Оптимизация размещения накопителей энергии в электрических сетях тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.14.02, кандидат технических наук Курувита Араччиге, Чаминда Удайакумар

• Курувита Араччиге, Чаминда Удайакумар
• кандидат технических наук
• 2000

Оглавление диссертации кандидат технических наук Курувита Араччиге, Чаминда Удайакумар

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ ЭЭС

С ПОМОЩЬЮ НАКОПИТЕЛЕЙ ЭНЕРГИИ.

1.1. Анализ тенденций развитии современных ЭЭС.

1.2. Режимные параметры НЭ.

1.3. Основные элементы НЭ и их назначение.

1.4. Влияние НЭ на показатели работы ЭЭС.

1.5. Типы НЭ.

1.6. Сравнение НЭ и их практическое применение.

1.7. Постановка задачи работы.

1.8. Выводы.:.

ГЛАВА 2. МЕТОДИКА ВЫБОРА ОПТИМАЛЬНЫХ МЕСТ

УСТАНОВКИ НЭ В ЭЭС.

2.1. Введение.

2.2. Критерии оптимальности размещения НЭ.

2.3. Определение графиков работы НЭ.

2.4. Методика размещения НЭ в ЭЭС.

2.5. Алгоритмы оптимального размещения НЭ в ЭЭС.

2.6. Повышение вычислительной эффективности алгоритмов при определении изменения потерь мощности.

2.7. Выводы.

ГЛАВА 3. УЧЕТ РЕЖИМНЫХ ПАРАМЕТРОВ ПРИ УСТАНОВКЕ НЭ В

3.1. Введение.

3.2. Алгоритм размещения НЭ с учетом режимных параметров.

3.3. Требования к методу расчета установившегося режима в задачах размещения НЭ в ЭЭС.

3.4. Алгоритм расчета установившегося режима для разомкнутых сетей.

3.5. Выводы.

ГЛАВА 4. РАСЧЕТЫ ПО РАЗМЕЩЕНИЮ НЭ В ЭЭС И ИХ АНАЛИЗ

4.1. Введение.

4.2. Результаты размещения НЭ в ЭЭС по алгоритму 1.

4.3. Результаты размещения НЭ в ЭЭС по алгоритму 2.

4.4. Результаты размещения НЭ в ЭЭС по алгоритму 2(U).

4.5. Сопоставление результатов и их анализ.

4.6. Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Оптимизация размещения накопителей энергии в электрических сетях»

Электрические нагрузки современных электроэнергетических систем (ЭЭС) имеют резко выраженную неравномерность в суточном, недельном, сезонном и годовом разрезах. Технический прогресс и появление новых видов электрических устройств в промышленных, коммунально-бытовых и сельскохозяйственных отраслях приводит к увеличению неравномерности графиков нагрузки. Основной особенностью ЭЭС является одновременность выработки и потребления электроэнергии. По этой причине графики генерирующих мощностей также имеют резко выраженную неравномерность, что является крайне нежелательным не только с технической, но и с экономической точек зрения. Поэтому выравниванием графиков нагрузки ЭЭС занимаются с давних пор и эта задача является одной из важных оптимизационных задач электроэнергетики.

В последние годы большое внимание уделялось созданию принципиально новых устройств, способных аккумулировать электрическую энергию, что позволяет рассматривать процессы ее выработки и потребления по отдельности. Таким образом, появление накопителей энергии (НЭ) как новых элементов ЭЭС способствует выравниванию графиков нагрузок, и тем самим уменьшению расхода топлива. Применение НЭ в ЭЭС началось довольно давно, но в силу объективных причин их массовое применение было невозможным или экономически невыгодным. Во многом это было связано с низкой маневренностью и жесткостью требований к месту установки НЭ. Развитие полупроводниковой преобразовательной техники, а также появление сверхпроводящих материалов привело к появлению НЭ с повышенной маневренностью и с минимальными требованиями к месту установки. Интерес к НЭ в мире все больше и больше возрастает, и в последнее 15 лет достаточно большое их число было установлено во многих ЭЭС мира. В соответствии с прогнозом [1] к 2000г. более 15 % от всей выработанной энергии будет проходить через системы накопления, прежде чем попасть к потребителю. Поэтому возникает необходимость в определении технико-экономической эффективности функционирования НЭ в ЭЭС, их оптимальных параметров, выбора мест установки.

Кроме выравнивания графиков нагрузки НЭ используются как многофункциональные устройства, которые способны одновременно решать целый ряд задач, возникающих при работе ЭЭС: снижение потерь мощности и электроэнергии, поддержание постоянных напряжений в некоторых точках ЭЭС, повышение экономической эффективности резервов мощности, обеспечение статической устойчивости возможных режимов работы ЭЭС с заданным запасом, регулирование потоков обменных мощностей между ЭЭС.

Задача выбора мощности и размещения НЭ в ЭЭС является сложной оптимизационной задачей. Ее решение можно разделить на три этапа. На первом этапе определяется суммарная мощность и энергоемкость НЭ, которые экономически целесообразно установить в системе [2]. Основой для такого решения является учет таких факторов, как уменьшение пика нагрузки системы и, следовательно, уменьшение мощности пиковых станций и энергоблоков, связанное с этим уменьшение расхода топлива, уменьшение необходимого резерва мощности и отсрочка капиталовложений в развитие генераторных мощностей и электрических сетей. Далее решается задача определения экономически целесообразных параметров отдельных модулей НЭ и в первую очередь их номинальной мощности [3,4]. Следующая по важности задача - это правильный выбор мест установки НЭ в электрической сети ЭЭС. На размещение НЭ в ЭЭС наиболее существенное влияние оказывает изменение потерь мощности и электроэнергии в сетях и принятый подход к выравниванию графиков нагрузки. Решение данной проблемы рассматривается в данной работе.

Выравнивание графика нагрузки в результате установки НЭ может рассматриваться в двух направлениях: 1)выравнивание суммарного графика нагрузки системы, 2)выравнивание графика нагрузки в том узле, где устанавливается НЭ. Выбор того или иного способа выравнивания графиков нагрузки зависит от решаемой с помощью НЭ задачи. Если ставится задача максимального выравнивания графика нагрузки системы, то в этом случае режим работы НЭ должен подчиниться решению этой задачи и будет одинаковым для всех НЭ с соответствующим выбором мест их установки. При этом режим разряда НЭ в конкретном узле может не совпадать с максимумом нагрузки этого узла.

В ряде случаев может возникать задача сглаживания графиков нагрузки, уменьшение пиков нагрузки в отдельных узлах ЭЭС. Это может быть при кратковременных включениях потребителей большой мощности в часы, не совпадающие с максимумом нагрузки системы. НЭ в этом случае является демпфирующим элементом между генераторами и потребителями, работающими в нестационарных режимах. Кроме снижения потерь мощности и электроэнергии НЭ в этом случае позволяет улучшить устойчивость работы нагрузки и системы. В этих условиях график работы каждого НЭ будет индивидуальным и отвечающим условию максимального выравнивания нагрузки в узле установки НЭ.

В том и другом случае работа НЭ приводит к изменению потоков мощности ЭЭС и, следовательно, к изменению потерь мощности и электроэнергии.

Потери электроэнергии являются одним из важных показателей функционирования ЭЭС. При передаче электроэнергии от вала генератора к валу двигателя суммарные потери энергии в генераторе, сети, трансформаторе и двигателе составляют около 30% всей выработанной на станции энергии. Из них значительная часть (-18 %) приходится на электрические сети [5].

Поэтому размещение НЭ в ЭЭС с одновременным снижением потерь электроэнергии повышает уровень полезного использования энергетических ресурсов.

Данная диссертационная работа посвящена разработке методов оптимального размещения НЭ в ЭЭС при заданных значениях номинальных параметров НЭ и их количестве с целью выравнивания графика нагрузки и минимизации потерь электроэнергии, а также исследованию изменения графиков нагрузки и потерь электроэнергии в ЭЭС после установки НЭ с помощью разработанных методов.

Диссертационная работа общим объемом 129 печатных страниц, состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 54 наименований, шести приложений, содержит 27 рисунков и 46 таблиц.

Заключение диссертации по теме «Электростанции и электроэнергетические системы», Курувита Араччиге, Чаминда Удайакумар

3.5. Выводы

1. Учет действующих значений напряжений при определении потерь мощности требует многократного выполнения расчетов установившихся режимов. При решении данной задачи применение большинства стандартных методов приводит к усложнению общего алгоритма или к снижению его быстродействия.

2. Предложен новый метод и алгоритм расчета установившегося режима для разомкнутых электрических сетей, преимуществами которого является простота реализации, быстродействие, минимальный объем требуемой памяти машины.

ГЛАВА 4.

РАСЧЕТЫ ПО РАЗМЕЩЕНИЮ НЭ В ЭЭС И ИХ АНАЛИЗ

4.1. Введение

Основной задачей, решаемой с помощью накопителей электроэнергии, является выравнивание графиков нагрузки. Преимущественно по этому признаку определяются номинальная мощность и количество НЭ для заданной электрической сети. Наряду с этим оптимальное размещение НЭ позволяет повышать технико-экономические показатели функционирования самой электрической сети. Во второй и третьей главах описаны алгоритмы по размещению НЭ в ЭЭС по условию минимизации потерь электроэнергии. По этим алгоритмам были разработаны программы по размещению НЭ в ЭЭС. Целью данной главы является проведение тестовых расчетов и сравнительный анализ результатов, полученных с помощью этих программ. Размещение НЭ проводится с помощью следующих методов: Алгоритм 1:

Размещение НЭ в электрической сети по минимуму потерь электроэнергии или их стоимости с выравниванием индивидуальных графиков нагрузок потребителей. Алгоритм 2:

Размещение НЭ в электрической сети по минимуму потерь электроэнергии или их стоимости с выравниванием суммарного графика нагрузки ЭЭС без учета режимных параметров сети. Алгоритм 2 (И):

Размещение НЭ в электрической сети по минимуму потерь электроэнергии или их стоимости с выравниванием суммарного графика нагрузки и с учетом режимных параметров сети.

В качестве тестовой схемы была выбрана электрическая сеть, конфигурация которой приведена в приложении 2. Данные по ветвям, активные и реактивные мощности в узлах в течение суток, номинальные напряжения в узлах приведены в приложении 3. Основные характеристики этой схемы приведены в табл. 4.1.

Заключение

За последние 15 лет немало усилий были сделано в области выравнивания графиков нагрузок. В первую очередь это связано с появлением таких накопители энергии (НЭ) как емкостные накопители, аккумуляторные батареи, сверхпроводящие индуктивные накопители. Благодаря снижению требований к месту установки и уменьшению времени реверса стало возможным размещение их практически в любом месте ЭЭС и использование их в качестве многофункциональных устройств. В силу ряда причин массовое применение этих НЭ в ЭЭС пока ограничено. Некоторые из них пока находятся на стадии опытных образцов или эксплуатируются в небольших ЭЭС. Однако результаты проводимых исследований говорят о высокой вероятности их использования в больших ЭЭС. Ведущие специалисты полагают, что мощности НЭ могут быть сравнимы с мощностью генераторов. В многих странах ведутся работы: определению оптимальной суммарной мощности НЭ в ЭЭС, по определению оптимальных параметров используемых НЭ. Эти вопросы широко обсуждаются в литературе. Однако пока нет ясного ответа на вопрос; каким образом разместить эти НЭ в узлах ЭЭС. В данной работе сделана попытка размещения их по критерию минимума потерь электроэнергии или минимума затраты на возмещения этих потерь при обеспечении выравнивания графиков нагрузки. В данной работе:

1. Предложен метод размещения НЭ в ЭЭС исходя из выравнивания индивидуальных графиков нагрузки.

2. Предложен метод размещения НЭ в ЭЭС исходя из выравнивания суммарного графика нагрузки.

3. Предложен новый алгоритм оптимизации размещения НЭ в разомкнутых электрических сетях, учитывающий изменение режимных параметров вследствие установки НЭ и отвечающий по своему быстродействию требованиям оперативного управления.

4. Для уменьшения пика нагрузки отдельных узлов можно рекомендовать алгоритм 1. Однако при этом сглаживающий эффект для суммарного графика нагрузки системы снижается.

5. Для выравнивания суммарного графика нагрузки системы используется второй алгоритм. При этом режимы работы всех НЭ сосредоточены в периодах провала и пика нагрузки системы. В этом случае коэффициент неравномерности отдельных нагрузочных узлах может уменьшаться. При размещении НЭ с помощью алгоритма 2 наблюдается наиболее равномерное их распределение между узлами.

6. При размещении НЭ по предложенным алгоритмам уменьшение потерь электроэнергии составляет до 0,4% в зависимости от их энергоемкости. Из алгоритмов 1 и 2 наибольшее уменьшение потерь электроэнергии наблюдается при использовании алгоритма 2.

7. С увеличением стоимости пиковой электроэнергии в результате размещения НЭ потери электроэнергии в сети могут даже увеличиваться. Однако при этом существенно уменьшаются затраты на возмещение потерь электроэнергии. Кроме того, количество узлов, в которых размещаются НЭ, в данном случае увеличивается.

8. При учете текущих режимных параметров ЭЭС до и после размещения НЭ снижение потерь электроэнергии или снижение стоимости потерь электроэнергии еще больше увеличиваются. Кроме того, места размещения НЭ в ЭЭС при использовании алгоритмов 2 и 2(11) не всегда совпадают. Это говорит о том, что при размещении более одного НЭ для получения точной информации о местах их размещения может оказаться необходимым учет изменения режимных параметров системы.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Курувита Араччиге, Чаминда Удайакумар, 2000 год

1. Электроэнергетика России. История и перспективы развития. Под. ред. А.Ф.Дьякова, М.: АО Информэнерго, 1997, 568с.

2. Zaininger H.W., Clark Н.К. Technical and economical evaluation of utility battery storage applications. Fourth Int. EPRI Conf. "Batteries for utility energy storage", Berlin, 1993, pp. 312-329.

3. Herlender K., Styczynski Z.A., Dominic H. Determination of economic battery energy storage size for distribution. EESAT 1998, ISBN-1-874290-10-5, Chester, 1998, pp.145-151

4. Feser K., Styczynski Z.A. Planning of medium voltage power systems with energy storage for load leveling. PSCC -11, Avignon, 1993, pp.741-748.

5. Электрические системы. Режим работы электрических систем и сетей. Под ред. Веникова В.А. М.: Высшая Школа, 1975. 344 с.

6. Электрические системы. Математические задачи электроэнергетики. Под ред. Веникова В.А. М.: Высшая Школа, 1981. 288с.

7. Веников В.А., Журавлев В.Г., Филиппова Т.А. Оптимизация режимов электростанций и энергосистем. М.:Энергоатомиздат, 1990. 352 с.

8. Астахов Ю.Н., Веников В.А., Тер-Газарян А.Г. Накопители энергии в электрических системах. М.: Высшая Школа, 1989, 159 с.

9. Неклепаев Б.Н. Электрическая часть станции и подстанции. М.:Энергоатомиздат, 1986, 640 с.

10. Ter-Gazarian A.G. Energy storage for power systems. IEE Energy Series 6, ISBN 0 86341 264 5, London, 1994, 232 p.

11. П.Симакин И.П. и др. Покрытие переменной части режимов работы энергосистем. М.:Энергия, 1974.

12. Астахов Ю.Н., Веников В.А., Тер-Газарян А.Г. Роль накопителей электрической энергии в электрических системах. Труды МЭИ, 1980, вып.486, с.65-74.

13. И.Астахов Ю.Н., Веников В.А., Иванов A.M. и др. Функциональные возможности накопителей электрической энергии в энергосистемах. Электричество, 1983, № 4, с. 1-8.

14. Н.Астахов Ю.Н., Веников В.А., Тер-Газарян А.Г. и др. Использование накопителей в энергосистемах. Научные труды МЭИ, 1984, №41, с. 122-128.

15. Drost М.К., Somasundaram S., Brown D.R. Opportunities for thermal energy storage in electrical utility applications. Pacific northwest lab., Richland, WA, USA, 1981.

16. McCormack R.A. Use of clutches for off-peak thermal energy storage. Proc. of the 25th Intersociety energy conversion engineering conference, New York, USA, 1990, pp. 300-305.

17. Underground pumped storage research priorities. EPRI Planning study AF-182, Apr. 1976.

18. Longman D. Special factors affecting coastal pumped storage systems. Presented at the Far East conference on electrical power supply industry (CEPSI), Hong Kong, 1978.

19. Stys Z.S. Air storage system energy transfer plants. Proc.IEEE, vol.71, 1983, pp. 1079-1086.

20. Lozza G. Improvements in performance of compressed air energy storage plants by using combined gas/steam cycles. Pt.A: Calculation procedure and basic steam-injected cycles in future for energy (Oxford University Press), 1990, pp. 853-864.

21. Фернандес P.А. и др. Новые принципы аккумулирования энергии и их применения в энергосистемах. В книге Энергетика мира, М.: Энергия, 1976, с.154-161.

22. Godin P. Batteries for storage in utility networks. CIGRE Int.Conf. on large high voltage electric system, Paris, France, Aug. 1980.

23. Cook G.M., Spindler W.C., Grete G. Overview of battery power regulation and storage. IEEE Trans. Energy Conversion, 1991, vol. 6, № 1, pp. 204-211.

24. Jono M. Characteristics of special accumulator batteries for electricity generating systems using sunlight and some practical examples. Int. journal of solar Energy (UK), 1990, vol.8, № 3, pp. 161-172.

25. Бортников Ю.С. и др. Эффективность накопителей энергии различных типов. Изв. АН СССР, Энергетика и Транспорт, 1973, № 4, с.97-101.

26. Гук И.П., Сивков А.А., Корольков В. Л. Вывод энергии из молекулярных накопителей. Электричество, 1991, №12, с 53-55.

27. Антонюк О.А., Балтаханов A.M., Бобиков В.Е. Расчет индуктивности плоской ошиновки емкостных накопителей энергии. Электричество, 1991, № 9, с 69-74.

28. Иванов A.M., Герасимов А.Ф. Молекулярные накопители электрической энергии на основе двойного электрического слоя. Электричество, 1991, № 8, с 16-19.

29. Boenig R., Nielsen R., Sueker К. Design and operating experience of an AC/DC power convertor for a superconducting magnet energy storage unit. IEEE, Industry Application Society, 1984 Meeting, Chicago, Oct. 1984.

30. Faymon K.A., Myers I.Т., Connolly D.J. High temperature superconductivity technology for advanced space power systems. Space Power (UK), 1990, № 9.

31. Shintomi Т., Masuda ML, Ishikawa Т., Akita S., Tanaka Т., Kaminosono H. Experimental study of power system stabilisation by superconducting magnetic energy storage. IEEE Trans., 1983, MAG-19, p. 350.

32. Hassenzhl W.V., Schainker R.B., and Peterson T.M. Superconducting energy storage. Modern Power Systems (UK). 1991, vol 11, № 3, pp. 27- 31.

33. Астахов Ю.Н., Веников В.А., Сумин А.Т., Тер-Газарян А.Т. Возможности транспорта электрической энергии с помощью линейных накопителей энергии. Труды МЭИ, 1981, вып. 6, с. 59-64.

34. Веников В.А., Астахов Ю.Н., Тер-Газарян А.Г. и др. Требования, предъявляемые электрической системой к электропередаче от новых источников электроэнергии. Труды МЭИ, 1981, вып. 518, с. 8-14.

35. Feser К., Styczynski Z.A. Distributed energy storage for power systems (selected problems). ISBN 3-89653-336-3, Aachen, 1998, 131p.

36. Haubrich H.J. Battery energy storage. Handbook. ISBN 3-89653-188-3, Aachen 1996.

37. Kraemer K., Schneider P., Styczynski Z.A. Use of energy storage in the power system and options for the polish power system. 8th international conference of the problems of power engineering , June 1997, pp 203- 210.

38. Kuenisc H.J., Kraemer K., Dominik H. Battery energy storage -another option for load-frequency control and instantaneous reserve. IEEE Transactions on energy conversion, 1986, №3.

39. Идельчик В.И. Электрические системы и сети. М.: Энергоатомиздат, 1989, 592 с.

40. Stroev V.A., Gremiakov A.A., Arachchige C.U., Styczynski Z.A. Optimal Allocation of Energy Storage devices in electrical power systems. 13-th PSCC in Trondheim, June 28-July 2 1999, pp.510-515.

41. Stroev V.A., Gremiakov A.A., Arachchige C.U., Styczynski Z.A. Optimization of distribution and operation of energy storage devices in power systems. APE,1999, pp.91-96.

42. Строев В.А., Гремяков А.А., Надеждин С.В., Араччиге К.У. Оптимизация размещения накопителей энергии в электрической системе. Вестник МЭИ,2000, №1, с. 53-58.

43. Идельчик В.И., Расчеты и оптимизация режимов электрических сетей и систем. М.: Энергоатомиздат, 1988, 288 с.

44. Амосов А.А., Дубинский Ю.А., Копченова Н.В. Вычислительные методы для инженеров. М.: Высшая Школа, 1994, 544 с.

45. Stott В. Decoupled Newton load flow. IEEE Trans., PAS-91, 1972, pp. 19551959.

46. Stott В., Alsac O. Fast decoupled load flow. IEEE Trans., PAS-93, 1974, pp. 859869.

47. Felix Wu. F. Theoretical study of the convergence of the fast decoupled load flow. IEEE Trans., PAS-96, 1977, pp. 268-273.

48. Брамеллер А., Аллан P., Хэмэм. Слабозаполненные матрицы: Анализ электрических систем. Пер. с англ., М.: Энергия, 1979, 192 с.

49. Строев В.А. Методы решения уравнений установившихся режимов электрических систем. М.: МЭИ, 1988, 79 с.

50. Емелина Е.Н. Основы программирования на языке Паскаль. М.: Финансы и статика, 1997, 208 с.9(0> 8(1).