CC BY
27Статья поступила в редакцию 30.04.14. Ред. рег. № 1989
RES BASED POWER COMPLEXES
The article has entered in publishing office 30.04.14. Ed. reg. No. 1989
УДК 621.311
К ВОПРОСУ ОБОСНОВАНИЯ СОСТАВА И ПАРАМЕТРОВ ОБОРУДОВАНИЯ ВЕТРО-ДИЗЕЛЬНОЙ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ
Р.С. Денисов
Санкт-Петербургский Государственный Политехнический университет НОЦ «Возобновляемые виды энергии и установки на их основе» 195251 Санкт-Петербург, Политехническая ул., 29, Тел/факс: +79217974549, е-mail: denisov@ice.spbstu.ru
Заключение совета рецензентов 05.05.14 Заключение совета экспертов 06.05.14 Принято к публикации 07.05.14
Ветроэнергетика является наиболее актуальным и перспективным направлением в области возобновляемой энергетики в мире. Для регионов крайнего севера повышение надёжности и эффективности энергоснабжения предлагается решать путём оптимизации состава оборудования, параметров и режимов работы ветро-дизельных электростанций (ВДЭС). В статье проанализирован состав оборудования ВДЭС, даны рекомендации по выбору оборудования в суровых климатических условиях. На основе методов многокритериальной оптимизации и процессов выбора оптимального решения предложена методика выбора состава оборудования по параметру мощности.
Ключевые слова: ВДЭС, ветроэнергетика, состав оборудования, параметры и режимы, оптимизация.
ON SUBSTANTIATION OF STRUCTURE AND PARAMETERS OF WIND-DIESEL
POWER PLANT EQUIPMENT
R.S. Denisov
Saint-Petersburg State Polytechnic University Science and Educational Center «Renewable Energy Sources» 29 Polytechnicheskaya St., St.-Petersburg, 195251, Russia Ph./fax: +7 (812) 552-80-68, e-mail: denisov@ice.spbstu.ru
Referred 05.05.14 Expertise 06.05.14 Accepted 07.05.14
Wind power is the most actual and perspective direction in renewable energy in Russia. In northern regions of Russia, increasing reliability and efficiency of power supply is suggested to be solved by optimizing the equipment composition, parameters and modes of operation of wind-diesel power plants. Structure of WDPP equipment is analyzed in the article and recommendations on selecting the equipment in harsh environments are given. Methodology for selecting the equipment according to the power parameter, based on multi-objective optimization techniques, and processes of the optimal solution are proposed.
Keywords: WDPP, wind power, equipment configuration, performances and modes, optimization.
Сведения об авторе: инженер Научно-образовательного центра «Возобновляемые виды энергии и установки на их основе» СПбГПУ. Образование: инженер по специальности «Электрические станции», КГТУ, г. Калининград.
Область научных интересов: ветроэнергетика, ветро-дизельные электростанции, энергоустановки, энергокомплексы на основе ВИЭ. Публикации: 3.
Роман Сергеевич Денисов
Введение
65% территории России находится в автономных зонах электроснабжения, в том числе значительная часть территории относится к северным регионам. Территории децентрализованного энергоснабжения находятся в зоне высокого ветропотенциала (со средними скоростями ветра более 5 м/с и удельной плотностью более 400 Вт/м2 [1]). Мировой опыт США (Аляски), Канады, Финляндии, Норвегии, Швеции - стран, имеющих схожие климатические
условия, показывает, что наиболее целесообразно создавать в северных регионах ветро-дизельные электростанции (ВДЭС). Однако в настоящее время не существует работ, изучающих разработку универсальной методики, с помощью которой возможен подбор оборудования для ВДЭС с высокой долей замещения дизельного топлива ветровой энергией.
Целью исследования является разработка методики обоснования оптимальных параметров автономной ВДЭС с высокой долей замещения для
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 11 (151) 2014
© Scientific Technical Centre «TATA», 2014
энергоснабжения удаленных потребителей в суровых климатических условиях. Разработка методики осуществляется на основе методов многофакторного анализа, учитывающего все параметры ВДЭС и критерии, на основании которых происходит оптимизация.
Постановка задачи
Вопросам обоснования параметров
энергетических объектов на основе возобновляемых источников энергии и решению оптимизационных задач посвящены работы таких учёных, как Ю.С. Васильев [2], В.И. Виссарионов [3], В.В. Елистратов [1, 2, 4-8], И.Г. Черноруцкий [9], Chen C.L. (Тайвань) [10], Timothy M. Weis (Канада) [11], Hu Y., Solana P. (Испания) [12], Yadav D.K. (Индия) [13] и др.
Для достижения поставленной цели необходимо решить задачу оптимизации параметров оборудования ВДЭС с учётом большого числа критериев:
/¿(Xj) ^ max/min; iE D; i = 1, ...,т, (1)
где fi(x) - функционалы, отображающие параметры xi ВДЭС.
Решение поставленной задачи в условиях большего числа параметров оборудования и критериев представляет собой сложное и наукоёмкое исследование. Для первого этапа решения этой задачи необходим анализ состава оборудования ВДЭС с высокой долей замещения. При модернизации существующей дизельной
электростанции с целью повышения её энергоэффективности или при оптимизации ВДЭС по одному параметру (в данной статье этим параметром является мощность) поставленная задача сводится к многокритериальной задаче. Решением более простой задачи выбора состава оборудования является нахождение Парето-оптимальных точек. При практической реализации проектов, связанных с многокритериальной задачей, рассматриваются «инженерные» методы, сводящие
многокритериальную задачу (1) к
однокритериальной [9]. К ним относятся методы: главного критерия, линейной свёртки, максиминной свёртки и лексикографическая оптимизация. В итоге полученные точки дают большое количество результатов, поэтому необходимо выбрать метод принятия решения, который будет сводить выбранные решения к одному наиболее оптимальному.
В статье решаются следующие задачи:
- анализ существующего оборудования и его работы в составе ВДЭС с высокой долей замещения, в том числе в суровых климатических условиях;
- анализ существующих методик многокритериальной оптимизации для выбора состава оборудования ВДЭС с высокой долей замещения по параметру мощности;
- обоснование выбора оборудования с учётом ряда критериев: уровень замещения дизельного топлива ветровой энергией, стоимость оборудования, вопросы надёжности и бесперебойного питания потребителей, экологические аспекты и пр.;
- составление рекомендаций по выбору состава основного оборудования с учётом климатических условий, энергетической изоляции и нужд регионов крайнего Севера.
Анализ состава оборудования и режимов работы ВДЭС
В состав оборудования ВДЭС входят: основные дизель-генераторные установки,
ветроэнергетические установки, дополнительные (разменные) дизель-генераторы, аккумуляторные батареи, системы управления и регулирования мощности и показателей качества электроэнергии, вспомогательное оборудование. Для ВДЭС с высокой долей замещения характерен следующий состав оборудования.
1. Ветроэнергетическая установка (ВЭУ). Выбор ВЭУ обусловлен выбором определённого энергетического оборудования и схемы выдачи мощности. В регионах, где температура опускается ниже -30°С и часто образуется изморозь, необходимо бороться с обледенением оборудования, которое может приводить к отказам в работе оборудования и перебоям в энергоснабжении потребителя. Поэтому выбор установок в северных регионах ограничен суровыми климатическими условиями и адаптированного к ним оборудованием [8, 11]. Пример основного оборудования ВЭУ показан на рисунке 1.
Рис. 1. Силовой ветроэлектрический агрегат Fig. 1. Power wind-electric set
Ветроколесо ВЭУ преобразует энергию ветрового потока в механическую энергию вращения вала по формуле:
Р = (2)
где Р - вырабатываемая мощность энергоустановкой, кВт; Ср - коэффициент использования ветрового потока; А - площадь,
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 11 (151) 2014 © Научно-технический центр «TATA», 2014
ометаемая ветроколесом, м2; р - плотность ветрового потока, кг/м3; V - скорость ветрового потока, м/с2.
Дальнейшие преобразования мощности происходят на валу, в редукторе и генераторе, то есть в основном энергетическом оборудовании ВЭУ. В работах [1, 5-8, 13] описаны основные рекомендации по выбору основного оборудования, в том числе для суровых климатических условий. Для ВЭУ в составе ВДЭС применяются, в основном, асинхронные генераторы и синхронные генераторы на постоянных магнитах с преобразователями частоты.
Для систем ВДЭС с высокой долей замещения основную роль в процессе покрытия потребительской нагрузки играют ВЭС. Однако во время работы возможны режимы, когда ветровой энергии не хватает для покрытия графика нагрузки. Пример показан на рисунке 2. График распределения скорости ветра в сутки получен на основании формулы (2) с использованием программы '^Мо^арИег, кривые преобразования ветра в активную мощность ВЭУ и потребительской нагрузки рассчитаны для данной скорости ветра в относительных единицах.
ft 4 н II 16 2« 21
Jjpniil, "I
Рис. 2. Работа ВЭУ при покрытии нагрузки потребителя: 1 -график нагрузки потребителя, 2 - выработка мощности ВЭУ Fig. 2. Employment of wind turbine for covering the consumer load: 1 - consumer load curve, 2 - power generation by wind turbine
Как видно из рисунка, при работе ВЭС существуют режимы дефицита и профицита электрической энергии. Покрытие энергии в дефицитное время и эффективное использование избытков осуществляется с помощью дизельных установок и систем регулирования мощностью, к которым относятся дополнительные маломощные дизель-генераторы (ДГ) и аккумуляторные батареи (АКБ).
2. Дизель-генераторные установки (ДГУ) и дополнительные ДГУ. Для ВДЭС с высокой долей замещения характерно использование ДГУ только для покрытия дефицита мощности (отрицательная часть на рисунке 3). При этом при малом дефиците электроэнергии сначала включаются
дополнительные ДГУ малой мощности. Основные ДГУ начинают свою работу при увеличении дефицита свыше 70% от номинальной мощности. Это обусловлено тем, что неполная загрузка
мощностью снижает КПД генератора (показано на рисунке 4). Использование ДГУ малой мощности снижает время использования основного ДГУ. На рисунке 3 эффект от использования дополнительных ДГУ показан пунктирными линиями.
Допустим, снижение работы основного ДГУ на 3,5 часа в год позволяет сэкономить 1277 часов в год, что составляет 25% от наработки на отказ (времени до капитального ремонта оборудования). Таким образом, применение дополнительных ДГУ позволяет снизить потребности в ремонте основного оборудования ДГУ до 25%.
Рис. 3. Разница между генерацией и потреблением, и работа ДГУ при покрытии недостатка мощности Fig. 3. Difference between generation and consumption, and work of DGG by coverage of lack of power
Работа ДГУ на участках при малой загрузке генератора (в моменты низкой разницы между генерацией и потреблением) усложняется снижением КПД ДГУ (рисунок 4). ДГУ нельзя запускать в этом режиме из-за низкого КПД. Этот показатель указывается в паспортных данных любой ДГУ и колеблется в диапазоне 25-40%. При работе ниже этих значений может происходить коксование топлива в поршне двигателя, что может приводить к отказам в работе ДГУ. Работа ДГУ считается надёжной при КПД не ниже 80% (вторая и третья части рисунка 4).
Загрузка ДГУ в процентах от номинальной мощности
Рис. 4. Зависимость КПД от загрузки генератора Fig. 4. Efficiency dependence of the generator load ratio
Для того чтобы «вхолостую» не тратить дорогостоящее дизельное топливо и при этом
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 11 (151) 2014
© Scientific Technical Centre «TATA», 2014
обеспечивать высокий КПД применяют системы аккумулирования энергии с помощью АКБ.
3. Системы аккумулирования энергии. АКБ в составе ВДЭС выполняют три основных функции:
- аккумулирование избытков вырабатываемой мощности (положительная часть графика на рисунке 3);
- при недостатке мощности (до 35% от нагрузки или первая часть рисунка 4) заряженные АКБ обеспечивают покрытие мощности;
- при работе в диапазоне от 35 до 70% от нагрузки (вторая часть рисунка 4) КПД ДГ составляет около 80%. Для данного режима предлагается повышать загрузку ДГУ на 100%, а излишки аккумулировать в АКБ для заряда и последующего снижения часов работы дизель-генератора.
4. Системы управления (СУ). К системам управления относятся преобразователи частоты (двунаправленные конвертеры), оборудование с электроникой и шкафы управления, которые в совокупности создают интеллектуальную СУ. Основные функции этой системы - координация потоков мощности внутри ВДЭС и управление выходными параметрами качества электроэнергии. Для устойчивой работы в отрицательных температурах элементы СУ должны находиться в специальных обогреваемых контейнерах [8].
Многокритериальная оптимизация оборудования
Как сказано выше, при модернизации существующей ДЭС до ВДЭС с высоким уровнем замещения оборудование выбирается исходя из метода главного критерия, при котором выбирается основной критерий, варьируя который выбирается тот или иной состав оборудования. В статьях [7, 8] применяется именно этот метод, за основной критерий принимался уровень замещения Кз и была
введена функция эффективности F, которая в общем виде считалась по формуле:
р_ dKs , (3)
dX ' v '
где X - мощность выбираемого ДГУ и ёмкость АКБ.
Данный метод пригоден для выбора дополнительного оборудования, но не является универсальным и требует дополнительных экономических расчётов, т.е. не учитывает дополнительных критериев. Оптимизация в этом случае требует введения показателей относительной значимости отдельных функционалов f (коэффициентов веса). Методы, работающие в этом случае, позволяют найти точки Парето-эффективные (линейная свёртка), эффективные по Слейтеру (максиминная свёртка) и эффективные по Слейтеру, выделяя в них Парето-эффективные (лексикографическая оптимизация).
Решение лексикографической оптимизации представляется в виде:
/(х) = {minx аЖ Y, aifi}^max, (4)
где a - коэффициенты веса для каждого из критериев.
При проектировании ВДЭС необходимо также учитывать такие критерии, как надёжное (бесперебойное) снабжение потребителя
электроэнергией и экологические аспекты (снижение выбросов от ДГУ), которые влияют на выбор оборудования. Для каждого из коэффициентов проведена экспертная оценка, которая позволяет определить значения a для каждого критерия (таблица 1). Экспертная оценка была проведена в НОЦ «Возобновляемые виды энергии и установки на их основе» среди 10 человек, входящих в коллектив центра. Оценка коэффициентов веса достаточно субъективна, поэтому данные значения нужны для выявления более важных критериев и менее важных.
Таблица 1 Table 1
Значения коэффициентов веса
Values of weight coefficients
Критерии Методы Среднее значение
Экспертной оценки Оценки важности в баллах Парных сравнений
Уровень замещения 0,34 0,34 0,33 0,34
Стоимость ВДЭС 0,29 0,28 0,33 0,3
Надёжность 0,25 0,25 0,28 0,26
Экология 0,l3 0,l4 0,06 0,ll
Из анализа таблицы видно, что критерии уровня значимым. Это обусловлено тем, что ВДЭС с замещения, стоимости ВДЭС и надёжности высокой долей замещения более экологична, чем равнозначны. Критерий экологии является менее традиционная ДЭС.
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 11 (151) 2014 © Научно-технический центр «TATA», 2014
В процессе многокритериальной оптимизации множество Парето-точек сокращается с помощью методов принятия решения. В статье рассмотрены следующие методы: Нелдера-Мида, ---упорядочения и ограничений [9].
В первом методе производится построение деформируемого многогранника, каждая вершина которого является точкой, полученной при оптимизации. Точки сравниваются между собой, находится такой вариант, который является наилучшим. Данный метод становится непригодным при наличии большого количества точек. Второй метод используется при назначении более важных критериев и заключении о равнозначности критериев уровня замещения и стоимости. В методе ограничений назначаются границы t для всех критериев. Данный метод позволяет отбросить точки Парето-множества, находящиеся за границами, тем самым снизив задачу многокритериальной оптимизации.
fi>t,i = l, ...,т.
(5)
Таким образом, для ВДЭС нижней границей критерия уровня замещения принято значение уровня замещения, равное 50%, верхней границей стоимости ВДЭС - достижение требуемых показателей эффективности. Критерии надёжности и экологии можно свести к стоимостным характеристикам (ущерб от недоотпуска электроэнергии в сеть [14] и «зелёные» сертификаты). Это дополнительно может сузить множество Парето-оптимальных точек.
Рис. 5. Блок-схема выбора состава оборудования ВДЭС Fig. 5. Block diagram of the selection of equipment of WDPP
В результате, оптимизация ВДЭС с высокой долей замещения разделяется на две категории: с заданными параметрами (при выборе основного и дополнительного оборудования станции) и с незаданными параметрами (рисунок 5). В первом
случае решается многокритериальная задача, которая основывается на описанных выше методах свёртки с учётом коэффициентов веса и методе ограничений. Алгоритм оптимизации показан на рисунке 6. Во втором случае необходимо решать
многопараметрическую оптимизацию.
Рис. 6. Алгоритм многокритериальной оптимизации по параметру мощности Fig. 6. Multi-objective optimization algorithm for parameter power
Выводы
1. Проведён анализ состава оборудования ВДЭС с высокой долей замещения дизельного топлива ветровой энергией.
2. Даны рекомендации по выбору дополнительного оборудования для повышения доли замещения ВДЭС и работе станции в суровых климатических условиях.
3. Разработан алгоритм выбора оптимального состава оборудования по заданным параметрам ВДЭС и с учётом ограничений.
Исследования проводились при поддержке проекта №14.577.21.0099 в рамках Федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014-2020 годы» и Президентского гранта НШ-2240.2014.8 государственной поддержки ведущих научных школ РФ.
Список литературы
References
1. Елистратов В.В. Возобновляемая энергетика. С-Пб: Наука, 2013.
2. Vasiliev J.S., Elistratov V.V., Maslikov V.I.,
1. Elistratov V.V. Vozobnovläemaä energetika. S-Pb: Nauka, 2013.
2. Vasiliev J.S., Elistratov V.V., Maslikov V.I.,
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 11 (151) 2014
© Scientific Technical Centre «TATA», 2014
Breusov V.P. An autonomous power supply of consumers on the base of the combined use of renewable resources // 2005 IEEE RUSSIA POWER TECH, POWERTECH. St.-Petersburg, 2005.
3. Дорошин А.Н., Виссарионов В.И., Малинин Н.К. Многофакторный анализ эффективности энергокомплексов на основе ВИЭ в системе энергообеспечения автономного потребителя // Вестник МЭИ. 2011. № 2. C. 45-53.
4. Елистратов В.В., Аронова Е.С. Моделирование работы и оптимизация параметров систем автономного электроснабжения на основе ВИЭ // Энергетика. 2011. № 1. C. 119-127.
5. Елистратов В.В., Денисов Р.С. Методика выбора энергетического оборудования ВЭУ // В сборнике: XLII Неделя науки СПбГПУ, материалы Научно-практической конференции с международным участием. Научно-образовательный центр "Возобновляемые виды энергии и установки на их основе". Национальный исследовательский Санкт-Петербургский государственный политехнический университет. 2014. С. 6-9.
6. Елистратов В.В., Конищев М.А. Работа ВЭУ в распределённой и изолированной генерации // Материалы Первого Международного форума «Reendor-2013». Москва: ОИВТ РАН. 2013.
7. Денисов Р.С., Елистратов В.В. Использование ВДЭС с высокой долей замещения в сетях с распределённой генерацией электроэнергии // Материалы Первого Международного форума «Reendor-2013». Москва: ОИВТ РАН. 2013.
8. Elistratov V.V., Denisov R.S., Konishev M.A., Knyazhevich M. Problem of constracting wind-diesel power plants in harsh climatic conditions // Istrazivania i Projectovania za Privredu - Applied Engineering Science. 2014. Vol. 12. № 1. P. 29-36.
9. Черноруцкий И.Г. Методы оптимизации и принятия решений: Учебное пособие. СПб: Издательство «Лань», 2001.
10. Chen C.L., Hsieh S.C., Lee T.Y., Lu C.L. Optimal integration of wind farms to isolated wind-Diesel energy system // Energy conversion and management. JUN 2008. Vol. 49. P. 1506-1516.
11. Weis T.M., Ilinca A. The utility of energy storage to improve the economics of wind-diesel power plants in Canada // Renewable Energy. JUL 2008. Vol. 33. P. 1544-1557.
12. Yadav D.K., Girimaji S.P., Bhatti T.S. Optimal Hybrid Power System design using HOMER // 2012 IEEE 5TH INDIA INTERNATIONAL CONFERENCE ON POWER ELECTRONICS (IICPE 2012). Dec. 06-08, 2012.
13. Yu Hu, Pablo Solana. Optimization of a hybrid diesel-wind generation plant with operational options // Renewable Energy. Mar. 2013. Vol. 51. P. 364-372.
14. Денисов Р.С. Особенности проектирования и строительства ВЭС в Калининградской области // Малая Энергетика. 2013. № 1-2. C. 42-47.
Breusov V.P. An autonomous power supply of consumers on the base of the combined use of renewable resources // 2005 IEEE RUSSIA POWER TECH, POWERTECH. St.-Petersburg, 2005.
3. Dorosin A.N., Vissarionov V.I., Malinin N.K. Mnogofaktornyj analiz èffektivnosti ènergokompleksov na osnove VIÈ v sisteme ènergoobespeceniâ avtonomnogo potrebitelâ // Vestnik MÈI. 2011. № 2. C. 45-53.
4. Elistratov V.V., Aronova E.S. Modelirovanie raboty i optimizaciâ parametrov sistem avtonomnogo èlektrosnabzeniâ na osnove VIÈ // Ènergetika. 2011. № 1. C. 119-127.
5. Elistratov V.V., Denisov R.S. Metodika vybora ènergeticeskogo oborudovaniâ VÈU // V sbornike: XLII Nedelâ nauki SPbGPU, materialy Naucno-prakticeskoj konferencii s mezdunarodnym ucastiem. Naucno-obrazovatel'nyj centr "Vozobnovlâemye vidy ènergii i ustanovki na ih osnove". Nacional'nyj issledovatel'skij Sankt-Peterburgskij gosudarstvennyj politehniceskij universitet. 2014. S. 6-9.
6. Elistratov V.V., Konisev M.A. Rabota VÈU v raspredelënnoj i izolirovannoj generacii // Materialy Pervogo Mezdunarodnogo foruma «Reendor-2013». Moskva: OIVT RAN. 2013.
7. Denisov R.S., Elistratov V.V. Ispol'zovanie VDÈS s vysokoj dolej zameseniâ v setâh s raspredelënnoj generaciej èlektroènergii // Materialy Pervogo Mezdunarodnogo foruma «Reendor-2013». Moskva: OIVT RAN. 2013.
8. Elistratov V.V., Denisov R.S., Konishev M.A., Knyazhevich M. Problem of constracting wind-diesel power plants in harsh climatic conditions // Istrazivania i Projectovania za Privredu - Applied Engineering Science. 2014. Vol. 12. № 1. P. 29-36.
9. Cernoruckij I.G. Metody optimizacii i prinâtiâ resenij: Ucebnoe posobie. SPb: Izdatel'stvo «Lan'», 2001."
10. Chen C.L., Hsieh S.C., Lee T.Y., Lu C.L. Optimal integration of wind farms to isolated wind-Diesel energy system // Energy conversion and management. JUN 2008. Vol. 49. P. 1506-1516.
11. Weis T.M., Ilinca A. The utility of energy storage to improve the economics of wind-diesel power plants in Canada // Renewable Energy. JUL 2008. Vol. 33. P. 1544-1557.
12. Yadav D.K., Girimaji S.P., Bhatti T.S. Optimal Hybrid Power System design using HOMER // 2012 IEEE 5TH INDIA INTERNATIONAL CONFERENCE ON POWER ELECTRONICS (IICPE 2012). Dec. 06-08, 2012.
13. Yu Hu, Pablo Solana. Optimization of a hybrid diesel-wind generation plant with operational options // Renewable Energy. Mar. 2013. Vol. 51. P. 364-372.
14. Denisov R.S. Osobennosti proektirovaniâ i stroitel'stva VÈS v Kaliningradskoj oblasti // Malaâ Ènergetika. 2013. № 1-2. C. 42-47.
Транслитерация по ISO 9:1995
í-xrt
- TATA -
LKJ
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 11 (151) 2014 © Научно-технический центр «TATA», 2014
TT
