ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ПРОЕКТОВ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ В АВТОНОМНЫХ СИСТЕМАХ НА БАЗЕ ВОЗОБНОВЛЯЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ ЭНЕРГИИ

Сарсикеев Е.Ж.¹, Шолохова И.И.², Шевелева С.И. ³, Петрусёв А.С.⁴

¹ ORCID: 0000-0002-7209-5024, кандидат технических наук; ² ORCID: 0000-0003-1711-6205; ³ ORCID: 0000-0002-6878-8397, кандидат педагогических наук; ⁴ студент,

Национальный исследовательский Томский политехнический университет

ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ПРОЕКТОВ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ В АВТОНОМНЫХ СИСТЕМАХ НА БАЗЕ ВОЗОБНОВЛЯЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ ЭНЕРГИИ

Аннотация

В статье рассматриваются задачи выбора рационального состава оборудования для энергетических комплексов электроснабжения децентрализованных потребителей. При выборе учитываются не только характеристики основного и дополнительного оборудования, но и влияние внешних факторов на работу системы, таких как метеорологические показатели и изменение нагрузки. В качестве основного критерия оптимальности принят чистый дисконтированный доход, наиболее точно отображающий финансовые показатели проектов электроснабжения с возобновляемыми источниками.

Ключевые слова: состав оборудования, ветровая станция, дизельная станция, фотоэлектрическая станция, оптимальность, себестоимость.

Sarsikeyev Ye.Zh.¹, Sholokhova I.I.², Sheveleva S.I.³, Petrusev A.S.⁴

¹ORCID: 0000-0002-7209-5024, PhD in Engineering; ²ORCID: 0000-0003-1711-6205; ³ORCID: 0000-0002-6878-8397, PhD in Pedagogy; ⁴ student

National Research Tomsk Polytechnic University

TECHNICAL AND ECONOMICAL ASSESSMENT OF STAND-ALONE RENEWABLE POWER SYSTEM PROJECTS

Abstract

The problem of optimal choice of the unit commitment for decentralized power supply systems is considered. During the choice, we consider not only the parameters of main and supplementary equipment, but also the external factors of the system operation, such as weather parameters and changes in the load. The net present value is accepted as a key optimality criterion, since it is the most accurate financial indicator of renewable power system projects.

Keywords: unit commitment, wind station, diesel station, photovoltaic station, optimality, cost.

 

Экономическая эффективность проектов систем децентрализованного электроснабжения основывается в первую очередь, на возможных технических решениях по экономии дорогостоящего органического топлива уменьшением установленной мощности генерирующего оборудования. В свою очередь снижение мощности дизельного оборудования осуществляется посредством замещения вырабатываемой возобновляемыми источниками энергии (ВИЭ) [1].

Учитывая вероятностный характер изменения параметров природных возобновляемых ресурсов [2] и электрических нагрузок децентрализованных потребителей [3], а также их существенное взаимовлияние друг на друга, выбор режимов работы, видов и параметров накопителей энергии для таких систем становится достаточно сложной и неоднозначной задачей.

Для уменьшения погрешности в процессе решения задачи конкретной схемы построения энергетической системы, необходимы точные данные в области природных возобновляемых источников, формируемые многолетней статистикой.

Недостаток или отсутствие справочной информации для проведения подобных расчетов оказывают существенное влияние на точность получаемых результатов расчетов. Из этого следует, что для практической реализации эффективных проектов автономных энергетических систем с возобновляемыми источниками необходимо проведение специализированных предпроектных работ с применением специальных методов и средств измерений, обеспечивающих формирование массивов метеорологических показателей в предполагаемом месте размещения электростанции.

Важнейшей задачей проектирования автономной энергетической системы является выбор рациональной схемы ее построения, подбор и согласование режимов работы основного энергетического оборудования. Задача осложняется тем, что сами схемы построения, режимы работы и параметры используемого энергетического оборудования могут существенно различаться [4].

В большинстве практических случаев задача нахождения оптимального решения по построению автономной энергетической системы с использованием ВИЭ является многофакторной. Соответственно, ее успешное решение требует применения специализированного математического аппарата многопараметрической оптимизации. При этом применение универсальных математических пакетов для решения данной задачи практически невозможно, так как возникает необходимость создания специализированных баз данных с параметрами основного энергетического оборудования [5, 6], массивами метеорологических показателей, перечня технических ограничений и т.п. В некоторых случаях с определенными допущениями возможна разработка собственного математического аппарата, позволяющего адаптировать данные метеорологических станций к задачам энергетики. Однако разрабатываемый математический аппарат требует специальных навыков и, базируясь на теории вероятности, имеет гарантированную погрешность.

Для предварительной технико-экономической оценки эффективности проектов с использованием ВИЭ можно воспользоваться специализированными программными продуктами, наиболее известными из которых являются Homer, RETScreen и др. [7].

В качестве примера далее приведены результаты расчета в программном продукте Homer проекта электроснабжения для поселка Чагда Республики Саха (Якутия).

Программа Homer позволяет составлять набор генерирующего, потребляющего и накопительного оборудования, рассчитывая технические и экономические показатели различных вариантов схемы.

Состав оборудования автономной системы электроснабжения приведен на рисунке 1.

Рис. 1 – Схема системы электроснабжения

В качестве основного генерирующего оборудования рассматриваемой энергетической системы приняты ветроэнергетическая установка Scirocco мощностью 5 кВт в количестве 0, 5, 10 и 20 шт.; ветроэнергетическая установка WES-50 мощностью 50 кВт в количестве 0, 1, 2, 3 и 4 шт.; дизельная генераторная установка CAT-80 мощностью 80 кВт в количестве 0, 1, 2 и 3 шт.; фотоэлектрические модули ФСМ-250 мощностью 250 Вт в количестве 0, 200 и 400 шт.

Накопители электрической энергии представлены свинцово-кислотными аккумуляторами Vision 6FM200D напряжением 12 В, номинальной емкостью 200 А·ч каждая в количестве 0, 50, 100, 200, 300 и 500 шт.

Инвертор, согласующий аккумуляторные батареи и фотоэлектрические модули с нагрузкой, представлен инвертором фирмы SMA мощностью 20 кВт в количестве 0, 1, 2, 3, 4 и 5 шт.

Параметры электропотребления заданы в виде графиков электрических нагрузок на каждый час с возможностью корректировки на каждый месяц. Плотность распределения активной мощности нагрузки в разрезе суток на каждый месяц приведена на рисунке 2.

Рис. 2 – Плотность распределения активной мощности нагрузки

Распределение удельной мощности солнечного излучения по месяцам для поселка Чагда приведено на рисунке 3.

Рис. 3 – Распределение удельной мощности солнечного излучения по месяцам

Вероятность распределения скоростей ветра изображена на рисунке 4.

Рис. 4 – Вероятность распределения скоростей ветра

Результатом расчета, представленный на рисунке 5, является список возможных вариантов и их сортировка согласно критерию TotalNPC (чистая приведенная стоимость), который учитывает инвестиции и затраты на эксплуатацию и реновацию.

Рис. 5 – Варианты схемы и их экономические показатели

В качестве примера к рассмотрению приняты два наиболее выгодных варианта схемы.

Вариант 1. В составе ветроэнергетических установок мощностью 250 кВт каждая в количестве 4 шт., дизель-генераторная установка мощностью 80 кВт в количестве 1 шт., свинцовых аккумуляторных батарей емкостью 250 А·ч каждая в количестве 200 шт., мощность инвертора 60 кВт.

Загрузка и распределение выработки электрической энергии источников питания в системе электроснабжения приведены на рисунке 6.

Рис. 6 – Сводные данные по источникам питания

Вариант 2. Фотоэлектрические установки установленной мощностью 50 кВт; ветроэнергетических установок мощностью 250 кВт каждая в количестве 4 шт.; дизель-генераторная установка мощностью 80 кВт в количестве 1 шт.; свинцовые аккумуляторные батарей емкостью 250 А·ч каждая в количестве 200 шт.; инвертор 60 кВт.

Загрузка и распределение выработки электрической энергии источников питания в системе электроснабжения приведены на рисунке 7.

Рис. 7 – Сводные данные по источникам питания

Себестоимость генерируемой электроэнергии для первого варианта составила 0,386 долл/кВт·ч, а для второго варианта – 0,405 долл/кВт·ч. Чистая приведенная стоимость первого варианта составила 1932,861 долл., а второго – 2023,814 долл. Доля возобновляемых источников в генерации электроэнергии для первого варианта составила 47,4%, а для второго – 54,2%. Наиболее экономически эффективным при данных условиях сравнения оказался первый вариант системы, в которой четыре ветротурбины мощностью 50 кВт, дизельная установка мощностью 80 кВт и аккумуляторные батареи в количестве 200 штук по 200 А·ч номинальной емкостью каждая.

Таким образом, уровень сложности технико-экономического обоснования проектов электроснабжения с участием возобновляемых источников энергии зависит от множества факторов, таких как конфигурация схемы, наличие и точность исходных данных по источникам питания и потребителю электроэнергии, а также от предъявляемых требований к расчетам. Очевидно, что создание универсальной методики и средств ее реализации является сложной и трудозатратной работой, выполнение которой обусловлено наличием необходимого уровня компетентности персонала для проведения технико-экономических расчетов в области возобновляемой и малой энергетики.

Список литературы / References

1. Лукутин Б.В. Оценка технико-экономической эффективности использования накопителей электроэнергии в автономной микрогидроэлектростанции / Б.В. Лукутин, Е.Ж. Сарсикеев, Е.Б. Шандарова // Современные проблемы науки и образования. – 2015. – № 2-2. – С. 145.
2. Обухов С.Г. Динамическая модель продольной составляющей скорости ветра / С.Г. Обухов, И.А. Плотников, Е.Ж. Сарсикеев // Современные проблемы науки и образования. – 2013. – № 5. – С. 139.
3. Лукутин Б.В. Моделирование электрической нагрузки микрогидроэлектростанции для электроснабжения автономных потребителей / Б.В. Лукутин, Е.Ж. Сарсикеев, Р.Б. Тентиев // Междисциплинарные исследования в области математического моделирования и информатики : материалы V научно-практической internet-конференции; отв.редактор Ю.С. Нагорнов. – 2015.– С. 178-181.
4. Сарсикеев Е.Ж. Методика выбора количества и мощности дизельных генераторов / Е.Ж. Сарсикеев, Б.В. Лукутин, Р.М. Мустафина // Электротехника. Электротехнология. Энергетика : сборник научных трудов VII международной научной конференции молодых ученых. – Новосибирский государственный технический университет; Межвузовский центр содействия научной и инновационной деятельности студентов и молодых ученых Новосибирской области. – 2015. – С. 390-394.
5. Шолохова И.И. Анализ и обработка экспериментальных данных по исследованию энергетических характеристик дизельной электростанции инверторного типа / И.И. Шолохова, Е.Ж. Сарсикеев, Е.А. Молдованова // Наука. Технологии. Инновации : сборник научных трудов: в 9 частях. Под редакцией М.Э. Рояка. – 2015. – С. 41-44.
6. Шолохова И.И. Применение Matlab MBC Toolbox для создания моделей характеристик дизельного двигателя / И.И. Шолохова, Е.Ж. Сарсикеев, Е.А. Молдованова // Современные проблемы науки и образования. – 2015. – № 2-2. – С. 98-106.
7. Сарсикеев Е.Ж. Применение накопителей электроэнергии в составе микроГЭС / Е.Ж. Сарсикеев, А.И. Романенков // Гидроэлектростанции в XXI веке : сборник материалов II Всероссийской научно-практической конференции молодых ученых, специалистов, аспирантов и студентов. – 2015. – С. 336-339.

Список литературы на английском языке / References in English

1. Lukutin B.V. Ocenka tehniko-jekonomicheskoj jeffektivnosti ispol'zovanija nakopitelej jelektrojenergii v avtonomnoj mikrogidrojelektrostancii [Evaluation of technical and economic efficiency of the electric energy storage device in stand-alone micro hydro power plant] / B.V. Lukutin, E.Zh. Sarsikeev, E.B. Shandarova // Sovremennye problemy nauki i obrazovanija [Modern Problems of Science and Education]. – 2015. – № 2-2. – p. 145. [in Russian]
2. Obuhov S.G. Dinamicheskaja model' prodol'noj sostavljajushhej skorosti vetra [The dynamic model of wind speed axial component]/ S.G. Obuhov, I.A. Plotnikov, E.Zh. Sarsikeev // Sovremennye problemy nauki i obrazovanija [Modern Problems of Science and Education]. – 2013. – № 5. – p. 139. [in Russian]
3. Lukutin B.V. Modelirovanie jelektricheskoj nagruzki mikrogidrojelektrostancii dlja jelektrosnabzhenija avtonomnyh potrebitelej [Electric load simulation for a stand-along power supply system] / B.V. Lukutin, E.Zh. Sarsikeev, R.B. Tentiev // Mezhdisciplinarnye issledovanija v oblasti matematicheskogo modelirovanija i informatiki : materialy V nauchno-prakticheskoj internet-konferencii [Cross-Disciplinary Research in Mathematical Modeling and Informatics. Proc. of the V All-Russian Research-to-Practice Online Conference] ; edited by Ju.S. Nagornov. – 2015.– P. 178-181. [in Russian]
4. Sarsikeev E.Zh. Metodika vybora kolichestva i moshhnosti dizel'nyh generatorov [Technique for selecting the quantity and power of diesel generators] / E.Zh. Sarsikeev, B.V. Lukutin, R.M. Mustafina // Jelektrotehnika. Jelektrotehnologija. Jenergetika : sbornik nauchnyh trudov VII mezhdunarodnoj nauchnoj konferencii molodyh uchenyh [Electrical Engineering. Electrotechnology. Energy. Proc. of the VII International Scientific Conference of Young Scientists]. – Novosibirskij gosudarstvennyj tehnicheskij universitet [Novosibirsk State Technical University]; Mezhvuzovskij centr sodejstvija nauchnoj i innovacionnoj dejatel'nosti studentov i molodyh uchenyh Novosibirskoj oblasti [Inter-University Science and Innovation Promotion Center for Students and Young Scientists in Novosibirsk Region]. – 2015. – P. 390-394. [in Russian]
5. Sholohova I.I. Analiz i obrabotka jeksperimental'nyh dannyh po issledovaniju jenergeticheskih harakteristik dizel'noj jelektrostancii invertornogo tipa [The analysis and processing of experimental data on the study of energy parameters of an inverter diesel power station] / I.I. Sholohova, E.Zh. Sarsikeev, E.A. Moldovanova // Nauka. Tehnologii. Innovacii : sbornik nauchnyh trudov: v 9 chastjah [Science. Engineering. Innovations. Collection of Scientific Papers. In 9 Parts]. edited by M.Je. Rojak. – 2015. – P. 41-44. [in Russian]
6. Sholohova I.I. Primenenie Matlab MBC Toolbox dlja sozdanija modelej harakteristik dizel'nogo dvigatelja [Modeling of diesel engine parameters with Matlab MBC toolbox] / I.I. Sholohova, E.Zh. Sarsikeev, E.A. Moldovanova // Sovremennye problemy nauki i obrazovanija [Modern Problems of Science and Education]. – 2015. – № 2-2. – P. 98-106. [in Russian]
7. Sarsikeev E.Zh. Primenenie nakopitelej jelektrojenergii v sostave mikroGJeS [Use of energy storage units in microhydroelectric power plants] / E.Zh. Sarsikeev, A.I. Romanenkov // Gidrojelektrostancii v XXI veke : sbornik materialov II Vserossijskoj nauchno-prakticheskoj konferencii molodyh uchenyh, specialistov, aspirantov i studentov [Hydroelectric Power Plants in the 21^st Proc. Of the II All-Russian Research-to-Practice Conference of Young Scientists, Specialists, PhD Students and Students]. – 2015. – P. 336-339. [in Russian]