Локальные электроэнергетические системы с широким использованием возобновляемых источников тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.09.03, кандидат технических наук Солоницын, Александр Геннадьевич

• Солоницын, Александр Геннадьевич
• кандидат технических наук
• 2006

Оглавление диссертации кандидат технических наук Солоницын, Александр Геннадьевич

Введение

Глава 1. Электроснабжение удаленных территорий 11 1.1 .Использование возобновляемых источников электроэнергии (ВИЭ) 11 в мировой экономике

1.2. Электроснабжение удаленных территорий России

1.2.1. Специфика энергосистемы России и ситуация в удаленных 14 территориях

1.2.2. Изолированные энергосистемы и использование ВИЭ в 16 России и СНГ

1.3. Необходимость в комплексном подходе

1.4. Локальные электроэнергетические системы для удаленных 23 территорий с широким использованием ВИЭ (ЛоЭС)

1.4.1. Состав задач

1.4.2. Принципы ЛоЭС

1.4.3. Технические средства и требования к ним

1.5. Выводы

Глава 2. Источники энергии и методы генерирования в ЛоЭС

2.1. Сравнительный анализ источников электроэнергии

2.2. Энергоисточники с ДВС в составе ЛоЭС

2.3. Базовый состав ЛоЭС

2.4. Специфика генерирования от бестопливных источников

2.4.1. Применение асинхронных генераторов (АГ)

2.4.2. Применение синхронных генераторов (СГ)

2.4.3. Особенности, преимущества и недостатки применения 69 синхронных и асинхронных машин для ВЭС и ГЭС

V 2.4.4. Статические и электронные преобразователи электроэнергии

Г 2.4.5. Интеграция бестопливных источников в локальные энергосистемы

2.5. Выводы

Глава 3. Ветроэнергетические установки ЛоЭС

3.1. Энергетическая аэрология

3.1.1. Методы измерения ветроэнергетического потенциала

3.1.2. Общая оценка ветроэнергетических ресурсов

3.1.3. Расчет ветрового потенциала в точках базирования ЛоЭС

3.1.4. Расчет мощности ВЭС

3.2. Техническая база ветроэнергетики

3.2.1. Типы ВЭС в составе ЛоЭС

3.2.2. Генерирование от ВЭС в локальных энергосистемах

3.3. Мобильная прибрежная ВЭС (МП ВЭС)

3.4. Выводы

Глава 4. Гидроэнергетические установки ЛоЭС

4.1. Деривационная мини-ГЭС с защищенным водозабором

4.2. Наплавная мини-ГЭС барабанного типа (НБ мини-ГЭС)

4.3. Мощность водяного потока. Оценка мощности 121 двигателя НБ мини-ГЭС

4.3.1. Индикаторная мощность потока

4.3.2. Идеальный двигатель 122 f 4.3.3. Классификация агрегата

4.3.4. Активная турбина с плоскими лопастями

4.4. Теория работы гидравлического двигателя НБ мини-ГЭС

4.4.1. Две разновидности математических моделей

4.4.2. Первая модель работы водяного колеса

4.4.3. Вторая модель работы водяного колеса

4.5. Расчет параметров барабанного модуля по моделям 1 и

4.5.1. Сопоставление результатов расчётов для моделей работы 164 £ колеса

4.5.2. Приближение конструкции агрегата к идеальному двигателю г 4.6. Генерирование и преобразование электроэнергии НБ мини-ГЭС щ, 4.6.1. Асинхронный генератор

4.6.2. Многополюсный синхронный генератор

4.7. Математическая модель работы СГ с постоянными магнитами на управляемый выпрямитель напряжения

4.8. Экспериментальное исследование модели СГ с постоянными 186 магнитами

4.9. Работа НБ мини-ГЭС в составе ЛоЭС

4.10. Выводы: оценка реализаций мини-ГЭС для ЛоЭС

Глава 5. Совместная работа ЛоЭС

5.1. Специфика потребителей

5.2. Локальные сети

5.3. Компоновка ЛоЭС

5.4. Совместное генерирование ЛоЭС

5.5. Выводы

Глава 6. Эксплуатация и организация ЛоЭС

6.1. Эффективность технических средств

6.2. Область применения ЛоЭС

6.2.1. Общий подход к внедрению проектов ЛоЭС

6.2.2. Развитие локальной энергетики в Приморском крае

6.2.3. Локальная энергетика как подотрасль 232 Заключение 234 Список использованных источников

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Локальные электроэнергетические системы с широким использованием возобновляемых источников»

Данная диссертационная работа в области электроснабжения изолированных территорий и бестопливной энергетики имеет целью поиск новых рентабельных направлений развития производства, которые нашли бы применение в Дальневосточном Регионе, в России, в целом, и соответствовали уровню производственных структур, то есть - были исполнимы. Необходимость в научных исследованиях, как в техническом плане так и в области эффективности, очевидна вследствие отсутствия комплексной научно-практической оценки проектов данного рода в России. Работа носит в основном техническую направленность, так как без тщательного изучения и применения технических аспектов оценка конечного результата была бы невозможна. В работе оценены также перспективная область применения и параметры эффективности технических средств, так как одной из основных задач является подтверждение результатов для конкретных точек применения в виде, удобном и понятном, как для потенциальных инвесторов так и для административных структур.

Определены совокупность методов, решений, мероприятий и проектов, обеспечивающих электроснабжение удаленных территорий, не имеющих стабильных сетей, на приемлемой экономической основе, на базе широкого использования возобновляемых, бестопливных источников энергии (ВИЭ). Также частично решается проблема разгрузки и стабилизации слабых сетей, особенно, в их конечных точках. Работа открывает новые перспективы для развития социальной сферы и производства для удаленных территорий РФ. Проведены исследования и получены новые решения в области электроники, электротехники и энергетики; энергетической аэрологии, аэродинамики и ветроэнергетики; гидрологии, гидротехники и гидроэнергетики; тепловых источников энергии; экологии, экономики и организации - как комплексная разработка с учетом самых последних мировых достижений. По результатам исследований, применение локальных генерирующих мощностей с широким использованием бестопливных экологически чистых источников энергии обоснованно и прибыльно для инвесторов любой формы собственности на территории Российской Федерации /1 - 5/.

Актуальность темы. В мире существует устойчивая и динамично развивающаяся ветроэнергетическая отрасль, постоянно совершенствуются модели и электроника ВЭС и мини-ГЭС, определены и коммерчески задействованы другие, реальные, источники энергии.

В 2004 году мировой баланс источников электроэнергии выглядел следующим образом /7/ (см. табл. 1):

Таблица 1

Энергетический баланс в мире в 2004 году

Источники электроэнергии Доля в мировом балансе

Истощаемые источники 79,6% (в России 90%)

Нефть 35,1%

Газ 21,1%

Уголь 23,1%

Возобновляемые источники 13,9%

Мощные ГЭС 2,2%

Биомасса 9,5%

Новые ВИЭ» 2,2%

Атомная 6,5%

Итого: 100%

В графе «Новые ВИЭ» - 2,2%. Процент небольшой в абсолютном выражении, но если учесть, что еще 20 лет назад данной категории просто не существовало, а на настоящее время она сравнима с мощными ГЭС, то можно представить объем инвестиций, вложенных в развитие ВЭС, мини-ГЭС и гелиоустановок. И, наоборот, 9,5 % по биомассе не является, скорее всего, большой новацией - как сжигание искусственно выращенной растительности, в основном, в малоразвитых районах планеты, находящихся в тропическом поясе (Индия, Африка, Океания).

Мощность ветроэлектростанций (ВЭС), в основном, за счет стран-лидеров увеличивается на 6 000 - 7 000 МВт ежегодно /9/.

Установленная мощность ВЭС в мире (выборочно) с начала 2002 по начало 2006 года представлена в таблице 2 /8, 9/:

Таблица 2

Установленная мощность ВЭС в мире

Страна Начало 2002 Начало 2003 Начало 2006

Германия 8 753 12 001 17 000

Испания 3 335 4 830

Дания 2 556 2 889 4000

Украина 40 44 80

Россия 5 7 8

США 4 245 4 645 5 100

Канада 207 236

Индия 1 507 1 702

Китай 399 468

Тихоокеанский регион 410 524

Ближний Восток и Африка 147 149

Всего в мире 39 000 52 000

Значительная часть России, около 2/3 её территории, не имеет непосредственной связи с сетями Единой или региональных электроэнергетических систем (ЭЭС). (Ниже такие территории будут называться удалёнными.) Другие, кроме гидроэнергетических, возобновляемые источники энергии (ВИЭ) используются незначительно, в виде опытных или опытно-промышленных электроустановок малой мощности, работающих, в основном, на указанные сети. В локальных, автономных, электроэнергетических системах используются преимущественно дизель-генераторы (ДГ). Себестоимость вырабатываемой ими электроэнергии превосходит 10 руб. за 1 кВт-ч. Суммарная мощность ДГ в России составляет 5 ООО МВт. Они вырабатывают около 30 млрд. кВт-ч в год, на что расходуется 8 млн. т. жидкого топлива в год. На дотации тарифа уходит до 50% бюджетов муниципальных образований - 11 млрд. руб. Экономичность и экологичность многочисленных устаревших ДГ российского производства низки /6/. Из построенных в СССР около 8 ООО малых ГЭС в настоящее время действует примерно 300. В России установлены ветроэлектрические станции (ВЭС) с общей мощностью 8 МВт, по сравнению с 52 000 МВт в мире.

Причиной такого положения в локальной электроэнергетике является не только общая экономическая ситуация: на фоне проработок в области использования отдельных источников энергии, отсутствуют комплексные технические решения. Методики расчета себестоимости для крупных энергосистем здесь неприменимы. Вместо определения конкретных путей использования бестопливных источников, ведется научная полемика. Федеральные целевые программы в этой части не исполняются, частные инвесторы еще не рискуют делать долгосрочные вложения. Отсутствует подход, соединяющий воедино технические, экономические, финансовые, экологические и социальные аспекты - с тем, чтобы определить действительный эффект от внедрения того или иного проекта в конкретном населенном пункте, районе.

В научной литературе практически отсутствуют результаты исследований автономной и параллельной работы генераторных агрегатов, использующих ВИЭ и работающих при переменной частоте вращения. Известные из области судовой электротехники способы получения электроэнергии со стабильными значениями частоты и напряжения от генераторов переменой частоты основаны на применении устаревших статических преобразователей частоты и синхронных компенсаторов, запуск которых производится от асинхронных двигателей или от ДГ. В автономных ЭЭС удалённых территорий использовать подобное решение нецелесообразно. Для обслуживания дизеля необходимо дежурство квалифицированного специалиста, а обеспечение электромагнитной совместимости указанных преобразователей частоты с потребителями электроэнергии требует установки громоздких фильтров высших гармоник.

Таким образом, изолированные электроэнергетические системы являются актуальным объектом исследования. Предметом исследования должна служить совокупность вопросов, связанных с производством, преобразованием и распределением электроэнергии при широком использовании ВИЭ и современных силовых полупроводниковых преобразователей.

Объект исследований: электротехнические системы генерирования электрической энергии, рассматриваемые как самостоятельные технологические комплексы - локальные электроэнергетические системы (ЛоЭС).

Методы исследования. Использованы положения теоретической электротехники, электроники, гидроаэромеханики, математическое компьютерное моделирование механических и электротехнических систем в среде Maple 9.5.

При исследовании совокупных характеристик локальных энергосистем использован проектный подход, отражающий потребности конечного пользователя, в отличие от отраслевого подхода, основанного, в том числе, на аналогиях внедрения типичных генерирующих мощностей в рамках экономического поля страны, когда определялись общие принципы формирования отраслей и проектов, но не формировалась однозначная картина для конкретного заказчика. При определении эффективности производится дистанциирование от сметного подхода, используемого и поныне. Последний строился на определении совокупности затрат в последовательности: государство, отрасль, ведомства, пользователь - и был присущ плановой экономике. В данной работе, расчеты, проведенные для нескольких типичных по комплексу характеристик потребителей, после выявления их перспективности, являются основой для моделирования ситуации в конкретных районах и регионах. После этого делается вывод о применимости концепции как таковой, а далее - об области ее применения. База для написания работы

1. Общее положение дел в электроснабжении удаленных территорий России, Приморского края, в частности.

2. Проведенные исследования в области метеорологии и гидрологии.

3. Уровень мирового производства ветроэнергии, энергии мини-ГЭС и др.

4. Контакты с европейскими и российскими производственными и управляющими структурами.

5. Определенная заинтересованность административных и производственных структур ДВФО как потенциальных потребителей.

6. Командировки в удаленные районы.

Терминология и стандартизация. В работе использованы стандарты:

- Единой Системы конструкторской документации: ГОСТ 19431 - 84, ГОСТ 18275 - 72, ГОСТ 27002 - 89, ГОСТ 24291 - 90, ГОСТ 8207 - 76, ГОСТ 29329 - 92, ГОСТ 23956 - 80, ГОСТ 27 471 - 87. ГОСТ 2601 - 95;

- в области нетрадиционной энергетики: ГОСТ Р 51237 - 98, ГОСТ Р 51594 - 2000, ГОСТ Р 51238 - 98, ГОСТ Р 51595 - 2000, ГОСТ Р 51596 - 2000, ГОСТ Р 50705-94 (МЭК 904 - 2 89), ГОСТ Р 51597- 2000.

- международные стандарты из рядов ISO 9001, 9002,14000.

В тексте термины даны в соответствии со стандартами, а также терминологией производителей, если таковая существует. Приведен авторский смысловой перевод новейших английских технических терминов. Привнесенные термины и новые трактовки указаны особо.

Заключение диссертации по теме «Электротехнические комплексы и системы», Солоницын, Александр Геннадьевич

6.3. Выводы

Появление новейших методов генерирования электроэнергии, транспортировки и комплекса средств на стороне потребителей в последние годы (включая предложенные в работе решения) обусловило качественные изменения технических характеристик локальных энергосистем. Данные изменения привели к резкому снижению себестоимости электроэнергии от ЛоЭС и сроков окупаемости проектов. В свою очередь, повышение экономической привлекательности ведет к резкому расширению области применения ЛоЭС. В связи с этим, назревает необходимость в выделении государственной управленческой структуры, контролирующей локальную энергетику как перспективную подотрасль.

234

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Локальные электроэнергетические системы (ЛоЭС) определены и исследованы как совокупность методов, условий, технических решений и мероприятий для электроснабжения удаленных территорий при широком использовании ВИЭ. Определены, как направления исследований так и совокупность результатов.

Избран подход с точки зрения конечного потребителя, для которого определяющими являются комплексные качественные показатели системы энергоснабжения, а не факт использования тех или иных технических средств. Иначе работа ограничилась бы исследованием ряда аспектов, а не целостных комплексов или систем. Ряд разработок не принесли положительных результатов по этой причине. Данный комплексный подход является аналитической оболочкой, в рамках которой рассмотрен объект исследования, обеспечена целостность работы, подтверждена правильность принятых технических решений. Данный подход определяет структуру, эффективность, область применения и перспективный путь развития объекта исследований, поэтому потребовал достаточно трудоемких и разноплановых исследований на стыке отраслей.

Главный вывод, который позволяют сделать анализ и исследования, проведенные в рамках данной работы: на настоящий момент локальные электроэнергетические системы имеют качественно иные потребительские характеристики, что ведет к существенному изменению их области применения. Проекты ЛоЭС позволяют не только сократить дотации на изолированные энергосистемы, но и развивать потребление, так как выработка энергии возрастает при снижении себестоимости. В связи с возможностью получения до 80% электроэнергии от бестопливных источников в энергобалансе системы, состоящей, например, из ДГ, ВЭС и мини-ГЭС, экономическая эффективность ЛоЭС резко возрастает, что ставит вопрос о выделении локальной энергетики в самостоятельную структурную единицу, подотрасль. В связи с этим, технические средства ЛоЭС должны систематизироваться не по разделительным критериям «традиционные - нетрадиционные», «возобновляемые - невозобновляемые», а по совокупности критериев, по комплексу конечных показателей: технических, экологических, экономических, социальных в рамках единого электротехнического комплекса.

Промежуточные выводы, что касается, как технических средств ЛоЭС так и вопросов их эффективности и эксплуатации, приведены в соответствующих главах.

Результатом работы являются новые научные разработки.

1. Разработана концепция ЛоЭС как совокупность методов, технических решений и мероприятий для электроснабжения удаленных территорий при широком использовании ВИЭ, определяющая направления исследований и совокупность результатов, включая анализ области применения ЛоЭС.

2. Предложен принципиально новый тип барабанной наплавной ГЭС кинетического типа для ЛоЭС, где применен бесконтактный СГ простейшей конструкции - с возбуждением от постоянных магнитов.

3. Обоснованы и исследованы математические модели гидравлических двигателей: идеального двигателя, активной турбины с плоскими лопастями и водяного колеса. Установлены погрешности известных выражений механических характеристик. Получены две модели водяного колеса, по-разному учитывающие взаимодействие воды с задней стороной лопасти, создана методика расчёта и аппроксимации соответствующих этим моделям механических характеристик.

4. Разработаны и исследованы математические модели СГ с возбуждением от постоянных магнитов для трёх способов управления выпрямителем напряжения, подключенным к статору СГ. Создана физическая модель для исследования работы такого СГ на УВН. Экспериментальное исследование этой модели подтвердило достоверность предложенных математических моделей.

5. Обоснована структура ЛоЭС. Генераторные агрегаты с нестабилизированными значениями напряжения и частоты подключаются к общим шинам через преобразователи частоты, состоящие из управляемых выпрямителей напряжения и управляемых инверторов напряжения. Один из инверторов может быть автономным и задавать значения частоты и напряжения в

ЛоЭС. Другие инверторы - ведомые. Все инверторы снабжают потребителей как активной, так и реактивной мощностью.

Это позволяет сделать в дальнейшем следующие практические шаги.

1. Совокупность подходов и методов, использованных в работе, позволяет решать далее задачу электроснабжения удаленных территорий комплексно, на проектном уровне. .

2. Рекомендации по применению новейших методик в области энергетической аэрологии дают возможность оперативно определять среднегодовую мощность и эффективность ВЭС для предполагаемого места её установки.

3. Конструкции защищённого водозабора и мобильной прибрежной ВЭС увеличивают эффективность использования ВИЭ, снижают объём строительных работ и вред, причиняемый гидрофауне.

4. Наплавная барабанная мини-ГЭС позволит с минимальными затратами, в кратчайшие сроки и без нанесения экологического вреда использовать гидроэнергетические ресурсы небольших рек. Созданы методики для определения числа лопастей, расчёта размеров, параметров и характеристик водяного колеса и заключённого в его барабане генератора.

5. Сочетание СГ, возбуждаемого от постоянных магнитов, с управляемым выпрямителем повышает надёжность работы за счёт бесконтактной конструкции СГ с неподвижным статором и позволяет или в два раза увеличить максимум мощности, который может отдать СГ по сравнению с его нагрузкой на неуправляемый выпрямитель тока, или в два раза уменьшить массу СГ.

6. Роль опорного генераторного агрегата и источника реактивной мощности выполняет инвертор напряжения, подключённый через выпрямитель напряжения к какому-либо агрегату, использующему ВИЭ. При наличии достаточной мощности ВИЭ можно не включать дизель-генераторы. При этом резко возрастает среднегодовая доля ВИЭ, снижаются затраты, уменьшается себестоимость вырабатываемой электроэнергии, что ведет к расширению области применения ЛоЭС.

В соответствии с разработанными автором ТЭО для ряда проектов, используемыми в качестве примеров, первоначальные затраты проектов ЛоЭС по вводу их в действие сравнимы с затратами на установку традиционных энергосистем (дизельэлектростанций, мини-ТЭС) и часто ниже затрат на строительство новых ЛЭП при расстоянии уже 25 - 30 км. Сроки окупаемости проектов изолированных ЛоЭС не превышают четырех лет при сроке эксплуатации проектов не менее 20 лет по сравнению с электроснабжением от дизель-генераторов с себестоимостью электроэнергии 10 руб. за 1 кВт-ч, и более. Это говорит о том, что в ряде случаев необходимость протяжки ЛЭП в удаленные территории отпадает.

Развитию ЛоЭС в России препятствуют уже далеко не технико-экономические параметры современных технических средств. Основные риски данных проектов лежат в законодательной и организационной сферах. Энергосистема России должна быть готова к строительному буму, который потребует новых энергетических мощностей, в том числе и локальных источников. Дальнейшее совершенствование политической структуры нашего общества и формирование легитимной собственности уже в скором времени явятся основными стимулами для внедрения продуктивных энергосберегающих технологий. ЛоЭС, в частности. Массированного внедрения проектов локальной энергетики в Европе и в мире, в целом, в связи с достаточностью и равномерностью энергетических систем развитых государств, на данный момент еще не произошло. Россия, с ее специфичной энергосистемой, имеет возможность занять свою стабильную нишу в локальной энергетике.

1.

2.

3,

4.

5.

6,

7.

8, 9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Солоницын, Александр Геннадьевич, 2006 год

1. Сравнительный анализ источников электроэнергии

2. Велики капитальные вложения в развитие сетей удаленных территорий. Например, прокладка высоковольтного (35 кВ) подводного фидера или надводной

3. European Wind Energy Association (EWEA) www.ewea.com.

4. Official Source of Danish Wind Energy Association, DWEA «Windpowermonthly» magazine, vol. 11,2005, www.windpower.org.

5. Robert L. Bradly. Renewable Energy is not Cheap, not Ecologically Clear. //

6. Bulletin «Energy & Management» of Institute of Energetic Investigations, USA,1. Jan.-March, 2000.

7. Alexander Leizerovich, «Were is the wind blows?». // Vestnik magazine, California, USA, July 2001.

8. AWEA, American Wind Energy Association, Press-relises, www.awea.com. Солоницын А.Г. Второе пришествие ветроэнергетики. // Журнал «Наука и Жизнь», 2004, №3, с. 6 -13.