Диссертация: Методика обоснования параметров и режимов работы арктической ветро-дизельной электростанции.

Актуальность темы диссертационной работы. По состоянию на конец 2020 года установленная мощность ветроэлектростанций (ВЭС) в мире составила 743 ГВт. Ветроэнергетика – самая быстрорастущая энергетическая отрасль в мире. За последние 20 лет установленная мощность ВЭС выросла более чем в 40 раз. Одновременно развивались ветроэнергетические технологии и ветроэнергетические установки (ВЭУ) с высокими энергетическими и экономическими показателями. Важной задачей развития арктических территорий, занимающих около 65% территории России, является обеспечение надежного, бесперебойного и эффективного энергоснабжения, которое в настоящее время на данных территориях осуществляется дизельными электростанциями (ДЭС). Сложная транспортная логистика доставки топлива в рамках «северного завоза» формирует высокую себестоимость произведенной электроэнергии. В соответствии со стратегией развития Арктической зоны Российской Федерации и обеспечения национальной безопасности на период до 2035 года, модернизации систем энергоснабжения северных регионов Российской Федерации должно быть уделено особое внимание. Северные территории России находятся в зоне высокого ветропотенциала со средними скоростями ветра более 5 м/с и удельной плотностью более 400 Вт/м2 . Поэтому решать проблему энергоснабжения удаленных потребителей предлагается на основе современных комплексных систем энергоснабжения, объединяющих дизельную и ветровую генерацию, с обеспечением высокой доли замещения дорогостоящего дизельного топлива, улучшением экологической обстановки, повышения надежности и эффективности систем энергоснабжения. При внедрении данных систем возможная ежегодная экономия расходов на завоз топлива с 2020 по 2030 гг. может составить до 15 млрд руб. (в ценах 2019 года). В настоящее время в изолированных энергосистемах Российской Федерации эксплуатируются ВЭС в составе автономных ветро-дизельных электростанций (ВДЭС) общей установленной мощностью 6,15 МВт, однако, большинство из них имеет сравнительно низкую долю замещения и неадаптированное оборудование. Поэтому существует необходимость в разработке методики обоснования состава ВДЭС с высокой долей замещения, включающей моделирование режимов работы оборудования в том числе в суровых климатических условиях.
Целью работы является разработка методики многокритериального обоснования параметров и режимов работы арктической ВДЭС, учитывающей пространственно-временную изменчивость ветрового потока и обеспечивающей высокую долю замещения дизельного топлива.
Объект исследования: энергокомплекс на основе ВИЭ – ветро-дизельная электростанция (ВДЭС) с обоснованием состава, параметров и характеристик оборудования.
Предмет исследования: методика обоснования параметров и режимов работы ВДЭС с обеспечением высокой доли замещения дизельного топлива с учетом пространственновременной изменчивости ветрового потока.
Для достижения поставленной цели решены следующие задачи исследования: 1. На основе проведенного анализа систем энергоснабжения изолированных территорий обоснована структурная схема и принципы работы ВДЭС для максимизации замещения дизельного топлива. 2. Разработаны алгоритмы распределения мощности между генерирующим оборудованием ВДЭС с учетом эксплуатационных особенностей работы оборудования, в том числе в суровых климатических условиях. 3. Разработаны математические модели элементов ВДЭС на языке программирования Python, учитывающие физические особенности работы оборудования и обеспечивающие работу электростанции с максимизацией замещения дизельного топлива, и проведена их верификация на основе исследований на лабораторном стенде для обеспечения достоверности полученных результатов. 4. Разработана методика обоснования параметров и режимов работы оборудования арктической ВДЭС, позволяющая выбрать наилучший вариант состава ВДЭС для удаленных северных потребителей. 5. Разработана система управления имитатором ВЭУ в составе лабораторного стенда ВДЭС, позволившая моделировать изменчивость ветрового потока и формировать режимы работы реальной ВЭУ. 6. Выполнена апробация методики на примере создания ВДЭС в пос. Койда Архангельской области с высокой долей замещения дизельного топлива.
По результатам выполненной диссертационной работы получены следующие результаты, обладающие научной новизной: – разработан алгоритм моделирования режимов работы арктической ВДЭС, определяющий оптимальное распределение мощности между генерирующим оборудованием ВДЭС на основе: прогноза изменения нагрузки потребителя; изменчивости ветрового потока; климатических факторов, влияющих на энергетические характеристики ВЭУ; длительность пуско-остановочных операций оборудования ДЭС; – разработаны математические модели функционирования элементов арктической ВДЭС на основе использования функции Лагранжа и «жадного» алгоритма для распределения мощности между ДГУ, методов машинного обучения для аккумулирующей системы (АС) и алгоритма учета потерь мощности от обледенения для ВЭУ; – разработана методика обоснования параметров и режимов работы ВДЭС на основе ранжирования вариантов состава методом анализа иерархий при максимизации комплексного критерия, учитывающего экономические, энергетические и экологические параметры энергокомплекса; – разработана модель функционирования имитатора ВЭУ, обеспечивающая моделирование реальной изменчивости ветрового потока и режимов работы ВЭУ.
Основные положения, выносимые на защиту: 1. алгоритм моделирования режимов работы ВДЭС на основе прогноза изменения нагрузки, изменчивости ветрового потока, климатических факторов образования обледенения и с учетом длительности пуско-остановочных операций оборудования ДЭС; 2. математические модели элементов, объединенные в единую модель ВДЭС, на языке программирования Python; 3. методика верификации математических моделей ВДЭС и достоверности результатов моделирования на основе лабораторных исследований; 4. методика обоснования состава арктической ВДЭС с высокой долей замещения дизельного топлива на основе комплексного социально-экономического и техникоэкологического критерия.
Методология и методы диссертационного исследования. Для решения поставленных задач использованы следующие методы: системный подход при обосновании параметров энергетического объекта, машинное обучение с использованием языка программирования Python, анализ иерархий, математическое моделирование в программных комплексах MATLAB Simulink®, Mathcad®, windPRO®, Homer Pro® и MS Office®.
Обоснованность и достоверность результатов обеспечиваются использованием апробированных методов математического моделирования. В рамках диссертационных исследований получена достаточно высокая сходимость результатов имитационного моделирования в разработанной математической модели, и физическим экспериментом на лабораторном стенде в ФГАОУ ВО «СПбПУ».
Теоретическая и практическая значимость работы: 1. Обоснованы алгоритмы определения оптимальных режимов работы ВДЭС для обеспечения высокой доли замещения дизельного топлива для изолированных северных поселений. 2. Результаты работы могут быть интегрированы в ГИС-систему принятия решения при разработке проектов ВДЭС в изолированных энергосистемах с гибкой настройкой выбора состава и параметров оборудования под требования заказчика. 3. Материалы диссертационного исследования используются в учебном процессе по направлению 13.03.02 «Электроэнергетика и электротехника» института морских технологий, энергетики и строительства ФГАОУ ВО «Калининградский государственный технический университет» в курсах «Возобновляемые источники энергетики» и «Электрические станции и подстанции».
Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на конференциях и семинарах, в том числе международных: XLI, XLII, XLIII и XLIV международных конференциях «Неделя науки СПбГПУ» (2012–2015 гг.), Молодежной научной конференции «Студенты и молодые ученые инновационной России» (2013 г.), Всероссийской конференции молодых ученых «Новые нетрадиционные и возобновляемые источники энергии» (2013 г.), международных форумах «Возобновляемая энергетика. Пути повышения энергетической и экономической эффективности» (REENFOR 2013, 2014, 2016 гг.), на V Международной конференции «Civil Engineering – Science and Practice» (Черногория, 2014 г.), XIII Международной научно-практической конференции «Возобновляемая и малая энергетика» (2016 г.), Международной конференции «Промышленный инжиниринг, ICIEAM» (2017 г.), XVI Международной конференции по электрическим машинам, приводам и энергосистемам ELMA (Болгария, 2019 г.), I и II Международной конференции «Экосистемы без границ» (2020 и 2021 гг.), Международном семинаре по арктическим материалам (2021 г.). Результаты диссертационной работы представлены на всероссийских и региональных конкурсах научно-практических работ в области возобновляемой энергетики, по результатам которых соискатель является трехкратным обладателем именной субсидии от Правительства Санкт-Петербурга, двукратным победителем конкурса грантов для студентов и аспирантов. Материалы исследования использованы при выполнении ГК в рамках Федеральной целевой программы (ФЦП) «Разработка методов и интеллектуальных технологий автономного энергоснабжения на основе традиционных и возобновляемых источников энергии для суровых климатических условий», в проекте «Цифровые технологии создания арктических энергетических сооружений с применением адаптированных материалов нового поколения», в госпрограмме создания НЦМУ «Передовые цифровые технологии» СПбПУ (соглашение от 17.11.2020 № 075-15-2020-934) и в международном проекте «Энергоэффективные системы на основе возобновляемых источников энергии для арктических условий (EFREA)».
Публикации. По теме диссертации опубликовано 18 научных работ, в том числе 4 статьи в журналах, входящих в Перечень рецензируемых научных изданий, рекомендованных ВАК РФ, 7 статей в журналах, входящих в базу цитирования Scopus, получено 2 патента на полезную модель.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и двух приложений и содержит 121 страниц основного текста, 59 рисунков, 39 таблиц и список использованной литературы из 77 наименований.