CC BY
165Раздел 3. Инженерное обеспечение
УДК 621.311.25
ОПТИМИЗАЦИЯ РЕЖИМОВ РАБОТЫ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ВОЗОБНОВЛЯЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ ЭНЕРГИИ
Бекиров Э.А., Асанов М.М., Алькаата А.
Физико-технический институт ФГАОУ ВО «Крымский федеральный университет имени В.И. Вернадского»,
Адрес: г. Симферополь, ул. Киевская, 181
Е-таИ: kaf_energo@cfuv.ru
Аннотация. Добиться уменьшения потерь в электроэнергетических системах невозможно без оптимизации их работы. В работе проанализированы существующие методики оптимизации работы энергоустановок, в том числе на основе методов математического моделирования. Рассмотрен метод оптимизации режимов работы солнечной электростанции. Метод подразумевает непрерывный мониторинг за выработкой мощности фотоэлектрическими элементами с целью управления переключением выходных инверторов. Описанная методика позволит увеличить эффективность работы солнечной электростанции и будет способствовать продлению срока эксплуатации инверторов. Ключевые слова: возобновляемые источники энергии, оптимизация работы, повышение надежности
ВВЕДЕНИЕ
В целом ряде стран наблюдается тенденция к формированию более жестких требований, касающихся экологической безопасности, стремлению уменьшить экологические риски и вероятность катастроф при использовании углеводородов и других видов сырья для традиционной энергетики АЭС, ТЭС. Все это способствует широкому распространению агрегатов возобновляемой энергетики, проектированию, исследованию и вводу в эксплуатацию солнечных и ветровых электростанций (СЭС и ВЭС).
ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ
При разработке солнечных и ветровых электростанций проектирование и расчет энергоагрегатов для СЭС и ВЭС можно разделить на несколько задач.
Прямая задача заключается в том, что первоначально производится расчет мощности и потребления электроэнергии, необходимой для автономного электроснабжения здания,
предприятия, фабрики, района. По полученным расчетным данным производится расчет и выбор элементов энергоагрегатов:
а) Для СЭС расчет и выбор типа солнечных батарей, инверторов, трансформаторов, коммутирующей аппаратуры и соответствующих устройств защиты, автоматики, сигнализации. В зависимости от требуемых значений токов и напряжений солнечные батареи (СБ) соединяются параллельно или последовательно и количество СБ должно быть таким, чтобы обеспечивать требуемую мощность с коэффициентом 1,2. Размещение СБ
должно осуществляться на крышах предприятий, зданий;
б) Для ВЭС необходимое число и мощности ветроагрегатов выбирается исходя из требований обеспечения необходимой мощности системы электроснабжения проектируемых объектов, районов.
Эти СЭС и ВЭС могут обеспечивать электроэнергией удаленные труднодоступные районы.
Обратная задача состоит в том, что при дефиците электроэнергии в том или ином районе при достаточном количестве солнечных дней и необходимом напоре ветра на неиспользуемых непригодных для сельского хозяйства землях, склонах гор проектируются СЭС и ВЭС с подключением генерируемой ими электроэнергии в общую энергосистему.
АНАЛИЗ ПУБЛИКАЦИЙ
Задачи расчета и проектирования системы автономного электроснабжения с использованием СБ приводятся в [1 - 3]. При работе систем электроснабжения как в традиционных системах генерации и потребления электроэнергии, так с использованием энергоагрегатов возобновляемой энергетики происходят потери электроэнергии в генерирующих системах, линиях электропередачи и трансформаторах. Задачам оптимизации работы генерирующих энергоустановок посвящен целый ряд работ [4 - 7], в том числе с использованием методов математического моделирования [8, 9].
Оптимизация режимов совместной работы солнечной и тепловой электростанций представлена в [4]. Для вывода уравнения оптимизации используются множители Лагранжа.
Применение нормативного подхода к деятельности генерирующих компаний предложено в [5] как способ системной оптимизации режимов работы электроэнергетических систем.
Преимущества оригинального программно -вычислительного комплекса «КАТРАН 7.0», используемого для оптимизации режимов промышленных систем электроснабжения с собственными источниками электрической энергии показаны в [6]. Он позволяет определять оптимальные загрузки генераторов собственных электростанций промышленных энергоузлов с учетом потерь мощности в распределительных сетях.
Различные методы оптимизации режимов работы электроэнергетических систем и сетей рассмотрены в [7]. Отмечено, что среди традиционных задач оптимизации режимов электроэнергетических систем и систем электроснабжения промышленных объектов выделяют выбор наилучших конфигураций электрических сетей; распределение нагрузок между источниками электроэнергии как действующих, так и проектируемых систем электроснабжения; рационализация использования энергетических ресурсов. Проанализированы примеры применения существующих методов оптимизации.
Авторами [8] описана методика определения общих эксплуатационных затрат с учетом износа оборудования газотурбинной электростанции при различных режимах работы. На ее основе построена методология оптимизации режимов загрузки этого оборудования. Учет ресурсной составляющей дает возможность изменить оптимальные режимы и в некоторых случаях отказаться от кратковременных остановов газотурбинных установок, что позволяет повысить эффективность их эксплуатации.
Описание и внешний вид программного комплекса для оптимизации режимов работы тепловой электростанции приведен в [9]. Разработанная программа написана на языке С++, база данных сформирована на Microsoft SQL. Пользователь программного комплекса может выбирать из двух типов оптимизации: динамический или среди заданного состава оборудования. При выборе оптимизации первого типа происходит оптимизация, как состава оборудования, так и режимов и величин нагрузок. В случае выбора оптимизации второго типа -оптимизируются только режимы работы и величины нагрузок.
Использование имитационной модели тепловой электростанции, построенной с применением сплайн-аппроксимации нормативных
энергетических характеристик для формирования оптимального состава оборудования и расчета её оптимальных эквивалентных характеристик для любых режимов работы предложено в [10]. Приведена схема экранной формы имитационной модели ТЭС и блок-схема алгоритма ее работы. Представлены результаты моделирования.
Рассмотрим пути оптимизации системы электроснабжения с целью уменьшения потерь в них.
ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ
Решение снижения потерь в электрических сетях может быть осуществлено согласно следующим принципам:
- снижение потерь электроэнергии путем оптимизации существующих схем и режимов работы электрических сетей, совершенствования их технического обслуживания;
- строительство и реконструкция электрических сетей, установка дополнительного и замена существующего электрооборудования.
Рассмотрим СЭС с использованием солнечных батарей (СБ). Внутренняя схема СЭС должна содержать цепи преобразования напряжения постоянного тока СБ в трехфазное напряжение для сетей линий электропередачи объединенной энергетической системы по числу фаз, частоте тока и величине напряжения. С этой целью в блоке преобразователя энергоустановки применяется трехфазный мостовой инвертор (И) с выходным разделительным трансформатором (ТУ), вторичное (выходное для сети) напряжение которого ¡?лз должно соответствовать стандартным величинам линейных напряжений сетей (0,69 кВ; 10 кВ и т.д.).
Традиционная схема преобразования энергии постоянного тока в энергию переменного тока в трехфазных цепях содержит один инвертор и один трансформатор (И+ТУ). В случае работы СЭС при значительном изменении мощности цепей постоянного тока по месяцам, в такой схеме инвертор будет работать со значительной нагрузкой, что ухудшает его параметры. Поэтому для СЭС предлагается схема преобразования (2И+ТУ), в которой при уменьшении мощности цепей постоянного тока, производится переключение всех цепей на вход одного инвертора. Второй инвертор является при этом резервным и для него могут выполняться регламентные работы. На рисунке 1 приведена схема одного блока СЭС с двумя инверторами [2 (лг£сЕ и) +- ТУ] при общей мощности блока 1МВА, иЛ2 = 10 к В Напряжение цепей постоянного тока 17» 1 кВ. За счет включения автоматических выключателей А1, ...Аз возможно включение СБ как к каждому инвертору, так и только к одному.
В таблице 1 приведен порядок включения автоматических выключателей А1, ..., А3 при различном значении интенсивности суммарного солнечного излучения Е^. Переключение А]. ...Аз производится автоматически по величине входного тока И.
Согласно типовым вольт-амперным характеристикам (ВАХ) солнечных фотоэлементов
(ФЭ) при значениях Е., составляющих 20% и выше от интенсивности суммарного солнечного излучения Е,0 = 1000 Вт/м2 или 800 Вт/м2, мощность СБ меняется практически линейно с изменением Е, [3]. Поскольку величины
различаются по месяцам более чем в два раза, схема преобразовательной части блока для СЭС во многих случаях предусматривает возможность
подключения цепей всех СБ (N05) к одному И. Если
интенсивность солнечного излучения низкая, то энергия цепи постоянного тока подается не на два И, а на один. Это увеличивает его коэффициент полезного действия, а, следовательно, генерируемую блоком мощность. Расчет мощности всех элементов блока преобразования выполняется при нормированных параметрах СБ (ря = 1000 Вт/м2).
Рис. 1. Схема одного блока СЭС [2] Fig. 1. Diagram of one SES unit [2]
!есб
+ 0-
Ugb (Ehj)
¿G dfl dG
0-
И1
КИ2
Рис. 2. Электрическая схема преобразовательной части блока СЭС: И1, И2 - инверторы, TV - выходной трехфазный трехобмоточный трансформатор [2]
Fig. 2. Electrical circuit of the converter part of the SES block: I1, I2 - inverters, TV - three-phase three-
winding output transformer [2]
Таблица 1. Состояние автоматических выключателей в зависимости от величины Еу_.. Table 1. The state of the circuit breakers depending on the size Ev_.
Er, < 0А1 Включ ен Включ ен Выклю чен И1
Выклю чен Включ ен Включ ен И2
Величин a EKj Состояние автоматических выключателей Включен ный инвертор
А1 А2 A3
Eyj >0,5 -Включ 'В Выклю чен Включ ен И1, И2
Первичное (входное от инвертора) напряжение этого ТУ — П^ должно быть согласовано с параметрами инвертора и может отличаться от стандартной величины напряжения сетей.
На рисунке 2 показана схема преобразовательной части БЛ в составе (2H+TV). Дроссели и коммутирующие элементы не показаны.
Для рисунка 2 соотношение между средним значением входного напряжения постоянного тока УсБ от группы СБ и действующим значением выходного фазного напряжения инвертора Уф! определяется выражением:
иСБ (£чг) - V2 i/ф! Bill;
+ лиу0у) + ьишт,
п б
где у - угол включения ЮВТ-модулей в составе инвертора;
у - угол коммутации ЮВТ-модулей; /Е - среднее значение тока инвертора; - - ;_-г - падение напряжения на ЮВТ-модулях за счет процесса коммутации.
При коммутации тока значения угла у невелики из-за малой индуктивности цепи коммутации, поэтому А11у (/н) = 0. Величиной можно пренебречь (ДУ;С£Т =0), так как его величина составляет -Л и1евт < 4В при номинальном токе. Режим работы И регулируется изменением угла в, что усложняет схему управления инвертора, а увеличение в приводит к росту составляющих высших гармоник в напряжении У<и. С учетом вышеизложенного, выходное фазное напряжение У<и можно определять согласно формуле:
« SS9 В; УФ1 = 4-00 В
Среднее значение тока /£ определим по формуле
Принимая Усе(^) = У00 В: = 555 А
Среднее значение тока ЮВТ-модулей:
чавт ~
= 185 А,
m
где т=3 - число фаз.
Эти величины напряжения и тока дают возможность оценить потери мощности в инверторе.
Применение вместо двух недогруженных инверторов одного инвертора при снижении интенсивности солнечного излучения до Е,
позволит снизить потери мощности в нем. Аналогичное мероприятие можно рассмотреть и по использованию вместо одного трансформатора ТУ двух трансформаторов с суммарной мощностью эквивалентной одному выбранному. Мощность потерь в трансформаторе определяется по формуле:
ЛРГ,
потери на и вихревые
гистерезис, токи в
где —и перемагничивание магнито проводе;
- потери на активных сопротивлениях обмоток трансформатора.
Эти потери могут для мощных трансформаторов достигать значительных величин (до сотни киловатт). В этом случае для СЭС возможно применение 2 трансформаторов и аналогично как и с инверторами включение при необходимости одного трансформатора с целью уменьшения потерь в самих генерирующих и преобразовательных устройствах.
ВЫВОДЫ
Вопрос оптимизации работы энергоустановок остро стоит перед их эксплуатантами и исследователями в этой области. Решение этой проблемы позволит не только сократить расходы в ходе эксплуатации энергосистем, но и повысить их надежность и долговечность.
Рассмотренная в работе методика оптимизации режимов работы солнечной электростанции позволяет увеличить
эффективность ее работы при снижении, падающего на поверхность фотоэлементов, солнечного излучения. Это достигается путем контроля величины вырабатываемой
фотоэлементами мощности и выработки сигнала для управления переключением инверторов.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1.Велькин В.И. Методология расчета комплексных систем ВИЭ для использования на автономных объектах. Екатеринбург, УрФУ, 2015.
2.Бекиров Э.А. Возобновляемая энергетика. Симферополь, ИТ «Ариал», 2016.
3. Учебное пособие по выполнению квалификационной работы по направлению 13.03.02 электроэнергетика и электротехника. Под ред. Бекирова Э.А., Воскресенской С.Н. Симферополь, ИТ «Ариал», 2017.
4.Бекиров Э.А., Стрижаков К. Оптимизация режимов распределения нагрузки в совмещенной системе с возобновляемыми источниками энергии // Motrol. - 2012. - № 1. - C. 146 - 150.
5.Ефремов И.А., Таран А.С., Филиппов Т.А. Принципы повышения эффективности управления режимами работы электроэнергетических систем // Доклады Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники. - 2012. - № 1. -С. 199 - 203.
6.Кочкина А.В., Малафеев А.В., Варганов Д.Е., Курилова Н.А., Дубина И.А. Методика оптимизации эксплуатационных режимов промышленных систем электроснабжения // Электротехнические системы и комплексы. - 2014. - № 3. - С. 49 - 53.
7.Варганова А.В. О методах оптимизации режимов работы электроэнергетических систем и сетей // Вестник Южно-уральского государственного университета. Серия: энергетика. - 2017. - Т. 17. - № 3. - С. 76 - 85.
8.Аминов Р.З., Кожевников А.И. Оптимизация режимов работы газотурбинной электростанции с учетом
влияния износа оборудования // Теплоэнергетика. - 2017. - № 10. - С. 17 - 24.
9.Иванов Н.С., Беспалов В.И., Лопатин Н.С. Программный комплекс для оптимизации режимов работы тепловых электростанций и эффективность его применения // Известия Томского политехнического университета. - 2008. - Т. 313. - № 4. - С. 40 - 44.
10. Питолин В.Е. Применение имитационной модели для оптимизации параметров тепловой электростанции в составе энергосистемы // Вестник Полоцкого государственного университета. Серия С: Фундаментальные науки. - 2013. - № 4. - С. 40 - 45.
REFERENCES
[1] Velkin V.I. The methodology for calculating the complex systems of renewable energy for use on autonomous objects. Ekaterinburg, UrFU, 2015.
[2] Bekirov E.A. Renewable energy. Simferopol, IT "Arial", 2016.
[3] The manual on the implementation of qualification work in the direction of 13.03.02 electricity and electrical engineering. Ed. Bekirova E.A., Voskresenskaya S.N. Simferopol, IT "Arial", 2017.
[4] Bekirov EA, Strizhakov K. Optimization of load distribution modes in a combined system with renewable energy sources // Motrol. - 2012. - № 1. - C. 146 - 150.
[5] Efremov I.A., Taran A.S., Filippov T.A. Principles of improving the efficiency of control of
operating modes of electric power systems // Reports of Tomsk State University of Control Systems and Radio Electronics. - 2012. - № 1. - p. 199 - 203.
[6] Kochkina A.V., Malafeev A.V., Varganov D.E., Kurilova N.A., Dubina I.A. Methods of optimization of operating modes of industrial power supply systems // Electrotechnical systems and complexes. - 2014. - № 3. - p. 49 - 53.
[7] Varganova A.V. On the methods of optimization of operating modes of electric power systems and networks // Bulletin of the South Ural State University. Series: energy. - 2017. - T. 17. - № 3. - p. 76 - 85.
[8] Aminov R.Z., Kozhevnikov A.I. Optimization of operating modes of a gas turbine power plant taking into account the effect of equipment wear. Thermal Engineering. - 2017. - № 10. - p. 17 - 24.
[9] Ivanov N.S., Bespalov V.I., Lopatin N.S. A software package for optimizing the operating modes of thermal power plants and the efficiency of its use // News of Tomsk Polytechnic University. - 2008. - T. 313. - № 4. - P. 40 - 44.
[10] Pitolin V.E. The use of a simulation model to optimize the parameters of a thermal power plant as part of the power system // Vestnik of Polotsk State University. Series C: Fundamental Sciences. - 2013. -№ 4. - p. 40 - 45.
SOPTIMIZATION OF OPERATING MODES OF ELECTRICAL SUPPLY SYSTEMS WITH THE
USE OF RENEWABLE ENERGY SOURCES
Bekirov, EA, Asanov, MM, Alkaata, A.
Summary. It is impossible to reduce losses in electric power systems without optimizing their work. The paper analyzes the existing methods for optimizing the operation of power plants, including those based on mathematical modeling methods. The method of optimization of operating modes of a solar power station is considered. The method involves continuous monitoring of the power generation of photovoltaic cells in order to control the switching of output inverters. The described method will increase the efficiency of the solar power station and will contribute to the extension of the life of inverters.
Key words: renewable energy sources, optimization of work, increase of reliability
