ON THE OPTIMIZATION OF ENERGY STORAGE AND DIESEL GENERATOR OPERATION WITHIN THE LOCAL POWER SYSTEM

В локальных энергосистемах (ЛЭС) на базе возобновляемых источников энергии (ВИЭ) в качестве резервного или вспомогательного источника питания часто используют дизельный генератор (ДГ). Это обеспечивает надёжное и бесперебойное электроснабжение потребителей в том случае, когда возникают проблемы с выработкой электроэнергии за счет ВИЭ, таких, как солнечная энергия и энергия ветра. Технические и экономические вопросы обеспечения минимальной стоимости выработки электроэнергии при балансировании спроса и предложения энергии обычно решаются с помощью накопителей энергии (НЭ), в частности, аккумуляторной системы накопления энергии (АСНЭ) [1].

Важную роль в такой энергосистеме играют вопросы обеспечения оптимальной работы АСНЭ, учитывающие эффект сокращения их срока службы в зависимости от увеличения количества зарядок и разрядов, интенсивность графиков запуска и остановки ДГ, объем финансовых затрат на оказание услуг по электроснабжению [2].

Вопросам эксплуатации ЛЭС с точки зрения оптимального использования накопителей энергии, а также исследованию зарядно-разрядных характеристик свинцово-кислотных и литиевых аккумуляторов на их срок службы посвящено достаточное количество работ, например [3], [4], [5].

В вышеперечисленных работах существующие методы расчета экономической составляющей процесса эксплуатации ЛЭС предполагают, что стоимость выработки электроэнергии ДГ постоянна для всех, в том числе оптимального, режимов работы. Известно, что при работе ДГ на малой мощности коэффициент полезного действия (КПД) существенно падает. Следовательно, представляется целесообразным увеличивать мощность ДГ до значений, соответствующих высоким КПД, запасать электроэнергию в НЭ, а затем разряжать ее при необходимости.

При отсутствии НЭ мощность ДГ выбирается по максимальному значению нагрузки. Соответственно, эффективность использования установленной мощности будет незначительна, что соответствует повышенному удельному расходу топлива и росту себестоимости электроэнергии. Средняя мощность нагрузки при этом, как правило, значительно меньше установленной мощности ДГ.

Применение систем накопления энергии на ЛЭС позволяет сглаживать отклонения мощности от среднего значения. Отсюда возникает возможность снижения установленной мощности ДГ вплоть до среднего значения нагрузки, что может привести к экономии топлива.

В статье предлагается способ анализа работы НЭ и ДГ в составе локальной энергосистемы, позволяющий обозначить пути по оптимизации расхода топлива ДГ, а также стоимости выработки электроэнергии. Исследование проведено путем моделирования процессов работы АСНЭ, включающих анализ характеристик расхода топлива по отношению к мощности ДГ. Результаты работы позволяют оценить степень сокращения срока службы накопителя энергии в зависимости от увеличения числа циклов заряда/разряда. Эффект оптимизации проверен путем анализа работы виртуальной автономной ЛЭС.

Дизельные генераторы широко используются в качестве источников питания для пиковых нагрузок в ЛЭС. Однако доставка топлива, необходимого для работы ДГ, осуществляется из удаленных центров, что делает его эксплуатацию дорогостоящей. Качество вырабатываемой электроэнергии напрямую зависит от стабильности работы двигателя, поэтому он должен вращаться с постоянной скоростью. При эксплуатации ЛЭС этот факт может рассматриваться как основной недостаток ДГ, поскольку генератор может быть очень неэффективен в зависимости от режима работы.

В связи с этим, одной из основных задач для ЛЭС, использующих ДГ для выработки электроэнергии, является поиск оптимальных вариантов энергоснабжения и экономии топлива.

В таблице 1 представлены данные по расходу топлива для ДГ мощностью от 60 до 610 кВт при различной нагрузке [6].

Анализ приведенных в таблице 1 данных показывает, что расход топлива ДГ существенно зависит от вырабатываемой мощности. Например, при изменении нагрузки от 100 до 5% мощности в несколько раз увеличивается расход топлива на единицу мощности, который тесно связан с эффективностью производства электроэнергии.

Выбор установленной мощности ДГ опирается на расчетные значения нагрузок, которые могут быть как бытовыми, так и промышленными. Для промышленных нагрузок характерно наличие пусковых режимов, для которых необходимо учитывать пусковые токи. Это означает, что для нормальной работы генератора при пуске электроустановок, имеющих высокие величины пускового тока, мощность должна быть выше. Если мощность генератора подобрана неверно, то возникает перегрузка генератора, что приводит к снижению срока эксплуатации из-за длительной работы на предельных режимах и большому расходу топлива. Примем, что расход мощности при 75% мощности соответствует единице. Пересчитаем данные расхода топлива, приведенные в таблице 1 в относительные единицы (см. таблицу 2).

Полученные данные позволяют провести оценку эффективности работы ДГ при различных уровнях загруженности.

Используя метод наименьших квадратов, на основе данных в таблице 2 составим соотношение для расчета стоимости выработки электроэнергии ДГ в виде кубической формулы:

(1)

где x – отношение мощности к номинальной мощности ДГ;

C – стоимость выработки электроэнергии ДГ при 75% мощности;

y – стоимость выработки электроэнергии ДГ при соответствующем соотношении мощности x.

Удешевления стоимости выработки электроэнергии можно достичь путем перехода дизель-генератора на режимы с оптимальным КПД. Для того, чтобы понизить суточный расход топлива, целесообразно так организовать подзарядку накопителя электроэнергии, чтобы в течение суток максимально поднять выработку мощности ДГ.

В процессе исследования рассмотрены режимы накопления энергии из ВИЭ в АСНЭ в следующих случаях: - когда электроэнергия ЛЭС достаточна и пополнения мощности за счет ранее заряженной электроэнергии АСНЭ не требуется, - когда электроэнергия ЛЭС недостаточна. Во втором случае следует учитывать возможность сокращения срока службы АСНЭ из-за повышения интенсивности процессов зарядки и разрядки. Для обеспечения стабильной работы недостаток электроэнергии в сети при большой нагрузке восполняется за счет принудительного питания от АСНЭ независимо от экономической целесообразности. Таким образом, электроэнергию, которая должна подаваться, целесообразно исключить из расчета затрат, связанных с сокращением срока службы АСНЭ. Стоимость сокращения срока службы АСНЭ из-за дополнительной зарядки и разрядки может быть выражена следующим образом:

(2)

где – стоимость сокращения срока службы АСНЭ из-за дополнительной зарядки и разрядки;

- стоимость сокращения срока службы на единицу электроэнергии АСНЭ из-за зарядки и разрядки [руб./кВт⋅ч];

– количество рабочих секций в день;

– энергия разряда АСНЭ в секции n [кВт⋅ч];

– недостаток электроэнергии в сети при большой нагрузке [кВт⋅ч].

Процесс разряда АСНЭ может быть осуществлен в пределах количества энергии, оставшейся в АСНЭ согласно следующему ограничению:

(3)

где – энергия, оставшаяся в АСНЭ в секции n -1 [кВт⋅ч].

Процесс заряда АСНЭ осуществляется в пределах следующих ограничений:

(4)

где - максимальная зарядная электроэнергия АСНЭ [кВт⋅ч];

- энергия зарядки АСНЭ в секции n [кВт⋅ч].

Текущее состояние заряда АСНЭ с учетом коэффициента потерь может быть выражено следующим образом:

(5)

где – энергия зарядки АСНЭ в секции n [кВт⋅ч];

– коэффициент потерь при разрядке АСНЭ;

– коэффициент потерь при заряде АСНЭ.

В процессе моделирования целесообразно использовать целевую функцию, позволяющую оптимизировать работу ЛЭС. В её состав следует включить соотношение по стоимости выработки электроэнергии ДГ в зависимости от мощности (1), а также выражение (2), учитывающее влияние снижения срока службы АСНЭ в зависимости от увеличения энергии зарядок и разрядов АСНЭ.

Целевая функция локальной энергосистемы для оптимальной работы ДГ и АСНЭ может быть выражена следующим образом:

(6)

где – стоимость выработки электроэнергии когенератором (КГ) [руб./кВт⋅ч];

– выработка электроэнергии КГ в секции n [кВт⋅ч];

– стоимость выработки электроэнергии при 75% мощности ДГ [руб./кВт⋅ч];

– постоянные функции стоимости выработки электроэнергии ДГ (a0=1,4978, a1=-1,9253, a2=2,3945, a3=-0,9498)

– отношение мощности к номинальной мощности ДГ в секции n;

– выработка электроэнергии ДГ в секции n [кВт⋅ч];

– стоимость выработки солнечной электроэнергии [руб./кВт⋅ч];

– выработка солнечной электроэнергии в секции n [кВт⋅ч];

– стоимость выработки электроэнергии ветрогенератором [руб./кВт⋅ч];

– выработка электроэнергии ветрогенератором в секции n [кВт⋅ч];

– стоимость запуска ДГ [руб.];

– статус изменения запуска ДГ в секции n (1 при переходе с останова на пуск, 0 в противном случае).

Спрос на электроэнергию в секции n для оптимальной работы можно определить следующим образом:

(7)

где – спрос на электроэнергию в секции n [кВт⋅ч].

Рассмотрим пример совместной работы ДГ и АСНЭ для ЛЭС, в состав которой входят солнечная и ветровая установки. Солнечная установка имеет мощность 200 кВт, ветровая – 100 кВт, а когенерация и дизельная энергия имеют мощность 250 кВт соответственно. Предполагается, что стоимость выработки электроэнергии составляет 0,47 руб./кВт⋅ч для солнечной энергии, 0,24 руб./кВт⋅ч для энергии ветра и 3,54 руб./кВт⋅ч и 4 руб./кВт⋅ч для когенерации и дизельной энергии, соответственно [7], [8]. Пропускная способность и характеристики АСНЭ приведены в таблице 3 [9], [10], [11].

В таблице 4 приведены данные по выработке солнечной и ветровой энергии, а такие сведения о нагрузке.

Для детального анализа совместной работы АСНЭ и ДГ проанализированы режимы, когда эффективность ДГ изменяется в зависимости от выходной мощности. Стоимость выработки электроэнергии и ее зависимость от срока службы АСНЭ исследованы при двух случаях: – с учетом сокращения срока службы; – без учета сокращения срока службы.

1. Рассмотрим график оптимальной работы без учета сокращения срока службы АСНЭ.

Для оценки стоимости выработки электроэнергии в этом случае используется формула (1). Исходные данные по расходу топлива представлены в таблице 1. На рис. 1 представлены результаты по оптимизации работы ЛЭС. Выработка электроэнергии в каждой секции изменяется в зависимости от КПД.

Рисунок 1 - График оптимальной работы ЛЭС без учета сокращения срока службы АСНЭ

DOI:10.23670/IRJ.2022.123.55.5

В секциях с 1 по 7 мощность ДГ незначительна, составляет около 10% от номинальной мощности, что соответствует работе ДГ с низким КПД. Поэтому на первой и второй секциях ДГ целесообразно перевести в режим выработки электроэнергии свыше 50% номинальной мощности с более высоким КПД, при этом часть мощности может быть направлена на зарядку АСНЭ. В секциях с 3 по 6 ДГ можно остановить, при этом АСНЭ разряжает заряженную мощность. В 7-й и 8-й секциях ДГ следует перевести в режим выработки мощности на уровне около 50% от номинальной с высоким КПД, в это время АСНЭ заряжает мощность для подготовки к работе в секции с пиковой нагрузкой. В секциях 15, 16 и 17, где возникает нехватка мощности, АСНЭ разряжает заряженную мощность, тем самым решая проблему по обеспечению экономичной работы. На секциях 21 и 22 также используется зарядная мощность АСНЭ вместо снижения мощности ДГ. В секции 24 ДГ, работающий с низким КПД, целесообразно остановить и использовать только заряженную мощность АСНЭ.

2. Рассмотрим график оптимальной работы с учетом сокращения срока службы АСНЭ.

На рис. 2 изображен график оптимальной выработка электроэнергии с учетом сокращения срока службы АСНЭ.

Рисунок 2 - График оптимальной работы ЛЭС с учетом сокращения срока службы АСНЭ

DOI:10.23670/IRJ.2022.123.55.6

В том случае, если уровень заряжаемой и разряжаемой энергии АСНЭ увеличивается, необходимо учитывать добавляемую стоимость сокращения срока службы АСНЭ. По сравнению с предыдущим результатом заряжаемая и разряжаемая энергия АСНЭ уменьшаются. В секциях с 1 по 7 мощность ДГ ниже номинальной мощности, но только в секции 1 ДГ вырабатывает электроэнергию на уровне около 50% от номинальной мощности с высоким КПД, а оставшаяся энергия заряжает АСНЭ. В секциях 2-4 ДГ останавливается. В секциях 5-7 мощность ДГ ниже номинальной, но ДГ не может генерировать энергию на более высоком уровне мощности из-за роста затрат в результате сокращения срока службы и эффекта уменьшения количества пусков и остановок ДГ.  В секциях 15, 16 и 17, где возникает нехватка мощности, АСНЭ разряжает мощность, заряженную в секции 1, где имеется избыток генерируемой мощности. Вышеприведенная процедура показывает, что АСНЭ регулирует режимы, соответствующие пиковой нагрузке. В отличие от рис. 1, общая энергия заряда и разряда АСНЭ значительно уменьшена на рис. 2, потому что учитывается факт сокращения срока службы АСНЭ.

В результате моделирования показано, что эффективность выработки электроэнергии существенно зависит от мощности ДГ и стоимости потерь из-за сокращения срока службы АСНЭ.

Например, общие затраты на выработку электроэнергии в сутки с учетом сокращения срока службы АСНЭ меньше соответствующих затрат без учета срока службы АСНЭ составляют 215 руб. За месяц и год экономия может составлять значительные суммы.

Следует отметить, что эффект от учета сокращения срока службы АСНЭ не проявляется быстро, а накапливается аналогично стоимости амортизации и наблюдается по окончании срока службы. Следовательно, если количество циклов зарядки-разрядки АСНЭ увеличивается, затраты будут увеличиваться, поэтому количество циклов зарядки-разрядки АСНЭ следует уменьшить.

Эффективность выработки электроэнергии в ЛЭС зависит от многих факторов, в том числе от мощности ДГ и затрат, связанных с сокращением срока службы АСНЭ. Комбинированная работа ДГ с АСНЭ, предусматривающая переходы дизель-генератора на режимы с оптимальным КПД, а также учет стоимости запуска и остановки, затрат из-за повышения интенсивности процессов зарядки и разрядки АСНЭ позволяют существенно расширить размер и диапазон экономических выгод. Результаты исследования показывают, что общие затраты на выработку электроэнергии в сутки с учетом сокращения срока службы АСНЭ меньше соответствующих затрат без учета срока службы АСНЭ и составляют несколько сотен рублей. За месяц и год экономия может составлять значительные суммы.

Следует отметить, что эффект от учета сокращения срока службы АСНЭ не проявляется быстро, а накапливается аналогично стоимости амортизации и наблюдается по окончании срока службы. Следовательно, если количество циклов зарядки-разрядки АСНЭ увеличивается, затраты будут увеличиваться, поэтому количество циклов зарядки-разрядки АСНЭ следует уменьшить.