Підвищення ефективності експлуатації об’єктів електричних мереж за рахунок використання Smart Grid

Abstract

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.14.02 "Електричні станції, мережі та системи" (14 – Електрична інженерія) – Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут" Міністерства освіти і науки України, Харків, 2021 р. Дисертація присвячена розробці та вдосконаленню методів керування енергопостачанням об'єктів великої потужності з високою скважністю споживання за допомогою Smart Grid системи. Розглянуто проблеми використання Smart Grid систем в Україні та за кордоном. Установлено, що впровадження Smart Grid систем у країнах ЄС визначено рядом нормативних документів, директивами та стратегіями розвитку. Визначено, що впровадження Smart Grid систем відбувається з метою підвищення надійності енергопостачання, енергетичної безпеки, енергоефективності та екологічної гармонізації. Аналіз літератури з питань побудови гібридних енергосистем показав, що застосування відновлюваних джерел енергії в об’єднаних чи локальних енергосистемах має низку переваг щодо економії паливних ресурсів, незалежності від зовнішнього постачання, здешевлення енергії. Виділено основні концепції Smart Grid систем. Сформульовано способи підвищення ефективності електропостачання об'єктів з високим ступенем шпаруватості споживання електричної енергії. Розглянуто методологію підвищення ефективності енергопостачання об'єктів електричних мереж. Показано, що підвищення ефективності систем енергопостачання є одним із пріоритетних завдань в енергетиці. Проведено класифікацію методів підвищення ефективності електропостачання промислових підприємств. Виділено причини основних технологічних втрат електроенергії в системах електропостачання. Представлено методи, які найбільше підходять для підвищення ефективності систем енергопостачання. Зроблено висновок, що на кожному промисловому підприємстві необхідно застосовувати індивідуальний підхід до існуючих методів вирішення проблем з кваліфікованою оцінкою обсягів витрат, заощадження і терміну окупності їх упровадження. З’ясовано, що основним способом підвищення ефективності функціонування електротехнічних комплексів і систем енергопостачання підприємств є розвиток розподілу генерації за рахунок поновлюваних джерел енергії. Досліджено методологію визначення складу і типу обладнання гібридних енергосистем. Показано, що всі методи можна поділити на графічні, імовірнісні, аналітичні, ітераційні, гібридні та методи штучного інтелекту. Виділено критерії при проектуванні гідроелектростанцій. Показано, що ці критерії формують технологічні, економічні, соціально-політичні та екологічні фактори. Установлено, що перспективним напрямком у компенсації неактивних складових повної потужності є використання багатофункціональних пристроїв, що виконують функції компенсатора несиметрії живильної мережі, стабілізатора, активного фільтра і компенсатора реактивної потужності. Проведено аналіз ефективності системи енергопостачання радіотехнічного науково-дослідного комплексу Інституту іоносфери. Наведено загальну характеристику та режими роботи вимірювального комплексу Інституту іоносфери: радарів, антен та інших виконавчих пристроїв. Побудовано структурну схему радару некогерентного розсіяння та структурну схему Інституту іоносфери. Проаналізовано енергоспоживання експериментального комплексу за перше півріччя 2019 та 2020 рр. Установлено, що загальне енергоспоживання з січня по червень 2020 р. склало 60592 кВт. Проведено аналіз ефективності системи енергопостачання радіотехнічного науково-дослідного комплексу Інституту іоносфери, який дозволив визначити можливі фактори та режими роботи, що сприяють погіршенню якості електричної енергії в мережі. Проаналізовано спектр напруги і струму на вході споживача. Експериментальні дані показали, що найбільшу складову в реактивну компоненту споживання вносять радіопередавачі радару метрового діапазону. Розглянуто динамічні властивості передавача, який складається з високовольтного випрямляча та модуляційного пристрою. Наведено основні параметри передавача. Наведено принцип роботи модуляційного пристрою, комірки модулятора, комірки випрямляча, системи керування модуляційним пристроєм. У Matlab Simulink створено математичну модель системи живлення вимірювального комплексу Інституту іоносфери за отриманими енергетичними характеристиками формувача. Досліджено енергетичні характеристики передавача. Отримано результати моделювання формуючої лінії. Аналіз режимів роботи функціональних компонентів радіокомплексу показав їхню низьку енергоефективність і негативний вплив на якість електроенергії, що в сучасних умовах робить наукові радіотехнічні комплекси вкрай непривабливим споживачем для енергосистеми України. Сформульовано концепцію та запропоновано методику модернізації режимів роботи функціональних компонентів радіотехнічних науково-дослідницьких комплексів. Запропоновано на початковому етапі модернізації проводити аналіз структури енергоспоживання, режимів роботи всіх вузлів і компонентів системи енергопостачання, можливих джерел і причин втрат в енергосистемі та зниження якості електроенергії. Визначено склад програмного забезпечення інформаційно-вимірювальної системи і системи автоматичного керування енергопостачанням. Наведено метод розрахунку і способів включення накопичувачів енергії. За результатами розрахунку синтезовано спрощену модернізовану систему енергопостачання радіопередавача радіотехнічного науково-дослідницького комплексу. Наведено рівняння розрахунку балансу потужностей для акумуляторів, сонячної панелі та вітрогенераторів. Показано, що промислова мережа і накопичувач енергії під час експлуатації радіотехнічного науково-дослідницького комплексу використовуються періодично у випадкові проміжки часу і мають підключатися до енергосистеми через додаткові інвертори. Здійснено розрахунок потужностей сонячних станцій та вітрогенераторів. На підставі проведеного аналізу енергетичних показників формувача потужних зондуючих імпульсів, методів регулювання показників якості з використанням неактивних складових повної потужності запропоновано використовувати багатофункціональний компенсатор неактивних складових повної потужності. У Matlab Simulink побудовано модель фільтрокомпенсуючого пристрою і формувача. Отримані за допомогою моделі енергетичні характеристики формувача продемонстрували зміну рівня амплітуд обраних вищих гармонік струму мережі живлення та забезпечення підтримання коефіцієнта потужності навантаження з компенсатором не нижче 0.99, зниження амплітуд вищих гармонік струму мережі живлення на 50-60%. Проведено синтез структурної схеми інформаційно-вимірювальної системи радіотехнічного науково-дослідницького комплексу. Наведено вимоги до побудови та виділено основні характерні особливості системи автоматичного управління енергопостачанням об'єктів, подібних радіотехнічному науково-дослідницькому комплексу. На підставі графіків енергопостачання та розкладу проведення експерименту побудовано математичну модель Інституту іоносфери. Синтезовано спрощені схеми заміщення smart-системи електропостачання, споживачів, поновлюваних джерел, накопичувача електричної енергії. Проведено моделювання роботи виконавчих пристроїв та динамічних процесів у системі електроживлення вимірювального комплексу Інституту іоносфери. Моделювання показало, що вольт-амперні характеристики, отримані експериментальним шляхом, збігаються з вольт-амперними характеристиками побудованої моделі. Результати моделювання виявили можливість збільшення кількості панелей та ємності акумуляторних батарей, що дозволить застосовувати їх для збільшення кількості виконавчих пристроїв Інституту іоносфери. Результати моделювання дозволили сформулювати задачі з належного використання перетворювачів напруги та використання ШІМ-контролера. За результатами проведених експериментів установлено, що за 1 місяць кількість поверненої в мережу енергії, що накопичилась під час проведення експерименту та в періоди немаксимальної активності сонця, при використанні 600 сонячних панелей складає 4.72 МВт.Thesis for granting the Degree of Candidate of Technical sciences (PhD degree) in specialty 05.14.02 "Management systems and processes" (14 – Electrical Engineering) – National Technical University "Kharkiv Polytechnic Institute" of Ministry of Education and Science of Ukraine, Kharkiv, 2021. The dissertation is devoted to the development and improvement of power supply control methods of high-power objects with high consumption rate using Smart Grid system. Problems of using Smart Grid systems in Ukraine and abroad are considered. It is established that the implementation of Smart Grid systems in the EU countries is defined by a number of regulations, directives and development strategies. It is determined that the implementation of Smart Grid systems is aimed at improving the reliability of energy supply, energy security, energy efficiency and environmental harmonization. Literature Analysis of the hybrid power systems construction has shown that the use of renewable energy sources in integrated or local power systems has a number of advantages in terms of fuel economy, independence from external supply, cheaper energy. The basic concepts of Smart Grid systems are highlighted. Ways to increase the efficiency of power supply of facilities with a high degree of duty cycle of electricity consumption are formulated. The methodology of power supply efficiency increasing of electric networks objects is considered. It is shown that increasing the efficiency of energy supply systems is one of the priority tasks in energy. The classification of power supply efficiency increasing methods of the industrial enterprises is carried out. The causes of the main technological losses of electricity in power supply systems are highlighted. The methods that are most suitable for increasing of energy supply systems efficiency are presented. It is concluded that each industrial enterprise should apply an individual approach to existing methods of solving problems with a qualified assessment of costs, savings and payback period of their implementation. It was found that the main way to increase the efficiency of electrical systems and power supply systems of enterprises is the development of generation distribution through renewable energy sources. The methodology of determining the composition and type of equipment of hybrid power systems is studied. It is shown that all methods can be divided into graphical, probabilistic, analytical, iterative, hybrid and artificial intelligence methods. Criteria for designing hydropower plants are highlighted. It is shown that these criteria are formed by technological, economic, socio-political and environmental factors. It is established that a promising direction in the compensation of inactive components of full power is the use of multifunctional devices that perform the functions of compensator of asymmetry of the supply network, stabilizer, active filter and reactive power compensator. The analysis of efficiency of power supply system of radio engineering research complex of the Institute of Ionosphere is carried out. The general characteristics and modes of operation of the measuring complex of the Institute of the Ionosphere: radars, antennas and other actuators are given. The block diagram of incoherent scattering radar and the block diagram of the Ionosphere Institute are constructed. The energy consumption of the experimental complex for the first half of 2019 and 2020 is analyzed. It is established that the total energy consumption from January to June 2020 amounted to 60592 kW. Analysis of the efficiency of the power supply system of the radio engineering research complex of the Institute of the Ionosphere, which allowed to identify possible factors and modes of operation that contribute to the deterioration of electricity in the network is made. The spectrum of voltage and current at the input of the consumer is analyzed. Obtained experimental data have shown that the largest component in the reactive component of consumption is made by radio transmitters of the meter range. The dynamic properties of a transmitter consisting of a high-voltage rectifier and a modulation device are considered. The main parameters of the transmitter are given. The principle of operation of the modulation device, modulator cell, rectifier cell, modulation device control system is given. Using Matlab Simulink a mathematical model of the power supply system of the measuring complex of the Ionosphere Institute based on the obtained energy characteristics of the shaper has been created. The energy characteristics of the transmitter are investigated. The results of modeling the forming line are obtained. The analysis of the modes of operation of the functional components of the radio complex showed their low energy efficiency and negative impact on the quality of electricity, which in modern conditions makes scientific radio systems extremely unattractive consumer for the power system of Ukraine. The technique of work modes of functional components modernization of radio engineering research complexes is offered. It is proposed at the initial stage of modernization to analyze the structure of energy consumption, modes of operation of all components and components of the power supply system, possible sources and causes of losses in the power system and reduce the quality of electricity. The composition of the software of the information-measuring system and the system of automatic control of power supply is determined. The method of calculation and methods of inclusion of energy storage devices are given. According to the results of the calculation, a simplified modernized power supply system of the radio transmitter and radio-technical research complex are synthesized. The equation for calculating the batteries power balance, solar panels and wind turbines is given. It is shown that the industrial network and energy storage during the operation of the radio research complex are used periodically at random intervals and must be connected to the power system through additional inverters. The capacity of solar stations and wind generators has been calculated. On the basis of the analysis of energy indicators of the shaper of powerful probing pulses, methods of regulation of quality indicators with use of inactive components of full power to use the multipurpose compensator of inactive components of full power is offered. Using Matlab Simulink models of a filter-compensating device and a shaper have been created. The energy characteristics of the shaper obtained with the help of the model showed a change in the level of amplitudes of the selected higher harmonics of the power supply and ensuring the maintenance of the load power factor with a compensator not lower than 0.99, reducing the amplitudes of higher harmonics of the power supply by 50-60%. The synthesis of the structural scheme of the information-measuring system of the radio-technical research complex is carried out. The requirements for construction are given and the main characteristic features of the system of automatic power supply control of objects similar to the radio engineering research complex are highlighted. A mathematical model of the Ionosphere Institute on the basis of power supply schedules and the schedule of the experiment was built. Simplified schemes of replacement of smart-system of power supply, consumers, renewable sources, electric energy storage are synthesized. The modeling of executive devices and dynamic processes in the power supply system of the measuring complex of the Institute of Ionosphere is carried out. The simulation showed that the volt-ampere characteristics obtained experimentally with the volt-ampere characteristics of the constructed model are coincided. The simulation results revealed the possibility of increasing the number of panels and the capacity of batteries, which will allow them to be used to increase the number of actuators of the Institute of Ionosphere. The simulation results allowed to formulate problems on the proper use of voltage converters and the use of PWM controller. According to the results of the experiments, it was found that for 1 month the amount of energy returned to the network, accumulated during the experiment and during periods of maximum solar activity, when using 600 solar panels is 4.72 MW.