Разработка методики повышения надежности электроснабжения отдаленных поселений за счет ветроэнергетики (на примере астраханской области)
На правах рукописи
ГРОЗНЫХ ВАДИМ АЛЕКСЕЕВИЧ РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ПОВЫШЕНИЯ НАДЕЖНОСТИ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ОТДАЛЕННЫХ ПОСЕЛЕНИЙ ЗА СЧЕТ ВЕТРОЭНЕРГЕТИКИ (НА ПРИМЕРЕ АСТРАХАНСКОЙ ОБЛАСТИ) Специальность 05.09.03 – Электротехнические комплексы и системы
Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Москва 2011 2
Работа выполнена на кафедре Электроснабжение промышленных предприятий Национального исследовательского университета "МЭИ".
Научный консультант:
доктор технических наук, профессор Кудрин Борис Иванович
Официальные оппоненты:
доктор технических наук Безруких Павел Павлович кандидат технических наук Краснова Анна Николаевна Ведущее предприятие: ЗАО «Агентство по прогнозированию балансов в электроэнергетике», г. Москва
Защита диссертации состоится «16» декабря 2011 г. в аудитории М-611 в 14 час. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.157.02 при Национальном исследовательском университете "МЭИ" по адресу: ул.
Красноказарменная, д. 13.
Отзывы на автореферат (в двух экземплярах, заверенных печатью организации) просим направлять по адресу: 111250, г. Москва, ул.
Красноказарменная, д. 14, Ученый Совет Национального исследовательского университета "МЭИ".
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Национального исследовательского университета "МЭИ".
Автореферат разослан «_» ноября 2011 г.
Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.157. кандидат технических наук, доцент Цырук С.А.
Общая характеристика работы
Актуальность темы. Задачи удовлетворения существующей и будущей потребности населения и промышленности России в электрической и тепловой энергии связаны с ограниченными запасами органических ископаемых и требо ваниями экологии, что приводит к необходимости использования возобновляе мых источников энергии (ВИЭ). Практически наиболее значимым и освоенным в мире видом ВИЭ является ветровая энергия, которая не только используется в более широких масштабах, чем остальные возобновляемые виды энергии, но и имеет большие перспективы развития в ближайшие десятилетия. Россия обла дает огромным потенциалом ветровой энергии, но по установленной мощно сти ветроэнергетических установок (ВЭУ) отстает не только от ведущих промышленно развитых стран, но и от большинства развивающихся стран. Ус тановленная мощность ветроэлектростанций (ВЭС) России на начало 2011 г., равная 15,4 МВт, в 2900, 2600, 1750, 1350, 850 раз ниже, чем в Китае, США, Германии, Испании, Индии соответственно. Это положение является тем более нетерпимым, если вспомнить, что в тридцатые годы ХХ века Россия являлась мировым лидером ветроэнергетики.
Особенностью современного состояния разработок и практического ис пользования ВИЭ, в общем случае, является более высокая стоимость получае мой тепловой и электрической энергии по сравнению с традиционными источ никами, хотя стоимость ВЭУ непрерывно падает. В России существуют обшир ные территории, где по экономическим и экологическим условиям целесооб разно приоритетное развитие возобновляемой энергетики и в том числе ветро энергетики. В этой связи актуализируется исследование проблем развития вет роэнергетики в Российской Федерации. Важно определение места и роли госу дарства в решении возникающих научно-технических, производственных и со циально-экономических задач внедрения ВИЭ.
Причина интереса к использованию энергии ветра лежит, прежде всего, в стремлении расширить виды используемых энергетических ресурсов в связи с быстрым ростом потребления энергии. Для условий России важно и то, что энергетика сельского хозяйства не может полностью базироваться на присое динении сельских потребителей к сетям электрических систем, а должна ис пользовать так же местные энергоресурсы. Свыше 60% территории страны в настоящий момент не обеспечено централизованным электроснабжением. Ввод объектов генерации на основе ВИЭ является одним из способов решения про блемы электрификации страны.
Возрастающий интерес к энергетическим ресурсам связан также с гло бальным потеплением и последствиями парникового эффекта. Сегодня проис ходит осознание, что запасы ископаемого топлива ограничены, и их использо вание ведет к загрязнению окружающей среды. В будущем неизбежно сокра щение потребления органического топлива и его замена другими источниками энергии. Использование ВИЭ наиболее привлекательно, так как они не нару шают естественного баланса энергии, получаемой нашей планетой.
Цель работы. Разработка практической методики определения оптималь ной структуры системы электроснабжения на базе централизованных и распре деленных генерирующих источников электроэнергии малых поселений посред ством Н-анализа для повышения надёжности электроснабжения в долгосрочной перспективе.
В соответствии с поставленной целью в работе решаются следующие задачи:
1. Проанализировать энергетические, социальные, экономические показа тели малых поселений региона и дать комплексную оценку текущему состоя нию их электро- и теплоснабжения.
2. Осуществить структурирование и классификацию совокупности типов ВЭУ (видов), используемых на территории РФ, включая отечественные органи зации, занимающиеся производством и комплектацией ВЭУ.
3. Выполнить для муниципальной структуры потребителей региона техни ко-экономическое обоснование типа, количества и мощности используемых ВЭУ.
4. На базе системного подхода произвести исследование энергетической эффективности единичной ВЭУ горизонтального типа с учётом метеоусловий.
5. Выполнить прогноз величины годового регионального электропотреб ления до 2020 г. с учётом использования ВИЭ для оптимизации системы элек троснабжения.
6. Разработать математическую модель структурирования объектов возоб новляемой генерации.
7. Произвести оптимизацию системы электроснабжения низкого напряже ния частных домохозяйств и малого бизнеса.
Методы научных исследований. При выполнении работы применялись методы математической статистики, ценологический подход, методика регрес сионного анализа, математическая модель простых чисел. Произведено матема тическое моделирование качественной, количественной и пространственной структуры объектов возобновляемой генерации региона. Результатом теорети ческих исследований явились разработанные универсальные прикладные мате матические модели, реализованные посредством разных программных пакетов.
Научная новизна работы заключается в следующем:
1. Разработана методика расчёта производства электроэнергии единичной ВЭУ в условиях имеющихся внешних факторов и условий.
2. Создана методика расчёта потребления электроэнергии малыми поселе ниями всего региона в условиях ограниченности и противоречивости статисти ческого материала.
3. На основе Н-анализа разработана методика формирования структуры источников генерации на базе ВИЭ с целью повышения эффективности элек троснабжения территориальных образований.
4. Представлен прогноз величины годового регионального электропотреб ления в долгосрочной перспективе с помощью математического аппарата рег рессионного анализа с учетом планируемого ввода генерации за счет ВИЭ.
5. Произведено обоснование эффективности сочетания централизованной и распределенной энергетики для обеспечения гарантированного минимума энергопотребления населения и малого частного производства в зонах неустой чивого централизованного энергоснабжения.
6. Обоснована экономическая эффективность комбинированного произ водства тепловой и электрической энергии посредством ВЭУ с экологической оценкой использования объектов возобновляемой энергетики в течение норма тивного срока эксплуатации в сравнении с объектами традиционной генерации аналогичной мощности.
7. Предложен сценарий ввода новых генерирующих мощностей на базе ВИЭ малой мощности на территории малых поселений Астраханской области, позволяющий осуществить частичную или полную автономность электроснаб жения конечных потребителей малых поселений.
Практическая ценность и реализация полученных результатов заклю чается в следующем:
1. Создана математическая модель определения энергопотребления малых поселений для оценки текущих энергозатрат и прогнозирования дальнейшего развития региона. Алгоритм модели справедлив для любого региона страны.
2. Разработана универсальная математическая модель работы горизонталь ных ВЭУ для их сравнительного анализа и прогнозирования количества произ водимой ими электроэнергии при заданных метеорологических условиях.
3. Разработана методика построения оптимальной устойчивой структуры ценозов любой природы.
Апробация работы. Основные положения диссертации, её отдельные ре шения и результаты докладывались на заседаниях кафедры ЭПП МЭИ (ТУ) в 2009, 2010, 2011 годах и обсуждались на ряде конференций и семинаров, в том числе: XXXIX научно практическая конференция с международным участием "Повышение эффективности электрического хозяйства потребителей в услови ях ресурсных ограничений" (г. Москва, МЭИ (ТУ), 16 – 20 ноября 2009 г.);
XIV конференция по технетике и общей ценологии с международным участием "Междисциплинарность ценологических исследований. Общая и прикладная ценология" (г. Москва, МЭИ (ТУ), ноябрь 2009 г.);
VIII международная научно практическая интернет-конференция "Энерго- и ресурсосбережение - XXI век" (г. Орёл, ОГТУ, 1 марта - 30 июня 2010 г.);
V Молодёжная Международная на учная конференция "Тинчуринские чтения" (г. Казань, КГЭУ, 28 – 29 апреля 2010 г.);
XL Всероссийская научно-практическая конференция (с международ ным участием) с элементами научной школы для молодёжи "Фёдоровские чте ния - 2010" (г. Москва, МЭИ (ТУ), 16 – 19 ноября 2010 г.);
XV конференция по философии техники и технетике и семинар по ценологии "Ценологическое мо делирование: теоретические основания и практические результаты" (г. Москва, МЭИ (ТУ), ноябрь 2010 г.);
IX международная научно-практическая интернет конференция "Энерго- и ресурсосбережение – XXI век" (г. Орёл, ОГТУ, 15 мар та – 30 июня 2011 г.);
VIII Межрегиональная (Международная) научно техническая конференция студентов и аспирантов "Информационные техноло гии, энергетика и экономика" (г. Смоленск, МЭИ (ТУ) в г. Смоленск, 14 – апреля 2011 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 печатных работ, в том числе 3 в изданиях, включённых в перечень ведущих рецензируемых науч ных журналов и изданий, рекомендованных ВАК РФ.
Объём и структура работы. Диссертационная работа изложена на страницах машинописного текста, включая 21 таблицу и 53 иллюстрации. Спи сок использованной литературы включает 161 наименование работ отечествен ных и зарубежных авторов. Работа состоит из введения, четырёх глав, заключе ния и 21 приложения. Приложения представлены на 103 страницах.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность повышения энергетической безо пасности малых населённых пунктов посредством оптимального структуриро вания объектов возобновляемой энергетики, осуществляющих тепло- и элек троснабжение, в рамках территории Астраханской области, сформулированы цель, задачи, научная новизна исследования.
В первой главе рассмотрены состояние отечественной энергетики и пер спективы её развития до 2020 г. в увязке с возобновляемой энергетикой, а так же мировые тенденции развития ветроэнергетической отрасли.
Показано, что основная часть энергосистем, входящих в состав ЕЭС Рос сии, характеризуется дефицитом электрической энергии и мощности, мораль ным и физическим износом оборудования, малой зоной покрытия, неудовле творительным качеством электроэнергии на территории удалённых малых по селений. Анализ нормативно-технической документации позволил сделать вы вод, что дальнейшее развитие электроэнергетики произойдет по пути наращи вания мощности за счет крупных угольных тепловых и атомных электростан ций с минимизацией доли газа в производстве энергии, причем доля распреде лённой генерации в виде ВИЭ в топливно-энергетическом балансе составит 4, % к 2020 г. Установлено, что Россия обладает значительными запасами возоб новляемых, вторичных и низкопотенциальных ресурсов;
производственными мощностями для реализации крупных ветроэнергетических проектов;
испыта тельными полигонами для экспериментальных исследований ветроагрегатов.
Анализ состояния зарубежной ветроэнергетики показал, что её развитие происходит в направлении увеличения доли ВИЭ в энергобалансе, строитель ства сетевых ветропарков большой мощности, наращивания мощности и повы шения энергетической эффективности единичной ВЭУ, решения проблем ста бильной параллельной работы ВЭС и электрической сети.
Рассмотрена классификация ВЭУ в зависимости от исполнения, типа экс плуатации, цели использования, способу управления, уровня мощности. Пока зано, что основными преимуществами ветровой энергетики относительно тра диционной являются автономность;
возможность быстрой развёртки;
снижение затрат на сетевое строительство;
снижение потерь энергии;
возможность ис пользования в условиях неудовлетворительного качества сетевой электроэнер гии;
возможность комбинированного производства тепловой электрической и механической энергии;
модульная структура, позволяющая наращивать мощ ность в дальнейшем;
экологическая чистота.
Формулируется вывод о том, что мировая ветроэнергетика является про грессивно развивающейся отраслью промышленности с высокой долей занято сти населения и увеличивающимся оборотом капитала и её развитие перспек тивно и экономически оправдано для освоения территорий России и для обес печения надёжного тепло- и электроснабжения удалённых малых поселений.
Во второй главе рассматриваются основные понятия ценологического подхода и его базовые аналитические зависимости;
даётся оценка различным методикам прогнозирования с последующим выбором наилучшей с точки зре ния минимизации ошибки прогнозирования;
анализируется максимальная ком плектация ВЭУ для определения её общего КПД.
Согласно постулатам ценологической теории делается вывод о том, что совокупность малых поселений в пределах территориальных границ Астрахан ской области является социоценозом. Неделимыми элементами ценоза являют ся поселения, каждое из которых характеризуется числовой характеристикой численностью населения и качественной - различным уровнем хозяйствования и производственными отношениями. Элементы ценоза характеризуются сла быми связями, что обусловлено малыми численностями населения и их терри ториальным расположением. Совокупность элементов ценоза, обладающих одинаковыми количественными характеристиками, образуют вид.
Основываясь на аналогичных суждениях, делается вывод о том, что сово купности сетевых и автономных ВЭУ представляют собой два самостоятель ных техноценоза, характеризуемых различной значимостью внутренних связей.
Количественным и видообразующим параметром единичного ветроагрегата яв ляется его номинальная мощность, качественным - конструктивное исполнение.
Математический аппарат ценологического подхода основан на трёх видах гиперболических Н-распределений: видовом, ранго-видовом и ранговом по па раметру. Для видового распределения справедлива зависимость:
(1), где - непрерывный аналог мощности (численности) популяций i (i всегда дискретная величина);
- характеристический показатель, постоян ная распределения, - фактическое значение первой точки.
;
Ранговое по параметру Н-распределение служит не для исследования структуры ценоза, а для его ценологического описания. Для него применяют запись:
(2), где r - ранг по параметру, в порядке убывания параметра располагают объекты.
В рамках работы рассмотрены следующие методики прогнозирования:
прогнозная экстраполяция (метод наименьших квадратов, метод экспоненци ального сглаживания);
корреляционный и регрессионный анализы;
интуитив ные (экспертные) методы;
адаптивные методы;
прогнозирование с использова нием нейронных сетей, искусственного интеллекта и генетических алгоритмов.
Поскольку временные ряды ежегодного электропотребления России, Юж ного федерального округа, областей и республик в его составе представляют собой тренды, т.е. с увеличением шага запаздывания коэффициенты автокорре ляции постепенно снижаются, то в качестве наиболее эффективной методики прогнозирования был выбран корреляционно-регрессионный анализ, обеспечи вающий приемлемую точность при среднесрочной длительности прогноза.
В основе регрессионного анализа лежит метод наименьших квадратов, сущность которого заключается в отыскании параметров модели тренда, мини мизирующих её отклонение от значений исходного временного ряда:
(3),, где - расчётные значения исходного ряда;
- фактические значения исход ного ряда;
n - число наблюдений.
Модель тренда может быть представлена следующим образом:
, (4) где - параметры модели;
k - порядок модели;
t - время;
- незави симые переменные.
В качестве модели тренда использованы линейные, квадратичные, степен ные, показательные, экспоненциальные, логистические функции. Для статисти ческой модели линейной регрессии справедливы следующие выражения:
,,. (5) Для квадратичной зависимости применимы зависимости:
,, (6),.
Адекватность полученной статистической модели проверяется по t критерию Стьюдента и F-критерию Фишера. Оценка отклонений прогнозной модели от фактического временного ряда осуществляется на основе автокорре ляционного анализа ошибок прогнозирования;
среднего абсолютного отклоне ния;
среднеквадратической ошибки;
средней абсолютной ошибки в процентах;
средней процентной ошибки.
На основании классической теории идеального ветряка Жуковского дела ется вывод о том, что максимальный коэффициент использования энергии вет ра идеального ветроколеса равен.
Исходя из схемы, представленной на рисунке 1, КПД ВЭУ находится как произведение КПД составляющих её звеньев:
(7), где - КПД ветроколеса, оп ределяется профилем крыла и на практике находится в диапазоне - КПД редуктора, из [043;
0,45];
меняется в широких пределах и за висит от коэффициента загрузки;
- КПД генератора, принимается равным номинальному значению во всех режимах работы;
, - КПД линий электропередач, находятся в диапазоне [0,93;
0,95];
- КПД вы прямителя, находится в диапазоне - КПД аккумулятор [0,93;
0,95];
ной батареи, зависит от саморазря Рис. 1. Технологическая схема электро- да, необходимо учитывать, что не снабжения на базе ВЭУ вся энергия потребляется через ак кумулятор;
- КПД инвертора, находится в диапазоне [093;
095].
КПД отсутствующих элементов принимается равным единице.
В третьей главе приведены анализ энергетического хозяйства Астрахан ской области;
прогнозы электропотребления России, Южного федерального ок руга, областей и республик в его составе;
математическая модель оценки потребления электро энергии малыми поселениями;
методики определения энерго эффективности единичной ВЭУ;
методика формирования оптимальной структуры объек а тов генерации на основе мате матической модели простых чи сел.
Выделяя ценоз, элементами которого являются населённые пункты Астраханской области, необходимо отметить, что г.
Астрахань в этом случае не рас б сматривается, поскольку тако Рис. 2. Н-распределения населённых пунктов вой входит в более крупный со Астраханской области по их численности: а - циоценоз, состоящий из област ранговое;
б – видовое (точечная маркировка - ных и республиканских цен действительное распределение по параметру;
тров. Для оценки структуры со сплошная линия - функция, описывающая циоценоза были использованы данное распределение) ранговое и видовое Н распределения (рисунок 2).
Малое значение характеристического показателя рангового распределения (при стабильной структуре ) позволяет сделать вывод, что структура населённых пунктов области неустойчива, и её развитие происходит в направ лении оттока населения из малых населённых пунктов в областной центр. Вы вод подтверждается данными Росстата: в 2008 г. общая численность населён ных пунктов составляла 432 шт. (985,6 тыс. чел.), в том числе 7 исчезнувших, а к 2010 г. согласно Всероссийской переписи населения – 428 (1000,9 тыс. чел.) и 14 шт. соответственно.
Прогноз электропотребления России на основе линейной и квадратичной регрессии представлен на рисунке 3а. Анализ тенденции роста электропотреб ления России за 1998–2008 гг. показал, что в дальнейшем будет наблюдаться умеренное повышение данного показателя. Результаты линейной регрессион ной модели прогнозирования на 2020 г. (1282 млрд кВтч) на 25 % ниже относи тельно базового прогноза Стратегии 2020 (1710 млрд кВтч) и на 36 % ниже максимального (2000 млрд кВтч), квадратичная модель (1315 млрд кВтч) - на 23 и 34 % соответственно. Поскольку население России продолжает убывать согласно Всероссийской переписи населения 2010 г., предполагается, что рост электропотребления будет связан с возрастающими нуждами промышленности.
Результатом линейной регрессионной модели прогнозирования электропо требления ЮФО (рисунок 3б) является: 2015 г. - 65,7 млрд кВтч (что на 41 % ниже базового и на 58 % ниже максимального вариантов прогноза Стратегии 2020);
2020 г. - 70,7 млрд кВтч (на 44 и 55 % соответственно). Несоответствие расчётных данных объясняется отделением из состава ЮФО Северо кавказского округа согласно указу президента Д.А. Медведева от 19 января 2010 г., тогда как "Генеральная схема размещения объектов электроэнергетики до 2020" одобрена распоряжением Правительства РФ от 22 февраля 2008 г.
Прогноз потребления электроэнергии Астраханской области до 2030 г.
осуществлён по 19 точкам и представлен на рисунке 3в. Соотнесение получен ного прогноза с Программой развития электроэнергетики Астраханской облас ти на 2011-2015 годы представлено в таблице 1.
Таблица Прогноз электропотребления Астраханской области Электропотребление, млрд кВтч Год 2011 2012 2013 2014 2015 Программа развития Астраханской обл. 4,258 4,407 4,585 4,795 5,036 6, Регрессионная модель 3,980 3,991 4,003 4,014 4,026 4, Программа развития предлагает более высокие темпы развития. Однако обратимся к фактам: установленная мощность электростанций области остаётся постоянной последние 5 лет (504 МВт), общая мощность устаревшего морально и физически оборудования, которое должно быть выведено из эксплуатации, на начало 2011 г., составляет 100 МВт. Предположив, что рост установленной мощности всё-таки будет соответствовать запланированному (44 МВт в 2011 г.
и 235 МВт в 2012 г.), остаются открытыми вопросы об увеличении пропускной способности линий электропередач и замены силовых трансформаторов, отра ботавших нормативный срок эксплуатации.
Согласно рисунку 3, все республики (кроме Калмыкии) и области, входя щие в состав ЮФО, характеризуются устойчивым темпом роста электропо требления, что свидетельствует о планомерном экономическом развитии этих регионов в будущем. Анализируя прогноз энергопотребления Республики Кал мыкия (рисунок 3ж), необходимо отметить отрицательную динамику, вызван ную неблагоприятными социальными факторами.
2: ;
2: 2:
3:
а б в 2: 2: 2:
г д е Рис. 3. Прогноз по требления электро энергии: а) Российской Федерации;
б) Южного федерального округа;
в) Астраханской об ласти;
г) Респ. Ады 2: ;
гея;
3: 2:
ж з д) Волгоградской обл.;
е) Краснодарского края;
ж) Респ. Калмыкия;
з) Ростовской обл. до 2020 г. (1 – действительный временной ряд;
2 – аппроксимирующие кривые;
3 – функция вида ).
Для определения энергоэффективности единичной ВЭУ разработаны сле дующие методики:
1. Графический модифицированный метод. Обозначим среднемесячные проценты времени скорости ветра на высоте 50 метров над поверхностью земли в заданном диапазоне (%). Полагаем, что они остаются неизмен ными для любой высоты мачты ВЭУ.
Скорость ветра на высоте H определяется зависимостью:
(8), где V - скорость ветра на высоте H;
- скорость ветра на высоте 10 м, взятая из метеотаблиц;
- высота расположения анемометра (10м);
- степенной ко эффициент, значение которого для погодных условий Астраханской области постоянно и равно 0,143.
Пересчитанные по соотношению (8) границы интервалов скоростей ветра по повторяемости обозначим как ;
соответствующие им мощ ности ВЭУ, найденные по графику зависимости мощности генератора от скоро сти ветра, и обозначим. Пусковая скорость маломощных ВЭУ, как правило, не менее 2 м/с, следовательно, первый интервал повторяемо сти скорости ветра не учитывается в расчётах. Количество электроэнергии, производимое за месяц:
кВтч. (9) 2. Метод кубического средневзвешенного.
Количество электроэнергии в месяц:
кВтч. (10) 3. Метод продолжительной средней скорости.
Количество электроэнергии в месяц:
кВтч. (11) Суммарная выработка электроэнергии ВЭУ за год:
. (12) Зная численность населённого пункта, количество семей, в нём прожи вающих, численный состав каждой семьи, посредством гауссовой статистики определяется электропотребление произвольной семьи и населённого пункта в целом. С увеличением общего числа семей точность прогноза энергопотребле ния населённого пункта в целом повышается, как и при росте численности се мей, снимающих ежесуточно показания счётчика, и при увеличении количества снятых показаний счётчиков семей уже существующих.
Для реализации алгоритма расчета используются данные об электропо треблении семей малых поселений Астраханской области. Рассматриваются с мьи численностью 1, 2, 3, 4, 5 человек. Выбирается по 5 семей каждого вида, т.е. в сумме 25 семей. В течение 5–8 недель каждой из семей производится ре гистрация показаний счётчика в одно и то же время суток. Полученные данные сводятся в 5 информационных массивов электропотребления. Сущность пред лагаемой методики заключается в гауссовом выборе уже известных показаний счётчика для семьи заданной численности из предложенного массива данных.
Виртуальная выборка показаний счётчика происходит ежесуточно для каждой семьи, затем полученные таким образом данные суммируют по заданному на селённому пункту. Аналогичный алгоритм осуществляется в отношении всех поселений муниципального образования, после чего происходит суммирование затрат электроэнергии по всем населённым пунктам и получение общего энер гопотребления муниципального образования и области в целом.
Полагая, что для семьи различной численности существует свой массив данных об электропотреблении, справедливо следующие равенство:
, (13) где i - численность семьи, - потребление электроэнергии семьёй в ;
течение года;
- суточное потребление электроэнергии семьёй численно стью i;
n - число дней в году.
Для определения электропотребления поселения справедлива зависимость:
(14), где q - максимальная численность семьи;
- число семей численностью l;
электропотребление семьёй численностью l.
Тогда суммарное электропотребление округа определяется зависимостью:
(15), где - количество поселений;
- потребление электроэнергии поселением.
Среднедушевое суточное потребление электроэнергии в поселении нахо дят следующим образом:
, (16) где - потребление электроэнергии поселением;
h - численность постоянно го населения.
Среднесемейное потребление электроэнергии:
, (17) где v - общее количество семей поселения.
После определения электропотребления малых поселений и энергоэффек тивности ветроагрегатов отечественного и зарубежного производства возникает необходимость рационального формирования структуры объектов генерации.
Для решения данной задачи использованы ценологический подход и математи ческая модель простых чисел.
Примем в качестве канонического дискретное распределение простых со множителей в факториале простого числа N. Назовём видом любое простое число, где r - номер простого числа натурального ряда чисел, абстрактно воспринимаемое из ряда: 2, 3, 5, 7,..., 137, 139, 149, 151,..., 509, 521, 523, 541, ),..., а особью - появление этого простого числа как сомножите..., ( ля (единица исключается) в любом из чисел натурального ряда. Тогда каждое натуральное число представимо единожды следующим образом:
(18) ;
( ), где m - степень (встречаемость) простого числа, r - ранг простого числа.
В дальнейших суждениях делаем предпосылку, согласно которой в насе лённых пунктах до 100 человек нет централизованного электроснабжения, по этому связь между отдельными ВЭУ малозначима и возникает необходимость в резервирующих источниках - аккумуляторных батареях и дизельных электро станциях. В населённых пунктах от 100 до 5000 связь между ВЭУ более значи мая ввиду наличия централизованной сети, но не является жёсткой, поскольку все ВЭУ выдают в сеть электроэнергию неодновременно.
б а Рис. 4. Ранговое по параметру Н-распределение ВЭУ в населённых пунктах Астраханской области, численностью: а – до 100 чел.;
б – от 100 до 5000 чел.
(1 – модель простых чисел;
2 – функция W(r)).
В соответствие ВЭУ ставятся простые числа: двойка – WE 1500 (Wind 2);
тройка – EuroWind 2;
…;
тридцать семь - EuroWind 50. Частота встречаемости простого числа есть аналог численности ВЭУ. При повышении факториала числа происходит увеличение встречаемости простых чисел особым образом, при котором обеспечивается оптимальность структуры ценоза. Увеличение встречаемости простых чисел (ВЭУ) приводит к росту количества "зелёной" электроэнергии, производимой ежегодно. Рост факториала числа производится до тех пор, пока энергопотребле ние муниципального округа пол ностью не будет удовлетворено посредством мощностей ВЭУ. Как только этот момент наступает, структура ценоза фиксируется, равно как и факториал числа, представляющий собой базовую характеристику, по уровню ин формативности превосходящую Рис. 5. Экономическая эффективность характеристический параметр Н ВЭУ (1 - использование ВЭУ только для распределения. Ранговые по пара производства электроэнергии;
2- примене- метру Н-распределения обоих ние ВЭУ для тепло- и электроснабжения). техноценозов ВЭУ представлены на рисунке 4.
Капиталовложения для строительства ВЭУ в Астраханской области со ставляют 120-130 % её стоимости, годовые эксплуатационные издержки – 4 %.
Из расчета стоимости электроэнергии для сельских жителей Астраханской об ласти – 2,7 руб/кВтч и дизельного топлива – 25,7 руб/л с учётом ежегодного повышением данных величин на 20 %, срок окупаемости ВЭУ отечественного производства в условиях отсутствия централизованного электроснабжения со ставляет 4–5 лет, зарубежного – 6–9 лет. При наличии централизованного элек троснабжения срок окупаемости отечественных ВЭУ – 8 лет, зарубежных – 9–12 лет. Нормативный срок эксплуатации современных ВЭУ составляет около 20 лет. Применение ВЭУ выгодно при скоростях ветра 4–7 м/с и стоимости ди зельного топлива 200–400 долл./т. Эффективность эксплуатации ВЭУ повыша ется, если использовать их для получения как электрической, так и тепловой энергии на базе балластной нагрузки сразу после полного заряда аккумулятор ных батарей (рисунок 5).
В четвёртой главе разработаны реализации схем электроснабжения на ба зе ВИЭ;
рассмотрены условия параллельной работы ВЭУ и централизованной электросети;
представлена программная реализация универсальной методики формирования ценологической структуры распределенных возобновляемых источников энергии малой мощности.
Для реализации необходимого минимума энергоснабжения конечных по требителей малых поселений разработаны схемы автономного (рисунок 6 а, б, в) и централизованного (рисунок 6 г, д, е) электроснабжения одной семьи или частного домовладения (рис. 6 а, г);
группы частных домов (рис. 6 б, д);
посел ков, хуторов, сёл, воинских частей, крупных предприятий (рис. 6 в, е).
Рис. 6. Схемы электроснаб жения на базе ВЭУ (ВК - вет роколесо;
М - мультиплика тор;
Г - генератор;
ЭБ - элек а тробойлер;
В - выпрямитель;
АБ - аккумуляторная батарея;
И - инвертор;
ДГ - дизель генератор;
К - компрессор;
Н - насос;
TV - телевизор;
к компьютер;
х - холодильник;
СШ - соединительные шины;
АВР - автоматический ввод резерва;
ВЭС - ветроэлектро станция;
ТР - трансформатор;
б д СК - синхронный компенса тор;
КС - компенсатор стати ческий;
Др - дроссель;
Тр тиристорный регулятор;
ТЭН - теплоэлектронагреватель;
БН - баластная нагрузка) в е г К достоинствам схематичного решения на рис. 6а следует отнести возмож ность комбинированного производства тепловой и электрической энергии.
Особенностью схемы на рис. 6б является возможность секционирования на грузки по степени важности и требовательности к качеству электроэнергии, а также наличие в резерве дизель-генератора.
Преимуществом схемы на рис. 6е является наличие в качестве резервных источников электрической сети и ДЭС, использование последней имеет более низкий приоритет. Синхронный компенсатор и батарея статических конденса торов с дросселем необходимы для компенсации реактивной мощности в слу чае, если ВЭС и ДЭС оснащены асинхронными электрогенераторами. Установ ленная мощность ДЭС должна быть не менее чем в два раза выше установлен ной мощности ВЭС как в статических, так и в динамических режимах. Выбор напряжений ЛЭП, трансформаторов и на сборных шинах ВЭС и ДЭС зависит от мощности энергокомплекса и удалённости ВЭС и основных потребителей.
Для единичных мощностей ветрогенераторов свыше 250–300 кВт применяется напряжение 0,69 кВ, а для дизель-генераторов, как правило, 10 кВ.
Все последующие алгоритмы вычислений реализованы в программном па кете Microsoft Office 2010, приложении Excel с использованием языка програм мирования Visual Basic и входят в состав "Универсальной методики формиро вания ценологической структуры распределенных возобновляемых источников энергии малой мощности":
1. Алгоритм вычисления электропотребления населённого пункта в усло виях ограниченной статистической информации.
Необходимыми исходными данными для воспроизведения программного кода являются: общая численность населённого пункта;
количество семей (до мовладений);
средняя численность семьи;
электропотребление семей различной численности.
На аналитическом этапе производится расчет электропотребления всех на селённых пунктов, входящих в данный муниципальный округ Астраханской области при помощи гауссова оператора, для которого справедливы понятия среднего и конечности дисперсии. Показания электропотребления отдельной семьи генерируются для каждых суток года, затем определяется ежемесячное, общее, среднедушевое и среднесемейное потребление электроэнергии населён ного пункта. После этого определяется суммарное электропотребление муни ципального округа области с разграничением по численности человек: меньше или равно 100 и более 100, но меньше 5000 чел. (рисунок 7а).
2. Алгоритм определения энергоэффективности единичной ВЭУ На информационном этапе собираются данные о ВЭУ малой мощности (до 50 кВт) отечественного и зарубежного производства для сопоставления сле дующих характеристик: диаметр ветроколеса, профиль его лопастей;
номи нальная и максимальная мощности ветрогенератора, его номинальное напряже ние;
начальная рабочая и буревая скорости;
высота мачты и её тип;
комплекта ция;
КПД ветроколеса, генератора, редуктора, ЛЭП, АБ, инвертора;
возмож ность подключения к блоку автоматики дополнительных источников электро энергии (ДЭС, солнечные батареи и др.).
Для определения энергоэффективности единичной ВЭУ необходимо опре делить метеорологические данные муниципальных образований Астраханской области: среднемесячное атмосферное давление;
среднемесячную скорость ветра на высоте 10 м над поверхностью земли для ландшафтов подобных аэро порту;
среднемесячный процент времени скорости ветра на высоте 50 метров над поверхностью земли в заданном диапазоне.
На аналитическом этапе производится расчет энергоэффективности ВЭУ на основании одной из представленных выше методик согласно зависимостям (8) – (12) с проверкой адекватности математической модели посредством рас пределения Вейбулла (рисунок 7б), предполагая, что расчёт осуществляется в диапазоне скоростей ветра от пусковой до буревой для данной ВЭУ.
3. Алгоритм формирования устойчивой ценологической структуры рас пределённой генерации.
Исходными данными, необходимыми для реализации алгоритма, являют ся: энергоэффективность каждой ВЭУ, т.е. количество электроэнергии, произ водимое в течение года;
электропотребление поселения или муниципального округа в целом.
Результатом работы программы является гиперболическая кривая, описы вающая распределение простых чисел в факториале натурального числа, при чем аналогами встречаемости простых чисел являются численности ВЭУ. Сум марное число ветряков растет до тех пор, пока их ежегодная общая энергоэф фективность не превысит необходимый уровень потребления электроэнергии населённого пункта. Как только это условие соблюдается, программный цикл завершается выводом результатов на монитор ЭВМ (рисунок 7в).
а б в г Рис. 7. Итоговое меню программы: а – вычисления электропотребления населённого пункта;
б – расчета энергоэффективности ВЭУ;
в – распределения ВЭУ малой мощности по повторяемости;
г – технико-экономического расчета ветроагрегатов.
4. Алгоритм оценки сроков окупаемости возобновляемых источников энергии при организации питания от централизованной сети электроснабжения или от дизель-генераторных установок.
Исходными данными являются: стоимость дизельного топлива;
КПД ди зельного двигателя и электрогенератора;
стоимость электроэнергии от сети централизованного электроснабжения;
темпы роста цен на электроэнергию и дизельное топливо;
стоимость ВЭУ в конечной комплектации с учетом мон тажных и пуско-наладочных работ.
Результатом работы алгоритма являются (рисунок 7г): для автономных по селений определяется срок окупаемости ВЭУ за вычетом стоимости ДЭС со гласно цене дизельного топлива с перспективой её ежегодного роста 20 %;
для поселений с централизованным электроснабжением определяется срок окупае мости ВЭУ относительно цены электроэнергии для сельских жителей с пер спективой ежегодного роста 20 %.
В приложениях представлены данные о стоимости технологического под ключения потребителей к региональным сетям электроснабжения;
об установ ленной мощности ВЭС в странах мира и перспективах её роста;
о совокупности промышленных ВЭС на территории России;
об экологическом аспекте ветро энергетики и иностранном законодательстве в этой области;
о демографиче ских, социальных, экономических, энергетических, метеорологических по ок ругам характеристиках Астраханской области;
о проверке адекватности мате матических моделей прогнозирования электропотребления России, ЮФО, об ластей и республик в его составе;
о совокупности существующих бытовых электроприёмников;
об электропотреблении семей численностью 1, 2, …, 5 че ловек;
выходные данные программного комплекса "Универсальная методика формирования ценологической структуры распределенных возобновляемых источников энергии малой мощности";
комплектация ВЭУ для осуществления автономного и централизованного электроснабжения.
Заключение и основные выводы по работе Научные и практические результаты диссертационной работы состоят в следующем:
1. Выявлены тенденции развития и определены сдерживающие факторы полной электрификации регионов России на примере Астраханской области.
Дальнейшее развитие энергетики должно идти по пути сочетания объектов крупной и распределённой генерации для минимизации потерь энергии и обес печения надёжного энергоснабжения.
2. Доказана применимость ценологического подхода для оценки опти мальности структуры на примере социоценоза, состоящего из населённых пунктов Астраханской области, и техноценоза, состоящего из ветроагрегатов, позволяющих завершить электрификацию области и обеспечить необходимый минимальный уровень энергоснабжения.
3. На основе корреляционно-регрессионного анализа получены прогнозы развития электропотребления России, Южного федерального округа, областей и республик в составе последнего. Выявлено, что причинами сдерживания эко номического роста регионов и страны в целом является дефицит электроэнер гии и электрической мощности, неудовлетворительное состояние воздушных и кабельных линий, устаревшее оборудование подстанций.
4. Разработана универсальная методика оценки электропотребления домо владений малых поселений, муниципальных округов и области в целом.
5. Разработаны методики кубического средневзвешенного, продолжитель ной средней скорости и графического модифицированного метода для опреде ления производимого единичной ВЭУ количества электроэнергии, обнаружи вающие сходимость с эталонной интегральной методикой Вейбулла с доста точной степенью точности. Основным их отличием от общепринятой классиче ской методики является отказ от ошибочного использования среднегодовой скорости ветра и переход к частоте встречаемости скорости ветра.
6. Разработана универсальная математическая модель формирования оп тимальной устойчивой структуры объектов генерации с привязкой к электропо треблению на примере малых поселений Астраханской области, основанная на положениях ценологического подхода и объективном математическом законе распределения простых чисел в составе факториала натурального числа.
7. Обоснована и доказана экономическая эффективность объектов ветро энергетики для территорий с автономным и сетевым электроснабжением в ус ловиях возрастающего дефицита энергоресурсов и найден метод её повышения посредством комбинированного производства тепловой и электрической энер гии.
Основные положения диссертации отражены в следующих публикациях:
1. Грозных, В.А. Законодательное обеспечение возобновляемой энерге тики / В.А. Грозных // Электрооборудование: эксплуатация и ремонт, 2011. – №8. – С.16-23.
2. Грозных, В.А. Прогнозирование электропотребления России и Юж ного федерального округа посредством регрессионного анализа / В.А.
Грозных, Б.И. Кудрин // Вести высших учебных заведений Черноземья, 2011. – №1. – С.47-57.
3. Лесниченко, А.Ю. Исследование трансформаторного хозяйства ев ропейской части России / А.Ю. Лесниченко, В.А. Грозных, А.В. Иваничев // Электрооборудование: эксплуатация и ремонт, 2011. – №4. – С.11-14.
4. Грозных, В.А. Математическая модель элиминации / В.А. Грозных // Междисциплинарность ценологических исследований. Общая и прикладная це нология. Материалы XIV конференции по технетике и общей ценологии с меж дународным участием (Москва, МЭИ, 19 ноября 2009 г.). Вып. 43. "Ценологи ческие исследования". – М.: Технетика, 2010. – С.218-224.
5. Грозных, В.А. Математический аппарат практического применения Н анализа / В.А. Грозных // Ценологическое моделирование: теоретические осно вания и практические результаты. Материалы XV конференции по философии техники и технетике и семинара по ценологии (Москва, 19 ноября 2010 г.).
Вып. 47. "Ценологические исследования". – М.: Технетика, 2011. – С.110-120.
6. Грозных, В.А. Меры стимулирования использования возобновляемых источников энергии / В.А. Грозных // Материалы докладов V Международной молодёжной научной конференции "Тинчуринские чтения" / Под общ. ред.
д.ф.-м.н., проф. Петрушенко Ю.Я. В 4т.;
Т. 3. - Казань: Казанский государст венный энергетический университет, 2010. – С.102-104.
7. Грозных, В.А. О классификации ветроэнергетических установок / В.А.
Грозных // Федоровские чтения - 2010. XL Всероссийская научно-практическая конференция (с международным участием) с элементами научной школы для молодёжи (Москва, 16-19 ноября 2010 г.) / Под общ. ред. Кудрина Б.И., Матю ниной Ю.В. – М.: Издательский дом МЭИ, 2010. – С.163-170.
8. Грозных, В.А. Применение теории ценологии в электроснабжении для обоснования необходимости альтернативной энергетики / В.А. Грозных // По вышение эффективности электрического хозяйства потребителей в условиях ресурсных ограничений. Материалы Всероссийской научно-практической кон ференции с международным участием (Москва, 16-20 ноября 2009 г.) / Под общ. ред. Кудрина Б.И. и Матюниной Ю.В. В 2-х т.: 1 т. Электроснабжение, 2 т.
Электрооборудование и менеджмент. М.: Технетика, 2009. Том II. – С.226-230.
9. Грозных, В.А. Среднесуточное электропотребление семей малых посе лений в условиях комбинированного энергоснабжения / В.А. Грозных // Элек трика, 2010. №7. – С.10-14.
10. Кудрин, Б.И. Возобновляемая энергетика в России / Б.И. Кудрин, В.А.
Грозных // Энерго- и ресурсосбережение - XXI век.: Сборник материалов VIII ой международной научно-практической интернет-конференции / Под ред.
д.т.н., проф. Голенкова В.А.;
д.т.н., проф. Качанова А.Н.;
д.т.н. проф. Степанова Ю.С. – Орёл: Издательский Дом "ОРЛИК" и К, 2010. – С.61-63.
11. Кудрин, Б.И. Применение ветроэнергетических установок для горячего водоснабжения и отопления / Б.И. Кудрин, В.А. Грозных // Энерго- и ресурсос бережение - XXI век.: Сборник материалов IX-ой международной научно практической интернет-конференции / Под ред. д.т.н., проф. Голенкова В.А.;
д.т.н., проф. Качанова А.Н.;
д.т.н. проф. Степанова Ю.С. – Орёл: ООО "Кар туш", 2011. – С.80-84.
12. Кудрин, Б.И. Проектирование систем электроснабжения на базе установок альтернативной энергетики / Б.И. Кудрин, В.А. Грозных / Информационные технологии, энергетика и экономика (электроэнергетика, электротехника, теплофизика и теплоэнергетика, энергосбережение в технике и технологиях). Сборник трудов 8-ой Межрегиональной (Международной) научно-технической конференции студентов и аспирантов. В 3 т. Т 2. 2011. – С.16-21.