Алгоритм формирования графиков электрических нагрузок предприятия с применением аккумуляторных батарей в качестве потребителей-регуляторов мощности

На правах рукописи

БРАГИН Антон Александрович

Алгоритм формирования графиков электрических нагрузок предприятия с ПРИМЕНЕНИЕМ АККУМУЛЯТОРНЫХ БАТАРЕЙ В КАЧЕСТВЕ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ-РЕГУЛЯТОРОВ мощности

Специальность 05.09.03 – Электротехнические комплексы и системы

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ - 2013

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Национальный минерально-сырьевой университет «Горный».

Научный руководитель -

доктор технических наук, доцент

Шклярский Ярослав Элиевич

Официальные оппоненты:

Фролов Владимир Яковлевич

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО “Санкт-Петербургский государственный политехнический университет”, кафедра электротехники и электроэнергетики, заведующий кафедрой.

Лозовский Сергей Евгеньевич

кандидат технических наук, ООО “М-ПРО”, заместитель генерального директора.

Ведущая организация - ФГАОУ ВПО “Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения”.

Защита состоится 7 июня 2013 г. в 17 ч 00 мин на заседании диссертационного совета Д 212.224.07 при Национальном минерально-сырьевом университете "Горный" по адресу: 199106, г. Санкт-Петербург, В.О., 21-я линия, д. 2, ауд. 7212.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке национального минерально-сырьевого университета "Горный".

Автореферат разослан 6 мая 2013 г.

УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ

диссертационного совета Габов Виктор Васильевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования

Вопросы энергоэффективного производства, передачи и потребления электрической энергии взаимосвязаны между собой. Большую долю в выработке электроэнергии составляет энергия, полученная из органического топлива: газа, угля, нефтепродуктов и т.д. Процессы сжигания органического топлива и потребления электрической энергии разделяются во времени и их взаимосвязь ограничивается возможностями накопления энергии и её сохранения.

Одним из основных интегральных показателей энергоэффективности использования поступающей на предприятие энергии является график электрической нагрузки.

Неравномерный суточный график нагрузки снижает энергоэффективность производства, передачи и потребления электроэнергии. На каждом из этих этапов требуется установка дорогостоящего оборудования с завышенными характеристиками, которое работает на своих номинальных значениях лишь незначительный промежуток времени.

Дополнительной проблемой является увеличение потерь электроэнергии в сетях в связи с неравномерностью графика нагрузки. Это значительно влияет на срок службы электрических сетей, в особенности кабельных линий.

В настоящее время интенсивное развитие получили устройства по накоплению энергии, среди которых следует, прежде всего, выделить аккумуляторные батареи и конденсаторы большой емкости. Появилась возможность использовать их в условиях различной тарифной политики энергоснабжающих организаций, позволяющая существенно повысить энергоэффективность предприятий.

Разработка подхода к рациональному использованию накопителей энергии с учетом исходного переменного графика нагрузки позволит существенно снизить не только затраты на потребление электроэнергии предприятием, но и снизить затраты при её производстве.

Отсюда следует, что тема работы является актуальной, так как связана напрямую с энергоэффективностью электротехнических комплексов и систем. Отсюда же следуют цель и задачи исследования.

Степень разработанности темы исследования

Регулированием графиков нагрузки электротехнических комплексов занимался ряд известных ученых: Г.С. Хронусов, В.В. Михайлов, Б.П. Лебедев, Б.Н. Абрамович, А.В. Проховник, Ю.Н. Астахов и др.

Однако способы регулирования графиков нагрузки были направлены, прежде всего, на регулирование самой нагрузки предприятия без учета возможного применения накопителей энергии.

На данный момент нет четкого подхода к формированию графиков нагрузки с учетом применения накопителей электроэнергии и в связи с этим не решены задачи, направленные на их эффективное использование.

Цель работы

Повышение энергоэффективности производства и передачи электрической энергии в электротехническом комплексе предприятия путем регулирования режимов электропотребления с использованием аккумуляторных батарей различных типов в качестве потребителей-регуляторов мощности.

Основные задачи исследований

1. Анализ энергоэффективности режимов работы электрических сетей в зависимости от формы графика нагрузки электротехнического комплекса.

2. Определение зависимости энергоэффективности работы электрической сети от степени равномерности графика нагрузки.

3. Выявление зависимостей требуемой степени выравнивания нагрузки от коэффициента формы графика нагрузки, коэффициента нагрева и потерь электроэнергии.

4. Разработка методики формирования графиков нагрузки при использовании накопителей энергии.

5. Разработка алгоритма выбора параметров накопителей энергии с учетом выравнивания нагрузки.

Идея работы

Для выравнивания графика нагрузки электротехнического комплекса следует применять накопители электроэнергии, что позволит без изменения технологического процесса, режима работы предприятия и замены действующего оборудования повысить его энергоэффективность.

Методология и методы исследования

В работе использованы методы теории электрических цепей, систем электроснабжения электротехнических комплексов, математическое моделирование и алгоритмизация, с последующей реализацией в виде компьютерных программ с использованием пакета Microsoft Visual Studio.

Научная новизна

1) Выявлены зависимости требуемой степени выравнивания нагрузки от коэффициента формы графика нагрузки, коэффициента нагрева и потерь электроэнергии, определяющие параметры системы накопителей электроэнергии.

2) Обоснован алгоритм выбора параметров системы накопителей электроэнергии, включающий разработанную методику упрощенного анализа их эффективности, позволяющую с заданной точностью обеспечить необходимую степень выравнивания нагрузки.

Положения, выносимые на защиту

1) Расчетную величину суммарных потерь энергии в электрических сетях предприятий следует определять независимо от их конфигурации на основе полученных зависимостей коэффициента нагрева от коэффициента формы графика нагрузки, что позволяет проводить анализ изменения потерь на нагрев проводников в зависимости от формы графика нагрузки.

2) Выбор структуры и параметров системы накопителей электроэнергии с применением аккумуляторных батарей, используемых при регулировании графика нагрузки, должен основываться на требуемых степени выравнивания нагрузки, коэффициенте формы, коэффициенте нагрева, характеристиках мест подключения накопителей при максимально возможном снижении потерь электроэнергии, что повысит энергоэффективность электротехнического комплекса предприятия.

Достоверность научных результатов базируется на фундаментальных положениях теории электроснабжения и использовании современных прогрессивных методов исследования, включающих математическое и компьютерное моделирование при достаточной сходимости их результатов, подтвержденных практической реализацией на существующих системах электроснабжения электротехнических комплексов предприятий.

Теоретическая и практическая значимость работы

1) Разработана методика определения тип аккумуляторных батарей и оптимального места их подключения.

2) Разработана методика определения относительного изменения потерь электроэнергии в сетях в зависимости от изменения графика потребления узла нагрузки.

Реализация выводов и рекомендаций работы

Рекомендации по выбору параметров накопителей электроэнергии и места их установки с целью снижения издержек и повышения энергоэффективности предприятия переданы в ООО «Финпром-Инжиниринг».

Личный вклад автора

Разработан алгоритм выбора параметров накопителей энергии с учетом выравнивания нагрузки, разработана методика формирования графиков нагрузки при использовании накопителей энергии, определена зависимость энергоэффективности работы электрической сети от степени равномерности графика нагрузки.

Апробация результатов

Основные положения и результаты работы докладывались и получили положительную оценку на IV международной научно-практической конференции "Достижения молодых ученых в развитии инновационных процессов в экономике, науке, образовании" (г. Брянск “БГТУ”), XIII Международной молодежной научной конференции “Севергеоэкотех-2012” (г. Ухта “УГТУ”).

Публикации

По теме диссертации опубликовано 5 печатных работ, в том числе 3 в научных изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, 4 приложений, содержит 60 рисунков, 13 таблиц, список литературы из 88 наименований. Общий объем диссертации составляет 130 страниц.

В   главе   1 приведены научно-технические проблемы регулирования графиков потребления электроэнергии, снижения удельного расхода органического топлива, проведен анализ суточных графиков потребления энергии крупных узлов нагрузки.

В   главе   2 приведено математическое моделирование процессов потребления энергии и влияния параметров суточного графика электропотребления на потери в сетях и удельный расход органического топлива.

В   главе   3 получен алгоритм перераспределения суточного потребления энергии в зависимости от ограничений энергосистемы.

В   главе   4 приведено регулирование электропотребления предприятия и применение структуры многоуровневого инвертора для разряда аккумуляторных батарей.

Заключение отображает обобщенные выводы по результатам исследований в соответствии с целью и решаемыми задачами.

ЗАЩИЩАЕМЫЕ НАУЧНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1) Расчетную величину суммарных потерь энергии в электрических сетях предприятий следует определять независимо от их конфигурации на основе полученных зависимостей коэффициента нагрева от коэффициента формы графика нагрузки, что позволяет проводить анализ превышения потерь на нагрев проводников в зависимости от формы графика нагрузки.

Особого внимания заслуживают потери энергии в электросетях, являющиеся крайне негативным явлением, избежать которого невозможно, но в случае регулирования потребления электроэнергии достигается их сокращение. Основная часть этих потерь приходится на тепловой нагрев проводников, который пропорционален квадрату протекающего в них тока.

Установлено, что при равномерной передаче равного количества энергии по одной и той же линии, при одинаковом напряжении, но за разное время (,- ток в проводнике за время и соответственно).

Отношение потерь энергии можно представить в виде:

, (1)

где W1 и W2 - потери энергии на нагрев проводников в случае передачи за время и соответственно, R – сопротивление проводника.

Из выражения (1) видно, что в простейшем случае выравнивания нагрузки, потребляемая на нагрев проводников мощность характеризуется отношением времени питания нагрузки. Очевидно, что для расчета сокращения потерь можно применить выражение, которое определим как коэффициент нагрева проводников (КНП). Если речь идет о максимальном выравнивании нагрузки до равномерного потребления – добавляется индекс м (КНПМ), что является частным случаем КНП. В общем виде КНП представлен формулой (2):

(2)

На практике равномерные графики нагрузки встречаются крайне редко. Обычно используют графики нагрузки с интервалом осреднения (Тоср- время осреднения). В таком случае примет вид:

. (3)

Коэффициент формы графика нагрузки (КФ). характеризует потери на нагрев проводников при неравномерном потреблении относительно равномерной нагрузки.

Для вычисления потерь на нагрев, обусловленных неравномерностью графика была определена связь КНПМ и КФ.

. (4)

Величина Kф возрастает при пиковом характере графика нагрузки. Поэтому, в принципе, для отдельных электроприемников (ЭП), работающих в повторно-кратковременных режимах, эта величина больше, чем для группы таких ЭП.

График зависимости КНПМ от KФ показан на рисунке 1.

Рисунок 1 - Зависимость КНПМ от Kф

Следует отметить, что снижение потерь в линиях, входящих в состав узла нагрузки (за исключением подводящих) будет, вероятно, больше чем в подводящих сетях (рисунок 1). Объясняется это тем, что к узлу нагрузки подведены линии, питающие более мелкие потребители, чьи графики нагрузки более неравномерны и имеют больший коэффициент формы.

Обычно, значение Kф изменяется от 1,02 до 1,15 в зависимости от параметров узла нагрузки (группа промышленных потребителей, цех, предприятие). В этом случае Кнпм колеблется от 0,04 до 0,24.

Расчет Кнпм на примере графика нагрузки промышленного предприятия, представленного на рисунке 2, дал следующие результаты (расчет производился в относительных единицах, за базисную принята мощность, равная 20 МВт):

Рисунок 2 - Суточный график нагрузки промышленного предприятия

Эффективное значение мощности:

(5)

Среднее значение мощности:

(6)

Коэффициент формы:

. (7)

Коэффициент нагрева проводников (максимальный):

. (8)

Исходя из полученного значения Кнпм, можно сказать, что 11,1% от потерь на нагрев проводников, в подводящих к данному предприятию сетях можно избежать выравниванием графика нагрузки. С большой долей вероятности можно сказать, что аналогичные потери во внутренних сетях предприятия превышают 11,1 %.

Используя зависимость КНПМ от KФ можно быстро оценивать изменение потерь в электросетях при выравнивании потребления электроэнергии. Для этого достаточно графика нагрузки предприятия, причем схемы электроснабжения не обязательны.

Таким образом, потери в электросетях можно значительно сократить путем выравнивания графика нагрузки, что может привести к существенному уменьшению потерь электроэнергии и увеличению энергоэффективности предприятия.

2) Выбор структуры и параметров системы накопителей электроэнергии с применением аккумуляторных батарей, используемых при регулировании графика нагрузки, должен основываться на требуемых степени выравнивания нагрузки, коэффициенте формы, коэффициенте нагрева, характеристиках мест подключения накопителей при максимально возможном снижении потерь электроэнергии, что повысит энергоэффективность электротехнического комплекса предприятия.

Одной из особенностей накопителей электроэнергии (НЭ) в виде аккумуляторных батарей (АКБ) является их способность запасать электрическую энергию в часы минимального потребления и возвращать её в сеть в часы максимального потребления электроэнергии.

Выбор координат подключения накопителя электроэнергии обусловлен множеством технико-экономических факторов, связан с нахождением компромиссов между ними и задачами, которые должен решать накопитель энергии для данной сети или узла нагрузки.

Применение накопителя энергии для регулирования нагрузки в уже действующем электротехническом комплексе позволит:

• выровнять график нагрузки;
• снизить потери энергии в электросетях;
• снизить затраты на оплату электроэнергии;
• снизить потери напряжения;
• подключить дополнительные потребители (если есть необходимость);
• повысить качество электрической энергии в соответствии с требованиями ГОСТ Р 54149-2010.

Установлено, что прирост удельной экономии средств на оплату электроэнергии (Э’) от перераспределения энергии меняется нелинейно в зависимости от емкости аккумуляторных батарей и вида тарифа, что показано на рисунках 3 и 4.

Рисунок 3 - Прирост удельной экономии средств на оплату электроэнергии (Э’) в зависимости от емкости АКБ (WАКБ) при двуставочном тарифе

Из рисунка 3 видно, что прирост удельной экономии нелинейно снижается в I-й части графика, это связано с неравномерным, пиковым характером графика. Далее график принимает установившееся значение (участок II, Э’уст – установившееся значение прироста удельной экономии средств на оплату электроэнергии от перераспределения энергии), это происходит, когда пиковые участки графика полностью перераспределены и происходит перенос остальной части энергии из зоны максимума энергосистемы. Далее прирост экономии от перераспределения становится равным 0 (участок III, Wполн – значение емкости аккумуляторной батареи при котором происходит перераспределение всей энергии из зоны часов максимума энергосистемы), это происходит в случае полного перераспределения энергии из зоны максимума энергосистемы.

Рисунок 4 - Прирост удельной экономии средств на оплату электроэнергии (Э’) в зависимости от емкости АКБ (WАКБ) при дифференцированном тарифе

Из рисунка 4 следует, что прирост экономии от перераспределения меняется ступенчатым образом. Количество ступеней зависит от количества зон с различной стоимостью электроэнергии. Ступенчатое снижение происходит в случае полного перераспределения энергии из одной из зон, так же это может быть связано с началом переноса из другой зоны в связи с ограничениями энергосистемы.

Для определения места установки накопителя электроэнергии необходимо определится с рядом параметров, основными из которых является срок эксплуатации объекта для проектируемых объектов и оставшийся срок эксплуатации, для существующих. Следует знать КПД(), стоимость (ЦНЭ), стоимость обслуживания АКБ (ЦАНЭ) - включая амортизационные отчисления. Для двуставочного тарифа экономия денежных средств (ЭТ) за заданный интервал времени (ТЗ) составит:

(9)

где: – стоимость заявленной мощности; - снижение заявленной мощности; - цена потребленной энергии; - снижение потерь энергии на нагрев в i проводнике за ; - снижение потерь энергии в i трансформаторе за ; - снижение стоимости метра i проводника, за счет снижения его сечения; - длинна i проводника; - энергия, перераспределенная АКБ за ; - снижение стоимости i-го трансформатора.

Для дифференцированного по зонам суток тарифа формула примет вид:

(10)

где: - стоимость потребленной энергии в j тарифной зоне; - потребленная энергия в j тарифной зоне до ввода НЭ; - потребленная энергия в j тарифной зоне после ввода НЭ; m – число тарифных зон.

В общем виде можно записать:

(11)

На основе проведенных исследований разработан алгоритм для нахождения оптимального места подключения любого НЭ, включая АКБ, блок схема которого представлена на рисунке 5.

Рисунок 5 - Блок-схема алгоритма выбора места установки АКБ.

Как видно из блок-схемы на первых этапах вводятся значения параметров сети, обозначаются возможные места подключения НЭ и вводятся параметры АКБ. Вместе с этим вводятся значения срока службы объекта (ТСЛ) и расчетного времени работы (ТР=ТЗ). Это важные переменные для расчета, в связи с тем, что такие параметры, как экономия от выбора проводников с меньшим сечением и трансформаторов с меньшей номинальной мощностью дают весомый эффект в краткосрочной перспективе при вводе объекта. Экономия от снижения потерь на нагрев проводников дает ощутимый эффект в долгосрочной перспективе.

После ввода параметров происходит последовательное подключение НЭ в каждое из возможных мест с последующим перераспределением графика нагрузки и расчетом ЭТi по формуле 11 для каждой точки подключения. Далее происходит выбор максимального ЭТi – именно в этом месте наиболее выгодно производить установку АКБ.

Данный метод позволяет найти оптимальное расположение АКБ, по критерию максимальной экономии денежных средств, при известных его параметрах. Решение же задачи выбора АКБ с оптимальными параметрами совместно с выбором оптимального места его размещения является более сложным.

Накопители электроэнергии обладают следующими основными параметрами: емкость, КПД, срок службы, количество циклов зарядки/разрядки, минимальное время зарядки, условия работы, вид исполнения, масса, потери емкости от саморазряда, периодичность обслуживания.

Выбор места подключения и параметров АКБ является сложной многофакторной задачей. Для её решения необходимо учитывать большое количество различных факторов, касающихся параметров системы энергоснабжения, АКБ, используемых тарифов, что осуществляется путем использования разработанного алгоритма, представленного на рисунке 6.

Алгоритм можно разделить на 3 крупных блока I,II,III и отдельную процедуру вычисления для j-го места подключения k-го АКБ. Для того, чтобы преступить к работе необходимо проделать шаги описанные выше и составить список мест подключения АКБ и список АКБ удовлетворяющих техническому заданию. Далее нужно ввести время эксплуатации объекта (Тэ, лет) и время для которого рассчитывается (Тр, лет; Тр<= Тэ).

Рисунок 6 - Блок-схема алгоритма выбора оптимального места подключения и параметров НЭ

Затем вводятся параметры электросети, графики нагрузки (действующие или расчетные) и вводятся составленные списки мест подключения и АКБ с их параметрами. Следующим шагом начинается перебор мест подключения и АКБ. Описанные выше операции относятся к I блоку. Далее в блоке II происходит перераспределения графика нагрузки относительно уже заданного с учетом j-го места подключения и k-го АКБ. Перераспределение происходит пока максимальная доступная емкость АКБ (Wнэмакс) больше емкости АКБ (Wнэ), который необходим для текущего распределения.

Иными словами в алгоритме учитывается, что в течение суточного графика могут неоднократно происходить циклы зарядки и разрядки НЭ в связи с этим выбирается накопитель электроэнергии с наименьшей емкостью. Сначала осуществляется поиск участка графика, из которого наиболее выгодно (Цiснижмакс - максимальная стоимость потребления энергии для участка текущего графика) перераспределить электроэнергию, затем осуществляется определение участка, в который наиболее выгодно перераспределить электроэнергию (Цiповмин - минимальная стоимость потребления энергии для участка текущего графика). Далее происходит перераспределение энергии и нахождение минимальной емкости АКБ для этого перераспределения (Wнэ).

Затем, когда перераспределенный график получен, происходит вычисление Этjk относительно заданного графика. Таким образом происходит до тех пор пока не будут перебраны все варианты места подключения и типов АКБ. В III блоке происходит выбор максимального Этjk, который соответствует наилучшим месту подключения и типу АКБ.

Таким образом, можно осуществить оптимальный выбор места подключения НЭ и его параметров.

В случае применения аккумуляторных батарей в качестве накопителя электроэнергии возникает вопрос снижения гармонических искажений тока и напряжения. Для его решения предложено использовать структуру многоуровневого инвертора, характерную для высоковольтного электропривода. Блоки аккумуляторных батарей будут разделены на ячейки и подключены в качестве звеньев постоянного тока. Это позволяет снизить искажения до пределов, установленных ГОСТ Р 54149-2010.

Заключение

Диссертация является законченной научно-квалификационной работой, в которой содержится решение актуальной научно-технической задачи выравнивания суточного графика нагрузки электротехнического комплекса предприятия.

Основные результаты работы заключаются в следующем:

1. Проведен анализ энергоэффективности электрических сетей в зависимости от регулирования графика нагрузки электротехнического комплекса.

2. Определена зависимости энергоэффективности работы электрической сети от степени равномерности графика нагрузки. Рассмотрен пример характерного суточного графика нагрузки предприятия. Установлено, что при выравнивании графика электропотребления потери энергии в сетях снизятся на 11,1%.

3. Установлена зависимость уменьшения потерь энергии в сети от степени выравнивания нагрузки. Определено, что для расчета сокращения потерь энергии целесообразно пользоваться коэффициентом нагрева проводников (Кнпм). Установлена зависимость Кнпм от коэффициента формы графика нагрузки (Кф), позволяющая при реальном изменении Кнпм (от 0,04 до 0,24) определить потери энергии в сети. Полученная зависимость позволяет оценить изменение потерь в электросетях при выравнивании потребления электроэнергии.

4. Разработан метод формирования графиков нагрузки при использовании накопителей энергии в виде аккумуляторных батарей. Полученная методика позволяет осуществлять формирование графиков нагрузки при различных тарифах на оплату электроэнергии: дифференцированном по зонам суток и двуставочном.

5. Разработан алгоритм выбора параметров накопителей энергии с учетом выравнивания нагрузки. Алгоритм позволяет выбирать оптимальное место установки и тип накопителя электроэнергии. В случае использования аккумуляторных батарей в качестве накопителя электроэнергии для снижения гармонических искажений тока и напряжения предложено использовать структуру многоуровневого инвертора, характерную для высоковольтного электропривода.

6. Рекомендации по выбору параметров накопителей электроэнергии и места их установки с целью снижения издержек и повышения энергоэффективности предприятия переданы в ООО «Финпром-Инжиниринг».

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Шклярский Я.Э., Брагин А.А. Рациональное формирование графика нагрузки электротехнического комплекса горного предприятия // Записки Горного института. – Т. 196. - СПб. – 2012. – С.281-284.
2. Шклярский Я.Э., Брагин А.А. Снижение потерь энергии в электрических сетях предприятий // Журнал “Известия ВУЗов. Горный журнал” № 1, 2013. - C. 99-103.
3. Шклярский Я.Э., Брагин А.А., Добуш В.С. Влияние гармонического состава тока и напряжения на мощность искажения // Электронный научный журнал "Нефтегазовое дело". №4. 2012 - С. 26-31. URL: http: //www.ogbus.ru /authors /Shklyarskii/ Shklyarskii_2.pdf.
4. Шклярский Я.Э., Брагин А.А., Добуш В.С. Исследование зависимости мощности искажения от гармонического состава тока и напряжения //  Сборник "Освоение минеральных ресурсов севера: проблемы и решения." Том 2, Воркутинский горный институт, 2010 - C. 399-404.
5. Добуш В.С., Брагин А.А. Влияние угла сдвига фаз на высших гармониках на расчет параметров цепи, содержащей нелинейную нагрузку // 2-я Международная научно-практическая конференция молодых ученых и студентов "Опыт прошлого - взгляд в будущее", Тула, 2012. – С.447-454.