science-review.ru
В связи с постоянным ростом цен на углеводородные энергоносители встает вопрос сокращения потребления дизельного топлива удаленными от централизованной энергосистемы энергоисточниками, электроснабжающими автономные поселки, путем замещения части установленных мощностей фотоэлектрической генерацией [1].
Цель исследования: разработка инструмента оптимизации установленных мощностей фотоэлектрической и дизельной частей гибридной электрической станции с непрерывной дизельной генерацией (параллельная работа ФЭС и ДЭС). Оптимизация с его помощью, в режиме человеко-машинного взаимодействия оптимального соотношения составных частей гибридной электрической станции, на основании значений целевых функций, определяющих наилучшие технико-экономические показатели станции: коэффициента использования установленной мощности и себестоимости производимой энергии. Данные критерии являются наиболее значимыми при построении объектов генерации автономных локаций.
Методы исследования. Оптимизационные расчеты установленных мощностей основаны на сопряжении программного пакета для расчета фотоэлектрических систем PVsyst и программной среды Excel. Значения энергии солнечного излучения при расчетах принимаются на основании компьютерных баз метеоданных Meteonorm.
Результаты исследования и их обсуждение
В результате проведенной работы предлагается алгоритм действий для оптимизации установленных мощностей составных частей гибридной электрической станции с непрерывной дизельной генерацией. Результаты оптимизации на примере реально существующего объекта в п. Батагай.
Одной из важнейших задач проектирования фотодизельных систем электроснабжения является определение оптимальных соотношений установленных мощностей составных частей (дизельной и фотоэлектрической) гибридной электростанции с учётом схемного решения их построения [2].
Основными целевыми функциями, на основании которых производится оптимизация, являются: коэффициент использования установленной мощности энергетического оборудования (КИУМ) и себестоимость 1 кВт*ч электроэнергии.
КИУМ определяется как отношение фактической выработки энергии к теоретической, по выражению
(1)
где W – объем энергии, произведенный составной частью гибридного комплекса (WФЭС, либо WДЭС), за отсчетный период времени, кВт*ч;
Pуст – установленная мощность составной части гибридного комплекса, кВт;
Т – отчетный период времени, ч.
Себестоимость электрической энергии определяется по формуле
(2)
где KДЭС, KФЭС – капиталовложения на строительство гибридного комплекса состоящего из дизельной и фотоэлектрической станций.
Выражение для общих капиталовложений на строительство гибридной солнечно-дизельной системы имеет следующий вид:
K = KУСТ + KПР + KСТР , (3)
где KУСТ – стоимость комплектного оборудования (руб.);
KПР – стоимость проектных работ (руб.);
KСТР – стоимость строительных, монтажных и наладочных работ по установке электростанции (руб.).
Цена фотоэлектрической части гибридной станции складывается из цен на фотоэлектрические модули, силовое оборудование (инвертор, трансформатор, коммутационные коробки), кабельную продукцию и опорные конструкции. Стоимость комплектного оборудования дизельной части определяется ценой дизельных генераторов.
СДЭС – эксплуатационные затраты на обслуживание дизельной станции определяются по выражению
CДЭС = CЭКС + CРЕМ + CТОП + CД.ТОП, (4)
где СЭКС – годовые расходы на эксплуатацию системы электроснабжения (руб.);
СРЕМ – годовые расходы на плановый ремонт (руб.);
СТОП – годовые расходы на топливо (руб.);
СД.ТОП – годовые расходы на доставку топлива (руб.).
pН.ДЭС, pН.ФЭС – коэффициенты рентабельности дизельной и фотоэлектрической электростанций соответственно..
Эксплуатационные расходы на обслуживание фотоэлектрической части гибридного энергетического комплекса не учитываются в силу их относительно малой величины.
Продолжительность жизненного цикла дизельного генератора достигает 10000 и более моточасов (согласно инструкции производителей). В течение этого периода работы по техническому обслуживанию включают в себя: долив и замену моторного масла, замену топливных и воздушных фильтров, замену хладагента, несколько плановых капитальных ремонтов и т.д. При определении коэффициента рентабельности дизельной электростанции, с учетом капитальных ремонтов, экономический срок службы энергетического оборудования принят равным 9 годам.
В случае с фотоэлектрической системой, модули при нормальной работе не заменяются в течение всего срока службы (обозначено производителем как 25 лет, с понижением производительности до 80 % от номинала). Инвертор заменяется единожды по истечению примерно 10 лет работы. В целом техническое обслуживание фотоэлектрических систем заключается в периодической чистке панелей от пыли и снега.
Для конкретизации, проведём оптимизацию фотодизельной системы электроснабжения в составе с существующей дизельной станцией на примере посёлка Батагай (Якутия) [3]. Показатели нагрузки в п. Батагай представлены в таблице.
Данные, представленные в таблице, показывают, что максимум зимней нагрузки превышает минимальную летнюю нагрузку более чем в 5 раз.
Показатели нагрузки ДЭС Батагай
|
Выработанная электроэнергия |
кВт*ч в год |
23 355 024 |
|
Минимальная зимняя нагрузка |
кВт |
3275 |
|
Максимальная зимняя нагрузка |
кВт |
5186 |
|
Минимальная летняя нагрузка |
кВт |
907 |
|
Максимальная летняя нагрузка |
кВт |
2075 |
Установленная мощность дизельной электростанции всегда должна быть выше возможной максимальной нагрузки, плюс мощность для обеспечения резервирования [4]. Так, установленная мощность существующей дизельной электростанции посёлка Батагай составляет 11 МВт, при этом состав ДЭС включает в себя 12 дизельных генераторов различной мощности.
Учитывая, что уровень инсоляции в этом заполярном районе в летние и зимние месяцы отличается более чем в 100 раз, при построении солнечно-дизельных комплексов мегаваттного класса целесообразно использование параллельной работы ФЭС с сетью, образованной ДЭС [3, 5]. В этом случае отпадает необходимость в накопителях электрической энергии. Как следствие, могут быть получены приемлемые технико-экономические характеристики проекта.
На рис. 1 представлен алгоритм оптимизации, описывающий последовательность действий, производимых для поиска оптимального решения установленных мощностей генерирующего оборудования гибридного энергетического комплекса с непрерывной дизельной генерацией. При его построении использованы программные комплексы MS Excel и PVsyst [3, 5].
Рис. 1. Алгоритм оптимизации установленной мощности ФЭС, работающей параллельно с локальной дизельной системой электроснабжения
Для расчета энергетических показателей инсоляции в качестве исходных метеорологических данных была принята близлежащая к п. Батагай метеостанция Верхоянск. Угол наклона фотоэлектрических панелей фиксированный и составляет 52º (оптимальный годовой), расстояние между рядами панелей 20 м, тип панелей (Yingli Solar YL255P-29b, 255 Вт) и инверторов (SMA Sunny Tripower 20000 TLEE, 20 кВт). Установленная мощность ДЭС – 11 МВт, с ограничением загрузки каждого отдельного агрегата от 40 до 80 %, в связи со значительным износом существующего оборудования.
Изменяемым параметром при оптимизации является установленная мощность фотоэлектростанции. Для оптимизационных исследований использованы математические модели фото-дизельной системы, описанные в [3, 5]. Интервал дискретизации расчетов принят равным одному часу в течение характерных суток каждого месяца по уровням инсоляции и нагрузки гибридной электростанции [5].
Итерационный процесс представлен по принципу человеко-машинного взаимодействия. На основании полученных значений целевых функций: КИУМ и себестоимости производимой электрической энергии оператор принимает решение о корректировке установленной мощности фотоэлектростанции и продолжении итерационного процесса, либо его завершении.
Формирование режимов работы фотодизельной электростанции должно производиться с учетом загрузки отдельных дизель-генераторных установок и ДЭС в целом. Такое условие следует из необходимости обеспечения устойчивой работы сетевых инверторов ФЭС, и, следовательно, устойчивости гибридного энергетического комплекса в целом. Следует учесть, что необходимое значение текущей мощности дизельной части гибридного энергетического комплекса, требуемой для стабильной работы фото-дизельной системы, не является статичным. Оно постоянно меняется и зависит от ряда факторов, как уровень мощности автономной системы электроснабжения на рассматриваемом интервале времени; сезон года; установленная мощность ДЭС; количество дизельных генераторов и допустимые границы работы каждого отдельно взятого агрегата; установленная мощность ФЭС и значение выработки мощности фотоэлектрической частью комплекса на рассматриваемом интервале времени.
В зимний период времени изменение производимой мощности ДЭС соответствует изменению инсоляции, что, в свою очередь, говорит о полном потреблении произведенной ФЭС энергии, нагрузкой. С увеличением установленной мощности ФЭС, выработка ДЭС уменьшается за счет увеличения генерации ФЭС.
Влияние выработки мощности ФЭС на изменение нагрузки на ДЭС в весенний и летний периоды времени имеют тенденцию к расширению от месяца к месяцу, что объясняется астрономическим изменением положения солнца на небосводе и увеличением продолжительности светового дня. В это же время, от зимы к лету, происходит понижение уровня нагрузки автономной системы электроснабжения.
Одновременный рост количества приходящей на земную поверхность солнечной радиации и снижение уровня нагрузки приводят к необходимости стабилизации системы. Для ДЭС это осуществляется путём поддержания мощности производимой ДЭС электроэнергии в заданных пределах при рациональном уровне загрузки каждого отдельного дизельного генератора. Генерация электроэнергии ФЭС регулируется выбором её установленной мощности и ограничением на разрешенную доступную мощность сетевого инвертора в соответствии с графиком нагрузки и мощностью ДЭС. Это наглядно видно на рис. 2 (справа) в виде ограничения допустимой мощности ФЭС, необходимого для соблюдения устойчивости системы.
Рис. 2. Изменение уровня мощности гибридного комплекса при установленной мощности ФЭС 1,5 МВт в апреле (слева) и 2 МВт в июле (справа)
Рис. 3. Изменение КИУМ гибридной станции в течение года при разных установленных мощностях ФЭС (слева) и годовое изменение себестоимости 1 кВт·ч с накоплением при различных установленных мощностях ФЭС (справа)
Превышение выработки ФЭС относительно требований устойчивости фото-дизельной системы, при текущем уровне нагрузки, ведет к необходимости ограничения генерации ФЭС. Это приводит к недоиспользованию установленной мощности фотоэлектрической части гибридного комплекса в часы наибольшей активности солнца.
В идеальном случае вся вырабатываемая энергия должна потребляться нагрузкой, при этом суммарная энергия генерирующих источников будет повторять форму графика нагрузки (рис. 2, слева).
На основании данных, полученных для характерных суток каждого месяца, построены годовые графики зависимости КИУМ от установленной мощности фотоэлектрической станции п. Батагай (рис. 3, слева). Кривая, иллюстрирующая изменение себестоимости электроэнергии фото-дизельной электростанции п. Батагай с накоплением по месяцам года при различных установленных мощностях ФЭС, приведена на рис. 3, справа.
При установленной мощности фотоэлектрической станции 1МВт, КИУМ ФЭС находится в максимальных значениях в течение года, при увеличении мощности появляются избытки энергии в летнее время в часы наибольшей активности солнца, и одновременного снижения нагрузки. При увеличении установленной мощности ФЭС наблюдается снижение КИУМ ФЭС, в разрезе дня, месяца и года. Снижение установленной мощности ФЭС ниже 1 МВт также нецелесообразно.
Кривые себестоимости производства кВт·ч электрической энергии фактически накладываются друг на друга для разных мощностей ФЭС, то есть увеличение установленной мощности фотоэлектрической станции более 1 МВт практически не дает экономической выгоды. Это происходит за счет некоторой компенсации затрат на экономию топлива и увеличение капиталовложений в оборудование ФЭС большей мощности.
Выводы
1. При построении гибридного комплекса с параллельной работой ФЭС и ДЭС требуется поддержание стабильности системы за счет поддержания необходимого уровня непрерывной дизельной генерации.
2. Увеличение установленной мощности фотоэлектрической части гибридного комплекса, при превышении определенных значений, приводит к необходимости ограничения мощности генерации ФЭС, что приводит к снижению показателей комплекса в целом.
3. Прирост установленной мощности фотоэлектрической станции гибридного комплекса целесообразен до значений, при которых комплекс имеет максимальные технико-экономические показатели – КИУМ и себестоимость производимой энергии. В частности, для п. Батагай при цене на дизельное топливо 38115 руб/т (на период 2012 г.) оптимум установленной мощности ФЭС равен 1 МВт.