Определение оптимальных параметров накопителя для интеграции возобновляемых источников энергии в изолированных энергосистемах с активными потребителями

потере щепой каких-либо эксплуатационных качеств.

12. Практические рекомендации по предотвращению самовозгорания:

- при хранении не смешивать топливо различного качества (например, различные виды сырья, виды топлива с различным размером фракций, виды топлива с различной влажностью);

- хранить топливо лучше в небольших кучах и небольшой период времени;

- не допускать наличия в щепе катализаторов температуры (коры, смазочных масел, металлических

предметов);

- следить за ростом температуры в БСУ или на складе;

- в случае выявления процесса самовозгорания с высокой температурой (> 60°С), необходимо предпринять соответствующие меры по предотвращению риска открытого возгорания;

- никогда не поставлять топливо, имеющее высокую температуру и участки с возгоранием.

Статья поступила 27.08.2015 г.

Библиографический список

1. Трембовля В.И., Фингер Е.Д., Авдеева А.А. Теплотехнические испытания котельных установок. М.: Энергоатомиздат, 1991. 416 с.

2. Методика оценки технического состояния котельных установок до и после ремонта. РД 34.26.617-97. М.: Изд-во стандартов, 1997. 96 с.

3. Инструкция по обеспечению взрывобезопасности топли-воподач и установок для приготовления и сжигания пылевидного топлива. СО 153-34.03.352-2003. М.: Изд-во стандартов, 2004. 54 с.

4. Кудряшов А.Н., Мехряков А.Д. Оценка возможности сов-

местного сжигания кородревесных отходов с углем в котле БКЗ-320 ТЭЦ-6 ОАО «Иркутскэнерго» // Материалы Всероссийской науч.-практ. конф. с междунар. участием «Повышение эффективности производства и использования энергии в условиях Сибири». Иркутск, 2015. Т. 1. С. 186-190. 5. Кудряшов А.Н., Мехряков А.Д. Совместное сжигание отходов древесного производства с углем // Сб. тр. восьмой Международной научно-техн. конф. «Энергетика: управление, качество и эффективность использования энергоресурсов». Благовещенск: Изд-во ЧП Сажинов А.А., 2015. С. 344347.

УДК.621.311

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОПТИМАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ НАКОПИТЕЛЯ ДЛЯ ИНТЕГРАЦИИ ВОЗОБНОВЛЯЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ ЭНЕРГИИ В ИЗОЛИРОВАННЫХ ЭНЕРГОСИСТЕМАХ С АКТИВНЫМИ ПОТРЕБИТЕЛЯМИ

© Т.В. Сокольникова1, К.В. Суслов2, П. Ломбарди3

Иркутский национальный исследовательский технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.

Институт организации и автоматизации промышленного производства Fraunhofer IFF, 39106, ФРГ, г. Магдебург, Sandtorstrasse, 22.

В настоящее время одним из основных направлений развития энергосистем является увеличение доли распределенной генерации с использованием возобновляемых источников энергии (ВИЭ). Очевидно, что возобновляемые источники энергии, такие как ветровая и солнечная, носят непостоянный характер, так как находятся в зависимости от погодных условий. При этом, учитывая нестационарность производства электроэнергии при помощи ВИЭ, дизельные электростанции могут выполнять функции резервных. Кроме того, целесообразно для этой цели рассматривать накопители энергии. Актуальны также управление электропотреблением и активизация роли потребителей в этом процессе. В статье исследована взаимосвязь между величиной генерации от ВИЭ и параметрами накопителя энергии для изолированной энергосистемы с активными потребителями. Ключевые слова: возобновляемые источники энергии; изолированные энергосистемы; microgrid; накопитель энергии; смешанное целочисленное линейное программирование.

DETERMINING OPTIMAL ENERGY STORAGE PARAMETERS FOR RENEWABLE

ENERGY SOURCES INTEGRATION IN ISOLATED ENERGY SYSTEMS WITH ACTIVE CONSUMERS

T.V. Sokolnikova, K.V. Suslov, P. Lombardi

Irkutsk National Research Technical University,

Сокольникова Татьяна Васильевна, аспирант, тел.: 89501312177, e-mail: stvz@list.ru Sokolnikova Tatiana, Postgraduate, tel.: 89501312177, e-mail: stvz@list.ru

2Суслов Константин Витальевич, кандидат технических наук, доцент кафедры электроснабжения и электротехники, тел.: 89148704673, e-mail: dr.souslov@yandex.ru

Suslov Konstantin, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Power Supply and Electrical Engineering, tel.: 89148704673, e-mail: dr.souslov@yandex.ru

3Ломбарди Пио, кандидат технических наук, ведущий научный сотрудник института организации и автоматизации промышленного производства Fraunhofer IFF, тел.: +49 (391) 4090384; e-mail: pio.lombardi@iff.fraunhofer.de

Lombardi Pio, Candidate of technical sciences, Leading Researcher of the Institute of Organization and Automation of Industrial Production Fraunhofer IFF, tel.: +49 (391) 4090384; e-mail: pio.lombardi@iff.fraunhofer.de

83 Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russia.

Fraunhofer Institute for Factory Operation and Automation IFF Magdeburg, 22 Sandtorstrasse, Magdeburg, 39106, Germany.

One of the main directions in the development of energy systems today is the increased use of distributed generation with a large participation of renewable energy sources (RES). The truth of the matter lies in the fact that renewable energy sources (wind energy, solar energy) are not of permanent nature since they depend on weather conditions. Considering nonstationary character of energy production by means of renewable energy sources, diesel power stations can operate as reserve ones. Besides, it is advisable to use energy storage systems for this purpose. Also the control of electric energy consumption and activation of the role of consumers in this process are relevant. The article studies the correlation between the generation of power from renewable energy sources and the parameters of the energy storage for an isolated energy system with active consumers.

Keywords: renewable sources of energy; isolated power systems; microgrid; energy storage (systems); mixed integer linear programming.

Введение

Использование возобновляемых источников энергии (ВИЭ) в качестве альтернативы традиционным источникам энергии становится приоритетным направлением энергетической политики различных стран мира.

В Энергетической стратегии России на период до 2030 г. также предусматривается использование ВИЭ и планируется замещение 20 млн т. у. т. традиционных энергоносителей за счет возобновляемых источников энергии [1]. Россия обладает огромным запасом ВИЭ. Их технический и энергетический потенциалы составляют соответственно, млн т. у. т./год) [3]: малая гидроэнергетика - 125 и 65; геотермальная энергия -2х1013 и 115; энергия биомассы - 53 и 35; энергия ветра - 2000 и 10; солнечная энергия - 2300 и 12,5.

Однако их использование незначительно, а в некоторых регионах страны практически отсутствует. При этом две трети территории нашей страны - это удаленные районы Крайнего Севера, Дальнего Востока и Восточной Сибири, не имеющие централизованного электроснабжения. На этих территориях строи-

тельство крупных электростанций в ряде случаев нецелесообразно либо неоправданно с экономической точки зрения [4].

На рис. 1 показаны зона централизованного электроснабжения от объединенной энергосистемы и локальные энергоузлы. На остальной территории расположено большое количество изолированных от энергосистем потребителей, энергоснабжение которых осуществляется от автономных энергоисточников малой мощности.

Электроснабжение таких районов осуществляется, в основном, дизельными электростанциями на дорогом привозном топливе, хотя в ряде случаев, как показывают исследования, использование ВЭИ экономически и технически целесообразно. При этом, учитывая нестационарность производства электроэнергии при помощи ВИЭ, дизельные электростанции могут выполнять функции резервных. Кроме того, целесообразно для этой цели рассматривать накопители энергии. Актуальны также управление электропотреблением и активизация роли потребителей в этом процессе [4, 7, 8].

Рис. 1. Зонирование территории России по степени централизации электроснабжения

Накопители электрической энергии

Как уже упоминалось выше, накопители электрической энергии играют важную роль в изолированной электроэнергетической системе. Системы накопителей энергии заряжаются во время наличия избыточной мощности вырабатываемой генераторами системы над мощностью потребителей и обеспечивают необходимый баланс мощностей в изолированной системе во время недостойной мощности генерации.

Существует много различных классификаций накопителей электрической энергии [2, 5, 6]. По одной из них накопители классифицированы согласно двум критериям (метод двух критериев) - системе оценки мощности и времени разряда до номинальной мощности [2]. Используя данный метод, можно выделить области применения накопителей: качество энергии, поддержка мощности и управления энергопотреблением. На рис. 2 приведен сравнительный анализ различных типов накопителей, основанный на данном методе.

чем спрос, в то время как отрицательные значения показывают противоположные ситуации, когда спрос выше, чем генерация. Накопитель энергии может быть использован для уменьшения этих несбалансированных ситуаций.

Рис. 3. Профиль баланса мощности

• Ограничение максимальной нагрузки

• Регулирование нагрузки

• Торговля большими объёмами энергии

• Внедрение стохастических ВИЭ

• Изолированная сеть

• Вращающийся резерв

• Способность черного старта

•Непрерывное обеспечение энергии

• Компенсация колебаний

• Коррекция падения напряжения

0,001 0,01 0,1 1 10 100 1000 10000 Номинальная мощность, МВт

Рис. 2. Сравнительный анализ различных типов накопителей энергии [8]

Помимо энергетических затрат, накопители имеют также высокую экономическую стоимость. Эти расходы колеблются в диапазоне от нескольких сотен евро за кВт (для некоторых технологий батарей) до более чем 8000 евро [5, 6].

Моделирование и расчет оптимальных параметров накопителя электрической энергии

Очевидно, что, исходя из технических (прежде всего с точки зрения надежности) и экономических соображений, чрезвычайно важно определить оптимальные параметры накопителей, используемых в изолированных энергосистемах. Моделирование главным образом основано на определении двух параметров: мощности и емкости накопителя [9-12]. После определения этих двух параметров может быть выбран тип накопителя энергии в соответствии с заявленной областью их применения.

На рис. 3 представлен профиль энергетического баланса. Нулевое значение отображает ситуацию, в которой система сбалансирована.

Положительные значения представляют несбалансированные ситуации, в которых генерация выше,

Мощность накопителя рассчитывают по следующей формуле:

Рнакоп = max М >

где АР - разность между номинальной мощностью источников генерации в изолированной системе и мощностью потребителей для данного режима. Емкость накопителя вычисляется по формуле: ;

F = -

нак

тах (

Лн,

где 77нж - эффективность зарядки и разрядки накопителя.

При исследовании был рассмотрен пример автономной энергосистемы с применением технологии microgrid. Данная система состоит из четырех традиционных генераторов, работающих на дизельном топливе, а также ветрогенератора солнечной электростанции (рис. 4) и накопителя электрической энергии.

Рис. 4. Исследуемая изолированная энергосистема

При моделировании были использованы данные о выработке электроэнергии с помощью ветрогенерато-ров и солнечных батарей. А также были учтены графики нагрузки потребителей в исследуемой изолированной системе.

5 0,1000

0,0100

0,0010

0,0001

Продолжительность работы ветрогенератора составила 1580 часов в год, а солнечной электростанции - 912 часов в год.

Потребители изолированной энергосистемы имеют максимальный и минимальный спрос (1 МВт и 0,136 МВт соответственно), а ежегодный спрос на электроэнергию составил 3 723 МВт. Для того чтобы проверить связь между генерируемой мощностью от ВИЭ и необходимой емкостью накопителя, были смоделированы одиннадцать сценариев. В первом случае требуемая энергия полностью генерируется при помощи четырех традиционных генераторов, в то время как в последнем сценарии она полностью вырабатывается ветрогенератором и фотоэлектрической станцией. Во всех сценариях рассматривался накопитель энергии. Энергия, произведенная от ВИЭ, учитывалась в расчетах поровну между ветровой и фотоэлектрической станциями. Табл. 1 описывает установленные мощности для каждой технологии в каждом сценарии. В первой колонке в скобках указана доля ВИЭ для каждого сценария генерации.

Установленная мощность накопителя энергии была рассчитана как разница между суммой установленной мощности генерируемой ВИЭ и минимальной мощностью нагрузки:

Рнак = {Рвг + Рфэ) - т1п

где Рвг - мощность, генерируемая ветроагрегатом; Рфэ - мощность, генерируемая фотоэлементами; Рнагр - мощность нагрузки.

Для определения стоимости

электроэнергии дизельными генераторами была использована следующая квадратичная функция:

С(Р) = а^Р2 + Ь^Р + с.

В табл. 2. приведены данные по традиционным генераторам, работающим на дизельном топливе.

Поскольку для исследования был выбран алгоритм целочисленного линейного программирования, функция стоимости была линеаризована. Таким образом, вместо квадратичной функции были рассчитаны кусочно-линейные функции.

Целевая функция представлена следующим выражением:

= тт^С^Р^,

где С - стоимость генераторов; ui - бинарная переменная; Pi - произведенная мощность от генератора ¡.

Ограничения задачи оптимизации приведены в следующих соотношениях:

^ ' ^ (0 Рнагр(0 ^вг(0 ^фэ(0 ± Рнак зар/раз(0 ^^ ¡ = 1

и1 • Р™п <Р1<иг РГХ, где Рнагр - мощность нагрузки в изолированной энего-системе; Рвг - мощность, генерируемая ветроагрегатом; Рфэ - мощность, генерируемая фотоэлементами; Рнак зар/раз - мощность, используемая или выдаваемая накопителем электрической энергии.

вырабатываемой Установленная мощность генераторов в каждом сценарии

Таблица 1

Сценарии Дизельный генератор № 1, МВт Дизельный генератор № 2, МВт Дизельный генератор № 3, МВт Дизельный генератор № 4, МВт Ветрогенратор, МВт Солнечные батареи, МВт

I (0%) 0,25 0,25 0,25 0,25 0 0

II (10%) 0,225 0,225 0,225 0,225 0,18 0,2

III (20%) 0,2 0,2 0,2 0,2 0,23 0,4

IV (30%) 0,175 0,175 0,175 0,175 0,35 0,61

V (40%) 0,15 0,15 0,15 0,15 0,47 0,81

VI (50%) 0,125 0,125 0,125 0,125 0,59 1,02

VII(60% 0,1 0,1 0,1 0,1 0,7 1,22

VI11 (70% 0,075 0,075 0,075 0,075 0,82 1,43

IX (80%) 0,05 0,05 0,05 0,05 0,94 1,63

X (90%) 0,025 0,025 0,025 0,025 1,06 1,84

XI (100%) 0 0 0 0 1,18 2,04

Таблица 2

Данные дизельных генераторов_

Генератор Максимальная мощность Ртах, МВт Минимальная мощность Ртт, МВт Коэффициент стоимости топлива

а, евро/МВт-ч Ь, евро/МВт-ч с, евро/ ч

1 0,25 0 0,01 30 109

2 0,25 0 0,023 42 97

3 0,25 0 0,026 32 109

4 0,25 0 0,024 97 100

Величина Рнакоп.зар/раз является положительной, если накопитель заряжается, и отрицательной, когда он разряжается.

Одной из основных целей данного исследования является также определение оптимальной емкости накопителя для анализируемой системы

Для достижения этой цели была решена вторая задача оптимизации. Проблема заключается в том, чтобы свести к минимуму общую сумму ежегодных расходов энергосистемы:

С = С + С + С + С

Сгод Стоп ' Синв ' Сдеф ' Спот' \ /

где Стоп - расходы на топливо; Синв - дисконтированные инвестиционные затраты; Сдеф - затраты на недо-отпуск электроэнергии вследствие недостаточности емкости накопителя; Спот - стоимость неиспользуемой (потерянной) энергии от ВИЭ в том случае, когда накопитель полностью заряжен

В связи с вышесказанным оптимизационная функция будет выглядеть следующим образом:

ОЕ2 = тт

система полностью обеспечивается энергией с использованием энергии от солнечных батарей, то требуется накопитель мощностью 80 МВт. Питание изолированных систем только с помощью ветрогенерато-ров уменьшает емкость накопителя почти до 25 МВт, как показано на рис. 7.

16х106

0 2 4 6 8 10 12 14 16

Емкость накопителя, час

Рис. 5. Совокупные годовые расходы, связанные с долей ВИЭ и емкостью накопителя

Так же, как и в предыдущем случае, было рассмотрено одиннадцать сценариев (см. табл. 1.) При расчетах величина энергии, вырабатываемой от ВИЭ, принималась в следующей пропорции: 50% энергии генерируется ветроагрегатом и 50% - фотоэлектрическими преобразователями.

Инвестиционные затраты на накопитель энергии были приняты из расчета 2500 €/кВт-ч. Срок службы накопителя составляет 10 лет. Расходы в связи с выключением нагрузок были оценены с использованием значения потерянной нагрузки. Эта величина зависит от вида нагрузки, которая должна быть выключена. Для промышленных и коммерческих грузов она колеблется между 10 000 и 40 000 € за МВт [4, 8]. Наконец, авторы предположили, что затраты на недопроизводства от ВИЭ может быть оценена как 200 € за МВт-ч.

Были оценены совокупные годовые затраты для каждого сценария. Анализ показал, что рост количества энергии, вырабатываемой ВИЭ, требует увеличения емкости накопителя (рис. 5.).

Инвестиции на установку накопителя становятся рентабельными только в том случае, если энергия, вырабатываемая от ВИЭ, составляет более 30% от годового потребления. Это, в основном, зависит от предполагаемой величины недоотпущенной мощности потребителям. Увеличение этого значения ведет к увеличению рентабельности накопителя и тогда, когда доля ВИЭ меньше чем 30%.

Если энергосистема полностью использует энергию, генерируемую от возобновляемых источников, накопитель с установленной мощностью 3 МВт и емкостью 7 часов является оптимальным выбором (рис. 6).

Был проведен анализ чувствительности, т.е. проанализировано влияние типа генерации с помощью ВИЭ на емкость накопителя. Например, если энерго-

10 20 30 40 50 60 70 80 90 Доля генерации от возобновляемых источников энергии, %

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1 Доля генерации от возобновляемых источников энергии, %

Рис. 6. Оптимальные параметры накопителей электрической энергии для разных долей генерации от ВИЭ

V

т 80

m

70

u

60

г

m 50

I

_ü 40

v

Z> Ф 30

к

I 20

С

s 10

г

и

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 10С Доля генерации от возобновляемых источников энергии, %

Рис. 7 Анализ чувствительности: 1 - доля ветрогенерации 0 %, солнечной генерации 100%; 2 - доля ветрогенерации 110 %, солнечной генерации 0%; 3 - доля ветрогенерации 50 %, солнечной генерации 50%

8

6

2

3

4

2

3

Выводы

Влияние между генерируемой энергией, основанной на технологиях с использованием возобновляемых источников энергии и оптимальной емкостью накопителя, было проанализировано в пределах изолированной системы электроснабжения. Анализ показывает, что оптимальная емкость накопителя зависит в основном от трех факторов: количества энергии, вырабатываемой возобновляемыми источниками энергии, типа возобновляемых источников энергии и

Библиограф

1. Энергетическая стратегия России на период до 2030 года. [Электронный ресурс] // URL: http://www.minenergo.gov.ru/ aboutminen/energostrategy/ (12.08.2015).

2. Возобновляемые источники энергии: Теоретические основы, технологии, технические характеристики, экономика / под ред. З.А. Стычинского, Н.И. Воропай. Магдебург: MAFO, 2010. 223 с.

3. Воропай Н.И. Предпосылки и перспективы развития распределенной генерации в электроэнергетических системах // Энергетика: управление, качество и эффективность использования энергоресурсов // Сб. докладов Всеросс. науч.-техн. конф. (Благовещенск, октябрь, 2005). Благовещенск: Изд-во АмГУ. С. 28-33.

4. Иванова И.Ю., Тугузова Т.Ф., Попов С.П. Развитие малой энергетики на северо-востоке России: проблемы, эффективность, приоритеты // Труды Международной научно-практической конференции «Малая энергетика - 2006». Москва: ОАО «Малая энергетика», 2006. С. 24-30.

5. Akinyele D.O., Rayudu R.K. Review of energy storage technologies for sustainable power networks // Sustainable Energy Technologies and Assessments. 2014. № 8. Р. 74-91.

6. Kousksou T., Bruel P., Jamil A., Rhafiki T., Zeraouli Y. Energy storage: Applications and challenges // Solar EnergyMaterials &

стоимости недоотпуска электроэнергии

Определено, что установка накопителя электрической энергии становится рентабельной только в том случае, если более 30% от годовой генерации составит электроэнергия, выработанная от возобновляемых источников энергии. Это, в основном, зависит от предполагаемой величины недоотпуска электроэнергии потребителям.

Статья поступила 29.09.2015 г.

ский список

Solar Cells. 2014. № 120. Р. 59-80.

7. Lombardi P., Stötzer M., Styczynski Z., Orths A. Multi-criteria optimization of an energy storage system within a Virtual Power Plant architecture // 2011 IEEE Power Engineering Society General Meeting Conf., Detroit, USA. Р. 345-350.

8. Lombardi P., Vasquez P., Styczynski Z.A. Optimised autonomous power system//

CIGRE / IEEE PES Joint Symposium: Integration of Wide-Scale Renewable Resources into the Power Delivery System, 2009. 13 p.

9. Schoenung S. Energy Storage System Costs Update. // Sandia National Laboratories. SAND - 2011. 2011. P. 27-30.

10. Sokolnikova T., Energy storage modeling and optimal dimensioning for smart. Grid // The Power Grid of the Future. Proceeding No. 1. Magdeburg: MAFO. 2012. P. 57-62.

11. Sokolnikova T., Lombardi P., Suslov K., Hauer I., Styczynski Z.A. Use of an economic index for optimal storage dimensioning within an autonomous power system // IEEE Grenoble Conference Power Tech, POWERTECH 2013. 2013. P. 345-349.

12. Sokolnikova T., Lombardi P. Energy Storage Systems, modeling and simulations // 5 International conference on Liberauza-tion and modernization of power system: smart technologies for joint operation of power grid. Irkutsk, 2012. P. 67-86.