26
Ежеквартальный
спецвыпуск
№
1(4),
март
2017
Владимир
ГУСАРОВ
,
к
.
т
.
н
.,
доцент
кафедры
электроснабжения
сель
ского
хозяйства
ФГБОУ
ВО
«
Оренбургский
ГАУ
»,
ведущий
инженер
службы
технологического
развития
,
инноваций
,
энергосбережения
и
повышения
энергетической
эффективности
филиала
ПАО
«
МРСК
Волги
» —
«
Оренбургэнерго
»
Алексей
ПЕТРОВ
,
преподаватель
ФГОУ
ВПО
"
Оренбургский
государственный
аграрный
университет
"
Перспективы
применения
гибридных
систем
электроснабжения
на
базе
альтернативных
источников
энергии
Рассматриваются
вопросы
развития
альтернативных
систем
электроснабжения
с
использованием
возобновляемых
ис
-
точников
энергии
,
их
взаимосвязь
с
существующей
центра
-
лизованной
сетью
,
а
также
вопросы
автономного
энергоснаб
-
жения
и
совместного
использования
централизованной
сети
и
альтернативной
(
гибридных
систем
электроснабжения
на
базе
альтернативных
источников
энергии
).
Описана
актуаль
-
ность
создания
систем
электроснабжения
с
использованием
возобновляемых
источников
энергии
,
возможности
объеди
-
нения
их
в
гибридные
электротехнические
комплексы
.
Рабо
-
та
подобных
систем
подразумевает
создание
управляющих
алгоритмов
режимов
совместной
работы
различного
энер
-
гетического
оборудования
.
Особенно
актуальны
возобнов
-
ляемые
системы
в
решении
важнейшей
проблемы
энерго
-
обеспечения
децентрализованных
районов
России
,
на
долю
которых
приходится
до
70%
территории
страны
с
населени
-
ем
до
20
млн
человек
.
Ж
изненно
важной
характеристи
-
кой
энергетики
в
экстремаль
-
ных
природно
-
климатических
условиях
является
надежность
работы
всех
звеньев
системы
топливо
-
и
энергообеспечения
.
В
зависимости
от
этого
находится
не
только
эффективность
функционирования
отраслей
народного
хозяйства
,
но
здоровье
и
жизнь
людей
[1].
В
условиях
отсутствия
электроэнергии
ста
-
новится
невозможным
эффективное
ис
-
пользование
труда
и
создание
надежной
системы
жизнеобеспечения
человека
.
Около
70%
территории
России
от
-
носится
к
зонам
децентрализованного
электроснабжения
,
в
которых
прожива
-
ет
по
разным
оценкам
от
10
до
20
млн
человек
.
Большинство
этих
территорий
расположены
в
районах
с
суровыми
кли
-
матическими
условиями
—
Сибирь
,
Даль
-
ний
Восток
,
Крайний
Север
.
Сегодня
для
энергоснабжения
автономных
потребите
-
Развитие
сетей
27
лей
используются
дизельные
(
ДЭС
)
или
бензиновые
электростанции
,
эксплуа
-
тация
которых
сопряжена
с
большими
затратами
на
периодический
завоз
то
-
плива
и
обслуживание
[2, 3].
Топливная
составляющая
,
с
учетом
его
доставки
в
труднодоступные
районы
,
становится
основным
компонентом
в
себестоимости
производимой
энергии
,
достигая
60%
и
более
.
Дополнительными
негативными
факторами
использования
таких
устано
-
вок
являются
выбросы
продуктов
сгора
-
ния
в
окружающую
среду
и
шум
[3].
Энергетическая
стратегия
России
на
период
до
2020
года
предусматривает
замещение
20
млн
т
.
у
.
т
.
традиционных
энергоносителей
за
счет
возобновля
-
емых
источников
энергии
(
ВИЭ
) [3, 7].
Достижение
этой
отметки
невозможно
без
комплексного
рассмотрения
научного
,
экономического
и
технологического
аспектов
проблемы
внедрения
уста
-
новок
,
использующих
ВИЭ
.
Применение
возобновляемых
источников
энергии
в
составе
автономных
энергетиче
-
ских
систем
позволяет
снизить
топливную
составляющую
в
себестоимости
вырабатываемой
электроэнергии
,
что
существенно
повышает
их
технико
-
экономическую
эффек
-
тивность
.
Перспективность
и
актуальность
применения
возобновляемых
энергоресурсов
для
экономии
органиче
-
ского
топлива
сегодня
отмечена
как
отечественными
,
так
и
зарубежными
специалистами
в
области
электроэнерге
-
тики
и
теплоснабжения
.
В
настоящее
время
существует
необходимость
опре
-
деления
энергоэффективных
рабочих
режимов
оборудо
-
вания
в
составе
автономных
систем
с
использованием
рассредоточенных
источников
энергии
,
часть
из
которых
возобновляемые
.
Отсутствие
в
свободном
доступе
необхо
-
димых
программных
продуктов
для
исследования
режимов
работы
гибридных
систем
электроснабжения
с
использова
-
нием
возобновляемых
энергоресурсов
,
закрытость
исполь
-
зуемых
моделей
и
алгоритмов
,
склонность
к
конкретному
определению
применяемого
оборудования
(
ограничивает
-
ся
собственным
производимым
оборудованием
или
обору
-
дованием
в
контракте
на
исследования
),
быстрое
развитие
энергетического
оборудования
для
ВИЭ
диктуют
необхо
-
димость
создания
универсальных
,
в
широком
диапазоне
мощностей
применяемого
энергетического
оборудования
алгоритмов
согласования
работы
автономного
электротех
-
нического
комплекса
и
моделей
энергетических
балансов
автономной
системы
электроснабжения
с
энергоисточни
-
ками
различной
физической
природы
[5, 14].
Наиболее
универсальной
для
применения
среди
всех
ВИЭ
является
ветроэнергетика
.
Использование
ветроди
-
зельных
электротехнических
комплексов
(
ВДЭТК
)
наибо
-
лее
перспективно
в
электроснабжении
удаленных
потре
-
бителей
электрической
энергии
[3].
Под
гибридными
системами
электроснабжения
принято
понимать
системы
,
в
составе
которых
находятся
несколько
электростанций
с
различными
первичными
источниками
энергии
.
Например
,
такие
связки
генерирующих
электро
-
установок
:
ветроэнергетическая
установка
и
дизельгене
-
ратор
,
солнечные
батареи
и
установка
,
вырабатывающая
электричество
из
биогаза
,
микроГЭС
и
ВЭУ
[6].
Пример
комплексного
использования
различных
энер
-
горесурсов
представлен
на
рисунке
1.
Здесь
в
микросеть
объединены
ДЭС
,
ВЭС
,
СЭС
,
аккумуляторные
батареи
(
АБ
).
Параметры
сети
задает
либо
ДЭС
,
либо
(
когда
ДЭС
не
работает
)
инвертор
,
установленный
с
аккумуляторными
батареями
[6].
Необходимо
отметить
,
что
в
понятие
децентрализован
-
ная
энергетика
входят
также
и
схемы
с
рассредоточенными
источниками
энергии
,
подключенными
к
общей
сети
.
Здесь
упор
делается
на
разгрузку
передающих
линий
электро
-
передачи
от
центральной
энергосистемы
до
потребителя
,
а
также
на
повышение
надежности
электроснабжения
за
счет
возможности
кратковременного
(
или
не
очень
)
авто
-
номного
снабжения
потребителей
электрической
энергией
.
С
экономической
точки
зрения
в
автономных
микроси
-
стемах
в
диапазоне
от
5
до
30
кВт
крайне
неэффективно
использовать
только
дизельные
генераторы
,
так
как
даже
установка
в
дополнение
к
ДЭС
только
аккумуляторных
ба
-
тарей
уже
даст
положительный
экономический
эффект
[6].
Зарубежный
опыт
в
построении
подобных
систем
по
-
казывает
возможность
экономии
органического
топ
лива
в
среднем
до
70%
и
,
при
благоприятных
внешних
услови
-
ях
,
полное
замещение
органического
топлива
.
В
Германии
фирмой
SMA,
одной
из
мировых
лидеров
в
области
раз
-
работки
и
производства
оборудования
для
децентрализо
-
Рис
. 1.
Автономная
микросистема
: 1 —
ДЭС
, 2 —
АБ
, 3 —
СЭС
, 4 —
ВЭС
, 5 —
авто
-
номный
инвертор
, 6 —
ведомый
инвертор
СЭС
, 7 —
ведомый
инвертор
ВЭС
, 8 —
по
-
требители
электрической
энергии
28
Ежеквартальный
спецвыпуск
№
1(4),
март
2017
ванного
и
автономного
энергоснабжения
,
в
сотрудничестве
с
институтом
IS
ЕТ
(
г
.
Кассель
)
успешно
протестированы
гибридные
автономные
микросистемы
в
климатических
усло
виях
Китая
,
Австралии
,
Африки
,
Америки
,
Европы
и
России
[8, 9].
Следующим
этапом
развития
является
объединение
рассредоточенных
источников
энергии
и
микросистем
в
локальные
микро
-
и
минисети
(
рисунок
2).
Работы
по
этому
направлению
активно
проводятся
во
всех
крупных
исследовательских
центрах
,
занимающихся
проблемами
развития
и
повышения
эффективности
функционирова
-
ния
энергетического
хозяйства
.
Объединение
в
локальные
микросети
позволяет
решать
проблемы
энергетического
дефицита
,
оптимизировать
загрузку
генерирующего
обору
-
дования
,
улучшить
качество
и
стабильность
электроснаб
-
жения
[2].
Управление
такими
системами
ведется
с
при
-
менением
современных
систем
кабельной
и
спутниковой
связи
,
позволяя
максимально
автоматизировать
техно
-
логические
процессы
и
,
одновременно
,
усилить
контроль
над
производственными
параметрами
.
Подобные
решения
позволяют
иметь
полное
представление
о
текущем
состо
-
янии
оборудования
,
оперативно
реагировать
на
изменения
параметров
сети
,
находясь
даже
за
сотни
километров
от
непосредственно
генерирующих
установок
и
потребителей
электрической
энергии
.
М
.
А
. Elhadidy
и
S.M. Shaahid
из
Центра
инженерных
ис
-
следований
Университета
Нефти
и
Минералов
Саудовской
Аравии
провели
исследования
возможности
применения
ветроэлектростанций
в
комплексе
с
уже
существующими
дизельными
электростанциями
как
отдельно
,
так
и
в
ком
-
плексе
со
средствами
накопления
электроэнергии
для
ре
-
зервирования
и
повышения
эффективности
использования
Рис
. 2.
Объединения
автономных
микросистем
в
локальную
сеть
,
с
возможностью
подсоединения
к
более
крупной
энергетической
системе
и
с
возможностью
удаленного
управления
(
пунктирные
линии
):
А
—
локальная
обособленная
ЭС
,
В
—
региональная
остров
-
ная
система
,
С
—
централизованная
ЭС
с
подключенными
возобновляемыми
источниками
энергии
; 1 —
передача
электроэнергии
и
управляющих
сигналов
, 2 —
сигнальный
кабель
, 3 —
центр
управления
системой
(
диспетчерская
), 4 —
передача
управляющего
сигнала
через
спутник
, 5 —
ДЭС
, 6 —
ГРЭС
РЕГИОНАЛЬНЫЕ
ОСТРОВНЫЕ
СЕТИ
ПИТАНИЯ
МЕСТНЫЙ
ИСТОЧНИК
ПИТАНИЯ
.
АВТОНОМНЫЕ
СИСТЕМЫ
Развитие
сетей
29
ВЭС
.
Полученные
результаты
показали
высокую
эффек
-
тивность
и
необходимость
расширения
полученного
опыта
на
другие
населенные
пункты
Саудовской
Аравии
[10, 11].
Важной
особенностью
гибридных
систем
с
накопите
-
лями
энергии
является
возможность
оптимизации
загрузки
генерирующего
оборудования
и
согласования
потребления
и
выработки
электроэнергии
.
По
оценкам
экспертов
,
ис
-
пользование
в
комплекте
с
ВЭС
аккумуляторных
батарей
в
качестве
резервных
накопителей
энергии
при
сходных
со
среднероссийскими
ветровыми
условиями
(4–6
м
/
с
)
позво
-
ляет
сократить
время
работы
ДЭС
в
ветродизельной
систе
-
ме
до
40%
при
резервировании
на
один
день
и
до
65%
при
резервировании
на
три
дня
[12, 13].
В
настоящее
время
автономные
системы
(
рисунок
2)
разделяют
в
зависимости
от
назначения
(
ферма
,
произ
-
водство
,
поселки
/
группа
поселков
)
на
:
А
–
Изолированные
системы
:
мощность
системы
до
100–
150
кВт
,
предназначены
для
электроснабжения
глав
-
ным
образом
бытовых
потребителей
с
незначительной
производственной
нагрузкой
;
Б
–
Островные
системы
:
мощность
системы
более
600
кВт
,
единичная
мощность
ДЭС
от
100–150
кВт
и
выше
.
Предназначены
для
электроснабжения
потребителей
с
высокой
составляющей
производственной
нагрузки
.
Иногда
подсоединены
близлежащие
поселки
,
не
име
-
ющие
собственных
источников
энергии
.
В
Европе
исследования
идут
в
основном
в
направлении
островных
систем
(
в
связи
с
наличием
значительного
коли
-
чества
островов
,
нуждающихся
в
электрификации
или
уве
-
личении
генерирующих
мощностей
).
В
США
и
странах
Азии
и
Африки
более
интенсивно
исследуются
изолированные
микросистемы
,
что
связано
с
обширными
территориями
со
слабой
инфраструктурой
и
низкой
энергетической
плот
-
ностью
нагрузок
.
В
России
можно
наблюдать
потребность
в
системах
обоих
типов
,
но
все
же
со
смещением
в
сторону
изолированных
систем
.
К
таким
системам
можно
отнести
почти
все
северные
районы
нашей
страны
,
а
также
райо
-
ны
,
расположенные
в
азиатской
части
России
.
Существует
острая
необходимость
в
создании
систем
электроснабжения
с
использованием
возобновляемых
ис
-
точников
энергии
,
возможности
объединения
их
в
гибрид
-
ные
электротехнические
комплексы
как
между
собой
,
так
и
с
существующими
дизельными
станциями
и
,
в
опреде
-
ленных
случаях
,
с
центральной
энергосистемой
.
Создание
управляющих
алгоритмов
режимов
совместной
работы
различного
энергетического
оборудования
является
одной
из
основных
задач
для
повышения
эффективности
работы
автономных
ветродизельных
электротехнических
комплек
-
сов
.
Таким
образом
,
возобновляемая
энергетика
способна
внести
значительный
вклад
в
решение
важнейшей
про
-
блемы
энергообеспечения
децентрализованных
районов
России
,
на
долю
которых
приходится
до
70%
территории
страны
с
населением
до
20
млн
человек
.
ЛИТЕРАТУРА
1.
Коновалова
Л
.
П
.
Электроснабжение
децентрализованных
потребителей
Томской
области
с
использованием
воз
-
обновляемых
источников
энергии
:
автореф
.
дис
. …
канд
.
техн
.
наук
.
Томский
политехнический
университет
(
ТПУ
).
Томск
, 2007. 22
с
.
2.
Васильев
Ю
.
С
.
Оценки
ресурсов
возобновляемых
ис
-
точников
энергии
в
России
.
Учебно
-
справочное
пособие
/
Ю
.
С
.
Васильев
,
П
.
П
.
Безруких
,
В
.
В
.
Елистратов
,
Г
.
И
.
Сидо
-
ренко
.
СПб
.:
Изд
-
во
Политехн
.
ун
-
та
, 2008. 251
с
.
3.
Сурков
М
.
А
.
Повышение
энергоэффективности
автоном
-
ных
ветро
-
дизельных
электротехнических
комплексов
:
автореф
.
дис
. …
канд
.
техн
.
наук
.
Национальный
иссле
-
довательский
Томский
политехнический
университет
(
ТПУ
). [
Электронный
ресурс
]. URL: http://earchive.tpu.ru/
handle/11683/6671.
4.
Данченко
A.M.,
Лукутин
Б
.
В
.,
Обухов
С
.
Г
.
и
др
.
Кадастр
возможностей
.
Под
ред
.
Б
.
В
.
Лукутина
.
Томск
:
Изд
-
во
НТЛ
,
2002. 280
с
.,
ил
.
5.
Костюков
В
.
И
.
Возобновляемые
источники
энергии
/
В
.
И
.
Костюков
,
И
.
Н
.
Хузмиев
, 2009. 268
с
.
6.
Нетрадиционные
и
возобновляемые
источники
энергии
:
учебное
пособие
/
Ю
.
Д
.
Сибикин
,
М
.
Ю
.
Сибикин
.
М
.:
КНО
-
РУС
, 2010. 232
с
.
7.
Троицкий
В
.
А
.
Глобальная
экология
и
стратегия
развития
энергетики
//
Альтернативные
источники
энергии
:
эффек
-
тивность
и
управление
, 1990,
№
2.
С
. 19–23.
8. An adaptive control scheme for biomass-based diesel-wind
system. Francisco Jurado, Jose R. Saenz. Renewable Energy
28 (2003), p. 45–57 (Spain, 150kW).
9. Carta J. A., González J., Gómez C. Operating results of
a wind-diesel system which supplies the full energy needs
of an isolated village community in the Canary Islands, Solar
Energy, Volume 74, Issue 1, January 2003, Pages 53–63.
10. Elhadidy M.A., Shaahid S.M. Role of hybrid (wind+diesel) power
systems in meeting commercial loads, Renewable Energy
29 (2004), Pages 109–118 (Saudi Arabia, 620 000 kWh/year,
4.1-6.4 m/s wind, l0 kW × 30 WG, 3days battery storage).
11. Elhadidy M.A., Shaahid S.M. Optimal sizing of battery storage
for hybrid (wind+diesel) power systems, Renewable Energy,
Volume 18, Issue 1, 2 September 1999, Pages 77–86.
12. Kleinkauf W., Raptis F., Haas
О
. Electri
fi
cation with Renewable
Energies, Hybrid Plant Technology for Decentralized, Grid-
Compatible Power Supply, Excerpt from Themes 96/97 Solar
Energy Association, Germany.
13. Wies R.W., Johnson R.A., Aspnes J. Design of an energy-
ef
fi
cient standalone distributed generation system employing
renewable energy sources and smart grid technology as
a student design project / Power and Energy Society General
Meeting, 2010. IEEE 25-29 July 2010. Pages 1–8.
14.
Ресурсы
и
эффективность
использования
возобновля
-
емых
источников
энергии
в
России
/
Коллектив
авторов
.
СПб
.:
Наука
, 2002. 314
с
.
Оригинал статьи: Перспективы применения гибридных систем электроснабжения на базе альтернативных источников энергии
Рассматриваются вопросы развития альтернативных систем электроснабжения с использованием возобновляемых источников энергии, их взаимосвязь с существующей централизованной сетью, а также вопросы автономного энергоснабжения и совместного использования централизованной сети и альтернативной (гибридных систем электроснабжения на базе альтернативных источников энергии). Описана актуальность создания систем электроснабжения с использованием возобновляемых источников энергии, возможности объединения их в гибридные электротехнические комплексы. Работа подобных систем подразумевает создание управляющих алгоритмов режимов совместной работы различного энергетического оборудования. Особенно актуальны возобнов-
ляемые системы в решении важнейшей проблемы энергообеспечения децентрализованных районов России, на долю которых приходится до 70% территории страны с населением до 20 млн человек.
