72
Выбор мощности
возобновляемых
источников энергии
для покрытия дефицита
активной мощности
УДК 621.311.1
На
сегодняшний
день
возобновляемые
источники
энергии
(
ВИЭ
)
являются
перспективными
.
Политика
большинства
стран
заключается
в
использовании
возобновляемых
источников
энергии
совместно
с
использованием
традиционных
для
удов
-
летворения
растущего
спроса
на
электроэнергию
.
В
Сирийской
Арабской
Республике
с
целью
устранения
дефицита
мощно
-
сти
,
поддержания
требуемого
уровня
напряжения
в
узлах
сети
и
минимизации
потери
активной
мощности
запланировано
при
-
менение
солнечных
и
ветровых
электростанций
,
которые
будут
использоваться
совместно
с
традиционными
источниками
.
В
статье
дается
подход
к
выбору
единичной
мощности
солнеч
-
ных
и
ветровых
электростанций
при
заданных
местах
их
уста
-
новки
и
показана
его
эффективность
.
Моделирование
системы
электроснабжения
рассматриваемого
региона
,
а
также
под
-
хода
к
выбору
единичной
мощности
осуществлено
в
пакете
Simulink
среды
MATLAB.
Насыров
Р
.
Р
.,
к.т.н., доцент кафедры
ЭЭС ФГБПУ ВО
«НИУ «МЭИ»
Альдженди
Р
.,
аспирант кафедры
ЭЭС ФГБПУ ВО
«НИУ «МЭИ»
Хербик
Т
.,
к.т.н, профессор
кафедры электро-
энергетических
систем Тишринского
университета,
г. Латакия, Сирия
Ключевые
слова
:
возобновляемые источ-
ники энергии, дефи-
цит мощности, выбор
единичной мощности,
Simulink среды MATLAB
ВВЕДЕНИЕ
В Сирии существует потребность в покрытии де-
фицита генерирующих мощностей. Правительство
Сирии ставит перед собой задачу использования
ВИЭ для решения проблемы дефицита. Солнечные
и ветровые электростанции являются наиболее
перспективными ВИЭ. По данным всемирной Ве-
троэнергетической Ассоциации (WWEA) мощность,
генерируемая ветростанциями в мире, достигла
539 ГВт, при этом 52,6 ГВт мощностей введено
в 2017 году. Основным достоинством фотоэлектри-
ческой системы ― основной силовой составляю-
щей солнечных электростанций — является прямое
преобразование солнечного света в электричество
при отсутствии механических движущихся частей
и шума. К тому же фотоэлектрические модули име-
ют продолжительный срок службы, порядка 30 лет,
и их мощность варьируется в диапазоне от единиц
мкВт до единиц МВт [1–4].
С точки зрения применения ВИЭ в виде солнечных
и ветровых станций Сирия имеет выгодное геогра-
фическое положение: горизонтальная облученность
составляет 6,5 кВт/м
2
, а стационарность стабильного
ветрового потока оценивается в 4,9 ч/сутки [5]. При
этом солнечная энергия может быть использована
для опреснения воды, что представляет интерес для
стран с подобным климатом.
в
о
з
о
б
н
о
в
л
я
е
м
а
я
э
н
е
р
г
е
т
и
к
а
возобновляемая энергетика
73
120
140
160
180
200
220
240
260
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27
Зима
Лето
МВт
Час
T1
T2
T3
T7
T10
T4
T5
T6
T8
T9
T12
12
11
9
4
8
10
7
3
2
5
1
Генераторы
В Сирии на текущий момент
есть ВИЭ, среди них гидроэлек-
тростанции (ГЭС) и ветровая
станция. Три ГЭС, расположен-
ные на реке Евфрат, по данным
правительства, в 2009 году по-
крывали 4,4% потребности Си-
рии в электроэнергии. Также су-
ществует одна ветровая станция
мощностью 150 кВт [5]. В Сирии
планируется реализация проектов
по наращиванию объемов генера-
ции ВИЭ при участии немецкой
компанией GTZ. План рассчи-
тан на период с 2010 по 2030 год
и включает в себя ввод новых мощностей
ВИЭ каждые пять лет [5].
В ближайшей перспективе планом
предусмотрено строительство солнечной
электростанции на территории Сирии у го-
рода Латакии и ветровой станции в Среди-
земном море. Наличие двух разнесенных
в пространстве объектов генерации дает
возможность определить оптимальное рас-
пределение генерируемой мощности меж-
ду ними. В данной статье приводится реа-
лизация этого распределения.
АНАЛИЗ
СОСТОЯНИЯ
ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ
В
СИРИЙСКОЙ
ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ
СИСТЕМЕ
ГОРОДА
ЛАТАКИИ
Приморский город Латакия является од-
ним из самых важных городов в Сирий-
ской Арабской Республике и играет важ-
ную роль в промышленности страны. Это
портовый город с большим количеством
промышленных предприятий. Характер-
ные суточные зимний и летний графики
нагрузки для города Латакии представле-
ны на рисунке 1 [6–7]. По данным сетевой
компании Латакии, в режиме суточного
максимума, который приходится на 20:00
в летний период, активная мощность от-
ключаемой нагрузки составляет 100 МВт.
Поэтому для покрытия требуемой на-
грузки и устранения дефицита мощности
в электрическую сеть планируется интеграция
ВИЭ [6–7].
Исследуемая электрическая сеть состоит из
12 трансформаторных подстанций 66/20 кВ. К сети
подключены различные потребители электро-
энергии: промышленные предприятия с нелиней-
ной нагрузкой, коммунально-бытовые и мелкие
промышленные предприятия. Схема электро-
снабжения г. Латакии представлена на рисунке 2.
Напряжения в режиме наибольшей нагрузки
(лето, 20:00 характерного дня) в о.е., измеренные
на шине низшего напряжения трансформаторных
подстанций 66/20 кВ в г. Латакии, представлены
на рисунке 3.
Рис
. 1.
График
нагрузки
в
г
.
Латакии
Рис
. 2.
Схема
электроснабжения
в
г
.
Латакии
0.6
0.64
0.68
0.72
0.76
0.8
0.84
0.88
0.92
0.96
1
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
Уровень напряжения в MATLAB для исходной схемы
Номер узла
о.е.
Рис
. 3.
Напряжения
узлов
в
электрической
сети
г
.
Лата
-
кии
в
режиме
наибольшей
нагрузки
на
шинах
20
кВ
в
о
.
е
.
№
5 (56) 2019
74
ности, который планируется использовать в ближай-
шей перспективе. Потенциал ветроресурсов также
высок. Предполагаемое место расположения для ве-
троэлектростанции (в Средиземном море) стабиль-
но и круглогодично обдувается ветрами. Данные,
представленные на рисунке 5, получены от NASA.
В соответствии с географическим расположе-
нием описанных мест установки ВИЭ были опре-
делены места электрического подключения ВИЭ
к электрической сети г. Латакии (рисунок 6).
ПОДХОД
К
ВЫБОРУ
ЕДИНИЧНОЙ
МОЩНОСТИ
СОЛНЕЧНЫХ
И
ВЕТРОВЫХ
УСТАНОВОК
ПРИ
ЗАДАННЫХ
МЕСТАХ
Существует много методов выбо-
ра единичной мощности установок
ВИЭ в электрической сети. Начи-
ная с 2001 года был предложен
ряд эвристических алгоритмов, на-
правленных на решение пробле-
мы выбора единичной мощности
установок ВИЭ с учетом разных
факторов. За последнее десятиле-
тие эвристические методы стали
популярными. Эта популярность
объясняется двумя основными при-
чинами: гибкость (то есть методы
учитывают различные режимы ра-
боты электрической сети) и просто-
та (то есть реализация таких мето-
дов менее затратна с точки зрения
вычислительной нагрузки в сравне-
нии с аналитическими методами).
Эти преимущества проистекают из
того факта, что эвристика рассма-
тривает и решает проблемы опти-
мизации, опираясь только на вход-
ные и выходные параметры [8–11].
Различные эвристические ме-
тоды для одновременного опре-
деления местоположений и мощ-
ности ВИЭ для повышения эф-
фективности распределительных
систем предложены в [12–15].
В [16] авторы применяли метод
дифференциальной
эволюции
с перекрестной мутацией (ДЭПМ)
Рис
. 5.
Скорость
ветра
и
температура
воздуха
в
пред
-
лагаемой
области
Февраль
Авгу
ст
Ма
й
Ноябрь
Янв
арь
4
3,5
3
2,5
2
1,5
1
0,5
0
35
30
25
20
15
10
5
0
Ию
ль
Апре
ль
Ок
тябрь
Ма
рт
Сентябрь
Июнь
Дек
абрь
Скорость ветра
Температура воздуха
Ск
орость в
етра, м\с
Темпера
ту
ра в
оз
дух
а, °С
T1
T2
T3
T7
T10
T4
T5
T6
T8
T9
T12
12
11
9
4
8
10
7
3
2
5
1
Генераторы
Солнечные
электростанции
Ветровые
электростанции
Рис
. 6.
Распределительная
схема
электрической
сети
г
.
Латакии
(66/20
кВ
)
с
блоками
ВИЭ
ВОЗОБНОВЛЯЕМАЯ
ЭНЕРГИЯ
ПЛАНЫ
ПО
РАЗМЕЩЕНИЮ
ОБЪЕКТОВ
ВОЗОБНОВЛЯЕМЫХ
ИСТОЧНИКОВ
ЭНЕРГИИ
В
Г
.
ЛАТАКИИ
,
СИРИЯ
Солнечная электростанция, как указывалось выше,
будет подключена к электроэнергетической системе
Сирии в окрестностях города Латакии. Площадка для
размещения солнечной электростанции находится
в 8 км от центра города. По данным Национального
управления по аэронавтике и исследованию косми-
ческого пространства (NASA), дневная солнечная
радиация и температура воздуха в этой местности
представлены на рисунке 4.
На рисунке 4 виден высокий потенциал примене-
ния солнечных электростанций в выбранной мест-
Рис
. 4.
Дневная
сумма
солнечной
радиации
и
темпера
-
тура
воздуха
в
предлагаемой
области
Февраль
Авгу
ст
Ма
й
Ноябрь
Янв
арь
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
0
35
30
25
20
15
10
5
0
Ию
ль
Апре
ль
Ок
тябрь
Ма
рт
Сентябрь
Июнь
Дек
абрь
Дневная сумма солнечной радиации — горизонтальная
Температура воздуха
Дневная су
мма с
олне
чной радиации —
гориз
онт
альная, кВ
т·ч/(м
2
·день)
Темпера
ту
ра в
оз
дух
а, °С
75
для оптимального размера и размещения ВИЭ с це-
лью минимизации потерь мощности. В [17] предло-
жен новый эвристический метод, который называ-
ется алгоритмом поиска обратного слежения (АОС)
для решения оптимального размещения и размера
ВИЭ. В [18] был использован генетический алго-
ритм (ГА) в качестве метода оптимизации для выбо-
ра единичной мощности установок ВИЭ. В [19] пред-
ставлено применение эвристического алгоритма
стаи сальп (АСС) [на англ. Salp Swarm Optimization]
в сравнении с другими методами, в частности с ре-
зультатами следующих методов (аналитический,
гибридный, ДЭПМ, АОС, роя частиц и модифици-
рованный самообучающийся оптимизационный
алгоритм (МСОА)) для решения проблемы одно-
временного оптимального размещения и мощности
ВИЭ при минимизации потерь активной мощности.
Этот метод был протестирован на 33- и 69-узловых
тестовых системах IEEE. Сравнение в [19] показы-
вает, что производительность АСС более эффек-
тивна с точки зрения потери активной мощности
и улучшения уровня напряжения.
Описание самого алгоритма стаи сальп (АСС)
было предложено в статье [8]. Алгоритм имитирует
стайное поведение стаи сальп во время перемеще-
ния в океане и добывания пищи. Алгоритм прост
в реализации и применении, где адаптивный меха-
низм алгоритма позволяет избегать локальных ре-
шений и достигать в конце концов глобального оп-
тимума.
ОПИСАНИЕ
ЦЕЛЕВОЙ
ФУНКЦИИ
И
ОГРАНИЧЕНИЙ
Предлагаемый алгоритм определяет оптимальную
мощность блоков ВИЭ в режиме наибольшей на-
грузки в течение летного сезона, при минимизации
потерь активной мощности, обеспечения требуемого
уровня напряжения в узлах для устранения дефи-
цита мощности. На рисунке 7 изображен фрагмент
сети, состоящий из одной линии.
Целевая
функция
N
кв
N
min
F
=
P
ij
+
U
D
,
(1)
ij i
= 1
где
P
ij
— потери активной мощности в рассматри-
ваемой сети;
N
кв
— количество ветвей;
U
D
— сумма
отклонений от требуемого уровня напряжения (о.е.)
в узлах рассматриваемой сети, которую можно пред-
ставить в виде:
N
U
D
=
|
U
i
–
U
i
Ref
|,
(2)
i
= 1
где
N
— количество шин нагрузки;
U
i
Ref
= 1,05 о.е.
—
требуемый уровень напряжения;
U
i
— напряжение
в узле
i
.
Потери активной мощности в каждой линии могут
быть определены по формуле:
P
ij
= (
P
i
2
j
+
Q
i
2
j
)
R
ij
/
U
i
2
,
(3)
где
P
ij
— поток активной мощности между узлами
i
и
j
;
Q
ij
— поток реактивной мощности между узлами
i
и
j
;
R
ij
— сопротивление ветви между узлами
i
и
j
.
С учетом мощности ВИЭ суммарная мощность на
шине
j
(см. рисунок 7) определяется по формуле:
N
кв
j
P
i
к
j
=
P
н
j
+
P
jk
–
P
ВИЭ
j
,
(4)
k
= 1
где
N
кв
j
— количество ветвей, присоединенных
к узлу
j
.
Таким образом, согласно формуле 3, потери ак-
тивной мощности будет меняться.
Ограничения по активной и реактивной мощности
станций ВИЭ задаются уравнением, где ВИЭ в на-
шем случае использованы как источник активной
мощности:
P
г
i
+
P
ВИЭ
i
–
P
н
i
–
–
U
i
U
j
(
G
ij
cos
ij
+
j
N
i
+ B
ij
sin
ij
) = 0,
Q
г
i
–
Q
н
i
–
U
i
U
j
(
G
ij
sin
ij
– B
ij
cos
ij
) = 0,
(5)
j
N
i
(
P
i
ВИЭ
)
min
≤
P
i
ВИЭ
≤ (
P
i
ВИЭ
)
max
,
(
P
Сеть
)
min
≤
P
Сеть
≤ (
P
Сеть
)
max
,
где с учетом этих ограничений (минимальные и макси-
мальные пределы выдачи мощности ВИЭ) алгоритм
учитывает нестационарность выдачи мощности ВИЭ.
Значение напряжения на каждой шине 20 кВ транс-
форматорных подстанций 66/20 кВ должно удержи-
ваться в пределах ее максимального и минимального
значений и выражаться следующим образом:
0,95 о.е.
≤
U
i
≤ 1,05 о.е.
(6)
РЕЗУЛЬТАТЫ
МОДЕЛИРОВАНИЯ
Распределительная схема электрической сети в Лата-
кии (66/20 кВ) с предложенными местами блоков ВИЭ
показана на рисунке 6 и смоделирована в MATLAB/
Simulink. На рисунке 8 показана характеристика схо-
димости предлагаемого подхода (10 запусков расче-
тов). На графике видно, что сис тема имеет хорошую
сходимость (5–7 итераций на 10 запусков расчетов).
Получено оптимальное распределение мощности
между солнечной и ветровой станциями в отношении
43 МВт и 57 МВт соответственно.
ВИЭ
P
Q
н
н
j
j
+
R
X
ij
ij
+
j
P
ij
P
ji
U
i
U
j
A
K
j
Q
ij
Q
ji
P
ВИЭ
.
.
.
.
.
.
.
.
Рис
. 7.
Простой
фрагмент
сети
№
5 (56) 2019
76
В силу схожести меха-
низмов расчета рассма-
триваемого метода АСС
с методом роя частиц,
необходимо
провести
сравнение полученных
результатов. Это срав-
нение представлено на
рисунке 9, где видно, что
метод АСС дает мень-
шее значение целевой
функции в сравнении
с методом роя час тиц.
Подключение солнеч-
ных и ветровых электро-
станций к исследуемой
сети соответствующего
распределения и сум-
марной установленной
мощностью 100 МВт
обеспечивает
требуе-
мые уровни напряжения
(рисунок 10), уменьшает
потери мощности, устра-
няет дефицит мощности
в этой системе.
Полученные резуль-
таты расчетов устано-
вившегося режима наи-
большей нагрузки пока-
зывают, что величина по-
терь активной мощности
снизилась на 33,846%.
ВЫВОДЫ
В статье показан ре-
зультат применения оп-
тимизационного, эври-
стического метода АСС
для оптимизации рас-
пределения активной
мощности между двумя
ВИЭ, географическое
расположение которых
жестко
определено.
Данное распределение
позволило обеспечить
требуемые диапазоны
отклонения напряжения
в узлах рассматрива-
емой сети, исключить
дефицит активной мощ-
ности при минимуме ее
потерь.
0.87
0.89
0.91
0.93
0.95
0.97
0.99
1.01
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
Уровень напряжения в исходной схеме
о.е.
Уровень напряжения в схеме с ВИЭ
Номер узла
Рис
. 10.
Уровень
напряжения
в
сети
с
подключением
ВИЭ
-
установок
ВОЗОБНОВЛЯЕМАЯ
ЭНЕРГИЯ
1
2
3
4
5
6
7
8
3.9
3.91
3.92
3.93
3.94
3.95
3.96
3.97
3.98
3.99
4
Количество итераций
Рис
. 9.
Сравнение
АСС
и
метода
РЧ
для
распределительной
схемы
электрической
сети
г
.
Латакии
Зна
чение ц
елев
ой ф
ункции
Рис
. 8.
Характеристика
сходимости
алгоритма
стаи
сальп
2
3
4
5
6
7
8
Run#1
Run#2
Run#3
Run#4
Run#6
Run#7
Run#9
3,911286629
3,911286628
3,911286627
3,911286626
3,911286625
3,911286624
3,911286623
3,911286622
3,911286621
3,911286620
3,911286619
Количество итераций
Зна
чение ц
елев
ой ф
ункции
ЛИТЕРАТУРА / REFERENCES
1. Luque A., Hegedus S. Handbook of
Photovoltaic Science and Engineer-
ing. 2nd Edition. Wiley, 2011, 1164 p.
2. Goetzberger A., и Hoff mann V.U.
Photovoltaic Solar Energy Genera-
tion. Springer-Verlag, 2005.
3. Renewable Energy Focus Handbook.
Elsevier, 2009, 532 p.
77
4. Ackermann T. Wind Power in Power
Systems. John Wiley & Sons Ltd.,
2005, 746 p.
5. Государственная информацион-
ная система в области энерго-
сбережения и повышения энер-
гетической эффективности (State
information system in the fi eld of
energy saving and energy effi ciency).
URL: https://gisee.ru/.
6. Ministry of energy of the Syrian Arab
Republic URL:http://www.peegt.gov.
sy/.
7. Annual Statistical Report. Public Es-
tablishment for the Generation and
Transmission of Electricity. URL:
http://www.peegt.gov.sy.
8. Mirjalili S., Gandomi A.H., Mirjalili
S.Z., Saremi S. Salp Swarm Algo-
rithm: A bio-inspired optimizer for en-
gineering design problems //Advanc-
es in EngineeringSoftware, vol.114,
2017, pp. 163–191.
9. Colorni A., Dorigo M., Maniezzo V.
Distributed optimization by ant colo-
nies. Proceedings of the fi rst Europe-
an conference on artifi cial life. Paris,
France, 1991, pp. 134–42.
10. Eberhart R.C., Kennedy J. A new op-
timizer using particle swarm theory.
Proceedings of the sixth international
symposium on micro machine and
human science, 1995, pp. 39–43.
11. Karaboga D., Basturk B. A powerful
and effi cient algorithm for numerical
function optimization: artifi cial bee
colony (ABC) algorithm. J Global Op-
tim, vol. 39, 2007, pp. 459–71.
12. Aman M.M., Jasmon G.B., Solangi
K.H., Bakar A.H.A., Mokhlis H. Opti-
mum simultaneous DG and capacitor
placement on the basis of minimiza-
tion of power losses. International
Journal of Computer and Electri-
cal Engineering, 2013, vol. 5, no. 5,
pp. 516–522.
13. Esmaeilian H.R., Darijany O., Mo-
hammadian M. Optimal placement
and sizing of DG units and capacitors
simultaneously in radial distribution
networks based on the voltage stabil-
ity security margin. Turkish Journal of
Electrical Engineering & Computer
Science, 2014, pp. 1–14.
14. Gopiya Naik S., Khatod D.K., Sharma
M.P. Optimal allocation of combined
DG and capacitor for real power loss
minimization in distribution networks.
International Journal of Electrical
Power & Energy Systems, 2013, pp.
967–973.
15. Muthukumar K., Jayalalitha S. Opti-
mal placement and sizing of distrib-
uted generators and shunt capacitors
for power loss minimization in radial
distribution networks using hybrid
heuristic search optimization tech-
nique. International Journal of Electri-
cal Power & Energy Systems, 2016,
pp. 299–319.
16. Khodabakhshian A., Mohammad H.
Simultaneous placement and sizing
of DGs and shunt capacitors in distri-
bution systems by using IMDE algo-
rithm. International Journal of Electri-
cal Power & Energy Systems, 2016,
pp. 599–607.
17. Fadel W., Ulas K., Sezai T. Placement
of Dg, Cb, and Tcsc in radial distribu-
tion system for power loss minimiza-
tion using back-tracking search algo-
rithm. Electrical Engineering, 2016,
pp. 1–12.
18. Rahmani M. Simultaneous placement
of DG and capacitor in distribution
network. Electric Power Systems Re-
search, 2016, pp. 1–10.
19. Mehran S.A., Mojtaba A., Yaser T.H.
Optimal allocation of distributed gen-
erations and shunt capacitors using
salp swarm algorithm. 26-th Iranian
Conference on Electrical Engineering
(ICEE 2018), pp. 1166–1172.
Издательство
журнала
«
ЭЛЕКТРОЭНЕРГИЯ
.
Передача
и
распределение
»
выпустило
книгу
академика
РАЕН
,
профессора
В
.
А
.
НЕПОМНЯЩЕГО
Тираж
книги
5000
экз
.,
объем
196
с
.,
формат
170
х
235
мм
.
Для
приобретения
издания
необходимо
позвонить
по
многоканальному
телефону
+7 (495) 645-12-41
или
написать
по
e-mail: [email protected]
В монографии исследована надежность оборудования электро-
станций и электрических сетей напряжением 1150–10(6) кВ, раз-
работана методика сбора и статистичес кой обработки инфор-
мации о надежности оборудования. На основе статистических
данных и расчетов определены основные параметры надежности
и динамика их изменения в процессе эксплуатации. Выявлены
статистические законы распределения отказов и времени вос-
становления элементов энергосис тем. Проведено их сравнение
с зарубежными данными.
№
5 (56) 2019
Оригинал статьи: Выбор мощности возобновляемых источников энергии для покрытия дефицита активной мощности
На сегодняшний день возобновляемые источники энергии (ВИЭ) являются перспективными. Политика большинства стран заключается в использовании возобновляемых источников энергии совместно с использованием традиционных для удовлетворения растущего спроса на электроэнергию. В Сирийской Арабской Республике с целью устранения дефицита мощности, поддержания требуемого уровня напряжения в узлах сети и минимизации потери активной мощности запланировано применение солнечных и ветровых электростанций, которые будут использоваться совместно с традиционными источниками. В статье дается подход к выбору единичной мощности солнечных и ветровых электростанции при заданных местах их установки и показана его эффективность. Моделирование системы электроснабжения рассматриваемого региона, а также подхода к выбору единичной мощности осуществлено в пакете Simulink среды MATLAB.