Дослідження режимів роботи комбінованої системи електропостачання офісної будівлі

Abstract

Магістерська дипломна робота присвячена дослідженню режимів роботи комбінованої системи електропостачання (КСЕ) офісної будівлі. Об'єктом дослідження є типовий 12-поверховий бізнес-центр класу «А» загальною площею 15 000 м² у м. Київ, система електропостачання якого включає централізовану мережу 10 кВ, фотоелектричну сонячну електростанцію (СЕС) потужністю 150 кВт, LFP-акумуляторний накопичувач ємністю 200 кВт·год та систему управління енергетичними потоками (EMS). Актуальність теми обумовлена нестабільністю об'єднаної енергетичної системи (ОЕС) України внаслідок збройної агресії, що спричиняє регулярні аварійні відключення електроенергії тривалістю від кількох годин до доби. Одночасно євроінтеграційний курс і директива EPBD зобов'язують переходити до стандарту nZEB із значною часткою відновлюваних джерел енергії. КСЕ на базі СЕС та АСНЕ є технічним рішенням, що одночасно підвищує надійність, знижує операційні витрати та зменшує вуглецевий слід будівлі. Метою роботи є підвищення енергоефективності та надійності електропостачання офісної будівлі шляхом дослідження й оптимізації режимів роботи КСЕ (Мережа + СЕС + АСНЕ). Робота складається зі вступу, чотирьох розділів, висновків та списку використаних джерел. Розділ 1 присвячено теоретичним основам та сучасному стану КСЕ офісних будівель. Розглянуто три режими роботи (паралельний, автономний, peak-shaving), нормативно-правову базу України (Закон № 3220-IX щодо Net Billing, ДБН В.2.5-23:2010, ISO 50001), а також світовий досвід концепцій nZEB, BIPV та V2G/V2B. Розділ 2 містить аналіз об'єкта дослідження та моделювання графіків електроспоживання. Встановлена потужність будівлі становить 750 кВт, розрахункова активна потужність (метод коефіцієнта попиту, Kd = 0,7) — 525 кВт. Виконано розрахунок навантажень 9 груп споживачів для літнього (активне навантаження 133,55 кВт, повна потужність 177,89 кВА) та зимового (115,75 кВт та 151,74 кВА) режимів. Обґрунтовано вибір трансформаторної підстанції ТМГ-1000 кВА з коефіцієнтом завантаження 0,617 в аварійному режимі, що відповідає ПУЕ для ІІ категорії надійності. Розділ 3 є центральним і присвячений дослідженню трьох режимів роботи КСЕ та оцінці якості електроенергії. Досліджено паралельний режим з визначенням коефіцієнта самозабезпечення (34,5% у літній сонячний день). Проаналізовано автономний (острівний) режим: час переходу — менше 20 мс, тривалість автономної роботи від 1,65 год (повне навантаження 108,85 кВт) до 12 год (пріоритетне навантаження 15 кВт). Обґрунтовано застосування BESS для peak-shaving: пікове споживання знижено з 98,85 до 70,0 кВт (−29,2%), річна економія — 155 790 грн/рік. Показники якості електроенергії відповідають ДСТУ EN 50160: THDU = 1,9%, THDI = 4,7% (норма ≤ 8%), відхилення напруги 3,97% (норма ±5%), несиметрія 1,0% (норма ≤ 2%). Розрахований ресурс BESS при 122 циклах/рік перевищує 32 роки. Розділ 4 містить техніко-економічне обґрунтування, екологічну оцінку та заходи з охорони праці. Загальний обсяг капітальних інвестицій — 5 327,2 тис. грн. Річна економія — 1 316,3 тис. грн/рік (51,0% — від генерації СЕС, 27,4% — від уникнення збитків при відключеннях, 11,8% — від peak-shaving). NPV за 10 років — 3 595,8 тис. грн, IRR = 23,4%, дисконтований термін окупності — 5,17 року. Уникнені викиди CO₂ — 71,4 т/рік, вуглецевий термін окупності — 2,52 роки. Ідентифіковано 7 класів НШВФ; усі проектні рішення відповідають нормам ПУЕ, НПАОП 40.1-1.21-98, IEC 62548 та IEC 62619. У роботі вперше для умов ОЕС України та кліматичних умов м. Київ: 1) комплексно досліджено три режими роботи КСЕ офісної будівлі (паралельний, автономний та peak-shaving) в єдиній системі з grid-forming інверторами з кількісним визначенням коефіцієнта самозабезпечення (34,5% у літній день) та ресурсу BESS (понад 32 роки при 122 циклах/рік); 2) встановлено залежність тривалості автономного режиму від пріоритету навантаження (від 1,65 до 12 годин) та доведено достатність LFP-накопичувача ємністю 180 кВт·год для забезпечення пріоритетних споживачів при 12-годинному відключенні в зимовий день; 3) виконано кількісну оцінку ефекту peak-shaving (зниження пікового споживання на 29,2%) із прив'язкою до чинного тарифного регулювання НКРЕКП та механізму Net Billing за Законом № 3220-IX. Результати роботи мають безпосереднє практичне значення для проектування та експлуатації систем електропостачання комерційних будівель в Україні. Розроблена методика розрахунку режимів роботи КСЕ, алгоритм управління потоками потужності через EMS та обґрунтовані параметри обладнання (СЕС 150 кВт, BESS 200 кВт·год, GFI 2×100 кВт) можуть бути безпосередньо використані проектними організаціями при розробці технічних завдань на впровадження гібридних систем електропостачання. Розраховані техніко-економічні показники (NPV = 3 595,8 тис. грн, IRR = 23,4%, дисконтований термін окупності 5,17 року) є практичним інструментом для обґрунтування інвестиційних рішень власниками бізнес-центрів. Визначений екологічний ефект (71,4 т CO₂/рік) може використовуватись для формування корпоративної ESG-звітності. За результатами виконаних досліджень зроблено такі висновки: 1. Добовий графік навантаження офісу характеризується вираженим піком у робочі години (08:00–18:00), що визначає доцільність впровадження СЕС з акумуляторами. Розрахункова потужність будівлі — 525 кВт при встановленій 750 кВт. 2. Паралельний режим забезпечує коефіцієнт самозабезпечення 34,5% у літній сонячний день, середньорічне покриття від СЕС — ~14%. EMS реалізує пріоритет: генерація СЕС → зарядження BESS → покриття навантаження → обмін з мережею. 3. Автономний режим гарантує перехід за менш ніж 20 мс та безперебійне живлення пріоритетних навантажень від 1,65 до 12 годин. При зимовому 12-годинному відключенні дефіцит енергії (130 кВт·год) не перевищує ємність BESS (180 кВт·год). 4. Peak-shaving знижує пікове споживання з 98,85 до 70,0 кВт (−29,2%), забезпечуючи річну економію ~155 790 грн/рік. ККД циклу BESS — 91,3%, ресурс — понад 32 роки. 5. Усі показники якості електроенергії відповідають ДСТУ EN 50160:2014: THDU = 1,9%, THDI = 4,7%, відхилення напруги 3,97%, несиметрія 1,0%, відхилення частоти ±0,2 Гц в острівному режимі. 6. Техніко-економічні показники: капітальні інвестиції — 5 327,2 тис. грн; річна економія — 1 316,3 тис. грн/рік; NPV (10 років) — 3 595,8 тис. грн; IRR = 23,4%; дисконтований термін окупності — 5,17 року; PI = 1,675. 7. Екологічний ефект: 71,4 т CO₂/рік, за 25 років — понад 1 632 т CO₂. Вуглецевий термін окупності — 2,52 роки. Додаткове скорочення: SOₓ — 0,50 т/рік, NOₓ — 0,28 т/рік. 8. Ідентифіковано 7 класів НШВФ; усі проектні рішення відповідають нормативним вимогам ПУЕ, НПАОП 40.1-1.21-98, IEC 62548 та IEC 62619.