Разработка метода определения параметров ветропарка

Ежегодный рост тарифов на электроэнергию и снижение надежности электроснабжения, вызванное физическим износом электрических сетей, заставляет сельскохозяйственных потребителей (СХП) развивать собственное энергетическое хозяйство. При этом одним из путей является развитие распределенной генерации (РГ) – малых электростанций, которые подключаются к распределительным устройствам потребителей [1].

В качестве источников электроэнергии рассматриваются газопоршневые установки (ГПУ) (основные источники) и резервные генераторы, работающие на дизельном топливе. Однако применение ГПУ возможно только в газифицированных районах, и себестоимость электроэнергии, как и от ДЭС, остается высокой.

Выходом из сложившейся ситуации является использование возобновляемых источников энергии (ВИЭ), являющихся одним из направлений РГ, что позволяет решать проблему не только энергетического, но и экологического характера [2]. При этом менее капиталоёмким направлением является ветроэнергетика [3]. Для СХП актуальными являются ветроэнергетические установки (ВЭУ) малой мощности (до 100 кВт) [6].

Основным показателем при использовании ВЭУ является ожидаемая выработка электроэнергии. Количество вырабатываемой энергии зависит от диаметра ветроколеса (ВК) и рабочей скорости ветра для ВЭУ (v раб ).

При скорости ветра v ≥ v раб вырабатывается качественная электроэнергия. Количество качественной электроэнергии (кВт ^, ч) определяется по выражению [4]

кач W уд

v max

где δ – постоянная, зависящая от конструктивной особенности ВЭУ (δ=0,0002); Т – время работы за расчетный период; f(v) – функция распределения скорости ветра.

Зависимость вырабатываемой электроэнергии от рабочей скорости на примере трех ветроэнергетических районов Челябинской области приведена на рисунке 1.

а                                      б                        в

Рис. 1. Зависимость вырабатываемой качественной электроэнергии от рабочей скорости ВЭУ за год: а – в первом ветроэнергетическом районе; б – во втором ветроэнергетическом районе;

в – в третьем ветроэнергетическом районе

Анализ приведенных зависимостей показывает на наличие рабочей скорости для каждого ветроэнергетического района Челябинской области, при которой ожидается максимум вырабатываемой электроэнергии. Данная рабочая скорость ветра для ВЭУ выше средней скорости ветра, что приведет к недоиспользованию энергии ветрового потока.

При скорости ветра vраб величина напряжения и частоты тока, вырабатываемых генератором ВЭУ, выше допустимого отклонения, регламентируемого ГОСТ Р 54149-2010 «Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения». Для более полного использования энергии ветра следует преобразовывать некачественную электроэнергию от генератора ВЭУ, которая вырабатывается при скорости ветра ниже рабочей, в качественную. В таком случае, согласно [4], количество вырабатываемой электроэнергии (кВт ^, ч) можно определить как

W yg = $ Т

vp                         vmax f v 3 f (v )•dv + v p f f (v dv

v min

Исследование количества вырабатываемой электроэнергии в зависимости от скорости ветра не позволило определить оптимальное значение скорости ветра для ВЭУ (рис. 2).

а

Рис. 2. Зависимость удельной вырабатываемой электроэнергии от рабочей скорости ветра для ВЭУ в ветроэнергетических районах Челябинской области: а – первый район; б – второй район; в – третий район

б

в

Анализ затрат на ветроэнергетические установки показывает, что чем выше рабочая скорость ветра для ВЭУ, тем происходит большее удорожание вырабатываемой энергии. Поэтому рекомендуется выбрать рабочую скорость ветра для ВЭУ из условия максимума выработки энергии.

Выбор другого параметра ВЭУ, диаметра ВК, можно осуществить по известной методике. Так, для эффективного электроснабжения СХП существует методика выбора оптимальной площади ВК (м2), обеспечивающая минимальные затраты на потребляемую энергию от ВЭУ [4]

Аопт = A0 - (Ac -A0 ) • ln

Г аКУДУА 1

I p(v) • в • Вт ),

где а – ежегодные суммарные отчисления на эксплуатацию ВЭУ; К _у ^В _д ^ЭУ – удельные капиталовложения на ВЭУ, руб/м²; А 0 и А с – потребная минимальная и средняя площадь ВК соответственно, м²; β Т – стоимость топлива, руб/т у.т.; В т – количество сэкономленного топлива, т у.т.

Для обеспечения потребной энергии, возможно, потребуется несколько ВЭУ с суммарной ометаемой площадью ВК, равной оптимальной или близкой к ней. В этих условиях необходимо выбрать оптимальное количество ВЭУ в зависимости от диаметра ВК.

Выбранные ВЭУ малой мощности соединяются между собой линиями электропередачи (рис.3). Тогда совокупность ВЭУ с преобразовательными устройствами и линиями электропередач (ЛЭП) представляется как ветропарк (ВП). Совокупность нескольких ВП будет представлять ветроэлектрическую станцию. ВП можно подключить к магистрали электрической сети, обеспечив охранную зону от ВЭУ, равную 300 м [5].

Примечание:

----- расстояние от ВЭУ до центра ВП;

------ - расстояние от центра ВП до потребителя; П - потребитель.

Рис. 3. Схема ветропарка, состоящего из 9 ВЭУ

Затраты на электроснабжение от ВП зависят от количества ВЭУ и длины ЛЭП. Для обеспечения минимальных затрат необходимо их оптимизировать.

Критерием оптимизации параметров ВП являются удельные затраты на выработку и передачу электроэнергии. Удельные затраты на выработку электроэнергии (руб/кВт ^. ч) зависят от v раб и диаметра ВК и определяются по выражению

С выр

а • К ,7

W вэу . уд

Удельные затраты на передачу электроэнергии (руб/кВт . ч) зависят от количества ВЭУ, объединенных в единую сеть в составе ВП [3], и определяются как

с пер

а ■ Кпер вэу уд

где К _у ^п _д ^ер – удельные затраты на передачу электроэнергии, руб/м².

Тогда себестоимость электроэнергии от ВП (руб/кВт.ч) будет определяться как сумма удельных затрат

С

вп

= С

выр

+с

+ Пергер

вэу           пер уд + уд

W вэу W вэу

УД            уд

a te+ K Tl

W вэу .

УД

Следовательно, целевая функция – удельные затраты на потребляемую электроэнергию от ВП, с учетом её выработки и передачи представляется как

С

вп

а 1 ’ ^Куд. вп1

^W у^вд. ^у 1

+ а 2 ’ ^Куд. вп2 вэу W уд.2

+ ... +

а • К уд™ ^W у^вд.^уi

^ min

где К уд.вп – удельные капиталовложения в ВП, руб/м²; индекс i – указывает возможное наличие разных типов ВЭУ в составе ВП.

Удельные затраты на потребляемую электроэнергию от ВП в основном зависят от показателей ВЭУ. При этом важно определить оптимальное количество ВЭУ в составе ВП, которые по сути влияют и на затраты при передаче выработанной электроэнергии.

Таким образом, при оптимизации параметров ВП сначала требуется выбрать необходимое количество ВЭУ. Тогда решение поставленной задачи по минимизации удельных затрат возможно при следующих линейных ограничениях при выборе ВЭУ:

Р1 • X 1 + Р ₂ • X 2 + ... + P i • X i < Р р_асч

< 100 d ² ■ x 1 + 100 d 22 ■ x ₂ + ... + 100 d i ² • x i <  S                                                (8)

0,785di2 ■ xi ■ Wyge.yii + 0,785d2 ■ x2 ■ W^2 +... + 0.785d2 ■ Xi ■ Wyд.вэyi < 0,0b S ■ Wyg, где x, Р – количество и мощность рассматриваемого типа ВЭУ; d – диаметр ВК; Wуд.вэу – количество удельной вырабатываемой энергии от ВЭУ; Ррасч – расчетная нагрузка; S – площадь имеющейся территории; Wуд – ветроэнергетический ресурс с удельной площади территории.

Ветроэнергетический ресурс рассматриваемой территории зависит от характеристики скорости ветра. Для оценки ее воспользуемся энергетической характеристикой ветрового потока v ср.м , которую можно оценить по средней скорости ветра v ср (м/с) [4]

v ср.м = ¹ , ^{4 + 1} , 1 v cp .                                           ⁽⁹⁾

Тогда ветроэнергетический ресурс с удельной площади территории (кВт,ч/м2)

Wyd = sTv^      ST (1,4 +1,1vCp )3.                       (10)

Остальные параметры в приведенных ограничениях следует определить.

Рассматриваемая задача относится к классу задач линейного программирования. Для решения задачи такого типа воспользуемся симплекс - методом.

Решение поставленной задачи с учетом приведенных линейных ограничений позволило установить показатели ВЭУ малой мощности, обеспечивающие минимум удельных затрат на выработку электроэнергии. Результаты расчета для Челябинской области приводятся в таблице.

Показатели ВЭУ, обеспечивающие минимум удельных затрат на выработку электроэнергии в составе ВП

Показатель	Ветроэнергетический район
	1	2	3
Рабочая скорость, м/с	12	8,5	7
Диаметр ВК, м	13	18	18
Мощность генератора, кВт	50	30	20

Для определения параметров ВП разработана номограмма. Так, по заданной электрической нагрузке можно определить оптимальное количество ВЭУ, потребную площадь для ВП, длину ЛЭП и количество вырабатываемой электроэнергии. В качестве примера на рисунке 4 приведена номограмма определения параметров ВП для второго ветроэнергетического района Челябинской области.

1. им и рекомендуемое количество ВЭУ при напряжении питающей сети 0,4 кВ;

2. • • рекомендуемое количестбо ВЭУ при напряжении питающей сети 6-10 кВ;

3. При потребной мощности, превышающей Реп использовать несколько ветропарков.

Рис. 4. Номограмма для определения параметров ВП во втором ветроэнергетическом районе Челябинской области

Анализ номограммы показывает, что для заданной электрической нагрузки 400 кВт рекомендуется выбрать 14 ВЭУ с диаметром ВК 18 м, которые размещаются на территории 450 тыс. м2 . Суммарная длина ЛЭП составляет 4 км, магистральная линия выполняется напряжением 6–10 кВ. При этом ожидается выработка около 800 МВт.ч электрической энергии. Стоимость электроэнергии от ВП составит 2,45 руб/кВт.ч.

Таким образом, для обеспечения потребной электроэнергии в качестве источника РГ можно выбрать несколько ВЭУ малой мощности, соединенных ЛЭП и представляющих собой ВП. Для эффективного использования ВП предложена математическая модель, позволяющая выбрать показатели ВЭУ, обеспечивающие минимум удельных затрат на выработку электроэнергии. Предложен метод определения основных параметров ВП, на основе которого разработана номограмма для второго ветроэнергетического района Челябинской области.