CC BY
42
УДК 621.311.1
М Г ТОДИ К А ОПТИМАЛЬНОГО ГШ БОРА ИГТОЧНИКОП ЭНГРГИИ В ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ С РАСПРЕДЕЛЁННОЙ ГЕНЕРАЦИЕЙ
A. JJ. Ахтулов1. L. II ..сенов". Б. К. Федоров"' 1 Омский государственный университет путей сообщения, г Омск. Россия Тюменских; индустриальный университет (филиал ТИУвг. Тобольске), Тобольск, Россгм 3Омский государсткинный техчичаслииуниверситет, ¿. Оли /с. России
Апиотпигш В статье приведена методика выбора первичных источников энергии электратехппче ских систем с распределенной генерацией. Данный вопрос является весьма актуальным с учётом развиты длинмх i iH iHM h i ■«•¡1|н1111{1ми Рш'гим. С. ne.ibHi uii I HMinjiiiiu noi l jitihhни яинчпршнхшичегхиг енпем с учётом требований к ним предложена целевая функнпя оптимизации. учитывающая как нормальные режимы работы элементов, так и ущерб. возникающий при перерыве электроснабжения прп отключе him иоичникл. Oiiuc.ih при; [j 1л1л1ньш аридхк), рнзраииишный uyivu ».иорнпш^ациа и upoiрлммиро-вання на основании приведённой методики с учётом целевой функшга оптимизации. Гезультдты. прел-ставлсппыс в данной работе, свидетельствуют о том, что предложенная методика позволяет удовлетво рптельно произвести оптимизацию проектирования первичных источников энергии н может применяться при ПрПеКТПрПКЛНЛП.
Ключевые слова: электротехническая система, генераиня, источник энергии, оптимизация.
Т nRF.-FHHF
Последнее дссятндстнс практически характерно то. что перед всеми отраслями промышленности как Рсе-снн. так и за рубежом, независимо от масотабоз н рода деятельности организаций, сюит острая проблема, свя-
{НННИХ С НГХКИ1Ш1Й МНГрП ИЧГ:>ИХ рс^ у[ЧЧ1К И КМГОКИМИ, шктшмнноржмушичи «|-||ВГ1<1МИ НА I кпргилс-ниг
В наетояшее время разраоотано множество технологий локального комбинированного производства тепловой н электрической энергии {рис. 1).
Технология преобразования может быть основана как на сгоранпк н последующем преобразовании тепла в
МГХЯНИЧГГКуК) -Hrpi ИК) нр.'1111>1К)1Цу KI -»ЛГК^КНГНГрИП'р (шЦИИНГКЫГ- ДНИ1И1ГЛИ, ЛКИ1Я1ГЛИ ОгирЛИЖИ, 1ИЧСЖЫГ
турбины, паровые двигатели н др.). также и на прямом электрохимическом преосрпзозанни химической энергии в электроэнергию (например, тептпвные элементы). К комбинированным технологиям также относятся
irpMlt'UICM-ipMHm'.KfM* И |[|1ТП11а.1ЬЮ1НИЧС<ШК ||])Г(1Г»])гГ-;ОКИНИИ ихлунгння (иТрМофиГтгЛККаНИЧГМКИГ ^СТ||К1И(П№|)
Поэтому разработка новых методов математического моделирования. а также оптпмкзадпя электротехнических С1ктем (ЭТС) и комплексов являются актуальным поправлением с энергетике.
Так как оптимальный выбор мощности н количества генерирующих установок электротехнической системы почиоляет обе~печкть бесперебойно? и экономичное снабжение лриймяикоя электроэнергией заданного обь?-
Как отмечается в работах [1 H одним из перспективных технологических направлений является внедрение интеллектуальных мини- н микросетей на базе распределенной генерации, использование которых б России рассмотрены в [6-9].
Дз.гатель Оттс
олли» ♦
Сгорание а першие*« дзигзтеле
Мехажческая энвра/я \
39 ТЭ Горение
I laposou двигате/ъ
Тсглмво *
Сгорание в гстге
I •
Пар
I
Мехен^еаая энергкя
I
93
тз
Цйшгэпь Cvpvhra
Томим/
источник тэта »
Сгоранлг б
когле »
Грсцеа
CivpnMhra * ♦
Мзхэк^еаая
энерглч \
33 Г
г
Микротурбина
Тшиию t
в
турбже
Механичеой? энврив \
ЭЗ
ТЭ
lonrus-b* алвмая
Топлмо ♦
[Ряфориднг)
3 пекг^охпмическое пресбргэсвануе
1 I
33 ТЭ
слекгрокимия
Риг. 1 Технологии шгенерации н этапы преобразования ЭЭ — олекгр1пескал энергия. ТЭ - тепловая энергия
tt|i№i;m п i ni h ни' »«•«»е элемвчты
Тоиию ♦
Сгсраюев кс тле
Преобразован* 8 попупраюдни»
ТЭ
Пр>ее
т1 постановка задачи
При создании «виртуальных электростанций» принципы организации которых описаны в [I, 7, 10], возможно электроснабжение нескольких потребителей ог одной генерирующей установки. Однако при этом еле дует учнтывать. что прк построении электротехнических систем на пркшитах когенерапик необходимо решить вопрос с производством не только электрической но и тепловой энергии. При этом возможность питания таких систем с оаспреде лепной генерацией при пониженных нагрузках ог внешней энергосистемы решается е каждом случае отдельно, так как стоимость электроэнергии при внешнем энергоснабжении обычно выше, чем ттрпичтюлтшой создаваемой электротехнической системой
Ш. 1ГОРИЯ
Нагрузка электротехнических систем б любой момент Бремени определяется числом и мощностью зклю-ченных злектропри^мников и не является постоянной, поэтому она зависит от режима работы системы, а также от ЕлнмзпгчесЕнх условий Еремегш гсда, характера оилслияемых технологических процессов и т.д.
Таким образом. измснеике нагрузки электротехнических систем относится к случайным процессом, которые описываются с использованием математического аппарата теории вероятностей.
Прк выборе учитываются требования, приведенные в стандартах, правилах устройства электроустановок (11У Э} и других нормативных дскументсл. кроме того, при выоорс нсточинкое необходимо руководствоваться следующими иииоженкхми
- нагрузка источников при работе в продолжительных режимах должна составлять не менее 70-90*/-> ог номинальной. а при работе в кратксБремегиллх режимах (ЕьпглЕденшл! аоаршшын послеаварийный) iiarpv3Ka может быть снижена ло 50 60%:
- КС1ЛИНП1КО I ГНГ]жруК) 11.ИХ уПИИОНО* ]М1Ч М-11]>И№1ГМЫЧ ^ТГ ЧЙСШ НГ ИрГКЫШЯГТГ дку.ч — ЧПЫТК-Х 11]>И
этом часп. установок (две или три) длительно подключены на параллельную работу, а часть (минимум одна} находится в резерве:
- цгмпоойрнчно кмбирни» одшпииныг источники с: цгльк: ибпсигчении к-иимичимгнмгмисти их дпнлгй и узлов, а также облегчения технического обс.-зокнвания:
- чаще всего нецелесообразна ^'стапоика генератора, работающего в период снижения электрической нагрузки с номинальной мощностью. меньшей, чем у основных, работающих в номинальном или пиковом ре-жкулх;
увеличение числа источников путем уменьшения единичной номинальной мощности повышает их загрузку. не при этом, усложняет структуру п затрудняет обслуживание системы
Мощность резервные источников питания определяется числом и мощностью электропри?мкиков. относя-111ичеч к шнпп кгннк м по надёжности, и (чикаринаггсн к ГГ^Э
При принятых положениях экономнчсскую эффективность ксточннков 'Л"С на стадии проектирования структуры можно определн-п, срашезшем вариантов комплектации генерирующих мощностей по значению приоедеппых затрат.
Вид целее ой функции в математической модели зависит от заданного критерия эффективности. Основным критгригм при йптимтлции игттопкчуютпг лятрлты нй 1ТГ (-Тис) с учгто\1 огрднкчгний гтп нлдгжкпгтн тт осл-опасиоетн
1 аи +
1дг \Ра И ЛР„ — ||(!1ГрМ х0.10г1010 ходя И 111])ш ш111 миммкинин и 4лгмгн1ях ЭТС ¡2-]№ик1ккни1 уншнипь, Ся
в удельные затрата на возмещение потерь активной н реактивной мощности: период работы ЭТС: г время работы с поминальной нагрузкой; Р™ - коэффициент амортизационных отчислении: Ей - нормативный коэффициент экономической эффективности, У - ущерб, возникающий при перерывах в электроснабжении, ухудшении начеггка члгкфичегкий жер| ни и др . ^лс~П1,имм'||> ЭТС оиргдглнгун* ич нмражгних
- V
■ Ж ~
М^З^УМ,.'^,
(2)
ГДГ Mj— КОПИЧГПНО ИГПО.-ТТ»^уГМТ»ТХ ^ЛГКТрОТГТТПТЧГСХ-ИХ rbbfVTOF- Hi— ЦГНЛ ОПЪГТГТЛ" /;,• — КОгффш^ТГКТЫ использования объекта. 3. удельные затраты по заработной плате ж прокзводствоыонтаж объекта, к, нормативный коэффициент: 31(/ - удельные затраты по заработной плате на прочие виды работ
Белее подробно принцип построения и ¡ша1ли целевой фунхции приведён в [11, 12]. также ири ану.шле ис-гогт»ЧуТОТСЖ ТТОЛОЯГГКИЯ ЛНЛЛИЛЧ (ТГПГМ С рлгпргдеггчнпй ГГИРрЛфГЙ \ГГТОГЛ\ГИ л1шглннктг.Ш r [15, 14J
[V. РЫУ.1ЫА1Ы ЖииьУИМШГОВ Первичные нею чинки во виех режимах да; ♦ ны paGoia-ь надёжно и экономично, причём ириортет огдаёт-сх надёжиосш Эхо ведёг к перерасходу дошшыа. гак. к;гк на иракшхе ли ишачам, но а большинстве режимов работы геиериэуюшие установки У ГС недогружены но мощности. С тс hi учесть, что при снижении мощности газоиорншеоон установки до 75% и 50% от помппальпой мощности удельный расход топлива возрастает до 103% н 115% от номинального расхода соответственно. Для газотурбинной установки прк аналогичных условиях расход toe«uuueer 115% и 125% 01 номинальною. Режимы района них и других установок paccMoipeHsi в Ll>. 16J. а гакже на сайтах изготовителей установок генерации
Повышения экономичности ЭТС па стадии проектирования добшзаются поэтапным перебором варпаггтов комплекташ-ш генернрмошпх установок ЭТС. например, используя методику динамического программирования [12. 14]. Це.1Ь-о данною uepeüopa хвляегся ьхлючение в состав иервичкых источников генерадоров. ooecue-чнваюшнх экономичную работу как при Еерхнпх пределах допускаемых нагрузск. так н при сниженных значениях вырабатываемой мощности Также повышения экономичности ЭТС. при Солыпем числе первичных источников. можно достигнуть путем оптимизации места их размещения
Пути повышения экономичности ЭТС в процессе эксплуатации также закладываются при их структурко-|.араме1рическом синтезе, в ходором можно учесть следующее рекомендации.
- своевременное отключение одного или нескольких первичных источников с целью снижения избыточного запаса мощности ЭТС. т.к. загрузка генераторов в каждом режиме желательна по верххтм пределам (помп кальной мощности);
- уменьшение времени нахождения установок в состоянии 1 ошвности (режиме xo.iocioiu хода) х х.оьыше-нию нагрузки потребления энергии, для чегс их своевременно огклкчать:
предотвращать кратковременные увеличения нагрузки. связанные с автоматическим пуском резервных не точпнксв. для чего при обьеднпепин электропрнемшшов в группы, питающиеся от одного псточпика. учнты вать совмещение их графиков нагрузки.
Ьсэа да! пых графикоо :чмик1 [:ичнг.ких ни1ру:-м>к
С
115чало
IX!
Данные элем роприёмникив:
Число Э11; коордш 1аты 1; 11>;* 11ИК1/ нн1ру:ч1ж ЗП, ка~сгориЙ1 юсть ЗП
11оиск минимальной и максик^ ьний мощнис и ЭП
Ьаэа данных пероичмых III: юиникон :--ннр| ии
Определение номинальной мс и I (нон I и ис1 очники
Определение установленной мощности ЭТС
- •
Определение числа источников
Число ИС-ОЧНИКОБ оптимально
НЕТ
ДА
Выбор типа источников
*
Разбиение по~ребителей
по источникам
1
Определение коэффициента /олрумки ис омн/кок
----- Коэффициент загрузки *---- НРТ
оптимален
ДА
Определение 1/ест сасположения ИП
Вывод числа, мощности, ■"/та источников
С
т
Конед
Рис. 2. Блок-схема разработанного алгоритма выбора первичных источни:ов энергии ЭТС
v. Обсуждение результатов Оптимальный выбор состава перзичных источников позволяет оЬеспечитъ надёжную и экономичную работу ЭТС, для чего непользуются результаты расчета нагрузки элезстроприемников ЭТС во всех режимах работы. Суммарная установленная мощность генераторов находится по режиму с наибольшим энергопотреблением, минимальная установленная мощность даёт дискретность выбора (минимальную установленную мощность одного источника), после чего производится выбор числа и мощности источников в :<аждом режиме Для этого намечаются варианты состава источников ЭТС н сравниваются по функции оптимизации Г1). вследствие чего
КК|Г)И]).«ТГИ ШПИМИЛКНЫЙ ЧгфИИН!
Для выбора первичных источников ЭТС установленная мощность определяется как сумма номинальных мопшостсй отдельных первичных источников энергии (рнс. 2).
ТСо^ффнцнг-нгы :«мручки иппнникок пирг,,(глимт » но (пдгльнопи для ки«;цни и:< них, н .чакиг.имнели err подключенных нагрузок При этом оптимальным коэффициеглом загрузки считается k, - 1. значения отдель
ИЬТХ КО>^|фиТ^ТГНТПК могут ОТЛИЧ.ТГЪГЯ ОТ РДКККЦЬТ к мгнмггуто гторпну до лначгкии, при которых Г<ТТД ИСТОЧНИКОВ не значительно отличается от КПД прн номинальном режиме (в установках программы данное значение принято равным 5%. однако может быть скорректировано пользователем]. Значение коэффициента загрузки исги ГУГО иг можгт пргккпгглть 1, гргякипгниг очнлчягт, чтп сил энгрго.тсфиттитнл и тргбуст подпитки иаднг
Программный продукт написан па Delphi 7 фирмы Borland для сыпо~неши: вычислительных процедур, по лучения данных для машинного анализа и синтеза организованы базы данных элементов, необходимых при проектировщики структуры и состава ЭТС (рис 3).
Выбор персичиых источнике« эиеэгхи
3
Ввол оь ав
В год Дотик КэлжеетесЗ!
¥
КсОСЙкЮТьиЗП
ЗГ 1 ЗГ1 2 ЭП 3 ..
£о/сс
Про*сж?1ич щчг-кт JJ"
Г.г«-ое»«яЗП по млбкюгв
г
Оквзатямвичоси аоя эп i эп 2 эп 3
Ресчёг»
36 z
?? 41
РсСЧЯЧТк
44
Kp.r^l Mfcr t-femn
Trn I
Mr Г Г. Г
МУт
Mcee/t I
* Г
Ксг
МВт МУт
Вммд
Рис. 3 Интерф ейс пользователя программы -«Выбор первичных источников энергии».
VI. ВЫВОДЫ И ЗАКЛЮЧЕНИИ Таким образом, был рассмотрен способ решения задач синтеза структуры и состава первичных источников электроэнергии ЭТС с распределённой генеращтей с помощью разработагшей методики оптимиз.-щш! и компь ютерного программирования. Итогом произведённой работы явлтется практическое внедрение методики проектирования ЭТС с распределенной генерацией.
Предложенная методика, использующая для поиска оптимального значения метогзп<у днпамнческого про трлм1\гироклни» и гтокгдлнныг пелгвые функции, торогпо члпггомгилокппа с.гбж и прогтггной ПрЛКТ-гТТГГ Тгоргти-чесЕие основы, представленные в данной работе, были применены прн оптимизации вариантов реконструкции газотурбинной элекгростаинни. предназначенной для электроснабжения объектов нефтяных месторождений
Р^ультагы иоха^ыхаки, что, и принципе, ра^раЗи. льнах модель дап ошимальные оцегнхн. огинчающиесл от сценок, получешллх с помощью траднцпошпех методик за счет учета большего числа параметров целевой функции 1ахкм образом, методика и алгоритм оптимизации, представленные в данной статье, могут быть использованы при оптимизации проектирования первичных источников энергии в ЭТС.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
L. Pehnt М., Carnes М., Fischer С.. Praetorius В., Schneider L., Schumacher К.. Schumacher.,Vob J.-P. Micro Cogeueration: Towards Decentralized Energy Systems Berlin: Heidelberg: Springer-Verlag. 2006. 356 p.
2. Ackermann Т., Anderson G., Soder L. Distributed generation: a definition. // Electric Power Systems Research. 2001. №57. P. 195-204.
3. Canzler W., Dierkes M. Iiiformationelle Techniksteuemug: offentliche Diskurse utid Leitbildemwicklungen // Simonis G., Martinsen R , Saretzki T. (eds) Polilik und Techntk. Aiialysen zum Verholtms von technologischem politischem und staatlichen Wandel am Aufang des 21.Jahrhunderts. PVS special edition. 31/2000. Westdeutscher Verlag. Wiesbaden. P. 457-475
4. Dugiui R. C., McDermott Т. E., Ball G. J. Distribution planning for distributed generation. // EEEE IAS Rural Electric Power Conf. Rec , Louisville, KY 2000. P. 4/1-4/7.
5. Филиппов С. П. Малая энергетика в России // Теплоэнергетика. 2009. № 8. С. 38-44.
6. Бубенчиков А. А. Возможности применения систем когенерации на территории России И Современная наука и практика. 2015. № 4 (4). С. 90-93.
7. Ахтулов А Л., Ахтулова Л. Н.. Леонов Е. Н., Смирнов С. И.. Пегухова Н. Н. Интеграционные технологии при создании малых электротехнических систем и комплексов на основе методологии когенерации // Омский научный вестник. 2014. № 2 (130). С. 145-151.
8. Новосельцев Д. А. Жильцов В. В., Шумаков И. К. Об использовании импортозамещающих газотурбинных установок малой мощности для модернизации малой энергетики севера // Динамика систем, механизмов и машин. 2014. № 1. С. 238-331.
9. Щинннков. П.А., Томилов В. Г.. Синельников Д. С. Методика оценки техннко-экономической эффективности когенерацнонных установок на базе ДВС с воздушным охлаждением //Научный вестннк Новосибирского государственного технического чниверентета. 2015. № 2(59). С. 134-142.
10. Akhiiiatov V, Knudsen Н An aggregate model of a grid-connected, large-scale, offshore wind farm for power stability investigationsimportance of windmill mechanical system И International Journal of Electrical Power & Energy Systems. 2002. № 24(9) P 709-717.
11. Ахтулов А.Л., Ахтулова Л. H.. Леонов Е. Н.. Смирнов С. И. Постановка задачи синтеза принципиальных схем промышленного электроснабжения средствами современных САПР // Вестник. Ижевского государственного технического университета. 2011. № 1. С. 110 —113.
12. Леонов Е. Н. Целевые функции н методы их анализа при проектировании электротехнических систем с установкам! распределенной генерации И Научно-технический вестник Поволжья 2015. № 4 С. 88—90.
13. Brown R, Freeman L. Analyzing the reliability impact of distributed generation f! IEEE PES Power Summer Meeting. 2001. № 2. P. 1013-1018.
14. Hiskens I. A. Nonlinear dynamic model evaluation from disturbance measurements. // IEEE Transactions on Power Systems. 2001. № 16. P. 702-710.
15. Jamson G. В., Lee L Distribution network reduction for voltage stability7 analysis and load flow calculation. H International journal of electrical power energy system. 1991. Vol., no. 13. P. 9-13.
16. Rajaram S. P., Rajasetaran V. Sivatumar V. Optimal Placement of Distributed Generation for Voltage Stability Improvement and Loss Reduction in Distribution Network И International journal of electrical power energy system. 2014. Vol. 3. no. 3. P 529-534.
