Технологии повышения эффективности систем электроснабжения промышленных предприятий с источниками распределенной генерации

Повышение эффективности систем электроснабжения промышленных предприятий является одной из приоритетных задач электроэнергетического комплекса. Актуальность данной темы вызвана ростом промышленного производства в России, необходимостью повышения надежности и бесперебойности электроснабжения потребителей, обеспечения энергосбережения, снижения потерь электроэнергии и т.д. Решение данной задачи может быть достигнуто как за счет повышения эффективности источников электрической энергии, так и непосредственно энергоустановок потребителей, а также путем совершенствования технологий управления, защиты, автоматики и мониторинга таких систем. Мировым трендом в настоящее время является расширение применения источников распределенной генерации, вследствие декарбонизации энергетики, быстрого распространения цифровых технологий, а также внедрения в энергетические системы новых экономических моделей. Существующий опыт показывает, что строительство малых энергоустановок в непосредственной близости от потребителей становится все более эффективным решением и конкурентоспособной альтернативой крупной централизованной генерации за счет обеспечения энергетической безопасности, повышения надежности, экологичности и снижения стоимости электроэнергии для потребителя. Развитие распределенной генерации является одной из ключевых задач электроэнергетического комплекса России, обозначенной в Энергетической стратегии Российской Федерации на период до 2035 г., Доктрине энергетической безопасности Российской Федерации и Стратегии научно-технологического развития Российской Федерации. Цель научного исследования - повышение эффективности функционирования систем электроснабжения промышленных предприятий за счет совершенствования конструкций и алгоритмов управления источников распределенной генерации и электропривода в составе электроприемников потребителей, а также технологий и методов защиты, автоматики и мониторинга электроэнергетических систем. Разработка и проведение исследовательских испытаний экспериментальных образцов гибридных энергетических установок на основе водородного топливного элемента и накопителей энергии, а также на основе дизель-генераторной установки и накопителя электроэнергии. Основные задачи в области совершенствования систем управления, защиты и автоматики в системах электроснабжения промышленных потребителей с источниками распределенной генерации: 1. Разработка динамической имитационной компьютерной модели системы электроснабжения промышленного предприятия с источниками распределенной генерации и двигательной нагрузкой. 2. Исследование режимов работы систем электроснабжения промышленных предприятий с источниками распределенной генерации и двигательной нагрузкой на имитационной компьютерной модели и их влияния на автоматическое управление и релейную защиту. 3. Исследование методов прогнозирования потребления электроэнергии в узлах нагрузок систем электроснабжения промышленных предприятий для планирования и управления режима её работы. 4. Разработка концепции и интеллектуальных алгоритмов функционирования защиты и автоматики системы электроснабжения промышленного предприятия с источниками распределенной генерации на основе методов анализа данных. 5. Разработка методики оценки электромагнитной совместимости источников распределенной генерации и технологических потребителей промышленных предприятий при функционировании в единой электрической сети. 6. Исследование статических и динамических процессов в системах электроснабжения промышленных предприятий с управлением сетевыми инверторами по технологии «виртуальный синхронный генератор». 7. Разработка проекта системы мониторинга электрических режимов работы гибридных энергетических установок в отечественной SCADA-системе и программно-аппаратном комплексе полунатурного моделирования. 8. Исследование показателей электромагнитной совместимости источников распределенной генерации и системы электроснабжения промышленного предприятия. 9. Разработка решений АСУТП на базе доверенных программно-аппаратных комплексов (отечественной элементной базы). 10. Разработка интеллектуальных методов для автоматики управления режимами работы систем электроснабжения промышленных предприятий с объектами распределенной генерации. Основные задачи в области создания модульной гибридной энергетической установки на основе водородного топливного элемента с протонообменной мембраной и накопителей энергии: 1. Разработка структурных схем стационарных гибридных энергетических установок на основе водородных топливных элементов и накопителей энергии. 2. Разработка имитационной компьютерной модели гибридной энергетической установки на основе водородных топливных элементов и накопителей энергии. 3. Разработка алгоритмов параллельной работы водородного топливного элемента и накопителей энергии в составе гибридной энергетической установки, обеспечивающих маневренность энергоустановки, снижение расхода топлива, наибольшую длительность автономной работы и ресурс энергоустановки. 4. Исследования адаптивных алгоритмов управления гибридной энергетической установки на основе водородных топливных элементов и накопителей энергии на имитационной компьютерной модели. 5. Разработка эскизной конструкторской документации на экспериментальный образец модульной гибридной энергетической установки на основе водородного топливного элемента с протонообменной мембраной и накопителей энергии. 6. Разработка программного обеспечения системы управления гибридной энергетической установки на основе водородных топливных элементов и накопителей энергии. 7. Изготовление экспериментального образца модульной гибридной энергетической установки на основе водородного топливного элемента с протонообменной мембраной и накопителей энергии для систем электроснабжения стационарных потребителей. 8. Разработка программы и методик исследовательских испытаний экспериментального образца модульной гибридной энергетической установки на основе водородного топливного элемента и накопителей энергии. 9. Проведение исследовательских испытаний экспериментального образца модульной гибридной энергетической установки на основе водородного топливного элемента и накопителей энергии. 10. Разработка методики выбора параметров гибридных энергетических установок на основе водородных топливных элементов и накопителей энергии для систем электроснабжения стационарных потребителей с различной установленной мощностью и длительностью автономной работы. Основные задачи в области создания гибридной энергетической установки на основе дизель-генератора, работающего в оптимальном энергетическом режиме, и накопителя электроэнергии: 1. Разработка структурных схем гибридной энергетической установки на основе дизель-генератора, работающей в оптимальном энергетическом режиме, и накопителя электроэнергии. 2. Разработка алгоритмов управления гибридной энергетической установки на основе дизель-генератора и накопителя электроэнергии по критерию оптимизации расхода топлива с адаптацией под график нагрузки потребителя. 3. Разработка математической и имитационной компьютерной моделей гибридной энергетической установки на основе дизель-генератора и накопителя электроэнергии. 4. Исследование динамических режимов работы и энергетических характеристик гибридной энергетической установки на основе дизель-генератора и накопителя электроэнергии на имитационных моделях. 5. Разработка методики расчета мощности дизель-генератора и емкости накопителя электроэнергии в составе гибридной энергетической установки. 6. Разработка эскизной конструкторской документации на экспериментальный образец гибридной энергетической установки на основе дизель-генератора и накопителя электроэнергии. 7. Изготовление экспериментального образца гибридной энергетической установки на основе дизель-генератора и накопителя электроэнергии. 8. Разработка программы и методик исследовательских испытаний экспериментального образца гибридной энергетической установки на основе дизель-генератора и накопителя электроэнергии. 9. Проведение исследовательских испытаний экспериментального образца гибридной энергетической установки на основе дизель-генератора и накопителя электроэнергии. 10. Технико-экономическая оценка эффективности работы гибридной энергетической установки на основе дизель-генератора и накопителя электроэнергии различного конструктивного исполнения. Основные задачи в области создания бездатчиковой системы векторного управления асинхронного двигателя: 1. Разработка системы бездатчикового векторного управления асинхронным двигателем. 2. Разработка способа идентификации активных сопротивлений статора и ротора электродвигателя и структуры идентификатора. 3. Разработка имитационной компьютерной модели асинхронного электропривода с бездатчиковым векторным управлением. 4. Исследование алгоритма работы наблюдателя состояния и идентификатора параметров асинхронного двигателя на имитационной компьютерной модели. 5. Создание цифрового двойника асинхронного электрического привода с бездатчиковой системой векторного управления. 6. Исследование режимов работы бездатчиковой системы векторного управления асинхронного двигателя с использованием программно-аппаратного комплекса полунатурного моделирования. Областью применения ожидаемых результатов проекта являются системы электроснабжения промышленных предприятий с установками распределенной генерации, как автономно работающие, так и интегрированные в централизованную электрическую сеть. Экспериментальные разработка, созданные алгоритмы и методики позволят обеспечить новые возможности для повышения эффективности как отдельных узлов с источниками распределенной генерации, технологических потребителей промышленных предприятий, так и системы в целом. Эффективность от внедрения результатов проекта может быть выражена в освобождении дополнительных мощностей, снижении стоимости электроэнергии, снижении расхода органического топлива, снижении ущерба от нарушений электроснабжения. Результаты проекта полностью соотносятся с направлением по созданию в России активных энергетических комплексов и основаны на концепции импортонезависимости. Потенциальными потребителями результатов проекта являются промышленные и сельскохозяйственные предприятия, собственники установок малой распределенной генерации, сетевые компании, компании-производители оборудования и программного обеспечения в сфере распределенной энергетики и интеллектуальных электрических сетей.