск, 2014), I международной научной конференции молодых ученых «Электротехника. Энергетика. Машиностроение» (Новосибирск, 2014), Двадцатой всероссийской научно-технической конференции «Энергетика: эффективность, надежность, безопасность» (Томск, 2014).
Публикации.
Всего по теме диссертации Бай Ю.Д. опубликовано 10 научных работ, в том числе 6 статей в журналах из перечня рецензируемых научных изданий для опубликования основных научных результатов диссертаций на соискания ученой степени кандидата наук, на соискания ученой степени доктора наук (из них 1 работ в журналах, вошедших в базы данных Web of Science и Scopus в первом квартиле), а также получен патент на изобретение.
Реализация результатов работы.
Результаты диссертационной работы реализованы и используются:
- в рамках Гранта Российского научного фонда №18-79-10006 от 02.08.2018 г. «Исследование проблемы достоверности расчетов режимов и процессов в электроэнергетических системах с активно-адаптивными сетями и распределенной генерацией и разработка методики их всережимной верификации»;
- в рамках Гранта Министерства науки и высшего образования РФ Соглашение №075-02-2018-271 от 17.01.2018 г. «Исследование влияния спектра процессов в электроэнергетических системах со значительной долей распределённой генерации и возобновляемыми источниками энергии на функционирование устройств релейной защиты и разработка методики её адекватной настройки»;
- при поддержке стипендиального фонда президента Российской Федерации (2021-2023) по направлению «Энергоэффективность и энергосбережение, в том числе вопросы разработки новых видов топлива» осуществляется работа по теме: «Вероятностная оценка устойчивости электроэнергетических систем со значительной долей возобновляемых источников энергии» (СП-4505.2021.1).
Структура и объем диссертации.
Диссертационная работа содержит 137 страниц, в том числе 56 рисунков, 25 таблиц, список цитируемой литературы из 96-ти наименований и состоит из введения, 4-х глав, заключения, и 3-х приложений.
Согласно статистическим данным потребление электроэнергии в мире стремительно увеличивается, и за последние 15 лет прирост составил примерно 35-40%. Такая тенденция приводит к необходимости ввода новых генерирующих мощностей и замене старых, преимущественно основанных на использовании ископаемого топлива. Многие страны, учитывая мировую экологическую повестку и стремление к энергетической независимости, стремятся перейти к низкоуглеродной или безуглеродной энергетике за счет возобновляемых источников энергии (ВИЭ). Мировыми лидерами в интеграции ВИЭ являются США, Китай и страны Западной Европы. В настоящее время суммарная установленная мощность ВИЭ в мире приблизительно равна 2497 ГВт, что составляет 37% от всей генерации. Российской Федерацией подписано Парижское соглашение по климату, что накладывает на страну ряд обязательств по снижению углеродных выбросов, в частности, за счет перехода на «зеленую» энергетику. В этом направлении уже предпринят ряд шагов: ГК «Росатом» и Фонд развития ветроэнергетики (ГК «РОСНАНО») получили право на строительство порядка 1,5 ГВт ветрогенерации в Адыгее, Краснодарском крае, Ростовской области, Калмыкии, Астраханской области и Ставропольском крае. Благодаря этому общая установленная мощность ВИЭ будет постепенно увеличиваться, при этом прогнозы, сделанные разными аналитическими агентствами, также показывают, что спрос за период с 2010 по 2040 год на альтернативные источники энергии увеличится на 92%. В рамках диссертации для исследования выбраны ветроэнергетические установки (ВЭУ), поскольку для России они более перспективны в плане широкомасштабного внедрения.
Темпы развития «зеленой» энергетики значительно опережают планы по модернизации электрических сетей, вследствие чего интеграция объектов ВЭУ зачастую происходит без решения ряда вопросов, связанных с их подключением к существующей сети. Это особенно справедливо для российских электроэнергетических систем (ЭЭС), сети в которых отличаются значительной протяжённостью и сложностью топологии. В итоге такой подход неминуемо ведет к повышению токовой загрузки в сети (35 кВ и выше) и, как следствие, росту потерь мощности.
Минимизировать потери мощности при передаче энергии без существенных изменений инфраструктуры можно путем решения задачи определения оптимального объема и места подключения ВЭУ. Данный вопрос относится к классу задач глобальной оптимизации, решение которой относительно заданной целевой функции позволяет минимизировать (или максимизировать) интересующий параметр. Сам вид и состав целевой функции может варьироваться, однако минимизация потерь мощности выступает одним из основных индикаторов в составе целевой функции как в явном виде, так и с точки зрения расчета себестоимости электроэнергии, поскольку объем выработки электроэнергии объектами ВЭУ носит переменный характер, и несовпадение графиков мощности ветрового потока и электрической нагрузки непосредственно оказывают влияние на возрастание потерь мощности. Минимизация данной составляющей, в свою очередь, зависит от достоверности учета вероятностного характера ВЭУ и параметров режима ЭЭС.
Поставленный вопрос относится к задачам перспективного планирования, и требует оценки распределения перетоков мощности в ЭЭС для разных комбинаций графиков мощности ветрового потока и электрической нагрузки, достоверность проверки которых зависит от используемых в исследовании методов оптимизации. Для решения задач подобного типа активно используются классические (линейного, нелинейного программирования) и современные (алгоритм имитации отжига, роя частиц, генетический алгоритм и др.) алгоритмы оптимизации. С точки зрения нахождения глобального экстремума самыми точными являются методы полного перебора, случайного поиска (методы Монте-Карло) и случайного поиска с накоплением. Также, благодаря полному охвату всей области возможных состояний ЭЭС, данные методы позволяют сформировать соответствующие вероятностные характеристики исследуемых величин, такие как плотность (ПРВ) и функцию распределения вероятностей (ФРВ), что позволяет оценить все возможные значения параметров электрического режима, которые могут наблюдаться в ветвях и узлах ЭЭС. Тем не менее, из-за проблемы формирования вероятностных характеристик параметров режима при значениях редкой повторяемости, применимость ранее обозначенных методов ограничена. Учитывая размерность и сложную топологию современных ЭЭС, актуальными на данный момент являются стохастические и метаэвристические методы. Однако для данных методов возможность решения достигается снижением точности получаемого результата, или отсутствует гарантия получения глобального решения в соответствии с логикой цепей Маркова, которые позволяют доказать сходимость алгоритмов к глобальному оптимуму только теоретически при устремлении времени работы алгоритма к бесконечности.
Для решения обозначенной проблемы формирования вероятностных характеристик параметров режима при значениях редкой повторяемости, в диссертационной работе представлена разработка методики и средств повышения достоверности формирования вероятностных характеристик параметров установившегося режима ЭЭС для уточнения (в сравнении с методом Монте-Карло) потокораспределения и возможных потерь мощности, в значительной степени определяющих выбор оптимального объема и места подключения ВЭУ.
Степень разработанности темы исследования.
Общие исследования формирования законов распределения вероятностей (ЗРВ) многомерных функциональных зависимостей (ФЗ) различных задач как электроэнергетики, так и математики занимают немаловажную часть в изучении протекаемых в природе процессов. В СССР этой проблеме уделял особое внимание ряд советских ученых: Е.С. Вентцель, А.М. Андронов, В.П. Обоскалов,
A. С. Шведов. В других странах данный вопрос разрабатывали: A. Genz, J. Hsu, Ch. M Grinstead и др.
Сравнительный анализ существующих численных методов получения полных вероятностных характеристик представлен в работах ученых: Н.И. Воропай, H. Huang, K. Dongbum, A. Genz и др. В связи с ростом объемов подключения ВИЭ отдельно можно выделить связанные с этим проблемы при решении задач перспективного планирования, развития сети: Н.И. Воропай,
B. А. Веников, В.В. Елистратов, С.А. Ульянов, A. Karimishad, T. Tran-Quoc, P. A. C. Rosas, P. Ju, A. Azmy, J. Milanovic, M. Ehsan, S. Xia, L. Miao, и др. Проблема определения оптимальных узлов и объемов подключения ВЭУ рассматривается в статьях: H. Huang, W. LI, M.A. Ehsan, P. Lamaina, Y.C. Chen, H. Kumar, R. Anand, J. Mengshoel, U. Sultana и др.
Проблемам сбора, анализа, аппроксимации и воспроизведения временных рядов скорости ветра посвящены труды: А.Б. Рыхлов, Л.М. Гафарова, J. Wang, H. Akyuz, A. Akdag, H. Celik, R. Ross, D. Cousineau, K. Dongbum, J.V. Seguro. Непосредственному моделированию полных детерминированных и вероятностных характеристик ВЭУ посвящены труды ученых: V. Sohoni,
S.H. Karaki, В.З. Манусов, A. Soroudi, K. Dongbum, A. Teyabeen, S. Vaishali, K. Yang.
Несмотря на достаточно глубокое изучение отдельных вероятностных характеристик параметров установившегося режима ЭЭС, вопросы, связанные с комплексным анализом процессов в ЭЭС, по-прежнему являются актуальными, поскольку данная информация необходима для надежного и эффективного решения задачи определения оптимальных объемов и мест подключения ВИЭ.
Цели и задачи работы.
Целью работы является повышение достоверности оценки параметров установившегося режима электроэнергетических систем с
ветроэнергетическими установками.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
1. Провести анализ существующих методов и алгоритмов учета вероятностного характера параметров установившегося режима при решении задачи определения оптимальных объемов и мест подключения ВЭУ.
2. Разработать и верифицировать методику повышения достоверности формирования вероятностных характеристик параметров установившегося режима ЭЭС с ВЭУ, снижающую необходимое количество статистических испытаний с сохранением статистической значимости.
3. Разработать методику и алгоритм вероятностного определения оптимальных объемов и мест подключения ВЭУ в ЭЭС, обеспечивающие контролируемую дискретизацию параметров узлов, которая позволяет учесть влияние вида закона распределения вероятностей входных параметров ЭЭС (напряжение в узлах, мощность генерации и нагрузки) на закон распределения вероятностей выходных параметров (потери мощности).
4. Провести комплекс экспериментальных исследований,
подтверждающих свойства и возможности разработанных методики и алгоритма определения оптимальных объемов и мест подключения ВЭУ в ЭЭС.
Объект исследования - расчет установившегося режима ЭЭС.
Предмет исследования - законы распределения вероятностей параметров установившихся режимов ЭЭС, в том числе с ВЭУ.
Научная новизна работы:
1. Разработана методика расчета вероятностных характеристик параметров установившегося режима ЭЭС, повышающая достоверность и скорость их формирования за счет учета значений редкой повторяемости путем обработки вероятностных характеристик по принципу несовместных независимых событий установившегося режима.
2. Предложена методика определения оптимальных объемов и мест подключения ВЭУ на основе законов распределения вероятностей параметров установившегося режима ЭЭС, задающая контролируемую дискретизацию аргументов для учета влияния вида закона распределения вероятностей входных параметров (напряжение в узлах, мощность генерации и нагрузки) на закон распределения вероятностей выходных параметров (потери мощности) и контроля заданных предельно допустимых параметров режима.
3. Разработан алгоритм определения оптимальных объемов и мест подключения ВЭУ в ЭЭС, основанный на формировании и оценке вероятностных характеристик параметров режима, обеспечивающий минимизацию возможных потерь мощности путем оценки изменения числовых характеристик вероятностных параметров потерь мощности.
Практическая значимость работы.
Разработанный алгоритм по сравнению с существующими обладает более высокой достоверностью и скоростью формирования вероятностных характеристик, что способствует уточнению значений потокораспределения и, как следствие, определению объемов и мест подключения ВЭУ с минимально возможными потерями мощности. Данные результаты могут быть актуальны организациям, специализирующимся на интеграции ВИЭ (например, АО «Роснано», АО «НоваВинд» и др.), а также электросетевым компаниям (ПАО «Россети» и др.), поскольку одним из приоритетных направлений программ их инновационной деятельности является снижение электрических потерь в сети и повышение ресурсоэффективности.
Методы исследований:
Методы статистического моделирования, теория вероятностей и математическая статистика, теория дифференциального и интегрального исчислений, теория методов дискретизации для обыкновенных дифференциальных уравнений, теория линейных и нелинейных электрических цепей, методы математического моделирования.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Разработанная методика повышения достоверности формирования вероятностных характеристик параметров установившегося режима ЭЭС с ВЭУ обеспечивает более достоверный расчет вероятностных характеристик посредством учета значений редкой повторяемости и снижения количества статистических испытаний (в сравнении с методом Монте-Карло).
2. Предложенная методика определения оптимальных объемов и мест подключения ВЭУ на основе законов распределения вероятностей параметров установившегося режима ЭЭС позволяет учитывать характеристики формы вероятностных распределений различных типов, обеспечивая полное и достоверное формирование вероятностных характеристик выходных параметров (потери мощности).
Достоверность результатов исследования.
Достоверность полученных в ходе экспериментальных исследований результатов подтверждается регламентирующими нормативно-техническими документами, общими положениями теории вероятностей, математики, теоретически обоснованными исследованиями свойств зависимых/независимых случайных аргументов и несовместных значений многомерных функциональных зависимостей, верификацией разработанной методики путем сравнения результатов расчетов с аналитическими решениями задач малой размерности, использованием методов аппроксимации в совокупности с критериями согласия.
Апробация результатов исследований.
Основные результаты диссертационных исследований докладывались и обсуждались на XXV Международном научном симпозиуме студентов и молодых ученых имени академика М.А. Усова «Проблемы геологии и освоения недр» (Томск, 2021), XI Международной научно-технической конференции «Электроэнергетика глазами молодежи» (Ставрополь, 2020), International Youth Scientific Conference on Heat and Mass Transfer in the Thermal Control System of Technical and Technological Energy Equipment (Томск, 2019), Международной научной конференции «Энерго-ресурсоэффективность в интересах устойчивого развития» (Томск, 2018), XXXIX сессии семинара «Кибернетика энергетических систем» по тематике «Электроснабжение» (Новочеркасск, 2017), 5th International Youth Forum on Smart Grids (Томск, 2017), VII Всероссийской конференции
«Ресурсоэффективным технологиям - энергию и энтузиазм молодых» (Томск, 2016), VII Международной научно-технической конференции
«Электромеханические преобразователи энергии» (Томск, 2015), XX Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные техника и технологии» (Томск, 2014), I международной научной конференции молодых ученых «Электротехника. Энергетика. Машиностроение» (Новосибирск, 2014), Двадцатой всероссийской научно-технической конференции «Энергетика: эффективность, надежность, безопасность» (Томск, 2014).
Публикации.
Всего по теме диссертации Бай Ю.Д. опубликовано 10 научных работ, в том числе 6 статей в журналах из перечня рецензируемых научных изданий для опубликования основных научных результатов диссертаций на соискания ученой степени кандидата наук, на соискания ученой степени доктора наук (из них 1 работ в журналах, вошедших в базы данных Web of Science и Scopus в первом квартиле), а также получен патент на изобретение.
Реализация результатов работы.
Результаты диссертационной работы реализованы и используются:
- в рамках Гранта Российского научного фонда №18-79-10006 от 02.08.2018 г. «Исследование проблемы достоверности расчетов режимов и процессов в электроэнергетических системах с активно-адаптивными сетями и распределенной генерацией и разработка методики их всережимной верификации»;
- в рамках Гранта Министерства науки и высшего образования РФ Соглашение №075-02-2018-271 от 17.01.2018 г. «Исследование влияния спектра процессов в электроэнергетических системах со значительной долей распределённой генерации и возобновляемыми источниками энергии на функционирование устройств релейной защиты и разработка методики её адекватной настройки»;
- при поддержке стипендиального фонда президента Российской Федерации (2021-2023) по направлению «Энергоэффективность и энергосбережение, в том числе вопросы разработки новых видов топлива» осуществляется работа по теме: «Вероятностная оценка устойчивости электроэнергетических систем со значительной долей возобновляемых источников энергии» (СП-4505.2021.1).
Структура и объем диссертации.
Диссертационная работа содержит 137 страниц, в том числе 56 рисунков, 25 таблиц, список цитируемой литературы из 96-ти наименований и состоит из введения, 4-х глав, заключения, и 3-х приложений.
В результате выполнения диссертационной работы получены теоретически обоснованные и экспериментально подтвержденные результаты, актуальные для исследования оптимальных сценариев подключения ВЭУ:
1. Разработана методика расчета вероятностных характеристик параметров установившегося режима ЭЭС, повышающая достоверность и скорость их формирования за счет учета значений редкой повторяемости путем обработки вероятностных характеристик по принципу несовместных независимых событий установившегося режима.
2. Предложена методика определения оптимальных объемов и мест подключения ВЭУ на основе законов распределения вероятностей параметров установившегося режима ЭЭС, задающая контролируемую дискретизацию аргументов для учета влияния вида закона распределения вероятностей входных параметров (напряжение в узлах, мощность генерации и нагрузки) на закон распределения вероятностей выходных параметров (потери мощности) и контроля заданных предельно допустимых параметров режима .
3. Разработан алгоритм определения оптимальных объемов и мест подключения ВЭУ в ЭЭС, основанный на формировании и оценке вероятностных характеристик параметров режима, обеспечивающий минимизацию возможных потерь мощности путем оценки изменения числовых характеристик вероятностных параметров потерь мощности.
4. Выполнен комплекс тестовых и экспериментальных исследований, подтверждающий свойства и возможности созданных средств повышения достоверности оценки параметров установившегося режима ЭЭС с ВЭУ, основанных на формировании и оценке вероятностных характеристик параметров режима, для минимизации потерь мощности. Определены оптимальные узлы и объемы подключения ВЭУ.
5. Разработанные методики и средства позволяют:
- повысить достоверность формирования вероятностных характеристик параметров установившегося режима ЭЭС;
- осуществить моделирование ЭЭС с ВЭУ разной размерности в вероятностной форме, получая полные и достоверные вероятностные характеристики параметров ЭЭС, что позволяет также в вероятностной форме произвести контроль и оценку потерь мощности;
- определить объемы и места подключения ВЭУ любого типа для обеспечения работы сети с минимально возможными потерями мощности
1. Разработана методика расчета вероятностных характеристик параметров установившегося режима ЭЭС, повышающая достоверность и скорость их формирования за счет учета значений редкой повторяемости путем обработки вероятностных характеристик по принципу несовместных независимых событий установившегося режима.
2. Предложена методика определения оптимальных объемов и мест подключения ВЭУ на основе законов распределения вероятностей параметров установившегося режима ЭЭС, задающая контролируемую дискретизацию аргументов для учета влияния вида закона распределения вероятностей входных параметров (напряжение в узлах, мощность генерации и нагрузки) на закон распределения вероятностей выходных параметров (потери мощности) и контроля заданных предельно допустимых параметров режима .
3. Разработан алгоритм определения оптимальных объемов и мест подключения ВЭУ в ЭЭС, основанный на формировании и оценке вероятностных характеристик параметров режима, обеспечивающий минимизацию возможных потерь мощности путем оценки изменения числовых характеристик вероятностных параметров потерь мощности.
4. Выполнен комплекс тестовых и экспериментальных исследований, подтверждающий свойства и возможности созданных средств повышения достоверности оценки параметров установившегося режима ЭЭС с ВЭУ, основанных на формировании и оценке вероятностных характеристик параметров режима, для минимизации потерь мощности. Определены оптимальные узлы и объемы подключения ВЭУ.
5. Разработанные методики и средства позволяют:
- повысить достоверность формирования вероятностных характеристик параметров установившегося режима ЭЭС;
- осуществить моделирование ЭЭС с ВЭУ разной размерности в вероятностной форме, получая полные и достоверные вероятностные характеристики параметров ЭЭС, что позволяет также в вероятностной форме произвести контроль и оценку потерь мощности;
- определить объемы и места подключения ВЭУ любого типа для обеспечения работы сети с минимально возможными потерями мощности
