Электростанции на примере саратовской областиarticle July 2018citations0reads561 author
 Скачать 0.58 Mb.
|
|
See discussions, stats, and author profiles for this publication at: https://www.researchgate.net/publication/339618135 ИСПОЛЬЗОВАНИЕ СИСТЕМНОГО ПОДХОДА ДЛЯ ВЫБОРА СТРУКТУРЫ ГИБРИДНОЙ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ НА ПРИМЕРЕ САРАТОВСКОЙ ОБЛАСТИ · July 2018 CITATIONS 0 READS 56 1 author: Maxim Timofeev Saratov State Technical University 4 PUBLICATIONS 0 CITATIONS SEE PROFILE All content following this page was uploaded by Maxim Timofeev on 02 March 2020. The user has requested enhancement of the downloaded file. 61 XXI century: Resumes of the Past and Challenges of the Present plus. 2018. V. 7. №4 (44) Information Science, Computing Devices and Controling USING A SYSTEM APPROACH TO SELECT A STRUCTURE… УДК 004.021 ИСПОЛЬЗОВАНИЕ СИСТЕМНОГО ПОДХОДА ДЛЯ ВЫБОРА СТРУКТУРЫ ГИБРИДНОЙ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ НА ПРИМЕРЕ САРАТОВСКОЙ ОБЛАСТИ © 2018 Тимофеев Максим Николаевич, инженер Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А. (410054, Россия, г. Саратов, ул. Политехническая, 77, e-mail: rendom@sstu.ru) Тимофеев Алексей Николаевич, магистрант Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А. (410054, Россия, г. Саратов, ул. Политехническая, 77, e-mail: bolchoicelovek@mail.ru) Аннотация. Проведено имитационное моделирование гибридной электростанции на примере Саратов- ской области. Цель определённая в статье применение системного подхода выбора оптимальной структуры энергетической системы, включающей в себя несколько источников возобновляемой энергии (ВЭ) и учи- тывающей логистические, экологические и энергетические факторы. Актуальность поставленной в статье задачи обусловлена тем, что имеющиеся методики расчёта электростанций, использующих один возоб- новляемый источник энергии не решают вопрос обеспечения непрерывного электроснабжения требуемого качества. Моделируется работа гибридной электростанции использующей в качестве источников энергии солнце и ветер. В сравнительных таблицах приведены климатические данные и результаты моделирова- ния. В результате разработана и предложена математическая модель позволяющая подобрать состав обору- дования гибридной электростанции с учётом энергетических затиший. Разработана система помогающая принимать решение о структуре электростанции, с учетом эколого-ресурсных, экономических критериев. Ключевые слова: гибридная электростанция, задача оптимизации, линейное программирование, ими- тационное моделирование, возобновляемая энергетика, ветрогенератор, солнечная панель, баланс мощно- стей, коэффициент себестоимости, климат, математическая модель. USING A SYSTEM APPROACH TO SELECT A STRUCTURE OF A HYBRID ELECTRIC POWER STATION ON THE EXAMPLE OF THE SARATOV REGION © 2018 Timofeev Maksim Nikolaevich, engineer Saratov State Technical University named after Y.A. Gagarin 410054, Russia, Saratov, Politechnicheskaya St., 77 , e-mail: rendom@sstu.ru ) Timofeev Alexey Nikolaevich, graduate student Saratov State Technical University named after Y.A. Gagarin ( 410054, Russia, Saratov, Politechnicheskaya St., 77 , e-mail: bolchoicelovek@mail.ru ) Abstract. The simulation of a hybrid power plant is Carried out on the example of the Saratov region. The purpose of the article is to apply a systematic approach to the selection of the optimal structure of the energy system, which includes several sources of renewable energy (re) and takes into account logistics, environmental and energy factors. The relevance of the problem posed in the article is due to the fact that the existing methods of calculation of power plants using a renewable energy source do not solve the problem of providing continuous power supply of the required quality. The work of a hybrid power plant using the sun and wind as energy sources is simulated. The comparative tables present climate data and simulation results. As a result, a mathematical model has been developed and proposed that allows to choose the equipment composition of a hybrid power plant taking into account energy lull. A system has been developed to help make a decision on the structure of the power plant, taking into account environmental-resource, economic criteria. Keywords: hybrid power plant, the problem of optimization, linear programming, simulation modeling, re- newable energy, wind turbine, solar panel, balance of power, the coefficient of cost, climate, mathematical model. Введение. На территории РФ наблюдается рост энергопотребления за счет увеличения обеспечен- ности населения энергопотребляющими устрой- ствами. В Саратовской области суммарная уста- новленная мощность электростанций составляет 6,6 ГВт. [1, 2]. Основные производители электро- энергии территориально находятся в центральной части региона, рядом с городами Саратов, Энгельс и Балаково. В южной части Саратовской области рас- положена первая очередь Орловгайской солнечной электростанции (СЭС) установленной мощностью 5 МВт. Несмотря на то, что в целом энергосистема (ЭС) региона является избыточной, регистрируют- ся отдельные районы, характеризуемые локальным энергодефицитом. Наиболее значительный дефицит наблюдается в Саратов – Энгельском энергорайоне, который покрывается за счёт избыточных генери- руемых мощностей Балаковского района переда- ваемых по ВЛ-500 кВ и ВЛ-220 кВ. Недостатком Саратовской ЭС является значительный физиче- ский износ электросетевого оборудования. Боль- шая часть, около 80% установленной мощности, электростанций введены в эксплуатацию с 1967 по 1993 годы. Необходима также модернизация и ре- Timofeev Maksim Nikolaevich, Timofeev Alexey Nikolaevich 62 XXI век: итоги прошлого и проблемы настоящего плюс. 2018. Т. 7. №4 (44) Информатика, вычислительная техника и управление ИСПОЛЬЗОВАНИЕ СИСТЕМНОГО ПОДХОДА… конструкция общесистемных средств управления, таких как АСКУЭ, РЗА, противоаварийная автома- тика. Основными задачами Программы перспектив- ного развития энергетики Саратовской области яв- ляется развитие распределительных электрических сетей [1]. Помимо модернизации существующих электро- станций имеется возможность использовать источ- ники возобновляемой энергии (ВЭ), в частности ветер и солнце, для обеспечения потребностей отда- ленных районов. Государственное стимулирование интереса к возобновляемым источникам энергии позволяет привлекать финансирование проектов электрификации удаленных объектов, подключение которых к энергосистеме трудноосуществимо. Са- ратовская область обладает значительным запасом возобновляемых ресурсов. Среднегодовая продол- жительность инсоляции составляет 2100-2400 часов [3]. Средняя продолжительность светового дня от 8 часов в декабре (34%) до 16 часов в июне (67%), с продолжительностью светлого времени суток от 252 до 489 ч/месяц. Среднегодовое значение скоро- сти ветра в Саратовской области составляет 5-6 м/с [4-6]. Используя в качестве источника солнце или ветер, необходимо учитывать и ряд недостатков, на- пример, короткий световой день в зимний период, а также неравномерную скорость ветра в течение суток. Для обеспечения автономного электроснаб- жения удаленного объекта применяется система, состоящая из следующих элементов: источник воз- обновляемой энергии (ВЭ), дизельный генератор, аккумулятор, инвертор [7]. При подключении к рас- пределительной электрической сети, система имеет упрощённый состав: источник ВЭ, аккумулятор, инвертор. Для обеспечения большей автономности ЭС возможно одновременное использование двух источников ВЭ в зависимости от местных погодных условий, [9, 10]. Использование гибридной электро- станции позволит уменьшить период энергетиче- ских затиший и увеличит количество вырабатывае- мой электроэнергии. При использовании подобного оборудования актуальным является обеспечение непрерывной подачи электроэнергии в распредели- тельную сеть требуемого качества [8]. Необходимо управлять созданной ЭС, прогнозировать энерге- тические затишья и потребность в электричестве. Соответственно, системный подход к разработке методологии принятия решений о выборе места размещения и структуры электростанции являются актуальными и востребованным при проектирова- нии новых ЭС. Таким образом, целью работы является исполь- зование системного подхода для выбора оптималь- ной структуры ЭС, включающей в себя несколько источников ВЭ и учитывающей логистические, экологические и энергетические факторы. В работе использовались методы расчёта, рекомендованные нормативными документами и существующими методиками [10-13]. Для оценки ветроэнергетиче- ского потенциала были использованы следующие данные: среднегодовая и среднемесячная скорость ветра, амплитуда суточного хода скорости ветра по кварталам, градуированная повторяемость скорости ветра по градациям, вертикальный профиль средней скорости ветра, плотность воздуха, интенсивность турбулентности ветрового потока. Для оценки сол- нечного потенциала использовались базы данных спутниковых наблюдений [14-16], результаты рас- чета дублировались в программе «PVsyst» с ис- пользованием базы «Meteonorm 7.2». Технические характеристики ветротурбин и солнечных панелей для моделирования были получены с баз данных официальных сайтов производителей. Материалы и результаты исследования. Было выполнено исследование территории Саратовской области для определения района, где возможно раз- мещение гибридной электростанции. Критериями выбора места расположения являются: - значительные ресурсы солнечной энергии; - малая изменчивость скорости ветра во времени; - малая продолжительность «энергетических» зати- ший; - развитая транспортная сеть; - возможность подключения к распределительной сети; - земельные участки, не используемые в сельском. Удовлетворяющим вышеуказанным требова- ниям в наибольшей мере являются Новоузенский и Александрово-Гайский районы. Данная область характеризуется отсутствием штилей, высоким ве- тровым потенциалом, низким количеством осадков, малоснежными зимами и сухим, засушливым, рез- ко-континентальным климатом. На более север- ных территориях количество безветренных дней в течение года составляет 5-10%. Рассмотрев эколо- го-ресурсные характеристики исследуемого регио- на, следует отметить, что существует транспортная, и энергосбытовая инфраструктура, при этом земли данного региона имеют сельскохозяйственное зна- чение только в условиях надлежащего орошения. В связи с разрушением оросительной системы с де- кабря 1996 года, Александров Гай имеет статус пу- стынной и безводной местности. Из 270 тыс. га под пашни задействовано 36,8 тыс. га. Из этого следует, что на территории района есть площади, которые могут быть отчуждены для строительства электро- станции, при условии соблюдения границ особо ох- раняемых природных территорий. На основании результатов наблюдений по сред- немесячной скорости ветра в заданное время по Гринвичу, была составлена математическая модель и построено графическое выражение полученных данных [17]. Так как в течение суток ветер дует не- равномерно, имеющиеся данные были систематизи- рованы и далее рассчитывалась вероятность задан- ной скорости ветра для ветротурбин фирмы Vestas V112-3MW и V100-1,8MW (таблица 1). Тимофеев Максим Николаевич, Тимофеев Алексей Николаевич 63 XXI century: Resumes of the Past and Challenges of the Present plus. 2018. V. 7. №4 (44) Information Science, Computing Devices and Controling USING A SYSTEM APPROACH TO SELECT A STRUCTURE… Таблица 1 – Выработка электроэнергии турбиной марки Vestas на высоте 100 м Производительность по месяцам ветротурбиной (кВт) Годовая тельность Марка ветротурбины I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII 1000,2 1130,4 11 19,2 1169,2 1080,4 972,2 922,2 1016,6 1099,8 1194,2 1002,8 955,8 12663 V112-3MW 815,3 885,7 873,9 907,5 852,1 785,8 752,2 813,5 863 924,3 808,5 787,6 10069,4 V100-1,8MW В результате обработки метеоданных длитель- ности светового дня, времени восхода и заката, есть возможность спрогнозировать продолжительность светового дня в будущем, а также оценить какое ко- личество энергии будет выработано в данный день или до необходимого момента времени. Имея дан- ные по продолжительности светового дня, частоте ясных дней, проценте облачности, была рассчитана теоретическая производительность солнечных ба- тарей по месяцам (таблица 2). Для определения рабочих режимов одновремен- ной работы двух источников ветровой и солнечной энергии, было произведено моделирование на осно- вании данных по восходам и закатам и среднемесяч- ной скорости ветра в заданное время по Гринвичу Таблица 2 – Моделирование выработки электроэнергии солнечными батареями I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII Год Производительность фотопанели (кВт/час) CS 6 K-2 752 8 5M 6,9337 13,5756 19,71 22,056 24,8 24,5 24,76 23,95 20,37088 14,449 7,8496 5,96017 17,44 SW 350 XL MONO 8,5786 16,7963 24,39 27,288 30,6 30,31 30,63 29,63 25,20366 17,877 9,71 19 7,37417 21,577 Средняя продолжительность дня (ч) 8,67 10,05 11,88 13,77 15,5 16,45 15,93 14,54 12,6 10,73 9,04 8,06 Производительность фотопанели день (кВт) CS 6 K-2 752 8 5M 60,1 15 136,435 234,2 303,71 383 403 394,4 348,2 256,673 155,04 70,961 48,039 SW 350 XL MONO 74,377 168,803 289,7 375,76 474 498,6 488 430,8 317,5662 191,82 87,796 59,4358 Timofeev Maksim Nikolaevich, Timofeev Alexey Nikolaevich 64 XXI век: итоги прошлого и проблемы настоящего плюс. 2018. Т. 7. №4 (44) Информатика, вычислительная техника и управление ИСПОЛЬЗОВАНИЕ СИСТЕМНОГО ПОДХОДА… По результатам работы составлена математи- ческая модель решаемая методами линейного про- граммирования (2): где: a л – производительность одной солнечной батареи, в день летнего солнцестояния, кВт/ч; b л – производительность одной ветроэнергетической установки, в день летнего солнцестояния, кВт/ч; c л – продолжительность летнего дня, ч; c вл – время работы ветроэнергетических установок в летний период, ч; d л – потребность в производстве электроэнергии в лет- ний период, кВт; a з – производительность одной солнечной батареи, в день зимнего солнцестояния, кВт/ч; b з – производительность одной ветроэнергетической установки, в день зимнего солнцестояния, кВт/ч; c з – продолжительность зимнего дня, ч; c вз – время работы ветроэнергетических установок, зимой, ч; d з – потребность в производстве электроэнергии в зимний период, кВт; p w – стоимость одной ветротурбины, тыс.руб.; p s – стоимость одной солнечной панели, тыс.руб.; e – время работы гибридной электростанции, ч; s – общая стоимость оборудования, заложенная в бюд- жете проекта, тыс.руб.; x – общая площадь установленных фотоэлементов, м²; y – количество установленных ветроэнергетических установок, ед. Решение системы неравенств позволяет опреде- лить какое количество ветротурбин и какое коли- чество солнечных батарей или солнечных коллек- торов необходимо установить для удовлетворения потребности в электроэнергии заданного объекта. По результатам проделанной работы создан ал- горитм выбора структуры гибридной электростан- ции, состоящий из следующих шагов (рисунок 1): 1. Сбор основных сведений о возобновляемых энергетических ресурсах области. 2. Формулирование технических требований, ограничений проекта, определение первоначально- го района расположения электростанции и первич- ного списка оборудования. т.е. формируется крите- рии 3. Выбор источника электроэнергии (последо- вательно ветер и солнце). 4. Сбор и ввод уточненных данных по метеоро- логической обстановке в целевом районе. 5. Оценка предполагаемого строительства для района с применением критерия соответствия ра- бочих режимов генерирующего оборудования P уст ветряной или солнечной ситуации. 6. Выбор нового состава оборудования при от- рицательном ответе. В случае несоответствия всех комплектов заявленным условиям, производится выбор другого источника электрической энергии. 7. Оценка производительности установленных генерирующих мощностей Р опт , при положительном результате происходит переход на следующий шаг. При меньшей производительности пересматривает- ся количество установленных мощностей. 8. Моделирование работы гибридной электро- станции в режиме реального времени. 9. Определение точного географического поло- жения с учётом техногенных и природных факторов и проведение экспедиции в местность размещения объекта. 10. Получение данных по нагрузке P(x) в тече- ние года, подбор необходимого оборудования и разработка графика работы электростанции. В слу- чае неполного удовлетворения потребности P(x) в электроэнергии, недостаток покрывается из феде- ральной сети, при полном покрытии проверяется соответствие существующего проекта заданным техническим требованиям. 11. Вычисление коэффициента рентабельности предприятия (КРП). При КРП≤1 необходимо при- нимать меры по снижению издержек, такие как использование других типов оборудования и др. В случае отсутствия возможности снизить издержки или несоответствия проекта техническому заданию, проект признается бесперспективным и закрывает- ся. 12. При КРП>1 и полном соответствии заявлен- ным техническим требованиям подготавливается проектно-конструкторская документация. Заключение. Согласно предложенному алго- ритму, разработана система, облегчающая принятие решения оптимизационной задачи по выбору струк- туры ЭС, включающей в себя один или несколько источников возобновляемой энергии, и подбор необходимых источников питания. На рисунке 1 приведен упрощенный выбор источников электри- ческой энергии. Возможны три варианта опреде- ления длительности светового дня: использование табличных значений, осуществление астрономиче- ских расчётов, статистическая обработка астроно- мических результатов и получение зависимости с целью построения прогнозной модели. Создана ма- тематическая модель, позволяющая выбрать состав оборудования гибридной электростанции с учётом стоимости оборудования и времени работы электро- станции. Рассчитана выработка электроэнергии для ветротурбин, солнечных коллекторов и солнечных панелей, что позволит решить задачу выбора струк- туры с учётом имеющегося бюджета. Методология и полученные математические модели используют- ся в разработке программного обеспечения Тимофеев Максим Николаевич, Тимофеев Алексей Николаевич 65 XXI century: Resumes of the Past and Challenges of the Present plus. 2018. V. 7. №4 (44) Information Science, Computing Devices and Controling USING A SYSTEM APPROACH TO SELECT A STRUCTURE… Рисунок 1 – Система принятия решений, выбора структуры ЭС с использованием источников ВЭ Timofeev Maksim Nikolaevich, Timofeev Alexey Nikolaevich 66 XXI век: итоги прошлого и проблемы настоящего плюс. 2018. Т. 7. №4 (44) Информатика, вычислительная техника и управление ИСПОЛЬЗОВАНИЕ СИСТЕМНОГО ПОДХОДА… СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ: 1. Постановление Губернатора Саратовской обла- сти от 25 апреля 2018 г. N 200 «О схеме и программе перспективного развития электроэнергетики Сара- товской области на 2019-2023 годы» [Электронный ресурс] / Новости Саратовской губернии – Электрон. текстовые дан. – Саратов.: 2018. – http://g-64.ru/ openoff.php?id=260420183701. 2. Постановление Правительства Саратовской области от 29 декабря 2014 г. N 725-П «О схеме и программе перспективного развития электроэнер- гетики Саратовской области на 2015-2019 годы»// Собрании законодательства Саратовской области. – 2014. – № 59, – С. 13710 –13747. 3. Атласы ветрового и солнечного климатов Рос- сии / Федер.служба России по гидрометеорологии и мониторингу окруж. среды (Санкт-Петербург) ; Под ред. М.М.Борисенко, В.В.Стадник. – СПб.: Б/И, 1997. – 173 с. 4. Научно-прикладной справочник по кли- мату СССР. Серия 3. Многолетние данные. Части 1-6. Выпуск 12. Татарская АССР, Ульяновская, Куй- бышевская, Пензенская, Оренбургская, Саратовская области. / Поволжское территориальное управление по гидрометеорологии. – Л.: Гидрометеоиздат. 1988 – 647 с. 5. Старков А. Н. Атлас ветров России / А. Н. Старков, П. П. Безруких, М. М. Борисенко // М.: «Можайск-Терра», 2000 – 560 с. 6. Бобров Г.П., Волков С.А. Климат // Эколо- го-ресурсный атлас Саратовской области. Саратов, 1996, – 20 С. 7. Лукутин, Борис Владимирович. Системы электроснабжения с ветровыми и солнечными элек- тростанциями: учебное пособие / Б. В. Лукутин, И. О. Муравлев, И. А. Плотников; Национальный исследовательский Томский политехнический уни- верситет (ТПУ). – Томск: Изд-во ТПУ, 2015. – 119 с. 8. ГОСТ 32144-2013 “Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромаг- нитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения”. – М.: Стандартинформ, 2014. 9. Papaefthymiou, Stefanos V et al. “A Wind- Hydro-Pumped Storage Station Leading to High RES Penetration in the Autonomous Island System of Ikaria.” IEEE Transactions on Sustainable Energy 1 (2010): 163–172. 10. Beykverdi, M.; Jalilvand, A.; Ehsan, M. Cooperative Energy Management of Hybrid DC Renewable Grid Using Decentralized Control Strategies. Energies 2016, 9, 859. 11. ГОСТ 32144-2013 “Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромаг- нитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения”. – М.: Стандартинформ, 2014. 12. СТО 70238424.27.100.059-2009 “Ветроэлек- тростанции (ВЭС). Условия создания. Нормы и тре- бования”. – М.: НП «ИНВЭЛ», 2009. 13. Руководящий документ. Методические ука- зания. Проведение изыскательских работ по оцен- ке ветроэнергетических ресурсов для обоснова- ния схем размещения и проектирования ВЭУ. РД 52.04.275-89. – М.:Гидрометеоиздат. – 1991. 14. Gunasekaran, M.; Mohamed Ismail, H.; Chokkalingam, B.; Mihet-Popa, L.; Padmanaban, S. Energy Management Strategy for Rural Communities’ DC Micro Grid Power System Structure with Maximum Penetration of Renewable Energy Sources. Appl. Sci. 2018, 8, 585. 15. Дмитриенко, Виталий Николаевич. Мето- дика оценки энергии солнечного излучения для фотоэлектростанции [Электронный ресурс] / В. Н. Дмитриенко, Б. В. Лукутин // Известия Том- ского политехнического университета [Известия ТПУ]. Инжиниринг георесурсов / Национальный исследовательский Томский политехнический университет (ТПУ). – 2017. – Т. 328, № 5. – С. 49–55. – Заглавие с титульного листа. – Свобод- ный доступ из сети Интернет.. – ISSN 2413-1830 Режим доступа: http://earchive.tpu.ru/ bitstream/11683/39050/1/bulletin_tpu-2017- v328-i5-05.pdf 16. Atmospheric Science Data Center / NASA, – Электрон. текстовые дан. – Washington, DC.:2015. – https://eosweb.larc.nasa.gov/sse. 17. SolarGIS [Электронный ресурс] / GeoModel Solar, – Электрон. текстовые дан. – Братислава. 2015. – http://solargis.info. 18. ГИС «Возобноляемые источники энергии России» [Электронный ресурс] / Объединенный ин- ститут высоких температур РАН, – Электрон. тек- стовые дан. – М.:2015. – Режим доступа: http://gisre. ru. 19. Тимофеев М.Н. Построение модели природ- ной среды для проектирования электроэнергетиче- ских систем с возобновляемыми источниками элек- троэнергии // ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЕ КОМ- ПЛЕКСЫ И СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ. – 2015. – №. 4. – С. 29–33. 20. Тимофеев М.Н. Обоснование выбора систем с возобновляемыми источниками электроэнергии на базе моделирования природного энергетического потенциала / М.Н. Тимофеев, Ю.Б. Томашевский // Вопросы электротехнологии, 2016. № 1. С.96–101. Статья поступила в редакцию 26.08.2018 Статья принята к публикации 26.11.2018 Тимофеев Максим Николаевич, Тимофеев Алексей Николаевич View publication stats View publication stats |