Моделирование статических режимов работы элементов автономной ветродизельной электроэнергетической системы

Моделирование электрических нагрузок

Для практического использования установок возобновляемой энергетики в составе автономных электроэнергетических систем необходимо решить ряд технических проблем, важнейшей из которых является согласование режимов производства и потребления энергии в условиях стохастических временных процессов изменения электрической нагрузки потребителя и выходной мощности первичного энергоносителя.

Процесс электропотребления (ЭП) является сложным случайным нестационарным процессом, который может быть представлен несколькими регулярными и нерегулярными (случайными) составляющими. Построение системы электроснабжения обычно начинается с анализа электрических нагрузок. Чтобы анализ был полным, при определении нагрузки для электростанции или энергетической установки необходимо изучить энергетические требования для каждой группы потребителей. Производство электрической и тепловой энергии на электростанциях и их потребление различными пользователями — процессы взаимосвязанные. В силу физических закономерностей мощность потребления энергии в какой-либо момент времени равна генерируемой мощности. В этом заключается особенность энергетического производства.

При проектировании необходимо правильно оценить максимальные расчетные нагрузки как в целом по объекту, так и на разных уровнях системы внутреннего электроснабжения. По этим нагрузкам выбирают все электрооборудование, поэтому они не должны быть превышены в процессе эксплуатации. В то же время, неоправданное завышение расчетных нагрузок приводит к увеличению стоимости электрооборудования. Следовательно, нагрузка должна быть рассчитана как можно более точно.

Следует отметить, что на стадии проектирования эти расчетные нагрузки не могут быть получены по характеристикам технологического оборудования (электроприемников).

На это есть ряд причин:

• а) предварительная оценка нагрузки для решения вопросов выбора системы энергоснабжения должна быть определена еще на предпроектной стадии, в условиях минимума исходной информации, без трудоемких расчетов;
• б) полный перечень электроприемников и их характеристики могут быть неизвестны или меняться в процессе проектирования;
• в) даже если перечень всех приемников известен, то множество единиц оборудования (их число трудно определить даже на объекте средней величины) и разнообразие режимов их работы не позволяют точно определить создаваемую ими нагрузку в различные моменты времени.

Таким образом, множество электроприемников каждого потребителя создает электротехническую систему, характеризуемую обобщенными параметрами электрической нагрузки (электропотребления).

Для оценки этой нагрузки, с учетом перечисленных выше причин, используются обобщенные показатели, коэффициенты, удельные нагрузки и удельные расходы электроэнергии, полученные на аналогичных реальных потребителях в процессе их эксплуатации.

В зависимости от выполняемых функций, возможностей обеспечения схемы питания от энергосистемы, величины и режимов потребления электроэнергии и мощности, особенностей правил пользования электроэнергией потребителей электроэнергии принято делить на следующие основные группы:

• — промышленные и приравненные к ним;
• — производственные сельскохозяйственные;
• — бытовые;
• — общественно-коммунальные (учреждения, организации, предприятия торговли и общественного питания и др.).

Каждая из групп потребителей имеет определенный режим работы. Так, например, электрическая нагрузка от коммунально-бытовых потребителей с преимущественно осветительной нагрузкой отличается большой неравномерностью в различное время суток. Днем нагрузка небольшая, к вечеру она возрастает до максимума, ночью она резко падает и к утру вновь возрастает. Электрическая нагрузка промышленных предприятий более равномерна в течение дня и зависит от вида производства, режима рабочего дня и числа смен.

При очень большом числе электроприемников, входящих в группу, суточный график приобретает устойчивый характер. Длительные наблюдения за действующими объектами позволили составить характерные графики для различных отраслей промышленного и сельскохозяйственного производства, а также для городов и поселков. Такие графики называют типовыми и строят их в относительных единицах, выражая нагрузки в разные часы суток в процентах от максимальной нагрузки, принимаемой за 100%.

Максимум электрической нагрузки энергообъединения определяется суммированием максимальных нагрузок отдельных потребителей с использованием соответствующих нагрузочных коэффициентов (одновременности загрузки, спроса, разновременности). Так как максимум нагрузки различных групп потребителей в рассматриваемом районе энергоснабжения наступает в различные часы суток, совмещенный максимум нагрузки района оказывается меньше, чем арифметическая сумма максимумов отдельных групп потребителей. Максимальная суточная нагрузка однотипных потребителей определяется максимальными мощностями отдельных потребителей и коэффициентами спроса. Наибольший максимум имеет место в зимнем графике и может наступать в утренние часы (например, для ОЭС Северо-запада) или в вечерние часы (ОЭС Центра), что определяется структурой потребителей электроэнергии. В большинстве энергосистем максимум нагрузки приходится на конец года.

Существует несколько методов построения суточных графиков нагрузки энергосистемы:

• — для получения графиков на ближайший период при незначительном изменении структуры потребления электроэнергии может быть применен метод аналогий, по которому за основу принимается отчетный график с необходимыми уточнениями;
• — для более далекой перспективы, а также для новых быстро развивающихся энергосистем используются: интегральный, синтезированный методы и метод обобщенных характеристик. Интегральный метод состоит в суммировании типовых суточных

графиков электрической нагрузки отраслей (подотраслей) промышленности, сельского хозяйства, электрифицированного транспорта, коммунально-бытового хозяйства, выраженных в МВт с использованием максимальных электрических нагрузок для зимнего (декабря, нормального рабочего) и летнего (июня — июля, нормального рабочего) дня. Типовые графики строятся на основе отчетных графиков предприятий и учета предстоящих изменений в технологии, производственном режиме и т. п. Синтезированный метод состоит в суммировании суточного графика технологической нагрузки промышленности в целом с типовыми графиками нагрузки освещения промышленности, коммунально-бытового хозяйства, сельского хозяйства, электрифицированного транспорта.

При перспективных исследованиях для построения приближенных графиков нагрузок с достаточной для практики точностью применяют упрощенный метод, так называемый, метод обобщенных характеристик.

Исходными данными для расчета служат состав потребителей; объем производства каждого из потребителей, который для предприятий промышленности измеряется в тоннах или в рублях производимой продукции, а для транспорта — в т-км. Предприятия сельского хозяйства характеризуются количеством людей, участвующих в производстве, а предприятия коммунально-бытового назначения характеризуются численностью населения, проживающего в данном районе. Кроме того, при расчете электрических нагрузок используют показатель «удельное электропотребление», который определяется по промышленности — в квтч на единицу производимой продукции, по транспорту — в квтч /т-км, по сельскому хозяйству — в квтч /чел, по коммунально-бытовому хозяйству ~ в квтч /чел. Часто в качестве исходных данных используют годовое число часов использования максимума электрической нагрузки каждым из потребителей и географический район расположения потребителей.

При применении метода обобщенных характеристик принимается допущение, что максимумы нагрузки различных групп промышленности, транспорта, предприятий сельского хозяйства совпадают по времени.

Последовательность определения зимнего и летнего максимума нагрузки энергосистемы и построения суточных графиков нагрузки при использовании метода обобщенных характеристик следующая: по известному объему производства и (заданному) известному удельному электропотреблению определяется электропотребление каждым из потребителей и каждой из групп потребителей, после чего определяется суммарное значение промышленно-транспортного, сельскохозяйственного электропотребления и перетока электроэнергии в целом по энергосистеме.

Используя типовые суточные графики в относительных единицах и полученные значения Р_тах для зимних и летних суток, находятся часовые значения нагрузок и строятся суточные графики для зимних и летних суток в мВт.

Каждый из рассмотренных методов построения суточных графиков электрической нагрузки энергосистемы имеет свои преимущества и недостатки. Интегральный метод наиболее трудоемок, требует обширной информации, но в тоже время дает возможность провести анализ влияния конфигураций графиков электрической нагрузки отдельных групп потребителей на суммарный график нагрузки энергосистемы. Метод «обобщенных характеристик» менее трудоемок, но не позволяет проводить анализ влияния режимов отдельных групп потребителей. Синтезированный метод занимает промежуточное место.

Существует ряд нормативных документов по расчету электрических нагрузок таких как:

• 1. РТМ 36.18.32.4−92 «Указания по расчету электрических нагрузок»;
• 2. РД 34.20.185−94 «Нормативы для определения расчетных электрических нагрузок зданий (квартир), коттеджей, микрорайонов (кварталов) застройки и элементов городской распределительной сети»;
• 3. СниП 2.07.01−89 «Планировка и застройка городских и сельских поселений»;
• 4. Справочные материалы по режимным показателям активных и реактивных нагрузок сельскохозяйственных потребителей;
• 5. Нормативы потребления электроэнергии для населения.

Достоверный прогноз режимов электропотребления, как в целом, так и по сезонам года, определение зимнего и летнего максимумов нагрузки, а также предсказание характерной формы суточного графика электрических нагрузок является необходимым условием проектирования и модернизации систем автономного электроснабжения с применением ВИЭ.

Основная сложность прогнозирования режимов потребления электрической энергии автономным потребителем заключается в небольшом объеме имеющейся исходной информации, которая чаще всего ограничивается лишь общей численностью населения, количеством и типом социальных и производственных объектов. Применение в данных условиях типовых методов расчета электрических нагрузок, используемых при проектировании промышленных предприятий, крупных жилых и социальных объектов, не представляется возможным.

Цель настоящих исследований заключалась в разработке инженерной методики расчета прогнозных режимов электропотребления автономными энергетическими системами.

Потребителями электроэнергии в них являются, главным образом, небольшие населенные пункты с численностью жителей от единиц до нескольких сотен человек. Как правило, на данных территориях отсутствуют крупные промышленные центры, и объемы электропотребления определяются бытовой и социальной нагрузкой, а также небольшими предприятиями по переработке местных природных ресурсов и сельскохозяйственного назначения.

Основными факторами, определяющими режимы электропотребления населенного пункта, обеспечиваемого электроэнергией от автономной энергетической системы, являются численность жителей и характер электрических нагрузок, который в общем случае подразделяется на три вида:

• — бытовая — нагрузка, потребляемая населением (жилые дома, общежития);
• — социальная — нагрузка, потребляемая объектами социального назначения (магазины, школы, кинотеатры и т. д.)
• — производственная — нагрузка, потребляемая предприятиями.

Кроме того, существенное влияние на режимы электропотребления могут оказывать географические, климатические и технические характеристики конкретного населенного пункта: среднегодовая температура воздуха, количество зимних и летних дней, уровень комфортности коммунально-бытовой сферы и т. п.

Прямой учет всех обозначенных выше факторов крайне затруднителен, поэтому приходится использовать вероятностно статистические методы определения электрических нагрузок и нормативные документы.

Укрупненная схема расчета режимов электропотребления автономной энергетической системы.

Предлагаемая методика предполагает расчет и построение для каждого вида нагрузок: бытовой, социальной и производственной своего характерного суточного графика электрических нагрузок с их последующим суммированием.

В зависимости от требований к результатам расчета и имеющихся исходных данных, предлагаемая методика позволяет реализовать различные варианты решения задачи, отличающиеся детализацией режимов электропотребления.

Для населенных пунктов, электроснабжение которых осуществляется от действующих ДЭС, в качестве исходных данных для расчета прогнозных режимов электропотребления целесообразно использовать фактические технологические показатели электростанций, полученные в результате их эксплуатации за длительный период времени: суточные ведомости электрических нагрузок, полезный отпуск электроэнергии, годовой график среднедневной температуры и т. д. Подробный перечень технологических параметров ДЭС, который обязан контролировать дежурный персонал электростанции.

На основании имеющихся статистических данных с использованием методов математической статистики и методики, можно получить достаточно точный детальный прогноз режимов потребления электрической энергии для конкретного объекта электроснабжения со специфическими для него особенностями.

Более сложная, и в то же время типичная ситуация складывается, когда у проектировщика отсутствуют полноценные исходные данные о режимах электропотребления проектируемой автономной энергетической системы, например, населенный пункт еще не электрифицирован. В этих случаях для определения режимов электропотребления используются типовые графики электрических нагрузок для различных групп потребителей.

Вероятностно-статистические графики нагрузок представлены в виде математических ожиданий активных и реактивных мощностей в различные часы суток в процентах от математического ожидания максимальной активной нагрузки каждого сезона года. Для всех часов суток каждого сезона приведены значения коэффициентов вариации, равные отношению среднеквадратического отклонения к соответствующему математическому ожиданию:

Максимальное значение активной нагрузки за г-й час:

С использованием соответствующего типового графика по выражениям можно рассчитать вероятностный суточный график электрических нагрузок для каждой группы потребителей: бытовая, социальная и производственная нагрузка. Применяя теоремы сложения математических ожиданий и дисперсий, легко найти суммарный график электрических нагрузок для всего населенного пункта.

Основная сложность практического использования, описанного выше метода расчета заключается в достоверном определении коэффициента подобия, для вычисления которого по выражению должна быть известна величина максимальной активной нагрузки Р_м для каждой группы потребителей.

Однако, коэффициент подобия можно определить, если известна величина математического ожидания максимальной активной нагрузки Рм или величина годового потребления электрической энергии W_norp:

Очевидно, что годовой объем потребляемой электрической энергии Ж_потр (квтч) во многом определяется численностью населения, которая, как правило, является известной величиной.

В нормативных документах приведены укрупненные показатели электропотребления для поселений различных типов. Для малых и средних сельских населенных пунктов (число жителей от 50 до 1000 чел.) установлены следующие нормы потребления электрической энергии, кВт-ч/чел. в год:

• — для н.п. не оборудованных стационарными электроплитами — 760-
• 855;
• — для н.п., оборудованных стационарными электроплитами — 1080 — 1215.

Отметим, что приведены укрупненные показатели электропотребления для городов различных категорий, и они существенно выше.

Приведенные в нормативных документах укрупненные показатели предусматривают электропотребление жилыми и общественными зданиями, предприятиями коммунально-бытового обслуживания, наружным освещением, объектами транспортного обслуживания, системами водоснабжения, водоотведения и теплоснабжения, т. е. объединенной бытовой и социальной нагрузкой.

Проведенный анализ фактических данных по годовому потреблению электрической энергии автономными энергетическими системами показал, что объединение бытовой и социальной нагрузки с привязкой ее к численности населения, принятое в нормативных документах, обеспечивает невысокую точность прогноза.

Расход же электроэнергии на социальные нужды главным образом определяется количеством и типом коммунальных и социальных объектов, расположенных в конкретном населенном пункте, и слабо связан с численностью населения.

Проведенный анализ нормативных документов по расчету электрических нагрузок показал, что расчет режимов электропотребления объектами социальной сферы целесообразно проводить через величину математического ожидания максимальной активной нагрузки Рм, которая определяется в зависимости от типа социального объекта в соответствующей таблице.

Предложенная схема расчета режимов электропотребления (рис. 2.2) была апробирована на пяти поселках Томской области, обеспечиваемых электроэнергией от автономных ДЭС. Количество и тип социальных объектов этих поселков были определены по данным официальных сайтов администраций.

Производственная нагрузка (JV_np) равна нулю. Большая социальная нагрузка объясняется тем, что самые труднодоступные и отдаленные населенные пункты Республики снабжаются отоплением от электроэнергии.

Путем суммирования зимнего бытового и социального суточного графика нагрузки получаем общий зимний суточный график нагрузки. Аналогичным образом построен общий летний суточный график нагрузки.

Результаты расчетов показывают, что ошибки в определении прогнозных режимов электропотребления не носят систематического характера и составляют не более 20%. Относительно высокая погрешность прогноза объясняется невысоким качеством имеющихся исходных данных. Тем не менее, точность прогноза гораздо выше в сравнении с прямым прогнозным электропотреблением, определяемым по нормативам.

Предлагаемая схема расчета позволяет выполнить прогноз режимов электропотребления автономных энергетических систем при минимуме исходных данных. С ее помощью можно определить не только годовой объем потребленной электроэнергии, но и рассчитать более детальные показатели, такие как суточные графики электрических нагрузок в любой день года с почасовой дискретизацией, зимний и летний максимумы нагрузок отдельно для каждой группы потребителей.

Методика легко автоматизируется средствами простых прикладных программ и может быть полезна при проектировании систем автономного электроснабжения небольшой мощности.