Энергоэффективные ветроэнергетические установки с оперативной диагностикой для автономных систем электроснабжения тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.09.03, кандидат наук Серебряков, Артем Владимирович

• Серебряков, Артем Владимирович
• кандидат наук
• 2013

Оглавление диссертации кандидат наук Серебряков, Артем Владимирович

ВЭУ

1.4. Основные направления проектирования ВЭУ для СЭС автономных

потребителей на базе принципов Smart Grid

Выводы

Глава 2. Моделирование и синтез системы «АИЭ-СЭС-РПЭ» в автономных

электросетях сетях при стохастических возмущениях

2.1. Мат. модели ветровых потоков и ветродвигателей

2.2. Мат. модель СЭС автономных потребителей

2.3. Мат. описание работы ВЭУ с учетом стохастических возмущений

2.3.1. Теоретическое обоснование

2.3.2. Регрессионные алгоритмы управления работой ВЭУ

2.4. Инвариантная модель ВЭУ в автономном режиме генерации

2.5. Синтез комбинированной системы ВЭУ с ТИЭ

Выводы

Глава 3 Система оперативной диагностики технического состояния ВЭУ

3.1. Анализ ВЭУ как объекта диагностирования

3.2. Математическое описание ЭМС ВЭУ в СОДС

3.3. Синтез алгоритмов диагностирования ВЭУ

3.4. Алгоритмы прогнозирования состояния ВЭУ

Выводы

Глава 4 Экспериментальные исследования ВЭУ

4.1. Описание лабораторной установки макета ВЭУ. Программа и методика проведения экспериментальных исследований

4.2. Анализ результатов экспериментальных исследований

4.3. Технико-экономические и энергетические показатели применения ВЭУ

4.4. Примеры практической реализации автономных комплексов и внедрения

новых ВЭУ

Выводы

Заключение

Список литературы

Приложения

СПИСОК ПРИНЯТЫХ СОКРАЩЕНИЙ

ААС - активно-адаптивная сеть

АВР - аппарат ввода резерва

АГК - автономный генераторный комплекс

АД - асинхронный электродвигатель

АИН - автономный инвертор напряжения

АИЭ - альтернативные источники энергии

АСУ - автоматизированная система управления

ВДЭУ - ветродизельные энергетические установки

ВК - ветроколесо

В Л - воздушные линии

ВСМП - встроенная система мониторинга и прогнозирования

ВЭУ - ветроэнергетическая установка

ЗСАР - замкнутая система автоматического регулирования

ИЭС - интеллектуальная электроэнергетическая система

КПД - коэффициент полезного действия

ЛЭП - линия электропередач

МК - микроконтроллер

МПСУ - микропроцессорная система управления

НВИЭ - нетрадиционные возобновляемые источники энергии

ПО - программное обеспечение

ПЧ - преобразователь частоты

РПЭ - распределенные потребители электроэнергии

САР - система автоматического регулирования

САУ - система автоматического управления

СГ - синхронный генератор

СЭС - система электроснабжения

ТИЭ - традиционные источники электроэнергии

ЭЭС - электроэнергетическая система

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Энергоэффективные ветроэнергетические установки с оперативной диагностикой для автономных систем электроснабжения»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Положительная динамика развития отечественной промышленности и увеличение уровня потребления электроэнергии населением стимулируют расширение масштабов исследований и разработок, направленных на совершенствование топливно-энергетического комплекса РФ и экономии традиционных углеводородных невозобновляемых источников электроэнергии (ТИЭ) [28,55,59,84,85]. Это привело к поиску новых стратегий энергоэффективного и экономичного энергообеспечения российских потребителей с привлечением нетрадиционных и возобновляемых источников энергии (НВИЭ) [26,34,46,79].

Особенность географического положения Российской Федерации и наличие больших территорий с низкой плотностью населения обуславливает необходимость энергообеспечения данных удаленных от центральных электросетей районов высококачественной электроэнергией. Традиционно в качестве автономных источников электроэнергии (АИЭ) здесь использовались постоянно действующие дизельные электростанции и котельные агрегаты на угле, мазуте или другом более дешевом топливе. Однако в последние годы, данные средства энергообеспечения становятся все более затратными, неэффективными и неэкологичными.

Вместе с тем, в отечественной [10,25,54,59] и мировой [7,20,46,87-101] электроэнергетике уже накоплен большой опыт создания и использования альтернативных АИЭ как противовес углеводородным. В развитие теории и практики АИЭ, включая НВИЭ, ветроэнергетические установки (ВЭУ) и прочие автономные генераторные комплексы (АГК) источников питания промышленных потребителей значительный вклад внесли отечественные ученые - д.т.н., профессора А.Е. Козярук, A.M. Магомедов, Г.Б. Онищенко, В.Г. Титов, Ю.Г. Шакарян и др. из отраслевых НИИ, НПО и ВУЗов - ВНИИЭ, НИПОМ, МЭИ (ТУ), МГОУ, СПбГГУ, НГТУ им. P.E.Алексеева и др.

Инновационные исследования на уровне кандидатских и докторских диссертаций по совершенствованию возобновляемых и комбинированных АИЭ и

АГК не потеряли актуальности и в настоящий момент [1,2,10,25,27,53,57,73,77,78,82]. Более того, новая аппаратная база электромашиностроения, силовой электроники и микропроцессорной техники дополнительно стимулирует разработчиков на создание высокотехнологичных, энергоэффективных и быстро окупаемых агрегатов и систем [12-18,21,29,33,42, 60,78].

Среди всего многообразия АИЭ и НВИЭ в условиях географических и климатических особенностей территории Российской Федерации наибольшее распространение получили разработки ВЭУ, ветряных ферм (станций) и ветродизельных энергоустановок (ВДЭУ) [1,29,32,37,82]. Это связано с известными преимуществами их перед другими типами НВИЭ, созданных и предлагаемых к использованию в России: низкие капитальные затраты и эксплуатационные расходы, высокие показатели КПД, надёжности и наработки на отказ, отсутствие расхода углеводородного топлива и экологически вредных выбросов и шума. Наконец, средства автоматизированного управления и регулирования позволяют обеспечить оптимальные режимы генерирования, энергосбережения, мониторинга и устойчивости работы СЭС для отдельных и удаленных маломощных потребителей.

Несмотря на полувековую историю проектирования и создания СЭС на базе ВЭУ [20,28,41,84] и наличия нормативных документов государственного масштаба [53,55,85], исследованиям по повышению энергоэффективности, устойчивости, экологичности и надёжности их работы уделяется недостаточное внимание. Типовые решения СЭС с ВЭУ реализуют только частные задачи, не обеспечивая комплекса проблем создания конкурентоспособных интеллектуальных источников электроснабжения (ИИЭ) на основе принципов адаптированных «разумных» электросетей (Smart Grid) [14,36,38,65,68]. Принятые в последнее время нормативные акты РФ [55,85] дополнительно стимулируют поиск инновационных энергосберегающих технологий СЭС на базе ВЭУ для объектов и потребителей различных отраслей

(сельскохозяйственных, геологоразведочных, железнодорожных,

газотранспортных и проч.).

В настоящее время одним их самых перспективных электромеханических преобразователей мощности ветрового потока является ветродвигатель (ВД) на основе синхронной машины с автоматизированным регулятором выходных параметров на основе преобразователя частоты (ПЧ) с автономным инвертором напряжения (АИН). Применение замкнутой системы автоматического регулирования (ЗСАР) позволяет повысить устойчивость и надежность работы генераторов в различных режимах, обеспечить энерго- и ресурсосбережение, модернизацию и комплексную автоматизацию ВДЭУ. Комплект программного обеспечения (ПО) для ЗСАР, реализуемый микропроцессорной системой управления (МПСУ) на базе нечеткой логики, позволяет обеспечить оптимальные режимы ВДЭУ и сервисные функции АГК СЭС.

Отечественными организациями, занимающимися разработкой ВДЭУ на базе синхронных генераторов, являются НПО «Ветроэн» (г. Истра), НПО «ЛЭМЗ» (г. Москва), НПО "Компания Ветроэнергетика" (г. Москва), ООО «Ветро-Свет» (г. Санкт-Петербург), ЦНИИ «Буревестник» (г. Н.Новгород), НПГ «Сайнмет» (г. Дубна) и др., а также вузы - МЭИ (ТУ), СПбГГИ, МГОУ, НГТУ, ряд других. Среди многочисленных зарубежных фирм выделяются: Vestas Wind Systems, ENERCON, Windterra Systems Inc., Siemens Wind Power, Windation ESI, Aerodyne Wind Technology, Wind Energy Direct, SUNECO, WES, WPI, WindResourse, Alpha Energy LLC и др. В результате в западных странах различные АГК на базе ВЭУ динамично внедряются и становятся доминирующими. При этом определяющими требованиями к ВД и ЗСАР являются устойчивость работы и высокие энергетические показатели СЭС.

Унифицированность современных ВДЭУ и возможности компьютерных средств автоматизации обуславливают возможность их интеграции в рамках больших ветровых ферм и комбинированных станций для создания энергосистем различного уровня мощности. При этом наиболее рационально могут быть решены задачи телемеханики, энерго- и ресурсосбережения всей

системы, мониторинга и прогнозирования технического состояния оборудования, повышения надежности и удобства обслуживания.

Однако применение отечественных ВДЭУ на объектах не в полной мере удовлетворяют сегодня требованиям энергоэффективности, надежности и устойчивой работы в условиях климатики РФ. Это связано с тем, что АГК СЭС представляют собой сложные электроэнергетические системы со специфическими процессами в статике и динамике, зависящими от большого количества детерминированных и случайных факторов. К последним в основном относятся параметры колебания ветрового потока ВЭУ и технологических процессов (ТП), связанных с режимами работы СЭС, температурные перепады, а также особенности параллельной работы ВДЭУ на общую нагрузку. Подобное случайное многофакторное воздействие на СЭС приводит к значительному изменению параметров оптимальной работы генераторов, возможной потере устойчивости работы и проблемам получения требуемого напряжения и мощности на выходе. Универсальные же САУ ВЭУ имеют "закрытое", неадаптированное под конкретные условия потребителей ПО и поэтому не обеспечивают реализацию устойчивого управления работой АГК в СЭС.

Кроме того, при высоких требованиях к статической точности стабилизации выходного напряжения и частоты необходимо системно оптимизировать соответствующие регуляторы ВЭУ с учетом нескольких возмущений и возможности реализации принципа декомпозиции при синтезе ЗСАР ВДЭУ. Структурно-параметрический метод синтеза комбинированной САУ СГ СЭС, оперируя с косвенными величинами, позволяет интегрировать проектирование и работу САР с системой диагностирования, обеспечивая инвариантность их к элементам конкретной ВЭУ и внешним стохастическим возмущениям ветропотока.

Независимо от режимов работы ВЭУ постоянно повышаются требования обеспечения необходимых уровней надежности и безотказности работы СЭС. Выполнение этих требований возможно только путем оснащения ВЭУ

надёжной и устойчивой бесконтактной системой разгрузки СД на базе микроконтроллерной САУ, а также встроенной системой оперативного мониторинга технического состояния, проектирование которой должно иметь теоретическое обоснование. Ведущиеся в настоящее время отдельные исследования в области диагностики СГ не предполагают единого подхода ко всем элементам электрооборудования и, как следствие, не совсем пригодны в плане практического применения.

В этой связи комплексное решение перечисленных проблем создания энергоэффективных и надежных АИЭ на основе ВДЭУ является актуальной и своевременной задачей.

Цель диссертационной работы заключается в исследовании и разработке электротехнических генераторных систем на базе ветроэнергетических установок, обеспечивающих энергоэффективность, оперативный мониторинг и стабилизацию параметров напряжения для автономного электроснабжения и отличающихся комплексным подходом к решению задач автоматизации.

В связи с поставленной целыо решены следующие задачи работы:

1. Анализ технологических режимов работы автономных СЭС, электропитания потребителей и структур ВЭУ с целыо выработки требований к комбинированным генераторным комплексам, обеспечивающим выполнение нормативных показателей качества параметров электроснабжения.

2. Выбор рациональных структур современных ВЭУ на базе синхронных генераторов с автономными инверторами напряжения для оптимального преобразования мощности ветрового потока и реализацией всех нормативных требований СЭС потребителей.

3. Разработка математических моделей элементов автономных генераторных комплексов, включая ВЭУ, систему СГ-ПЧ и СЭС, наиболее полно учитывающих физику процессов генерирования и потребления с учетом внешних возмущений.

4. Структурно-параметрический синтез оптимизированной системы управления ВЭУ с программным заданием параметров комплекса на базе регрессионных алгоритмов управления для стабилизации параметров амплитуды и частоты вырабатываемого напряжения.

5. Разработка методологических, алгоритмических и аппаратных средств оперативного мониторинга и прогнозирования технического состояния электромеханических систем ВЭУ.

6. Разработка физического макета электромеханической части АГК в виде лабораторной установки и проведение исследований для реализации полученных алгоритмов и структур комбинированных источников с ВЭУ.

Методы исследования:

Для теоретических исследований использовались: теория электрических машин переменного тока, теория вероятностей и математической статистики, теория планирования эксперимента, теория автоматического управления и регулирования, аппарат нечеткой логики.

Экспериментальные исследования проводились на макетных образцах ВДЭУ на базе синхронного генератора с помощью современной измерительной аппаратуры и средств автоматизации обработки результатов эксперимента. Исследования динамических режимов проводились методами математического моделирования с привлечением современных компьютерных программных продуктов, в частности, пакетов ПО МаЙаЬ.

Научная новизна:

1. Разработан теоретически обоснованный подход к построению структуры энергоэффективных ВДЭУ на базе синхронных генераторов с преобразователями частоты для надежного электроснабжения автономных и удаленных объектов.

2. Разработаны математические модели элементов системы ВЭУ, позволяющие учесть влияние основных физических процессов в АГК и внешних возмущений и обеспечивающие получение энергоэффективных алгоритмов регулирования выходного напряжения.

3. Синтезированы варианты комбинированных САР стабилизации параметров напряжения, инвариантные к действию основных возмущений технологического и природного характера.

4. Разработаны модели и система оперативного мониторинга с элементами прогнозирования технического состояния, базирующиеся на дискретных методах представления объекта диагностирования и позволяющая с единых методологических позиций оценивать режимы работы ВЭУ.

Научные положения, выносимые на защиту

1. Принципы, основанные на концепции SMART GRID, и структуры построения энергоэффективных СЭС на основе альтернативных и возобновляемых источников энергии для автономных объектов, включая особенности ветровых потоков и нагрузки потребителей.

2. Методика получения и исследования математических моделей ВЭУ, электромеханической системы и СЭС потребителей в структуре инвариантной САР параметров вырабатываемой электроэнергии.

3. Принципы и методология получения регрессионных уравнений для оптимизации системы управления и энергоэффективного регулирования параметров ВЭУ на основе аппаратных и программных средств.

4. Методика разработки диагностических моделей и аппаратно-алгоритмических средств оперативного мониторинга параметров ВЭУ в структуре комбинированных генераторных комплексов.

5. Структура и программно-аппаратные решения по созданию экспериментального макета АГК с САУ ВДЭУ и организация проведения комплексных испытаний инновационных алгоритмов.

Практическая ценность

1. Разработанная модульная структура альтернативной системы электроснабжения автономных объектов обладает высокой степенью универсальности и надежности, что позволяет использовать ее для решения большого числа задач обеспечения автономности потребностей различных объектов и отраслей промышленности.

2. Реализованные и экспериментально исследованные перспективные методы регулирования АГК на базе ВДЭУ с синхронными генераторами различной мощности позволяют устойчиво работать с различными потребителями и технологическими параметрами на оборудовании современных европейских фирм.

3. Разработанный комплекс алгоритмов и программ для оперативного диагностирования выходных параметров электроэнергии ВДЭУ представляет собой законченный продукт и может быть тиражирован и интегрирован в ПО АСУ ТП любой сложности.

4. Разработанные компьютерные и физические модели ВДЭУ на базе синхронных генераторов за счет универсальности источников информации и микропроцессорной аппаратной базы могут быть использованы при разработке других АИЭ и НВИЭ, включая их работу совместно в составе больших АГК.

5. Лабораторный образец интеллектуальной системы ВДЭУ прошел регламентные испытания и используется в учебном процессе кафедры НГТУ им. P.E. Алексеева и при апробациях и исследованиях магистров и аспирантов.

Реализация результатов работы.

Разработан действующий экспериментальный стенд для исследования алгоритмов и характеристик работы ВДЭУ. Результаты работы могут быть использованы при разработке и внедрении автономных систем электроснабжения на базе ВДЭУ для локальных электроэнергетических систем удаленных объектов, включая вдольтрассовых потребителей магистральных газопроводов, относящихся согласно ПУЭ к первой и особой группе установок.

Апробация работы.

Основные положения, результаты, выводы и рекомендации диссертационной работы доложены, обсуждены и получили положительные отзывы на следующих научно-технических конференциях:

- II Всероссийская научно-техническая конференция «Электропривод, электротехнологии и электрооборудование предприятий», Уфа, 5 апреля, 2009;[17]

- XVII Международная научно-техническая конференция "Состояние и перспективы развития электротехнологии" (Бернадосовские чтения), Иваново, 1-3 июня, 2011;[18]

- XVIII Международная научно-техническая конференция "Информационные системы и технологии (ИСТ-2012)", Н.Новгород, 20 апреля, 2012; [12]

- X Международный симпозиум "Интеллектуальные системы (INTELS'2012)", МВТУ им. Н.Э. Баумана, Вологда, 25-29 июня 2012; [13]

- XIV МНТК «1СЕЕЕ-2012», МЭИ, Алушта, 23-29 сентября 2012; [65]

- V научная конференция «Управление в технических системах (УТС-2012)» в рамках 5-ей Мультиконференции по проблемам управления (МКПУ-2012), ИЛУ им. В. А. Трапезникова РАН, СПб, 9-11 октября 2012;[66]

- XXVII-XXIX Региональные научно-технические конференции "Актуальные проблемы электроэнергетики", НГТУ, Н.Новгород, 2008-2012.

Публикации. По материалам диссертации опубликованы 15 работ, включая 4 статьи в периодических журналах, рекомендованных ВАК [14,40,67,86], 2 патента на полезные модели [15,64], свидетельство на ПО [69] и монографию, соответствующую требованиям ВАК [86].

Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы и приложений. Объем диссертации составляет 150 страниц основного текста, 83 рисунков, список литературы включает 101 наименование.

Глава 1 АНАЛИЗ АЛЬТЕРНАТИВНЫХ ЭНЕРГОИСТОЧНИКОВ ДЛЯ АВТОНОМНЫХ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ

1.1 Принципы построения автономного электроснабжения с альтернативными энергоисточниками

Развитие энергетики основных стран-лидеров мировой экономики, включая РФ, традиционно ориентировано на сооружение крупных энергоисточников, работающих в составе Единой энергосистемы. Это обусловлено тем, что энергетика является технической основой цивилизации и при постоянном развитии непосредственно определяет уровень и темпы технологического и социально-экономического развития страны.

Однако сейчас экстенсивный путь развития энергетики, связанный с ростом добычи традиционных источников энергии (ТИЭ) и сжигания их для выработки электроэнергии, приводит к обострению серьезных проблем:

• труднодоступность, отдаленность и ограниченность запасов месторождений нефти и газа, приводящие к удорожанию их стоимости;

• зависимость поставок углеводородного сырья для энергетики от неустойчивой экономической конъюнктуры и политической обстановки;

• значительные объемы негативных выбросов при сжигании и затраты, связанные с масштабным загрязнением окружающей среды;

• недостаточное совершенство технологий преобразования топлива в электроэнергию, что определяет высокую стоимость электроэнергии;

• значительная транспортная составляющая затрат, связанная с необходимостью прокладки протяженных ЛЭП до потребителей.

Малая энергетика могла бы конструктивно решить большую часть этих проблем, но она никогда не рассматривалась как самостоятельная подотрасль энергетики в России. Поэтому утверждение Правительством РФ в 2011 году технологических платформ «Перспективные технологии возобновляемой энергетики» и «Малая распределенная энергетика» явилось серьезным шагом в

реализации автономных энергосистем с альтернативными источниками энергии (АИЭ). К преимуществам малой энергетики относятся:

• малая капиталоемкость,

• быстрота сооружения и введения в эксплуатацию,

• максимальная приближенность к потребителю,

• местные энергоресурсы, нерентабельные для дальней транспортировки,

• возможность быстрого внедрения инновационных технологий.

В настоящее время основными субъектами рынка малой энергетики являются объекты на 2/3 территории России (рис.1.1). Причем, это - не только удаленные регионы Севера, Сибири и Дальнего Востока, но и значительные территории Европейской части РФ со сложными горно-геологическими условиями, лесными и заболоченными местностями. Сейчас в зонах децентрализованных СЭС находится более 7000 населенных пунктов.

Рис. 1.1. Зонирование территории РФ по преимущественному использованию АИЭ и ТИЭ.

На этих огромных территориях электроснабжение небольших поселков и фермерских хозяйств осуществляется, как правило, от очень мелких изолированных дизельных энергоустановок (ДЭУ), топливо к которым доставляется по сложной многоступенчатой схеме с многократными перевалками. Резкое возрастание стоимости органического топлива, и особенно его доставка в последние 2-3 года, привели к росту цены электроэнергии до 10-

сгщгныя пгровыч'я океан ^

\

25 руб./кВт-ч и снижению надежности и качества электроснабжения. Кроме того, энергетическое оборудование, которое используется в малой энергетике, отличается большим разнообразием, не оптимизировано по применению на конкретной территории и эксплуатируется бессистемно.

В Распоряжении Правительства РФ от 13.11.2009 №1715-р «Об Энергетической стратегии России на период до 2030 года» отмечена проблема «недостаточного развития малой энергетики и низкая вовлеченность в энергобалансы местных источников энергии регионального и локального значения». Для достижения стратегических целей развития электроэнергетики в стратегии отмечено «развитие малой энергетики в зоне децентрализованного энергоснабжения за счет повышения эффективности использования местных энергоресурсов, развития электросетевого хозяйства, сокращения объемов потребления завозимых светлых нефтепродуктов».

Структура капитальных вложений по способам генерации энергии.

Таблица 1.1.

Способы генерации электроэнергии Капитальные вложения, ивБ/квт Себестоимость, цеит/кВт-ч

2005 Г. 2030 г. 2005 г. 2030 г.

Биотехнологии 1000-2500 950-1900 3,1-10,3 3,0-9,6

Геотермальные АИЭ 1700-5700 1500-5000 3,3-9,7 3,0-8,7

Традиционные ГЭС 1500-5500 1500-5500 3,4-11,7 3,4-11,5

Малые ГЭС 2500 2200 5,6 5,2

Солнечная энергетика 3750-3850 1400-1500 17,8-54,2 7,0-32,5

Приливные АИЭ 2900 2200 12,2 9,4

Наземные ВЭУ 900-1000 800-900 4,2-22,1 3,6-20,8

Морские ВЭУ 1500-2500 1500-1900 3,1-10,3 3,0-18,4

АЭС 1500-1800 - 3,0-5,0 -

ТЭС на угле 1000-1200 1000-1250 2,2-5,9 3,5-4,0

ТЭС па газе 450-600 400-500 3,0-3,5 3,5-4,5

В то же время, в настоящее время бурно развивается широчайший рынок спроса на АИЭ - от коттеджных поселков и сельских хозяйств центральной

России до Заполярья, а также малых предприятий, стремящихся повысить надежность и снизить энергозатратность централизованных СЭС.

Последние несколько лет ведущие генерирующие компании мира инвестируют немалые средства в проекты АИЭ, включая нетрадиционные возобновляемые источники энергии (НВИЭ), где созданы более ста новых центров передовых технологий при университетах и национальных некоммерческих организациях. Это связано с тем, что сейчас внедрение НВИЭ практически не требуют землеотвода, ресурсы энергии практически неисчерпаемы, а себестоимость электроэнергии приближается к ТИЭ (табл. 1.1). Поэтому установки с НВИЭ набирают популярность в странах Западной Европы, Северной Америки и Восточной Азии [87-101]. Увеличиваются установленные мощности ветрогенераторов, нарастают объемы производства солнечных элементов, строятся комбинированные электростанции, новые технологии установок полупроводниковой техники.

В России экономика в силу ряда отмеченных особенностей характеризуется высокой энергозатратностью и энергоемкостью, в 2,5 раза превышающей среднемировой уровень. Кроме того, в современной России все сильнее наблюдается:

200( 15000]

О

-1-г

1960 1970 198:

О Южная Африка О Западная Азия

□ Средний Восток

□ Центральная Европа

0 Западная Европа

□ Латинская Америка

1 Северная Америка

—I-1-1-1

1990 2000 2010 2020

2000 2005

2010

2015 2020 2025

2030

а) б)

Рис. 1.2. Прогноз перспектив электроэнергии: а) рост потребления; б) рост цен. • нехватка мощностей источников электроэнергии (особенно автономных энергопотребление за 20 последних лет выросло в 2 раза);

• постоянный рост требований к надежности и качеству СЭС со стороны потребителей;

• значительное увеличение тарифов на электроэнергию (рис. 1.2);

• моральное и физическое старение электрооборудования;

• повышение требований экологической и промышленной безопасности.

Поэтому внедрение АИЭ для построения автономных СЭС требует системного инновационного подхода, обеспечивающего высокую энергоэффективность, надежность и долговечность эксплуатации оборудования. Решение этих задач целесообразно выполнить на новых технологических принципах интеллектуальных электроэнергетических систем (ИЭС) с активно-адаптивной сетью (ААС), называемых концепцией Smart Grid (рис. 1.3).

Стратегическое видение электроэнергетики будущего

1—► Функциональные свойства (характеристики) электроэнергетики ^хтшпагл

1 1 1 i

Рис. 1.3. Структура концепции Smart Grid. Технология Smart Grid трактуется сегодня как концепция инновационного преобразования электроэнергетики, включая малую

энергетику, которая оптимизирует энергозатраты, позволяя рационально распределять электроэнергию. При этом комплекс технических средств интеллектуальных сетей позволяет оперативно менять характеристики электрической сети, и на технологическом уровне происходит объединение локальных сетей, потребителей и производителей электроэнергии в единую автоматизированную систему, позволяя отслеживать и контролировать режимы работы всех участников процесса. Таким образом, применение платформы Smart Grid позволяет учитывать при оптимизации сети все многофакторные возмущения и более эффективно использовать энергоисточники, а также интегрировать и распределять мощности АИЭ.

Ключевыми ценностями Smart Grid является разнообразие требований:

1. Доступность - обеспечение потребителей качественной энергией.

2. Надежность - возможность противодействия физическим и информационным возмущениям и быстрое самовосстановление.

3. Экономичность - минимизация тарифов за счет оптимизации затрат на производство электроэнергии при использовании АИЭ.

4. Эффективность - высокий КПД преобразования всех видов энергии.

5. Экологичность - минимизация негативного воздействия на природу.

6. Безопасность - недопущение ситуаций, опасных людям и природе.

Принципиально новым в Smart Grid является состояние равноправности

всех этих ценностей, а приоритеты могут выставляться индивидуально (энергокомпанией и потребителем). Для достижения этих целей в Smart Grid заложены следующие базовые подходы:

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Серебряков, Артем Владимирович, 2013 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Аверин A.A. Повышение эффективности электроснабжения сельскохозяйственных потребителей с использованием ветродизельной установки // Автореферат... канд. техн. наук 05.20.02. ЧелГАУ, Челябинск,

2009.-26с.

2. Али З.М. Способы улучшения качества регулирования и устойчивости электротехнических комплексов с генерирующими источниками // Автореферат... канд. техн. наук 05.09.03. КГТУ им. А.Н.Туполева, Казань,

2010.-19с.

3. Андрианов В.Н., Быстрицкий Д.Н., Вашкевич К.П. и др. Ветроэлектрические станции.- М.: Госэнергоиздат, 1960. - 319 с.

4. Артемьев А.Ю., Шакиров В.А. Методика многокритериального анализа применения ВЭУ // Матер, докл. VII ММНК «Тинчурнинские чтения», Казань: КГЭУ, 25-27 апреля 2012, т.1, с. 170.

5. Атласы ветрового и солнечного климатов России. - СПб: Главная геофизическая обсерватория им. А.И. Войкова, 1997.

6. Барченко А.Н., Длугоканский A.B., Шестопалова Т.А. и др. Расчет и анализ ветроэнергетических ресурсов европейской части РФ с использованием метеоданных сайта «Погода России» //Тезисы XVIIIМНТК «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика», М.: МЭИ, 1-2 марта 2012, т.4, С.406-408.

7. Бежан A.B. Перспективы развития мировой ветроэнергетики: прогноз до 2030 года // Промышленная энергетика, 2007, №11.- С.40-44.

8. Безруких П.П. Концепция использования ветровой энергии в России. -М.: Книга-Пента, 2005. - 263 с.

9. Белей В.Ф., Никишин АЛО. Ветроэнергетика России: анализ научно-технических и правовых проблем // Электричество, 2011, №7. - с. 7-14.

Ю.Бобров A.B. Электроснабжение северных населенных пунктов на основе ветродизельных комплексов// Автореферат... канд. техн. наук 05.14.01. СибФУ, Красноярск, 2010. -21с.

11. Быков E.H. Обоснование параметров ветроэнергетической установки со спиральными лопастями на основе экспериментальных исследований// Дисс... канд. техн. наук 05.14.08. СПбГПУ, СПб., 2007. - 141с.

12. Васенин А.Б., Крюков О.В., Серебряков A.B. Алгоритмы работы трехлучевых электростанций // Материалы XV МНТК «Информационные системы и технологии», Н.Новгород, НГТУ, 20 апреля 2012. - С.193-194.

13. Васенин А.Б., Крюков О.В., Серебряков A.B. Разработка интеллектуальных систем с альтернативными источниками энергии для потребителей // Труды X Международного симпозиума "Интеллектуальные системы (INTELS'2012)", Вологда, ВоГТУ, 25-29 июня 2012. - С.532-536.

14. Васенин А.Б., Крюков О.В., Серебряков A.B. и др. Системы электроснабжения на принципах SMART GRID для объектов магистральных газопроводов // Автоматизация в промышленности, 2012, №4. - С.36-38.

15. Васенин А.Б., Крюков О.В., Серебряков A.B. Энергетический комплекс // Патент на ПМ №113085, МПК H02J 3/00, H02J 3/46. Рег.№2011140276 от 04.10.2011.- Опубл. 27.01.2012.

16. Васенин А.Б., Крюков О.В., Титов В.Г. Автономная система бесперебойного электроснабжения, использующая возобновляемый источник энергии // Патент на ПМ №113615, МПК H02J 3/00. Рег.№2011138865 от 22.09.2011.-Опубл. 20.02.2012.

17. Васенин А.Б., Серебряков A.B. Автономная ветроэнергетическая установка на базе ветрогенератора // МСНТ «Электроника, автоматика и измерительные системы» / Уфа, УГАТУ, 2009. - 6с.

18. Васенин А.Б., Серебряков A.B., Титов В.Г. и др. Имитационная модель автономной ветро-дизель-энергетической установки // Труды МНТК «Состояние и перспективы развития электротехнологии (XVI Бенардосовские чтения)» / Иваново, ИГЭУ, т.2, 2011. - С.278-281.

19. Вессарт В.В. Разработка и исследование структур и алгоритмов управления систем автономного энергоснабжения с ветроэнергетическими

установками // Диссертация... канд. техн. наук 05.14.02. СПбГПУ, СПб, 2003. -176с.

20. Ветроэнергетика // Под ред. Рензо Д. (Пер. с англ.) - М.: Энергоатом-издат, 1982.

21. Ветроэнергетическая установка SWT 3.0-101: безредукторная технология от Siemens // Турбины и дизели, 2011, №4. - С.4-8.

22. Виноградов А.Б., Изосимов Д.Б., Флоренцев С.Н. и др. Управление станцией автономного электроснабжения в составе транспортного средства // Электричество, 2009, №9. - С.49-55.

23. Герасимов А., Толмачев В., Уткин К. Ветроэнергетические установки для автономного энергоснабжения // Новости электротехники, 2006, №2.

24. Глинтерник С.Р. Электромагнитные процессы и режимы мощных статических преобразователей. Д.: Наука, 1968.

25. Грозных В.А. Разработка методики повышения надежности электроснабжения отдаленных поселений за счет ветроэнергетики (на примере Астраханской области) // Автореферат... канд. техн. наук 05.09.03. МЭИ (ТУ), М., 2011.-20с.

26. Да Роза А. Возобновляемые источники энергии. Физико-технические основы: учебное пособие / Пер. с англ. Под ред. С.П. Малышенко и О.С. Попеля - М.: МЭИ, 2010. - 704с.

27. Дорошин А.Н. Исследование эффективности использования комбинированных энергокомплексов на основе возобновляемых источников энергии // Автореферат... канд. техн. наук 05.14.08. МЭИ (ТУ), М., 2011. - 20с.

28.Дьяков А.Ф., Перминов Э.М., Шакарян Ю.Г. Ветроэнергетика России: состояние и перспективы развития. - М.: МЭИ, 1996. - 220с.

29.Жогалев А.П. Роторная ветроэнергетическая установка для автономного электроснабжения рассредоточенных сельскохозяйственных объектов // Дисс... канд. техн. наук 05.20.02. АЧГАИА, Зерноград, 2004. - 166с.

ЗО.Засеев С.Г. Разработка методики расчета режимов работы тихоходного синхронного генератора ветроэнергетической установки при работе на общую сеть//Дисс... канд. техн. наук 05.09.01. МЭИ, М., 1988. - 184с.

31. Зубарев Д.В. Параметрическая настройка системы управления ветроэнергетической установки по результатам моделирования // Дисс... канд. техн. наук 05.02.05. МГТУ, М., 2006. - 177с.

32. Зуев Н.В. Повышение эффективности автономных ветроагрегатов и ветродизельных комплексов в АПК «методом типоряда» // Автореферат... доктора техн. наук 05.20.02. СПбГАУ, СПб, 2010. - 40с.

33. Иванов A.C. Автономная ветроэнергетическая установка с индукционным нагревателем // Дисс... канд. техн. наук 05.09.03. КГЭУ, Казань, 2000.- 109с.

34. Кадыков Ю. Малая и нетрадиционная энергетика. Направления развития // Новости электротехники, 2006, №2.

35. Кацурин A.A. Синтез систем управления ветроэнергетическими установками, построенными на основе асинхронизированных синхронных генераторов // Дисс... канд. техн. наук 05.13.01. ДВГТУ, Владивосток, 2001. -113с.

36. Кобец Б.Б., Волкова И.О. SMART GRIT - концептуальные положения // Энергорынок. Интеллектуальные сети, 2010, №3. - С.66-72.

37.Коноплев Е.В. Применение ветроэнергетической установки в системе автономного электроснабжения сельскохозяйственных потребителей малой мощности // Дисс... канд. техн. наук 05.20.02. СтГАУ, Ставрополь, 2007. -188с.

38.Концепция интеллектуальной электроэнергетической системы с активно-адаптивной сетью. Редакция 5.0 / Фортов В.Е., Макаров A.C., Шакарян Ю.Г. и др. - М.: ОАО «НТЦ Электроэнергетики», 2012. - 220с.

39. Креймер A.C. Теоретические положения создания систем автономного электроснабжения сельскохозяйственных потребителей с ВЭУ малой мощности // Дисс... канд. техн. наук 05.20.02. КрГАУ, Краснодар, 2003. - 194с.

40.Крюков О.В., Васенин А.Б., Серебряков A.B., Титов В.Г. Экспериментальный стенд электромеханической части ветроэнергетической установки // Новые технологии, 2012, №5-6. - С.20-25.

41.Крюков О.В., Степахин Ю.П., Щербаков Б.Ф. Оптимальные алгоритмы управления автономными асинхронными генераторами ветроэнергетических установок // Состояние и проблемы развития систем автономного электроснабжения, Л.: ВНТО, 1991. - с.84-85.

42. Крюков О.В., Титов В.В. Разработка АСУ ветроэнергетическими установками // Автоматизация в промышленности, 2009, №4, с.35-37.

43.Кулаков A.B. «Новый ветер» в локальной энергетике // Energy Fresh, 2010, №2, с. 24-27.

44.Кучин П.Г., Рагуткин A.B., Кудрин Б.И. Алгоритм управления системами электроснабжения ответственных потребителей с несколькими источниками //Тезисы XVIII МНТК «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика», М.: МЭИ, 1-2 марта 2012, т.4, С.165.

45. Ли Вэйли, Чэн Пэн, Данилевич Я.Б. и др. Расчет и анализ электромагнитного и температурного полей синхронного ветрогенератора мощностью 1,5 кВт с возбуждением от постоянных магнитов // Электричество, №12. - С.29-33.

46. Магомедов A.M. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии. - Махачкала, АОЗТ «Юпитер», 1996. - 244с.

47. Мамонов A.M. Разработка технических, экономических и экологических критериев применения систем генерирования электрической энергии малой мощности // Автореферат... канд. техн. наук 05.14.01. НГТУ, Нижний Новгород, 2006. — 18с.

48. Мартяшин Ю.В., Молодцов С.Н. Комбинированный энергосберегающий источник питания для систем автономного электроснабжения// Электротехника. -2011. -№10. -С.51-55.

49. Марченко О.В., Соломин C.B. Исследование экономической эффективности ветроэнергетических установок в составе децентрализованных

систем электроснабжения // Альтернативная энергетика и экология, 2010, №1. -С.126-131.

50. Милованова К.А. Состояние и перспективы развития ветроэнергетики // Электричество, 2010, № 11. - С. 13-19.

51. Мустафаев Р.И., Гасанова Л.Г. Моделирование и исследование режимов работы СГ ВЭУ при частотном управлении//Электричество, 2010, №7.-С.34-37.

52. Нетрадиционная энергетика. Ветроэнергетика. Установки ветроэнергетические. Классификация // ГОСТ Р 51990-2002. - М., Госстандарт РФ 25.12.2002 г.

53. Николаев В.Г. Методология ресурсного и технико-экономического обоснования использования ВЭУ//Автореферат... доктора техн. наук 05.14.08. ГНУ ВНИИЭСХ, Москва, 2011. - 36с.

54. Новак Ю.И. Исследование ветроэнергетических установок, предназначенных для работы в низкоскоростных ветропотоках, разработка конструкторско-технологических решений и технологии индустриального строительства ВЭУ// Дисс... канд. техн. наук 05.14.08. МГТУ, М., 2003. - 230с.

55. Об утв. критериев для предоставления из федерального бюджета субсидий в порядке компенсации стоимости технологического присоединения генерирующих объектов с установленной генерирующей мощностью не более 25 МВт, призванных квалифицированными объектами, функционирующими на основе использования ВИЭ// Постановление Правительства РФ: Утв. 20 окт. 2010 г., №850 // Собрание ФЗ РФ. 2010. №43. Ст. 5518. - С.12031.

56. Обухов С.Г., Сурков М.А., Хошнау З.П. Методика выбора ветроэнергетических установок малой мощностиЮлектро, 2011, №2. - С.25-30.

57. Олешко A.C. Стабилизатор напряжения бесконтактных генераторов автономных систем электроснабжения // Автореферат... канд. техн. наук 05.09.03. КубГАУ, Краснодар, 2010. - 21с.

58. Омаров М.А., Саркасов P.A., Белан С.И. и др. Перспективы освоения возобновляемых источников энергии в России // Газовая промышленность, 2011, №10. - С.58-60. •

59.0нищенко Г.Б., Лазарев Г.Б. Развитие энергетики России. Направления инновационно-технологического развития. - М.: РСА, 2008. — 200с.

бО.Онищенко Г.Б., Хаскин Л.Я. Новое поколение автономных ветроэнергетических установок // МГОУ-ХХ1-Новые технологии, 2007, №5. - С. 41-47.

61.Попель О.С. Стимулирование и препятствия развития альтернативной энергетики в России // Энергосбережение, 2012, №4. - С.68-72.

62.Серебряков A.B. Мониторинг электромеханической части ВЭУ // Главный энергетик, 2013, №2. - С. 32-37.

63.Серебряков A.B., Крюков О.В. О новых возможностях технологий SMART GRID // Электрооборудование: эксплуатация и ремонт, 2013, №2. - С. 47-48.

64.Серебряков A.B., Крюков О.В. Устройство лингвистического диагностирования отказов двигателей/ Заявка на патент рег.№2012131448 от 20.07.12г. Положительное решение от 16.01.2013г.

65.Серебряков A.B., Крюков О.В., Васенин А.Б. Активно-адаптивные алгоритмы управления автономными генераторными комплексами // XIV МНТКICEEE-12, МЭИ, Алушта, 23-29 сентября 2012. - С.216-218.

66.Серебряков A.B., Крюков О.В., Васенин А.Б. Нечеткие модели и алгоритмы управления ветроэнергетическими установками// V научная конференция «Управление в технических системах (УТС-2012)» в рамках 5-ей Мультикон-ференции по проблемам управления (МКПУ-2012)/ ИПУ им. В.А. Трапезникова РАН, СПб, 9-11 октября 2012. - С.467-469.

67.Серебряков A.B., Крюков О.В., Васенин А.Б. Диагностика электромеханической части ветроэнергетических установок // IX МНТК ПАЭП-12, (секц. 5 "Диагностика электромеханики") ХПИ, Николаевка, 17-23 сентября 2012. -С.549-552.

68.Серебряков A.B., Васенин А.Б., Крюков О.В. Малая энергетика с ВИЭ -новые технические и алгоритмические возможности технологий SMART GRID // XLII МНТК «Федоровские чтения», МЭИ, Москва, 7-9 ноября 2012. - С. 141143.

69.Серебряков A.B., Крюков О.В., Степанов С.Е. Программа работы интеллектуальной сети с ВЭУ и Ормат // Свидетельство на регистрацию программы №2012661453 от 15.06.2012г. Реестр программ для ЭВМ, М., Роспатент, 2013г.

70.Серебряков A.B., Крюков О.В. Оптимизация управления ВЭУ в условиях стохастических возмущений // Промышленная энергетика, 2013, №5. - С. 22-28.

71.Соколов Д.Б., Васенин А.Б., Серебряков A.B. Экспериментальная модель ветроэнергетической установки (ВЭУ) // Труды НТК «Актуальные проблемы электроэнергетики» / НГТУ, Н.Новгород, 2008, т.70. - С.136-142.

72.Соломенкова О.Б. Мультимодульная ветроэлектростанция с инверторами тока для стабилизации выходного напряжения// Автореферат... канд. техн. паук 05.09.03. СарГТУ им. Ю.А. Гагарина, Саратов, 2012. - 20с.

73.Соломин Е.В. Методология разработки и создания вертикально-осевых ветроэнергетических установок// Автореферат... доктора техн. наук 05.14.08. МЭИ (ТУ), Москва, 2011. - 44с.

74.Соломин C.B. Исследование эффективности и оптимизация технико-экономических показателей ветроэнергетических установок в системах энергоснабжения // Дисс... канд. техн. наук 05.14.01. ИрГТУ, Иркутск, 1997. -174с.

75.Степанова Н.Е. Моделирование пространственно-временной структуры ветра в задаче оптимального использования его энергии// Дисс... канд. техн. наук 11.00.09. ОДМИ, Одесса, 1986. - 280с.

76.Талеб Д.Г. Исследование работы многоагрегатных автономных электростанций с газотурбинным и дизельным приводом // Автореферат... канд. техн. наук 05.14.02. СПбГПУ, СПб, 2009. - 19с.

77.Фуртат И.Б. Адаптивные и робастные системы управления в условиях возмущений и запаздывания // Автореферат... доктора техн. наук 05.11.16. ИПМаш РАН, СПб, 2012. - 32с.

78.Хижняков Ю.Н. Автоматизация автономных многоагрегатных электростанций на основе релейно-импульсных и нечетких регуляторов с

применением нейронной технологии// Автореферат... доктора техн. наук 05.13.06. ПНИПУ, Пермь, 2011. - 33с.

79.Худяков В.В. Возобновляемые источники энергии// Электричество. -2011. -№10.-С.35-40.

80.Шарапов С.А., Виссарионов В.И. Исследование интегрирования ВИЭ в энергосистему на базе технологий SMART GRID // Тезисы XVIII МНТК «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика». - М.: МЭИ, т.4, с.432

81.Швецев Д.А. Автоматизация на службе альтернативной энергетики -перспективный альянс // СТА, 2011, №1. - С.48-53.

82.Шерьязов С.К. Методология рационального сочетания традиционных и возобновляемых энергоресурсов в системе энергоснабжения сельскохозяйственных потребителей // Автореферат... доктора техн. наук 05.20.02. КрГАУ, Красноярск, 2010. - 36с.

83.Энговатова В.В. Стабилизаторы параметров электроэнергии автономных систем электроснабжения с улучшенными техническими характеристиками // Автореферат... канд. техн. наук 05.09.03. КубГТУ, Краснодар, 2009. - 22с.

84.Энергетика России: проблемы и перспективы // Вестник РАН. - Дневник научной сессии общего собрания РАН. 2006, Т.76, №5. - С.387-448.

85.Энергетическая стратегия России на период до 2020 года // Распоряжение Правительства РФ от 28 августа 2003 г. №1234-р.

86.Энергосбережение и автоматизация электрооборудования компрессорных станций: монография // Пужайло А.Ф., Савченков С.В., Спиридович Е.А. и др. / Под ред. О.В. Крюкова. - Н.Новгород, Вектор ТиС, т.З, 2012. - 572с.

87.Ahmed Nabil, Al-Othman А.К., Al-Rashidi M.R. Development of an efficient utility interactive combined wind/photovoltaic/fuel cell power system with MPPT and DC bus voltage regulation/ Elec. Power Syst. Res. 2011/ 81, №5, pp.1096-1106.

88.Carranza O., Figueres E., Garcera G. al. Comparative study of speed estimators with highly noisy measurement signal for Wind Energy Generation Systems/ Appl. Energy. 2011. 88, №3, pp. 805-813.

89.Converteam liefert des Umrichter fur den welweit ersten 5-MW-Offshore-Windgenerator mit Permanentmagnet-Direktantrieb in China/ Wind Kraft J. und Natur. Energien. 2010.30, №6, s. 38.

90.Dotson S. Changing tides in offshore wind / Power Eng. 2010. 114, №9. pp. 14-15.

91.Heronemus W.E., Stoddard F. Simple Arrays of Wind Turbines as a Practical Alternative to the Single Large Rotor Machines.- Poster Presentation for Windpower 2003 Conference Exhibition, May 18 21, Austin, TX. pp. 68-75.

92.1-Iessami M.-A., Campbell H., Sanguinetti Ch.A feasibility study of hybrid wind power systems for remote communities/ Energy Policy. 2011. 39, №2, pp. 877886.

93.Integrated appraisal of a Solar Hot Water system/ S.R. Allen [et al.] // Energy. -2010. -V.35, N.3. -P.1351-1362.

94.Koenemann D. Kiene Zeit fur Experimente / Sonne Wind und Warme. 2011/ 35, №l,s. 38-41.

95.Kusiak, A. Optimization of wind turbine energy and power factor with an evolutionary computation algorithm/ A. Kusiak, H. Zheng// Energy. -2010. -V.35, N.3.-P. 1324-1332.

96.Muller H. Ausbau der Erneuerbaren ist richting - hat aber seinen Preis/ ew: Elektrizitatswiet. 2010,109, №25, s. 3.

97.Multi-Megawatt-Windkraftanlagen fordern neue Hoechstleistungen. Bulletin SEV/VSE, 10, 2004. C 23 23.

98.Musial W., Butterfield S., Boone A. Feasibility of floating platform systems for wind turbines. NREL/SR-500-34874, 2 , pp. 23-25. 61.

99.Poore R., Lettenmaier T. WindPACT advanced wind turbine drive traindesigns study.-NREL/SR-500-33196, 2, p. 60.

100. The role of district heating in future renewable energy systems/ H. Lund [et al.] // Energy. -2010. -V.35, N.3. -P.1381-1390.

101. Vessart V.V. Provision of optimal operational mode of wind-diesel systems in power supply of autonomous units. / / IV-th International Youth Environmental Forum "Ecobaltica'2002". Book of Abstracts and Papers/ St.Petersburg, 2002.