Автореферат (Обоснование состава и параметров энергокомплекса на основе ВИЭ для вдольтрассовых потребителей магистральных газопроводов), страница 3

составил46,6 % и 24,8 %, соответственно).Однако непостоянный, вероятностный характер поступления энергии ВИЭ во времени, атакже низкая плотность энергии ВИЭ обуславливают необходимость резервирования ВИЭ вавтономных системах электроснабжения. Применение ЭК, имеющих в своем составеэнергоустановки на основе ВИЭ, традиционных энергоносителей, а также АБ, позволяетповысить и при необходимости обеспечить заданный уровень надежности электроснабженияпотребителей и соответствие показателей качества электроэнергии предъявляемымтребованиям, что особенно важно для удаленных потребителей.В каждом конкретном случае под конкретные условия эксплуатации с учетомобеспеченности поступления ресурсов ВИЭ и характеристик потребителей электроэнергиинеобходимо определять оптимальное сочетание состава и параметров оборудования ЭК,обеспечивающего минимальный уровень удельных затрат на покрытие энергетических нуждпри максимальном использовании энергии ВИЭ.Для корректного обоснования параметров ЭК на базе ВИЭ для ВТП МГ необходимо иметьсоответствующие технические требования к данным ЭК.С учетом требований государственных и отраслевых нормативных документов в работесформулированы общие технические требования к автономным ЭК на базе ВИЭ дляэлектроснабжения потребителей газовой отрасли, учитываемые в дальнейшем при обоснованиисостава и параметров ЭК с помощью разработанных алгоритмов и методики.Во второй главе на основе анализа математических методов решения оптимизационныхзадач установлено, что исследуемая задача по обоснованию оптимального состава и параметровЭК на основе ВИЭ относится к классу задач многокритериальной оптимизации большойразмерности с нелинейными зависимостями между переменными, т.е.

к задаче нелинейногоматематического программирования, и для ее решения в наибольшей степени подходит методвариантного моделирования (метод сравнительного анализа вариантов).Для использования метода вариантного моделирования и сокращения ресурсных ивременных затрат на поиск оптимального решения обосновано следующее:1. В качестве исходной информации принимаются данные, основанные на многолетнихрядах наблюдений о поступлении возобновляемых энергоресурсов, что обеспечиваетнеобходимую точность при обосновании состава и параметров оборудования ЭК и отпадаетнеобходимость в использовании методов стохастического программирования для решениярассматриваемой оптимизационной задачи.2.

Для сокращения числа анализируемых вариантов в решении оптимизационной задачи вработе разработан метод отбора энергоустановок по показателям энергетическойэффективности по каждому рассматриваемому виду ресурса, позволяющий преобразоватьматрицу, строки которой образуют множествовариантов энергоустановок различныхконструктивных типов, преобразующих в электрическую энергию определенный i-й вид ресурса(например, ВЭУ различных фирм-производителей) или применительно к преобразователямэлектроэнергии – определенный вид преобразования, например переменный ток в постоянный, астолбцы матрицы содержат определенный j-й тип установок по всему множеству ресурсов(видов преобразований) , элементамиявляются технико-экономические параметры10установок, в вектор-столбециз наиболее эффективных типов энергоустановок по каждомувиду ресурса с конкретными значениями их технико-экономических параметров, в том числестоимости оборудования, обслуживания и ремонта, так как для каждого i-го вида ресурса (видапреобразователя) выбирается только одна энергоустановка:(1)[[]]3.

Выполнено деление задачи многокритериальной оптимизации на последовательноерешение более простых задач однокритериальной оптимизации, для которых сформированыцелевые функции и основные критерии оптимизации.Критерием первого уровня оптимизации выступает максимальное использование энергииВИЭ с учетом ограничений на годовое потребление электроэнергии и количество установок:( )̅̅̅̅̅̅∑{∑(2)(3)где– годовая выработка электроэнергии источником, преобразующим i–й возобновляемыйресурс, кВтч/год;– количество источников электроснабжения, преобразующих i–й ресурс,ед.;– годовое потребление электроэнергии потребителями объекта, кВтч/год; kн =1,05…1,15 – постоянный коэффициент, учитывающий возможные отклонения расчетныхвеличин от их фактических значений (при этом бóльшие значения коэффициентапринимаются в условиях недостаточно полной исходной информации о поступлениивозобновляемых энергоресурсов в месте размещения объекта, а также о режимах работы инагрузках потребителей электроэнергии);– количество источников электроснабжения поi–му виду ресурса, необходимое для покрытия потребности только с помощью этого видаресурса, ед:⌈⌉(4)Критерием второго уровня оптимизации являются меньшие суммарные дисконтированныезатраты ЭК, выбранного по критерию (2), по сравнению с суммарными дисконтированнымизатратами при строительстве и эксплуатации традиционной системы электроснабжения,рассчитанными за заданный планируемый срок окупаемости, либо по сравнению сдопустимыми финансовыми затратами:(5)∑()(6)11где – расчетный год;– суммарные капитальные затраты в расчетном году, млн руб./год;– суммарные эксплуатационные расходы в расчетном году, млн руб./год;–амортизационные издержки в расчетном году, млн руб./год; – норма дисконта, о.е.;–планируемый срок окупаемости, лет.Если целью формирования системы электроснабжения ВТП МГ является достижениемаксимального значения показателей эффективности при заданных ограничениях в виде затрат,то поиск оптимального решения заканчивается на втором уровне оптимизации.Если же целью является достижение минимума затрат при заданных значенияхпоказателей функционирования, то осуществляется переход к третьему уровню оптимизации,критерием которого выступает минимальное значение средней расчетной себестоимостипроизводства электроэнергии на протяжении всего жизненного цикла (нормированнойстоимости электроэнергии):(7)()(8)()где– расчетный период жизненного цикла, лет; – выработка электроэнергии ЭК на основеВИЭ в расчетный год, кВт∙ч/год.Пример структуры автономного ЭК, в котором все источники генерации электроэнергии(СФЭУ, ВЭУ, ДГУ или ГГУ) подключаются к локальной линии переменного тока, показан нарисунке 1.

Возможны варианты подключения энергоисточников к линии постоянного тока, атакже раздельно к линиям постоянного и переменного тока. Выбор схемы зависит как от составаиспользуемых энергоисточников, так и от особенностей нагрузки потребителей (соотношениямежду нагрузкой постоянного и переменного тока).Рисунок 1 – Общая структура автономного энергокомплекса на основе возобновляемыхисточников энергии и традиционных энергоносителейДля определения параметров, необходимых для количественного сравнения различныхтипов энергетических установок при оптимизации варианта состава и параметров оборудования12ЭК по рассмотренным критериям, в диссертационном исследовании разработанаматематическая модель режимов работы ЭК с учетом математических моделей энергетическихустановок и накопителей энергии.Перераспределение потоков энергии и режимы работы элементов системы определяютсязнаком функции мощности ( ) в момент времени :( )( )∑( )( )(9)( ) – суммарная мощность, генерируемая энергоустановками на основе i-хгдересурсов ВИЭ в момент времени , кВт; ( ) – нагрузка в момент времени t, кВт;( ) –суммарные потери мощности в момент времени t, включая потери в преобразователях энергии ив проводниках, кВт.При ( )достигается баланс между генерируемой энергоустановками на базе ВИЭмощностью и нагрузкой.При ( )наблюдается избыток генерируемой энергоустановками на базе ВИЭмощности, который может расходоваться на заряд АБ.При ( )имеет место недостаток генерируемой энергоустановками на базе ВИЭмощности, который покрывается в первую очередь мощностью, получаемой от АБ.

Затем, подостижению напряжения на АБ, соответствующего значению напряжения разряженной доминимально допустимой емкости АБ, подается команда на включение ДГ.Ниже приведена разработанная математическая модель режимов работы ЭК с ВИЭ, где –продолжительность расчетного единичного интервала времени, на котором выработка энергии( ) – используемаяустановками ВИЭ и величина нагрузки принимаются постоянными, ч;( ) – используемая в течениемощность энергоустановок ВИЭ в момент времени , кВт;( ) – мощность ДГ вмомента времениэлектроэнергия, вырабатываемая ВИЭ, кВт∙ч;( ) – выработка электроэнергии ДГ в течение момента времени ,момент времени , кВт;()кВт∙ч;– выработка электроэнергии ДГ в течение момента времени,предшествующего моменту времени , кВт∙ч;– номинальная емкость АБ, А∙ч;–( ) –номинальное напряжение АБ, В;– минимально допустимая емкость АБ, А∙ч;() – емкость АБ в момент времени,емкость АБ в момент времени , А∙ч;предшествующий моменту времени , А∙ч;– величина силы тока заряда АБ, А(принимается, что);– суммарные потери при заряде (разряде) АБ,включающие потери в инверторе, выпрямительно-зарядном устройствеитемпературные потери , равные:(где) (в режиме заряда АБ, а) ()в режиме разряда АБ.( )( ( ))(((())(10))( )∑( ))( )(11)( )( ){( )()13( )(( ( ))((( ( )) ((()()()))))( )∑( )( )( ))( )( )( )( ){()( )∑( )( )( ( )()((())( ))( ))( )( )(( )( ){( )( ( )(( )( )())( )∑( )( ))( )( )( ))( )( )(( ))( ){( ( )(( )( )(( )(())( )( ))( )(( ))((())( )( )( )∑( ))( )( )( )( )( ){( ( )( )))( )( )( ))( )( ){(( ))( )14( )( )∑( )( )( ( )()(((( ))( )( )))( )( )( ))( ){(((( ))( )( )((( )(( ))()( ( )((()(())()))( )( ))( )( )(( ))( )∑( )((((( )())( )(( )( )∑( )()( ))){)( )( )( )( ( ))( )( )∑( )(( ( )( )∑)( )))( )( )( )∑( )( )( )))(( ))( )( ){(( )(( )))))15( )( )∑( )( ( )()(( )(())( )( )))( )(()( )∑( )( )( )(( ))()(( )( ))( )( ))( )({((( ))( ))( ))В приведенной математической модели приняты допущения, что возможный ток зарядаАБ от установок ВИЭ при ( )и необходимый ток разряда АБ при ( )не превышаютдопустимых для АБ значений, а также, что требуемая от ДГ мощность с учетом покрытиянагрузки и заряда АБ при ( )не превышает установленной мощности ДГ.

В противномслучае, модель усложняется включением условий на проверку по зарядному и разрядному токамАБ, по установленной мощности ДГ и соответствующих дополнительных режимов приневыполнении этих условий. В разработанных алгоритмах оптимизации состава и параметровЭК на основе ВИЭ для ВТП МГ данные условия учитываются.Модель позволяет осуществлять расчеты параметров ЭК в зависимости от любого извозможных вариантов соотношений мощности ВИЭ, мощности нагрузки и емкости АБ врассматриваемый момент времени , который может иметь любой интервал при наличиисоответствующей исходной информации за этот интервал. Режимы работы ЭК в моделивыбраны таким образом, чтобы осуществлялось наиболее полное использование энергии ВИЭ сучетом накопления в АБ, а с учетом зарядной мощности АБ достигалась более полная загрузкаДГ и режим его работы был близок к оптимальному по нагрузочной характеристике.Блок-схема алгоритма реализации методического подхода к обоснованию состава ипараметров ЭК на основе ВИЭ, отражающая последовательность оптимизационных расчетов,представлена на рисунке 2.В блоке этапа 1 анализируются и подготавливаются необходимые исходные данные.Оптимизационные расчеты первого уровня (по критерию энергетической эффективности)выполняются в блоке этапа 2.Выбор j-го типа конструктивного исполнения энергоустановки на основе преобразованияi-го возобновляемого энергоресурса, как энергетически наиболее эффективного источника израссматриваемых типов энергоустановок по i-му виду ресурса, осуществляется помаксимальному значению ее КИУМ:(12)16Рисунок 2 – Блок-схема алгоритма оптимизации состава и параметров оборудованияавтономного энергокомплекса на основе возобновляемых источников энергииИз отобранных по данному критерию установокформируется матрицавозможных вариантов их состава в ЭК.

Количество столбцов данной матрицы соответствуетколичеству G возможных вариантов состава, количество строк соответствует количеству I видоврассматриваемых ресурсов, а элементами выступает количество установок, изменяемое от 0 до:17(13)[]При формировании матрицыучитываются ограничения (3) по каждому .Для оптимизации состава и количества энергоисточников на основе ВИЭ на ЭВМ поискмаксимума целевой функции (2) заменяется вычислением коэффициента замещениятрадиционного ресурсадля каждоговарианта, по максимальному значению которогоопределяется энергетически оптимальный вариантсостава ВИЭ:(14)Для вариантавыбираются АБ и традиционные источники питания.Выбор АБ осуществляется из вектора различных типов аккумуляторов (литий-ионные,свинцово-кислотные и др.) и вектора заданных номинальных емкостей со значениями,,.Для формирования АБ емкостьюподбираются типовые элементы из вектораэлементов с номинальными емкостямии напряжениями,,.