Экспериментальные исследования систем энергетики.

Задание 1
Составить реферат по данной теме

Экспериментальные исследования систем энергетики.

Введение
Более 20 млн., проживающих в удаленных от центра регионах, не входящих в зону обслуживания централизованной энергетики, испытывают острый недостаток в электрической энергии. Основными проблемами энергоснабжения таких, изолированных от энергосистем, потребителей являются дальний транспорт топлива для локальных дизельных электростанций (ДЭС) и зависимость от его поставок. В наиболее труднодоступных районах эти проблемы усугубляются многозвенной транспортной схемой и ограниченностью сроков сезонного завоза.
Источники малой мощности, используемые для автономного энергоснабжения, имеют, как правило, низкие технико-экономические показатели - удельные расходы топлива составляют 500-600 г у.т./кВт·ч и 300- 350 кг у.т./Гкал. Дизельные электростанции и котельные зачастую находятся в неудовлетворительном состоянии. Рост цен на дизельное топливо способствует повышению стоимости электроэнергии вырабатываемой дизельными электростанциями.
Одним из перспективных направлений развития автономного энергоснабжения, позволяющих в значительной степени решить проблемы ДЭС, является возобновляемая энергетика, в частности ветроэнергетика.
Многие регионы автономной энергетики Сибири, Дальнего Востока и Крайнего Севера характеризуются высоким ветровым потенциалом, поэтому важным направлением в развитии децентрализованного энергоснабжения является применение ветро-дизельных станций (ВДЭС).
Применение возобновляемых источников энергии в составе автономных энергетических систем позволяет снизить топливную составляющую в себестоимости вырабатываемой электроэнергии, что существенно повышает их технико-экономическую эффективность.

1. Актуальность темы
В настоящее время в мире применяются различные варианты построения гибридных станций на базе ВДЭС, однако вопросы оптимизации структуры и параметров системы требуют продолжения исследований.
Научным исследованиям в области электроснабжения автономных потребителей на базе ВДЭС за последние 10 лет посвящен ряд научно- исследовательских работ российских ученых: П.П. Безруких, В.Г.Николаев, М.А. Сурков, В.Р. Киушкина, А.А. Аверин, А.В. Бобров, В.В. Вессарт, А.В. Чебодаев, А.Н. Дорошин, Н.М. Парников, Р.В. Пугачев, и зарубежных авторов: Tomilson Andrew, Memorial University of Newfoundland; Jeffries William Q. Ph.D. University of Massachusetts Amherst; Akarin Suwannarat, Institute of Energy Technology, Aalborg University, Denmark. В работах рассматривались вопросы: математического моделирования рабочих режимов станции, алгоритмов работы ВДЭС, оценка экономической эффективности системы, однако существует ряд проблем в данной области, которые до конца не изучены.
Производительность комбинированных энергосистем во многом зависит от энергетических и рабочих характеристик входящих в неё установок и их режимов работы. Важной задачей является согласование режимов работы компонентов входящих в состав ветро-дизельных электростанций [1].

2. Цель и задачи исследования
Цель работы. Повышение энергоэффективности автономных систем электроснабжения на базе ВДЭС путем рационального выбора основного генерирующего оборудования и оптимизации его рабочих режимов.
Для достижения поставленной цели в диссертационной работе определены и решены следующие задачи исследования:
– проведен сравнительный анализ вариантов построения ветро-дизельных электростанций, определена наиболее перспективная схема построения ВДЭС для автономного электроснабжения;
– проведен анализ существующих методов расчета мощности, вырабатываемой ВЭС, предложена методика, позволяющая более точно рассчитать вырабатываемую ветроэлектростанцией электроэнергию;
– проведен анализ методик по расчету электрических нагрузок в изолированных сетях, построению графиков электрических нагрузок автономного потребителя, разработана универсальная методика расчета нагрузки потребления;
– построен алгоритм эффективного управления рабочими режимами ВДЭС, обеспечивающий максимальное использование ветрового потенциала, что позволяет снизить расход топлива и повысить эксплуатационный ресурс оборудования;
– разработана методика оценки экономической эффективности автономных ветро-дизельных электростанций, позволяющая производить рациональный выбор основного генерирующего оборудования и режимов его работы.
Методы исследования. При выполнении диссертационной работы использовались: методы анализа и обобщения данных, приведенных в научно-технической литературе, вероятностно-статистические методы анализа данных; методы математического моделирования, имитационного моделирования, экспериментальные исследования [4].
.
Научная новизна работы. В результате выполнения исследований получены следующие новые научные результаты:
– предложены рациональные варианты структуры автономной системы электроснабжения на базе ВДЭС, в том числе с управляемой балластной нагрузкой позволяющей оптимизировать режимы работы основного энергетического оборудования;
– разработана математическая модель ветро-дизельной системы электроснабжения, учитывающая реальные изменения мощности нагрузки, соотношение установленных мощностей ветровой и дизельной составляющей генерирующего оборудования, действительные ветровые условия района электроснабжения;
– построены энергоэффективные алгоритмы управления режимами силовых энергетических установок ВДЭС, позволяющие: максимально использовать потенциал ветра; обеспечить наиболее экономичный режим работы ДЭС; повысить эксплуатационный ресурс оборудования.
Практическая ценность работы:
– предложены универсальные методики расчета нагрузки потребления и ветроэнергетического потенциала для краткосрочного и долгосрочного планирования режимов работы ВДЭС;
– разработана методика оценки экономической эффективности автономной ветро-дизельной системы электроснабжения;
– разработаны рекомендации по повышению энергоэффективности автономных систем электроснабжения путем выбора рационального состава ВДЭС и режимов работы энергетического оборудования;
– создан программный пакет для исследования и формирования рациональных режимов работы ВДЭС и анализа её энергетических балансов.
Достоверность результатов диссертационной работы. Полученные в ходе диссертационной работы научные результаты базируются на всестороннем анализе выполненных ранее научно-исследовательских работ в данной области исследования. В ходе работы использовались аналитические и экспериментальные методы проверки достоверности результатов.

3. Проблемы автономных систем электроснабжения
Основу малой энергетики в настоящее время составляют до 50 тысяч различных, преимущественно дизельных электростанций. Практический опыт эксплуатации ДЭС показывает, что затраты на топливо являются определяющими в себестоимости вырабатываемой ДЭС электроэнергии (рис.1). Поэтому минимизация расхода топлива при эксплуатации ДЭС является важнейшей стратегической задачей, определяющей экономическую эффективность электростанции.

Рисунок 1. Диаграмма затрат на производство и транспорт электроэнергии: на ДЭС ОАО "Сахаэнерго".(анимация: 5 кадров, 6 циклов повторения, 166 килобайт)
К числу важнейших направлений развития систем энергоснабжения изолированных потребителей, обеспечивающих повышение качества и экономической эффективности электро- и теплоснабжения за счет снижения потребления топлива, наряду с реконструкцией, является применение возобновляемых источников энергии. Для зон децентрализованного электроснабжения чрезвычайный интерес представляют комбинированные или гибридные установки, сочетающие в себе ВЭС с дизельными электростанциями, которые покрывают недостаток вырабатываемой энергии в безветренные промежутки времени.
Малые ветроэнергетические установки (ВЭУ) (мощностью до 100 кВт) находят широкое применение для автономного питания потребителей, т.к. они конструктивно просты, а необходимая ветровая энергия имеется во многих районах автономного электроснабжения [9].
Скорость ветра и нагрузка потребления являются случайными величинами, что в сочетании с соизмеримостью мощностей основного энергетического оборудования требует согласования в реальном масштабе времени режимов производства и потребления электроэнергии. Частично проблему согласования можно решить, используя в энергетической системе буферные накопители энергии, в качестве которых используются аккумуляторные батареи (АБ).
Повышение энергоэффективности дизельных электростанций с помощью ветроэнергетической установки достаточно сложная задача. Обзор структурных схем наиболее распространенных ВДЭС позволил определить перспективную систему (рис.2), обеспечивающую рациональное электроснабжение потребителя в широком диапазоне мощностей и ветровых условий.

Рисунок 2. Перспективная блок-схема построения ВДЭС Условные обозначения: Г – генератор; РБ – регулятор балласта; В – выпрямитель; БН – блок балластных сопротивлений; АБ – аккумуляторная батарея; И – инвертор; Н – полезная нагрузка; ДД – дизельный двигатель; СГ – синхронный генератор; СШ – сборная шина; РА – регулятор аккумуляторной батареи.
Многокомпонентная структура электростанции требует разработки специализированных алгоритмов управления, которые должны обеспечить бесперебойное снабжение потребителя электрической энергией в условиях изменяющихся внешних факторов, оказывающих существенное влияние на работу основного генерирующего оборудования (нагрузки и скорости ветра). Кроме того, необходимо создание методик рационального выбора типа и мощности силовых агрегатов, а также методик расчета технико-экономических характеристик проекта.

4. Потребление электрической энергии автономной энергетической системой
Для практического использования установок возобновляемой энергетики в составе автономных энергетических комплексов, а также выбора основного энергетического оборудования необходимо решить ряд технических задач, рассмотренных во второй главе, важнейшей из которых является согласование режимов производства и потребления энергии в условиях стохастических временных процессов изменения электрической нагрузки потребителя и мощности первичного энергоносителя, ветра. Опираясь, на нормативные документы и типовые графики нагрузок, разработана универсальная методика определения нагрузки потребления децентрализованного потребителя (рис.3).

Рисунок 3. Блок-схема расчета прогнозных режимов потребления электрической энергии автономной энергетической системой
Основными факторами, определяющими режимы электропотребления населенного пункта, обеспечиваемого электроэнергией от автономной энергетической системы, являются численность жителей и виды электрических нагрузок, которые в общем случае подразделяется на: – бытовую – нагрузку, потребляемую населением (жилые дома, общежития); – социальную – нагрузку, потребляемую объектами социального назначения (магазины, школы, кинотеатры и т.д.) – производственную – нагрузку, потребляемую предприятиями.
Существенное влияние на режимы электропотребления могут оказывать географические, климатические и технические характеристики конкретного населенного пункта: среднегодовая температура воздуха, количество зимних и летних дней, уровень комфортности коммунально-бытовой сферы и т.п.
Определение нагрузки потребления основывается на использовании типовых графиков электирических нагрузок.
Проведенный анализ фактических данных по годовому потреблению электрической энергии автономными энергетическими системами показал, что объединение бытовой и социальной нагрузки с привязкой ее к численности населения, принятое в нормативных документах, обеспечивает невысокую точность прогноза.
На рис. 4 представлены осредненные за 2006 – 2010 гг. зависимости годового объема потребленной электрической энергии, построенные по фактическим данным электропотребления 79 автономными энергетическими системами Республики Саха (Якутия) с численностью обслуживаемого населения от 20 до 859 чел.

Рисунок 4. Фактическая зависимость годового потребления электроэнергии от численности населения автономных систем электроснабжения Республики Саха (Якутия): а) бытовая нагрузка б) социальная нагрузка.

4. Алгоритмы управления режимами работы ВДЭС
В логику работы предлагаемого алгоритма положены два основных принципа: максимальное полезное использование энергии, генерируемой ВЭС и минимизация числа часов работы ДЭС. Для практической реализации алгоритма управления необходим постоянный контроль за запасом энергии в буферном накопителе и текущими значениями генерируемой, потребляемой и аккумулируемой мощностями. Кроме того, ДЭС должна быть выполнена по 3 степени автоматизации, обеспечивающей дистанционный автоматический запуск и останов дизельного двигателя. Интеллектуальная система управления (СУ) ВДЭС обеспечивает постоянное распределение потоков энергии в замкнутой энергетической системе в зависимости от ее текущего состояния. С точки зрения управления, режим работы станции определяется соотношением текущих значений мощности, генерируемой ВЭУ и потребляемой нагрузкой. Возможны два основных режима: [4].

Рисунок 5. Алгоритм управления режимами ВДЭС
1. Выходная мощность ВЭУ больше потребляемой активной мощности нагрузки. В этом режиме потребитель полностью обеспечивается энергией от ВЭУ. Излишки вырабатываемой ВЭУ мощности направляются на заряд аккумуляторных батарей, а в случаях, когда они превышают максимальную зарядную мощность АБ, избыток энергии рассеивается на балластных сопротивлениях.
2. Выходная мощность ВЭУ меньше потребляемой активной мощности нагрузки. В этом режиме СУ определяет недостаток мощности, необходимой потребителю, и производит оценку возможности ее получения из АБ. Если необходимая в текущем режиме разрядная мощность накопителя не превышает предельно допустимых значений, покрытие электрической нагрузки ВДЭС производится за счет мощности ВЭУ и разрядной мощности АБ. В противном случае СУ формирует управляющий сигнал на запуск дизельного двигателя, и покрытие электрической нагрузки производится совместными усилиями ВЭУ и ДЭС, которые, кроме этого, обеспечивают заряд АБ.
В качестве примера на рисунке 6 показан суточный режим работы ВДЭС, построенной на базе дизель-генератора номинальной мощностью 1 5 кВт, ВЭУ