Научный журнал

Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований

ISSN 1996-3955

ИФ РИНЦ = 0,593

• Авторы
• Резюме
• Файлы
• Ключевые слова
• Литература

Хамитов Р.Н. 1 Ковалев В.З. 1 Архипова О.В. 1 Есин С.С. 1

---

1 Югорский государственный университет

Рассматривается класс изолированных электроэнергетических систем, построенных на базе дизельных электростанций, возобновляемых источников энергии. Выявлен основной признак данного класса систем – наличие бизнес-связей. Показано, что требования к надежному и энергоэффективному электроснабжению приводят к формированию в населенных пунктах электротехнических комплексов, содержащих: несколько дизель-генераторных установок (ДГУ), как правило, различной мощности, системы аккумулирования электрической энергии, системы управления и возобновляемые источники энергии. Эксплуатация комплексов, построенных на ДГУ, в северных регионах имеет ряд особенностей обусловленных совокупностью причин как экономического характера, так и социотехнических. Известные пути решения, указанной проблемы, авторы предлагают дополнить системным учетом графиков электрической нагрузки потребителей. Показано, что бизнес-связи влияют как на интегральные показатели указанной совокупности (энергоэффективность, уровень экологичности производства электроэнергии, себестоимость производства электроэнергии), так и на структуру и принципы построения и функционирования каждой из изолированных систем электроснабжения данной совокупности на протяжении всего жизненного цикла. Показана необходимость оптимизации всей совокупности изолированных систем электроснабжения, входящих в «Регионально обособленный электротехнический комплекс», на протяжении всего жизненного цикла с позиций анализа и детального учета графиков электропотребления.

Статья в формате PDF

0 KB

изолированные энергетические системы

бизнес-связи

электрическая нагрузка

энергоэффективность

1. Суржикова О.А. Региональные энергетические программы и электроснабжение удаленных, малонаселенных поселений // Вестник науки Сибири. 2012. № 3 (4). С. 109–113.

2. Елистратов В.В. Автономное энергоснабжение энергокомплексами на базе возобновляемых источников энергии // Сантехника, отопление, кондиционирование. 2016. № 3 (171). С. 72–75.

3. Карамов Д.Н. Оптимизация состава оборудования автономных энергокомплексов, использующих возобновляемые источники и накопители энергии: автореф. дис. ... канд. тех. наук. Иркутск, 2016. 26 с.

4. Ковалев В.З., Архипова О.В. Энергетические аспекты регионально обособленного электротехнического комплекса // Вестник Югорского государственного университета. 2015. № 2 (37). С. 217–218.

5. Григораш О.В., Кривошей А.А., Смык В.В. Автономные гибридные электростанции // Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета. 2016. № 124 [Электронный ресурс]. URL: http://ej.kubagro.ru/2016/10/pdf/95.pdf (дата обращения: 06.12.2018).

6. Kovalev V.Z., Arkhipova O.V. Mathematical modeling of regional isolated electrotechnical complex // International Journal of Applied Engineering Research. 2017. vol. 12. no 16. P. 5481–5484.

7. Архипова О.В., Ковалев В.З., Ремизов П.Н. Моделирование автономных энергетических систем // Современные проблемы науки и образования. 2014. № 6 [Электронный ресурс]. URL: http://science-education.ru/ru/article/vieid=16838 (дата обращения: 06.12.2018).

8. Стратегия социально-экономического развития Ханты-Мансийского автономного округа – Югры до 2020 года и на период 2030 года: Официальный сайт Департамента экономического развития Ханты-Мансийского автономного округа – Югры [Электронный ресурс]. URL: https://depeconom.admhmao.ru/upload/iblock/d92/101_rp.pdf (дата обращения:11.12.2018).

9. Воропай Н.И., Стычински З.А., Козлова Е.В., Степанов В.С., Суслов К.В. Оптимизация суточных графиков нагрузки активных потребителей // Изв. РАН. Энергетика. 2014. № 1. С. 84–90.

10. Болоев Е.В., Войтов О.Н., Голуб И.И., Семенова Л.В. Алгоритм оптимизации реконфигурации и суточных графиков нагрузки распределительной электрической сети // Изв. РАН. Энергетика. 2018. № 1. С. 25–34.

11. Ivanin O.A., Direktor L.B. Применение искусственных нейронных сетей для прогнозирования энергетических нагрузок обособленных потребителей // Теплоэнергетика. 2018. № 5. С. 17–26. DOI: 10.1134/S0040363618050041.

12. Lukutin B.V., Shandarova E.B., Matukhin D.L., Igisenov A.A., Shandarov S.M. Simulation and optimization of wind and diesel power supply systems. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2017. № 177 (1). 012090. DOI: 10.1088/1757-899X/177/1/012090.

13. Лукутин Б.В., Климова Г.Н., Обухов С.Г., Шутов Е.А. Исследование закономерностей формирования графиков электрических нагрузок децентрализованных потребителей Республики Саха (Якутия) // Электрические станции. 2008. № 9. С. 53–58.

Большая часть территории Российской Федерации характеризуется отсутствием значительных концентраций населения. Как правило, это небольшие населенные пункты с числом жителей от 50 до 200 чел. Причем указанные поселения расположены на значительном удалении друг от друга и вне зоны централизованного электроснабжения. По данным [1, 2] таких поселений более 31000, расположенных на более 2/3 всей площади страны, где проживает более 11 млн населения. Характерной в этом плане является Республика Саха – более 130 поселений с общей установленной мощностью 210 МВТ, Якутия, Бурятия, Ханты-Мансийский автономный округ – Югра и другие северные территории. Типовое решение задачи электроснабжения в данном случае строится на применении дизель-генераторных установок (ДГУ). Требования надежности электроснабжения, требования энергоэффективности приводят к формированию в населенных пунктах электротехнических комплексов содержащих: несколько ДГУ, как правило различной мощности [3], системы аккумулирования электрической энергии, системы управления и потребителя.

Эксплуатация комплексов, построенных на ДГУ в северных регионах, имеет ряд особенностей, обусловленных совокупностью причин как экономического характера, так и социотехнических:

– высокая стоимость дизельного топлива в месте потребления, вызванная сложной транспортной логистикой (вплоть до использования вертолетного транспорта);

– отсутствие электрической связи с центральной энергетической системой или с крупными региональными сетями;

– кадровый «голод» в местах производства электрической энергии;

– агрессивные природно-климатические условия эксплуатации;

– высокие требования к экологичности процесса производства электрической энергии, особенно в местностях приравненных к районам Крайнего Севера;

– социальная защищенность коренных и малочисленных народов, проживающих на удаленных территориях;

– высокая себестоимость электроэнергии, произведенной ДЭУ.

Один из путей решения выявленных выше противоречий – включение в комплексы производства электрической энергии возобновляемых источников энергии (ВИЭ): ветро-генераторных установок (ВЭУ), фотоэлектрических панелей (ФП), микрогидроэлектростанции (МГЭС), и других [4]. Для таких комплексов, содержащих кроме ДГУ еще и ВИЭ, принято наименование – гибридные источники электрической энергии (ГИЭЭ) [5].

На процесс энергопреобразования, при работе ГИЭЭ, оказывает существенное влияние характер нагрузки потребителя. Соответственно, возникает необходимость оптимизировать, по некоторому критерию (например, энергоэффективность) состав всех элементов, входящих в ГИЭЭ и участвующих в процессе энергопреобразования.

В настоящее время все более активно применяются методики управления ГИЭЭ, базирующиеся на краткосрочных прогнозах, в том числе и с применением наукастинга (сверхкраткосрочный прогноз метео- условий).

Совокупность указанных выше обстоятельств делает актуальным построение модели ГИИЭ с учетом графиков электрической нагрузки потребителей.

Еще одной характерной особенностью рассматриваемого класса ГИЭЭ является сочетание «физической» изолированности отдельных источников (отсутствие электрической связи) с административной или корпоративной принадлежностью отдельных комплексов одному «владельцу».

Введем в рассмотрение понятие «Регионально обособленный электротехнический комплекс (РОЭТК)» – обособленная совокупность изолированных систем электроснабжения, характеризующаяся отсутствием электрической связи между отдельными изолированными системами электроснабжения, при одновременном наличии «слабых связей» и «слабых взаимодействий» между всеми изолированными системами электроснабжения, входящими в данную совокупность, и значительными отклонениями характеристик потребления электрической энергии от «типовой».

Отметим, что данное определение является развитием подходов, сформулированных в работах [6, 7].

Цель данной работы – построение модели регионально обособленного электротехнического комплекса с учетом графиков электрической нагрузки потребителей.

Задачи:

1. Выявить особенности характеристик потребления электрической энергии ГИЭЭ, входящих в РОЭТК.

2. Выявить возможность «типизации» характеристик потребления электрической энергии ГИЭЭ, входящих в РОЭТК.

3. Выявить структуру модели регионально обособленного электротехнического комплекса с учетом графиков электрической нагрузки потребителей.

Материалы и методы исследования

Исходными данными являются данные об электрических нагрузках децентрализованной зоны электроснабжения Ханты-Мансийского автономного округа – Югры за 2017–2018 гг.

В период проведения исследования в децентрализованную зону входило 24 населенных пункта в семи районах округа. Электроснабжение осуществлялось от дизельных электростанций (ДЭС). Установленная мощность ДЭС от 5000 кВт (с. Саранпауль) до 36 кВт (д. Таурова). В 2018 г. в д. Никулкина установлена солнечно-дизельная электростанция. Средняя установленная мощность ДЭС порядка 300 кВт [8].

Дальнейшему исследованию подлежит 21 населенный пункт с непрерывным характером электроснабжения. Населенные пункты с прерывистым электроснабжением остаются за рамками настоящего исследования.

Первый этап – изучение характеристик электропотребления. Применим для этого аппарат суточных графиков электрической нагрузки (СГЭН) [9, 10]. Ряд исследователей вводят в рассмотрение типовые суточные графики электрической нагрузки. Это справедливо при анализе единичных поселений или поселений близких по укладу хозяйствования и соответственно структуре электропотребления. При этом вне рассмотрения остается эффект «бизнес-связей» или «слабых связей», что значительно влияет на формирование критериев оптимального состава оборудования ГИЭЭ.

Следующий фактор, требующий детального исследования СГЭН, прогнозирование потребления электрической нагрузки, в целях оптимального управления ГИЭЭ. При этом появляется возможность существенно повысить как ресурс ДЭУ, входящих в состав ГИЭЭ, так и снизить общее (для всего РОЭТК) потребление дизельного топлива [11, 12].

Основные закономерности графиков суточных нагрузок для РОЭТК ХМАО – Югра отражены в табл. 1 и 2, соответственно суточный график электрических нагрузок летний и суточный график электрических нагрузок зимний.

Динамика интегральных параметров отражена на рис. 1 и 2:

Км – коэффициент максимума, устанавливает связь между средней и максимальной нагрузкой;

Кз.г. – коэффициент заполнения графика, коэффициент обратный коэффициенту максимума;

Кф.г. – коэффициент формы графика, характеризует степень неравномерности графика нагрузки;

W, кВт*ч – суточная энергия потребленная поселением;

Pср, кВт – средняя суточная мощность электростанции поселения;

Pср, кВт – среднеквадратичная мощность;

Pm, кВт – максимальная мощность.

Энергетический подход к математическому моделированию электротехнических комплексов и систем, развиваемый в работе [6] и базирующийся на формализме Лагранжа, с неукоснительностью приводит к построению исходных математических моделей основных взаимодействующих физически разнородных энергопреобразующих элементов РОЭТК, структурно состоящих из системы дифференциальных и системы алгебраических уравнений в следующем виде:

, (1)

, (2)

где QS и Qb – векторы обобщенных координат и обобщенных скоростей, содержат (например, в виде ряда Фурье) информацию о графике нагрузки каждого ГИЭЭ, входящего в РОЭТК.

Результаты исследования и их обсуждение

Все интегральные коэффициенты (табл. 1, 2) характеризуются значительными разбросами: Км – от 1,02 до 1,54 – зимой, и 1,03–1,53 летом; Кз.г – от 0,35 до 0,889 зимой и 0,358 – 0,805 летом; Кф.г. – от 1,13 до 2,86 – имой, и 1,24–2,79 летом. Особенно значительны отличия в зимнем коэффициенте заполнения графика Кз.г – порядка 254 %!

Выявленное обстоятельство не позволяет применять для моделирования РОЭТК в форме уравнений (1)–(2) «типовые» графики суточной нагрузки, поскольку достоверность прогноза графика нагрузки здесь существенно меньше рекомендованной в [13] достоверности в 80 %.

Выводы

1. Выявлен значительный (до 254 %) разброс интегральных характеристик суточных графиков потребления электрической энергии ГИЭЭ, входящих в РОЭТК.

2. Выявлена, для анализируемого РОЭТК, невозможность построения «типовой» характеристики потребления электрической энергии ГИЭЭ, входящих в РОЭТК. Как следствие, для достоверного краткосрочного прогноза электропотребления электрической нагрузки отдельным поселением, необходимо в модель регионально обособленного электротехнического комплекса включать «персонифицированные» графики, например в виде ряда Фурье, поскольку «типовые» будут содержать в себе кратные разбросы по отдельным показателям, что приведет к малодостоверным прогнозам.

3. Выявлена структура и построена модель регионально обособленного электротехнического комплекса с учетом, например, в форме ряда Фурье индивидуальных графиков электрической нагрузки потребителей.

Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ и Правительства ХМАО – Югры в рамках научного проекта № 18-47-860017.

Библиографическая ссылка