CC BY
180
УДК 621.311.26
Системные свойства гибридных энергокомплексов на основе возобновляемых источников энергии
В. C. Афонин,
НИУ МЭИ, ассистент кафедры «Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии» А. Г. Васьков,
НИУ МЭИ, ассистент кафедры «Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии» Г. В. Дерюгина,
НИУ МЭИ, старший преподаватель кафедры «Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии» М. Г. Тягунов,
НИУ МЭИ, профессор кафедры «Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии», академик Академии электротехнических наук РФ, доктор технических наук, профессор
Т. А. Шестопалова,
НИУ МЭИ, доцент кафедры «Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии», кандидат технических наук, доцент
Представлены подход и описание моделей элементов гибридных энергокомплексов на основе возобновляемых источников энергии, предназначенных для использования в малых распределённых энергетических системах. Описан подход к процедуре технико-экономического обоснования структуры и параметров гибридных энергокомплексов.
Ключевые слова: гибридный энергокомплекс, возобновляемые источники энергии, энергоэффективность, модель энергокомплекса.
Введение
Энергетическая стратегия-2030, утверждённая Распоряжением Правительства РФ от 13 ноября 2009 г. № 1715-р, отмечает недостаточное развитие малой энергетики и низкую вовлечённость в энергобалансы местных источников энергии регионального и локального значения. Это делает актуальным развитие малой энергетики в зоне децентрализованного энергоснабжения за счёт повышения использования местных энергоресурсов и сокращения объёмов потребления привозных углеводородных видов топлива. Доля распределённой генерации к 2030 году может достичь 15 % в производстве электроэнергии на тепловых электростанциях.
В материалах экспертной группы по подготовке предложений по актуальным проблемам социально-экономической стратегии России на период до 2020 года по направлению «Реформа естественных монополий» [1] отмечается, что в электроэнергетике России наметились тревожные тенденции:
- «рост цен на электроэнергию за последние пять лет больше чем в два раза при отсутствии улучшений в надёжности и качестве обслуживания потребителей;
- готовность частных инвесторов в отрасли к продаже своих активов (даже с потерей стоимости) государственным компаниям (что свидетельствует не только об отсутствии у них стимулов к модернизации и развитию, но и о негативной оценке перспектив бизнеса в принципе);
- пересмотр принятых тарифных решений, являющийся естественным следствием роста тарифов, незавершённости преобразований и неэффективности регулирования.
Ситуация подошла к порогу готовности потребителей отсоединяться как от тепловых, так и от электросетей и строить собственные тепловые и генерирующие мощности».
Сложившаяся ситуация в зоне централизованного электро- и теплоснабжения, как и необходимость обеспечения стабильного энергоснабжения потребителей в децентрализованных зонах энергоснабжения, которые составляют более 2/3 территории страны (Крайний Север, Дальний Восток, Сибирь, Бурятия, Якутия, Алтай, Курильские острова, Камчатка, часть Центральной России), а также в энергодефицитных районах России, дают основание для создания технологической платформы «Малая распределённая энергетика» [2].
Концепция распределённой энергетики строится на трёх основных принципах: учёт особенностей спроса на количество и качество энергии местными (локальными) потребителями энергии всех видов; единство энергетического комплекса распределённой энергосистемы - от генерации до потребления; максимальное обеспечение потребностей в первичных источниках энергии за счёт собственных ресурсов территории, в том числе возобновляемых.
Для использования в рамках технологической платформы определены такие направления, как
использование малых когенерационных установок на газовом и твёрдом топливе, газификация угольного топлива, торфа, отходов производства и потребления биоэнергетических ресурсов, водородная энергетика. Предметом деятельности также являются локальные энергетические системы, для которых характерны интеграция с потребителем, высокий уровень автоматизации и «интеллектуализация» энергообеспечения.
Технологическая платформа «Малая распределённая энергетика» сегодня базируется на следующих технологиях:
- использование газотурбинных установок, микротурбин, парогазовых установок малой мощности, газопоршневых установок внутреннего сгорания, роторно-лопастных двигателей внешнего сгорания;
- газификация местных топливных ресурсов;
- когенерация энергии рядом с потребителем;
- комплексы генерирующих установок разных типов, в том числе на основе ВИЭ;
- новые энергетические технологии (водородная энергетика и т. д.).
Развитие малой распределённой энергетики связано с изменением основной парадигмы развития централизованной энергетики, формулируемой как надёжное и бесперебойное энергоснабжение эквивалентного неструктурированного потребителя энергии, питающегося от энергетической (электрической, тепловой и т. д.) сети, связывающей его с источниками генерации энергии различных типов.
Парадигма малой распределённой энергетики может быть сформулирована только при чётко названных системных свойствах малых распределённых систем энергоснабжения.
Системные свойства малых распределённых систем энергоснабжения
Говоря о системных свойствах систем энергоснабжения, необходимо рассматривать основные элементы, которые формируют целевую и технологическую структуру системы.
Энергосистемы включают в свой состав потребителей, формирующих спрос на электрическую, тепловую, механическую и другие виды потребляемой энергии, производителей (генераторов) требуемых видов энергии, средств доставки энергии потребителю, гибкую систему резервирования поставщиков энергии и эффективного управления всеми элементами системы.
Важными особенностями малых энергосистем являются:
- относительно небольшое расстояние от места производства до места потребления энергии, что существенно уменьшает величину потерь по длине линий доставки (электрических, механических, гидравлических, тепловых и т. д.);
- сравнительно небольшое число потребляющих энергию установок, единичная мощность которых сопоставима с установленной мощностью всей энергосистемы;
- сравнительно небольшое число генерирующих энергию установок, единичная мощность которых сопоставима с установленной мощностью всей энергосистемы;
- тесная взаимозависимость режимов работы всех элементов энергосистемы, влияющих на устойчивость и надёжность её работы.
Целевая установка энергетических систем обычно формулируется как «полное и бесперебойное энергоснабжение потребителей энергии в соответствии с их требованиями по количеству и качеству энергии, графику потребления энергии в заданном интервале времени». Иными словами, параметры генерирующей части системы выбираются исходя из нужд потребителей, структура и параметры которых не зависят от энергообеспеченности. Здесь, правда, необходимо сделать ряд оговорок: при проектировании крупных ГЭС вместе с ними проектировались местные потребители энергии, такие как алюминиевые заводы и комплексы лесопереработки. Для строительства крупных промышленных предприятий проектировались обеспечивающие их энергией электростанции, а для выравнивания графика нагрузки энергосистем (графика потребления мощности) создавались специальные потребители-регуляторы, основной задачей которых было снижение пиково-сти графика потребления и повышение тем самым экономичности и надёжности работы генерирующих, передающих и распределяющих элементов энергосистемы.
Известно, что фундаментальными понятиями энергетики являются:
- совпадение во времени производства и потребления энергии;
- удовлетворение запросов потребителей электрической энергии и тепла по количеству и качеству, т. е. при выполнении баланса производства и потребления (с учётом потерь энергии при передаче и распределении энергии) на всех временных уровнях управления - от долгосрочного планирования до оперативного управления;
- обеспечение бесперебойности энергоснабжения с заданной гарантией и качеством энергии путём резервирования источников мощности (энергии);
- обеспечение экономичности энергоснабжения путём снижения потерь энергии на всех этапах технологического процесса производства, передачи и распределения энергии.
В последние годы в России повышение экономичности энергообеспечения стало распространяться на потребителей энергии, что позволило сформулировать концепцию энергоэффективности. Аналогичное движение начато развитыми промышленными странами в период энергетического кризиса 1973 года, что позволило во многом сменить взгляды на приведённые выше фундаментальные понятия энергетики.
Не углубляясь в подробности изучения свойств больших систем энергетики, которые играют важную роль для функционирования и развития
Единой энергетической системы РФ [3], остановимся на свойствах тех, которые включают в себя источники (генераторы) энергии на основе возобновляемых источников энергии (ВИЭ). С точки зрения этих энергетических систем, требования к генераторам на основе ВИЭ выражаются следующим образом:
- не имеют гарантии выдачи мощности по электричеству (за исключением ГЭС с водохранилищами) или теплу (за исключением теплонасосных установок);
- могут использоваться без существенных ограничений по устойчивости режима энергосистемы, неравномерности выдачи мощности и качеству электроэнергии, если их доля по установленной мощности составляет не более 15 % установленной мощности генераторов энергосистемы [4];
- могут частично компенсировать неравномерность поступления энергоресурсов к энергоустановкам различных типов и повысить надёжность энергоснабжения потребителей;
- могут работать совместно с аккумуляторами и преобразователями энергии в иной вид, поддающийся эффективной аккумуляции (электрохимические, водородные, гидравлические, пневматические, механические, электрические и т. д.).
Из приведённых положений можно сделать несколько основных выводов:
- генераторы на основе ВИЭ не могут осуществлять энергоснабжение автономных и иных потребителей самостоятельно, без участия источников гарантированной мощности или использования аккумуляторов;
- при этом они могут работать совместно с малыми тепловыми энергоустановками (в качестве дублирующей мощности), обеспечивая экономию топлива по сравнению с работой тепловых энергоустановок в качестве единственного источника энергоснабжения потребителей малых энергосистем или автономных потребителей. При этом следует помнить, что автономные потребители являются, по существу, потребителями малых распределённых энергосистем.
В связи с возникновением некоторых терминологических сложностей, связанных с отсутствием нормативных определений малых и распределённых энергосистем и их составляющих, будем использовать в дальнейшем понятие «гибридный энергетический комплекс» (ГЭК). ГЭК включает в
себя потребителей, производителей и передатчиков различных видов энергии, которые обеспечивают автономность его функционирования.
Здесь необходимо оговориться, что состав гибридного энергетического комплекса на основе возобновляемых источников энергии также не определён. Под ГЭК часто подразумевают:
- объединение энергоустановок разного типа, в том числе и на основе ВИЭ;
- объединение генераторов, потребителей и объектов транспортно-коммутационной сети локального объекта («локальные энергосистемы» или «изолированные энергосистемы»).
Для уточнения понятия «гибридный энергетический комплекс» выделим следующие его системные свойства:
- зависимость эффективности использования генераторов (преобразователей энергии разных видов первичной энергии в тепло- и электроэнергию) от типов потребителей электроэнергии;
- необходимость гибкой взаимосвязи генераторов, работающих на разных видах первичной энергии, и потребителей различного типа и назначения с помощью развитой (умной) сети типа micro-grid;
- зависимость параметров генераторов каждого типа от соотношения параметров потребителей и графика поступления энергетических ресурсов, необходимых для балансирования генерации и потребления мощности и энергии элементов гибридного энергетического комплекса.
С этой точки зрения рассмотрим системные свойства ГЭК и его элементов, а также подходы к моделированию некоторых из этих элементов.
Системные свойства элементов ГЭК
Условимся, что гибридный энергетический комплекс представляет собой техническую систему, объединяющую в рамках единого технологического процесса генераторы электрической, тепловой и других видов энергии различных типов, аккумуляторы, средства коммутации, передачи и преобразования энергии в вид, пригодный для использования потребителями.
Такой подход не нов. Аналогично рассматривались энергетические комплексы на основе ВИЭ, например, в [5]. Состав элементов ГЭК, использующих электрическую и тепловую энергию при таком подходе, показан на рис. 1, где ГЭУ - гидроэнергетические установки, ВЭУ - ветроэнергетические установки, ТНУ - теплонасосные установки, ПГУ -
Генераторы Аккумуляторы Коммуникаторы
ГЭУ, АЭ, КРУ,
ВЭУ, ПАЭУ, сети,
ТНУ, ТНУ, ТНУ,
ПГУ, ГАЭУ, АИИСКУЭ,
ГТУ МН АСУ ТП
Потребители
ПЭ, ПР, ПГЭ, РП
Рис. 1. Ориентировочный состав элементов ГЭК
парогазовые установки, ГТУ - газотурбинные установки, АЭ - аккумуляторы электрохимические, ПАЭУ - пневмоаккумулирующие энергетические установки, ГАЭУ - гидроаккумулирую-щие энергетические установки, МН - механические накопители, КРУ - комплектные распределительные устройства, АИИСКУЭ - автоматизированная информационно-измерительная система коммерческого учёта электроэнергии, АСУ ТП -автоматизированная система технологического управления, ПЭ - потребители энергии, ПР -потребители-регуляторы, ПГЭ - потребители гарантированного энергоснабжения, РП - резервные потребители.
Потребители
Важным аспектом разрабатываемого подхода к проектированию гибридного энергетического комплекса является дифференциация потребителей энергии по типам: потребители энергии, потребители-регуляторы, потребители гарантированного энергоснабжения, резервные потребители [6]. Потребители энергии - тип потребителя, в состав которого технологически встроен накопитель энергии того или иного вида, например, нагреватели систем горячего водоснабжения со встроенными баками-накопителями горячей воды.
Потребители-регуляторы - тип потребителя, график энергопотребления которого может быть выбран в зависимости от существующего графика генерации мощности (электрической, тепловой и т. д.).
Резервные потребители - тип потребителя, который включается для производства дополнительного продукта, в частности, вторичных аккумулируемых энергоресурсов (водород, кислород, сжиженный газ и т. д.).
Потребители гарантированного энергоснаб-- потребители, работающие по заданному графику энергопотребления и требующие полного, бесперебойного энергоснабжения с заданными параметрами качества энергии.
Потребители указанных типов могут потреблять электроэнергию (постоянный или переменный ток), тепло, механическую энергию, а также производить энергоресурсы для дальнейшего использования (производство водорода, сжатого воздуха и т. д.).
Аккумуляторы
Аккумуляторы энергии могут иметь разную физическую природу и принципы работы. Среди известных технических решений могут быть названы электрохимические аккумуляторные батареи, емкостные и индуктивные накопители, маховики, тепло-, гидро- и пневмоаккумулирую-щие установки. При этом предполагается, что накопленная в любом виде энергия будет использована объектами гибридного энергетического комплекса. Производители энергоресурсов для энергоустановок, не входящих в состав ГЭК, включаются в блок «Потребители».
Коммуникаторы
Под понятие «коммуникаторы» подпадают все элементы электро- и теплокоммуникационной структуры, а также механические, гидравлические и пневматические системы связи, обеспечивающие передачу энергии между блоками «Генераторы», «Аккумуляторы» и «Потребители», а также элементами каждого из блоков между собой. Понятие «сеть» объединяет все виды цепей передачи электрической, тепловой, механической и т. д. энергии. В соответствии с концепцией «интеллектуальных сетей», блок «Коммуникаторов» гибридного энергетического комплекса включает в себя не только средства передачи энергии и коммутации различных элементов схемы, но и средства мониторинга, контроля, диагностики и управления всеми элементами этого блока.
Генераторы
В качестве генераторных установок (генераторов) рассматриваются гидроэнергетические установки (ГЭУ), ветроэнергетические установки (ВЭУ), теплонасосные установки (ТНУ), а также установки гарантированного энергоснабжения, такие как газо- и паротурбинные установки и дизель-генераторные установки.
Генераторы гибридного энергокомплекса имеют общую структуру и рассматриваются как объединение следующих элементов:
- источников первичной энергии;
- накопителей первичной энергии;
- преобразователей первичной энергии в заданный вид (по требованиям потребителей или иным условиям).
Модели генераторов гибридного энергетического комплекса включают в себя:
- модели поступления энергоресурсов (валовой потенциал первичной энергии) для заданной площадки (места расположения ГЭК) в нормированных точках (для ветроэнергетических ресурсов, например, скорость ветра на высоте 10 м от поверхности Земли);
- модели определения технического потенциала первичной энергии - количества энергии, которая может быть получена после применения мероприятий технического характера (концентрация напора на гидроэнергетические установки, определение скорости ветра на высоте установки ветроколеса ветроэнергетической установки, определение теплоотдачи или градиента температуры земли на различной глубине установки ТНУ и т. д.);
- модели накопителей первичной энергии (водохранилища ГЭУ, пруда-накопителя тепло-насосной установки, хранилища ресурсов для парогазовой, газотурбинной, дизель-генераторной установок).
Ресурсные модели
Модели поступления энергоресурсов строятся на основе рядов наблюдений характерных пара-
метров (расход воды для ГЭУ, теплоотдача Земли для ТНУ, скорость ветра для ВЭУ, график поставки дизельного топлива и газа) или в ином виде, позволяющем провести расчёт использования энергоресурса на заданном интервале времени. В некоторых случаях эти зависимости задаются в виде вероятностных характеристик поступления энергоресурса, на основе которых средствами модели поступления энергоресурсов (например, Монте-Карло) могут быть определены соответствующие ряды характерных параметров [6-8]. Для оценочных расчётов выходные данные модели поступления энергоресурсов будут представляться в детерминированном виде.
Модели определения технического потенциала первичной энергии задаются в виде алгоритмов пересчёта параметров, полученных при помощи моделей поступления (или накопления) энергоресурсов, и определяют параметры генерирующих установок, соответствующие рассматриваемым техническим решениям (возможное повышение уровня воды в водохранилище, подъём гондолы ветроэнергетической установки на различную высоту над поверхностью Земли, возможная глубина скважины для подземного отбора низкопотенциального тепла для тепло-наносной установки, возможность работы иных элементов группы «Генераторы» в условиях рассматриваемой площадки) [6, 9].
Модели должны ориентироваться на все доступные данные об условиях использования предполагаемых технических средств на площад-ках1, которые, например, могут быть ограничены транспортной доступностью площадки для спецтехники, использование которой необходимо при определённых значениях параметров конструкции гибридного энергокомплекса (высота башни ВЭУ, например, определяет необходимость использование тяжёлой подъёмной техники).
Модели накопителей первичной энергии обыкновенно задаются зависимостью объёма накапливаемой первичной энергии от габаритных размеров накопителя (с учётом внешних ограничений по природоохранным, хозяйственным и иным факторам, если таковые имеют место). Они должны позволять определять внутренние параметры накопителя, связанные с технологией его использования и безопасностью работы.
Одним из важных компонентов гибридного энергетического комплекса и интеллектуальных сетей являются накопители энергии (аккумуляторы). Для накопления большого количества энергии применяются электрохимические, инерционные (маховики), тепловые, пневматические, гидравлические и другие аккумуляторы.
Модели аккумуляторов должны содержать основные характеристики устройств и зави-
1Под площадкой понимается место расположения ГЭК с заданными географическими координатами, описанием климатических условий, данными о народонаселении, хозяйственном использовании и транспортной доступности.
симости, позволяющие определить эти характеристики.
Для моделей инерционных (механических) накопителей (гравитационных, кинетических, пружинных, газовых) будут характерны масса, габаритные размеры, скорость вращения (для маховиков), высота подъёма (для гравитационных), удельная энергия и время сохранения кинетической энергии. Время отдачи энергии не ограничено.
Для моделей тепловых аккумуляторов с жидким теплоносителем характерны параметры: теплоёмкость, теплопроводность, габаритные размеры, масса, время сохранения тепла и скорость его отдачи.
Для гидроаккумуляторов важны масса, объём, габаритные размеры, напор, пропускная способность и механические свойства водоводов.
Для пневмоаккумуляторов - объём, давление, прочность стенок резервуара, скорость отдачи энергии.
Основными параметрами моделей аккумуляторов будут их энергетические показатели: накопленная энергия, потери энергии при хранении, скорость отдачи накопленной энергии, а также массо-габаритные показатели.
Основными элементами моделей сети (электрической, тепловой и др.) должны быть модели пото-кораспределения с учётом минимизации электрических (гидравлических, тепловых и др.) потерь в транспортной системе, схемы соединения элементов распределительных устройств и тепловых пунктов, оперативных переключений, обеспечивающих коммутацию сети в оптимальной для заданного критерия конфигурации.
С целью выбора структуры и параметров гибридного энергетического комплекса модели сети и распределительных устройств (пунктов) могут быть представлены схемами соединений генерирующего, аккумулирующего, потребляющего оборудования и линий, соединяющих различные элементы ГЭК.
Важным свойством транспортно-коммуника-ционного комплекса является его способность своевременно определять факт и места возникновения нештатных ситуаций, оценку причин и ожидаемых последствий, своевременное проведение операций по переключению коммутационных устройств для обеспечения безопасного, надёжного и экономичного режима работы гибридного энергетического комплекса. Эти функции возлагаются на существующие системы автоматизированного управления (включая средства оперативной диагностики состояния оборудования) и системы коммерческого учёта электроэнергии. Алгоритмы управления являются неотъемлемыми элементами модели управления транспортно-ком-мутационным комплексом и обеспечивают его эффективную работу.
Модель потребителей энергии представляет собой среднеинтервальное значение мощности потребления или значение потребляемой энергии
за заданный интервал времени. Для потребителей этого типа может быть задан произвольный график потребления мощности при обязательном удовлетворении интегрального ограничения по величине интервальной выработке и ограничениях по минимальной (технический минимум) и максимальной (установленная или плановая рабочая) мощности. В случае необходимости могут быть построены модели каждого потребителя этого типа отдельно, а затем проведено его эквивалентирова-ние до типового потребителя с суммарными параметрами и минимальной областью допустимых значений параметров.
Модель потребителей-регуляторов будет представлена зависимостью, обратной разности между графиком потребления и графиком генерации электрической и тепловой (механической) энергии.
Модель потребителей гарантированного энергоснабжения представляется графиком потребления активной (и реактивной) электрической, тепловой и т. д. мощности, которая при необходимости может быть суммирована и представлена в виде графика нагрузки генераторов гибридного энергетического комплекса.
Модель резервных потребителей представляется ступенчатой функцией, ограниченной максимальной и минимальной мощностью резервных потребителей, а для динамических режимов ГЭК и зависимостью мощности в переходных процессах.
Модели потребителей строятся на основе известных зависимостей машин и аппаратов с заданными свойствами.
Состав потребителей и их мощность выбираются с учётом конкретных требований к структуре и параметрам потребителей гибридного энергетического комплекса, а также с учётом состава и параметров генерирующего и распределяющего оборудования ГЭК. Это в известной степени позволяет реализовать тезис о формировании управления спросом на электриче-
скую и тепловую энергию, что является одним из направлений экономического управления надёжностью электроснабжения потребителей, отмеченное в проекте Концепции обеспечения надёжности в электроэнергетике [10].
Структура ГЭК и методика обоснования его параметров
С учётом определённых выше системных свойств элементов гибридного энергетического комплекса можно представить его в виде набора взаимосвязанных элементов, объединённых общим режимом.
Параметры ГЭК определяются путём оптимизации по заданному множеству критериев параметров каждого из элементов комплекса при работе на определённом горизонте планирования, определяющемся особенностями поступления возобновляемых энергоресурсов (суточные, недельные или сезонные колебания) при заданном способе раскрытия неопределённости их поступления; особенностями потребления различных видов энергии (суточные, недельные, сезонные и другие колебания); режимными особенностями элементов (переключения, переходные процессы разных видов, условия безопасности и т. д.).
При этом не нужно забывать, что под выбором параметров подразумевается не только выбор параметров генерирующего оборудования, но и выбор параметров передающей системы и параметров потребителей.
Процесс проектирования проходит несколько стадий: от зарождения идеи до завершения. Первые этапы жизненного цикла проекта будут связаны с разработкой и оценкой реализуемости идеи, планированием и получением технико-экономической оценки привлекательности проекта. Для проектирования гибридного энергетического комплекса необходимо также пройти ряд этапов
Виртуальная модель
Ресурсная модель
Техническая модель
Организационная модель
[11]. Процедура оптимизации параметров физической системы ГЭК будет строиться в соответствии с общей процедурой проектирования, которая изображена на рис. 2.
Представленная схема может быть названа формальной схемой разработки проекта. В приведённой схеме использованы следующие понятия:
- базисные гипотезы проекта - определяют цели (дерево целей), правила и учитываемые факторы окружения проекта, перечень условий осуществления проекта, основанных на результатах сравнительного анализа;
- виртуальная модель - структурно-функциональная модель объекта, включающая все возможные элементы конструкции из числа возможных элементов состава гибридного энергетического комплекса, перечень задач, которые должны быть решены для удовлетворения главной цели проекта;
- ресурсная модель - представляет собой динамическую модель поступления энергоресурсов как возобновляемых, так и невозобновляемых (например, характеристика поступления топлива);
- техническая модель - конкретные технические решения, позволяющие реализовать функцию, определённую в структурно-функциональной модели, наличие готовых технических средств или ресурсов для их изготовления на заказ;
- организационная модель - модель выполнения работ по сооружению гибридного энергетического комплекса и условий его нормального функционирования, включая характеристику окружения проекта для оценки дополнительных затрат (например, строительства дорог для движения тяжёлой техники), возможные риски и способы их снижения;
- экономическая модель - оценка технических и организационных решений в экономических (финансовых) показателях, позволяющая оценить экономическую реализуемость проекта: соответствие условий выполнения проекта возможностям его инициатора и заказчика;
- технико-экономическое обоснование гибридного энергетического комплекса - документ, содержащий информацию, достаточную для принятия решения о продолжении проекта или его прекращении.
Выполнение условий завершения каждого из приведённых в формальной схеме этапов предполагает переход к следующему этапу. В случае если одно или несколько условий не выполняются, осуществляется переход к предыдущему элементу формальной схемы, вплоть до изменения системы целей проекта.
Выполнение работ на каждой из приведённых стадий разработки проекта базируется на результатах предыдущего этапа. Если на предыдущем этапе получены результаты, позволяющие внести изменение в ранее принятую структуру гибридного энергетического комплекса, эти изменения могут быть сделаны. В противном случае сформированная в виртуальной модели структура ГЭК
сохраняется до тех пор, пока не будет завершена параметрическая оптимизация, на основании которой будут выбраны параметры всех элементов комплекса. Не вошедшие в его состав элементы будут иметь нулевые параметры.
Таким образом, процедура технико-экономического обоснования ГЭК представляет собой проектную процедуру, основанную на последовательном сужении множества вариантов выбора с получением в конце одного или нескольких альтернативных вариантов состава ГЭК, причём в разных вариантах структуры проектные параметры элементов комплекса будут различными.
Обоснование структуры и параметров ГЭК на единой методической основе представляется необходимым по следующим причинам:
- количество элементов ГЭК с различным принципом преобразования первичной энергии и вариантов их компоновки велико и заранее не известно;
- формализованная оценка экономической целесообразности того или иного варианта компоновки (структуры) ГЭК затруднена вследствие недостаточной проработанности критериев;
- опыт проектирования и использования ГЭК на основе ВИЭ, кроме гидроэлектростанций различного типа, практически отсутствует;
- средства автоматизации исследования возможности и целесообразности использования ВИЭ для энергоснабжения потребителей малых распределённых энергосистем, от которых в значительной степени зависят результаты исследований и экспертизы, в настоящее время отсутствуют.
Сказанное позволяет говорить о необходимости создания единой методики проектирования и экспертизы проектов гибридного энергетического комплекса в части обоснования их структуры и параметров, которая будет построена на основе математических моделей объектов, составляющих малые распределённые энергосистемы. Разработанная таким образом методика позволит автоматизировать процесс обработки информации и существенно ускорить процедуру согласования проектных параметров с экспертами и инвесторами.
Выводы
1. Развитие малой распределённой энергетики должно базироваться на парадигме комплексного проектирования всех составляющих энергетического комплекса, состоящего из генерирующих источников, транспортной сети и потребителей, включённых в единый контур управления.
2. Гибридные энергетические комплексы, включающие в состав генераторов энергии установки на основе ВИЭ, проектируются на основе единой методики оптимизации параметров всех элементов гибридного энергокомплекса: от ресурсообеспече-ния до производства вспомогательных продуктов и утилизации отходов.
3. Методика технико-экономического обоснования ГЭК должна включать в себя оптимизацию параметров математических моделей элементов комплекса в едином комплексе структурно-функциональных и режимных моделей.
4. Использование единой методики обоснования параметров ГЭК позволит снизить затраты на проектирование, оценку инвестиционной привлекательности и технико-экономическую экспертизу проектов.
Статья подготовлена с использованием материалов работы, выполняемой в рамках ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 20072013 годы» по направлению «Проведение проблемно-ориентированных поисковых исследований в области малой распределённой энергетики» при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации.
Литература
1. Материалы экспертной группы по подготовке предложений по актуальным проблемам социально-экономической стратегии России на период до 2020 г. по направлению «Реформа естественных монополий» [Электронный источник]. Код доступа: http://www.economy.gov.ru/minec/activity/sections/naturmonopo-ly/tarif/doc20n0919_0n
2. О распределённой энергетике начистоту // ТЭК. Стратегии развития. - 2011 - № 2. - Март-апрель.
3. Методические вопросы исследования надёжности больших систем энергетики: Вып. 61. Проблемы исследования и обеспечения надёжности либерализованных систем энергетики / Отв. ред. Н. И. Воропай, А. Д. Тевяшев. - Иркутск: ИСЭМ СО РАН, 2011. - 543 с.
4. Renewable energy. Markets and Prospects by technology. By Adam Brown, Simon Mbller and Zuzana Dobrotkova. Information paper of IEA, 2011. [Электронный источник]. Код доступа: http://www.iea.org/papers/2011/Renew_Tech.pdf.
5. Харитонов В. П. Автономные ветроэлектрические установки. - М.: ГНУ ВИЭСХ, 2006.
6. Безруких П. П. Ветроэнергетика: Справочное и методическое пособие. - М.: ИД «Энергия», 2010. - 320 с.
7. Бурмистров А. А., Виссарионов В. И., Дерюгина Г. В., Кузнецова В. А., Кунакин Д. Н., Малинин Н. К., Пугачев Р. В. Методы расчёта ресурсов возобновляемых источников энергии. - М.: Изд-во МЭИ, 2008. - 144 с.
8. Атлас расчётных гидрологических карт и номограмм. - Л.: Гидрометеоиздат, 1986.
9. Попель О. С. Возобновляемые источники энергии в регионах Российской Федерации: проблемы и перспективы // Электронный журнал «Энергосовет». 2011. - № 5 (18). - С. 21-31.
10. Разработка Концепции обеспечения надёжности в электроэнергетике (Материалы НТС) // Вести в электроэнергетике. - 2011. - № 1. - С. 38-47.
11. Тягунов М. Г. Структурно-функциональное моделирование процессов при управлении проектами: Сб. тр. V международного симпозиума «Управление проектами: Восток-Запад - грань тысячелетий» (СОВНЕТ 99). Т. 1. - М.: СОВНЕТ. - С. 386-391.
System properties of hybrid power stations based on renewable energy sources
V. S. Afonin,
Moscow Power Engineering Institute, Department of Alternative and renewable energy, assistant
A. G. Vas'kov,
Moscow Power Engineering Institute, Department of Alternative and renewable energy, assistant
G. V. Deryugina,
Moscow Power Engineering Institute, Department of Alternative and renewable energy, senior lecturer
M. G. Tyagunov,
Moscow Power Engineering Institute, Professor of Department of Alternative and renewable energy, Academician of the
Academy of Electrical Sciences, D.T.S., professor
T. A. Shestopalova,
Moscow Power Engineering Institute, Department of Alternative and renewable energy, Ph.D., associate professor
The paper presents an approach and description of model elements of hybrid power stations based on renewable energy sources used in small distributed energy systems. An approach was described to procedure of feasibility study of the structure and parameters of hybrid power stations.
Keywords: hybrid power station, renewable energy sources, energy-efficiency, model of power station.
