Автономная СЭС с распределенной фотоэлектрической генерацией

Объектом исследования является автономная система электроснабжения радиального типа напряжением 0,4 кВ с дизельной электрической станцией с. Токма в Иркутской области.
Цель работы: создание математической модели автономной системы электроснабжения с распределенной фотоэлектрической генерацией, где учитывается необходимость большого количества расчетов, связанных с суточными изменениями инсоляции и электропотребления. Основная фокусировка сил направлена на поддержание стабильной величины напряжения, снижение потерь в линиях электропередачи в зависимости от соотношения мощностей дизельной и фотоэлектрической станций, определение точек присоединения фотоэлектростанции к автономной электрической сети.

РЕФЕРАТ……………………………………………………………………………………………………………………………………… 6
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ ………………………………………………………………………………………………………….. 9
ВВЕДЕНИЕ ………………………………………………………………………………………………………………………………… 11
1 ХАРАКТЕРИСТИКА РАСПРЕДЕЛЕННОЙ ЭНЕРГЕТИКИ …………………………………………….. 14
1.1 Общие сведения ……………………………………………………………………………………………………………. 14
1.2 Обзор литературы ………………………………………………………………………………………………………… 15
1.3 Тенденции развития распределенной фотоэлектрической генерации за рубежом ……… 18
1.3.1 Соединенные Штаты Америки ………………………………………………………………………………… 18
1.3.2 Германия ………………………………………………………………………………………………………………… 21
3.1.2 Чешская Республика ……………………………………………………………………………………………….. 24
3.1.2 Китайская Народная Республика ……………………………………………………………………………… 28
1.4 Распределенная генерация в России ……………………………………………………………………………. 33
2 МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ МОДЕЛИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ MATLAB ……….. 45
2.1 Блок дизельной электростанции ………………………………………………………………………………….. 45
2.2 Блок солнечной электростанции………………………………………………………………………………….. 48
2.3 Блок солнечной радиации и температуры окружающей среды ………………………………….. 53
2.4 Блок потребителей и линий электропередачи……………………………………………………………… 59
3 ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ……………………………………………………………………….. 64
3.1 Вопросы повышения качества электрической энергии ………………………………………………. 64
3.1.2 Блок-схема АСЭС с распределенной системой ФЭС ………………………………………………… 64
3.1.2 Регулировка солнечной электростанции…………………………………………………………………… 66
3.1.3 Инвертор ………………………………………………………………………………………………………………… 69
3.1.4 Аккумуляторные батареи ………………………………………………………………………………………… 75
3.1.5 Дизельная электрическая станция ……………………………………………………………………………. 78
3.2 Результаты технико-экономического анализа …………………………………………………………….. 80
4 ФИНАНСОВЫЙ МЕНЕДЖМЕНТ, РЕСУРСОЭФФЕКТИВНОСТЬ И
РЕСУРСОСБЕРЕЖЕНИЕ ………………………………………………………………………………………………………….. 84
4.1 Снижение расхода топлива от дизельной электростанции ………………………………………….. 84
4.2 Капитальные инвестиции ……………………………………………………………………………………………. 85
4.3 Амортизационные отчисления …………………………………………………………………………………….. 87
4.4 Переменные, эксплуатационные и постоянные издержки ………………………………………….. 87
4.5 Инфляция, эскалация и деэскалация …………………………………………………………………………… 88
4.6 Модель ценообразования капитальных активов ………………………………………………………… 93
4.7 Результаты экономической модели и анализ чувствительности ………………………………… 94
5 СОЦИАЛЬНАЯ ОТВЕТСТВЕННОСТЬ …………………………………………………………………………… 103
5.1 Производственная безопасность ………………………………………………………………………………… 103
5.1.1. Вредные проявления факторов производственной среды ……………………………………………… 103
5.1.2. Опасные проявления факторов производственной среды……………………………………………… 109
5.2 Экологическая безопасность………………………………………………………………………………………. 111
5.2.1. Анализ выявления объекта исследования на окружающую среду …………………………………. 111
5.2.2. Обоснование мероприятий по защите окружающей среды …………………………………………… 112
5.3 Безопасность в чрезвычайных ситуациях………………………………………………………………….. 114
5.3.1. Анализ вероятных чрезвычайных ситуаций …………………………………………………………………. 114
5.3.2. Обоснование мероприятий по предотвращению ЧС …………………………………………………….. 115
5.4 Правовые и организационные вопросы обеспечения безопасности ………………………….. 117
ЗАКЛЮЧЕНИЕ ………………………………………………………………………………………………………………………… 118
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ ………………………………………………………………….. 122
Приложение А …………………………………………………………………………………………………………………………… 134
Приложение Б …………………………………………………………………………………………………………………………… 146
Приложение В …………………………………………………………………………………………………………………………… 149
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

AGM (Absorbent Glass Mat) – Aбсорбированный Электролит

АСЭС – Автономные Системы Электроснабжения

АЭС – Атомная Электрическая Станция

ДЭС – Дизельные Электрические Станции

ВИЭ – Возобновляемые Источники Энергии

ВНД (Internal Rate of Return) – Внутренняя Норма Доходности

ВЭС – Ветряные Электрические Станции

ГЭС – Гидроэлектростанции

КИТ – Коэффициент Использования Топлива

КПД – Коэффициент Полезного Действия

MOEX (Moscow Exchange) – Московская Биржа

ПК – Персональный Компьютер

РГ – Распределенная Генерация

CAPM (Capital Asset Pricing Model) – Модель Ценообразования Капитальных
Активов

CF (Cash Flow) – Денежный Поток

СМИ – Средства Массовой Информации

СМП – Северный Морской Путь

СЭС – Солнечная Электрическая Станция

ТММ (Maximum Power Point Tracking) – Точка Слежения за Максимальной
Мощностью
ТЭК – Топливно-энергетический Комплекс

ТЭЦ – Теплоэлектроцентраль

ФАПЧ (Phase Lock Loop) – Фазовая Автоподстройка Частоты

ФЭП – Фотоэлектрические Преобразователь

ФЭС – Фотоэлектрические Станции

ЧПС (Net Present Value) – Чистая Приведенная Стоимость

ЧС – Чрезвычайные Ситуации

ЭДС – Электродвижущая Сила

Проблема энергоснабжения для децентрализованных потребителей –
нелинейная и многокритериальная функция, особенно для АСЭС. Существуют
не только технические, но и экономические, социальные и экологические
ограничения. Эта работа объединяет эти функции и включает в себя
углубленный технический анализ с обширной и соответствующей
экономической оценкой. Согласно Энергетической стратегии России, на период
до 2035 года [8], мы сравниваем все возможные варианты поставки
электроэнергии в сельское поселение Токма.
В первой главе мы предлагаем общее описание значения РГ, обзор
литературы, относящийся к РГ, а также международный опыт на примерах
Германии, США, Китая и Чехии. Кроме того, мы объясняем состояние РГ в
России. Совокупные результаты этой части имеют интересное описание. На
основе уровня законодательства в странах, которые были представлены выше,
все они имеют связь между правительством и владельцами ВИЭ. Программы
надежных стимулов государственной поддержки в сочетании с относительно
высокими тенденциями розничной торговли, прогрессивными и адаптируемыми
технологиями для производства ВИЭ привели США и Германию к лидирующим
позициям в отношении установленной мощности распределенной
фотоэлектрической генерации. Этот рост, а также развитие накопительных
аккумуляторов, рост рынка электромобилей и других технологий
распределенной энергии также привели к нескольким успешным действиям
правительства, которые спровоцировали ряд предложений и реализации
проектов ВИЭ.
В России, несмотря на растущие темпы строительства объектов РГ,
процесс сосредоточения сил правительства не находит ясного места в
долгосрочном планировании системы электроснабжения. По-прежнему нет
понимания того вклада, который может внести РГ в совершенствование системы
и ее модернизации, также не разработана государственная политика по этому
вопросу. Таким образом, одна из возможных областей для повышения
эффективности использования и сокращения потребления энергии от ДЭС, а
также потерь при передаче из децентрализованных регионов – распределенная
система фотоэлектрических станций.
Во второй и третей главах мы представляем структуру гибридной
автономной энергосистемы в MatLab и технико-экономический анализ. В
данных главах мы приводим общее описание оборудования, которое
использовалось для моделирования переходных процессов. Результаты
моделирования включают в себя случаи единой ФЭС и распределенное
монтажное исполнение конструкции. Также обсуждались проблемы с качеством
электроэнергии и потерями электроэнергии в сельских сетях России. Эти
результаты сравниваются с случаем АСЭС без ВИЭ.
Когда ДЭС используется без ФЭС, мы обнаруживаем, что уровень
напряжения в конце линии передачи уменьшается на 6% и 5% в зимнее и летнее
время соответственно. Дополнительный источник питания в виде ФЭС помогает
перераспределять электроэнергию между ДЭС и ФЭС. Основываясь на влиянии
ФЭС, мы предлагаем изменить текущее значение напряжения на различных
участках линии передачи. Эта интеграция уменьшает потери мощности в
проводниках и обеспечивает большую стабильность напряжения в точках
подключения потребителей электроэнергии. Результаты показывают, что
использование мощности от единой ФЭС с аккумуляторными батареями на
уровне половины номинальной нагрузки системы, уменьшит падение
напряжения в конце линии на 4–10%. Это достигается путем подключения ФЭС
на расстоянии от ДЭС, которое составляет не менее половины общей длины
линии электропередачи. Эффективность использования ФЭС в автономных
энергосистемах без систем хранения энергии существенно ограничена
условиями работы сетевых инверторов. Чтобы стабилизировать напряжение в
энергосистеме и уменьшить потери электроэнергии, рекомендуется
использовать ФЭС с системами хранения энергии и подключать их ближе к
концу линии распределения или к точке подключения крупнейшего потребителя.
Необходимо сказать, что было бы интересно провести более углубленное
исследование и, следовательно, привлечь финансирование для этой цели. Тем не
менее, мы обсудили возможные варианты долгосрочных изменений в состоянии
электроснабжения с. Токма.
В четвертой главе мы представляем экономическую модель,
отражающую все аспекты интеграции возобновляемых источников. Модель
включает в себя расчет сэкономленных затрат на потребление топлива и затраты
на распределение потерь. Рассмотрены оценки инвестиций проекта, издержек
производства, подхода ЧПС.
Годовое потребление энергии в деревне Токма составляет 195,1 МВт-ч.
Результаты расчетов, основанные на моделировании потребления дизельного
топлива, показывают, что ожидаемый объем экономии топлива составляет около
27%, а снижение потерь – около 25% в год. Принимая во внимание стоимость
одного кВт·ч дизельного топлива как 16,21 руб., а тариф на выработку
электроэнергии от ДЭС в с. Токма – 44,87 руб./кВт·ч [84], общая сумма экономии
топлива и снижение потерь при передаче в год составит 19 485,93 руб. На основе
интеграции ФЭС с учетом инвестиционных затрат и ожидаемой
продолжительности жизни проекта, равной двадцати годам, стоимость потерь
топлива, транспорта и передачи снизилась примерно на 8% по окончательному
тарифу 41,11 руб./кВт·ч. Все эти данные были получены с помощью известных
финансовых инструментов, таких как темпы роста эскалации и деэскалации,
уровень инфляции, а также использование дисконтированного периода
окупаемости.
В пятой главе рассмотрены вопросы социальной ответственности при
реализации процесса по производству электроэнергии. Для обеспечения
безопасности были выявлены опасные и вредные факторы производства.
Установка фотоэлектрической станции не вызывает никаких вредных факторов.
Опасными факторами являются воздействие электрического тока,
электромагнитного поля, а также неустойчивость конструкции. Предложены
меры по приведению данных факторов к значениям, соответствующих
нормативным документам.
Стоит отметить, что было оценено влияние производственного процесса
на окружающую среду. Данный процесс направлен на уменьшение выбросов
загрязняющих веществ в атмосферу. Интеграция ФЭС в АСЭС вызывает
сокращение выбросов каждый год приблизительно на 3,8%. Интеграция ФЭС в
АСЭС не влияет на снижение экологического налога в экономической модели.
Этот случай имеет только один положительный эффект – снижение доли
выбросов из системы ДЭС. Однако, процесс уменьшения загрязнений вредными
химическими элементами может быть нарушен при плохом контроле
производства и утилизации возобновляемой установки.
При организации мер по обеспечению безопасности были описаны
инструкции и алгоритмы по действиям и нормам поведения дежурного
электрика и жителей поселения. Для предотвращения пожаров и последствий
наводнений разработан план необходимых действий, проработаны нормативно-
правовые документы.
Наша методология может быть применена к другим проектам в
Иркутской области. Несмотря на то, что исследования в этой области обширны,
эта работа является одним из нескольких примеров полной оценки проблем
энергоснабжения Сибири. Предлагаемый гибрид для энергоснабжения в с.
Токма показывает хорошие технические характеристики (потребление топлива,
использование накопителей) и экономические (ЧПС, ВНД) результаты.
Потенциальными преимуществами использования гибридной системы
электропитания могут быть эффективное использование устройства хранения
энергии, интеграции ФЭС и его конфигурации в АСЭС, которые полезны для
децентрализованных областей.