A Model of Reliability Optimization of a Stand-Alone Electric Power System with Constraints on Dynamic Stability of the Wind Turbine

Abstract

The relevance of the study is due to the development herein of a model for reliability optimization of stand-alone power systems with wind turbines and electrochemical power storage devices, with special emphasis within this model put on the specifics of power equipment operation. The key feature of the model developed is that it enables us to factor in the requirements to be met by the equipment as arising from the considerations of dynamic stability of the stand-alone system. When simulating battery storage operating modes, the charge-discharge limits as well as the remaining charge in the storage are taken into account. Thus, the reduction of the total number of considered mixes of the equipment being commissioned is achieved, the computational efficiency of the reliability optimization method is increased, while the validity of modeling results is improved. Development of methods for optimization of reliability of stand-alone electric power systems with wind turbine installations and electrochemical power storage devices while meeting requirements for electrodynamic stability. A stand-alone power system that is assumed to be located in the coastal area of Lake Baikal in the Kabansky State Nature Reserve, Republic of Buryatia, Russia, serves as the object of the study. Calculations are based on multiple simulation of modes of operation of the electric power system by means of the Monte Carlo method. The values of random variables are modeled as per specified laws of distribution and fault rate indicators of power equipment. Modeling of power generation at wind turbines is based on a detailed analysis of real-life weather data (average hourly wind speed, air density and humidity). The method of reliability optimization of stand-alone power systems with wind turbines and electrochemical energy storage devices was developed so as to take into account the requirements to be met by electric power equipment in terms of dynamic stability. The optimization criterion is the minimum expected value of the cost of produced electricity. Power redundanct and energy storage devices are used as means of reliability assurance. The results of calculations attest to the fact that for the natural and climatic zone under consideration, the use of vertical axis wind turbines in a stand-alone power system proves more efficient than the use of horizontal axis wind turbines

Актуальность исследования обусловлена разработкой в данной работе модели оптимизации надежности автономных энергосистем с ветрогенераторами и электрохимическими накопителями энергии, при этом особое внимание в рамках данной модели уделяется специфике эксплуатации энергетического оборудования. Ключевая особенность разработанной модели заключается в том, что она позволяет учитывать требования, предъявляемые к оборудованию, как вытекающие из соображений динамической устойчивости автономной системы. При моделировании режимов работы аккумуляторных батарей учитываются пределы заряда- разряда, а также оставшийся заряд в накопителе. Таким образом, достигается сокращение общего числа рассматриваемых вариантов вводимого в эксплуатацию оборудования, повышается вычислительная эффективность метода оптимизации надежности и повышается достоверность результатов моделирования. Цель: разработка методов оптимизации надежности автономных электроэнергетических систем ветроэнергетическими установками и электрохимическими накопителями энергии при соблюдении требований к электродинамической устойчивости. Объектом исследования является автономная энергосистема, предположительно расположенная в прибрежной зоне озера Байкал в Кабанском государственном природном заповеднике Республики Бурятия. Расчеты основаны на многократном моделировании режимов работы электроэнергетической системы методом Монте-Карло. Значения случайных величин моделируются в соответствии с заданными законами распределения и показателями аварийности энергетического оборудования. Моделирование выработки электроэнергии на ветрогенераторах основано на детальном анализе реальных погодных данных (среднечасовая скорость ветра, плотность и влажность воздуха). Разработана методика оптимизации надежности автономных энергосистем с ветрогенераторами и электрохимическими накопителями энергии с учетом требований, предъявляемых к электроэнергетическому оборудованию с точки зрения динамической устойчивости. Критерием оптимизации является минимальное ожидаемое значение себестоимости произведенной электроэнергии. В качестве средств обеспечения надежности используются устройства резервирования мощности и накопления энергии. Результаты расчетов свидетельствуют о том, что для рассматриваемой природно- климатической зоны использование ветрогенераторов с вертикальной осью в автономной энергосистеме оказывается более эффективным, чем использование ветрогенераторов с горизонтальной осью