Ветродизельные комплексы в децентрализованном электроснабжении

А. В. Бобров
В. А. Тремясов

Монография

Политехнический институт

ВеТродизельные
комплексы
В деценТрАлизоВАнном
элекТроснАБжении

рассмотрены особенности автономных систем электроснабжения  северных населенных пунктов, ветроэнергетический потенциал районов Таймыра и эвенкии, а также 
энергетические характеристики ветроэнергетических установок. значительное внимание уделено вопросам математического 
моделирования и рационального построения автономных систем электроснабжения 
с использованием ветродизельных комплексов. представлены критерии экономической 
эффективности 
внедрения 
ветроэнергетических установок. на примере поселков 
Таймыра и эвенкии показаны возможности 
практического применения подобных систем 
энергообеспечения.

9 785763 825732

ISBN 978-5-7638-2573-2

Предисловие 
 
 

1 

Министерство образования и науки Российской Федерации 
Сибирский федеральный университет 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
А. В. Бобров, В. А. Тремясов  
 
ВЕТРОДИЗЕЛЬНЫЕ  КОМПЛЕКСЫ  
В  ДЕЦЕНТРАЛИЗОВАННОМ  
ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИИ 
 
 
Монография 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Красноярск  
СФУ 
2012 

Предисловие 
 
 

2 

УДК 621.311.245 
ББК  31.62 
          Б725 
 
 
 
 
Р е ц е н з е н т ы:            
Н. В. Цугленок, д-р техн. наук, проф., чл.-кор. Рос. акад. сельхоз. 
наук, ректор ФГБОУ ВПО «Красноярский государственный аграрный 
университет»; 
С. В. Ченцов, д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой «Системы автоматики, автоматизированного управления и проектирования» ФГАОУ 
ВПО «Сибирский федеральный университет»     
 
 
 
 
 
Бобров,  А. В.  
Б725         Ветродизельные комплексы в децентрализованном электроснабжении : монография  / А. В. Бобров, В. А. Тремясов. – Красноярск : Сиб. федер. ун-т, 2012. – 216 с. 
ISBN 978-5-7638-2573-2 
 
 
Рассмотрены особенности автономных систем электроснабжения  северных населенных пунктов, ветроэнергетический потенциал районов Таймыра           
и Эвенкии, а также энергетические характеристики ветроэнергетических установок. Значительное внимание уделено вопросам математического моделирования 
и рационального построения автономных систем электроснабжения с использованием ветродизельных комплексов. Представлены критерии экономической 
эффективности внедрения ветроэнергетических установок. На примере поселков 
Таймыра и Эвенкии показаны возможности практического применения подобных систем энергообеспечения. 
Предназначена для специалистов в области возобновляемых источников 
энергии и автономных систем энергообеспечения. 
 
                 УДК  621.311.245 
                 ББК  31.62 
 
ISBN 978-5-7638-2573-2                                                              © Сибирский федеральный  
                                                                                                университет, 2012 
 

Предисловие 
 
 

3 

ПРЕДИСЛОВИЕ 
 
 
Оптимальное использование возобновляемых источников энергии имеет большое значение при проведении региональной энергетической 
политики. Проблема энергетической безопасности (надежности электроснабжения), насущная для многих стран, трансформируется в энергобезопасность субъектов Российской Федерации, особенно тех, что расположены в труднодоступных районах с автономным электроснабжением. Расходы на годовую закупку и доставку дизельного топлива для дизельных 
электростанций северных поселков в ряде случаев составляют более 60 % 
затрат на всю выработанную ими электроэнергию и постоянно растут. Совокупная стоимость электроэнергии в этих районах значительно превышает мировой уровень цен и достигает 25 и более рублей за 1 кВт·ч.  
При замещении дизельного топлива электроэнергией, выработанной 
на ветроэнергетических установках, затраты на топливо существенно снижаются. В конечном счете уже через несколько лет можно начать экономию денежных средств, которые ежегодно тратятся на закупку и завоз дорогостоящего дизельного топлива в удаленные населенные пункты, находящиеся в зоне децентрализованного электроснабжения. Развитие возобновляемых источников энергии, и ветроэнергетики в частности, является 
перспективным направлением развития энергетической отрасли и активно 
поддерживается правительством Российской Федерации. Вовлечение ветроэнергетических установок в энергетический баланс Севера Красноярского края с целью повышения надежности электроснабжения и эффективности энергосбережения путем вытеснения привозного органического топлива из энергетического баланса автономной системы электроснабжения является актуальным. 
Объектом исследования в данной монографии являются автономные 
системы электроснабжения северных поселков, их технико-экономические 
параметры с учетом ветроэнергетического потенциала. Предметом исследования является способность изолированной энергосистемы, ее отдельных элементов обеспечить экономичное электроснабжение северных потребителей, методики расчета надежности и оптимизации состава агрегатов ветродизельного энергокомплекса. 
Реконструкция систем электроснабжения населенных пунктов Таймыра и Эвенкии с внедрением ветродизельных комплексов предопределяет 
необходимость решения следующих задач:  
● анализ децентрализованных зон электроснабжения Таймыра и 
Эвенкии, определение их основных проблем и перспектив развития; 

Предисловие 
 
 

4 

● исследование и совершенствование существующих методик определения выработки электрической энергии ветроэнергетическими установками и их областей применения;  
● разработка математических моделей компонентов ветродизельного 
комплекса;  
● синтез вариантов внедрения ветроэнергетических установок в существующие децентрализованные энергосистемы региона; 
● разработка математической модели для определения оптимального 
состава оборудования при модернизации изолированных систем электроснабжения поселков Таймыра и Эвенкии, в наибольшей степени удовлетворяющего заявленным требованиям (целям); 
● формулировка предложений по коррекции топливно-энергетического баланса децентрализованных зон электроснабжения Таймыра и 
Эвенкии с учетом использования ветроэнергетического потенциала местности. Здесь  даны научно-технические основы применения ветроэнергетических установок и показаны возможности их использования для производства электроэнергии в локальных системах электроснабжения. 
Монография включает шесть разделов: 1) перспективы развития ветроэнергетики в мире и в России; 2) анализ состояния и перспективы развития автономных систем электроснабжения северных районов Красноярского края; 3) математические модели ветродизельных комплексов; 4) синтез 
структуры энергокомплекса «ветроэлектростанция – дизельная электростанция» в составе автономных систем электроснабжения; 5) электроснабжение потребителей Таймыра  с использованием ветродизельных комплексов; 6) система энергообеспечения поселков Эвенкии на основе ветродизельных комплексов. 
В первой главе приведен обзор материалов по состоянию ветроэнергетики в мировой практике и в Российской Федерации, рассмотрены различные типы ветроэлектростанций и их основные характеристики, варианты структур ветродизельных комплексов и основные критерии, используемые при проектировании ветроэлектростанций, нормативно-правовая база 
для развития ветроэнергетики. 
Вторая глава посвящена анализу возможностей возобновляемой 
энергетики на территории Таймыра, обоснованию использования ветроэнергетики, анализу существующих методик определения выработки электроэнергии ветроэлектростанциями с учетом графика нагрузки системы. 
Ветроэнергетический потенциал севера Красноярского края исследуется на 
протяжении нескольких лет, и данный район представляется  перспективным для внедрения ветроэнергетических установок. 

Предисловие 
 
 

5 

Третья глава посвящена математическому моделированию основных 

компонентов ветродизельных энергокомплексов, анализу надежности и 
оценке основных технико-экономических показателей использования ветроэнергетических установок. Разработана методика комплексной оценки 
эффективности ветроэнергетических установок. Предложена модель изменения скорости ветра во времени, в которой порывы ветра могут быть 
представлены в виде трапецеидальных импульсов и в виде гармонических 
колебаний относительно средней скорости ветра. Рассмотрена модель ветроэлектрической установки, состоящей из нерегулируемого ветроколеса с 
мультипликатором и асинхронного генератора с короткозамкнутой обмоткой на роторе и две разновидности модели дизель-электрического агрегата 
с регуляторами скорости вращения коленчатого вала прямого и непрямого 
действия, что обеспечивает возможность проведения расчетов с учетом характеристик реальных установок в тех случаях, когда это требуется условиями решения задачи. 
В четвертой главе предложена методика определения  состава и 
мощности дизельных электростанций. Разработана методика для определения оптимального состава ветродизельного комплекса, позволяющая 
системно учитывать все характеристики системы посредством факторного 
эксперимента совместно с методом экспертных оценок.  
В пятой главе приводятся результаты расчетов выработки электроэнергии ветропарками с учетом надежности. Также приведены основные 
результаты по определению состава оборудования энергокомплекса «ветроэлектростанция – дизельная электростанция»  в изолированных энергосистемах поселков Таймыра и результаты расчетов экономической эффективности внедрения ветроэнергетических установок.  
В шестой главе показаны результаты оценки выработки электроэнергии ветроэнергетическими установками в поселке на территории Эвенкии. 
Также приведены основные результаты по определению состава оборудования энергокомплекса «ветроэлектростанция – дизельная электростанция»  в изолированной системе электроснабжения эвенкийского поселка 
Ессей и результаты расчетов экономической эффективности внедрения 
ветроэнергетических установок. Показано, что перспективными  для внедрения на территории Таймыра и Эвенкии являются ветроэнергетические 
установки с гидравлическим преобразователем, характеризующиеся высокой производительностью.  

Глава 1. Перспективы развития ветроэнергетики 
               в мире и в России 
 

6 

Глава 1. ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ  
               ВЕТРОЭНЕРГЕТИКИ В МИРЕ И В РОССИИ 
 
 
1.1. Ветроэнергетика в мировом  
энергетическом балансе 
 
Одной из характерных особенностей современной мировой 
энергетики является возрастание значимости в ней проблемы расширенного использования нетрадиционных и возобновляемых источников энергии 
(НВИЭ) практически во всех странах мира, включая и Россию [1]. При 
этом самыми большими темпами во всем мире происходит освоение богатейших ресурсов ветровой энергии. Ежегодный прирост по установленной 
мощности ветровых энергетических установок (ВЭУ) в мире за последние 
годы превышает 30 %. В 2005 г. введено 11,5 ГВт новых мощностей. Суммарная стоимость вновь введенного оборудования составила 14 млрд долл. 
США. Общая установленная мощность ВЭУ в 2005 г. составила 47,9 ГВт. 
В том числе: в Германии – 16,6 ГВт,  Испании – 8,3 ГВт,  США – 6,8 ГВт,  
Дании – 3,1ГВт, Индии – 3,0 ГВт. Сегодня ветроэнергетика является одним 
из самых дешевых источников энергии. Себестоимость энергии, производимой на системных ВЭУ, составляет 4–5 цент/(кВтч) при стоимости 1кВт 
установленной мощности порядка 1000 долл. США/кВт [2,3]. Ветроэнергетика стала полноправной и неотъемлемой частью энергосистем стран, различных по уровню развития и богатства (табл. 1.1, 1.2) [3]. 

  Таблица 1.1 

Динамика использования энергии ветра в мире 

Год 
1995 1996 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004

Установленная мощность в i-м году, 
ГВт 
0,8 
1,1 
1,8 
2,4 
3,2 
4,3 
5,5 
6,8 
8,1 

Суммарная установленная мощность  на   i-й год 
4,5 
6,1 10,2 16,0 18,1 26,0 33,4 40,2 48,8

Наибольший рост использования энергии ветра в мире начался с 

1998 г. и продолжает расти, несмотря на небольшое уменьшение в 2004 г. 
Согласно оптимистическим прогнозам использования энергии ветра в мире суммарная установленная мощность ВЭУ с 47,893 ГВт в 2004 г. должна 
была повыситься к 2009 г. до 116,2 ГВт. В то же время в Европе к 2009 г. 
значение суммарной установленной мощности ВЭУ составило 74,6 ГВт. 
Чтобы этого достичь, необходимо ежегодное введение мощностей ВЭУ 

1.1. Ветроэнергетика в мировом энергетическом балансе 
 
 

7 

для мира в целом по 14 МВт/год и для Европы – 8 МВт/год в течение следующих пяти лет (табл. 1.2) [3]. 

Таблица 1.2 

Современное состояние и прогноз использования энергии ветра в мире 

Страны 
Суммарная установленная мощность на 
01.01.2005 г., МВт 

Суммарная установленная 
мощность      
за 2004 г., МВт

Прогноз суммарной 
установленной мощности на 01.01.2009 г., 
МВт 

США 
6750 
389 
18850 

Канада 
444 
123 
2344 

Америка в целом      
7391 
516 
22641 

Германия 
16629 
2037 
26199 

Испания 
8263 
2064 
17463 

Дания 
3083 
7 
3833 

Италия 
1261 
357 
3211 

Нидерланды  
1081 
199 
1951 

Великобритания 
889 
253 
6389 

Австрия 
607 
192 
1557 

Греция 
587 
61 
1437 

Португалия 
585 
274 
3085 

Швеция 
478 
50 
1183 

Франция 
386 
138 
2548 

Ирландия 
339 
148 
1189 

Норвегия 
158 
57 
1468 

Бельгия 
106 
28 
521 

Финляндия 
83 
30 
533 

Польша 
55 
0 
550 

Турция 
20 
0 
620 

Швейцария 
8 
4 
178 

Другие европейские 
страны 
87 
22 
687 

Европа в целом    
34705 
5921 
74800 

Индия 
3000 
875 
8300 

Япония 
991 
230 
2641 

Китай 
769 
198 
3119 

Другие азиатские 
страны 
85 
51 
855 

Азия в целом 
4845 
1354 
14915 

Австралия и Новая  
Зеландия   
588 
294 
2075 

Северная Африка 
234 
23 
960 

Средний Восток 
101 
29 
351 

Другие страны 
952 
346 
1080 

Всего в мире 
47893 
8137 
116236 

Глава 1. Перспективы развития ветроэнергетики 
               в мире и в России 
 

8 

На начало 2005 г. суммарная установленная мощность ВЭУ состав
ляла во всем мире 47,8 ГВт. Доля вырабатываемой в мире энергии, приходящейся на Европу, составляет порядка 72,5 %, и она остается бесспорным 
лидером в использовании энергии ветра (рис. 1.1). 

Рис. 1.1. Современное состояние использования энергии ветра  

в мире по континентам 

На Американском континенте установленная мощность ВЭУ за 2004 г. 

(389 МВт) снизилась по сравнению с 2003 г. (1687 МВт) и 2002 г. (494 МВт) 
на 77 % и 20 % соответственно. В Азии установленная мощность ВЭУ увеличилась с 804 МВт за 2003 г. до 1354 МВт за 2004 г., что составляет приблизительно 68 %. Установленная мощность ВЭУ для остальных стран 
увеличилась с 175 МВт за 2003 г. до 346 МВт за 2004 г. [3,4], что составляет приблизительно 98 %. 

Бесспорным лидером на европейском рынке использования энергии 

ветра являются Германия и Испания (табл. 1.2, рис. 1.2). Из общей суммы 
установленных мощностей Европы – 5921 МВт за 2004 г., 4101 МВт были 
установлены в этих двух странах (рис. 1.2). Наибольшие приросты мощности за 2004 г. были отмечены в Италии (с 166 до 357 МВт) и в Португалии 
(с 107 до 274 МВт), также высокие приросты мощности были достигнуты 
Ирландией, Великобританией, Норвегией и Францией. В других европейских странах прирост установленной мощности ВЭУ за 2004 г. оказался 
небольшим, как например, в Дании (7 МВт) и Австрии (192 МВт), имеющих самое высокое снижение прироста за 2004  г. по сравнению с 2003 г. 
соответственно на 96,8 % и 32,6 %. Опираясь на данные прогноза  (табл. 1.2) 
до 2009 г., очевидно, что Европа останется континентом с самыми высокими показателями развития ветроэнергетики в следующие пять лет. Кроме оптимистического прогноза для Германии – 26,199 ГВт к 2009 г.             
(в среднем 1,910 ГВт в год), ожидаются благоприятные условия развития и 

1.1. Ветроэнергетика в мировом энергетическом балансе 
 
 

9 

для Испании – 17,463 ГВт, согласно которым ежегодный прирост по мощности ВЭУ должен составлять 1,840 ГВт в течение следующих пяти лет.  

К неевропейским странам-лидерам по использованию энергии ветра 

относятся Соединенные Штаты (6,75 ГВт) и Индия (3 ГВт) на 2005 г.              
Согласно оптимистическим прогнозам для США – 18,85 ГВт к 2009 г.  
(2,42 ГВт в год) и для Индии – 8,30 ГВт (1,06 ГВт в год). На Американском 
континенте использование энергии ветра, как ожидается, увеличится в Канаде и в некоторых странах Юга и Центра Америки. Особенно благоприятное развитие ветроэнергетики ожидается в Бразилии при поддержке 
стимулирующей программы «PR0INFA». По оценке экспертов, Азия имеет 
самый высокий потенциал развития ветроэнергетики в будущем. По сравнению с 2003 г. за 2004 г. прирост по установленной мощности в Индии 
составил +107 %, в Китае + 102 %, в Японии наблюдалось некоторое 
уменьшение прироста до 16 % (230 МВт). 

Рис. 1. 2.  Современное состояние использования энергии ветра  

в мире по странам 

В Австралии и Новой Зеландии, с ежегодным приростом 300 МВт, 

прогнозируемый рост использования энергии ветра должен был составлять   
2,075 ГВт к 2009 г. Северные африканские страны, впрочем, как и азиатские, имеют высокий потенциал развития ветроэнергетики в будущем. 
Ожидаемая установленная мощность ВЭУ для Северной Африки составляет 960 МВт в 2009 г. 

Из-за интернационализации ветроэнергетической промышленности 

становится все труднее определить, какая страна экспортирует ветроэнергетическое оборудование. Несмотря на это, рынок производителей 
ветроэнергетического оборудования представлен следующими странами и 
фирмами. На конец 2004 г. по сравнению с 2003 г. фирма GE Energy 
(США) не изменила долю продаж ВЭУ, которая составляет 10,8 %, хотя и