Диссертация (Обоснование состава и параметров энергокомплекса на основе ВИЭ для вдольтрассовых потребителей магистральных газопроводов), страница 8

Вдействительности поступление ресурсов ВИЭ имеет случайный и вероятностный характер.Существующие на сегодняшний день современные методы прогнозирования поступленияресурсов ВИЭ позволяют с достаточно большой вероятностью (до 95 % [29])спрогнозировать поступление возобновляемых энергоресурсов во времени, вплоть до суток,36однако, в силу естественных причин, ни один из методов не обеспечивает стопроцентнуювероятность. В случае, когда исходные данные или их часть являются случайнымивеличинами, решение оптимизационной задачи выполняется методами стохастическогопрограммирования. Однако необходимо учитывать следующее.Вероятностный характер поступления ресурсов ВИЭ должен учитываться приразработке оптимальных алгоритмов управления ЭК, в основу которых должны бытьположены наиболее точные методы прогнозирования, например, методы, основанные намоделях искусственных нейронных сетей (ANN) [68].В настоящем исследовании представляется достаточным принять в качестве исходнойинформации данные, основанные на многолетних рядах наблюдений о поступлениивозобновляемых энергоресурсов, что обеспечит необходимую точность при обоснованиисостава и параметров оборудования ЭК.

Дальнейшая эффективность функционирования ЭКбудет зависеть от АСУ ЭК и адаптивности системы к возмущающим воздействиям с цельюминимизации потерь энергетических и других ресурсов. Таким образом, отпадаетнеобходимость в использовании методов стохастического программирования для решениярассматриваемой оптимизационной задачи.Далее рассмотрим возможность сокращения числа анализируемых вариантов врешении оптимизационной задачи.В настоящем исследовании элементамимножествавыступают технико-экономические параметры энергоустановок на основе ВИЭ и традиционных видовэнергоносителей, а также преобразователей электрической энергии. Пусть количествоэнергоустановокподлежащихрассмотрениюпокаждомувидуресурса(видупреобразователя) одинаково. Тогда множествоможно условно представить в виде матрицы, строки которой образуют множествовариантов энергоустановок различныхконструктивных типов, преобразующих в электрическую энергию определенный i-й видресурса(например,преобразователямВЭУразличныхэлектроэнергии–фирм-производителей)определенныйвидилиприменительно кпреобразования,напримерпеременный ток в постоянный, а столбцы матрицы содержат определенный j-й типустановок по всему множеству ресурсов (видов преобразований) , элементамиявляютсятехнико-экономические параметры установок:(3)[]37Для синтеза оптимального подмножестванеобходимо выбрать те установки,которые по каким-либо параметрам в силу своих конструктивных особенностей эффективнееостальных.Этомогутбытьпоказателиэнергетическойэффективности,которыеприменительно к установкам на основе ВИЭ характеризуют бóльшую выработкуэлектроэнергии в идентичных климатических условиях по сравнению с другимиэнергоустановками, а применительно к традиционным энергоустановкам – меньший расходтоплива при одинаковой мощности, то есть более высокий КПД.

Энергетическаяэффективностьпреобразователейэлектроэнергии(ВЗУ,инверторов,стабилизаторовнапряжения и т.д.) может быть оценена по величине потерь электроэнергии впреобразователе.Сдругойстороны,этомогутбытьпоказателиэкономическойэффективности, которые характеризуют меньшую стоимость оборудования при той женоминальной мощности, либо меньшие эксплуатационные затраты.В настоящем исследовании за основу принимаются показатели энергетическойэффективности в силу следующих причин.Для энергоустановок, преобразующих ВИЭ, определяющим является не номинальнаямощность, а энергетическая характеристика, описывающая эффективность преобразованияэнергии. Установка, стоимость которой ниже, при той же номинальной мощности и при техже климатических условиях может вырабатывать меньшее количество энергии, чемустановкастоимостьювыше,чтоприведеткбольшему расходу традиционногоэнергоносителя и, впоследствии, может привести к большим суммарным затратам.

При этомстоимости установок могут отличаться незначительно, а КПД – существенно.Энергоустановки, отобранные по показателям энергетической эффективности, будут вполной мере отвечать критерию оптимизации, характеризующему максимальное замещениетрадиционного энергоносителя. Тому же критерию следует выбор преобразователейэлектроэнергии, в которых будет теряться меньшее количество электроэнергии, что такжебудет влиять на расход топлива, и традиционных источников электроэнергии, более высокийКПД которых обеспечит меньший расход топлива при одинаковой нагрузке.Отбор энергоустановок по показателям энергетической эффективности позволяетсущественно сократить число анализируемых вариантов, так как для каждого i-го видаресурса (вида преобразователя) будет выбрана только одна энергоустановка и матрица(3) исходных вариантов преобразуется в вектор-столбец38:(4)[]Таким образом, формируется база из наиболее эффективных типов энергоустановок покаждому виду ресурса с конкретными значениями их технико-экономических параметров, втом числе стоимости оборудования, обслуживания и ремонта.

Дальнейшая оптимизациябудет заключаться в определении состава оборудования ЭК по видам используемыхресурсов и количеству установок.Наданномэтапедостигаетсяпервыйуровеньоптимизациипокритериюэнергетической эффективности – максимальному замещению традиционного ресурса.Выше отмечалось, что исследуемая задача по обоснованию оптимального состава ипараметров оборудования ЭК на основе ВИЭ помимо максимального замещениятрадиционного ресурса должна удовлетворять еще двум основным критериям, а именно:минимальным затратам на выработку энергии и минимальному вредному воздействию наокружающую среду.

То есть данная задача является трехкритериальной.Дляиспользованияметодавариантногомоделированиянеобходимотакжепреобразовать задачу многокритериальной оптимизации на последовательное решение рядаболее простых задач.Рассмотрим последний критерий, отвечающий за экологию. Примем допущение, что врамках настоящего диссертационного исследования вредное воздействие на окружающуюсреду подразумевает лишь вредные выбросы в атмосферу от сжигания органическоготоплива традиционными источниками. Прочие воздействия на окружающую среду такие как:шумовые воздействия, электро-, радио- и телевизионные помехи, опасность длямигрирующих птиц и насекомых, визуальное невосприятие в районе расположения ВЭУ;отчуждение земельных площадей, их возможная деградация, изменение теплового баланса,влажности, направления ветра в районе расположения ФЭМ [69], в настоящем исследованиине рассматриваются.

Тогда снижение вредного воздействия на окружающую среду будетдостигаться естественной максимизацией использования энергии от ВИЭ и, тем самым,сокращением расходов (сжиганием) органического топлива, что, как следствие, приведет ксокращению вредных выбросов. Таким образом, рассматриваемая задача сводится кдвухкритериальной оптимизационной задаче.К сожалению, критерии максимизации использования энергии ВИЭ и минимизацииудельной стоимости вырабатываемой энергии являются противоречивыми.

Максимизацияиспользования энергии ВИЭ достигается ростом мощности (увеличением количества)39установок ВИЭ, что приводит к увеличению капитальных и эксплуатационных затрат. Всвязи с этим, чтобы не вводить коэффициенты веса каждого критерия и не использоватьэвристическиеметодырешениязадачмногокритериальнойоптимизации,следуяобозначенному выше направлению формирования систем электроснабжения объектовгазовойпромышленности,вчастностиВТПМГ,когдатребуемыепоказателифункционирования системы должны быть получены с наименьшими финансовымизатратами, представляется целесообразным сравнивать выбранный оптимальный позаданным энергетическим показателям функционирования вариант электроснабжения ВТПМГ от автономного ЭК на основе ВИЭ с вариантом электроснабжения от традиционныхисточников питания ВТП МГ (см. параграф 1.1).

Тогда оптимальным с точки зренияфинансовых затрат вариантом будет тот вариант, суммарные дисконтированные затраты напроизводство энергии в течение заданного срока окупаемости в котором будут меньше:(5)где,– суммарные капитальные затраты на систему электроснабжения отавтономного ЭК на основе ВИЭ и от традиционных источников питания, соответственно,млн руб.;,– суммарные эксплуатационные затраты на системуэлектроснабжения от автономного ЭК на основе ВИЭ и от традиционных источниковпитания, соответственно, в течение планируемого срока окупаемости, млн руб.;–планируемый срок окупаемости источников электроснабжения, лет.При этом в эксплуатационных затратах на систему электроснабжения от традиционныхисточников питания учитывается стоимость традиционного энергоносителя: стоимость топлива при электроснабжении от АИП на базе традиционныхгенераторных установок (с учетом стоимости транспортировки при использовании в АИПнегазовых электроагрегатов, например, дизель-генераторов); действующий тариф на электроэнергию в регионе расположения объекта приэлектроснабжении от региональных ЭС; и то и другое при электроснабжении от АИП, работающего параллельно с ЭС (приэтом основными источниками питания считаются собственные генераторы АИП, а ввод отЭС используется как резервный источник питания [65] (затраты на потребляемую из системыэлектроэнергию могут быть вычислены на основе статистических данных по переводупотребителей на питание от ЭС в ремонтных и аварийных схемах существующих АИП)).Планируемый срок окупаемости задается ориентировочно и может уточняться в ходерешения задачи путем последовательного изменения его значения.

При этом срок40окупаемости задается в диапазоне значений, не превышающих срок службы источника,имеющего минимальное значение,:(6)Срок окупаемости, в зависимости от постановки задачи, может задаваться однозначно(то есть его значение в процессе решения не изменяется).Таким образом, формируется система, затраты на выработку энергии в течениезаданного срока окупаемости у которой ниже, чем от традиционных вариантовэлектроснабжения.Ограничение (5) можно также использовать и для случая, когда затраты на сооружениесистемы электроснабжения изначально определены, то есть когда необходимо следоватьнаправлению формирования системы электроснабжения ВТП МГ как задаче по определениюмаксимального значения показателей эффективности при заданных ограничениях в видезатрат. Тогда ограничение (5) запишется в следующем виде:(7)где– допустимые финансовые затраты, млн руб.Если по результатам сравнения затрат выбранный оптимальный по заданнымэнергетическим показателям функционирования вариант состава источников оцениваетсякак экономически неэффективный, выполняется выбор нового варианта состава источников,энергетические характеристики которого наиболее близки по своим численным значениям кэнергетическим характеристикам предыдущего варианта.

При этом уже рассмотренныйвариант не принимается во внимание.Таким образом, достигается второй уровень оптимизации – по показателямэкономической эффективности.Для достижения большего экономического эффекта необходимо ввести еще одинуровень оптимизации – сравнить между собой по показателю LCOE (Levelised Cost of Energy– нормированная стоимость электроэнергии [70, 71]) экономически эффективные варианты,удовлетворяющие ограничению (5) или (7), и отобрать тот вариант из них, средняя расчетнаясебестоимость производства электроэнергии на протяжении всего жизненного цикла укоторого будет меньше:(8)Критерий (8) нецелесообразно использовать в качестве второго и окончательногоуровня оптимизации состава и параметров ЭК с ВИЭ без проверки по ограничениям (5)выбранных на первом уровне по показателям энергетической эффективности вариантов, таккак вариант, имеющий минимальное значениепо сравнению с другими за один и тот41же расчетный период времени может иметь более длительный срок окупаемости, чем уостальных вариантов, который может оказаться неприемлемым.

Данное утверждениепроиллюстрировано на рисунках 5 и 6.Рисунок 5 – Зависимость суммарных дисконтированных затрат от периода времени дляразличных вариантов системы электроснабжения (пример 1)Рисунок 6 – Зависимость нормированной стоимости электроэнергии от энергетическойэффективности (процента замещения традиционного ресурса) для различных вариантовэнергокомплексов с возобновляемыми источниками энергии (пример 1)42Вариант 1 ЭК с ВИЭ имеет самые близкие по сравнению с традиционной системойэлектроснабжения капитальные затраты, однако в то же время обладает недостаточнойэнергетической эффективностью, которая не позволяет в течение всего расчетного периодавремениполучить экономическую эффективность по сравнению с традиционнойсистемой электроснабжения.Вариант 2 ЭК с ВИЭ имеет немного большие по сравнению с вариантом 1 капитальныевложения, но при этом обладает достаточно хорошими показателями энергетическойэффективности (рисунок 6), благодаря которым суммарные дисконтированные затраты заоказываются ниже, чем у традиционной системы электроснабжения (рисунок 5).