Введение 4
Глава 1. Анализ комбинированных систем электроснабжения с использованием возобновляемых источников энергии 6
1.1 Анализ схем построения гибридных электростанций 6
1.2 Анализ проблемы оптимизации выбора обрудования 10
Выводы по главе 1 11
Глава 2. Разработка модели гибридной системы электроснабжения с использованием возобновляемых источников энергии 13
2.1 Обоснование и описание основных параметров модели 13
2.2 Модели компонентов 15
2.2.1 Модель источников энергии 15
2.2.2 Модель полезной нагрузки 19
2.2.3 Модель балластной нагрузки 21
2.2.4 Модель блоков аккумуляторных батарей 22
2.2.5 Обработка метеорологических сведений 27
2.2.6 Апробация разработанной модели 38
Выводы по главе 2 41
Глава 3. Разработка и реализация алгоритма оптимизации выбора оборудования 42
3.1 Общее описание алгоритма 42
3.2 Ввод исходных данных 44
3.3 Расчет генерации ВИЭ 47
3.4 Расчет удельных затрат 49
3.5 Формирование целевой функции 50
3.6 Определение количества аккумулируемой энергии 53
3.7 Структурирование и вывод результатов 55
Выводы по главе 3 56
Глава 4. Выбор оборудования гибридной системы электроснабжения для конкретного заданного объекта 57
Выводы по главе 4 61
Глава 5. Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и ресурсосбережение 62
5.1 Изучение конкурирующих продуктов 62
5.2 Структура работ в рамках проведения научного исследования 63
5.1 Составление сметы затрат на проведение научного исследования 69
5.2 Оценка важности рисков 72
Выводы по главе 5 73
Заключение 74
Список использованной литературы 76
РЕФЕРАТ
Выпускная квалификационная работа 86 с., 63 рис., 9 табл.,
20 источников, 3 прил.
Ключевые слова: моделирование автономных систем электроснабжения, электроснабжение децентрализованных потребителей, буферные накопители энергии, возобновляемые источники энергии, алгоритм оптимизации выбора оборудования.
Объектом исследования является (ются) децентрализованные потребители.
Цель работы - повышение эффективности использования ресурса дезель-генераторов и, как, следствие снижение топливных затрат.
В процессе исследования проводились разработка и реализация модели системы электроснабжения с использованием возобновляемых источников энергии; разработка и реализация алгоритма оптимизации выбора оборудования.
В результате исследования был разработан инструмент моделирования систем
электроснабжения децентрализованных потребителей.
Основные конструктивные, технологические и технико-эксплуатационные характеристики: моделирование системы электроснабжения выполнено с использованием шины постоянного тока как узла сопряжения элементов схемы; для упрощения конструкции модели, используется только постоянный ток; алгоритм оптимизации выбора оборудования основан на минимизации целевой функции затрат, критерием оптимальности является минимум затрат на установку и эксплуатацию оборудования.
Степень внедрения: проектные институты.
Область применения: децентрализованные потребители, находящиеся в любом регионе России.
Экономическая эффективность/значимость работы: данная работа имеет высокую значимость теоретического и практического уровня.
В будущем планируется усовершенствование модели и программы оптимизации.
2
Введение
Помимо электроэнергетики в классическом понимании, существует так называемая малая энергетика - автономные маломощные электростанции. По данным Минэнерго России из 50 тыс. электростанций, находящихся на территории РФ 49 тыс. относятся к малым. Их суммарная установленная мощность равна 17 ГВт, а годовая выработка электроэнергии составляет 50 млрд. кВтч. [1]. Основным генерирующим агрегатом является дизель-генератор (ДГ). Такой способ производства электроэнергии применяется в удаленных районах, где отсутствует возможность подключения потребителей к магистральной системе электроснабжения (СЭС). Как правило, мощность удаленных потребителей невелика и достигает порядка 100 кВт.
Разумеется, подобные автономные системы имеют свои достоинства и недостатки. К достоинствам, пожалуй, можно отнести только мобильность таких электростанций и автономность, а недостатков выявлено гораздо больше. Это необходимость регулярного обслуживания, дороговизна самого топлива и его доставки, сравнительно небольшой срок службы при непрерывной работе, вредные выбросы в окружающую среду. Несмотря на все эти негативные стороны, дизельные установки все же очень часто применяются, так как полноценной менее затратной альтернативы пока еще не существует.
Если невозможно полностью отказаться от использования ДГ в удаленных районах, стоит попытаться повысить эффективность использования ресурса этих агрегатов. Одним из наиболее перспективных путей для достижения этой цели является использование дизельной установки в совокупности с возобновляемыми источниками энергии (ВИЭ). К основным их типам относятся: энергия солнца, ветра, геотермальная, малая гидроэнергетика и энергия биомасс. К рассмотрению принимаются только первые два типа, так как геотермальная и малая гидроэнергетика могут быть использованы только в специфических местах, а энергия биомасс сравнительно малоэффективна.
ФЭУ и ВЭУ напрямую зависят от погодных условий в месте их установки и выработка мощностей этими устройствами весьма хаотична. При таких
4
обстоятельствах исключительное использование альтернативных источников крайне затруднительно, а рассчитать покрываемую возобновляемой энергией часть нагрузки можно приблизительно и только с использованием каких-либо итерационных алгоритмов. В связи с этим возникает проблема составления соотношения мощностей генерирующего оборудования.
Большинство, находящихся в эксплуатации и предлагаемых на рынке автономных энергетических систем, использующих ВИЭ, являются технически законченными изделиями, адаптированными под строго определенный тип энергетического оборудования, не допускающие возможности расширения их функционала и наращивания мощностей за счет подключения новых генерирующих источников. Такая ситуация обусловлена главным образом тем обстоятельством, что параметры генерируемой электроэнергии установками возобновляемой энергетики существенно различаются по основным техническим показателям, таким как род тока, частота и величина выходного напряжения.
Отсутствие на рынке возобновляемой энергетики универсальных технических устройств, обеспечивающих возможность объединения в рамках единой энергетической системы разнотипных энергетических установок с возможностью эффективного управления режимами их работы, является негативным фактором развития малой энергетики России и в то же время актуальной научной и технической задачей для практического решения [2].
Целью данной работы является повысить эффективность использования ресурса дизель-генераторов и, как следствие, снизить топливные затраты на эксплуатацию автономных маломощных электростанций, задействуя возможности возобновляемой энергетики.
Для достижения цели ставятся две задачи:
• Разработать модель гибридной СЭС с использованием ВИЭ;
• Разработать и реализовать алгоритм оптимизации выбора оборудования.
В данной работе была разработана модель гибридной системы электроснабжения с использованием возобновляемых источников энергии, таких как солнце и ветер.
Из всех рассмотренных схем СЭС за основу была принята схема с использованием ШПТ. В этом случае не требуется согласование режимов работы ВИЭ между собой - возможен выбор обособленных систем автоматического управления для каждой генерирующей установки. Данная система легко масштабируема: допускается изменение количества и номиналов тех или иных устройств без особого влияния на основную конструкцию схемы.
С помощью разработанной модели становится возможным наблюдение за поведением каждого из элементов схемы, во время ее работы. На ШПТ сопрягаются три вида источников энергии, две нагрузки (полезная и балластная) и пара блоков аккумуляторных батарей. Расчет модели проводился с использованием только постоянного тока и при этом не был нарушен основной физический закон - баланс мощности. Такое допущение позволило не вводить в модель громоздкие преобразователи, что свело время моделирования к минимуму.
В качестве входных параметров могут выступать любые значения: как произвольные, так и расчетные, с возможностью быстрой замены.
При моделировании ВИЭ были использованы реальные метеорологические данные, описан процесс их обработки и применения к модели.
Модель была апробирована с использованием произвольных входных параметров. Результаты теста показывают, что она работает корректно и готова к применению.
74
Также был разработан и реализован алгоритм оптимизации выбора оборудования для системы электроснабжения децентрализованного потребителя. В качестве критерия оптимизации был принят минимум затрат целевой функции. Программа позволяет определить необходимый и достаточный набор оборудования для бесперебойного обеспечения потребителей энергией, при этом выбранная конфигурация сопровождается минимумом затрат на ее установку.
Входными параметрами в программу являются реальные метеорологические данные о солнечной инсоляции на горизонтальную поверхность и скорости ветра в заданном регионе, а также паспортные данные эталонного оборудования, которое подлежит легкому масштабированию.
Выходными параметрами из программы являются количество тех или иных эталонных единиц оборудования, рекомендуемых к установке в каждый из месяцев, а также сопутствующие затраты на все предложенные варианты.
Любой из полученных вариантов конфигурации сети подлежит проверке моделированием для подтверждения стабильной работы системы с такими параметрами.
В качестве примера были представлены результаты использования разработанной программы оптимизации выбора оборудования и спрогнозированы процессы, протекающие при работе гибридной автономной электростанции с заданными параметрами. Определены рекомендованные параметры конфигурации автономной СЭС децентрализованного потребителя в Приморском крае.
Помощь студентам и аспирантам в выполнении работ от наших партнеров
