Анализ применения программного обеспечения Homer Pro для выполнения расчетов ветродизельных комплексов на примере с. Новиково Сахалинской области

В настоящий момент на территории Дальневосточного региона генерация электроэнергии в зоне децентрализованного электроснабжения построена преимущественно на основе дизельных электростанций малой мощности. В свою очередь, для повышения энергетической и экономической эффективности реализуются проекты внедрения ветряной генерации в существующие сети удаленных населенных пунктов (с. Новиково, п. Никольское, п. Тикси, п. Усть-Камчатск) [1]. При проектировании ветродизельных комплексов (ВДК) возникают две основные подзадачи:

1. Расчет ветроэнергетического потенциала и выбор ветроэнергетических установок (ВЭУ);

2. Моделирование параллельной работы и оптимизация состава ветроэнергетического и дизель-генераторного оборудования по критериям энергетической и экономической эффективности.

Для выполнения первой из обозначенных подзадач существует ряд различных методик (ФЛЮГЕР-XXI, RISO и др.) и узкоспециализированных программных комплексов (WindPRO, Meteodyn, WindFarmer, WindSim, OpenWind, WAsP и др.).  Вторая подзадача зачастую выполняется с использованием стандартных программ, реализующих методы математического программирования (MS Excel, MathCad и др.), и различных сред компьютерного моделирования (MATLab, SolidWorks и др.) [2]. 

Программное обеспечение Homer Pro (Hybrid Optimization of Multiple Electric Renewables - Гибридная Оптимизация Нескольких Возобновляемых Источников Электроэнергии) позволяет решить обе подзадачи проектирования ВДК. Homer Pro обладает функционалом для моделирования, оптимизации и анализа изменчивости технологического процесса производства тепловой и электрической энергии в электроэнергетических системах с несколькими различными генераторными установками. Описание и анализ возможностей Homer Pro приведем на примере ВДК в селе Новиково, введенного в коммерческую эксплуатацию в 2016 году.

Работа с программным комплексом начинается с задания местоположения проектируемой системы по географическим координатам, для с. Новиково - 46°21′с. ш. 143°21′ в. д. Тогда при расчетах автоматически будет использованы ряды данных, характеризующих ресурсы возобновляемой энергетики и климатические условия в данной точке земной поверхности.

Далее необходимо создать модель автономной системы электро- и теплоснабжения, включающей в себя источники питания, электрическую и тепловую нагрузку, а также линии связи между ними.

Добавление в модель как электрической, так и тепловой нагрузки производится либо заданием одного из стандартных графиков нагрузки (требуется выбор пикового месяца, характера потребителя и значения среднегодовой нагрузки), либо загрузкой текстового файла, каждая строка в котором соответствует среднему значению часовой/минутной нагрузки.

Установлено, что потребляемая мощность села Новиково не превышает 500 кВт, имеет выраженный годовой ход с максимумом в зимний (в среднем 320 – 350 кВт) и минимумом в летний (210 – 250 кВт) период с локальным максимумом в период путины в августе (310 – 320 кВт в среднем и до 500 кВт в максимуме) и не имеет перспективы увеличения электропотребления [3].

В Homer Pro существует возможность выбора генераторного оборудования из обширной базы данных, которая в основном представлена моделями иностранных производителей.

Источником электроэнергии для с. Новиково является местная ДЭС, укомплектованная двумя дизель-генераторными установками CAT марки С 18 номинальной мощностью 508 кВт и 3406 номинальной мощностью 256 кВт, причем последний включается в работу лишь в летний сезон. Полезный отпуск электроэнергии ДЭС равен приблизительно 2.13 млн кВт·ч/год. Теплоснабжение поселка Новиково осуществляется местной котельной, работающей на каменном угле. Оцененная в работе мощность котельной составляет около 300 кВт, а время работы – с октября по май [3].

Среди эксплуатационных характеристик для генераторного оборудования указываются: минимальный уровень нагрузки, уровень нагрева, срок эксплуатации, минимальное время запуска. Также необходимо указать основные параметры топлива, такие как: удельная теплота сгорания, плотность, содержание углерода и серы. Для расчета экономической части модели требуется ввести данные за кВт установленной мощности, величину капиталовложений, стоимость строительства и установки оборудования, затраты на обслуживание и эксплуатацию. Для уточнения расчетов и определения экологическое воздействия устройства на окружающую среду заполняется информация в разделах Кривая топлива, Выбросы вредных веществ, Обслуживание. В разделе Режим работы задается время включения/выключения каждого из генераторов и периодичность их работы в течение года.

При добавлении в модель ВЭУ требуются кривая зависимости вырабатываемой мощности от скорости ветра, срок эксплуатации, высота ступицы, а также экономические показатели аналогичные дизель-генераторным установкам. Данные по потерям ВЭУ уточняют технические расчеты, а по обслуживанию – экономические.

Если же при проектировании ВДК не задано дизель-генераторное или ветроэнергетическое оборудование, то в поле область поиска можно ввести предполагаемые значения установленной мощности. При расчете модели будут рассмотрены генераторы, с каждым из указанных значений установленной мощности.

Результаты расчета модели, приведенные в табличном виде (рис. 1), отражают информацию по структуре генерирующих мощностей, экономической части, общесистемным показателям, и всем добавленным в модель техническим устройствам. Дополнительно можно посмотреть подробные показатели для всех возможных вариантов компоновок ВДК, а именно суммарные денежные затраты, движение денежных средств, электричество, суммарный расход топлива, доля возобновляемых источников энергии, выбросы вредных веществ.

Рисунок 1. Результаты расчета модели ВДК с Новиково

В результате проделанной работы можно отметить следующие преимущества и недостатки рассматриваемой программы для узкоспециализированных целей ветроэнергетики.

Во-первых, предполагается возможность как оценочных расчетов энергетических комплексов при малом количестве исходных данных, так и технико-экологических и экономических расчетов при задании большого числа входной информации. При этом производится расчет и сравнительная оценка всех возможных вариантов структуры системы исходя из количественных диапазонов входящих в модель технических устройств. Оптимизационные задачи решаются путем ранжирования вариантов по уровню экономической эффективности.

Во-вторых, существуют ограничения по вводу исходных данных для ветровых ресурсов и электрической нагрузки, состоящие в необходимости введения часовых или минутных данных за годовой период. Кроме того, в случае отсутствия интересующего для рассмотрения оборудования среди стандартных, для построения модели используются аналогичные технические устройства, приведенные к требуемым по ряду параметров. Так, например, при построении модели ВДК с. Новиково вместо ВЭУ Vestas V27 использовалась Vergnet GEV MP-R, а вместо дизель-генератора CAT C18 – GenSet. Как следствие, результаты моделирования приобрели дополнительную погрешность. Также ПО не предусматривает идентификацию качества поставляемой потребителю электроэнергии.

Таким образом, можно сделать вывод о простоте использования ПО Homer Pro для расчетов ВДК при разных уровнях исходной информации, однако при наличии большого числа ограничений.