Научные основы повышения энергоэффективности электротехнических комплексов государственных учреждений

На правах рукописи

Соснина Елена Николаевна

НАУЧНЫЕ ОСНОВЫ ПОВЫШЕНИЯ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ

ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ

ГОСУДАРСТВЕННЫХ УЧРЕЖДЕНИЙ

05.09.03 – Электротехнические комплексы и системы

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

Самара 2013

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева»

Научный консультант: - доктор технических наук, профессор

ЛОСКУТОВ Алексей Борисович

Официальные оппоненты: - доктор технических наук, профессор, профессор кафедры «Автоматизированные электроэнергетические системы» ФГБОУ ВПО «Самарский государственный технический университет» (г. Самара)

ГОЛЬДШТЕЙН Валерий Геннадьевич

- доктор технических наук, профессор, профессор кафедры «Теоретическая электротехника и электрификация нефтяной и газовой промышленности» ФГБОУ ВПО «Российский государственный университет нефти и газа им. И.М. Губкина» (г. Москва)

ЕГОРОВ Андрей Валентинович

- доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Электроснабжение» ФГБОУ ВПО «Ульяновский государственный технический университет»

(г. Ульяновск)

КУЗНЕЦОВ Анатолий Викторович

Ведущая организация – Федеральное государственное бюджетное учреждение науки «Объединенный институт высоких температур Российской Академии Наук»

Защита состоится 24 декабря 2013 г. в 10.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.217.04 при Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования "Самарский государственный технический университет" (СамГТУ) по адресу: г. Самара, ул. Первомайская, д. 18, корпус №1, ауд. 4.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке ФГБОУ ВПО «Самарский государственный технический университет».

Отзывы на автореферат (в двух экземплярах, заверенных печатью) просим направлять по адресу: 443100, г. Самара, ул. Молодогвардейская, 244, СамГТУ, Главный корпус, ученому секретарю диссертационного совета Д 212.217.04; тел.: (846) 278-44-96, факс (846) 278-44-00; е-mail: aleksbazarov@yandex.ru

Автореферат разослан “____” ________________ 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета,

д.т.н., доцент А.А. Базаров

Общая характеристика работы

Актуальность. Повышение энергоэффективности и снижение энергоемкости экономики России «до уровня стран с аналогичными природно-климатическими условиями (Канада, страны Скандинавии)» в Концепции «Энергетической стратегии России на период до 2030 года» отнесены к основным требованиям, выполнение которых необходимо для «обеспечения гарантированного удовлетворения внутреннего спроса на энергоресурсы». Согласно Концепции «Стратегии-2030», повышение энергоэффективности заключается в «максимально рациональном использовании энергетических ресурсов», в том числе электрической энергии (ЭЭ).

Важным объектом повышения энергоэффективности являются государственные учреждения (ГУ) – организации, финансируемые из федерального, регионального, муниципального или местного бюджета (образовательные, здравоохранения и др.). Ежегодно ГУ России потребляют более 100 млрд.кВт·ч в год ЭЭ – десятую долю от всей ЭЭ, вырабатываемой в стране. Значительные расходы ЭЭ обусловлены высокими ее потерями в электрических сетях и изношенностью эксплуатируемого электрооборудования. Действующие электротехнические комплексы ГУ спроектированы без учета современных тенденций управления электропотреблением. По оценкам специалистов, технический потенциал энергосбережения в бюджетной сфере составляет 38% от существующего уровня энергопотребления.

Решение проблемы требует разработки прорывных инновационных технологий, позволяющих кратно повысить энергоэффективность. Таковыми являются технологии интеллектуальных электрических сетей (ИЭС) и малой распределенной энергетики (МРЭ).

Научным основам развития энергетики с учетом требований рационального использования топливно-энергетических ресурсов государственными учреждениями посвящено значительное количество исследований отечественных и зарубежных ученых. Следует отметить работы И.А. Башмакова, Г.Я. Вагина, В.М. Зайченко, А.В. Клименко, Б.И. Кудрина, А.Б. Лоскутова, А.В. Бобрякова, С.Ф. Степанова, Белея В.Ф., П.П. Безруких, Л.Б. Директора и др. Однако, большинство работ посвящены энергетическому менеджменту или энергосбережению в системах теплоснабжения. Мероприятия по рациональному электропотреблению ГУ сводятся в основном к разработке автоматизированных систем учета и мониторинга ЭЭ или разработке электрооборудования с улучшенными характеристиками.

В то же время вопросы повышения энергоэффективности электротехнических комплексов путем интеллектуализации электрической сети и подключения источников МРЭ (в том числе развивающейся возобновляемой энергетики) еще недостаточно проработаны. Нет научно-обоснованных технических решений применения в системах электроснабжения ГУ технологий интеллектуальных сетей Smart Greed, обеспечивающих информационный обмен и автоматическое управление режимами электропотребления и качеством ЭЭ. Решения комплексного использования источников МРЭ, позволяющего снизить потери ЭЭ и разгрузить централизованные электрические сети, как правило, касаются автономного энергообеспечения. Несмотря на большое количество исследований, до сих пор не решена проблема определения научно-технических норм расхода ЭЭ ГУ, учитывающих современные изменения в структуре и характере энергопотребления.

Анализ зарубежных работ показывает, что в развитых странах мира многие проблемы эффективного использования ЭЭ бюджетными учреждениями уже решены. Однако применяемые за рубежом методы и технологии не учитывают особенностей электроэнергетики и электрического хозяйства России (протяженность электрических сетей, значительный износ электротехнических комплексов и систем генерации, передачи и распределения ЭЭ, наследство плановой экономики и др.).

Необходимость скорейшего выведения российской электроэнергетики на качественно новый уровень делает актуальным разработку научных основ повышения энергоэффективности электротехнических комплексов на основе рационального электропотребления путем интеллектуализации распределительной электрической сети, интеграции энергоустановок МРЭ в централизованную сеть, нормирования электропотребления на примере ГУ. ГУ должны стать полигоном для внедрения энергоэффективных технологий и ориентиром для применения этих технологий в промышленности и бизнесе.

Связь диссертации с научными программами. Работа выполнялась в рамках ряда государственных контрактов с Министерством образования и науки РФ по федеральной целевой программе «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2013 годы» (в том числе ГК от 11.10.2011г. № 16.526.12.6016 «Разработка и создание типового ряда трансформаторно-тиристорных регуляторов напряжения и мощности с расщепленной первичной обмоткой трансформатора и ключами однонаправленного тока»; ГК от 15.03.2013г. № 14.516.11.0006 «Разработка технических решений для создания энергоэффективной системы электроснабжения автономного потребителя на основе комбинированного использования возобновляемых источников энергии и устройств оптимального управления»).

Объект исследования – электротехнические комплексы для электроснабжения государственных (муниципальных) учреждений.

Предмет исследования – методы повышения эффективности систем электроснабжения ГУ.

Цель диссертации – повышение энергоэффективности электротехнических комплексов ГУ на основе элементов интеллектуализации электрической сети, интеграции энергоустановок МРЭ в централизованную электрическую сеть, нормирования электропотребления, обеспечивающих рациональное использование электрической энергии и высокое качество электроснабжения.

Достижение поставленной цели предусматривает решение ряда научных и практических взаимосвязанных задач:

1. Исследование особенностей электропотребления ГУ с целью оценки их электроэффективности и дальнейшей разработки методов рационального использования ЭЭ с учетом специфики электротехнических комплексов и систем.
2. Разработка научных основ проектирования активно-адаптивных (интеллектуальных) распределительных электрических сетей с автоматизированными узлами нагрузки 20(10) кВ.
3. Разработка научно-технических решений цифровой трансформаторной подстанции напряжением 10/0,4 кВ с активно-адаптивной системой управления и ее внедрения в систему электроснабжения (СЭС) ГУ.
4. Разработка научно-обоснованных технологических решений интеграции энергоустановок МРЭ в централизованную электрическую сеть и их комплексного применения в СЭС ГУ.
5. Разработка методологии выбора оптимального сочетания энергоустановок МРЭ на возобновляемых источниках энергии (ВИЭ) при проектировании энергоэффективной СЭС ГУ.
6. Нормирование годового расхода ЭЭ ГУ с использованием режимов работы электропотребителей и математических моделей удельного расхода ЭЭ.

При решении этих задач в диссертационной работе впервые получены, составляют предмет научной новизны и выносятся на защиту следующие наиболее важные результаты.

1. Концепция построения распределительной электрической сети 20 кВ как совокупности равномерно-распределенных автоматизированных узлов нагрузки, позволяющих совмещать услугу по электроснабжению от генерирующей компании с информационными потоками в среде единого проводника основной услуги.
2. Научно-технические решения по созданию и внедрению в системы электроснабжения ГУ цифровой электрической трансформаторной подстанции с трансформатором, имеющим автоматический регулятор напряжения и мощности под нагрузкой и трехуровневую систему управления.
3. Технология эффективного использования ВИЭ в системе электроснабжения ГУ, заключающаяся в применении нового способа интеграции разнородных источников МРЭ в промышленную электросеть, использовании современных подходов аппаратно-программного управления процессом преобразования и передачи ЭЭ и учете эксплуатационного риска в электроснабжении потребителей.
4. Концепция функционирования мини-ТЭЦ в системе электроснабжения ГУ в условиях ограниченной мощности.
5. Методики нормирования удельных расходов ЭЭ ГУ, позволяющие определить годовые нормы расхода ЭЭ как для действующих, так и проектируемых объектов.

Методы исследований. Для решения поставленных в диссертационной работе научных задач применялись методы структурного анализа, математического, имитационного и физического моделирования, теория портфельного анализа Марковица, аппарат теории вероятностей и математической статистики, методы статистической обработки эмпирических данных, регрессионного анализа.

Достоверность научных положений и выводов подтверждается корректным использованием основных законов электротехники, апробированных методов компьютерного моделирования электротехнических комплексов и результатами лабораторных и эксплуатационных испытаний. Новизна технических решений подтверждена авторскими свидетельствами и патентами.

Практическая значимость и внедрение результатов работы.

Новый способ построения распределительной электрической сети 20 кВ как совокупности равномерно-распределенных автоматизированных узлов нагрузки, защищенный патентами, позволяет повысить качество электроснабжения потребителей и оперативность информационного обеспечения о протекании технологических процессов и состоянии оборудования в узлах распределения ЭЭ, при непрерывном ведении учета поставок ЭЭ от снабжающей организации.

Научно-технические решения по созданию цифровой электрической подстанции использованы ЗАО «Энергомаш (Екатеринбург) – Уралэлектротяжмаш» и ООО «Теком» при изготовлении опытного образца регулируемого под нагрузкой трансформатора 10/0,4 кВ нового поколения мощностью 400 кВА и его трехуровневой системы управления. Опытный образец регулируемого трансформатора внедрен в систему электроснабжения Нижегородского государственного технического университета им. Р.Е. Алексеева. С учетом результатов испытаний опытного образца разработана конструкторско-технологическая документация для обеспечения промышленного выпуска типовых регулируемых трансформаторов нового поколения мощностью 250-400-630-1000 кВА.

Технология эффективного использования ВИЭ в СЭС ГУ внедрена на предприятии ЗАО «ЭлектроИнтел» и легла в основу разработки и создания экспериментального образца Устройства интеграции с емкостным накопителем, предназначенного для сопряжения разнородных источников ЭЭ, преобразования и передачи ЭЭ потребителю.

Рекомендации по проектированию энергоэффективных СЭС ГУ на основе ВИЭ, а также автоматизированная база данных по энергоустановкам на ВИЭ, защищенная свидетельством и позволяющая проводить сравнительный анализ технических и экономических параметров энергоустановок, могут быть использованы при проектировании и модернизации СЭС потребителей малой и средней мощности.

Разработанные методики расчета годовых норм расхода ЭЭ доведены до практического применения, и могут быть использованы как в образовательных учреждениях, так и ГУ РФ других типов.

Интерактивный обучающий программно-методический комплекс «Энергосбережение» активно используется в учебном процессе при проведении практических и лабораторных работ по дисциплинам «Общая энергетика» и «Экономия энергии» для студентов по специальности «Электроснабжение» факультета автоматики и электромеханики и Дзержинского политехнического института Нижегородского государственного технического университета им. Р.Е. Алексеева.

Научные и практические результаты исследования использованы в учебном процессе при чтении лекций по дисциплинам «Системы электроснабжения», «Специальные вопросы электроснабжения», «Общая энергетика», «Экономия энергоресурсов»; в учебно-методической литературе по проблеме рационального энергоиспользования при подготовке бакалавров, специалистов и магистров по направлению «Электротехника и электроэнергетика» и специализациям «Системы электроснабжения», «Электрические системы и сети», «Релейная защита», а также на курсах по переподготовке инженерно-технического персонала по программе «Энергосбережение» в Нижегородском государственном техническом университете им. Р.Е. Алексеева.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы представлены на международных, всероссийских, межрегиональных и региональных конференциях и семинарах:

Российско-Германском семинаре «Возобновляемые источники энергии и переработка отходов» (Н.Новгород, 2004 г.); IV, VIII, X всеросс. НТК «Региональные проблемы энергосбережения и пути их решения» (Н.Новгород, 2001, 2005, 2007 г.); всеросс. научно-практической конференции «Итоги реализации проектов в рамках приоритетного направления «Энергетика и энергосбережение» ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2012 годы» за 2008 год» (г. Москва, 2008 г.); семинаре МарГТУ «Об инвентаризации электропотребления зданиями и сооружениями, входящими в состав образовательных учреждений» (г. Йошкар-Ола, 2005г.); региональном семинаре (Приволжский Федеральный округ) «Лимитирование энергоресурсов для образовательных учреждений на 2005 г.»; всерос. научных конференциях НТИ-2006, НТИ-2007 «Наука. Технологии. Инновации.» (г. Новосибирск, 2006, 2007 гг.); XI - XVIII Нижегородских региональных конференциях «Сессия молодых ученых. Технические науки» (2006 – 2013 гг.); VIII-XIII Международных молодежных НТК «Будущее технической науки» (Н.Новгород, 2008 - 2013 гг.); 22, 25 - 31 НТК «Актуальные проблемы электроэнергетики» (г. Н.Новгород, НГТУ, 2003, 2006-2012 гг.); VI Международной конференции студентов и молодых ученых «Перспективы развития фундаментальных наук» ПРФН-2009 (г. Томск, 2009); международной НТК «Энергоэффективность — 2009» (г. Краков, 21-23 сентября 2009г); всерос. научно-практической конференции «Повышение эффективности электрического хозяйства потребителей в условиях ресурсных ограничений» (г. Москва, МЭИ, 18.11.2009г.); XL, XLI, XLII Всерос. научно-практических конференциях (c международным участием) «Федоровские чтения» (г.Москва, МЭИ, 2010, 2011, 2012 гг.); 7, 8 всерос. научных молодежных школах с международным участием «Возобновляемые источники энергии» (г. Москва, МГУ, 2010г, 2012г.); международной НТК «Электроэнергетика глазами молодежи» (г. Самара, СамГТУ, 2011г.); всеросс. НТК «Реализация НИОКР в области энергетики и энергосбережения» (Москва, МЭИ, 2011г.); всеросс. НТК «Энергосбережение и энергоэффективность технологий передачи, распределения и потребления электрической энергии (Москва, МЭИ, 2012г.); форумах «Великие реки» (г. Н.Новгород, 2012г., 2013г.); международной научно-практической конференции «Электрические аппараты и электротехнические комплексы и системы» (г. Ульяновск, УлГТУ, 2012г.); научном семинаре факультета автоматики и электромеханики НГТУ (г. Н.Новгород, 2009г.); XI Всерос. науч. конференции «Нейрокомпьютеры и их применение» (Москва, МГППУ, 2013г.).

Публикации. Основное содержание диссертационной работы отражено в 71 работах, 20 из которых опубликованы в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

Личный вклад. Методологический подход к решению проблемы и предложенные методы повышения эффективности использования ЭЭ ГУ разработаны лично автором. Части исследований, которые проводились в сотрудничестве, отмечены в тексте диссертационной работы.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка использованных источников и семи приложений. Общий объем 350 стр., из них 296 стр. основного текста, включая 80 рисунков, 26 таблиц. Список использованных источников содержит 341 наименование.

Основное содержание работы

Во введении обоснована актуальность решаемой в диссертации проблемы, сформулированы цель и связанные с ее реализацией научные и технические задачи. Определены новизна полученных научных результатов и основные положения, выносимые на защиту. Приведены сведения о практической реализации результатов.