alternativeАльтернативная энергетика и экология (ISJAEE)Alternative Energy and Ecology (ISJAEE)1608-8298Международный издательский дом научной периодики "Спейс10.15518/isjaee.2016.09-10.012-024alternative-347Research ArticleВОЗОБНОВЛЯЕМАЯ ЭНЕРГЕТИКАRENEWABLE ENERGYМОДЕЛИРОВАНИЕ РЕЖИМОВ РАБОТЫ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА ВЭС-ГЭС В ДЕЦЕНТРАЛИЗОВАННОЙ СИСТЕМЕ ЭНЕРГОСНАБЖЕНИЯSIMULATION OF WPP/HPP POWER SYSTEM OPERATING MODES IN DECENTRALIZED POWER SUPPLY SYSTEMЕлистратовВ. В.ElistratovV. V.

Политехническая ул., д. 29, Санкт-Петербург, 195251

Сведения об авторе: д-р техн. наук, профессор кафедры «Водохозяйственное и гидротехническое строительство» СПбПУ,

директор научно-образовательного центра «Возобновляемые виды энергии и установки на их основе» (НОЦ «ВИЭ»).

Награды: заслуженный энергетик РФ, медаль «300-летие Санкт-Петербурга» и ряд отраслевых наград.

Образование: СПБГПУ (1977).

Область научных исследований: разработка теоретических и технологических основ преобразования, комплексного использования и аккумулирования возобновляемой энергии со случайно детерминированным характером образования (солнечной, ветровой и гидравлической) при создании энергетических объектов для сетевой и распределённой генерации.

Публикации: более 150, в том числе 6 монографий, 7 авторских свидетельств и патентов РФ, более 20 учебников и учебных пособий.

29 Polytechnique str., St. Petersburg, 195251

Information about the author: D.Sc. (engineering), professor of the Water Resources and Hydrotechnical Engineering department of St. Petersburg State Polytechnic University, the director of scientific center “Renewable Energy Sources”.

Awards: Honoured Power Engineering Specialist of the Russian Federation; the medal of “300 years of St. Petersburg” and other industry awards.

Education: St. Petersburg State Polytechnic University (1977). Research area: development of theoretical and technological basic foundations of conversion, complex use and accumulation of renewable energy (solar, wind and hydro energy) while provision of energy units for network and decentralized system.

Publications: more than 150, including 6 monographs, 7 certificates and patents of the Russian Federation, more than 20 textbooks and tutorials.

vieg@cef.spbstu.ruВиноградова (Чернова)А. В.Vinogradova (Chernova)A. V.

Политехническая ул., д. 29, Санкт-Петербург, 195251

Сведения об авторе: аспирант кафедры «Водохозяйственное и гидротехническое строительство» СПбПУ,

младший научный сотрудник научно-образовательного цента «Возобновляемые виды энергии и установки на их основе» (НОЦ «ВИЭ»).

Награды и премии: премия и диплом призера Молодежной программы «Инвестируя в будущее» Форума «Russia Power»; премия и диплом победителя IX открытого конкурса ОАО «ТГК-1»; премии и дипломы победителя конкурса студенческих проектов «Энергия развития» (ОАО «РусГидро»); премия и Благодарность II Международной конференции по ветроэнергетике «WIND FRESH»; 2 гранта Президента РФ ведущей научной школы РФ в области возобновляемой энергетики; премия и диплом победителя конкурса Минобрнауки РФ «ЭнергоИдея».

Образование: СПбГПУ (2012).

Область научных исследований: вопросы энергоснабжения потребителей энергетическими комплексами на основе ВИЭ; энергетические комплексы на базе ветроэлектрических и гидроэлектрических станций.

Публикации: 13.

29 Polytechnique str., St. Petersburg, 195251

Information about the author: postgraduate of the Water Resources and Hydrotechnical Engineering department of St. Petersburg State Polytechnic University, an assistant of scientific center “Renewable Energy Sources”.

 

Awards and prizes: the prize of youth program “Invest in Future” Russia Power; the prize of open competition of TGK-1; 4 prizes of All-Russian competition “Energy of Development”; the prize of international conference “Wind Fresh”; 2 Presidents grants for benchmark scientific school in the area of renewable energy sources; the prize of AllRussian competition “Energy Idea”.

Education: St. Petersburg State Polytechnic University, 2012. Research area: complex use of renewable energy sources, especially complex use of wind and hydro energy; combining wind and hydro power stations into an energy complex.

Publications: 13.

anna_chernova@list.ruСанкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого НОЦ «Возобновляемые виды энергии и установки на их основе»РоссияPeter the Great Saint-Petersburg Polytechnic University, Research and Education Center “Renewable Energy Sources and Their Application in Power Plants”Russian Federation20161406201609-101224Copyright © Международный издательский дом научной периодики "Спейс, 20162016Международный издательский дом научной периодики "СпейсМеждународный издательский дом научной периодики "Спейсhttps://www.isjaee.com/jour/about/submissions#copyrightNoticehttps://www.isjaee.com/jour/article/view/347

К зонам децентрализованного энергоснабжения относятся районы, не имеющие связи с центральной энергосистемой страны. Особенностью децентрализованных районов является наличие единственного источника, от которого выполняется энергоснабжение потребителей.

В настоящее время для энергоснабжения индивидуальных и групповых децентрализованных потребителей в основном используются автономные дизельные электрические станции (ДЭС). К серьёзным недостаткам ДЭС следует отнести высокую стоимость производства электроэнергии и невозобновляемость дизельного топлива, выбросы парниковых газов и загрязнение окружающей среды. Авторами данной статьи в качестве альтернативы дизельной генерации рассмотрена возможность энергоснабжения потребителей автономными энергетическими комплексами на базе ветро- (ВЭС) и гидроэлектрических (ГЭС) станций.

Автономный энергетический комплекс ВЭС-ГЭС состоит из ВЭС, ГЭС с водохранилищем, автоматизированной системы управления и распределительного устройства. Между ними устанавливаются энергетические, инфраструктурные и информационные связи. Предложена методика определения параметров водохранилища ГЭС, учитывающая специфику работы ГЭС и ВЭС в составе энергокомплекса с гидравлическим аккумулированием энергии. Разработаны математические модели режимов работы ВЭС, ГЭС и водохранилища, учитывающие ресурсные, технические и технологические особенности их функционирования в децентрализованной системе энергоснабжения.

Предложена методика определения дублирующего объёма водохранилища с учётом реальных характеристик ветрового режима, параметров ВЭС и конфигурации водохранилища, а также методика расчёта гарантированной мощности ВЭС на сутки вперед для решения задачи оперативного планирования режимов работы энергетического комплекса. Выполнено моделирование режимов работы энергокомплекса ВЭС-ГЭС с водохранилищем сезонного регулирования.

Данные методики могут применяться при решении проектных задач по обоснованию параметров систем децентрализованного энергоснабжения потребителей в удалённых и изолированных районах, в том числе для оценки энергоэкономической эффективности замены существующих систем децентрализованного энергоснабжения на базе ДЭС, использующих привозное дизельное топливо, на экологически безопасные системы на базе местных источников энергии – ветровой и гидравлической.

Decentralized energy supply areas cover territories disconnected from power grid, and they incorporate only one type of power source.

Autonomous diesel power plants (DPP) are used mainly to power decentralized consumers and consumer groups nowadays. DPP basic disadvantages are power production high cost, diesel fuel nonregenerability, greenhouse gas emission and environmental pollution. The possibility of power supply by autonomous power systems combining wind power plants (WPP) and hydro power plants (HPP) as alternative to diesel generation due to hydraulic energy storage advantages has been considered.

Autonomous WPP/HPP power system is a combination of WPP, HPP with water-storage reservoir, automatic control system and switchgear, combined by power, infrastructural and data connections.

HPP water-storage reservoir parametrization procedure considering operating specificity of HPP and WPP as a part of power system with hydraulic energy storage has been suggested. Mathematical models for operating modes of WPP, HPP and storage reservoir has been developed, which consider resource, technical and technological features of their performance in decentralized power supply system. Technique for determining storage reservoir backup volume with allowance for wind conditions objective parameters, WPP features and storage reservoir configuration has been suggested. Method of day-ahead WPP firm power calculation in solving problem of operational planning of power system operating modes has been suggested. Simulation of WPP/HPP power system operating modes with seasonalstorage reservoir has been carried out on the basis of suggested approach.

The techniques could be used for solving design problems to substantiate decentralized power supply system parameters in remote and isolated areas, as well as for evaluating energy-economic efficiency of replacement existent decentralized power supply systems on the basis of DPP using imported diesel fuel by environmentally safe systems on the basis of local energy resource – wind energy and hydraulic energy.

децентрализованное энергоснабжениераспределённая генерацияэнергетический комплексветроэлектрическая станциягидроэлектрическая станцияобъём водохранилищарежим работыгарантированная мощностьмоделированиеdecentralized energy supplydistributed generationpower systemw ind power planthydropower plantstorage volumeoperating modeuninterrupted powersimulationМинобрнауки РоссииReferencesBlechinger Ph. Hybrid Mini-Grids: A Huge Market for Rural Electrification and Island Energy Supply // GIZ Mini-Grid workshop. Berlin, Germany. 26.02.2013.Blechinger Ph. Hybrid Mini-Grids: A Huge Market for Rural Electrification and Island Energy Supply. GIZ Mini-Grid workshop. Berlin, Germany. 26.02.2013 (in Eng.).Jensen T.L. Renewable Energy on Small Islands // Forum for Energy and Development. Copenhagen, Denmark, 1998.Jensen T.L. Renewable Energy on Small Islands. Forum for Energy and Development, Copenhagen, Den-mark, 1998 (in Eng.).Елистратов В.В., Кудряшова И.Г., Чернова А.В., Пилипец П.А. База данных «Энергетические комплексы на возобновляемых и традиционных источниках энергии». СПбГПУ. Свидетельство о государственной регистрации базы данных № 2015620053 от 12.01.2015.Elistratov V.V., Kudryashova I.G., Chernova A.V., Pilipec P.A. Baza dannyh «Ènergetičeskie kompleksy na vozobnovlâemyh i tradicionnyh istočnikah ènergii». SPbGPU. Svidetel’stvo o gosudarstvennoj registracii bazy dannyh no. 2015620053 (12.01.2015) (in Russ.).Елистратов В.В. Возобновляемая энергетика. СПб: Наука, 2013.Elistratov V.V. Vozobnovlâemaâ ènergetika. SPb: Nauka Publ., 2013 (in Russ.)Elistratov V.V., Kudryasheva I.G. Methodology for parameters selection and evaluation the effectiveness of decentralized energy supply systems based on renewable energy sources // ARPN Journal of Engineering and Applied Sciences. 2016. Vol. 11, № 5. P. 3509–3512.Elistratov V.V., Kudryasheva I.G. Methodology for parameters selection and evaluation the effectiveness of decentralized energy supply systems based on renewable energy sources. ARPN Journal of Engineering and Applied Sciences, 2016, vol. 11, no. 5, pp. 3509–3512 (in Eng.).Manwell J.F. Wind energy explained: theory, design, and application. United Kingdom: John Wiley & Sons Ltd., 2009.Manwell J.F. Wind energy explained: theory, design, and application. United Kingdom: John Wiley & Sons Ltd., 2009 (in Eng.).Mostafaeipour A., Khayyami M., Sedaghat A., Mohammadi K., Shamshirband S., Sehati M.-A., Gorakifard E. Evaluating the wind energy potential for hydrogen production: A case study // International Journal of Hydrogen Energy. 2016. Vol. 41. P. 6200–6210.Mostafaeipour A., Khayyami M., Sedaghat A., Mohammadi K., Shamshirband S., Sehati M.-A., Gorakifard E. Evaluating the wind energy potential for hydrogen production: A case study. International Journal of Hydrogen Energy, 2016, vol. 41, pp. 6200–6210 (in Eng.).Елистратов В.В., Конищев М.А. Повышение эффективности использования ВИЭ при комплексном использовании // Энергетическая политика. 2008. № 3. С. 30–37.Elistratov V.V., Konishchev M.A. Povyšenie èffektivnosti ispol’zovaniâ VIÈ pri kompleksnom ispol’zovanii. Ènergetičeskaâ politika, 2008, no. 3, pp. 30–37 (in Russ.).Конищев М.А. Совместная работа ГЭС и ВЭС в составе энергокомплекса с гидравлическим аккумулированием энергии // Научно-технические ведомости СПбГПУ. 2010. № 106. С. 45–51.Konishchev M.A. Sovmestnaâ rabota GÈS i VÈS v sostave ènergokompleksa s gidravličeskim akkumulirovaniem ènergii. Naučno-tehničeskie vedomosti SPbGPU, 2010, no. 106, pp. 45–51 (in Russ.).Елистратов В.В., Чернова А.В. Долгосрочное прогнозирование параметров энергетических комплексов ВЭС-ГЭС // Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» (ISJAEE). 2014. № 6. С. 36–43.Elistratov V.V., Chernova A.V. Dolgosročnoe prognozirovanie parametrov ènergetičeskih kompleksov VÈS-GÈS. International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology (ISJAEE), 2014, no. 6, pp. 36–43 (in Russ.).Чернова А.В. Особенности обоснования параметров энергообъектов, использующих ветровую и гидроэнергию // Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» (ISJAEE). 2014. № 11. С. 78–84.Chernova A.V. Osobennosti obosnovaniâ parametrov ènergoob’ektov, ispol’zuûŝih vetrovuû i gidroènergiû. International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology (ISJAEE), 2014, no. 11, pp. 78–84 (in Russ.).Jaramillo O.A., Borja M.A., Huacuz J.M. Using hydropower to complement wind energy: a hybrid system to provide firm power // Renewable Energy. 2004. № 29. P. 1887–1909;Jaramillo O.A., Borja M.A., Huacuz J.M. Using hydropower to complement wind energy: a hybrid system to provide firm power. Renewable Energy, 2004, no. 29, pp. 1887–1909 (in Eng.).Daniel C.P. Prowse Combining wind and hydropower // Wind Energy International. 2011/2012. P. 365–370.Daniel C.P. Prowse Combining wind and hydropower. Wind Energy International, 2011/2012, pp. 365–370 (in Eng.).Acker T.L., Robitaille A., Holttinen H., Piekutowski M. and ver Tande J.O.G. Integration of Wind and Hydropower Systems: Results of IEA Wind Task 24s // Wind Engineering. 2012. № 1. P. 1–18.Acker T.L., Robitaille A., Holttinen H., Piekutowski M. and ver Tande J.O.G. Integration of Wind and Hy-dropower Systems: Results of IEA Wind Task 24s. Wind Engineering, 2012, no. 1, pp. 1–18 (in Eng.).George C. Bakos. Feasibility study of a hybrid wind/hydro power-system for low-cost electricity production // Applied Energy. 2002. Vol. 72. P. 599–608.George C. Bakos. Feasibility study of a hybrid wind/hydro power-system for low-cost electricity production. Applied Energy, 2002, vol. 72, pp. 599–608 (in Eng.).Shahbaz Awan, Muhammad Ali, Muhammad Asif, Amjad Ullah. Hydro and Wind Power Integration: A Case Study of Dargai Station in Pakistan // Energy and Power Engineering. 2012. № 4. P. 203–209;Shahbaz Awan, Muhammad Ali, Muhammad Asif, Amjad Ullah. Hydro and Wind Power Integration: A Case Study of Dargai Station in Pakistan. Energy and Power Engineering, 2012, no. 4, pp. 203–209 (in Eng.).Елистратов В.В., Минина А.А. Моделирование энергетически эффективной части ветрового потока за краткосрочные интервалы времени // Научно-технические ведомости СПбГПУ. 2012. № 2–2 (147). С. 185–189.Elistratov V.V., Minina A.A. Modelirovanie ènergetičeski èffektivnoj časti vetrovogo potoka za kratkosročnye intervaly vremeni. Naučno-tehničeskie vedomosti SPbGPU, 2012, no. 2–2 (147), pp. 185–189 (in Russ.).Рыхлов А.Б. Анализ применения различных законов распределения для выравнивания скоростей ветра на юго-востоке европейской территории России // Известия Саратовского университета. Серия: Науки о Земле. 2010. Т. 10, Вып. 2. С. 25–30Ryhlov A.B. Analiz primeneniâ različnyh zakonov raspredeleniâ dlâ vyravnivaniâ skorostej vetra na ûgo-vostoke evropejskoj territorii Rossii. Izvestiâ Saratovskogo universiteta. Seriâ: Nauki o Zemle, 2010, vol. 10, iss. 2, pp. 25–30 (in Russ.).Kusiak A. Short-term prediction of wind farm power: a data mining approach // IEEE Transactions on energy conversion. 2009. Vol. 21, № 1. 12 p.Kusiak A. Short-term prediction of wind farm power: a data mining approach. IEEE Transactions on energy conversion, 2009, vol. 21, no. 1. 12 p (in Eng.).Rathmann O. Wind farm Wake-effect model in WAsP8. VEA. Wind Power Meteorology. Электронный ресурс: www.wasp.dk (дата обращения: 25.04.2015);Rathmann O. Wind farm Wake-effect model in WAsP8. VEA. W ind Power Meteorology.Available at: www.wasp.dk (25.04.2015) (in Eng.);Гидроэнергетическое и вспомогательное оборудование гидроэлектростанций. Т. 1. Основное оборудование гидроэлектростанций. М.: Энергоатомиздат, 1988.Gidroènergetičeskoe i vspomogatel’noe oborudovanie gidroèlektrostancij. Vol. 1. Osnovnoe oborudovanie gidroèlektrostancij. Moscow: Ènergoatomizdat, 1988 (in Russ.).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.