Разработка методики технико-экономического обоснования структуры и параметров энергокомплекса на базе возобновляемых источников энергии тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.14.08, кандидат технических наук Сидельников, Андрей Иванович

• Сидельников, Андрей Иванович
• кандидат технических наук
• 2006

Оглавление диссертации кандидат технических наук Сидельников, Андрей Иванович

ВВЕДЕНИЕ

1. Глава АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ РАБОТ ПО СОЗДАНИЮ

ЭНЕРГОКОМПЛЕКСОВ И САПР ЭНЕРГОКОМПЛЕКСОВ.

1.1. Обоснование необходимости выполнения работ по САПР ВИЭ.

1.2. Постановка задачи и основные этапы ее решения.

1.3. Анализ состояния и тенденции развития САПР.

1.4. Состав автоматизированных систем.

1.5. Характерные особенности САПР.

1.6. Методы решения задач проектирования.

1.7. Оценка альтернатив.

1.8. Классификация САПР.

1.9. Методология создания и развития САПР.

1.10. Критерии эффективности САПР.

1.11. Классификация задач САПР ВИЭ и их анализ.

1.12. Состояние развития САПР ВИЭ.

1.13. Базовый вариант ТЗ на проектирование энергокомплекса на базе ВИЭ.

1.14. Выводы по первой главе.

2. Глава СТРУКТУРНО - ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ МОДЕЛЬ ЭНЕРГОКОМПЛЕКСА.

2.1. Формальная модель энергокомплекса для САПР ВИЭ.

2.2. Описание схемы энергокомплекса.

2.3. Выбор принципа построения моделирующего алгоритма.

2.4. Реализация моделирующего алгоритма.

2.5. Реализация системы управления модели.

2.6. Модель агрегата "внешняя среда".

2.7. Агрегат модели, моделирующий "ГЭС".

2.8. Агрегат модели, моделирующий "ВЭС".

2.9. Агрегат модели, моделирующий "СЭС".

2.10. Агрегат модели, моделирующий аккумулятор.

2.11. Блок оптимизации.

2.11.1. Машинный синтез.

2.11.2. Синтез на базе библиотеки функций.

2.12. Выбор адаптируемого и приобретаемого ПО.

2.13. Функциональное наполнение пакета моделирования.

2.14. Выводы по второй главе.

3. Глава ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПО ПРЕДЛОЖЕННОЙ МЕТОДИКЕ

3.1. Планирование машинных экспериментов.

3.2. Тестовая группа исследований "Особенности машинной реализации модели".

3.3. Основная группа исследований "Особенности функционирования моделируемого объекта".

3.3.1. Энергокомплекс работает в энергосистеме.

3.3.2. Энергокомплекс работает на локального потребителя.

3.4. Выводы по третьей главе.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка методики технико-экономического обоснования структуры и параметров энергокомплекса на базе возобновляемых источников энергии»

Новая структурная политика в области электроэнергетики на ближайшие 10-15 лет подразумевает дальнейшее развитие электрификации за счет экономически и экологически обоснованного использования ТЭС, АЭС, ГЭС и источников нетрадиционной возобновляемой энергии /1/. Рассматривая структуру топливно-энергетического комплекса (ТЭК) Российской Федерации можно констатировать, что часть регионов являются энергоизбыточными, а часть энергодефицитными. Большинство регионов в настоящий момент не обеспечены собственными энергоресурсами в достаточном объеме и со временем их дифференциация будет возрастать. Увеличение данной дифференциации означает усиление зависимости региональной политики одного региона от политики другого. Для снятия данного ограничения энергетическая политика энергодефицитных регионов будет направлена на исследование возможности использования собственных энергоисточников или на строительство электростанций Федерального значения. В качестве собственных энергоисточников в данных исследованиях рассматриваются различные варианты использования возобновляемых источников энергии /2/.

В России, как и в США /3/ хорошим коммерческим рынком для использования возобновляемых источников энергии, работающих на локального потребителя, является телекоммуникационный рынок, где необходима энергия для работы различных повторителей и усилителей, удаленно расположенных от источников централизованной системы энергоснабжения. За 2001 год в США ввод новой мощности в данном секторе рынка, достиг 9.0 МВт , для устройств использующих только фотоэлектрические преобразователи.

В условиях общепринятого мирового роста цен на энергию стоимость выработки электроэнергии на базе возобновляемых источников падает. Так стоимость фотопреобразователей уменьшается примерно в 10 раз каждые 20 лет. Поэтому решения, которые раньше оказывались экономически не выгодными, перестают являться таковыми.

Отчет фирмы ВТМ (Великобритания) показывает , что при сохранение современного темпа роста рынка продаж ветроэлектростанций в ближайшие 10-ть лет 2% от вырабатываемой мировой электроэнергии будет выдаваться ветроэлектростанциями /4/.

На территории РФ успешно реализовано ряд проектов строительства малых ГЭС в Кабардино-Балкарии, Карелии, Адыгее, Кировской области, Новгородской области, Краснодарском крае.

По данным фирмы NYD Associates Inc. (Канада) , занимающейся строительством малых ГЭС, рост интереса к проектам, рассматривающим возобновляемые источники энергии, в мире связан с необходимостью соблюдения требований Киотского протокола /5/.

В настоящий момент как в России, так и за рубежом выпускаются гибридные электростанции (hybrid power stations), предназначенные для работы на локального потребителя.

Данные станции используют несколько видов энергетических источников (в том числе и на базе ископаемого топлива) для производства электроэнергии. За 2001 год в мире ввод новой мощности для гибридных электростанций, использующих в своем составе фотоэлектрические установки достиг значения 36 Мвт /3/. При этом надо учитывать , что стоимость устанавливаемой мощности солнечной электростанции (СЭС) не является самой дешевой среди преобразователей возобновляемой энергии.

Одним из требований потребителей электроэнергии является требование к надежности энергоснабжения. Так как ни ветроэлектростанции (ВЭС), ни СЭС, ни ГЭС по водотоку не могут удовлетворить этому требованию сами по себе, в отличие от ТЭС, то данные преобразователи должны рассматриваться в составе энергокомплекса, включающего в свой состав элементы, позволяющие гарантировать потребителю надежность энергоснабжения.

Если описанные выше преобразователи возобновляемой энергии работают в составе энергосистемы, то часть электростанций ведет совместный режим с этими преобразователями для обеспечения надежности снабжения электроэнергией потребителя. В случае, когда эти преобразователи работают на автономного потребителя, данные функции, как правило, выполняет дизель генератор (ДВС - генератор) или аккумулятор.

Таким образом, в рамках задач проектирования энергокомплекса должны рассматриваться задачи связанные с выбором оптимального состава и параметров преобразователей возобновляемой энергии, которые наилучшим образом должны удовлетворять поставленной цели.

В качестве целей САПР энергокомплекса должны рассматриваться задачи по оптимальному выбору состава и параметров преобразователей возобновляемой энергии, для работы в энергосистеме или автономно.

При известной сложности задач проектирования ГЭС, задача проектирования энергокомплекса по мощности множества рассматриваемых альтернатив превосходит задачу проектирования ГЭС. При возрастающей трудоемкости возникающих задач для сохранения прежней эффективности проведения работ необходимо повысить степень автоматизации процессов возникающих в рамках этих задач. Поэтому в качестве одного из факторов, обусловливающих актуальность данной работы, является требование к получению инструментария, позволяющего эффективно решать возникающие задачи.

Отсутствие необходимой методики не позволяет в полной мере решать задачи связанные с комплексным использованием возобновляемых источников энергии. Существующие в настоящий момент работы показывают качественную эффективность совместной работы возобновляемых источников энергии, в то время как для практического совместного использования возобновляемых источников энергии необходимо перейти к количественным характеристикам данных систем.

Развитие технического прогресса приводит к появлению новых решений по преобразователям возобновляемой энергии и как следствие к требованию по рассмотрению новых источников энергии в качестве альтернатив. Отсутствие методики позволяющей оценить совместное использование данного преобразователя энергии с другими замедляет весь процесс выполнения проекта, уменьшает возможность автоматизации технологических процессов, что приводит к удорожанию проектирования. Другими словами проект из типового переходит в разряд индивидуальных. Стоимость экспертизы такого проекта также возрастает и как следствие это ведет к увеличению рисков связанных с инвестициями в проект.

Поэтому возникла задача построения методики проектирования энергокомплекса, позволяющей:

• С единой позиции производить синтез облика проектируемого объекта и вести его экспертизу. При этом энергокомплекс может иметь различный состав" преобразователей , различный режим работы (работать в энергосистеме или автономно) и оборудование.

• Уменьшать размерность возникающих задач за счет того, что каждый эксперт, задействованный в проекте, может работать с моделью только одного объекта, не затрагивая остальные объекты энергокомплекса.

Правильное построение методики расчета опирающейся на использование средств вычислительной техники не является достаточным условием практического использования данной методики. Необходимо также произвести оценку требуемой производительности средств вычислительной техники, оценку трудоемкости программной реализации данной методики, подготовить рабочую документацию и.т.д. На территории Российской Федерации накоплен более чем 20 летний опыт работ по автоматизации проектирования, а в США этот срок превышает 50 лет /6/. Поэтому при автоматизации проектных работ по энергокомплексу на базе возобновляемых источников энергии (ВИЭ) должен быть учтен мировой и отечественный опыт разработки модулей САПР и методов, использованных в данных системах для решения задач встречающихся при проектирование энергокомплекса на базе ВИЭ.

Цель работы: Разработка методики расчета параметров энергокомплекса на базе ВИЭ, позволяющей с единой позиции вести расчет и экспертизу различных вариантов проектируемого энергокомплекса и его компонент.

Методы исследований: Структурный анализ , имитационное моделирование и планирование эксперимента.

Научная новизна: Научная новизна заключается в следующем:

• Показана эффективность исследований в направление создания энергокомплексов на основе возобновляемых источников энергии, в том числе на базе существующих ГЭС;

• Выявлены достоинства применения методов построения САПР для разработки методов и программных средств быстрой оценки эффективности создания энергокомплексов на основе ВИЭ;

• Разработана и опробована методика расчета параметров энергокомплекса на базе ВИЭ для оценки различных вариантов использования преобразователей и накопителей энергии. Методика основывается на анализе структуры и динамики функционирования энергокомплекса (имитационное моделирование).

• На основе разработанной методики получена оценка эффективности создания энергокомплексов, в том числе на базе действующих малых и средних ГЭС.

Практическая ценность: Разработана методика, позволяющая с единой позиции рассматривать задачи, связанные с проектированием энергокомплекса и экспертизой принятых проектных решений.

• Разработанная методика позволяет получать технико-экономическую оценку параметров энергокомплекса, работающего автономно или в составе энергосистемы. Данная методика может быть использована экспертами, инвесторами, заказчиками или проектировщиками.

Методика реализована в виде программы имитационного моделирования, которая может быть использована как в составе системы автоматизированного проектирования энергокомплексов на базе возобновляемых источников энергии (САПР ВИЭ), так и в составе автоматизированной системы научных исследований в области возобновляемых источников энергии (АСНИ ВИЭ), а также в качестве учебно-лабораторного средства профильных учебных заведений.

Определены оценки относительного изменения гарантированной мощности ГЭС в составе энергокомплекса и его многолетней выработки на примере моделируемого энергокомплекса, располагаемого в створе Даховской ГЭС.

Заключение диссертации по теме «Энергоустановки на основе возобновляемых видов энергии», Сидельников, Андрей Иванович

3.4. Выводы по третьей главе

В ходе исследований по применимости модели для синтеза энергокомплекса при его работе в составе энергосистемы показано:

1) существует зона линейного роста гарантированной мощности энерго-комполекса при наращивание мощности ВЭС или СЭС , при их совместной работе с ГЭС , в которой относительный прирост гарантированной мощности энергокомплекса имеет свое максимальное значение. Оценки показывают, что 10% и 6% от устанавливаемой мощности ВЭС идет на повышение гарантированной мощности энергокомплекса, для режима работы ГЭС 5 часов и 3 часа соответственно. Также было показано существование зоны постепенного уменьшения скорости роста гарантированной мощности энергокомплекса до нуля, при наращивание мощности ВЭС и СЭС. Все диапазоны наращивания мощностей ВЭС и СЭС , могут быть определены с использованием разработанной методики;

2) существует оптимальное значение мощности ВЭС или СЭС совместная работа, которой с ГЭС приводит к максимальному увеличению среднегодовой выработки энергокомплекса. Данное значение может быть найдено при помощи разработанной методики. Оценки показывают, что в зависимости от параметров ГЭС и ВЭС или ГЭС и СЭС увеличение среднемноголетней выработки системы из-за совместного использования принадлежит диапазону [2-20%] от среднемноголетней выработки ГЭС. Также было показано существование диапазона наращивания мощностей ВЭС или СЭС в котором совместный режим работы с ГЭС не эффективен. Оценки показывают, что переход в диапазон, в котором совместный режим работы ГЭС с ВЭС или СЭС становится не эффективен наступает в случае, когда установленная мощность ВЭС или СЭС превосходит установленную мощность ГЭС;

При исследовании вопроса работы предлагаемой методики для расчета энергокомплекса работающего на локального потребителя была выполнена вторая подгруппа экспериментов в рамках основной группы экспериментов. В качестве критерия эффективности проектного решения был принят критерий минимальной стоимости одного кВтч отпускаемой электроэнергии, при заданном простом сроке окупаемости.

Результаты исследований показали, что существует оптимум по параметрам энергокомплекса , работающего на локального потребителя по критерию минимум стоимости одного кВтч отпускаемой электроэнергии. Данное значение может быть найдено с использованием разработанной методики.

В результате проведенных исследований была доказана возможность реализации предлагаемой методики и обоснованность теоретических положений выдвинутых в данной работе.

Основные научные и практические результаты, полученные в диссертации, заключаются в разработке методики позволяющей решать задачи синтеза и анализа параметров энергокомплекса на базе ВИЭ.

1. Показана эффективность создания энергокомплексов на базе существующих ГЭС. Анализ результатов исследования показал наличие зоны линейного роста гарантированной мощности энергокомполекса при наращивании мощности ВЭС или СЭС , в случае совместной работы их с ГЭС, в которой относительный прирост гарантированной мощности энергокомплекса имеет свое максимальное значение. В данном диапазоне относительный прирост гарантированной мощности энергокомплекса принадлежит диапазону [10%, 6%] от установленной мощности ВЭС и СЭС. В ходе исследования было показано, что существует оптимальное значение мощности ВЭС или СЭС совместная работа, которой с ГЭС приводит к максимальному увеличению среднегодовой выработки энергокомплекса. Исследования показывают, что в зависимости от параметров ГЭС и ВЭС или ГЭС и СЭС увеличение среднемноголетней выработки системы из-за совместного использования принадлежит диапазону [2-20%] от среднемноголетней выработки ГЭС

2. Показана применимость методов построения САПР для решения задач технико-экономической оценки эффективности создания энергокомплексов на базе ВИЭ. Разработана имитационная модель для схемного и параметрического синтеза энергокомплекса на базе ВИЭ. Данная модель позволяет получать различные комбинации ВИЭ , накопителей ЭЭ, без перестройки моделирующего алгоритма. За счет возможности получения различных схем совместного использования ВИЭ разработанная модель позволяет решать задачи связанные с синтезом и анализом ЭК работающего в ЭС и на локального потребителя. Разработанная модель также позволяет решать задачи связанные с оптимизацией совместной работы ГЭС с другими ВИЭ. Адаптированы модели отдельных преобразователей ВИЭ для их использования в модели энергокомплекса.

3. Разработана методика расчета параметров энергокомплекса на базе ВИЭ.

4. Для апробации разработанной методики выполнены исследования, показавшие работоспособность методики для определения оптимальной структуры энергокомплекса на базе ГЭС, ВЭС и СЭС, работающего в энергосистеме и на локально потребителя. На базе проведенного исследования рекомендовано совместное ведение режима ГЭС с другими преобразователями ВИЭ для случая, когда установленная мощность ГЭС больше чем установленная суммарная мощность преобразователей ВИЭ без аккумулятора. Исследование также показало, что для случая, когда установленная мощность ГЭС меньше установленной мощности преобразователей ВИЭ без аккумулятора, совместный режим работы ГЭС с остальными преобразователями ВИЭ должен вестись только с рядом агрегатов преобразователей ВИЭ. \

5. Выполнены исследования с моделью по оценки ее пригодности для решения задач синтеза оптимальной схемы и параметров энергокомплекса, работающего на локального потребителя. На базе экспериментальных данных получены графики, анализ которых позволяет определить оптимальную схему и параметры энергокомплекса.

6. Разработанная методика реализована в виде прикладного пакета моделирования предназначенного для использования в САПР ЭК на базе ВИЭ.

5. СПИСОК ОПРЕДЕЛЕНИЙ система автоматизированного проектирования (САПР) организационно - техническая система, состоящая из программно - технического комплекса автоматизации проектирования, пользователями которого являются сотрудники подразделений проектной организации, computer-aided design (согласно УДК 65.015.13.011.58:006.354 ОТРАСЛЕВОЙ СТАНДАРТ ГОСКОМВУЗА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ). автоматизированная система научных исследований (АСНИ) - это программно-аппаратный комплекс на базе средств вычислительной техники, предназначенный для проведения научных исследований или комплексных испытаний образцов новой техники на основе получения и использования моделей исследуемых объектов, явлений и процессов (ГКНТ СОЮЗА ССР). новые" и возобновляемые источники энергии - солнечная, геотермальная, ветровая, энергия морских волн, приливов и океана , энергия биомассы древесины, древесного угля, тяглового скота, сланцев, битумизированных песчаников и гидроэнергия, (резолюция 34/148 Генеральной Ассамблеи ООН 1978 г.). объект проектирования (проектируемое изделие) - это технический объект (ТО) , который выполняет определенные функции , состоящий из элементов , характеризующийся показателями и зависящий от внешних условий. В основе ТО лежат функции , реализующие необходимые потребности (цели) /14/. уровень автоматизации

Степень использования автоматизированных информационных технологий (automation level) при выполнении функций автоматизированной информационной системы, (согласно УДК 65.015.13.011.58:006.354 ОТРАСЛЕВОЙ СТАНДАРТ ГОСКОМ-ВУЗА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ). энергетическая система установки по производству , преобразованию , распределению и потреблению электроэнергии и теплоты , связанные между собой электрическими и тепловыми сетями с общим режимом управления /61/. энергокомплекс - энергетическая установка, состоящая из энергетических агрегатов основанных на разных принципах преобразования энергии и объединенных в единый технологический процесс (в том числе в процесс хозяйственного управления).

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Сидельников, Андрей Иванович, 2006 год

1. Новая энергетическая политика России, под ред. Шафраник Ю.К., М.:Энергоатомиздат, 1995.

2. Энергетика Карелии. Современное состояние, рресурсы и перспективы развития. Борисов Г.А., Сидоренко Г.И., СПб.: Наука ,1999.

3. The world PV market production increases 36%, Paul Maycock, UK: Renewable Energy World, July August, 2002.

4. Soaring to new heights the world wind energy market, Paul Gipe., // Renewable Energy World 2002, July August, p33 - 47

5. Kyoto Protocol to the United Nations Frameworks Convention on climate change / Conference of the Parties to the UNFCCC in Kyoto 1997.

6. Как правильно выбрать САПР ., Абакумов В., / Открытые системы № 2 ,1997.

7. Бельянский А.Б., Развитие малой энергетики путь выживания // Промышленное и гражданское строительство, 2002.

8. Технические характеристики генераторов типа СГ2-500, СГ2-600, СГ2-750, // Сафроновский электромашиностроительный завод, 2002.

9. Energy storage enabling a future for renewables , Richard Baxter., UK: Renewable Energy World, July August, 2002.

10. Comming of age-the energy revolution, Cristopher Flavin, Seth Dunn., // Re-neweble Energy World 1999, July p 29-32.

11. Как управлять проектами . Бурков В.Н., Новиков Д.А., М.: "Синтег -ГЭО", 1997.

12. Валуев, Шаг в XXI век, //Вестник воздушного флота №3,4,1996.

13. Англо русский толковый словарь по информатике., Мячев А.А., М.: "Приор", 1997.

14. Интеллектуальные системы принятия проектных решений. Алексеев А.В., Борисов А.Н., Вилюмс Э.Р., Слядзь Н.Н., Фомин С.А. Рига : Зи-натне, 1997г.

15. Современные проблемы технологии проектирования гидроэлектростанций. Михайлов Л.П.,Золотов Л.А., М.: МЭИ ,1991.

16. Кукк В.,Венделин Е., Управление вычислительным процессом /Автоматизация проектирования в электроники система SPADE/ Таллинский политехнический институт, 1982.-№ 535. С.33-45

17. Советов Б.Я.,Яковлев С.А.,Моделирование систем., М.:Высшая школа,1998.

18. Возможности модернизации АСУ ТП ГЭС в условиях ограниченного финансирования., Алиамаров A.M., Тягунов М.Г., Сидельников А.И. и др. // Гидротехническое строительство №6 , 2000. С 29-3419