Развитие и оптимизация режимов электроэнергетической системы с распределенными возобновляемыми источниками энергии методами искусственного интеллекта (на примере Республики Таджикистан)
ВВЕДЕНИЕ ………………………………………………………………………………………………………. 5
ГЛАВА 1. Потенциал возобновляемых источников энергии Республики
Таджикистан …………………………………………………………………………………………………… 14
1.1 Развитие мировой энергетики на основе возобновляемых и
нетрадиционных источников энергии ………………………………………………………….. 14
1.2 Возобновляемые энергетические ресурсы республики Таджикистан …….. 20
1.3 Выводы ……………………………………………………………………………………………….. 32
ГЛАВА 2. Особенности функционирования малых гидроэлектростанций в
условиях высокогорных районов Таджикистана ………………………………………………. 33
2.1 Постановка задачи ……………………………………………………………………………….. 33
2.2 Основные приоритеты использования малой генерации ……………………….. 35
2.3 Основные приоритеты использования гидроэлектростанции малой
генерации ……………………………………………………………………………………………………. 43
2.4 Методологические основы проектирования и строительства малых ГЭС 47
2.5 Выдача гарантированной мощности распределенных источников
генерации ВИЭ в зависимости от высоты расположения………………………………. 53
2.6 Основные понятия теории нечетких множеств и функции принадлежности
……………………………………………………………………………………………………………. 65
2.7 Математическая интерпретация классификации распределенных
возобновляемых источников энергии на основе нечетких моделей ………………. 69
2.8 Выводы ……………………………………………………………………………………………….. 74
ГЛАВА 3. Баланс мощности с учетом возобновляемых источников энергии ……. 76
3.1 Постановка задачи ……………………………………………………………………………….. 76
3.2 Общий и детализированный графики нагрузки Республики Таджикистан 77
3.3 Баланс мощности и электропотребления энергосистемы Таджикистана… 83
3.4 Баланс мощности от ветроэнергетических ресурсов ……………………………… 85
3.5 Возможности восстановления баланса энергии с помощью солнечной
энергетики …………………………………………………………………………………………………… 87
3.6 Доступный энергетический потенциал ВИЭ Таджикистана ………………….. 90
3.7 Покрытие дефицита годового графика нагрузки в осенне-зимнем периоде..
……………………………………………………………………………………………………………. 91
3.8 Выводы ……………………………………………………………………………………………….. 94
ГЛАВА 4. Оптимизация режимов гибридного энергетического центра (HUB) для
децентрализованного электроснабжения …………………………………………………………. 95
4.1 Постановка задачи ……………………………………………………………………………….. 95
4.2 Фундаментальное понятие и атрибуты энергетического центра ……………. 96
4.3 Энергетические системы центра на основе возобновляемых источников
энергии ……………………………………………………………………………………………………… 102
4.4 Многофакторная модель сцепления энергетического центра ………………. 103
4.5 Экономическое обоснование создания гибридного энергетического центра
………………………………………………………………………………………………………….. 115
4.6 Выводы ……………………………………………………………………………………………… 120
ГЛАВА 5. Анализ и оптимизация режимов локальных электрических сетей
электроэнергетической системы…………………………………………………………………….. 121
5.1 Постановка задачи ……………………………………………………………………………… 121
5.2 Алгоритмы роевого интеллекта для оптимизации режимов сетей ……….. 122
5.3 Алгоритм метода роевого интеллекта светлячков (Fire – fly) ………………. 126
5.4 Алгоритм выбора компенсирующих устройств на основе нечеткой логики .
………………………………………………………………………………………………………….. 130
5.5 Оптимизация разрешения компенсирующих устройств с помощью
алгоритма светлячков и дооптимизация градиентным методом ………………….. 135
5.6 Технико-экономическая оценка предлагаемых мероприятий ………………. 140
5.7 Результаты экспериментов на микромодели энергосистемы ……………….. 144
5.8 Выводы ……………………………………………………………………………………………… 146
ЗАКЛЮЧЕНИЕ …………………………………………………………………………………………….. 148
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ………………………………………………………………………………. 151
ПРИЛОЖЕНИЕ 1 ………………………………………………………………………………………….. 166
ПРИЛОЖЕНИЕ 2 ………………………………………………………………………………………….. 169
ПРИЛОЖЕНИЕ 3 ………………………………………………………………………………………….. 173
ПРИЛОЖЕНИЕ 4 ………………………………………………………………………………………….. 181
ПРИЛОЖЕНИЕ 5 ………………………………………………………………………………………….. 187
Актуальность темы исследования
За последние двадцать лет из-за дороговизны нефтепродуктов на мировом
рынке и самоликвидации Объединенной Энергетической Системы Средней Азии
на территории Таджикистана, перестали использовать дизельные установки
(ДЭС) для электроснабжения потребителей электроэнергии из-за дороговизны
дизельного топлива, как в частных, так и в общественных секторах экономики.
Особенно это касается высокогорных регионов, за пределами зоны влияния
национальной электроэнергетической системы (ЭЭС).
В качестве альтернативных источников электроэнергии Правительством
Республики Таджикистан предложен новый путь развития сельской
электрификации, суть которого заключается в общенациональном переходе к
использованию местных возобновляемых источников энергии (ВИЭ), включая
нетрадиционные ресурсы.
Для реализации этого были приняты ряд законов и постановлений,
Правительством Республики Таджикистан по программам краткосрочного,
среднесрочного и долгосрочного выполнения, развития и использования
возобновляемых источников энергии (солнечной, ветровой, биомассы,
гидравлической и других).
Главную роль в осуществлении этого процесса по объективным причинам и
обстоятельствам, а также прекрасным природным условиям предпочтение отдают
источникам малой генерации, как приоритетному стратегическому направлению
развития электроэнергетики высокогорных регионов Таджикистана.
Актуализация задачи использования ВИЭ состоит также в том, что эти
источники относятся к классам малые, мини и микро что обусловлено
незначительным количеством мощности, которые они генерируют,
гидроэлектростанции (ГЭС) в связи с использованием малых водотоков,
солнечные электростанции (СЭС) в связи с рассеянностью солнечной радиации и
ветроэлектростанции (ВЭС) в связи с слабыми значениями ветра из за рельефа
местности. С учетом вышесказанного эти виды энергии правомерно называть
распределенной генерации, так как они используются в Республике Таджикистан
в отдаленных населенных пунктах, включая высокогорные районы, не имеющие
электрической связи с центральной энергосистемой.
К сожалению, в настоящее время, большинство из этих построенных малых
и мини ГЭС не работают, а многие из них уже демонтированы. Отставшая часть
функционирует только в зимний период в течение 3-4 месяцев, притом работают,
с низкими гарантированными мощностями, всего лишь 10% от установленной
мощности. В основном причина неудовлетворительной работы является
неправильное определение гарантированной мощности ГЭС и их работу в составе
существующей энергосистемы.
Такой характер процесса отрицательного развития малой гидроэнергетики
на базе использования гидроэнергетических ресурсов небольших водотоков
Таджикистана, становится, закономерным он имеет тенденцию к увеличению,
становится достаточно чувствительным для экономики страны и ее
электроэнергетической системы. В конце концов, продолжение без эффективного
использования возобновляемых источников энергии дискредитирует саму идею
развития малой генерации в республике. В работе поставлена задача
исследования методологического подхода при разработке распределенной
генерации ВИЭ в высокогорных отдаленных локальных районах Таджикистана.
Вопросы развития ВИЭ и особенно малой гидроэнергетики Таджикистана
рассмотрены в работах разных учѐных и организаций.
В большинстве вышеперечисленных исследований внутри Таджикистана
авторы рассматривают различные аспекты проблемы малой гидроэнергетики
такие как: оценка гидроэнергетического потенциала малых рек республики;
проблемы ледообразования и шугохода; социально-экономические и
экологические безопасности и другие немаловажные вопросы. К сожалению,
исследование процессов организации и управления проектирования мини и малых
ГЭС, в особенности современного состояния методологических подходов их
применимости при разработках технико-экономических обоснований
строительства малых гидроэнергетических установок не нашли свое отражения.
Степень разработанности темы исследования
Необходимо отметить, что отдельные вопросы данной проблемы
исследовались и отражены в работах Д.С. Щавелева., В.Я. Карелина, В. В.
Вольшаника, Н. К. Малинина, Л. П. Михайлова, Т.А. Филипповой, Ю.А.
Секретарева, В.М. Горштейна, Е.В. Цветкова и других. Однако в работах этих
авторов не уделяется должное внимание оценки влияния местных факторов на
энергетические параметры проектируемых малых ГЭС, а также режимных
факторов на процесс выработки электроэнергии. Они не оценивают влияния
климатических и высотных факторов на выбор механического и
гидроэнергетического оборудования, естественных и искусственных водоемов на
увеличения производства электроэнергии и т.д. Практически при расчетах
установленной мощности не учитывают реальные значения гарантированной
мощности водотоков и их влияние на окончательное решение обоснованности
строительство малых ГЭС.
В последние годы широко начинают использовать другие возобновляемые
источники энергии (солнце, ветер) которое позволяет, покрыт дефицит
электроэнергии. Использование ВИЭ для оптимизации режимов работы
локальных электрических сетей, покрытие графиков нагрузки, с помощью
распределѐнной генерации требует дополнительного исследования. В работах В.
И. Виссарионовна, М.Г. Тягунова, Б.В. Лукутина, В.В. Велькина, В.З. Манусова,
С.Н. Удалова и др. отражены некоторые аспекты использования ВИЭ в качестве
распределѐнной генерации для разных регионов в зависимости от климатического
и географического расположения.
Идея работы: исследование и оптимизация режимов гибридных
электроэнергетических центров с учетом нетрадиционных и возобновляемых
источников энергии.
Цель и задачи работы. Разработка и исследования локальных
электроэнергетических систем Таджикистана, как гибридных энергетических
центров со сто процентным использованием распределенной генерации ВИЭ с
применением нечеткой логики и алгоритма роевого интеллекта.
Для достижения цели в работе поставлены и решены следующие задачи:
1. Анализ современного состояния проектирования и разработка методики
определения гарантированной мощности малых ГЭС от высоты
расположения над уровнем моря;
2. Математическое обоснование лингвистической классификации источников
распределенной генерации возобновляемой энергии (гидроресурсов,
солнечной, ветровой и др.) как пресекающихся нечетких интервалов на
основе нечетких моделей;
3. Исследовать возможность покрытия и сокращения дефицита активной
мощности за счет развития возобновляемых источников энергии (зеленой
энергии).
4. Развитие электроэнергетической системы путем создания энергетических
центров «HUB» с использованием и преобразованием энергии
возобновляемых источников;
5. Дать технико-экономическую оценку эффективности решения задач с
использованием ВИЭ;
6. Выбор узлов для размещения компенсирующих устройств в
распределительных сетях на основе нечеткой логики;
7. Оптимизация выбора мощности компенсирующих устройств с применением
алгоритма роевого интеллекта;
Научная новизна работы состоит в следующем:
1. Предложена и обоснована математическая интерпретация существующей
лингвистической классификации источников малой генерации на основе
нечетких моделей в форме функции принадлежности пересекающихся
классов;
2. Предложена и разработана новая модель гибридного энергетического
центра, как интегрированной системы возобновляемых источников энергии,
отличающейся их объединением и преобразованием на основе матрицы
сцепления;
3. Сформулирована и разработана система для оптимального размещения и
выбора компенсирующих устройств с выбором приоритетности узлов на
основе нечеткой логики;
4. Разработан метод оптимизации режимов по реактивной мощности с
использованием алгоритма светлячков роевого интеллекта (Fire-fly) с
возможностью дооптимизации градиентным методом.
Теоретическая значимость работы заключается в исследование
эффективного применения методов искусственного интеллекта в задачах
регулирования и оптимизации режимов по реактивной мощности, с учѐтом
распределенной генерации возобновляемых источников энергии.
Практическая значимость работы:
1. Выявлены значения гарантированной мощности ГЭС и доступной
мощности ВИЭ в зависимости от высоты их расположения над уровнем
моря, что позволяет принимать более эффективные решения.
2. Объединение и конвертирование источников ВИЭ в гибридном
энергетическом центре позволяет существенно улучшить электроснабжение
удаленных энергопотребителей, снизить тарифы и уменьшить бедность
населения.
3. Обоснована и доказана возможность устранения дефицита активной
мощности в осенне-зимнем периоде за счет комбинированного
использования распределенных источников ВИЭ.
4. Оптимизация режимов по размещению источников реактивной мощности, в
распределительных сетях позволило, снизить потери от 9 до 15%.
5. Результаты исследований нашли отражение в методических инструкциях по
подготовке инженерно технических кадров для проектных организаций и в
учебном процессе технического университета.
Методология диссертационного исследования. Методологической и
теоритической основой диссертационного исследования послужили результаты
отечественных и зарубежных исследований в области использования
распределенной генерации возобновляемых источников энергии для устранения
дефицита электропотребления активной и реактивной мощности путѐм создания
гибридных энергетических центров. При выполнении работы применены методы
математического моделирования на основе искусственного интеллекта.
Методы диссертационного исследования. В ходе исследования
применялись методы искусственного интеллекта с использованием нечѐтких
множеств, нечѐткой логики и алгоритма роевого интеллекта с использованием
алгоритма светлячков (Fire-Fly) для решения двухкритериальной
оптимизационной задачи.
Научные положения, выносимые на защиту:
1. Общая характеристика доступности ресурсов возобновляемых и
нетрадиционных источников энергии в РТ;
2. Новая математическая интерпретация лингвистической классификации
источников распределенной генерации ВИЭ на основе пересекающихся
классов теории нечетких множеств;
3. Решение задачи устранения и снижения дефицита активной мощности в
осенне-зимнем периоде в электроэнергетической системе Таджикистана
4. Создание математической модели гибридного энергетического центра с
использованием матрицы сцепления как конвертора генерации передачи,
распределения и хранения различных видов энергии;
5. Реализация комбинированного метода размещения и выбора источников
реактивной мощности комбинированным, методом теории нечетких
множеств и алгоритмов роевого интеллекта;
6. Оптимизация режимов радиальных электрических сетей по реактивной
мощности и потери активной мощности как 2-х критериальной задачи с
использованием алгоритма светлячков роевого интеллекта;
7. Анализ решение задачи оптимального выбора источников реактивной
мощности методом роевого интеллекта с дооптимизацией градиентным
методом.
Степень достоверности и апробация результатов исследования:
Достоверность и обоснованность результатов и выводов диссертационной
работы подтверждаются корректным использованием теоретических основ
электротехники и методов математического моделирования на основе
искусственного интеллекта, которые хорошо апробированы и подтверждаются их
практическим использованием. Полученные результаты по применению
статических компенсаторов достаточно хорошо подтверждаются на
экспериментальном стенде.
Основные положения и отдельные результаты диссертационной работы
докладывались: на V – Всероссийской научно-технической конференции
―Электроэнергия: от получения и распределения до эффективного
исполӣзования‖ ТПИ. Томск 2012г; на 8-ой международной конференции по
проблемам горной промишленности, строительство и энергетики ―Социальо-
экономические и экологические проблемы горной промышленности,строительста
и энергетики‖ (ТулГУ.Тула – Донецк – Минск- 2012.г), на восемнадцатой
Всероссийской научно-технической конференции Энергетика: Экология,
Надежность, Безопасность: (Томск: «СПБ Графикс», 2012.г.), материалы
девятнадцатой Всероссийской научно-технической конференции Энергетика:
Экология, Надежность, Безопасность: (Т.1.- Томск: «СПБ Графикс», 2013.г.), на
16 IEEE International Conference on Environment and Electrical Engineering.
Florence, (Italy,7-10 June 2016), на International Conference on Sustainable Cities
(ICSC 2016) ( Ekaterinburg, Russia, May 19, 2016), на заседаниях кафедр
―Электрические станции‖ Таджикского Технического Университета имени М.С.
Осими и кафедр Автомитизированных электроэнегетических систем, Систем
электростнабжения предприятий Новосибирского Годударственного
Технического Университета.
Внедрение результатов исследований. Результаты исследований преданы
и используются в ТТУ имени академика М.С. Осими и ОАХК «Барки Точик»
Личный вклад автора Автор принимал непосредственное участие в
анализе состояния и перспективе использования возобновляемых источников
энергии в Республике Таджикистан, обработке и обобщение полученных данных
в разработке алгоритмов и расчѐтах по оптимизации режимов гибридных
энергетических центров.
Публикации. По результатам выполненных в работе исследований
опубликованы 20 статьей, в том числе 3 в рецензируемых изданиях
рекомендованных ВАК РФ, 1 статья в издании, отмеченной в наукометрической
системе «Web of Science» и 16 статей в прочих изданиях. Личный вклад автора в
опубликованных работах составляет не менее 60%.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из
введения, пяти глав, заключения, списка литературы, включающего 128
наименований, и 5 приложений. Общий объем работы составляет 189 страниц, в
том числе 150 страницы основного текста, включая 46 рисунка, 29 таблиц.
Краткое содержание диссертации
В первой главе приводится анализ и обобщение возможности использования
нетрадиционных и возобновляемых источников энергии. Проанализированы
технически целесообразного использования потенциала возобновляемых
источников энергии по территории Республики Таджикистан.
Во второй главе рассмотрены особенности функционирования
распределенных источников энергии с учѐтом высокогорья их расположения.
Дана математическая интерпретация существующей лингвистической
классификации источников малой генерации.
В третьей главе исследованы и обоснованы возможность покрытия осенно-
зимнего дефицита активной мощности в электроэнергетической системе
Республики Таджикистан за счет использования солнечных и ветровых установок.
В четвертой главе рассмотрены локальные энергосистемы не связанные с
централизованной электроэнергетической системой как гибридные
энергетические центры на основе возобновляемых источников энергии.
Предложена их математическая модель.
В пятой главе предложено решение задачи улучшение режимов работы
гибридных энергетических центров по реактивной мощности на основе методов
нечеткой логики и алгоритмов роевого интеллекта.
В приложениях представлены ресурсы возобновляемых источников энергии
по территории Республики Таджикистан, установленные и располагаемые
мощности существующих МГЭС и ДЭС, мощности ветро установок в
зависимости от радиуса ветроколеса и высоты и расчет солнечной радиации с
помощью программы «HOMER», программа алгоритма светлячков и акты
внедрения работы.
1.Выполненные исследования свидетельствуют, что Таджикистан обладает
большим потенциалом возобновляемых и нетрадиционных источников энергии,
так как в республике практически отсутствуют источники углеводородного
способа генерации энергии, нефть, газ и уголь. Необходимость использования
распределенной генерации ВИЭ подтверждается тем, что многие населенные
пункты чрезмерно удалены и не связаны с объединенной энергосистемой
Таджикистана. Почти всегда, особенно в сельской местности, отсутствии малых
водотоков может быть компенсировано за счет доступности энергии солнечной
радиации и ветровых потоков.
2. Исследования показали, что распределенная генерация ВИЭ существенно
зависит от высоты расположения источников генерации над уровнем моря, что
обусловлено географическим расположением Таджикистана, где 93% территории
являются высокогорной. Для ГЭС имеет место снижение номинальной
гарантированной мощности из – за ухудшения условий охлаждения генераторов,
для ВЭС, СЭС имеет место некоторое увеличение мощности.
3. Впервые предложена математическая интерпретация лингвистической
классификации малые, мини и микро станций распределенной генерации ВИЭ на
основе нечетких пересекающихся классов. Предлагаемая классификация
несколько отличается от принятой в России, где малыми считаются ГЭС
мощностью до 30 МВт. Для Республики Таджикистан более приемлема
классификация малых ГЭС до 5 МВт, как в некоторых развитых странах. Этот
метод классификации применим для ветро и солнечных установок, что
обеспечивает правильное проектирование источников малой генерации за счет
выбора электрооборудования, а также уточнить их функциональную роль в
эксплуатационных режимах, которая определяется доступом на оптовый рынок
электроэнергии и некоторыми режимными ограничениями.
4. Показано, что дефицит мощности в ЭЭС Таджикистана в течение 5
месяцев (октябрь – февраль) составляет 600 МВт и может, быть покрыт за счет
солнечной и ветровой энергии. При этом необходимо установка солнечных
панелей на 0,1% территории Таджикистана. Ветровые ресурсы покрывают около
25 МВт, а солнечная энергия примерно – 570 МВт. Таким образом, Таджикистан
может стать первой страной в мире, которая может обеспечивать собственное
электропотребление на 100% за счет «Зеленой энергии».
5. В локальных энергорайонах необходимо создать энергетические центры,
которые выполняют конвертацию и интеграцию энергоносителей, обеспечивая,
высокую гибкость и надѐжность энергоснабжения. Указанные энергетические
центры по терминологии развитых стран характеризуется как HUB. Показано что
гибридные энергетические центры, с системной точки зрения представляют
собой, мультиконвертор который обеспечивает производство, передачу,
преобразование, распределение и аккумулирование энергии.
6. В работе предложена математическая модель, энергетического центра,
которая представляет систему линейных алгебраических уравнений, основанную
на матрице «сцепления». Она отражает коэффициенты преобразования одних
видов энергии ВИЭ в: электричество, тепло, аккумулирование. Аккумулирование
позволяет получить дополнительные степени свободы при планировании
бездефицитных режимов энергетического центра в связи с непредсказуемостью
его выработки источниками генерации ВИЭ.
7. Предложен новый подход для размещения компенсирующих устройств
основанный на матрице нечетких отношенный, связывающей уровни напряжений
в узлах и потери активной мощности в ветвях. В качестве приоритетных
кандидатов на установку КУ выбираются из матрицы нечетких отношений узлы с
низким напряжением и напряжением ниже нормального и высокими потерями.
Проведенные расчеты подтвердили правильность метода, основанного на
нечеткой логике.
8. Адаптирован алгоритм светлячков роевого интеллекта (Fair flay) для
решение задачы при двух критериях с возможностью поиска глобального
минимума. Оптимальное распределение источников реактивной мощности в
распределительных сетях выполнено на основе именно этого алгоритма, который
в поиске минимума целевой функции охватывает всю область возможных
решений, в отличие градиентного метода. Разработан комбинированный
алгоритм, роевого интеллекта, включающей в себя поиск некоторой окрестности
глобального минимума с помощью роевого интеллекта и последующей
дооптимизацией градиентным методом для получения точного решения.
Компенсация реактивной мощности в радиальных распределительных сетях
реализована с помощью двух видов компенсирующих устройств СТАТКОМ и
конденсаторных батарей.
9. Применение разработанных методов оптимизации доказало
Теоретические исследования и экспериментальная апробация предлагаемых
мероприятий на физической модели показаны достаточно хорошее совпадение
результатов для фрагмента радиальной сети. Применение разработанных методов
показало, что снижение суммарных потерь активной мощности после
оптимизации реактивной мощности позволяет получить экономический эффект
19, 706 тыс. долл/год.
Помогаем с подготовкой сопроводительных документов
Хочешь уникальную работу?
Больше 3 000 экспертов уже готовы начать работу над твоим проектом!
5 (20 отзывов)
5 (8 отзывов)
4.1 (20 отзывов)
4.8 (40 отзывов)
4.3 (248 отзывов)
5 (18 отзывов)
5 (154 отзыва)
4.5 (80 отзывов)
4.9 (20 отзывов)
