Логистическая концепция управления ветроэлектрическими станциями

Использование нетрадиционных возобновляемых источников энергии (ВИЭ) в энергетике различных стран мира вызвано множеством причин, среди которых можно выделить следующие:

1. Обеспечение энергетической безопасности.

2. Снижение вредного воздействия традиционных электростанций на окружающую среду.

3. Завоевание мировых рынков оборудования для нетрадиционной энергетики.

4. Сохранение запасов собственных энергоресурсов.

5. Увеличение потребления сырья для неэнергетического использования углеводородов.

Все указанные причины распространяются и на Россию. Однако существует специфика, вызванная существующим состоянием экономики и общества России, накладывающая отпечаток на применение ВИЭ в энергетической отрасли.

Обеспечение энергоснабжения удаленных районов, не подключенных к сетям энергосистем. В районы Крайнего Севера, Дальнего Востока и Сибири ежегодно завозится 6−8 млн. тонн жидкого топлива и 20 — 25 млн. тонн твердого топлива. В связи с увеличением транспортных расходов стоимость топлива удваивается и составляет, например, в республиках Тува, Алтай и на Камчатке 350 долл. за 1 т. у. т. и более. На завоз тратится более половины бюджета этих территорий. Нехватка топлива зачастую ставит под угрозу жизнь людей.

Предотвращение или снижение ограничений потребителей, подключенных к сетям энергосистем. Создание конкурентной среды в энергетике. Практически ежедневные ограничения потребителей с Федерального оптового рынка энергии и мощности, производимые за неуплату или в связи с необходимостью экономии энергоресурсов, а также перерывы в энергоснабжении из-за аварийных отключений, дезорганизуют жизнь городов и регионов, нанося им значительный ущерб. Создание собственных энергопроизводителей в этих регионах позволит избежать потерь от недоотпуска энергии и снизить потери в сетях. Особенно это актуально на тупиковых распределительных подстанциях вблизи от потребителей.

Развитие собственной промышленности, увеличение в экспорте доли машин и оборудования, создание дополнительных рабочих мест, реализация имеющегося высокого научно-технического потенциала России. Уже сейчас такие возможности есть в торговле с развивающимися странами и странами Европы по некоторым видам оборудования, среди которого малые ветроустановки до 1 кВт, малые и микрогидроэлектростанций, индивидуальные биогазовые установки.

Снижение экологической напряженности, существующей в ряде городов, в том числе зонах отдыха за счет снижения вредных выбросов от традиционных энергетических установок.

Обеспечение энергетической безопасности некоторых регионов России, в том числе: Камчатки, Чукотки, Приморья.

Основными проблемами развития нетрадиционной энергетики, и ветроэнергетики в том числе, являются [14]:

1. Разработка ветроэнергетического кадастра;

2. Разработка технико-экономических обоснований использования ВЭС;

3. Создание научных основ преобразования и использования возобновляемых энергоресурсов;

4. Обоснование и разработка систем технических средств;

В данном исследовании решается задача разработки технико-экономического обоснования применения ветроэлектростанций в качестве источников электроснабжения удаленных потребителей в условиях современной российской энергетики.

Целью исследования является развитие методов оценки эффективности применения ветроэлектростанций в системах электроснабжения на основе логистического подхода к изучению сложных эколого-социально-экономических систем.

В соответствии с поставленной целью в диссертационной работе определены следующие задачи:

1. Выявление проблем использования ветроэлектростанций в качестве резервных и основных источников электроснабжения.

2. Изучение факторов, влияющих на эффективное функционирование ветроэлектростанций.

3. Анализ существующих методов и критериев оценки эффективности использования ветроэлектростанций.

4. Разработка методики оценки экономической эффективности * применения ветроэлектростанций на основе логистического подхода.

5. Разработка экономико-математической модели использования ветроэлектростанций в системах электроснабжения.

Объектом исследования является система электроснабжения.

Предметом исследования являются потоки ресурсов, используемых при строительстве и эксплуатации ветроэлектростанций в системе электроснабжения, и методы их анализа, оценки и оптимизации.

Методы исследования включают в себя системный и логистический подходы к изучению предприятия как эколого-социально-экономической системы, методы теории вероятности и математической статистики и методы экономико-математического моделирования.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. Уточнено понятие обеспеченности мощности и энергии применительно к ветроэлектростанциям, чем создаются предпосылки повышения научной обоснованности методов, применяемых в диссертационном исследовании.

2. Выявлены основные тенденции развития электроэнергетики в современных условиях, позволяющие обосновать направления деятельности по повышению эффективности функционирования отрасли и определить место и роль возобновляемых источников энергии в электроэнергетической отрасли России.

3. Предложен комплекс научно обоснованных мероприятий, обеспечивающих эффективное управление ветроэлектростанциями на основе логистической концепции управления сложными искусственными системами.

4. Разработана методика оценки экономической эффективности использования ветроэлектростанций, что создает необходимые условия и предпосылки для эффективного управления проектированием ветроэлектростанций.

5. Предложена экономико-математическая модель использования ветроэлектростанций, позволяющая реализовать на практике разработанную методику.

Практическая значимость заключается в возможности использования результатов исследования для определения параметров систем электроснабжения удаленных потребителей, результаты исследования могут быть использованы в учебном процессе при изучении систем энергоснабжения, логистических исследованиях в электроэнергетике.

Основные положения диссертационного исследования были представлены на международных конференциях «Экономика, экология и общество на пороге 21-го столетия» в 1999 г., 2000 г. и 2001 г., на 28 и 29 неделях науки СПбГТУ в 1999 г.

Выводы.

1. Анализ методов учета свойств энергетических объектов и систем в практике управления энергетикой показывает, что в настоящее время многие факторы (социальные, природные) не рассматриваются. Это снижает эффективность технико-экономических расчетов в подготовке и принятии оптимальных решений в энергетике. Раскрыть преимущества учета гораздо большего числа существенных свойств электроснабжающих систем возможно при многокритериальной оптимизации.

2. Из всех рассмотренных методов многоцелевой оптимизации выбран один из методов выявления функций выбора — метод анализа иерархий, т. к. он позволяет принимать наилучшие экономические решения на основе сопоставления большого числа разнообразных характеристик, связей и частных целей.

3. Предложена система критериев, дающих возможность всестороннего описания свойств и связей систем электроснабжения. Критериями оценки экономической эффективности системы электроснабжения являются:

1. Максимум надёжности электроснабжения промышленного предприятия.

2. Минимум дисконтированных затрат.

3. Максимум экологической безопасности источника электроснабжения.

4. Минимум срока строительства и ввода в эксплуатацию объектов системы электроснабжения промышленного предприятия.

5. Минимум расхода первичных энергоресурсов при работе источника электроснабжения.

6. Зависимость от других экономических субъектов.

7. Максимум возможности увеличения мощности энергопотребления.

ГЛАВА ТРЕТЬЯ.

УПРАВЛЕНИЕ СОЗДАНИЕМ И ФУНКЦИОНИРОВАНИЕМ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ НА ОСНОВЕ ВЕТРОЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ ДЛЯ УДАЛЕННОГО ПОТРЕБИТЕЛЯ.

§ 3.1 Управление системами электроснабжения с участием ветроэлектростанций.

Управление общественным производством представляет собой непрерывное целенаправленное воздействие его управляющей подсистемы (субъекта управления) на управляемую подсистему (объект управления), основанное на сознательном использовании философских, экономических, технических и других законов [67].

Поток потерь энергии V.

Рис. 10. Схема системы управления системы электроснабжения с использованием ветроэлектростанции.

Любая система управления эколого-социально-экономической системой принципиально организована по схеме, в которой присутствуют основные связи между субъектом и объектом управления, а также связи с другими системами управления по вертикали и горизонтали в рамках иерархической структуры управления и кооперации. В силу специфичности функций, выполняемых конкретной эколого-социально-экономической системой, ее система управления формирует определенную структуру связей, характеризующих отношения управления.

Структура управления является отображением функционирования этих связей, характер и форма которых опосредованы спецификой эколого-социально-экономической системы.

Кибернетика трактует связь как процесс обмена информацией, в результате чего изменяется поведение системы. Связи в системе подразделяются по видам: на прямые, обратные, рекурсивные, синергические. Связи подразделяются также по направлению передаваемых воздействий на положительные, когда рост одной переменной влечет за собой рост другой, и отрицательные, когда рост одной переменной ведет к снижению другой.

Прямые связи — представляют такое соединение элементов социально-экономической системы и структурных подразделений энергетического предприятия, когда выходное воздействие одного элемента (структурного подразделения) передается на вход какого-либо другого элемента или подразделения.

Обратные связи — представляют собой такое соединение элементов, когда выход какого-либо элемента соединяется с входом этого же элемента (подразделения). Эта связь осуществляется либо непосредственно, либо через другие элементы (подразделения). Как правило, в социально-экономических системах прямые и обратные связи функционируют одновременно. Более сложной обратной связью является циклическая связь.

Рекурсивная связь — является необратимой связью между элементами системы или структурными подразделениями. Эта связь носит также название причинно-следственной связи, так как при исследовании такой связи обычно ясно, где причина, а где следствие.

Синергические связи — обеспечивающие в результате совместного, кооперированного взаимодействия группы или отдельных элементов системы обеспечивается усиление результирующего эффекта по сравнению с суммарным эффектом от их раздельного действия. По законам синергических связей совместно взаимодействуют все элементы системы, оказывая усиливающее воздействие на конечный результат функционирования системы в целом. Наиболее существенное влияние оказывают первые три вида связи.

Система управление функционирует в соответствии с ее информационной моделью, особенностью которой является совместная работа всех ее элементов для достижения наиболее эффективного функционирования системы в целом.

В системе управления ветроэлектростанцией применена схема, которая может управлять своим поведением, сравнивая свою действительную работу с поставленной целью, способная выявить ошибки и устранить их. Результаты такого сравнения дают возможность улучшать характеристики системы — ее устойчивость и качество функционирования. Такая система управления обладает обратной связью только первого порядка типа эффектор-рецептор, являющийся уровнем непосредственного управления объектом. Здесь механизм управления осуществляет непрерывную коррекцию соответствия параметров процесса функционирования системы оптимальному режиму эксплуатации, внося необходимые коррективы в процесс функционирования в случае отклонения его от оптимального режима. Этот уровень обратной связи требует от механизма управления действий, строго соответствующих имеющимся правилам и инструкциям, которые заранее разработаны в других, более высоких, уровнях обратной связи.

С точки зрения. логистической теории [57] эффективность функционирования сложной искусственной системы определяется отношением фактического эффекта к оптимальному эффекту (37).

Кф = Щ- (37).

11 о.

Оптимальный эффект П0 (38) определяется суммой оптимального эффекта на единицу продукции, получаемого от оптимизации движения логистических потоков П0д и оптимального эффекта на единицу продукции, получаемого от оптимизации использования логистических потоков Пои.

П0 = П0д + Пои (38).

Оптимизируя логистические потоки на стадии проектирования различных вариантов построения системы электроснабжения, можно сравнить наиболее эффективные альтернативы, основанные на различных технологиях движения энергетических потоков.

Поскольку потребность в энергоресурсах предприятия задана, осуществлять оптимизацию энергетических и финансовых потоков в рассматриваемой системе можно лишь путем снижения фактических суммарных издержек ИфЪ. Тогда показатель эффективности функционирования можно записать следующим образом (39) кэф-^ (39).

Оптимальные издержки Moz (40) рассматриваются в виде суммы оптимальных издержек движения энергетического потока Иод и оптимальных издержек использования энергетического потока Иои.

Ио£ = И0д + Иои (40).

Величина оптимальных издержек движения электроэнергии находится решением функции (41):

Ид (№сэисст)=>тт (41).

Издержки движения энергетического потока представляют собой затраты на производство электроэнергии Ивзс. Основной задачей управления системой электроснабжения в процессе ее функционирования является снижение затрат на производство электроэнергии.

Оптимальные издержки использования потока электроэнергии определяются из условия минимума функции (42):

Mu{NZm)=> min (42).

Издержки использования энергетического потока связаны с преобразованием энергии ветрового потока в электрическую энергию. Оптимизация использования заключается в снижении ущерба потребителя при возникновении дефицита электроэнергии У и уменьшении потерь энергии в процессе ее преобразования.

Таким образом, издержки движения и использования энергетических ресурсов системе электроснабжения с применением ветроэлектростанции связаны с единовременными капиталовложениями, затраченными в процессе создания системы электроснабжения, а процессы управления функционированием и формированием этой системы необходимо рассматривать в неразрывном единстве.

§ 3.2. Анализ и оптимизация энергетических потоков в системах электроснабжения удаленного потребителя.

Основным соотношением, характеризующим эффективность системы энергоснабжения, является равенство в любой момент времени потока произведенной энергии и потребности в ней. Поток электрической энергии характеризуется двумя основными параметрами: интенсивностью (мощностью) и продолжительностью. По характеру изменения этих параметров можно классифицировать выделенные потоки следующим образом.

Поток а/ производства электроэнергии ветроэлектростанцией (рис. 11) характеризуется случайным изменением параметров и является практически не управляемым, поскольку зависит от стохастического изменения энергии ветра.

Поток «2 электроэнергии в аккумулирующую установку является производным потока aj и потока сп> характеризующего потребление энергии, и определяется как разность этих величин а2 = Д/ - сп. Это также случайный и ограниченно управляемый поток.

Поток в/ электроэнергии от аккумулятора является управляемым, но зависит от стохастических потоков ai, сп и потока потерь энергии в процессе ее аккумулирования d и равен в} = спai~d.

Следовательно, система энергоснабжения должна обеспечивать равенство ai + в] = сп, т. е. мощность потоков генерации и потребления должны быть равны в любой момент времени.

Мощность и длительность потока генерации электроэнергии определяется характеристиками ветрового кадастра, в частности распределением безветрий и периодов с рабочими скоростями ветра, а также установленной мощностью ветроэлектростанций и ее техническими характеристиками.

Нахождение закономерностей распределение безветрий по их длительности позволяет судить о возможных простоях ВЭС и рассчитать емкость аккумулирующих устройств.

Результаты этих расчетов служат основой для технико-экономического обоснования емкости аккумулирующих устройств и величины гарантированной мощности ВЭС, участвующей в покрытии графика нагрузки потребителя.

При использовании энергии ветра нужно обеспечить наиболее равномерную выработку энергии ВЭС. Для этого необходимо использовать аккумулирующую систему, или дублирующую установку. При этом следует иметь в виду, что при использовании аккумулирующих устройств в некоторых случаях обеспечивается лишь ограниченное выравнивание. При продолжительном отсутствии ветра даже очень емкое аккумулирующее устройство быстро истощается. V i % - потоки энергии;

————> - потоки информацииfli — поток ветровой энергии. ai, а2, Bi — потоки энергии от ветроэлектростанции и аккумулятора в систему распределения электроэнергии соответственно. сп — поток потребления энергии d — поток потерь электрической энергии.

Рис. 11. Схема энергетических потоков системы электроснабжения при использовании собственной ветроэлектростанции.

В настоящее время не представляется возможным заранее предсказать мощность ВЭС с приемлемой точностью [80, 35]. Поэтому при составлении графика нагрузки системы электростанций в суточном разрезе следует * задаваться величиной производимой ВЭС энергии.

Основными схемами ветроустановок, которые входят в состав ВЭС, работающих на общую сеть являются:

• ветроколесо работает с постоянной (заданной) частотой вращения, соответствующей частоте сети, и соединено с синхронным генератором;

• аналогичная схема, но используется асинхронный генератор;

• ветроколесо вращается с переменной частотой, соответствующей максимальному коэффициенту использования энергии ветра (р при каждой действующей скорости ветра.

Характер переходных процессов при параллельной работе ВЭС с электрической системой зависит от уровня соизмеримости их мощностей и типа генератора ВЭС. Если мощность системы соизмерима, но больше мощности ВЭС, то по мере увеличения скорости ветра ВЭС может отдавать в сеть мощность больше, чем номинальная, и появляется возможность статической перегрузки ветродвигателя до мощности электрической системы. Для исключения перегрузки двигатель снабжают устройством для ограничения мощности ветроколеса. При параллельной работе с электрической системой несравнимо большей мощности последняя может воспринять практически любую мощность, развиваемую ВЭС. В этом случае ветродвигатель также должен иметь регулятор мощности. В случае использования схемы с асинхронным генератором необходимость в таком устройстве не возникает. Для крупных ВЭУ, мощностью выше 300 кВт, отдается предпочтение синхронным генераторам с преобразователем частоты либо асинхронизированные синхронные машины с питанием обмотки ротора переменным током. Эта схема позволяет получать энергию необходимого качества при переменной частоте вращения турбины ветроколеса.

При использовании ВЭС из-за резких нерегулярных колебаний скорости ветра каждый ветроагрегат следует рассматривать как стохастический источник энергии.

Производство электроэнергии ВЭС, за исключением периодов простоя по техническим причинам и ремонтов, прежде всего зависит от величины скорости ветра, определяемой климатическими условиями.

Подача энергии, полученной благодаря использованию ветрового потока, в общую систему энергоснабжения связана с двумя серьезными проблемами, обусловленными главным образом, резкими изменениями энергии ветра во времени и плохой предсказуемостью этих изменений. Они тесно связаны между собой, но решаются различными способами.

Первая состоит в обеспечении стабильности напряжения и частоты тока. При изменении скорости вращения ветроколеса могут изменяться указанные параметры вырабатываемой энергии. Чтобы это предотвратить, необходимо иметь электронную систему регулирования, обеспечивающую постоянство напряжения и частоты тока. Турбины и генератор рассчитываются на определенную номинальную скорость ветра. При скоростях больших номинальной с помощью системы регулирования снижают скорость вращения ветроколеса путем подбора аэродинамических характеристик либо путем изменения угла их установки, так что номинальные скорость и мощность остаются в пределах допустимых значений. Эта вопросы могут быть решены соответствующими техническими средствами.

Вторая проблема заключается в компенсации колебаний мощности, производимой ВЭС. Скорость ветра, а, следовательно, и выработка энергии подвержены значительным случайным колебаниям, которые в большинстве случаев не связаны с изменениями текущих потребностей. Уменьшение или выравнивание колебаний мощности ветроустановки осуществляется различными средствами в зависимости от продолжительности колебаний. Колебания мощности в пределах секунд и минут можно компенсировать техническими средствами: с одной стороны благодаря инерционности ветроколеса и привода, с другой — путем объединения многих ВЭУ в единую систему, которая благодаря размещению агрегатов на большом пространстве обеспечит смещение во времени пиков и повалов мощности единичного агрегата и позволит выровнять колебания мощности всей системы ветроустановок [80]. Таким образом, изменение производимой мощности длительностью в несколько часов и более остаются основной проблемой использования энергии ветра. Они могут быть компенсированы различными средствами, в частности использованием аккумулирующих устройств или дублирующих электростанций.

Дублирование мощности ВЭС за счет использования неветровой энергоустановки осуществляется на случай выхода из строя ветроагрегата или в периоды недостаточной интенсивности ветра.

При решении вопросов, связанных с аккумулированием энергии, произведенной ВЭС, должны приниматься во внимание следующие характеристики аккумуляторов:

— относительный вес;

— удельные затраты;

— длительность хранения энергии и возможные ее потери при хранении;

— сложность энергетических преобразований для зарядки аккумулятора;

— конструктивные параметры;

— безопасность эксплуатации.

По своему устройству и принципу действия аккумуляторы могут быть объединены в следующие группы:

1. Механические. Механическую энергию запасают в виде потенциальной или кинетической энергии. Как правило, механические аккумуляторы представляют собой устройство, в которых используется потенциальная энергия сжатой пружины, груза, поднятого на некоторую высоту, или кинетическая энергия быстровращающегося диска (маховика). Наибольшее распространение получил инерционный аккумулятор. Он представляет собой вращающийся маховик, заключенный в неподвижный кожух. Эти аккумуляторы позволяют забирать в течение короткого промежутка времени мощность, превышающую расчетную. К его недостаткам следует отнести увеличение массы ветроустановки и небольшое повышение минимальной рабочей скорости ветра, необходимой для начала работы агрегата.

2. Гидравлические. По своей сущности гидроаккумулирование — это механический способ запасания энергии. Такие устройства обеспечивают аккумулирование энергии, произведенной ветроустановкой, в виде потенциальной энергии массы воды, поднятой на некоторую высоту. Взаимодействие с ветроустановкой может быть организовано по следующим схемам: а) ВЭС работает на электрическую сеть, а избыточная энергия расходуется для перекачки воды из нижнего водоема в верхний, либо из нижнего бьефа плотины в верхний. В периоды безветрия или при недостатке энергии, производимой ВЭС, энергия поднятой воды используется для получения электрической энергии на турбинах ГЭС. б) ВЭС все время работает на насосные агрегаты, подающие воду из одного бассейна в другой, расположенный выше.

К установкам с гидроаккумулированием можно отнести также ВЭС, работающие параллельно с ГЭС, поскольку наличие автоматических регуляторов на турбинах ГЭС позволяет экономить воду при работе ВЭС, воспринимающей на себя часть нагрузки и разгружающей гидростанции. Совместная работа ВЭС и ГЭС позволяетповысить установленную мощность последней при неизменном стоке реки или же повысить обеспеченность графика нагрузки при неизменной мощности ГЭС.

3. Химические. К ним относятся установки для водородного и электрохимического аккумулирования. В первом процессе энергия запасается путем разложения воды под действием электрического тока от ВЭС в виде водорода, который при необходимости сжигается в водородном двигателе. Этот способ дает возможность сохранять запасенную в виде водорода энергию достаточно долго, просто хранить топливо и быстро вводить аккумулятор в работу. Главным недостатком такого аккумулирования является низкий суммарный КПД ветроустановки. Электрохимические аккумуляторы нашли широкое применение в ветроэнергетике. Их использование не требует каких-либо дополнительных сложных устройств, но необходимо преобразование переменного тока в постоянный и квалифицированное обслуживание. Кроме того батарея имеет большую массу.

4. Тепловые. Ветроустановка с тепловым аккумулированием может быть использована там, где есть потребитель теплоты. Использование же энергии аккумулированной в виде нагретой воды и воды, превращенной в пар, для повторного получения механической и электрической энергии нерационально ввиду крайне низкого КПД преобразования.

5. Пневматические. Пневмоаккумуляторы представляют собой резервуары, в которые воздух под давлением нагнетается компрессорной установкой, приводимой от ветродвигателя, а затем расходуется на работу пневматического двигателя, вращающего рабочие машины. При этом в зависимости от схемы ветродвигатель может быть загружен компрессором полностью или частично, когда двигатель отдает основную часть энергии через генератор, а избыточную через компрессор в пневматический аккумулятор

Заключение

.

По результатам диссертационного исследования можно сделать следующие выводы:

1. Дано научное обоснование целесообразности использования логистической концепции управления применительно к производству электрической энергии на ветроэлектрических станциях в условиях современной российской энергетики, что позволяет учитывать особенности производства энергии ветроэлектростанциями, связанные с тем, что неуправляемую энергию ветра необходимо преобразовать в управляемый поток электрической энергии для того, чтобы эффективно ее использовать.

2. Выполненный анализ применяющихся в отечественной и зарубежной практике методов и критериев оценки эффективности использования ветроэлектростанций показал, что используемые в настоящее время подходы не в полной мере отражают существенные свойства ветроэлектростанций и возможности их использования с учетом современного состояния российской энергетики.

3. Предложен комплекс научно обоснованных мероприятий, обеспечивающих эффективное управление ветроэлектростанциями на основе логистической концепции управления сложными эколого-социально-экономическими системами.

4. Разработана методика выбора оптимального источника электроснабжения удаленного потребителя электроэнергии с использованием многоцелевого подхода, что создает необходимые условия и предпосылки для эффективного управления проектированием ветроэлектростанций.

5. Предложена экономико-математическая модель выбора оптимального источника электроснабжения удаленного потребителя, позволяющая реализовать на практике разработанную методику.

6. Разработанные методика и модель апробированы на примере расчета основных параметров системы электроснабжения промышленных потребителей электроэнергии в Ленинградской области.