ro en

Электронный журнал №3(47)2020

"ПРОБЛЕМЫ РЕГИОНАЛЬНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ"

СОДЕРЖАНИЕ

0	Исследование эффективности сегментированных электродов металлопленочных конденсаторов Авторы: Иванов И.О., Белько В.О., Гливенко Д.Ю., Феклистов Е.Г., Кульбако К.А. Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого Санкт-Петербург, Российская Федерация
	Аннотация: В статье представлены результаты теоретических исследований эффективности сегментированных электродов металлопленочных конденсаторов. Целью данной работы было определение наиболее эффективной конфигурации сегментированных электродов с помощью методов численного моделирования. Для достижения поставленной цели была разработана методика экспериментального исследования электродинамического разрушения электродов металлопленочных конденсаторов. Данная методика отличается от известных методов исследования конденсаторных электродов использованием образцов металлизированной полимерной пленки с различной структурой сегментации вместо реальных конденсаторов. На основании полученных экспериментальных данных с помощью программного пакета COMSOL Multiphysics была разработана численная модель электродинамического разрушения сегментированных электродов. Данная модель позволяет исследовать эффективность различных типов сегментированных электродов в процессе самовосстановления (восстановление работоспособности после пробоя диэлектрика), а также определять электрические параметры металлизации без проведения экспериментальных исследований. В работе были исследованы существующие и предложены новые типы сегментированных электродов для металлопленочных конденсаторов. В качестве критерия оценки эффективности была использована зависимость энергии электродинамического разрушения, то есть энергии затраченной на изолирование канала пробоя, от времени разрушения. Были определены преимущества и недостатки рассмотренных типов сегментаций. Наиболее существенным результатом является определение наиболее эффективной конфигурации сегментированных электродов для использования в металлопленочных конденсаторах. Такой конфигурацией является сегментация с квадратными элементами и соединительными мостиками. Значимость полученных результатов состоит в том, что разработанная численная модель, а также полученные в ходе исследований результаты могут быть использованы при проектировании новых типов металлопленочных конденсаторов с повышенными удельными характеристиками.
	Ключевые слова: металлопленочный конденсатор, сегментированные электроды, самовосстановление, электродинамическое разрушение, численное моделирование. DOI: https://doi.org/10.5281/zenodo.4018908
1	Регулятор магнитного потока ротора асинхронного двигателя с учетом насыщения магнитопровода Авторы: Дяченко Г. Г. Национальный технический университет «Днепровская политехника» Днепр, Украина
	Аннотация: В работе решается задача управления электромеханическими системами, обладающими максимальным быстродействием при одновременном сохранении точности и минимальным энергопотреблением. Цель работы заключается в разработке закона управления координатами электромеханической системы с энергоэффективным алгоритмом перевода из одной рабочей точки в другую. Важной особенностью предложенного в работе решения, является возможность применения предложенного закона в современных быстродействующих электромеханических системах, работающих преимущественно в переходных режимах, не предусматривая дополнительных требований к цифровой части. Поставленная цель достигается путем использования закона формирования потока ротора асинхронного двигателя с адаптивной фильтрацией уставки магнитного потока на каждом шаге дискретизации. Эффективность предложенного решения была исследована с помощью лабораторных экспериментов с машиной переменного тока мощностью 370 Вт как статическом, так и в динамическом режимах работы. Показано, что при соответствующем управлении скоростью изменения магнитного потока потери за полный рабочий цикл при изменениях крутящего момента могут быть уменьшены по сравнению с классическим подходом. Потери в установившемся режиме значительно уменьшаются в сравнении с удержанием магнитного потока на номинальном уровне при варьировании нагрузки в широком диапазоне, что характерно для электромеханических систем с переменным моментом инерции, к которым одновременно выдвигаются требования по точности позиционирования. В повторно-кратковременном режиме работы двигателя с электрическим торможением и влиянием пусковых процессов при скважности 60% метод сохраняет свою работоспособность. Наиболее существенным результатом работы является уменьшение минимально возможного времени цикла работы в повторно-кратковременном режиме, при котором сохраняется целесообразность использования методов энергоэффективного управления. Значимость полученных результатов состоит в уменьшении потерь при сохранении необходимого крутящего момента, что способствует более эффективной работе электрических машин данного типа.
	Ключевые слова: динамический режим, энергоэффективность, асинхронная машина, оптимизация, адаптивная фильтрация. DOI: https://doi.org/10.5281/zenodo.4018933
2	Исследование влияния распределенной генерации на медленные изменения профилей напряжения в электрических сетях низкого напряжения Авторы: Виеру Д. Институт Энергетики Кишинев, Республика Молдова
	Аннотация: В статье рассматривается вопрос оценки влияния на режим доли распределенной генерации, например, после подключения к сети низкого напряжения ряда фотоэлектрических установок малой мощности. Целью статьи является обоснование процедуры расчета режима в электрической сети с нагрузками и источниками распределенной генерации для оценки изменения профиля напряжения в линии в зависимости от генерирующей мощности фотоэлектрических установок и изменения кривой нагрузки сети. Для анализа режима сети было предложено использовать метод контурных токов. С самого начала выделяются токи нагрузки и токи источников подключенных к сети. Применялась матричная форма представления уравнений равновесия напряжений, которая также использовалась для расчета контурных токов цепей линии. Объектом исследования была выбрана линия электропередачи низкого напряжения, представленная в однопроводной топологии с распределенными нагрузками и источниками, в которую входят 24 потребителя (нагрузки) и 24 источника генерации (фотоэлектрические панели). Установлено меньшее влияние распределенной генерации с меньшими отклонениями линейного напряжения при низком потреблении, а при высоком потреблении (согласно графику нагрузки) отклонения напряжения могут превышать допустимые значения, установленные в нормативных документах. После ограничения этих отклонений в пределах допустимых значений была сформулирована рекомендация по ограничению мощности распределенных источников до уровня около 30% от мощности, потребляемой в часы пик. Это позволит сохранить показатели качества электроэнергии во всех режимах нагрузки.
	Ключевые слова: метод контурных токов, качество энергии, отклонение напряжения, ограничение мощности источников генерации. DOI: https://doi.org/10.5281/zenodo.4028507
3	Многоуровневая оценка эффективности процессов переноса теплоты в элементах энергетических установок Авторы: Кузнецов В.В. Национальный университет кораблестроения имени адмирала Макарова Николаев, Украина
	Аннотация: Повышение эффективности тепловых двигателей и установок за счет совершенствования процессов переноса теплоты и массы рабочего тела между их элементами является актуальной научно-технической проблемой. В работе представлен один из вариантов решения этой проблемы за счет интенсификации процессов теплопередачи между элементами установки. Целью работы является обоснование влияния на эффективность энергетических установок способов интенсификации процессов переноса теплоты в их элементах. Для достижения указанной цели выявлено влияние интенсивности процессов теплопереноса на значения коэффициентов полезного действия энергетических установок простых и сложных циклов, предложена многоуровневая система оценки эффективности переноса теплоты в элементах энергетических установок, на базе которой определены их предельные значения. В качестве наиболее существенных результатов работы определены следующие. На основании первого закона термодинамики предложены зависимости для определения эффективности преобразования теплоты в установках простого и сложного циклов, которые учитывают тепловую и гидродинамическую эффективность элементов, входящих в установки. Для обеспечения максимально возможной эффективности процессов переноса теплоты в элементах энергетических установок предложены: I уровень – теплоотдача в элементе энергетической установки; II уровень – теплопередача в элементе энергетической установки; III уровень – перенос теплоты между элементами энергетической установки. Значимость полученных результатов заключается в возможности повышения эффективности энергетических установок на этапах их проектирования и модернизации с использованием представленных зависимостей, учитывающих не только тепловую, но и гидродинамическую эффективность переноса теплоты между элементами установок. Согласно предложенным зависимостям, проведена оценка эффективности преобразования теплоты в газотурбинной установке с утилизацией теплоты в утилизационном котле, работающем на паровую турбину. Получено, что за счет интенсификации теплопередачи по газовой стороне утилизационного котла за счет применения луночных систем можно повысить эффективность преобразования теплоты с 0,516 до 0,752.
	Ключевые слова: эффективность, теплота, интенсификация, элемент, энергетическая установка. DOI: https://doi.org/10.5281/zenodo.4018947
4	Расширенный график регулирования отопления: оценка влияния на эффективность паротурбинных ТЭЦ Авторы: Пятин А.А., Кировский филиал ПАО «Т Плюс» Киров, Российская Федерация Суворов Д.М., Вятский государственный университет, Киров, Российская Федерация
	Аннотация: Целью работы является исследование энергетической эффективности применения расширенного графика регулирования отопления при его использовании для модельной системы централизованного теплоснабжения, подключенной к ТЭЦ. Расширенный график регулирования отопления обеспечивает максимальное использование теплового потенциала теплоносителя и минимальные затраты энергии на его транспорт при заданной температуре воздуха в помещениях. Оценка влияния расширенного графика на энергетическую эффективность работы ТЭЦ выполнена путем использования адекватной математической модели системы теплоснабжения в обобщенном виде. Определено, что при переходе на расширенный график удельная выработка электроэнергии на тепловом потреблении в широком диапазоне изменения коэффициентов теплофикации модельной паротурбинной ТЭЦ с турбинами типа Т увеличивается на 1-2% при работе по электрическому графику и на 4-6% при работе по тепловому графику. Расчет режимов модельной ТЭЦ при фиксированной расчетной тепловой нагрузке ТЭЦ и неизменной величине отпуска электроэнергии показал, что переход на расширенный график приводит к экономии топлива на ТЭЦ за отопительный период до 4.5%. Однако интегрально за отопительный период из-за снижения отпуска теплоты от ТЭЦ на 10-12% доля теплофикационной выработки электроэнергии снижается на 11-13%, что приводит к росту удельного расхода топлива на отпуск электроэнергии. При работе модельной ТЭЦ по тепловому графику годовая экономия топлива достигает 8-11%, но годовой отпуск электроэнергии снижается на 6-8%. Расчеты показали, что уменьшение отпуска теплоты при переходе на новые способы регулирования в существующих экономических условиях невыгодно для ТЭЦ, поэтому тарификация в области тепловой энергии требует изменений, в том числе перехода к двухставочным тарифам. Полученные результаты имеют важное значение для оценки эффективности перехода систем теплоснабжения на современные графики количественно-качественного регулирования.
	Ключевые слова: система теплоснабжения, отопительная нагрузка, регулирование отопления, температурный график, расширенный график регулирования, ТЭЦ, удельный расход, двухставочный тариф. DOI: https://doi.org/10.5281/zenodo.4018949
5	Организация низкотемпературного бедного горения утилизируемого газа Авторы: Бачев Н.Л., Шилова А.А., Матюнин О.О., Бульбович Р.В. Пермский национальный исследовательский политехнический университет Пермь, Российская Федерация
	Аннотация: При разработке камеры сгорания в составе утилизационных микрогазотурбинных установок ее, как правило, выполняют двухзонной. В зоне горения обеспечивается устойчивое сжигание топливного газа при коэффициентах избытка воздуха примерно от 1,2 до 1,7, а в зоне разбавления подводом вторичного воздуха температура продуктов сгорания понижается до значений 900…1200 К по работоспособности лопаток турбин. Целью данной работы является обоснование возможности организации низкотемпературного устойчивого горения обедненной смеси в однозонной камере сгорания в составе утилизационных газотурбинных энергоустановок. Для выполнения поставленной цели впервые рассмотрены вопросы расширения нижнего предела горения за счет внешнего подогрева забалластированного топливного газа перед его подачей в камеру сгорания. Рассмотрены также режимные и массогабаритные характеристики рекуператоров топливного газа в составе установки. Расчеты режимных параметров установки показали, что при увеличении температуры подачи утилизируемого газа до 600…800 К можно обеспечить устойчивое горение на нижнем пределе при температурах 900…1200 К.Анализ характеристик трубчатых и пластинчатых рекуператоров по линии топливного газа проводился с использованием имеющихся статистических характеристик. Показано, что в утилизационных энергоустановках мощностью до 200 кВт целесообразно использовать пластинчатые оребренные рекуператоры с тепловой мощностью до 10 кВт и поверхностью теплообмена до 1,7 м2. Проведенные исследования позволяют сформулировать вывод о том, что организация низкотемпературного устойчивого горения при внешнем подогреве топливного газа позволяет разрабатывать однозонные неохлаждаемые утилизационные камеры сгорания в составе газотурбинных энергоустановок, что значительно упрощает их конструкцию, технологию изготовления, эксплуатацию и стоимость. Кроме того, организация устойчивого низкотемпературного бедного горения является конкурентоспособным методом снижения эмиссии оксидов азота при утилизации нестандартных топливных газов разнородного состава.
	Ключевые слова: утилизация топливного газа, однозонная неохлаждаемая камера сгорания, подогрев топливного газа, рекуператор, устойчивое горение на бедном пределе. DOI: https://doi.org/10.5281/zenodo.4018968
6	Устойчивое краткосрочное прогнозирование скорости ветра с помощью адаптивных компактных нейронных сетей Авторы: П.В. Матренин, В.З. Манусов, Е.А. Игумнова Новосибирский государственный технический университет Новосибирск, Российская Федерация
	Аннотация: Прогнозирование скорости ветрового потока необходимо для интеграции ветровых электростанций в электроэнергетические системы. В последние 10 лет с развитием методов искусственного интеллекта и вычислительных мощностей модели прогнозирования становятся все более сложными. Но при этом теряется устойчивость таких моделей к изменениям условий работы, так как сложные модели имеют высокий риск переобучения. Целью работы является разработка модели машинного обучения для краткосрочного прогнозирования скорости ветра с приемлемой точностью, но высокой устойчивостью при последующей эксплуатации, и с возможностью автоматического дообучения в реальном времени. Для достижения поставленной цели предложен компактный многослойный перцептрон, обучаемый только на ретроспективных данных о скорости ветра. Наиболее существенными результатами являются соединение простой архитектуры нейросетевой модели с функцией активации ReLU, методом обучения Adam, разработанными для глубоких нейронных сетей, а также в процедуре автоматической настройки гипер-параметров сети с помощью метода Grid search с открытыми верхними границами. Модель обучались на данных осеннего периода, а тестировались на данных зимнего периода, таким образом исследование было приближено к реальной ситуации, когда разработанная модель вводится в эксплуатацию и должна без внесения изменений начать работать в новых условиях. Было проведено сравнение с наиболее простыми и надежными адаптивными методами прогнозирования: моделями Брауна и Хольта. Значимость исследования заключается в полученном подтверждении того, что компактные нейронные сети при использовании ReLU, Adam и Grid search практически не уступают адаптивным моделям с точки зрения быстроты настройки на задачу и риска последующего расхождения точности на обучающих данных и данных, которые будут подаваться во время эксплуатации. При этом компактные нейронные сети позволяют получать более точные прогнозы, а за счет малого размера они быстро обучаются и обучение может выполняться автоматически при поступлении новых данных.
	Ключевые слова: краткосрочное прогнозирование, ветроэнергетика, адаптивные методы, компактная нейронная сеть. DOI: https://doi.org/10.5281/zenodo.4018960
7	Моделирование законов распределений вероятностей мощности ветровых и солнечных электростанций Авторы: Манусов В. З., Халдаров Ш.К. Новосибирский государственный технический университет Российская Федерация, г. Новосибирск
	Аннотация: Несмотря на очевидные преимущества возобновляемых и альтернативных источников энергии (ВАИЭ), в частности ветровых парков (ВП) и солнечных фотоэлектрических станций (СФЭС), основной не решенной задачей остается вопрос вырабатываемой мощности этих электростанций. Системному оператору энергетической системы сложно определить сколько в единицу времени готова генерация на ВАИЭ выдавать мощности и энергии, что не позволяет рассматривать такие источники в качестве полноценных участников в рынке мощности и электроэнергии. Это большая преграда на пути инвестиций в проекты по возобновляемым источникам. В то же время, вырабатываемая мощность этих станций зависит от природных условий в конкретной географической точке, уровня скоростей ветрового потока и солнечной радиации. Закономерности, характеризующие эти параметры, зависят от времени года, местности и носят сугубо вероятностный характер. Учитывая вышеупомянутые условия для эффективного внедрения объектов ВАИЭ в энергосистему целью данной работы является построение таких моделей законов распределения, которые наилучшим образом будут описывать не только данные солнечной радиации и скорости ветрового потока, но и выработанной мощности электростанций на ВАИЭ. Поставленная цель достигнута методами оценки параметров законов распределения и проверки статистических гипотез. Наиболее существенным результатом является выявление основных законов распределения, описывающих вероятности солнечной инсоляции и скорости ветрового потока на рассматриваемой территории – законы семейства бета-распределения 3-го рода, в том числе их смеси, которые в отличие от распространенного закона Вейбулла, лучше описывают эти данные. Значимость полученных результатов заключается в том, что эти же законы применимы и к вырабатываемой мощности, что позволит более точно определить ее долю в общей выработке энергосистемы. Предполагается, что построенные модели могут быть использованы системным оператором в качестве вспомогательного инструмента для прогнозирования мощности станций на возобновляемых источниках энергии.
	Ключевые слова: законы распределения вероятностей, распределение вероятностей выдаваемой мощности, бета-распределения третьего рода, возобновляемых и альтернативные источники энергии. DOI: https://doi.org/10.5281/zenodo.401898
8	Использование фотоэлектрических водонагревателей в условиях жаркого климата Авторы: Фрид С.Е., Лисицкая Н.В., Тарасенко А.Б., Фролова Н.Д., Сулейманов М.Ж. Объединенный институт высоких температур Российской академии наук (ОИВТ РАН) Москва, Российская Федерация
	Аннотация: Работа посвящена оценке эффективности использования электроэнергии, выработанной фотоэлектрическими модулями, для получения горячей воды. Цель работы — расчет необходимой паспортной мощности солнечной батареи в составе фотоэлектрического водонагревателя для обеспечения нормативной нагрузки горячего водоснабжения индивидуального жилого дома на территории Узбекистана. Цель достигалась путем моделирования работы водонагревателя в системе TRNSYS с использованием данных базы спутниковых климатических наблюдений NASA POWER. Модели фотоэлектрического водонагревателя также верифицировались по результатам трехмесячного эксперимента. Основным результатом работы являются аппроксимационные соотношения, построенные на основе расчетных данных и позволяющие оценить необходимую мощность для заданных климатических условий без проведения численного моделирования в каждом конкретном случае. Рассмотрены случаи наличия и отсутствия в системе контроллера солнечной батареи. Выполненная оценка показала, что увеличение необходимой паспортной мощности солнечной батареи без регулятора составляет 25%, что допускает сценарий отказа от регулятора. По аналогии с использованием электронагревателей, потребляющих энергию, вырабатываемую тепловыми электростанциями, фотоэлектрические водонагреватели до сих пор считаются неэффективными и чрезмерно дорогими, однако уменьшение темпов роста рынка солнечных коллекторов и снижение стоимости фотоэлектрических модулей делают генерацию тепла за счет выработанной солнечными батареями энергии экономически оправданной. Такое использование солнечных батарей предлагается рассматривать как ещё один (наряду с тепловым и оптическим) способ концентрации солнечного излучения в солнечных нагревателях, дополнительным достоинством является то, что из вырабатываемой электроэнергии можно получить тепло с любой температурой. Важность полученных результатов обусловлена тем, что как расчетным, так и экспериментальным путем показана возможность использования постоянно дешевеющих фотоэлектрических модулей для получения тепловой энергии, в том числе и высокопотенциальной, а также получением аппроксимационных кривых для расчета системы в заданных климатических условиях, позволяющих избежать длительного численного моделирования.
	Ключевые слова: солнечный водонагреватель, фотоэлектрический модуль, контроллер, отслеживание точки максимальной мощности, математическая модель, доля покрытия нагрузки, концентратор. DOI: https://doi.org/10.5281/zenodo.4018982
9	Экономическое стимулирование операторов системы распределения электрической энергии к технической модернизации сетевой инфраструктуры Авторы: Серебренников Б. С. Институт экономики и прогнозирования Национальной академии наук Украины Киев, Украина Петрова Е. Г., Серебренников С. В., Савеленко И. В. Центральноукраинский национальный технический университет Кропивницкий, Украина
	Аннотация: Целью работы является усовершенствование механизма экономического стимулирования операторов системы распределения за счет формирования их прибыльности в зависимости от рейтинговой оценки по комплексу основных критериев: технического состояния электрических сетей, экономичности, загруженности, надежности, инновационности, качества электроэнергии. Для достижения поставленной цели обеспечивалось адекватное рейтингу ранжирование распределительных компаний и разрабатывалась методика расчета индивидуальных тарифов на электропередачу в функциональной зависимости от количества рейтинговых баллов. Наиболее существенные результаты: рейтинговое оценивание проведено на основе анализа 20 основных показателей технического состояния электросетей; осуществлено корректное агрегирование показателей и критериев методом аддитивной свертки с учетом уровня их значимости, определяемой весовыми коэффициентами Фишберна; рассчитан единый интегральный показатель состояния сетевой инфраструктуры с применением принципов нечеткой логики. Разработана методика формирования индивидуальных стимулирующих тарифов, функционально связанных с интегральным показателем технического состояния распределительных сетей. Теоретическое значение минимального дифференцированного тарифа определено для каждого оператора из условия его безубыточной деятельности; максимальный же стимулирующий тариф остается одинаковым для всех. Переход от интегрального показателя к конкретному тарифу реализован линейным функциональным преобразованием рейтингового балла в тарифную шкалу. В результате, лучший по рейтингу оператор получает максимальный тариф, а для операторов с низким рейтингом – устанавливается значительно меньшая тарифная ставка. Динамику тарифного шага можно регулировать варьированием крутизны графика тарифной функции. Реализация разработанной тарифной модели показана на примере 24 реальных энергораспределительных компаний. Значимость результатов исследований состоит в том, что использование объективного рейтингового оценивания операторов системы распределения по единому интегральному показателю технического состояния сетевой инфраструктуры позволило установить эффективные тарифы, мотивирующие к модернизации электрических сетей и созданию новых активов.
	Ключевые слова: оператор системы распределения, электрические сети, тарифная политика, критерий ранжирования, рейтинговый балл, тарифная функция. DOI: https://doi.org/10.5281/zenodo.4018972
10	Отражение производственных и энергетических межотраслевых связей в модели анализа территориальных мультисекторных объектов (АТМО) Авторы: Самков Т.Л. Сибирский государственный университет телекоммуникаций и информатики Новосибирск, Российская Федерация
	Аннотация: Цель работы: построение блока межотраслевого продукционного баланса как части модели АТМО – Анализа Территориальных Мультисекторных Объектов. Это достигнуто объединением для отрасли деятельности производственных и торговых предприятий, удовлетворяющих региональных потребностей в своей продукции с учетом ввоза и вывоза. Также для этого скорректированы понятия технологического коэффициента и введен логистический коэффициент, отражающий поставки продукции торговым предприятиям. Основными результатами работы являются следующие. Отражено влияние госзакупок со стороны государства и потребления в сфере малого бизнеса. Приведены методики задействования средств НИР на изменение в ресурсо- и материалоемкости в производстве и торговле. Каждая переменная модели имеет три измерения, составленных родительской и дочерней координатами: «год-месяц», «регион-район», «отрасль-корпорация». Переменные разделяются на производственную и торговую компоненты, с индексами, привязанными к исходному отраслевому. Выработаны макроэкономические технологические и инвестиционные ограничения полного удовлетворения спроса экономических субъектов региона с учетом промышленного и экономического роста. Индикатором полного покрытия потребностей региона в продукции отрасли служит переменная сервисного потребления (в сфере услуг). Она положительна, когда другие нужды региональных промышленности, торговли и домохозяйств, а также в других регионах и зарубежом, удовлетворены, свидетельствуя о росте благосостояния населения региона. Разработаны рамочные условия, влияющие на региональную экономику со стороны ТЭК через уменьшение энерго- и электроемкости в промышленности и торговле, и роста их экспорта – с учетом оплаты за его счет потребления в домохозяйствах. Значимость работы определяется простой программной реализации модели объектно-ориентированными языками (с их классами и наследованием), с использованием OLAP (гиперкуб данных) для хранения переменных, а также практической и рыночной ориентированностью этого ПО.
	Ключевые слова: леонтьевская модель, продукционный, межотраслевой, баланс, промышленный, торговый, регион, ресурсоемкость, материалоемкость, топливно-энергетический комплекс (ТЭК). DOI: https://doi.org/10.5281/zenodo.4018993