Режими роботи гібридної електростанції в локальній електричній мережі

Автор: Данелюк Юрій Володимирович
Кваліфікаційний рівень: магістр
Спеціальність: Електроенергетика, електротехніка та електромеханіка
Інститут: Інститут енергетики та систем керування
Форма навчання: денна
Навчальний рік: 2025-2026 н.р.
Мова захисту: українська
Анотація: Магістерська робота присвячена широкому дослідженню режимів роботи локальної електричної мережі при інтеграції двох відновлювальних генерацій – Добрівлянської сонячної електростанції і Курянівської вітрової електростанції[ВЕС], з аналізом енергетичних, технічних і експлуатаційних характеристик цих об’єктів в складі гібридної енергосистеми. Велика увага в цій роботі приділяється не тільки опису того, як побудовані станції, а й визначанню впливу на стійкість напруги, втрати електроенергії і пропускну здатність мережі в добовому режимі роботи. Дослідження в себе включає в тому числі і вирівнювання генерації в роботі при змінній природі вітрових і сонячних потоків та моделювання впливу системи накопичення енергії. Ця тема дослідження є актуальною через сучасні умови роботи енергетичної системи України, яка переходить від централізованої системи генерування до змішаної децентралізованої конфігурації з достатньо широким використанням ВДЕ[відновлювальних джерел енергії]. Під час війни і знищення магістральних мереж, виникає потреба в локальних енергетичних кластерах, які можуть забезпечувати електропостачанням критичні інфраструктури, виробничі об’єкти і цілі громади. Саме через це дослідження Добрівлянської СЕС та Курянівської ВЕС – є важливим і обґрунтованим через можливість сформування гібридних електростанцій, які будуть об’єднувати переваги вітрової і сонячної енергетики. В теоретичній частині роботи був виконаний загальний аналіз характеристик Добрівлянської СЕС: визначено технічні характеристики сонячних модулів, системи контролю, інверторного оснащення, захисту від перенапруг і кабельної інфраструктури. Також було проаналізовано вплив від кліматичних умов – кількості сонячних годин, рівня інсоляції, сезонних коливань радіаційного потоку на виробіток електричної енергії. Було досліджено кут нахилу модулів і орієнтацію, які формують добову криву потужності. Також описано інтервали, коли відбувалась пікова генерація електроенергія і її спади, пов’язані з похмурою погодою, снігом, туманом, а також у ранкові і вечірні години. Наступним було проведення характеристики Курянівської ВЕС. В роботі детально описано саму конструкцію вітротурбін, діаметр роторів, висота самих турбін, тип генератора, аеродинамічну будову лопатей і системи регулювання кута атаки. Була проведена оцінка середньорічної швидкості вітру, коефіцієнти турбулентності, вітровий потенціал місцевості і повторюваність вітрових потоків за сезонами. Виявлено, що вітер, на відміну від сонячної енергії є менш прогнозованим, але в свою чергу може виробляти енергію навіть вночі, коли СЕС є неактивною. Це все сформовує передумови для створення збалансованої гібридної системи. Одна з основних частин цієї магістерської роботи є створення принципової моделі локальної мережі, до якої можуть об’єднуватись два типи генерації. Ця схема включає в себе кабельні лінії, комутаційні апарати, трансформаторні підстанції, вузли приєднання потреб станції, точки розподілу навантаження і лінії видачі потужності в мережу. На основі цієї схеми було проведено математичне моделювання добового режиму роботи в трьох різних сценаріях: - Стандартний режим без генерації СЕС і ВЕС Спостерігається найбільший струмовий потік, так як енергія поступає тільки з зовнішніх мереж, і через це виникають найбільші втрати електроенергії на лініях. - Режим з підключенням СЕС і ВЕС Частина навантаження покривається локально. Хоч і навантаження на магістральні вводи досить відчутно зменшується, але з’являється нерівномірність у часі, яка виникає через нестабільність вітрової і сонячної генерації. - Режим з додаванням системи накопичення енергії[BESS] Робота акумуляторів полягає в забезпеченні підтримки напруги, згладжуванні добової нерівномірності, зменшенні пікового навантаження і також дає можливість накопичувати надлишкову енергію. Для кожного режиму було визначено - напруги на шинах підстанцій; - втрати електроенергії в мережі; - перетоки потужності; - рівень завантаження ліній; - вплив BESS на стабільність параметрів; - ефективність роботи інверторів і турбін. Аналіз отриманих результатів дав зрозуміти, що з підключенням вітрової та сонячних електростанцій зменшуються втрати електроенергії на 14-35%, різниця залежить від часу доби і співвідношенням між генерацією і навантаженням. Спостерігається зменшення реактивної складової, відбувається стабілізація напруги в мережі в межах нормативних значень, також присутнє зниження струмів в магістральних лініях. Стабільність роботи забезпечує додаткове встановлення акумулятора, він також сприяє вирівнюванню графіка навантаження і акумулює надлишкову енергію в період активної генерації. Використання BESS зменшує ризик перенапруги на шинах під час великого виробітку електроенергії від сонячної станції, збільшує плавність профілю роботи мережі і компенсує провали в потужності під час відсутності сонячного випромінювання або при зниженні вітру. В роботі було наведено також практичні рекомендації для оптимального режиму роботи гібридної станції такі як: - були запропоновані різні заходи які підвищують надійність – це автоматичні вимикачі, дублювання ліній, O&M. - визначання допустимої норми заряджання і розряджання акумуляторів. - сформування умови виведення і ввімкнення генерації, залежно від навантаження. Всі отримані результати дозволяють зробити висновок, що гібридна система СЕС+ВЕС+BESS має дійсно великий потенціал в застосуванні у локальних мережах України. В першу чергу вона забезпечує зниження залежності від інших зовнішніх джерел, покращує енергетичну автономність регіону і параметри електропостачання, збільшує економічний ефект за рахунок зниження втрат. Магістерська робота є актуальною основою для майбутніх досліджень у сфері проектувань гібридних станцій, їх оптимізацію і запровадження систем керування з використанням прогнозних алгоритмів і штучного інтелекту.