Naslov (srp)

Оптимално планирање електроенергетске инфраструктуре ветроелектрана великих снага : докторска дисертација

Autor

Petrović, Ana M., 1989-

Doprinosi

Đurišić, Željko, 1972-

Opis (eng)

The subject of the doctoral dissertation is development of mathematical models for theimprovement of economic and technical conditions of planning and construction of wind farms. Themain contributions are the following:1. A mathematical model for optimal wind turbine selection has been developed.In the dissertation, a mathematical model for optimal wind turbine selection, for known windstatistics, was developed. The main elements for wind turbine optimization are: the hub height, thewind turbine diameter, and the wind turbine rated power. The model varies key parameters andcalculates the total wind turbine actualization costs, as well as the annual electricity production. Inthe mentioned optimization problem, there are technical limitations regarding the minimum andmaximum values of parameters imposed by the equipment manufacturer. The model is based on agenetic algorithm which, after a certain number of iterations, leads to optimal results that satisfyboth, the optimisaton function and the given constraints. The developed algorithm and mathematicalmodel have a general character ie. can be used to optimize WT selection for locations with differentwind parameters. The application of the model ensures optimal use of wind potential at a certainlocation, and also provides a higher profit to the owner of the wind farm. The parameters of theWeibull wind statistics and the wind shear coefficient are used as input data. The practicalapplicability of the proposed mathematical model was demonstrated on specific examples of WPPsat locations with different Weibull parameters.2. A mathematical model for the calculation of the optimal cross-section of cables of thewind farm internal cable network has been developed.As the spatial arrangement of wind turbines in wind farms is characterized by a relativelylarge distance from each other, the length of the cable collector network can be several tens or evenhundreds of kilometers, so electricity losses are significant. The use of larger cable cross-sections inrelation to technical requirements is often justified, and can provide a significant increase inefficiency and better energy performance of the power plant. The model developed in thedissertation calculates the optimal cable cross-section to which an arbitrary number of wind turbinesis connected, through the optimization of the ratio of investment and operating costs, i.e. costs dueto losses per unit length of cable. Considering that investment costs are segregated at the beginningi.e. in the phase of wind power plant construction, and the costs of losses are generated duringoperation in each year, the costs are actualized i.e. a dynamic economic model is used. Theadvantage of the presented model is that the calculations of the optimal topology and cable crosssection are decoupled i.e. they can be solved separately. By applying the developed model in theplanning phase of the wind power plant project, each of the connection feeders to which an arbitrarynumber of WTs are connected can be optimized. On specific example of wind power plant in Banatregion is shown that the optimal choice of cable cross-section can significantly reduce productioncosts, i.e. increase the total profit during the lifetime of the wind farm.3. A mathematical model for the selection of the optimal voltage level and the optimal pointof connection of large wind power plants to the transmission network has been developed.The selection of the optimal wind farm connection point is a demanding task that mustinclude many parameters. In many cases of connecting a wind farm to the transmission networkthere are competing connection points, so the question is how to choose the optimal point at whichwind farm will be connected and deliver the produced energy during operation. Potential connectionpoints can differ in distance, but also in terms of voltage level, so the choice of connection point isextended in terms of choosing the voltage level to which the wind farm will be connected.The developed model calculates the total actualized investment and operating costs ofconnection to the transmission network, as a function of the distance from the connection point. InAbstract viДокторска дисертацијаАна Петровићaddition to maintenance costs, operating costs also include the costs of undelivered electricity dueto the unavailability of the network. The optimal voltage level and the optimal connection point aredetermined by calculating the critical distances of competing connection points for wind powerplant of a certain rated power, for which the connection costs are equal. The developedmathematical model enables transmission system operators, as well as investors, to optimallyconsider and plan the connection of wind power plants to the transmission network. The practicalapplicability of the proposed mathematical model is demonstrated on the example of a realengineering problem of connecting the WPP Čibuk 1, located in South Banar region.4. A laboratory model of the wind turbine grounding has been developed for theexperimental determination of the grounding system characteristics.During the construction of the wind power plant, special attention is given to the design of theearthing system. Copper ropes are laid in the cable trench together with the power cables, whichconnect the basic earthing conductors of the wind turbine. The basic earthing of the wind turbine isperformed by laying the earthing in a concrete foundation, located below the ground surface, inform of closed contours (rings) of copper strips that are connected to the reinforcement in thefoundation. The electrical properties of such an earthing system are determined by the earthingconductor geometry, concrete characteristics, reinforcement characteristics, soil composition andsoil condition (dominantly moisture content). Due to its complex construction, the grounding of thewind turbine is very difficult to model mathematically. In order to determine the characteristics ofthe earthing system that are important for its sizing, a physical model of the wind turbine earthingsystem has been developed, which is equivalent to the real model of the earthing system of acommercial manufacturer. The grounding conductor is laid in the ground whose characteristics interms of electrical conductivity vary. The results obtained by measurements on a scale model of theearthing system were analyzed.

Opis (srp)

Предмет истраживања докторске дисертације је развој математичких модела заунапређење економских и техничких услова планирања и изградње ветроелектране. Основнидоприноси су следећи:1. Развијен је математички модел за оптимизацију избора ветроагрегата.У дисертацији је развијен математички модел за оптимизацију избора ветроагрегата запознату статистику ветра. Основни елементи при оптимизацији избора ветроагрегата су:висина стуба, пречник ветротурбине и називна снага ветрогенератора. Модел вршиваријацију кључних параметара и прорачун укупних актуелизовних трошкова ветроагрегата,као и годишње производње електричне енергије. У наведеном оптимизационом проблемупостоје техничка ограничења у погледу минималних и максималних вредности параметаракоје намеће сам произвођач опреме, а може уважити и ограничења која намеће локација накојој се планира изградња ветроелектране. Модел је базиран на генетском алгоритму којинакон одређеног броја итерација долази до оптималних резултата који задовољавајуфункцију циља и задата ограничења. Развијени алгоритам и математички модел имају општикарактер тј. применљиви су за оптимизацију избора ветроагрегата за локације са различитимпараметрима ветра. Применом модела обезбеђује се оптимално искоришћење потенцијалаветра на одређеној локацији, а тиме и већи профит власнику ветроелектране. Као улазниподаци користе се параметри Вејбулове статистике ветра и висински коефицијент смицањаветра. На конкретним примерима ветроелектрана на локацијама са различитим параметримаВејбулове статистике ветра демонстрирана је практична употребљивост предложеногматематичког модела.2. Развијен је математички модел за прорачун оптималне површине попречногпресека проводника у интерној кабловској мрежи ветроелектране.Како просторни распоред ветроагрегата у ветроелектранама велике снаге карактеришерелативно велика међусобна удаљеност, дужина кабловске колекторске мреже може битинеколико десетина, па и стотина километара, те су губици електричне енергије у њојзначајни. Коришћење већих пресека каблова у односу на техничке захтеве је често оправданои може обезбедити значајно повећање ефикасности, као и боље енергетске показатељеелектране. Модел развијен у дисертацији врши прорачун оптималног пресека кабла на који јеприкључен произвољан број ветроагрегата, кроз оптимизацију односа инвестиционих иексплоатационих трошкова тј. трошкова услед губитака по јединици дужине кабла. Собзиром на то да се инвестициони трошкови издвајају на почетку, односно у фази изградњеветроелектране, а трошкови услед губитака се генеришу током експлоатације, врши сеактуелизација трошкова, односно користи се динамички економски модел. Предностпредстављеног модела је што су прорачуни оптималне топологије и пресека кабловараспрегнути, односно могу се решавати одвојено. Применом развијеног модела у планерскојфази развоја пројекта ветроелектране може се оптимизовати сваки од фидера на који јеприкључен произвољан број ветроагрегата. На конкретном примеру ветроелектране у Банатупоказано је да се оптималним избором пресека каблова могу значајно смањити трошковипроизводње, односно повећати укупан профит током животног века ветроелектране.3. Развијен је математички модел за избор оптималног напонског нивоа иоптималне тачке прикључења ветроелектрана великих снага на преносну мрежу.Избор оптималне тачке прикључења ветроелектране на преносну мрежу представљазахтеван задатак који мора обухватити бројне факторе. У великом броју случајева у погледуприкључења ветроелектране на преносну мрежу постоје конкурентне тачке прикључења, пасе поставља питање избора оптималне тачке у којој ће ветроелектрана бити прикључена иРезиме ivДокторска дисертацијаАна Петровићпласирати произведену електричну енергију током експлоатације. Потенцијалне тачкеприкључења могу се разликовати по удаљености, али и у погледу напонског нивоа, па сеизбор тачке прикључења проширује и на избор напонског нивоа на који ће бити прикљученаветроелектрана.Развијени модел врши прорачун укупних актуелизованих инвестиционих иексплоатационих трошкова прикључења на преносну мрежу, у функцији удаљености одприкључне тачке. Поред трошкова одржавања, у експлоатационе трошкове су сврстани итрошкови неиспоручене електричне енергије услед нерасположивости мреже. Oптималаннапонски ниво и оптимална тачка прикључења одређени су прорачуном критичнихудаљености конкурентних прикључних тачака ветроелектране одређене инсталисане снаге,за које су трошкови прикључења једнаки. Развијени математички модел омогућаваоператорима преносног система, као и инвеститорима, да оптимално сагледају и планирајуприкључење ветроелектране на преносну мрежу. На примеру реалног инжењерског проблемаприкључења ветроелектране Чибук 1 у јужном Банату демонстрирана је практичнаупотребљивост развијеног математичког модела.4. Развијен је лабораторијски модел темељног уземљивача ветроагрегата заекспериментално одређивање карактеристика уземљивача ветроагрегата.Нарочита пажња у току изградње ветроелектране посвећује се пројектовањууземљивачког система. У кабловском рову заједно са енергетским кабловима полажу себакарна ужад која повезују темељне уземљиваче ветроагрегата. Темељни уземљивачветроагрегата изводи се полагањем уземљивача у бетонски темељ, лоциран под површиномземље, у облику затворених контура (прстенова) од бакарних трака које се спајају саарматуром у темељу. Електрична својства оваквог уземљивача су одређена геометријомуземљивача, карактеристикама бетона, арматуре, саставом тла и стањем тла (доминантносадржајем влаге). Због своје сложене конструкције, темељни уземљивач ветроагрегата јевеома тешко математички моделовати. Ради одређивања карактеристика уземљивача које суод значаја за његово димензионисање развијен је физички модел темељног уземљивачаветроагрегата, који представља еквивалент реалном моделу уземљивача комерцијалногпроизвођача. Уземљивач је положен у тло чије су карактеристике у погледу електричнепроводности вариране. Анализирани су резултати добијени мерењима на умањеном моделууземљивача.

Opis (srp)

Техничке науке – Електротехника - Електроенергетски системи / Technical science – Electrical engineering - Power systems Datum odbrane: 18.11.2022.

Jezik

srpski

Datum

2022

Licenca

Ovo delo je licencirano pod uslovima licence
Creative Commons CC BY-NC-ND 3.0 AT - Creative Commons Autorstvo - Nekomercijalno - Bez prerada 3.0 Austria License.

http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/at/legalcode

Predmet

OSNO - Opšta sistematizacija naučnih oblasti, Elektroenergetski sistemi

electricity infrastructure, wind farm, optimization, wind turbine, internal cable network, connection point

OSNO - Opšta sistematizacija naučnih oblasti, Elektroenergetski sistemi

електроенергетска инфраструктура, ветроелектранa, оптимизација, ветроагрегат, интерна кабловска мрежа, прикључна тачка