Теория надежности в энергетике Надежность систем генерации, использующих ветровую и солнечную энергию

Министерство образования и науки Российской Федерации

Сибирский федеральный университет

В. А. Тремясов, Т. В. Кривенко

Теория надежности в энергетике.

Надежность систем генерации, 

использующих ветровую 

и солнечную энергию

Учебное пособие

Красноярск

СФУ
2017

УДК 620.92-027.45(07)
ББК 31.6-021я73

Т662

Р е ц е н з е н т ы:
В. В. Смирнов, кандидат технических наук, директор филиала ОАО 

«СО ЕЭС» Красноярское РДУ;

А. В. Бастрон, кандидат технических наук, доцент, заведующий ка
федрой электроснабжения сельского хозяйства Красноярского государственного аграрного университета

Тремясов, В. А.

Т662
Теория надежности в энергетике. Надежность систем генера
ции, использующих ветровую и солнечную энергию : учеб. пособие / В. А. Тремясов, Т. В. Кривенко. – Красноярск : Сиб. федер. 
ун-т, 2017. – 164 с.

ISBN 978-5-7638-3749-0

Приведена оценка моделей и методов расчета надежности систем генерации, 

построенных с использованием возобновляемых источников энергии в небольших 
изолированных энергосистемах. Рассмотрены примеры решения практических задач для получения необходимых показателей адекватности и экономической оценки генерирующих систем, содержащих ветровую, солнечную энергию и средства 
аккумулирования энергии.

Предназначено для магистрантов, обучающихся по направлению подготовки 

13.04.02 «Электроэнергетика и электротехника».

Электронный вариант издания см.:

http://catalog.sfu-kras.ru

УДК 620.92-027.45(07)
ББК 31.6-021я73

ISBN 978-5-7638-3749-0
© Сибирский федеральный университет, 2017

Предисловие

Моделирование и оценка надежности энергетических систем, 

использующих энергию ветра, солнечную энергию и аккумулирующих энергию, является новой областью в оценке надежности 
энергосистем. Надежность работы нетрадиционных агрегатов существенно отличается от традиционного генерирующего агрегата. 
Нетрадиционный агрегат в значительной степени зависит от местных ресурсов, поэтому он может иметь незапланированные отключения как из-за отказа оборудования, так и из-за дефицита местных 
ресурсов. Таким образом, действительные
и точные данные 

о местных ресурсах – существенный элемент в практической оценке надежности таких систем.

В настоящее время, в связи с широким применением возобнов
ляемых источников энергии в системах электроснабжения, необходимо внедрение методов оценки их надежности для проведения конкретных расчетов при планировании развития и эксплуатации малых 
изолированных энергосистем. Оценка показателей надежности приобретает всевозрастающую роль при целевом принятии решений.

Концепции, модели и методы оценки надежности электроус
тановок, представленные в пособии, применимы ко всем малым 
изолированным энергосистемам, использующим возобновляемые 
источники энергии.

Пособие написано в соответствии с рабочей программой кур
са «Надежность систем генерации», читаемого авторами для магистерской программы «Электрическая часть и системы управления 
электростанций
и подстанций»
по направлению подготовки

13.04.02 «Электроэнергетика
и электротехника».
Значительная 

часть материала заимствована из научных работ известного ученого – специалиста в области надежности электроэнергетических 
систем Р. Биллинтона, работавшего в подкомиссии IEEE (Институт 
инженеров по электротехнике и электронике) и Канадской электрической ассоциации, а также в других организациях, в том числе 
учебных заведениях.

В пособии используются термины на английском языке, наи
более широко применяемые как в зарубежной, так и в отечественной научно-технической литературе. Большая часть из них имеет 
русские эквиваленты терминов, применяемых в области исследования и обеспечения надежности электроэнергетических систем.

Введение

Использование для электроснабжения возобновляемых источни
ков энергии (ВИЭ), таких как ветровая и солнечная энергия, в последние годы привлекло значительное внимание из-за неблагоприятных воздействий на окружающую среду и роста стоимости топлива, 
связанных с традиционной выработкой электроэнергии. В настоящее 
время для производства электроэнергии часто используются ветровые 
и/или солнечные источники энергии. В будущем ветровая и солнечная энергия вместе с общественной поддержкой и государственными 
стимулами станут важными источниками для производства электроэнергии из-за их экологических, социальных и экономических преимуществ.

Ветер и солнечный свет – нестабильные и переменные источ
ники энергии, которые ведут себя не так, как традиционные источники. Поэтому часто требуется сглаживать колеблющуюся природу 
этих преобразовательных энергоустановок с помощью систем аккумулирования энергии, особенно в небольших изолированных энергетических системах. Материалы, представленные в данном пособии, сосредоточены на разработке и применении методов оценки 
надежности и экономической выгоды, связанной с внедрением ветровой, солнечной энергии и аккумулированием энергии в генерирующих системах с ВИЭ.

В работе использован вероятностный подход и проведены ана
лизы надежности и экономической оценки генерирующих систем, содержащих ветровую, солнечную энергию и средства аккумулирования энергии. Модели и методы оценки показателей надежности 
включают различные эксплуатационные стратегии, связанные с применением дизельных генераторов в небольших изолированных системах.

В пособии объединены детерминированные и вероятностные 

методы и используется системный подход, чтобы получить необходимые показатели надежности для небольших изолированных систем, 
которые включают возобновляемые источники энергии и аккумулирование энергии. Представленные термины, понятия и примеры ре

шения практических задач помогут проектировщикам энергосистем 
и будут полезны менеджерам при оценке надежности и экономической выгоды использования энергетических ветровых систем, систем 
солнечной энергии и аккумулирования энергии, а также внесут полезный вклад в управленческий процесс принятия решения.

Глава 1

Надежность генерирующих систем

с ветровыми и солнечными 

энергоустановками

1.1. Оценка надежности энергосистемы

Основная функция электроэнергетической системы (ЭЭС) – эко
номичное снабжение своих потребителей качественной электроэнергией с приемлемым уровнем надежности [1, 2]. Проблема надежного 
обеспечения потребителей электроэнергией возрастает в связи с увеличивающейся зависимостью современного общества от электроэнергии. Следовательно, поставщики электроэнергии должны предоставить гарантию качества и непрерывности обслуживания для своих потребителей.

Уровень гарантии, однако, зависит от нагрузки потребителя

и связанных с ней затрат на предоставление услуг. В целом более надежные системы включают больше финансовых инвестиций. Однако 
нереально пытаться спроектировать энергосистему со стопроцентной 
надежностью, поэтому проектировщики энергосистемы и инженеры 
всегда пытались достигнуть приемлемого уровня надежности по доступной цене. Понятно, что оценка надежности и соответствующих затрат/стоимости – важные аспекты в планировании и эксплуатации 
энергосистемы.

Надежность, связанная с энергосистемой, – это мера полной 

способности системы выполнить ее основную функцию. Надежность 
системы можно разделить на две категории: адекватность нагрузке 
мощности генераторов системы и безопасность системы [1], как показано на рис. 1.1.

Понятием адекватности, как правило, считается наличие доста
точных мощностей в пределах энергосистемы, чтобы удовлетворить 
потребительский спрос. Эти мощности включают те, которые нужны
для генерирования достаточного количества энергии и связаны с пе

редающими и распределительными сетями, необходимыми для передачи энергии к реальным пунктам нагрузки потребления. Адекватность, следовательно, связана со статическими условиями, которые не 
включают системные нарушения.

Рис.1.1. Структурная схема оценки надежности

С другой стороны, безопасность касается способности системы 

реагировать на нарушения, возникающие в пределах этой системы. 
Безопасность, таким образом, связана с реакцией системы на то возмущение, которому она подвергается. Считается, что она включает условия, вызывающие локальные и распространенные воздействия и потерю 
крупных объектов производства и передачи электроэнергии [1].

Оценка адекватности энергосистемы может быть проведена

во всех трех основных функциональных зонах: производства, передачи и распределения. Три иерархических уровня (HL) могут быть 
структурированы путем объединения функциональных зон (рис. 1.2).

На иерархическом уровне I (HL-I) исследуют общую систему 

производства электроэнергии, чтобы определить ее адекватность для 
удовлетворения требованию общей системной нагрузки. Оценка надежности в HL-I обычно определяется как оценка адекватности генерирующей мощности. Сеть и технические средства для передачи
и распределения электроэнергии не включены в оценку на уровне HL-I.

Оценка адекватности на иерархическом уровне II (HL-II) вклю
чает и генерацию, и передачу в оценке интегрированной способности 
сложной системы доставить энергию оптовым пунктам поставки. 
Этот анализ обычно называют сложной оценкой надежности энергосистемы.

Оценка адекватности на иерархическом уровне III (HL-III) 

включает все три функциональные зоны и на практике встречает 
трудности из-за масштаба проблемы и вычислительной сложности. 
Эти исследования обычно выполняются только для третьей функциональной зоны.

Безопасность системы
Адекватность системы

Надежность системы

Рис. 1.2. Иерархические уровни структуры энергосистемы

Подходы, описанные в данной работе, сосредоточены на адек
ватности HL-I и связанной с ней оценкой затрат/стоимости энергосистем, использующих энергию ветра, солнечную энергию и аккумулирование энергии.

1.2. Использование возобновляемых источников 

энергии и аккумулирование энергии 
в электроэнергетических системах

Растущий спрос на электроэнергию и увеличивающиеся топлив
ные затраты во всем мире создали необходимость исследования новых 
источников энергии. Их обычно называют возобновляемыми источниками энергии для электроснабжения, среди которых ветровая и солнечная энергия признаны наиболее перспективными средствами производства электроэнергии в будущем. В настоящее время применение ветровой и/или солнечной энергии расширяется и постепенно занимает новые рынки. Растущее осознание потенциальных воздействий на окружающую среду, связанных с производством традиционной энергии, 
привело к повышенному вниманию на крупномасштабное использование этих возобновляемых источников [3]. Есть также важные социальные причины для развития программ по возобновляемой энергетике
в небольших, изолированных регионах, особенно в развивающихся 

Иерархический 
уровень 

HL-I

Иерархический уровень
HL-II

Иерархический уровень
HL-III

Производство 
электроэнергии

Передача

электроэнергии

Распределение
электроэнергии

странах [4]. Ветровая и солнечная энергия – самые подходящие варианты для этих отдаленных районов.

Существуют пять возможных сценариев использования ветро
вой и/или солнечной энергии для выработки электроэнергии: 1) ветровая и/или солнечная энергия без системы аккумулирования энергии; 2) ветровая и/или солнечная энергия без системы аккумулирования энергии в сочетании с традиционной выработкой, такой как дизельный двигатель; 3) ветровая и/или солнечная энергия на основе 
системы с аккумулированием энергии; 4) ветровая и/или солнечная 
энергия на основе системы с аккумулированием энергии в сочетании
с обычной генерацией; 5) ветровая и/или солнечная энергия в составе 
систем, подключенных к большой электрической сети.

Первые четыре варианта системы обычно небольшие по разме
ру, самостоятельные и не связаны с любой другой сопутствующей 
выработкой энергии. Эти системы рассматриваются как малые изолированные энергосистемы (МИЭС). Они практичны для использования
в отдаленных районах, которые являются труднодоступными и требуют значительных затрат, чтобы соединить их с централизованной 
электроэнергетической системой (ЭЭС).

В этих районах затраты на топливо и обслуживание также до
вольно высоки. В зависимости от целей применения и местных ресурсов МИЭС могут включать или не включать средства аккумулирования энергии. Системы, основанные полностью на ветровой и/или солнечной энергии, во многих случаях не работают непрерывно из-за таких факторов, как колебания в скорости ветра, случайная облачность, 
ночной эффект и т. д. Выработка электроэнергии ветроэнергетическими установками (ВЭУ) и/или фотоэлектрическими панелями 
(ФЭП) не будет соответствовать графику энергопотребления, требуемому для удовлетворения потребительских нужд. Поэтому системам 
аккумулирования энергии часто приходится сглаживать колеблющуюся природу таких энергетических систем для соответствия требованиям потребителя. Объединение генерирующих возобновляемых
и традиционных источников, таких как дизельные генераторы,
на изолированных территориях может помочь достигать приемлемого 
уровня надежности при уменьшенной стоимости.

Также возможен вариант, когда ветрогенераторы и/или фото
электрические панели могут быть связаны с электрической сетью. 
Эти средства могут помочь электрической сети удовлетворять свои 
потребности в электроэнергии, поддерживать ее надежность, уменьшать топливные затраты и выброс парниковых газов.