Помощь студентам в учебе
Моделирование микросети с распределенной генерацией
|
Введение 8
1 Анализ понятий и принципов интеллектуальных электрических сетей. Формирование объекта исследования 11
1.1 Анализ понятий «микрогрид», «виртуальная электростанция», «энергетический
интернет» 11
1.2 Описание возможности использования технологий «микрогрид», «виртуальной электростанции», «энергетического интернета» для повышения эффективности
изолированной системы электроснабжения 13
1.3 Формирование объекта исследования - изолированной системы электроснабжения с источниками распределенной генерации 24
2 Анализ возможных режимов работы рассматриваемой системы электроснабжения.
Разработка условий рациональности межсегментных перетоков 27
2.1 Анализ возможных режимов работы изолированной системы электроснабжения ....27
2.2 Определение условий начала и прекращения межсегментных перетоков мощности 32
2.3 Разработка блок-схемы, отражающей алгоритм взаимодействия объектов в составе
рассматриваемой изолированной системы электроснабжения 34
3 Разработка имитационных моделей энергоустановок в составе изолированной системы
электроснабжения 35
3.1 Разработка имитационных моделей энергоустановок в составе изолированной
системы электроснабжения 35
3.2 Разработка и исследование имитационной модели изолированной системы
электроснабжения, функционирующей по принципу «микрогрид» 77
3.3 Концепция создания программно-аппаратного комплекса изолированной системы
электроснабжения, функционирующей по принципу «микрогрид» 80
4 Обоснование экономической эффективности использования возобновляемых
источников энергии в изолированной системе электроснабжения 87
4.1 Описание хода расчета. Принятые допущения 87
4.2 Экономический расчет для системы электроснабжения сегмента №1 с
использованием генерирующих мощностей ВЭУ 92
4.3 Экономический расчет для системы электроснабжения сегмента №1 без ВЭУ,
используя исключительно генерирующие мощности ДЭС 96
4.4 Сравнение полученных результатов 97
5 Производственная безопасность 98
5.1 Воздушные линии 0,4 кВ 98
5.2 Кабельные линии 0,4 кВ, проложенные в земле 103
Заключение 107
Список использованных источников 108
1 Анализ понятий и принципов интеллектуальных электрических сетей. Формирование объекта исследования 11
1.1 Анализ понятий «микрогрид», «виртуальная электростанция», «энергетический
интернет» 11
1.2 Описание возможности использования технологий «микрогрид», «виртуальной электростанции», «энергетического интернета» для повышения эффективности
изолированной системы электроснабжения 13
1.3 Формирование объекта исследования - изолированной системы электроснабжения с источниками распределенной генерации 24
2 Анализ возможных режимов работы рассматриваемой системы электроснабжения.
Разработка условий рациональности межсегментных перетоков 27
2.1 Анализ возможных режимов работы изолированной системы электроснабжения ....27
2.2 Определение условий начала и прекращения межсегментных перетоков мощности 32
2.3 Разработка блок-схемы, отражающей алгоритм взаимодействия объектов в составе
рассматриваемой изолированной системы электроснабжения 34
3 Разработка имитационных моделей энергоустановок в составе изолированной системы
электроснабжения 35
3.1 Разработка имитационных моделей энергоустановок в составе изолированной
системы электроснабжения 35
3.2 Разработка и исследование имитационной модели изолированной системы
электроснабжения, функционирующей по принципу «микрогрид» 77
3.3 Концепция создания программно-аппаратного комплекса изолированной системы
электроснабжения, функционирующей по принципу «микрогрид» 80
4 Обоснование экономической эффективности использования возобновляемых
источников энергии в изолированной системе электроснабжения 87
4.1 Описание хода расчета. Принятые допущения 87
4.2 Экономический расчет для системы электроснабжения сегмента №1 с
использованием генерирующих мощностей ВЭУ 92
4.3 Экономический расчет для системы электроснабжения сегмента №1 без ВЭУ,
используя исключительно генерирующие мощности ДЭС 96
4.4 Сравнение полученных результатов 97
5 Производственная безопасность 98
5.1 Воздушные линии 0,4 кВ 98
5.2 Кабельные линии 0,4 кВ, проложенные в земле 103
Заключение 107
Список использованных источников 108
На сегодняшний день в электроэнергетике Российской Федерации имеется ряд проблем, основой которых является высокая степень централизации электрогенерирующих мощностей при большой площади, занимаемой территориями нашей страны.
Ниже перечислены основные проблемы, отраженные в «Энергетической стратегии России на период до 2035 года» [83], и на решение которых направлена данная работа.
1. Отсутствие надежного электроснабжения на технологически изолированных территориях.
Единая энергетическая система России (ЕЭС России), включающая в свой состав 7 объединенных энергетических систем (Востока, Сибири, Урала, Средней
Волги, Юга, Центра и Северо-Запада), охватывает и обеспечивает надежным сетевым электроснабжением менее 50% территории России. [1]. Территориально изолированными энергосистемами являются: Чукотский автономный округ, Камчатский край, Сахалинская и Магаданская область, Норильско-Таймырский и Николаевский энергорайоны, энергосистемы центральной и северной частей Республики Саха (Якутия).
Территории, охваченные централизованным электроснабжением, и зоны автономного электроснабжения представлены на рисунке 1.
На удаленных от ЕЭС территориях по разным данным проживает от 2 до 20 млн. человек. Помимо этого данные территории являются чрезвычайно важными с экономической точки зрения, так как здесь сосредоточены основные запасы полезных ископаемых.
Присоединение данных районов к ЕЭС путем строительства линий электропередач (ЛЭП) в большинстве случаев является экономически нецелесообразным ввиду низкой удельной плотности электрических нагрузок, а также необходимостью обеспечения требуемого уровня напряжения в точках технологического присоединения отдельных потребителей.
2. Высокая стоимость электроэнергии на технологически изолированных территориях.
Стоимость электроэнергии в изолированных энергосистемах может достигать 15 - 150 руб/кВт-ч, а годовые субсидии из бюджета на компенсацию выпадающих расходов организаций составляют 60-65 млн. руб., так как в основном генерирование электроэнергии в этих районах осуществляется за счет сжигания привозного
дизельных электростанций (ДЭС), работающих в этих зонах составляет около 900 (в соответствии с рисунком 1) [2],[84].
«Северный завоз» вносит существенную транспортную составляющую, что, в конечном итоге, значительно повышает цену за кВт-ч.
При этом рассматриваемые расходы за счет перекрестного субсидирования затрагивают не только потребителей в изолированных районах, а также бюджеты регионов.
Усугубляет ситуацию необходимость содержания резервных мощностей, что приводит к снижению коэффициента использования установленной мощности электростанций (КИУМ) (50,38% по итогам 2017 года) [44], а также возрастающая тенденция по уходу крупных потребителей на собственную генерацию.
Надежное, выгодное с экономической точки зрения автономное электроснабжении необходимо также для возможности проведения исследований и обеспечения военного присутствия в районах Крайнего Севера [76].
3. Загрязнение окружающей среды
По данным Федеральной службы по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды (Росгидромет) доминирующую роль по вкладу в совокупный выброс парниковых газов среди секторов Межправительственной группы экспертов по изменению климата занимает энергетика. Ее вклад без учета землепользования, изменения землепользования и лесного хозяйства составляет 82,3 % за 2016 год [41].
Помимо представленных проблем необходимо также учитывать, что развитие электроэнергетики должно соответствовать магистральным направлениям, указанным в [83]. Одним из таких направлений является развитие «умных сетей» («Smart Grids»»), интеллектуальной распределенной энергетики, потребительских сервисов и «энергетического интернета» в рамках реализации «дорожной карты» «Энерджинет» Национальной технологической инициативы.
Одной из составляющих «умных сетей» должны стать микросети, так называемые «микрогрид». В основу «микрогрид» положен принцип оптимизации режимов работы, включая генерацию, распределение и потребление энергии, для достижения наибольшей эффективности.
Таким образом, перспективным комплексным решением всех вышеперечисленных проблем является разработка и внедрение изолированных систем электроснабжения с участием установок, использующих для генерации возобновляемые источники энергии (ВИЭ), функционирующих по принципу «микрогид».
Объектом исследования данной работы является изолированная система электроснабжения с источниками распределенной генерации, в том числе на основе возобновляемых источников энергии (ВИЭ).
Использование максимального энергетического потенциала такой системы возможно лишь после рассмотрения наиболее вероятных режимов ее работы и процессов функционирования.
В связи с этим, предметом исследования является функционирование системы по принципу «микрогрид» («Microgrid»).
Целью исследования является разработка имитационной модели изолированной системы электроснабжения, позволяющей проводить исследования энергетических процессов при функционировании системы по принципу «микрогрид».
Задачи исследования:
1. Анализ понятий и принципов интеллектуальных электрических сетей - «микрогрид» («Microgrid»), «виртуальной электростанции» («Virtual Power Plant»), «энергетического интернета» («Internet of Energy»). Описание возможности их использования для повышения эффективности изолированной системы электроснабжения.
2. Формирование объекта исследования - изолированной системы электроснабжения с источниками распределенной генерации.
3. Разработка имитационных моделей энергоустановок в составе изучаемой изолированной системы электроснабжения
4. Разработка и исследование имитационной модели изолированной системы электроснабжения, функционирующей по принципу «микрогрид»
5. Концепция создания программно-аппаратного комплекса изолированной
системы электроснабжения, функционирующего по принципу «микрогрид».
Ниже перечислены основные проблемы, отраженные в «Энергетической стратегии России на период до 2035 года» [83], и на решение которых направлена данная работа.
1. Отсутствие надежного электроснабжения на технологически изолированных территориях.
Единая энергетическая система России (ЕЭС России), включающая в свой состав 7 объединенных энергетических систем (Востока, Сибири, Урала, Средней
Волги, Юга, Центра и Северо-Запада), охватывает и обеспечивает надежным сетевым электроснабжением менее 50% территории России. [1]. Территориально изолированными энергосистемами являются: Чукотский автономный округ, Камчатский край, Сахалинская и Магаданская область, Норильско-Таймырский и Николаевский энергорайоны, энергосистемы центральной и северной частей Республики Саха (Якутия).
Территории, охваченные централизованным электроснабжением, и зоны автономного электроснабжения представлены на рисунке 1.
На удаленных от ЕЭС территориях по разным данным проживает от 2 до 20 млн. человек. Помимо этого данные территории являются чрезвычайно важными с экономической точки зрения, так как здесь сосредоточены основные запасы полезных ископаемых.
Присоединение данных районов к ЕЭС путем строительства линий электропередач (ЛЭП) в большинстве случаев является экономически нецелесообразным ввиду низкой удельной плотности электрических нагрузок, а также необходимостью обеспечения требуемого уровня напряжения в точках технологического присоединения отдельных потребителей.
2. Высокая стоимость электроэнергии на технологически изолированных территориях.
Стоимость электроэнергии в изолированных энергосистемах может достигать 15 - 150 руб/кВт-ч, а годовые субсидии из бюджета на компенсацию выпадающих расходов организаций составляют 60-65 млн. руб., так как в основном генерирование электроэнергии в этих районах осуществляется за счет сжигания привозного
дизельных электростанций (ДЭС), работающих в этих зонах составляет около 900 (в соответствии с рисунком 1) [2],[84].
«Северный завоз» вносит существенную транспортную составляющую, что, в конечном итоге, значительно повышает цену за кВт-ч.
При этом рассматриваемые расходы за счет перекрестного субсидирования затрагивают не только потребителей в изолированных районах, а также бюджеты регионов.
Усугубляет ситуацию необходимость содержания резервных мощностей, что приводит к снижению коэффициента использования установленной мощности электростанций (КИУМ) (50,38% по итогам 2017 года) [44], а также возрастающая тенденция по уходу крупных потребителей на собственную генерацию.
Надежное, выгодное с экономической точки зрения автономное электроснабжении необходимо также для возможности проведения исследований и обеспечения военного присутствия в районах Крайнего Севера [76].
3. Загрязнение окружающей среды
По данным Федеральной службы по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды (Росгидромет) доминирующую роль по вкладу в совокупный выброс парниковых газов среди секторов Межправительственной группы экспертов по изменению климата занимает энергетика. Ее вклад без учета землепользования, изменения землепользования и лесного хозяйства составляет 82,3 % за 2016 год [41].
Помимо представленных проблем необходимо также учитывать, что развитие электроэнергетики должно соответствовать магистральным направлениям, указанным в [83]. Одним из таких направлений является развитие «умных сетей» («Smart Grids»»), интеллектуальной распределенной энергетики, потребительских сервисов и «энергетического интернета» в рамках реализации «дорожной карты» «Энерджинет» Национальной технологической инициативы.
Одной из составляющих «умных сетей» должны стать микросети, так называемые «микрогрид». В основу «микрогрид» положен принцип оптимизации режимов работы, включая генерацию, распределение и потребление энергии, для достижения наибольшей эффективности.
Таким образом, перспективным комплексным решением всех вышеперечисленных проблем является разработка и внедрение изолированных систем электроснабжения с участием установок, использующих для генерации возобновляемые источники энергии (ВИЭ), функционирующих по принципу «микрогид».
Объектом исследования данной работы является изолированная система электроснабжения с источниками распределенной генерации, в том числе на основе возобновляемых источников энергии (ВИЭ).
Использование максимального энергетического потенциала такой системы возможно лишь после рассмотрения наиболее вероятных режимов ее работы и процессов функционирования.
В связи с этим, предметом исследования является функционирование системы по принципу «микрогрид» («Microgrid»).
Целью исследования является разработка имитационной модели изолированной системы электроснабжения, позволяющей проводить исследования энергетических процессов при функционировании системы по принципу «микрогрид».
Задачи исследования:
1. Анализ понятий и принципов интеллектуальных электрических сетей - «микрогрид» («Microgrid»), «виртуальной электростанции» («Virtual Power Plant»), «энергетического интернета» («Internet of Energy»). Описание возможности их использования для повышения эффективности изолированной системы электроснабжения.
2. Формирование объекта исследования - изолированной системы электроснабжения с источниками распределенной генерации.
3. Разработка имитационных моделей энергоустановок в составе изучаемой изолированной системы электроснабжения
4. Разработка и исследование имитационной модели изолированной системы электроснабжения, функционирующей по принципу «микрогрид»
5. Концепция создания программно-аппаратного комплекса изолированной
системы электроснабжения, функционирующего по принципу «микрогрид».
Результатом представленной работы являются научно-технические решения по разработке имитационного комплекса изолированной системы электроснабжения с источниками распределенной генерации, в том числе на основе ВИЭ. Комплекс включает в себя модели ВЭУ, ДЭС, ГПУ и АКБ.
Полученные благодаря моделям графики изменения энергетических параметров при различных значениях входных данных соответствуют теоретическим зависимостям, что указывает на корректность их работы и дает возможность использования имитационного комплекса для исследования режимов работы изолированной системы электроснабжения.
Результаты проведенного анализа возможных режимов работы рассматриваемой изолированной системы электроснабжения и сформулированные условия рациональности межсегментных перетоков электроэнергии в дальнейшем могут быть использованы при разработке алгоритмов системы управления.
Программно-аппаратный комплекс, разработанный по предложенной концепции, в дальнейшем может предоставить возможности:
- проводить исследования систем, функционирующих на принципах «интернет энергии», «виртуальная электростанция», «микрогрид» и др;
- апробировать алгоритмы системы управления, обеспечивающей эффективность использования каждой энергоустановки и всей системы в целом за счет взаимного энергообмена;
- проводить анализ и оценку технических и экономических показателей функционирования системы при использовании принципов «интернет энергии», «виртуальная электростанция», «микрогрид» и др.
Полученные благодаря моделям графики изменения энергетических параметров при различных значениях входных данных соответствуют теоретическим зависимостям, что указывает на корректность их работы и дает возможность использования имитационного комплекса для исследования режимов работы изолированной системы электроснабжения.
Результаты проведенного анализа возможных режимов работы рассматриваемой изолированной системы электроснабжения и сформулированные условия рациональности межсегментных перетоков электроэнергии в дальнейшем могут быть использованы при разработке алгоритмов системы управления.
Программно-аппаратный комплекс, разработанный по предложенной концепции, в дальнейшем может предоставить возможности:
- проводить исследования систем, функционирующих на принципах «интернет энергии», «виртуальная электростанция», «микрогрид» и др;
- апробировать алгоритмы системы управления, обеспечивающей эффективность использования каждой энергоустановки и всей системы в целом за счет взаимного энергообмена;
- проводить анализ и оценку технических и экономических показателей функционирования системы при использовании принципов «интернет энергии», «виртуальная электростанция», «микрогрид» и др.