Уральский федеральный университет имени первого президента России Б.Н. Ельцина
Самарский государственный технический университет
ВОПРОСЫ РАЗМЕЩЕНИЯ ИСТОЧНИКОВ РАСПРЕДЕЛЕННОЙ ГЕНЕРАЦИИ В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЯХ МЕГАПОЛИСОВ
С.А. Ерошенко, С.А. Дмитриев,
Д.В. Кузнецов, С.Е. Кокин, А.В. Паздерин
Аннотация
генерация мощность распределительный мегаполис
Рассматривается задача размещения генерирующих источников малой мощности в распределительных сетях мегаполисов. Представлена краткая характеристика основных тенденций развития систем электроснабжения. Предложена многокритериальная постановка задачи размещения малой генерации. Приведены результаты расчетного эксперимента.
Ключевые слова: распределенная генерация, система электроснабжения, оптимизация местоположения и мощности, распределительная сеть.
Annotation
Problems of siting of distributed generation power sources in elecrical networks of megapolises
S.A. Yeroshenko, S.A. Dmitriev, D.V. Kuznetsov, S.E. Kokin, A.V. Pazderin Ural Federal University named after the first President of Russia B.N. Yeltsin Samara State Technical University
In this paper the problem of optimal siting and sizing of distributed generation in distribution networks of megalopolises is examined. The principle trend of power supply system development is considered as well. Multi-criteria mathematical problem formulation of small-scaled power generation siting and sizing is considered by a certain case study, the analysis of which is also provided.
Keywords: distributed generation, power supply system, siting and sizing optimization, distribution system.
Основная часть
На протяжении многих десятилетий энергетика развивалась по пути повышения концентрации и увеличения единичных мощностей. В целях повышения КПД увеличивались мощности энергетических установок, повышались уровни номинального напряжения электрических сетей. Для обеспечения работы объединенных электроэнергетических систем (ЭЭС) создавались многоуровневые иерархические системы диспетчерского управления. Централизованный путь развития энергетики привел к возникновению энергетических корпораций, монопольно обеспечивающих энергоснабжение потребителей, а также ремонт, техобслуживание и другие вспомогательные услуги. Монополистический принцип организации вертикально интегрированных энергокомпаний однозначно соответствовал государственному устройству.
Модернизация электроэнергетики, начавшаяся на рубеже веков, привела к финансовой самостоятельности электросетевых компаний, источниками которой являются денежные средства за транспорт электроэнергии (ЭЭ) и плата за техническое присоединение. При увеличении числа электросетевых предприятий и уменьшении размера каждого в отдельности по сравнению с дореформенными вертикально интегрированными энергокомпаниями существенно возросли риски и значимость управленческих решений. Финансовая ответственность электросетевых компаний за собственные сети привела к повышению значимости вопросов энергосбережения, снижения сверхнормативных потерь ЭЭ и повышения качества измерительных систем учета ЭЭ. Рост нагрузки электропотребления, длительный срок службы действующего силового оборудования и связанный с ним износ требуют адекватного управления электросетевыми объектами и образованиями.
В последние годы наблюдается рост применения потребителями ЭЭ генерирующих агрегатов малой мощности в ЭЭС на средних и низких классах номинального напряжения, в том числе и на основе возобновляемых источников энергии, в виде совокупности распределенных энергетических ресурсов. Данная тенденция связана с большей инвестиционной привлекательностью генерирующих объектов малой мощности, которые требуют меньших капитальных вложений, имеют значительно меньший срок окупаемости и, как следствие, меньший инвестиционный риск. Широкое применение распределенной генерации (РГ) в мире говорит о новом направлении, которое связано с развитием локальной энергетики как наиболее экономически эффективной и экологичной отрасли энергопроизводства [2]. Появление таких источников РГ, энергоаккумулирующих установок, современных цифровых устройств измерения и управления режимными параметрами энергосистем приводит к качественным изменениям как в самих ЭЭС, так и в системах их управления.
Все вышесказанное в первую очередь относится к системам электроснабжения (СЭС) больших городов - мегаполисов, которые развиваются более высокими темпами в сравнении с остальными энергообъектами, используя прогрессивные технологии. Мегаполисы представляют собой самые крупные формы городских поселений, которые возникают или образуются путем интегрированного объединения главного города с окружающими его населенными пунктами. Таким образом, в результате слияния инфраструктур образуются большие и сложные технические системы, обеспечивающие гарантированное энерго- и электроснабжение потребителей и функционирование всех подсистем СЭС (см. рис.1). ЭЭС средних размеров становятся соизмеримыми с такими СЭС мегаполисов. Следовательно, СЭС представляют собой самостоятельные объекты для изучения и исследования.
Анализ литературы показал, что для термина «распределенная генерация» общепринятое определение пока отсутствует. Приведем несколько определений, предложенных различными организациями, научными сообществами и отдельными учеными.
Институт инженеров по электротехнике и электронике (IEEE) определяет РГ как генерацию электрической энергии при помощи агрегатов, значительно меньших по мощности, нежели централизованные электрические станции, что позволяет реализовать подключение данных энергоустановок практически к любой точке энергосистемы.
П. Донди и др. [4] определяют РГ как малый источник электрической энергии или устройство для ее запасания (мощностью от нескольких ватт до десятков мегаватт), которые не являются частью большой централизованной энергосистемы и расположены вблизи от места потребления.
Т. Акерман и др. [5] дают определение устройствам РГ с точки зрения мест присоединения РГ к сети и расположения, а не с позиции количественной оценки установленной мощности. Авторы определяют РГ как генерирующие установки, подключенные напрямую к распределительной сети или установленные с потребительской стороны от границы балансовой принадлежности.
В последнее время все большее число научных публикаций зарубежных ученых связано с вопросами РГ, поскольку во многих экономически развитых станах Европы и в США доля электроэнергии, вырабатываемой в системах РГ, находится на уровне 15-30 %. При этом существенную долю РГ составляет энергия, получаемая из возобновляемых источников. В станах Европы к 2020 г. прогнозируется выработка 20 % электроэнергии на возобновляемых источниках, а в США - 30 % к 2030 г. [5]. В нашей стране развитие РГ также происходит бурными темпами, но практически без внедрения установок, использующих возобновляемые источники энергии. Это, в первую очередь, газотурбинные и газопоршневые установки мощностью до 30 МВт, которые устанавливаются крупными промышленными предприятиями со своей стороны границы балансовой принадлежности для снижения объемов энергии, покупаемой у энергоснабжающей компании. Для крупных отечественных потребителей проекты по развитию РГ инвестиционно привлекательны в силу постоянного роста тарифов на электрическую энергию и высокой платы за присоединение к электрическим сетям; кроме того, они повышают надежность собственного электроснабжения [6].
Р и с. 1
Причины общемирового интереса к источникам РГ, в первую очередь, обусловлены существенными техническими и экономическими преимуществами устройств данного типа перед объектами «большой» энергетики.
1. Плюсы для потребителя:
- улучшение надежности и качества электроснабжения;
- учет индивидуальных требований по электроснабжению;
- уменьшение стоимости электрической и тепловой энергии за счет снижения потерь при передаче;
- эксплуатационная гибкость источников РГ;
- экологическое чистое производство электрической энергии;
- широкий ассортимент доступных технологий.
2. Плюсы для поставщика:
- снижение ущерба от недоотпуска электрической энергии;
- снижение финансовых рисков энергокомпаний;
- отсрочка инвестиций в модернизацию сетевого оборудования;
- обеспечение низких затрат входа на рынок.
3. Плюсы для государства:
- улучшение экологической обстановки;
- поддержание конкуренции на рынке электрической энергии.
Несмотря на все преимущества устройств РГ, их внедрение может негативно повлиять на СЭС. Внедрение РГ, в особенности использующей возобновляемые источники энергии, может замаскировать рост нагрузки у потребителей и существенно усложнить проблему соблюдения баланса между генерацией и потреблением. При высоком проценте выработки, приходящемся на установки РГ, графики выдачи мощности которых не координируются системным оператором, возникают проблемы диспетчерского управления электростанциями «централизованной» энергетики, так как эти станции должны брать на себя все внезапно возникающие небалансы между генерацией и потреблением. При высокой доле выработки электроэнергии источниками РГ в распределительных сетях возникает необходимость создания систем автоматического управления, сглаживающих во времени внезапные локальные небалансы между нагрузкой и генерацией за счет изменения режима электропотребления. Это предполагает высокую степень охвата распределительной сети информационно-измерительными системами, обеспечивающими возможности активного управления. В таких условиях, с точки зрения возможностей управления, СЭС с РГ на низких классах номинального напряжения из пассивного состояния переходят в активное. Увеличение степени управляемости в распределительных сетях в зарубежной технической литературе в последние годы характеризуется термином Smart grid, или «умные сети» [7, 8].
Научные проблемы распределенной генерации и «умных сетей» близки к традиционной проблематике больших электроэнергетических систем. Однако количественные отличия часто переходят в качественные, что требует изучения новых свойств и особенностей систем с РГ. На основе обзоров зарубежных публикаций можно выделить следующие основные направления научных исследований в этой области [9]:
- математические и оптимизационные модели для выбора мощности и расположения различных типов объектов РГ;
- алгоритмы оптимальной реконфигурации распределительной сети с источниками РГ;
- регулирование уровней напряжения и реактивной мощности за счет устройств РГ;
- экономические аспекты РГ и управления «активной» распределительной сетью;
- чистые и возобновляемые источники энергии;
- параллельная работа РГ с электрической сетью;
- релейная защита «активных» распределительных сетей;
- цифровые системы управления распределительными сетями с РГ.
Задача оптимизации местоположения и мощности РГ является одной из первоочередных и подлежит тщательному рассмотрению на стадии проектирования. Корректно выбранные точка подключения к сети и мощность агрегата могут улучшить работу сети и обеспечить дополнительные экономические стимулы как для потребителей, так и для поставщиков.
В действительности задача оптимизации размещения и мощности РГ имеет много общего с классической оптимизационной задачей выбора площадок расположения и мощности крупных электрических станций. В то же время существует ряд количественных и качественных отличий [10].
Для задачи размещения источников РГ в сети также характерна многокритериальность. Предложим ряд критериев оптимизационной задачи выбора местоположения и мощности источника РГ.
Инвестиции. В рыночных условиях важнейшую роль играет финансовая составляющая. Жесткая ограниченность инвестиционных средств заставляет делать выбор, балансирующий между ценой и качеством. Таким образом, критерий инвестиций является одной из важнейших сторон реализации любого технического проекта [11]. Коэффициент, приведенный ниже, позволяет учесть этот момент. Чем ближе данный коэффициент к единице, тем более выгодным является проект:
, (1)
где n - величина, характеризующая значение мощности генерирующей установки; - стоимость генерирующего агрегата мощности n с установкой; - максимально возможные инвестиционные средства для реализации проекта.
Потери активной и реактивной мощности. Источники РГ могут способствовать снижению потерь мощности в сетях СЭС, поскольку позволяют разгрузить линии электропередачи [12]. В то же время возможный реверсивный поток по линиям электропередачи может привести к увеличению потерь мощности. Нижеприведенные коэффициенты отражают потери активной и реактивной мощности в сети. Чем ближе к единице эти коэффициенты, тем более выгодное положение РГ было выбрано с точки зрения данного критерия.