Автономные системы электроснабжения на основе энергоэффективных ветро-дизельных электростанций тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.14.02, кандидат технических наук Хошнау Зана Пешанг Халил

• Хошнау Зана Пешанг Халил
• кандидат технических наук
• 2012

Оглавление диссертации кандидат технических наук Хошнау Зана Пешанг Халил

ВВЕДЕНИЕ.

1. ПЕРСПЕКТИВЫ ВЕТРО-ДИЗЕЛЬНЫХ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ В АВТОНОМНЫХ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ.

1.1. Проблемы автономных электроэнергетических систем.

1.2. Повышение энергоэффективности дизельных систем электроснабжения с помощью возобновляемой энергетики.

1.3. Варианты построения ветро-дизельных электростанций.

1.4. Выводы.

2. МОДЕЛИРОВАНИЕ СТАТИЧЕСКИХ РЕЖИМОВ РАБОТЫ ЭЛЕМЕНТОВ АВТОНОМНОЙ ВЕТРО-ДИЗЕЛЬНОЙ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ.

2.1. Моделирование электрических нагрузок.

2.2. Моделирование энергетических характеристик ветра.

2.3. Моделирование статических режимов работы ветроэлектростанции.

2.4. Моделирование накопителей электроэнергии.

2.5. Моделирование процессов энергопреобразования в дизельной электростанции

2.6. Выводы.

3. РАЗРАБОТКА РЕКОМЕНДАЦИЙ ПО ПОСТРОЕНИЮ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНЫХ ВЕТРО-ДИЗЕЛЬНЫХ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СИСТЕМ.

3.1. Обоснование целесообразности применения ветро-дизельных электроэнергетических систем для электроснабжения автономного потребителя.

3.2. Алгоритм рационального формирования режимов энергопреобразования в ветро-дизельной электроэнергетической системе.

3.3. Повышение энергетической эффективности гибридной системы электроснабжения с применением регулируемой балластной нагрузки.

3.4 Выводы.

4. ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ГИБРИДНЫХ ВЕТРО-ДИЗЕЛЬНЫХ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СИСТЕМ.

4.1. Методика оценки эффективности инвестиционных проектов ветро-дизельных электростанций.

4.2. Оптимизация технико-экономических характеристик автономной ветро-дизельной системы электроснабжения.

4.3 Моделирование гибридной системы электроснабжения с целью рационального выбора состава оборудования и режимов его работы.

4.4 Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Автономные системы электроснабжения на основе энергоэффективных ветро-дизельных электростанций»

Актуальность. Более 20 млн. россиян, на сегодняшний день, проживая в удаленных от центра России регионах, не входящих в зону обслуживания российской централизованной энергетики, испытывают острый недостаток в электрической энергии. Основными проблемами энергоснабжения таких, изолированных от энергосистем, потребителей являются дальний транспорт топлива для локальных дизельных электростанций (ДЭС) и зависимость от его поставок. В наиболее труднодоступных районах эти проблемы усугубляются многозвенной транспортной схемой и ограниченностью сроков сезонного завоза. Одним из перспективных направлений развития автономного энергоснабжения, позволяющих в значительной степени решить проблемы ДЭС, является возобновляемая энергетика, в частности ветроэнергетика. Большая часть энергоисточников малой мощности расположена в северовосточных регионах России, что объясняется экономико-географическими характеристиками этой зоны, слабой освоенностью и преимущественно ресурсной специализацией. Более 30% всех дизельных электростанций (ДЭС) России расположено в северных районах Дальнего Востока, в которых доля ДЭС в суммарной выработке электроэнергии достигает 1215% в отличие от других регионов, где этот показатель в основном не превышает 1%.

Источники малой мощности, используемые для автономного энергоснабжения, имеют, как правило, низкие технико-экономические показатели - удельные расходы топлива составляют 500-600 г у.т./кВт ч и 300-350 кг у.т./Гкал. Дизельные электростанции и котельные зачастую находятся в неудовлетворительном состоянии. Моторесурс практически исчерпан: износ агрегатов достигает 80-90%.

Рост цен на дизельное топливо способствует повышению стоимости электроэнергии вырабатываемой дизельными электростанциями. Многие регионы Сибири, Дальнего Востока и Крайнего Севера характеризуются высоким ветровым потенциалом, поэтому важным направлением в развитии децентрализованного энергоснабжения является применение ветроэлектрических станций (ВЭС) в составе автономных электросистем.

Применение возобновляемых источников энергии в составе автономных энергетических систем позволяет снизить топливную составляющую в себестоимости вырабатываемой электроэнергии, что существенно повышает их технико-экономическую эффективность. В настоящее время в мире применяются различные варианты построения гибридных электростанций на базе ВЭС, однако оптимальная структура системы не определена. Производительность комбинированных энергосистем во многом зависит от энергетических и рабочих характеристик входящих в неё установок и их режимов работы. Важной задачей является согласование режимов работы компонентов входящих в состав ветро-дизельных электростанций.

Научным исследованиям в области электроснабжения автономных потребителей на базе ВДЭС за последние 10 лет посвящен ряд научно-исследовательских работ российских ученых: П.П. Безруких, В.Г.Николаев, М.А. Сурков, В.Р. Киушкина, A.A. Аверин, A.B. Бобров, В.В. Вессарт, A.B. Чебодаев, А.Н. Дорошин, Н.М. Парников, Р.В. Пугачев, и зарубежных авторов: Tomilson Andrew, Memorial University of Newfoundland; Jeffries William Q. Ph.D. University of Massachusetts Amherst; Akarin Suwannarat, Institute of Energy Technology, Aalborg University, Denmark. В работах рассматриваются вопросы: математического моделирования рабочих режимов автономных электроэнергетических систем, алгоритмов работы ВДЭС, оценка экономической эффективности системы, однако существует ряд проблем в данной области, которые до конца не изучены.

Объект исследования. Автономные ветро-дизельные электроэнергетические системы (ВДЭС).

Предмет исследования. Энергетические процессы в автономной ветро-дизельной электроэнергетической системе, способы их управления и регулирования.

Цель работы. Повышение энергоэффективности автономных ветро-дизельных электроэнергетических систем путем рационального выбора основного генерирующего оборудования и оптимизации его рабочих режимов.

Для достижения поставленной цели в диссертационной работе определены и решены следующие задачи исследования:

- проведен сравнительный анализ вариантов построения ветро-дизельных электростанций, определена наиболее перспективная схема построения ВДЭС для автономного электроснабжения;

- проведен анализ существующих методов расчета мощности, вырабатываемой ВЭС, предложена методика, позволяющая более точно рассчитать вырабатываемую ветроэлектростанцией электроэнергию;

- проведен анализ методик по расчету электрических нагрузок в изолированных электроэнергетических системах, построению графиков электрических нагрузок автономного потребителя, разработана универсальная методика расчета нагрузки потребления;

- построен алгоритм эффективного управления рабочими режимами ВДЭС, обеспечивающий максимальное использование ветрового потенциала, что позволяет снизить расход топлива и повысить эксплуатационный ресурс оборудования;

- разработана методика оценки экономической эффективности автономных ветро-дизельных электростанций, позволяющая производить рациональный выбор основного генерирующего оборудования и режимов его работы.

Методы исследования. При выполнении диссертационной работы использовались: методы анализа и обобщения данных, приведенные в научно-технической литературе, вероятностно-статистические методы анализа данных; методы математического моделирования, имитационного моделирования, экспериментальные исследования.

Научная новизна работы. В результате выполнения исследований получены следующие новые научные результаты:

- предложены рациональные варианты структуры автономной системы электроснабжения на базе ВДЭС, в том числе с управляемой балластной нагрузкой, позволяющей оптимизировать режимы работы основного энергетического оборудования;

- разработана математическая модель ветро-дизельной электроэнергетической системы, учитывающая реальные изменения мощности нагрузки, соотношение установленных мощностей ветровой и дизельной составляющей генерирующего оборудования, действительные ветровые условия района электроснабжения;

- построены энергоэффективные алгоритмы управления режимами силовых энергетических установок ВДЭС.

Практическая ценность работы:

- предложены универсальные методики расчета нагрузки потребления и ветроэнергетического потенциала для краткосрочного и долгосрочного планирования режимов работы ВДЭС;

- разработана методика выбора основного энергетического оборудования автономной ветро-дизельной электроэнергетической системы и оценки ее экономической эффективности;

- разработаны рекомендации по повышению энергоэффективности автономных электроэнергетических систем путем выбора рационального состава ВДЭС и режимов работы энергетического оборудования;

- создан программный пакет для исследования и формирования статических режимов ВДЭС и анализа энергетических балансов автономной энергосистемы.

Достоверность результатов диссертационной работы. Полученные в ходе диссертационной работы научные результаты базируются на всестороннем анализе выполненных ранее научно-исследовательских работ в данной области исследования. В ходе работы использовались аналитические и экспериментальные методы проверки достоверности результатов.

Реализация результатов работы. Полученные в диссертационной работе решения использованы в отчетах по ГК ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технического комплекса России на 2007 - 2013 годы» по направлению «Проведение проблемно-ориентированных поисковых исследований в области создания эффективных накопителей электрической энергии для нужд централизованной и автономной энергетики». Результаты выполненной работы использованы в учебном процессе на кафедре Электроснабжения промышленных предприятий Энергетического института Томского политехнического университета для студентов специальности «Возобновляемые источники энергии» при разработке методических рекомендаций для выполнения практических занятий и курсовых работ.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на Всероссийской научно-практической конференции "Электроэнергия от получения и распределения до эффективного использования", г.Томск, 2010 г., на Международной научно-технической конференции "IV чтения Ш. Шокина", г. Павлодар, 2010г.

Публикации. Основные положения и результаты выполненных исследований отражены в 6 публикациях, из них 3 по перечню ВАК.

Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, содержащих 144 страниц основного текста, 9 таблиц, 49 рисунка и список литературы из 72 наименований.

Заключение диссертации по теме «Электростанции и электроэнергетические системы», Хошнау Зана Пешанг Халил

Основные результаты проведенных в диссертационной работе исследований, направленных на повышение энергоэффективности автономных ветро-дизельных электроэнергетических систем заключаются в следующем:

1. Проведен анализ децентрализованной энергетики России, основу которой составляют дизельные электростанции. Выявлены негативные факторы, влияющие на надежность автономного электроснабжения потребителей, определяющие низкие технические показатели и экономические характеристики ДЭС. Определены основные направления повышения эффективности автономных электростанций с помощью возобновляемой энергетики.

2. Проанализированы варианты построения гибридных систем электроснабжения на базе ВДЭС, определена перспективная структурная схема построения ветро-дизельной электроэнергетической системы для автономного электроснабжения.

3. Проведен анализ методов определения основных энергетических параметров систем автономного электроснабжения с использованием ВЭС: ветроэнергетического потенциала и нагрузки потребления, определяющих выбор основных компонентов изолированной энергетической системы. Разработаны математические модели и предложена методика определения вырабатываемой энергии ВДЭС с учетом реальных характеристик ветро-дизельной установки, и универсальная методика определения нагрузки электропотребления.

4. Разработаны эффективные алгоритмы управления режимами работы ветро-дизельных электроэнергетических систем для автономного электроснабжения, позволяющие: максимально использовать потенциал ветра; обеспечить наиболее экономичный режим работы ДЭС; повысить эксплуатационный ресурс оборудования.

5. Предложена автоматизированная методика выбора компонентов ветро-дизельной электроэнергетической системы для децентрализованного электроснабжения, расчета основных показателей экономической эффективности применения ВДЭС.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Хошнау Зана Пешанг Халил, 2012 год

1. AWS True Wind карты ветров мира. Электронный ресурс. - Режим доступа: http://www.awstruepower.com/wind-maps.cfm

2. Development of a Wind Turbine Simulator for Wind Generator Testing B. Neammanee et al. / International Energy Journal 8 (2007) 21-28

3. Erich Hau. Wind Turbines Fundamentals, Technologies, Application, Economics. 2nd edition // Springer Verlag Berlin Heidelberg. 2006, -783 pag.

4. HOMER energy Электронный ресурс. Режим доступа: http://www.homerenergy.com/

5. Jukka V. Paatero and Peter D. Lund. 2006. A model for generating household electricity load profiles. International Journal of Energy Research, volume 30, number 5, pages 273290. © 2005 John Wiley & Sons

6. J.F.Manwell, J.G.McGowan, A.L.Rogers. Wind Energy Explained: Theory, Design and Application // Publisher. John Wiley & Sons, Ltd. 2002, 590 pag. ISBN: 0-471-49972-2

7. RETScreen International. Электронный ресурс. Режим доступа: http:// www.retscreen.net

8. Sathyajith Mathew. Wind Energy: Fundamentals, Resource Analysis and Economics // Springer. 2006, 246 pag. ISBN: 3540309055

9. Wind Energy: Fundamentals, Resource Analysis and Economics by Sathyajith Mathew Электронный ресурс. Режим доступа: http://ebookee.org/Wind-Energy-Fundamentals-Resource-Analysis-and-Economics-by-Sathyajith-Mathew277936.html#rfBrsqRs20zlx7bI.99

10. WindData карты ветров мира. Электронный ресурс. - Режим доступа: http://www.winddata.com/

11. Альтернативные источники энергии: типы, их плюсы и минусы/ Интернет сообщество электриков Электронный ресурс. Режим доступа: http://electricpeople.net

12. Безруких П.П. Использование энергии ветра. Техника, экономика, экология. М.: Колос, 2008. - 196 с.

13. Будзко И.А. и др. Электроснабжение сельского хозяйства / И.А.Будзко, Т.Б.Лещинская, В.И.Сукманов. -М.: Колос, 2000 536с.

14. Возобновляемые источники энергии: учебник / С.Н. Удалов -Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2009. 432с.

15. Возобновляемая энергия в России. От возможности к реальности. // О ОЭСР/МЭА, 2004, 120 с

16. ГОСТ 13822-82 Электроагрегаты и передвижные электростанции, дизельные. Общие технические условия

17. ГОСТ 20439-87 Электроагрегаты и передвижные электростанции с двигателями внутреннего сгорания. // Требования к надежности и методы контроля

18. ГОСТ 23377-84 Электроагрегаты и передвижные электростанции с двигателями внутреннего сгорания. Общие технические требования

19. ГОСТ 13109-97 Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения.

20. ГОСТ Р 51990-2002 Установки ветроэнергетические. Классификация.

21. ГОСТ Р 51991-2002 Установки ветроэнергетические. Общие технические требования.

22. Данченко A.M. и др. Кадастр возможностей / Под ред. Б.В.Лукутина Томск: Изд-во НТП, 2002. -280 е. ил.

23. Дизель-аккумуляторная система автономного электроснабжения: материалы сайта компании " Ваш Солнечный Дом" Электронный ресурс. Режим доступа: http://www.solarhome.ru/

24. Иллюстрированный справочник по возобновляемой энергетике. Интерсоларцентр. Электронная версия. Электронный ресурс. -Режим доступа: http//www.intersolar.ru

25. Лукутин Б.В., Парников Н.М. Энергоэффективность автономных ветродизельных комплексов //Электрика, 2007. т. - № 9. - С. 19-23

26. Лукутин Б.В., Обухов С.Г., Шутов Е.А., Парников Н.М. Оптимизация числа и мощности дизель генераторов автономной дизельной электростанции // Промышленная энергетика, 2009, -№11. -с.27-32.

27. Лукутин Б.В., Обухов С.Г., Климова Г.Н., Шутов Е.А., Парников Н.М. Исследование работы инверторной дизельной электростанции на частичных характеристиках дизеля//Электричество, 2009,-№ 12 С.41-44

28. Лукутин Б.В., Климова Г.Н., Обухов С.Г., Шутов Е.А. Исследование закономерностей формирования графиков электрических нагрузок децентрализованных потребителей Республики Саха (Якутия) // Электрические станции, 2008. № 9. - с. 53-58

29. Лукутин Б.В., Киушкина В.Р. Ветроэлектростанции в автономной энергетике Якутии: Монография Электронный ресурс. Режим доступа: http://window.edu.ru/resource/258/75258

30. Лукутин Б.В., Обухов С.Г., Шутов Е.А., Хошнау З.П. Применение накопителей энергии для повышения энергоэффективности ветродизельных электростанций// Электричество, Июнь 2012. №6

31. Леонтьев Г. Малая энергетика в разных ракурсах // Мировая Энергетика, Июнь 2009. №6 (http://www.worldenergy.ru/doc20 61 3194.html)

32. Методические рекомендации по оценке эффективности инвестиционных проектов. Вторая редакция, исправленная и дополненная. Утв. Минэкономики РФ, Минфином РФ и Госстроем РФ от 21 июня 1999 г. № ВК 477

33. Монин A.C. Гидродинамическая теория краткосрочных прогнозов погоды // УФН, 1968. Т. 96. С. 327-367

34. Министерство промышленности и энергетики российской федерации. Приказ от 4 октября 2005 года N 268. «Об организации в141

35. Николаев В.Г. Ресурсное и технико-экономическое обоснование широкомасштабного развития ветроэнергетики в России. М.: АВТОМОГРАФ. 2011. 504с.

36. Нормативы для определения расчетных электрических нагрузок зданий (квартир), коттеджей, микрорайонов (кварталов), застройки и элементов городской распределительной сети. Утверждены Приказом Минтопэнерго России от «29» июня 1999г. № 213

37. Парников Н.М., Воротницкий В.Э., Заслонов C.B., Калинкина М.А. Методы расчета потерь электроэнергии в электрических сетях 0,38 кВ // "Вестник ВНИИЭ-2003", М.-"Издательство НЦ ЭНАС", 2003, с.73-78

38. Прикладная программа анализа атласа ветра (WAsP). RISO. Дания. 1993.

39. Применение ветроэнергетических установок для горячего водоснабжения и отопления Кудрин Б.И., Грозных В.А. Россия, г. Москва, МЭИ (ТУ)

40. Правила технической эксплуатации дизельных электростанций (ПТЭД)

41. Российский метеорологический сайт «Расписание погоды» Электронный ресурс. Режим доступа: http://www.rp5,ru

42. РД 52.04.275-89 Методические указания. Проведение изыскательских работ по оценке ветроэнергетических ресурсов для обоснования схем размещения и проектирования ветроэнергетических установок. Зарегистрирован ЦКБ ГМП за № РД 52.04.275-89 от 16.08.90 г.

43. Российская компания ООО "Юнитор- М" Электронный ресурс. -Режим доступа: http://unitor.ucoz.ru/index/akkumuljatory/0-68

44. СНиП 2.07.01-89 Градостроительство. Планировка и застройка городских и сельских поселений

45. Сайт компании ОАО «Сахаэнерго» Электронный ресурс. Режим дocтvпa:http://sakhaenergo.ru/index.php?option=comcontent&task=vie w&id=15&Itemid=29

46. Справочник по климату СССР, ч.З. Л.: Гидрометеоиздат, 1966-1969 гг.

47. Сайт цифровых учебно-методических материалов ВГУЭС // abc.wsu.ru, методическое обеспечение учебного процесса. http://abc.vvsu.ru/Books/budgetsistri7

48. Сервер «Погода России». Архив погоды. Электронный ресурс. -Режим доступа: http://meteo.infospace.ru

49. Сайт компании ООО "Mera дом" http://www.energycenter.rU/article/l 11/2/

50. Светотехника и электротехнология. Часть II «Электротехнология»: Электротермия: Курс лекций / A.M. Глушков, И.В. Юдаев; Волгогр. гос. с.-х. акад., Волгоград, 2008.

51. Смирнова JI. Н. Отопление и водоснабжение загородного дома Электронный ресурс. Режим доступа: http://lib.rus.ec/b/278259/read

52. Технические характеристики герметизированных свинцово -кислотных аккумуляторных батарей с фронтальным расположением выводов (GEL & AGM) Электронный ресурс. Режим доступа: http://www.valleywinds.ru/wp-content/uploads/customer/haze hzygel.pdf

53. Харитонов В.П. Автономные ветроэлектрические установки. М.: ГНУ ВИЭСХ,2006. - 280с.

54. Шидловский А.К. и др. Расчеты электрических нагрузок систем электроснабжения промышленных предприятий / А.К.Шидловский, Г.Я.Вагин, Э.Г.Куренный. -М.: Энергоатомиздат, 1992. -224 с.

55. Электронный каталог торговой компании Мицуко LTD. Электронный ресурс. Режим доступа: http://mitsuko-ltd.kazprom.net

56. Экономика и управление энергообъектами. Кн. 1. Общие вопросы экономики и управления / А.И. Барановский, H.H. Кожевников, Н.В. Пирадова и др.; Под ред. А.И. Барановского, H.H. Кожевникова, Н.В. Пирадовой. —М.: Издательство МЭИ, 1998. —296 е.: ил

57. Энергоснабжение это оптимизация производства и потребления энергии / М. И. Божков, к. т. н., доцент, директор НПЦ АПЭС, Электронный ресурс. - Режим доступа: http://www.kudrinbi.ru/public/732/index.htm.

58. УТВЕРЖДАЮ» Проректор-директор щеского института (ЭНИН) университета1. Ю.С.Боровиков2012 г.1. АКТ ВНЕДРЕНИЯ

59. В учебном процессе используются математические модели элементов ветро-дизельных систем и программное обеспечение, позволяющее провохитгь анализ режимов гибридных электростанций.

60. Начальник учебно-методического отдела ЭНИН ТПУ1. Н.М. Космынина