Система оперативного управления локальной энергетической сетью на базе ветроэнергетических установок

Актуальность темы

.

Проблема широкого использования локальных энергетических сетей (ЛЭС) на базе возобновляемых источников энергии приобретает особую актуальность в силу целого ряда объективных причин, среди которых можно назвать постоянный рост стоимости углеводородного сырья, рост эмиссии вредных выбросов в атмосферу, а также недостаток существующих мощностей для бесперебойного и качественного энергообеспечения территорий, не охваченных электрическими сетями и удаленных от крупных электростанций.

Особая роль среди возобновляемых источников энергии отводится устройствам, использующим энергию ветра. Современные технологии позволяют отнести энергию ветра к числу возобновляемых источников, имеющих самый значительный экономический потенциал. По оценкам экспертов экономический потенциал ветровой энергии России составляет примерно 260 млрд кВт-ч/год, то есть около 30 процентов производства электроэнергии всеми электростанциями страны. При этом установленная мощность ветровых электростанций в стране на 2011 год не превышает 20 МВт. Такое положение во многом связано с низкой эффективностью ветроэнергетических установок (ВЭУ), эксплуатируемых в автономном режиме.

Объединение отдельных объектов электроэнергетики в локальные сети обеспечивает целый ряд преимуществ, связанных с существенным снижением стоимости электроэнергии, повышением надежности электроснабжения и снижением потерь электроэнергии, а также обусловленных высокой устойчивостью к различного рода возмущениям в смежных зонах и возможностью предотвращения аварийных режимов за счет реконфигурации электрической схемы и изменения состава включенных в работу элементов.

Вместе с тем, построение электроэнергетических сетей требует решения целого ряда научных и технических проблем, среди которых приоритетное место занимает задача оперативного (в реальном масштабе времени), автоматического управления режимами энергосистемы. Дело в том, что сравнительно малая энергоемкость ЛЭС обуславливает существенное влияние изменения потребляемой мощности на режимы их функционирования. К тому же отличительным признаком ВЭУ является нестабильность выходной мощности, связанная с непостоянством характеристик ветра как энергоносителя. В этих условиях для надежного энергоснабжения потребителей необходимо обеспечить оперативное управление режимами работы ЛЭС за счет гибкого перераспределения активной и реактивной мощности в зависимости от конкретной складывающейся ситуации, связанной с изменением нагрузки или изменением параметров ветра и соответствующим изменением выходных мощностей ВЭУ.

Значительный вклад в развитие теории и практики построения электроэнергетических систем внесли отечественные ученые — В. М. Горнпггейн, В. И. Идельчик, В. А. Веников, А. А. Амбарцумян, И. В. Прангишвили, М. А. Беркович, В. Г. Холмский, Л. А. Крумм и др.

Важное место в решении задач оптимизации и управления электроэнергетическими системами занимают результаты, полученные в трудах Б. Н. Петрова, С. Н. Васильева, А. А. Воронова, А. А. Красовского, В. Ю. Рутковского, В. А. Подчукаева, Б. Г. Ильясова, В. И. Васильева, В. Г. Крымского, Н. И. Юсуповой, W. S. Chan, С. A. Desoer, М. Darwish, М. Ikeda, A. Macfarlane, Н. Rosenbrock, D. D. Siliak, М. К. Sundareshan, S. Weisenberger, L. Zade.

Тем не менее, ряд важных вопросов, связанных с обоснованием критериев оптимизации при использовании возобновляемых источников энергии (особенно даровых), оптимизацией режимов работы энергетических систем по выбранным критериям в реальном масштабе времени и согласованным управлением всей совокупностью ВЭУ в составе ЛЭС, нуждается в дополнительных исследованиях. Указанное обстоятельство обуславливает актуальность сформулированной темы диссертационной работы, направленной на разработку системы оперативного управления локальной энергетической сетью на базе ветроэнергетических установок.

Цель работы состоит в повышении эффективности использования локальных энергетических сетей на базе ветроэнергетических установок за счет согласованного управления генерирующими узлами энергосистемы для обеспечения оптимальных режимов генерации и распределения активной и реактивной мощности.

Задачи исследования. Для достижения поставленной цели в диссертационной работе были сформулированы следующие задачи:

1. Разработка системы оперативного управления локальной энергетической сетью на базе ветроэнергетических установок, позволяющей в реальном масштабе времени обеспечивать оптимальный режим генерации и распределения активной и реактивной мощности.

2. Обоснование и формирование критериев комплексной оценки эффективности работы локальных энергетических сетей, построенных с применением ветроэнергетических установок.

3. Разработка методики оптимизации локальных энергетических сетей на основе мультипликативной свертки векторного критерия.

4. Разработка метода согласованного управления первичными и групповыми параметрами локальной ветроэнергетической сети.

5. Оценка эффективности системы оперативного управления локальной энергетической сетью с использованием программного модуля оптимизации режимов ее работы.

Методика исследования.

При решении поставленных задач в диссертационной работе использовались методы оптимизации электроэнергетических систем, системного анализа, векторной оптимизации, математического программирования, теории автоматического управления, а также принципы модульного и объектно-ориентированного программирования.

На защиту выносятся:

1. Система оперативного управления локальной энергетической сетью на базе ветроэнергетических установок, позволяющая в реальном масштабе времени обеспечивать оптимальный режим генерации и распределения активной и реактивной мощности.

2. Критерии комплексной оценки эффективности работы локальных энергетических сетей, построенных с применением ветроэнергетических установок.

3. Методика оптимизации локальных энергетических сетей на основе мультипликативной свертки векторного критерия.

4. Метод согласованного управления первичными и групповыми параметрами локальной ветроэнергетической сети.

5. Результаты оценки эффективности системы оперативного управления локальной энергетической сетью с использованием программного модуля оптимизации режимов ее работы.

Научная новизна.

1. Система оперативного управления локальной энергетической сетью на базе ветроэнергетических установок отличается тем, что в рамках ее трехуровневой структуры реализуются процедуры оптимизации текущего режима работы, согласованного управления активной и реактивной мощностью во всей сети, а также регулирования частоты и напряжения в каждой электроге-нерирующей установке.

2. Впервые предложены критерии, позволяющие комплексно оценивать эффективность использования даровых источников энергии, эффективность распределения энергии между потребителями и эффективность использования топлива балансировочным узлом.

3. Методика оптимизации локальных энергетических сетей на основе мультипликативной свертки векторного критерия, отличается тем, что за счет рационального сочетания гибридного метода штрафных функций и пошагового метода расчета статического режима решение находится в темпе протекания динамических процессов в сети.

4. Метод согласованного управления первичными и групповыми параметрами локальной ветроэнергетической сети, отличается тем, что вектор переменных состояния переводится в заданную область за один такт координирующего управления, в результате чего вектор выходных координат движется по желаемой траектории, формируемой временной последовательностью оптимальных значений комплексного критерия эффективности.

5. Разработанный программный модуль оптимизации режимов работы энергетической сети реализован на основе предложенных критериев и методов, что обуславливает новизну и обеспечивает эффективность системы оперативного управления локальной энергетической сетью.

Практическая значимость и реализация результатов работы.

Предложенная в работе трехуровневая система оперативного управления локальной энергетической сетью на базе ветроэнергетических установок позволяет в реальном масштабе времени обеспечивать оптимальный режим генерации и распределения активной и реактивной мощности, в результате чего достигается снижение потерь электрической энергии в сети на 15−25%.

Практическая значимость методики оптимизации локальных энергетических сетей на основе мультипликативной свертки векторного критерия заключается в сокращении расхода топлива в компенсирующем узле в среднем на 5−7%.

Метод согласованного управления первичными и групповыми параметрами локальной ветроэнергетической сети гарантирует бесперебойное снабжение потребителей электрической энергией требуемого качества.

Практическая значимость программного модуля оптимизации режимов работы локальной энергосистемы на базе ВЭУ заключается в том, что он позволяет автоматизировать трудно формализуемые этапы проблемного анализа и концептуальных исследований, в результате чего время, затрачиваемое на расчетно-теоретические работы, сокращается в среднем на 20−30%. Разработанный программный модуль зарегистрирован в Реестре программ для ЭВМ (свидетельство № 2 010 615 682 «Модуль оптимизации локальной энергетической системы на базе ветроэнергетических установок»).

Практическая значимость результатов диссертационной работы подтверждается результатами их внедрения в производственную деятельность ЗАО «Электрощит» (г. Альметьевск) и ООО «Беннинг Пауэр Электронике» (г. Москва).

Апробация работы.

Результаты работы, а также отдельные ее разделы докладывались и обсуждались на следующих конференциях:

• 2-я международная научно-техническая конференция «Глобальный научный потенциал» (Тамбов, 2006);

• Международная научно-техническая конференция «Энергетика и энергоэффективные технологии» (Липецк, 2006);

• Международная молодежная научная конференция «XVI Туполев-ские чтения» (Казань, 2008);

• Международная конференция «Инноватика-2008» (Ульяновск,.

2008);

• 4-я всероссийская зимняя школа-семинар аспирантов и молодых ученых «Актуальные проблемы науки и техники» (Уфа, 2009);

• Всероссийская молодёжная научная конференция «Мавлютовские чтения» (Уфа, 2009);

• Международная молодежная научная конференция «XVIII Тупо-левские чтения» (Казань, 2010);

• IV международная научно-практическая конференция «Энергетика и энергоэффективные технологии» (Липецк, 2010).

Публикация результатов.

По теме диссертационной работы опубликованы 19 печатных работ: 10 статей, в том числе 5 в изданиях, входящих в перечень ВАК- 8 трудов конференций- 1 свидетельство о регистрации программы для ЭВМ по теме диссертации.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка принятых сокращений, списка литературы и приложений. Основное содержание работы изложено на 148 страницах машинописного текста, включая 46 рисунков и 8 таблиц. Библиографический список включает 103 наименования и занимает 8 страниц.

Заключение

.

Проведенный в диссертационной работе анализ показал, что для повышения эффективности использования локальных энергетических сетей на базе ветроэнергетических установок требуется построение систем оперативного управления, позволяющих решать задачи оптимизации и управления в реальном масштабе времени с учетом особенностей ЛЭС, построенных на ¦ базе ВЭУ. В рамках исследования была обоснована необходимость объединения ветроэнергетических установок в сети с целью повышения экономичности и надежности энергоснабжения.

Для реализации выдвинутой концепции в диссертационной работе была предложена трехуровневая система оперативного управления ЛЭС. На первом (нижнем) уровне выполняется автоматическое регулирование частоты и напряжения, которое осуществляется при помощи первичных регуляторов ВЭУ и ГТУ. На втором (среднем) уровне происходит групповое регулирование активной и реактивной мощности, целью которого является согласование режимов работы отдельных ВЭУ для обеспечения требуемого качества генерируемой энергии. На третьем (верхнем) уровне системы происходит формирование оптимальных программ управления.

Для оценки эффективности ЛЭС было предложена совокупность локальных показателей, которые характеризуют эффективность использования даровых источников энергии, эффективность распределения энергии между потребителями и эффективность использования топлива балансировочным узлом. Проведенный анализ локальных показателей позволил осуществить их мультипликативную свертку, в результате чего был сформирован комплексный критерий оптимизации.

В качестве метода оптимизации было предложено использовать сочетание гибридного метод штрафных функций и метода безусловной оптимизации Флетчера-Ривса. Метод штрафных функций позволяет учитывать специфику локальных энергосетей, согласно которой оптимизация должна осуществляться в реальном масштабе времени, причем в процессе поиска оптамалыюго режима состояние системы должно оставаться в допустимой области. В то же время метод Флетчера-Ривса позволяет сохранить направление поиска в условиях накопления погрешности вычислений и при этом не предъявляет жестких требований к виду оптимизируемой функции.

Для реализации сформированных на верхнем уровне оптимальных программ управления разработана совокупность алгоритмов, обеспечивающих первичное регулирование частоты и напряжения генерирующих узлов ЛЭС, а также координацию взаимодействия этих узлов при генерации активных и реактивных мощностей. При этом синтез многосвязных регуляторов первичных параметров для первого (нижнего) уровня системы осуществляется с использованием метода обратных операторов. Метод координирующего управления реализуется в дискретном пространстве состояний синтезируемой системы и обеспечивает перевод вектора состояний в заданную область за один такт координирующего управления.

Показано, что согласованное взаимодействие отдельных подсистем управления электроэнергетическими параметрами может нарушаться из-за внешних воздействий, связанных с изменением условий генерации и потребления мощности. Для компенсации неблагоприятного влияния внешних возмущений, характерных для ЛЭС, предлагается концепция построения многофункционального координатора, который содержит две структурные составляющие, одна из которых обеспечивает согласованное управления для расчетного режима работы системы, а вторая — сохранение устойчивости и качества координирующего управления при наличии возмущений.

В рамках диссертационного исследования был разработан программный модуль оптимизации режимов работы ЛЭС на базе ВЭУ, позволяющий повысить эффективность системы оперативного управления локальной энергетической сетью. Внедрение разработанного программного обеспечения в производственную деятельность ЗАО «Электрощит» (г. Альметьевск), показало, что его применение позволяет сократить время, затраченное на расчет-но-теоретические работы, в среднем на 20−30%.

Применение методики оперативного управления ЛЭС на базе ВЭУ при реализации проекта, направленного на создание системы автономного энергоснабжения для АСУТП и телекоммуникационного оборудования газокомпрессорной установки в Ленинградской области, позволило, по оценке специалистов ООО «Беннинг Пауэр Электронике» (г. Москва), снизить потери электрической энергии в сети на 15−25%, при этом общее снижение расхода топлива в компенсирующих узлах достигает 5−7%.