В настоящее время не решены следующие проблемы АСЭС:

–– повышения качества и надежности функционирования АСЭС с использованием ДВС-электростанций и ВИЭ;

––рационального использования местных топливно-энергетических ресурсов, в том числе возобновляемых;

–– повышения эффективности производства, транспорта и потребления местных топливно-энергетических ресурсов, электрической и тепловой энергии;

–– показателей качества электроэнергии;

––многофункциональности и многотопливности;

–– снижения эксплуатационных расходов и улучшения топливной экономичности двигателя внутреннего сгорания (ДВС);

–– оптимизации выбора состава оборудования на стадии проектирования АСЭС;

–– оптимизации режимов работы и конструктивно-компоновочных решений АСЭС по критериям энергетической и технико-экономической эффективности.

Решение перечисленных проблем напрямую связано с реализацией с новой концепции развития распределенной и возобновляемой энергетики. Эта концепция рассматривает автономные системы энергоснабжения, которые используют различные виды источников энергии, а именно всё многообразие местных энергетических ресурсов.

К наиболее высокому уровню развития таких систем можно отнести АСЭС на основе многофункциональные энерготехнологические комплексы (МЭК) модульной типа на базе гибридных энергоустановок. Под многофункциональностью следует понимать возможность подобного комплекса производить из местных топливно-энергетических ресурсов моторные топлива, электрическую и тепловую энергию. Использование местных энергоресурсов позволит решить многие вопросы энергоснабжения, «северного завоза», улучшить социально-экономическую и экологическую обстановку.

Суть новой Концепции развития распределенной и возобновляемой энергетики заключается:

  • в реализации многофункциональности, многотопливности, модульного построения автономных систем энергоснабжения, в использовании местных энергоресурсов, ВИЭ, в том числе – космической энергии;
  • в разработке и реализации единого обобщённого универсального унифицированного типового проекта, который отвечал бы современным техническим требованиям, предъявляемым к автономным системам энергоснабжения (АСЭС);
  • в согласованности характеристик энергетических модулей, в том числе ДВС, силовых генераторов, ВИЭ-модулей, потребителя нагрузок и др. модулей (известно, что технические решения, заложенные в конструкцию ДВС-электростанций, которые являются основой развития малой энергетики, исчерпали свои возможности для дальнейшего повышения их энергетической эффективности).

Применение МЭК в составе АСЭС позволит не только оптимизировать режимы её работы с использованием ВИЭ, но и перевести её на новую конструктивно- компоновочную схему с многоканальным распределением энергетических потоков различной физической природой.

МЭК является той основой, которая позволит объединить все типы энергетических установок, предназначенных для производства, прежде всего, моторных топлив, электрической и тепловой энергии. Это объединение должно выполняться в соответствии с мощностным рядом МЭК с использованием серийно выпускаемых энергоустановок и на основе оптимального согласования технических характеристик всех элементов АСЭС по максимуму ее полного КПД.

МЭК – это более высокая степень обобщения по отношению к любому типу энергоустановок малой мощности. Поэтому любая автономная система энергоснабжения, в основе которой лежит какое-либо сочетание объектов малой и возобновляемой энергетики, всегда будет более частным случаем по отношению к АСЭС на основе обобщенного МЭК.

МЭК – это более высокий уровень развития объектов малой и возобновляемой энергетики, так как в основе его построения заложены новые конструктивно-компоновочные решения и методы оценки его энергетической эффективности.

В основу разработки предлагаемой Концепции была положена математическая модель обобщенной автономной системы энергоснабжения с множеством каналов передачи энергии различной физической природой к потребителю.

Реализация предлагаемой Концепции с использованием этой модели позволит решить следующие задачи:

1. Объединение на основе технологической схемы систем генерации, электрических сетей, потребителей электроэнергии, тепла и топлив в единую автоматизированную систему.

2. Количественная и качественная оценка энергетического процесса производства, передачи и потребления электроэнергии, тепла и моторных топлив в реальном масштабе времени на сквозного энергетического анализа.

3. Управление (оптимизация) режимов работы и показателями качества всех элементов АСЭС «различные виды топлива – элементы системы генерации электроэнергии и тепла – элементы системы передачи и распределения электроэнергии и тепла – элементы системы потребления электроэнергии и тепла в соответствии с системой критериев энергетической эффективности функционирования АСЭС.

4. Совершенствование структуры и распределение мощностных потоков в распределённых системах генерации на основе использования математических моделей функционирования АСЭС.

5. Мониторинг, контроль и оптимизация параметров и режимов работы АСЭС в удаленных регионов России, на основе которых принимаются оптимальные управленческие решения по повышению эффективности работы подотрасли малой энергетики, а также на стадии проектирования в зависимости от местных условий эксплуатации энергоустановок рекомендуется обоснованный их выбор.

Следует обратить на тот факт, что основой структуры производственного оборудования АСЭС в настоящее время является двигатель внутреннего сгорания (ДВС). Следовательно, показатели работы АСЭС в значительной мере будут зависеть, прежде всего, от эффективности этого звена (модуля). Основные направления совершенствования ДВС-электростанций такие, как повышение надежности, улучшение экологических показателей, снижение эксплуатационных расходов, улучшение топливной экономичности, увеличение ресурса, расширение многотопливности и многофункциональности в рамках существующего конструктивно-компоновочного решения в значительной степени уже исчерпаны.

Анализ общих конструктивно-компоновочных решений и классификация автономных систем энергоснабжения указывают на огромное их разнообразие. Однако, преимущественное распространение получили АСЭС на базе дизельных электростанций, скоростные режимы которых не оптимизированы. (см. рис. 1)

При разработке математической модели был применен, разработанный нами, дифференцированный метод оценки энергетической эффективности использования энергоресурсов в автономных системах энергоснабжения. Суть этого метода заключается в том, что автономная система может быть представлена в виде технологической схемы обобщенного многофункционального энерготехнологического комплекса на базе гибридных энергоустановок и множества каналов поступления и потребления энергии различной физической природой. В свою очередь, МЭК - это комплекс, состоящий из набора базового источника в виде многотопливной электростанции и возобновляемых источников энергии в виде солнечных, ветряных и гидроэнергетических установок и т.п. (Рис. 1).

При этом технологическая схема АСЭС была построена на основе логического анализа, состоящая из трех подсистем:

–– подсистема факторов внешних условий;

–– подсистема общих конструктивно-компоновочных решений;

–– подсистема энергетических и эксплуатационных свойств АСЭС.

Между этими подсистемами и элементами системы установлены энергетические связи. Следует отметить, что к подсистеме факторов внешних условий относятся, прежде всего, климатические условия – температура, плотность и влажность воздуха, показатели качества энергоресурсов, в т.ч. теплота сгорания различных топлив, потенциал ВИЭ, график нагрузок потребителей и многое другое.

К подсистеме общих конструктивно-компоновочных решений относятся типы МЭК и энергоустановок, элементы системы: ДВС, генераторы, редукторы, каналы передачи энергии и многое другое.

К подсистеме энергетических и эксплуатационных свойств АСЭС относятся показатели качества электрической и тепловой энергии, мощность системы, ДВС, источников возобновляемой энергии, модулей для производства моторного топлива, системы утилизации тепла, силовых генераторов, трансмиссий электростанции, преобразователей частоты, аккумуляторов энергии; частота вращения ДВС, источников возобновляемой энергии, силовых генераторов, трансмиссий электростанции; момент ВС и основных модулей; часовой и удельный расходы топлива ДВС, основных модулей и АСЭС; стоимость одного кВт*час ДВС, основных модулей и АСЭС; КПД АСЭС, модулей, и каналов передачи мощности к потребителям; коэффициент использования мощности АСЭС и модулей; коэффициенты распределения мощности АСЭС между модулями и потребителями; массогабаритные показатели АСЭС и модулей и многие другие показатели.

Особенностью разработки такой модели АСЭС заключается в том, что математическое описание энергетических связей между элементами представлено таким образом, чтобы оптимизация режимов работы системы происходила по максимуму ее полного КПД в зависимости от коэффициента распределения мощности на входе или на выходе этой системы. При этом оценка энергетической эффективности каждого элемента системы может быть представлена в виде его КПД в зависимости от распределения мощности между каналами ее передачи, режимов работы и его характеристик. Математическая модель обобщенной АСЭС позволяет: рассмотреть с единых позиций технологические и энергетические процессы при работе АСЭС любого типа; наметить и реализовать пути повышения эффективности автономных систем благодаря обоснованию оптимальных общих конструктивно-компоновочных решений, оптимизации скоростных и силовых режимов; дать комплексную оценку последствий принимаемых решений в части формирования эксплуатационных характеристик АСЭС или определить качества существующих автономных систем и предпочтительные условия их использования. Она позволяет разработать не только методику по определению оптимальных параметров МЭК, но и создать основу для создания интеллектуальной АСЭС. Достоинства такой модели заключаются, прежде всего, в том, что оптимальные параметры АСЭС в целом и элементов системы в частности определяются в автоматическом режиме в реальном масштабе времени при наличии необходимых количественных характеристик внешних условий. Степень детализации по определению параметров любого элемента системы будет зависеть от формулы по установлению КПД того или иного элемента и научно-обоснованных допущениях. К примеру, если поршневая электростанция эксплуатируется в широком диапазоне изменения частоты вращения, то, конечно, необходимо учитывать влияния частоты вращения генератора на потери его в стали, подшипниках, вентиляции и т.п.

Использование интеллектуальной АСЭС позволит обеспечить:

  • экономии топлива только за счет оптимизации режимов работы ДЭС на 10-20% в зависимости от нагрузки и 25-30% и более за счет использования потенциала ВИЭ;
  • повышение коэффициента использования топлива с 0,4-0,45 до 0,8 - 0,9 за счет комплексной утилизации сбросового тепла ДВС;
  • согласованность характеристик энергетических модулей, в т. ч. ДВС, генератора и потребителя нагрузок (повышение КПД ДВС-электростанции на 10-20%);
  • возможность совместной работы ДВС-электростанции с возобновляемыми источниками энергии (гибридная электростанция) при любом соотношении мощности за счет применения всережимного генератора, преобразователя частоты и САУ, а также с энергосистемой;
  • обеспечение высокого качества электрической и тепловой энергии независимо от колебаний нагрузки и потенциала возобновляемых видов энергии;
  • высокий коэффициент загрузки ДВС (~ 1).

Математический аппарат позволит решить следующие задачи:

–– на основе сформированной системы критериев энергетической эффективности АСЭС на базе МЭК определять КПД любого элемента (ДВС, ВИЭ-энергоустановки, силового генератора, канала передачи электрической (ЛЭП или кабельная линия) и тепловой (теплотрасса) энергии к потребителям, силового трансформатора, канала передачи мощности различной физической природы и полный КПД МЭК;

–– оптимизировать распределения мощностных потоков между потребителями независимо от физической природы;

–– оптимизировать параметры и режимы работы АСЭС в зависимости от типа источника возобновляемой энергии и распределения множества энергетических потоков между потребителями;

–– оценить влияние показателей качества электроэнергии (отклонение частоты, несинусоидальность напряжения, отклонение напряжения, несимметрия напряжения в трехфазных системах, углы фазовых сдвигов и т.п.) на энергетическую эффективность генераторов, трансформаторов, электрических сетей и потребителей.

–– оценить влияние показателей качества моторных топлив различных видов на энергетическую эффективность поршневых электростанций.

Следовательно, математическая модель обобщенной АСЭС позволяет: рассмотреть с единых позиций технологические и энергетические процессы при работе АСЭС любого типа; наметить и реализовать пути повышения эффективности автономных систем благодаря обоснованию оптимальных общих конструктивно-компоновочных решений, оптимизации скоростных и силовых режимов; дать комплексную оценку последствий принимаемых решений в части формирования эксплуатационных характеристик АСЭС или определить качества существующих автономных систем и предпочтительные условия их использования.

Обращаем внимание на отличительные особенности структурной схемы автоматизированной системы АСЭС по отношению к интеллектуальной централизованной системы, которые заключаются в следующем:

–– наличие в составе АСЭС возобновляемых источников энергии, мощность которых соизмерима с базовой энергетической установкой (дизельная или газопоршневая электростанция и т.п.) или может значительно ее превышать;

––использование новых методов оценки энергетической эффективности использования энергоресурсов в АСЭС и с различными типами источниками с применением сквозного энергетического анализа;

–– наличие в составе АСЭС множество каналов передачи мощности к потребителю различной физической природой;

–– несоизмеримо меньшим количеством элементов в системе и их масштабов по отношению к централизованной интеллектуальной энергетической системе.

Математическая модель АСЭС и знание установленной мощности, коэффициентов распределения мощности на входе и выходе системы, параметров внешних условий, показателей качества моторных топлив и показателей качества электроэнергии, полученных с помощью информационно-измерительных систем контроля качества электрической энергии, позволяют при минимуме установке соответствующих датчиков установить все необходимые характеристики, режимы, параметры и эксплуатационные свойства любого элемента системы в реальном масштабе времени. А сама автономная система в соответствии с ее алгоритмом управления работает по максимуму полного КПД.