Повышение эффективности комбинированных систем автономного электроснабжения на основе возобновляемых источников энергии
На правах рукописи
ТИХОНОВ АНТОН ВАЛЕНТИНОВИЧ
повышение эффективности
комбинированных систем автономного электроснабжения
на основе возобновляемых источников энергии
05.14.08 – энергоустановки на основе возобновляемых видов энергии
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Москва – 2013
Работа выполнена в Государственном научном учреждении Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства Российской академии сельскохозяйственных наук (ГНУ ВИЭСХ Россельхозакадемии)
| Научный руководитель: | кандидат технических наук, доцент |
| Тюхов Игорь Иванович | |
| Официальные оппоненты: | Волшаник Валерий Валентинович доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет», профессор кафедры гидроэнергетики и использования водных ресурсов |
| Шеповалова Ольга Вячеславовна кандидат технических наук, ГНУ ВИЭСХ, заведующая лабораторией энергообеспечения сельских зданий, крестьянских и фермерских хозяйств | |
| Ведущая организация: | ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ» кафедра НВИЭ |
Защита состоится «___» __________ 2013 г. в ____ часов на заседании Диссертационного совета Д 006.037.01 в Государственном научном учреждении Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства (ГНУ ВИЭСХ) по адресу: 109456, г. Москва, 1-ый Вешняковский проезд, д. 2.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГНУ ВИЭСХ.
Автореферат разослан «___» __________ 2013 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета, д.т.н. А.И. Некрасов
Общая характеристика диссертационной работы
Возобновляемые источники энергии (ВИЭ) – это источники энергии ближайшего будущего. Они характеризуются экологической чистотой, высокой безопасностью, многие из них повсеместно доступны, а их ресурсы во много раз превышают обозримые потребности в энергии всего человечества. Но, не смотря на все положительные качества ВИЭ, им присущи и недостатки, основными из которых являются малая плотность, неравномерность географического распределения и нестабильность (суточная, сезонная, погодная) энергетических потоков. Несовершенство технологий также ограничивает их широкое распространение. Решение этих проблем, бесспорно, возможно и осуществимо. Уже сейчас уровень развития современной науки и техники позволяет успешно использовать ВИЭ для энергоснабжения потребителей в целом ряде случаев.
Существенная часть территории России является малозаселённой. Прежде всего, это районы Крайнего Севера, восточные регионы и горная местность. Для этих областей уже сейчас вопрос использования ВИЭ является бесспорным, поскольку передача туда электрической энергии (ЭЭ) по линиям электропередач крайне неэффективна, а доставка топлива обходится дорого.
Актуальность темы.
Роль и место ВИЭ в топливно-энергетическом балансе стран всего мира уже очевидны. Население Земли начинает ощущать угрозу топливного «голода» и ухудшение состояния окружающей среды. В такой ситуации человечество должно быть готово к быстрому и эффективному переходу на новые источники, такие как ВИЭ, обеспечивающие неисчерпаемую и чистую энергию. Понимая это, руководство многих стран принимает множество законопроектов, так или иначе стимулирующих развитие ВИЭ, а также непосредственно инвестирует в связанные с ними проекты. В настоящее время и в РФ отмечается понимание будущей роли ВИЭ, за последние несколько лет подписаны:
- указ Президента Российской Федерации от 04.06.2008 «О некоторых мерах по повышению энергетической и экологической эффективности российской экономики»;
- распоряжение Правительства РФ от 08.01.2009 «Об основных направлениях государственной политики в сфере повышения энергетической эффективности электроэнергетики на основе использования возобновляемых источников энергии до 2020 года».
Установки на основе ВИЭ наиболее перспективны на данный момент для автономного электроснабжения, поскольку около 2/3 территории России, где проживает постоянно несколько миллионов человек, находиться вне зоны централизованной системы электроснабжения. Наиболее рационально при этом комбинированное использование ВИЭ, поскольку оно имеет ряд преимуществ по сравнению с одиночным использованием. Так, например, солнечная и ветровая энергия обычно дополняют друг друга, как правило, при пасмурной погоде ветра сильнее, а в солнечные дни – слабее, что дает возможность использовать установки в составе гибридной системы значительно меньших мощностей, а, следовательно, и меньших стоимостей. Такие ВИЭ, как солнце и ветер, характеризуются высокой неравномерностью приходящей энергии, поэтому их комбинированное использование совместно с менее подверженными случайным факторам источниками, например, малым водотоком, позволяют повысить качество и бесперебойность электроснабжения.
Повысить эффективность автономных систем электроснабжения можно также благодаря использованию современной компонентной базы объединенной специализированной автоматической системой управления и контроля (АСУК), способной к оперативному распознаванию конкретных ситуаций, происходящих в системе, и соответствующей реакции на них согласно заранее выработанным алгоритмам. Подобного рода системы могут являться не просто новейшими системами электроснабжения, но и частью развития современной энергетики: концепции Smart Grids («умные» сети). Таким образом, исследование по формированию современных комбинированных систем автономного электроснабжения на основе ВИЭ является актуальным и своевременным.
Работа выполнялась в рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы» Министерства образования и науки Российской Федерации.
Целью диссертационной работы является повышение экономической эффективности комбинированных систем автономного электроснабжения на основе ВИЭ за счет оптимизации их состава и параметров, энергоэффективности за счет применения специального схемного построения, основанного на современной компонентной базе, а также согласования процесса производства и потребления электрической энергии, технологической эффективности за счет применения специализированной двухуровневой АСУК построенной в рамках централизованного принципа управления.
Для достижения данной цели были поставлены и решены следующие задачи:
- Разработать методику и программный комплекс, определяющий оптимальный состав и параметры комбинированной системы автономного электроснабжения на основе ВИЭ (КСАЭ-ВИЭ) с учетом реальных климатических и географических условий эксплуатации, характеристик используемого оборудования, а также особенностей потребителя, включая ожидаемые переменные графики потребления энергии. Критерием оптимальности является экономичность электроснабжения потребителя.
- Провести оптимизационные исследования КСАЭ-ВИЭ для различных условий эксплуатации.
- Разработать структурную и силовую схему КСАЭ-ВИЭ, позволяющую осуществить эффективное преобразование энергии, ее суммирование, накопление, распределение и регулирование.
- Разработать алгоритмы управления работой КСАЭ-ВИЭ, определяющие ее функционирование как единого устройства.
- Создать средства теоретического и физического моделирования КСАЭ-ВИЭ. Провести комплексные теоретические и практические исследования, их оценку.
- Провести экономическую оценку использования КСАЭ-ВИЭ.
Научная новизна диссертационной работы.
- Разработана методика и программный комплекс, определяющий оптимальный состав и параметры комбинированной установки на основе трех ВИЭ (солнце, ветер, малый водоток) с учетом реальных климатических и географических условий эксплуатации, характеристик используемого оборудования, а также особенностей потребителя, включая ожидаемые переменные графики потребления энергии, согласно критерию экономичности электроснабжения потребителя. В их основе лежит генерация почасовых потоков энергии возобновляемых источников исходя из общедоступных баз данных: справочника климата СССР или данных NASA.
- Разработаны алгоритмы: «Баланс энергии», отвечающий за поддержание энергетического баланса в КСАЭ-ВИЭ согласно двухуровневому устройству АСУК, «Прогнозная оценка» и «Управления группами электроприемников», осуществляющие функцию согласования процесса производства и потребления энергии с учетом прогнозирования выработки энергии от возобновляемых источников.
- Создана электродинамическая модель КСАЭ-ВИЭ с реализованными алгоритмами управления энергоустановки – базовой основой системы управления.
- Создана физическая модель с двухуровневой АСУК, имитирующая работу КСАЭ на основе трех ВИЭ.
Практическая ценность.
Результаты разработок и исследований использованы в процессе проведения научно-исследовательской работы по государственному контракту от 15.06.09 № 02.740.11.0058. в рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы» по теме: «Проведение научно-исследовательской работы по созданию системы автономного электроснабжения на основе комбинированного использования генерирующих модулей возобновляемых источников энергии, современной элементной базы схем накопления энергии, ее преобразования, распределения и регулирования».
В рамках диссертационной работы предложен комплекс мер (подходов) по повышению эффективности комбинированных систем.
Повышение экономической эффективности связано с разработкой методики и программного комплекса по определению оптимального состава и параметров КСАЭ-ВИЭ согласно критерию экономичности электроснабжения потребителя. Это позволяет при одинаковой стоимости системы получить большее количество выработанной ею электроэнергии или снизить стоимость КСАЭ-ВИЭ, оставив неизменной выработку электроэнергии. Изначальный состав электроустановок на основе ВИЭ (солнце, ветер, малый водоток) может быть расширен новыми генерирующими модулями ВИЭ (биогазовые, геотермальные установки и т.д.) и накопителями энергии (водородный накопитель и др.).
Условия определения оптимума не всегда постоянны и могут существенно изменяться с течением времени, в частности стоимость оборудования, его тип, нагрузка потребителя и пр. В связи с этим разработанные рекомендации и карты с течением времени теряют свою актуальность, а для другого типа оборудования, потребителя результаты оптимизации могут существенно различаться. Разработанный же программный комплекс, учитывая множество факторов и особенностей настоящего, позволяет получить в короткий срок достоверные результаты актуальные для текущих условий эксплуатации КСАЭ-ВИЭ. Так, исследования использования разного типа АБ показали перспективность нового типа АБ – литий-железо-фосфатных (LiFePO4). Их применение, вместо традиционных для энергетики свинцово-кислотных АБ, позволяет снизить себестоимость электрической энергии при электроснабжении потребителя за счет КСАЭ-ВИЭ для рассмотренных пяти географических точек до 20 % (в среднем на 17 %).
Повышение энергоэффективности достигается применением специального схемного построения, основанного на современной компонентной базе, а также согласованием процесса производства и потребления электрической энергии. Результаты теоретического моделирования эксплуатации КСАЭ-ВИЭ на примере пяти географических точек показали, что повышение напряжения непосредственно на выходе генерирующих установок системы до входного инверторного позволяет сократить потери электрической энергии при преобразовании до 16 % (в среднем на 13 %). Работа на повышенном напряжении позволяет также снизить токовые потери в системе, дополнительно повысив общий КПД. В свою очередь, разделение потребителя на группы позволяет грамотно распределить нагрузку, увеличив объемы «прямого» потребления энергии, что позволяет уменьшить объемы компенсируемой энергии с помощью накопителя, а, следовательно, связанные с этим потери энергии. Более эффективную реализацию этой функции позволяет осуществить прогнозирование выработки энергии от возобновляемых источников (ВИ) благодаря возможности спланировать работу системы на предстоящей период времени.
Выбор первичных источников КСАЭ-ВИЭ был обоснован повышением надежности электроснабжения потребителя, что можно отнести к обобщенным характеристикам эффективности.
Повышение технологической эффективности связано с разработкой логики, алгоритмов специализированной двухуровневой АСУК в рамках централизованного принципа управления с учетом особенностей ВИЭ, и заключается в осуществлении более эффективных процессов функционирования системы и расширении ее функциональных возможностей. Это позволяет заложить в систему электроснабжения новые принципы, соответствующие концепции Smart Grids, обеспечив таким КСАЭ-ВИЭ в перспективе роль активного участника распределенной энергетики.
Отметим, что предложенный комплексный подход к повышению эффективности комбинированных систем автономного электроснабжения с использованием ВИЭ обеспечивает качественно новый уровень таких систем электроснабжения.
Ценными с практической точки зрения являются и сами разработки (средства), предназначенные для оценки принятых мер, направленных на повышение эффективности КСАЭ-ВИЭ, и их реализацию. В частности, входящая в состав программного комплекса оптимизации математическая модель может также производить моделирование эксплуатации КСАЭ-ВИЭ с учетом реальных условий на основе данных мониторинга ресурсов ВИЭ. А решения, используемые при ее создании, в том числе генерации потоков энергии ВИЭ, лежат в основе функции прогнозирования выработки энергии от ВИ, реализуемой на основе прогнозных данных погоды.
Разработанная электродинамическая (математическая) модель КСАЭ-ВИЭ позволила реализовать основу АСУК и исследовать ее функционирование. Однако это только база, позволяющая без привлечения значительных материальных затрат совершенствовать алгоритмы и разрабатывать АСУК для различных конфигураций, свойств и функций КСАЭ-ВИЭ. Кроме того, модель позволяет разрабатывать и готовить отдельные программные части АСУК для использования в микроконтроллерах системы.
В свою очередь физическая модель КСАЭ-ВИЭ позволяет практически оценить достоверность принятых научно-технических решений.
Разработанные средства подтвердили перспективность создания и эффективность такой энергоустановки. Они позволяют с уверенностью и большим количеством наработок переходить к созданию промышленных образцов КСАЭ-ВИЭ. К тому же в них имеется востребованность: анализ регионального размещения потенциальных потребителей автономных источников энергоснабжения мощностью до 10 кВт позволил выделить в качестве потенциальных потребителей КСАЭ-ВИЭ жителей множества регионов России.
Отдельные составляющие электродинамической и физической модели КСАЭ-ВИЭ могут использоваться в учебном процессе при подготовке научных кадров в области ВИЭ.
Система мониторинга электрических параметров энергоустановок, использующих ВИЭ, позволяет проводить исследования в натурных и лабораторных условиях. Лабораторно-исследовательский стенд, созданный на ее основе, внедрен в учебный процесс МГУИЭ, ГНУ ВИЭСХ, МарГУ, а также 10 школ Москвы и 6 школ Рязанской и Калужской областей по контракту №.8/3-177н-07 от 9.06.2007 г. (Государственный заказчик – Департамент науки и промышленной политики г. Москвы).
Положения, выносимые на защиту.
- Методический подход к определению оптимального состава и параметров КСАЭ-ВИЭ на основе трех ВИЭ (солнце, ветер, малый водоток) позволяет повысить достоверность получаемого результата посредством учета большого количества факторов и особенностей, в том числе коротких временных промежутков и поиска оптимума энергоустановок на основе ВИЭ совместно с АБ.
- Алгоритм «Баланс энергии» позволяет поддерживать равенство энергетического баланса в КСАЭ-ВИЭ исходя из двухуровневого устройства АСУК, а алгоритмы «Прогнозная оценка» и «Управления группами электроприемников» позволяют реализовать функцию согласования процесса производства и потребления энергии с учетом прогнозирования выработки энергии от ВИ.
- Использование микро ГЭС в составе комбинированной системы позволяет повысить надежность электроснабжения потребителя, обеспечить конкурентоспособные в сравнении с традиционным автономным электроснабжением цены на электроэнергию, способствует развитию более дорогих технологий ВИЭ (ФЭУ и ВЭУ).
- Результаты практических и теоретических исследований функционирования моделей системы на основе исключительно трех ВИЭ подтверждают обоснованность и перспективность принятых решений (схемного построения КСАЭ-ВИЭ, построения АСУК) и разработок (электродинамической и физической модели КСАЭ-ВИЭ) для создания эффективных комбинированных систем автономного электроснабжения на основе ВИЭ.
- Предложенные подходы по повышению экономической, технологической и энергетической эффективности КСАЭ-ВИЭ обеспечивают как преимущество отдельных показателей, так и уровень совершенства системы.
Достоверность и обоснованность результатов.
Достоверность оптимизационных расчетов проверена на конкретном примере. Достоверность и обоснованность результатов моделирования подтверждена совпадением теоретически полученных данных с данными испытаний физической модели КСАЭ-ВИЭ, а также высокой воспроизводимостью экспериментальных данных.
Апробация работы.
Материалы диссертации использованы в научно-технических отчетах НИР по государственному контракту от 15.06.09 № 02.740.11.0058, а также работе по заказу Департамента науки и промышленной политики г. Москвы контракт №.8/3-177н-07 от 9.06.2007 г. Основные положения диссертационной работы докладывались на VI-ой Всероссийской научной молодежной школе «Возобновляемые источники энергии» (г. Москва МГУ им. М.В. Ломоносова), 24-ой Международной молодежной научно-технической конференции Исполнительного комитета Электроэнергетического Совета СНГ и Ассоциации «Гидропроект» «Инновации в энергетику» (г. Звенигород), Научно-практической конференции ВИЭСХ (г. Москва ГНУ ВИЭСХ). Ежегодной научно-технической конференции «Молодые специалисты ФГУП ВЭИ» (г. Москва ФГУП ВЭИ им. В.И. Ленина), 1-ой научно-образовательной конференции ОЭПЭЭ / IAEE «Экономика энергетики как направление исследований: передовые рубежи и повседневная реальность» (г. Москва МШЭ МГУ им. М.В. Ломоносова), Международной научно-практической конференции Инновационные энергоресурсосберегающие технологии в АПК (г. Москва ФГБОУ ВПО МГАУ им. В.П. Горячкина).
Публикации.
По материалам диссертации опубликовано 20 научных работ, в том числе 1 статья в журнале «Энергетик», 1 – в журнале «Механизация и электрификация сельского хозяйства», 2 публикации, включенные в систему цитирования (библиографической базы) Scopus, 1 патент РФ на полезную модель, и 1 монография (в соавторстве).
Структура диссертационной работы.
Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, изложенных на 150 страницах машинописного текста, иллюстрированных 50 рисунками и 34 таблицами, и снабжена 6 приложениями; список литературы включает 121 наименование.
Содержание работы
Во введении обоснована актуальность темы, сформулирована цель и определены основные задачи исследования, отмечена научная новизна работы, приведены основные положения, выносимые на защиту.
В первой главе «Существующие энергоустановки на основе возобновляемых источников энергии, перспективы их эффективного комбинированного использования» рассмотрена возможность и перспективы эффективного применения энергоустановок, использующих ВИЭ, для электроснабжения автономного потребителя.
Большой вклад в развитие возобновляемой энергетики внесли такие российские ученые, как Алферов Ж.И., Андреев В.М., Антонов Ю.М., Арбузов Ю.Д., Безруких П.П. Вавилов В.С., Васильев А.М., Васильев Ю.В., Виссарионов В.И., Волшаник В.В., Гусаров В.А., Евдокимов В.М., Елистратов В.В., Каган М.Б., Каргиев В.М., Кондратьев К.Я., Ландсман А.П., Лидоренко Н.С., Николаев В.Г., Полисан А.А., Попель О.С., Потапов В.Н., Рябиков С.В., Стребков Д.С., Сокольский А.К., Тарнижевский Б.В., Тверьянович Э.В., Тепляков Д.И., Харченко В.В., а также зарубежные ученые Захидов Р.А., Бекман У., Даффи Дж., Луке А, Клейн С., Колларес – Перейра М., Уинстон Р. и ряд других выдающихся ученых.
В главе приведен обзор ВИЭ, выявлены основные их особенности, определяющие как перспективы их развития, так и трудности, ограничивающие их широкое распространение. Отмечена важность комбинированного использования энергоустановок на основе ВИЭ. Проведен анализ потенциальных энергоустановок ВИЭ, позволяющих обеспечить автономность электроснабжения с учетом их безопасности, практической отработанности и доступности. Рассмотрены энергоустановки на основе энергии солнца, ветра, малого водотока и биомассы. Проведен анализ данных устройств и дополнительного оборудования с учетом их комбинированного использования согласно последним достижениям науки и техники.
Для автономного электроснабжения объектов на рынке представлено много технологических решений, связанных с комбинированным использованием ВИЭ, в основном это отдельные солнечно-ветровые установки или гибридные системы на их основе с дизель-генераторной или бензо-генераторной установкой (ДГУ, БГУ). Как в России, так и за рубежом в большей части они представлены небольшими компаниями, такими как Solar Home, ООО «ФЛАЙ-ТЕК», НПО «ГрандЭнерго», «Балтэлектронкомплект», ООО «Возрождение», «Sun Wind Concepts» (США); «Maritech Marine» Ltd (США); Solar Power (Австралия); SunTechnics (индия); Hebei Green Photoelectric Technology Co., Ltd (Китай); Fuan Huachuang Electrical Machinery Co., Ltd (Китай); Foshan Tanfon Energy Technology Co., Ltd (Китай); и др. Если говорить о разработках, то они больше связанны с их взаимодействием с водородными накопителями энергии. Крупные же компании, прежде всего, нацелены на реализацию масштабных или специализированных проектов.
В рамках разработок, связанных с созданием эффективной КСАЭ на основе трех ВИЭ (солнце, ветер и малый водоток) с полным исключением «взрывных» технологий, определены способы повышения эффективности подобного рода систем. В частности, отмечены способы повышения экономической, энергетической и технологической составляющих эффективности КСАЭ-ВИЭ, а также определены пути дальнейших исследований, направленных на поиск решений этих задач.
Проведенный обзор позволил обосновать постановку задач исследований.
Во второй главе «Современные средства разработки и исследования КСАЭ-ВИЭ, проведение теоретических исследований» разработана структурная функциональная и силовая схема КСАЭ-ВИЭ, разработаны алгоритмы управления системой с использованием современных компьютерных программ специализированного назначения. Созданы программные средства, с помощью которых проведены теоретические исследования системы. В качестве программного обеспечения была использована система компьютерной математики MATLAB с пакетом визуального блочного имитационного моделирования Simulink.
При разработке структурной блок-схемы (СБ-С) КСАЭ-ВИЭ на основе проведенного в первой главе анализа существующих технологий возобновляемой энергетики и смежных областей науки и техники выбран состав и типы используемого оборудования системы. СБ-С на рис. 1 позволяет наглядно представить общую структуру и состав системы, определяет ее функциональные части, их назначение, взаимосвязи. Предусмотрены две конфигурации КСАЭ-ВИЭ, определяемые характером использования системы.
Первый вариант КСАЭ-ВИЭ, предусматривающий питание нагрузки потребителя непосредственно от инвертора, используется в случае, если нагрузка системы может иметь параллельное подключение к автономной электрической сети, образованной другими источниками.
Второй вариант, предусматривающий питание нагрузки потребителя параллельно от микро ГЭС и инвертора, используется в случае, если система электроснабжения работает исключительно на нагрузку потребителя. В этом случае возможно применение и первого варианта. При выборе необходимо учитывать, что второй вариант характеризуется отсутствием потерь на преобразование той части энергии микро ГЭС, которая потребляется нагрузкой напрямую, однако это усложняет систему управления и снижает надежность.
Исходя из функциональных особенностей, элементы объединены в 4 группы: блоки генерации энергии, преобразовательно-распределительные блоки, потребитель и АСУК.
Принцип функционирования системы следующий:
- Потоки ВИЭ преобразуются в электрическую энергию;
Рис. 1 – Структурная блок-схема КСАЭ-ВИЭ
- Электрическая энергия поступает на согласующие устройства (СУ):
– СУ фотоэлектрической установки (ФЭУ) осуществляет отбор максимальной мощности от нее при постоянно изменяющихся внешних условиях (солнечное излучение, температура модуля) путем согласования своего внутреннего сопротивления с сопротивлением источника;
– СУ ветроэлектрической установки (ВЭУ) осуществляет функцию аналогичную СУ ФЭУ. Разница состоит в наличии выпрямителя;
– СУ микро ГЭС осуществляет активную коррекцию коэффициента мощности. Отличие от предыдущих двух устройств состоит в алгоритме управления. Как и в случае с ВЭУ используется выпрямитель. Возможно техническое решение без использования выпрямителя, благодаря использованию повышающего импульсного преобразователя, работающего и с отрицательной, и положительной полуволной переменного тока.
В совокупности СУ образуют многотактный импульсный преобразователь (МИП), осуществляющий функцию суммирования энергии от энергоустановок на основе ВИЭ.
Выводы СУ, зарядно-разрядного устройства (ЗРУ), состоящего из отдельного зарядного и разрядного устройства (ЗУ и РУ соответственно), балластного устройства (БУ) и инвертора, подключены к буферу (батареи электрических конденсаторов), в котором происходит промежуточное накопление энергии. Затем она передается инвертору, ЗРУ для ее накопления и балластному устройству в случае избытка ЭЭ. Буфер – это звено, которое осуществляет баланс между потреблением и выработкой ЭЭ. Основным параметром, характеризующим баланс, является напряжение буфера. Если оно выше фиксированного, то подается команда на отвод лишней энергии, которая, в первую очередь, начинает накапливаться в АБ, а при их полной зарядке – потребляться балластной нагрузкой. Если напряжение на буфере ниже нормированного, подается команда на закачку дополнительной энергии в буфер от АБ. Количество подводимой или отбираемой от буфера ЭЭ позволяет сохранять напряжение буфера в рамках нормированного.
Работоспособность и контроль всех элементов КСАЭ-ВИЭ как в отдельности, так и в целом осуществляет АСУК. Силовой коммутатор (СК) осуществляет электрическое переключение микро ГЭС от СУ на нагрузку и, наоборот, по необходимости, определяемой алгоритмами АСУК системы.
На основе представленной СБ-С КСАЭ-ВИЭ была разработана ее силовая схема. Отличительной особенностью предложенного построения КСАЭ-ВИЭ является повышение напряжения до входного инверторного непосредственно от генерирующих модулей ВИЭ. Кроме того, работа на повышенном напряжении позволяет повысить общий КПД системы, снизив токовые потери. Отдельное ЗРУ с многостадийной (многоступенчатой) зарядкой обеспечивает правильную зарядку АБ и постоянный контроль ее состояния, что повышает срок ее эксплуатации. Стоит также отметить, что принятая система построения КСАЭ-ВИЭ позволяет реализовать в будущем, при экономической доступности суперконденсаторов, идею разделения системы накопления, так как она позволяет оптимально использовать качества накопителей: способность суперконденсатора выдерживать большое количество циклов заряда-разряда и АБ – длительно хранить электрическую энергию. Наличие такого силового буфера позволит увеличить срок службы АБ за счет сокращения количества зарядно-разрядных циклов.
На начальном этапе разработки таких систем возникает задача определения их оптимального состава и параметров. Оптимизационная задача решена с помощью разработанного программного комплекса состоящего из двух взаимосвязанных частей. Первая часть, реализованная в m-файле системы MATLAB, определяет предварительный (оптимальный) состав и параметры КСАЭ-ВИЭ, а также последующие варианты в порядке возрастания их стоимости. Вторая, реализованная в Simulink, моделирует работу КСАЭ-ВИЭ в течение всего расчетного периода и позволяет: проверить предварительные варианты и выявить окончательные оптимальные параметры, проанализировать ее функционирование, определить коэффициенты использования энергоустановок. На рис. 2 представлены графики, демонстрирующие процесс моделирования работы КСАЭ-ВИЭ.
Математическое описание оптимизационной задачи определяется целевой функцией, принимающей вид:
(1)
где 
, 
, 
, – удельная стоимость установленной мощности ФЭУ, ВЭУ и микро ГЭС соответственно, [руб./Вт];
– удельная стоимость установленной емкости АБ при напряжении 
, [В] за весь срок эксплуатации КСАЭ-ВИЭ, [руб./А·ч];
; 
; 
– соответствующие типоразмерному ряду оборудования установленные мощности ФЭУ, ВЭУ и микро ГЭС, соответственно, [Вт];
– установленные емкости АБ при напряжении 
, [Ач];
; 
; 
; 
– двоичные переменные соответствующие типоразмерному ряду ФЭУ, ВЭУ, микро ГЭС и АБ соответственно.
а) б)
Рис. 2 – Графики, характеризующие процесс моделирования:
а) графики, характеризующие (сверху вниз) приходящее солнечное излучение, скорость ветра, мощность водного потока; б) графики, характеризующие (сверху вниз) дефицит и профицит энергии без учета энергии АБ, энергию АБ, недостаток энергии, избыток энергии
Система ограничений представляет собой условия, обеспечивающие бесперебойное электроснабжение потребителя. Это уравнения энергетического баланса, составленные для среднего суточного часа каждого календарного месяца всего расчетного периода (года):
(2)
где 
; 
; 
– коэффициенты использования установленной мощности ФЭУ, ВЭУ и микро ГЭС, соответственно, за интервал времени 
;
– коэффициенты использования энергии АБ за интервал времени 
;
– коэффициент потерь в системе при преобразовании энергии;
– интервал времени, соответствующий i-ому суточному часу (i=1,2…24) j-ого месяца (j=1,2…12), 
ч;
– количество электрической энергии необходимое для гарантированного электроснабжения потребителя за интервал времени 
, [Вт·ч].
Особенностью предложенного подхода является наличие АБ в системе ограничений, множество ограничений составленных для среднего часа суток каждого месяца (i=24, j=12 12·24=288), комплексность решения задачи, заключающаяся в применении специального математического аппарата оптимизации, определяющего на основе усредненных значений предварительные варианты, и моделировании эксплуатации системы, уточняющей выходной результат. При этом моделирование и определение коэффициентов использования энергоустановок организовано на основе генерации потоков энергии ВИ согласно климатическим и географическим условиям эксплуатации, определяемым исходя из баз данных. В качестве, которых могут закладываться как данные справочника климата СССР, так и базы данных NASA.
Уравнения энергетического баланса (2) проверяются с учетом накопления (–
)
и генерации (+
) энергии АБ. При этом учитываются доступная емкость АБ, изменение емкости при разряде, допустимый зарядный ток, а также их КПД.
В качестве дополнительного элемента компенсации неравномерности выработки и потребления также может использоваться какой-либо управляемый источник энергии: биотопливная установка, ДГУ, БГУ или электрическая сеть. В таком случае предусматривается выбор АБ по другому принципу и при оптимизации они не рассматриваются, а моделирование определяет степень участия компенсирующего элемента в электроснабжении потребителя.
С целью оценки эффективности применения КСАЭ-ВИЭ для выбранной искомой комбинации ВИЭ на территории СНГ определены оптимальный состав и параметры системы для пяти географических точек: г. Сочи; г. Махачкала; г. Бишкек (быв. Фрунзе, Киргизия); с. Усть-Кокша (Алтай) и п. Южно-Курильск (Дальний Восток). Графическая интерпретация полученных результатов для выбранных точек показана на рис. 3. Полные результаты оптимизации вместе с рядом дополнительных исследований для литий-железо-фосфатных АБ представлены в табл. 1, 2. Первая таблица определяет оптимальный состав и параметры КСАЭ-ВИЭ, когда в качестве компенсирующего элемента используются АБ; вторая – когда в качестве дополнительного компенсирующего элемента используется управляемый источник или сеть. Исследования были проведены для двух типов АБ – свинцово-кислотных и литий-железо-фосфатных. В итоге, в рассматриваемых пяти точках суммарные затраты на основное оборудование при использовании литий-железо-фосфатных АБ оказались меньше более чем на 26 %, что в итоге выразилось в снижении себестоимости вырабатываемой системой электрической энергии до 20 % (в среднем на 17 %).
Рис. 3 – Результаты оптимизационных параметров КСАЭ-ВИЭ,
определенные для пяти выбранных географических точек
Оптимизация проведена для жилого сельскохозяйственного сектора: четырех сельских домов современной застройки площадью 300-360 м2 каждый с общим суточным потреблением 32,6 кВт·ч.
Варианты 1 - 5 в табл. 1 определяют оптимальный состав и параметры КСАЭ-ВИЭ необходимые для электроснабжения выбранных объектов в пяти рассматриваемых географических точках, соответственно. Показатели КСАЭ-ВИЭ, приведенные в скобках, характеризуют предварительно определенные данные, полученные согласно первому этапу оптимизации. Видно, что в результате второго этапа оптимизации (моделирования КСАЭ-ВИЭ) требуемые параметры существенно увеличились, а как следствие, и стоимость основного оборудования. Однако увеличение стоимости КСАЭ-ВИЭ возможно избежать, учитывая близкие к 1 коэффициенты покрытия нагрузки (Кпокр) и запас по энергии (Кизб[1] ), если предположить, что такое свойство разрабатываемой системы как согласование процессов потребления и производства электроэнергии позволит полностью компенсировать недостаток.
Табл. 1 – Результаты оптимизационного исследования КСАЭ-ВИЭ с использованием литий-железо-фасфатных АБ
| № вар. | Насел. пункт | Кисп.ФЭУ | Кисп.ВЭУ | РФЭУ, Вт | РВЭУ, Вт | Рмк.ГЭС, Вт | РАБ, А·ч | Кизб | Кпокр | Сум. стоим. оборудов. (ФЭУ, ВЭУ, микро ГЭС, АБ) тыс. руб. |
| 1 | г. С. | 0,172 | 0,106 | 2600 (1800) | 4000 | 1000 | 1800 (1600) | 1,20 (1,12) | 1 (0,993) | 1 765 (1 568) |
| 2 | г. М. | 0,165 | 0,432 | 0 | 3000 (5000) | 1000 | 1400 (400) | 1,58 (2,17) | 1 (0,96) | 1 156 (798) |
| 3 | г. Б. | 0,191 | 0,024 | 8200 (6700) | 0 | 1000 | 2400 (1900) | 1,62 (1,45) | 1 (0,995) | 2 316 (1 872) |
| 4 | с. У-К. | 0,183 | 0,142 | 700 (0) | 5000 | 1000 | 1500 (1100) | 1,19 (1,11) | 1 (0,995) | 1 489 (1 189) |
| 5 | п. Ю-К. | 0,156 | 0,429 | 0 | 2000 (3000) | 1000 | 1500 (700) | 1,20 (1,49) | 1 (0,984) | 1 112 (766) |
| 6 | с. У-К. | 0,183 | 0,142 | 2100 (2000) | 3000 (2000) | 1000 | 1200 (1100) | 1,16 (1,06) | 1 (0,997) | 1 276 (1 109) |
| 7 | с. У-К. | 0,183 | 0,142 | 2500 (2000) | 2000 (3000) | 1000 | 1300 (400) | 1,62 (1,45) | 1 (0,995) | 1 275 (818) |
| 8 | г. С. | 0,172 | – | 26900 (21300) | – | – | 4800 (3700) | 2,84 (2,26) | 1 (0,978) | 5 637 (4 408) |
| 9 | г. С. | – | 0,106 | – | 52000 (33000) | – | 4500 (1300) | 3,42 (2,23) | 1 (0,921) | 7 711 (4 025) |
| 10 | г. С. | 0,172 | 0,106 | 8400 (5800) | 7000 | – | 3400 (2300) | 1,33 (1,11) | 1 (0,947) | 3 521 (2 621) |
Результаты исследований комбинированного использования ВИЭ показывают ее эффективность. Энергия, вырабатываемая микро ГЭС, является наиболее дешевой из всех рассматриваемых, однако условно ограниченной характеристиками малого водотока генерируемой микро ГЭС энергии недостаточно и требуются дополнительные источники. В случае с г. Махачкала (г. М.) и п. Южно-Курильск (п. Ю-К.) таким источником является ВЭУ, в случае с г. Бишкек (г. Б.) ФЭУ. А в г. Сочи (г. С.) и с. Усть-Кокша (с. У-К.) оптимальными источниками с учетом микро ГЭС являются и ВЭУ и ФЭУ.
На оптимальную конфигурацию КСАЭ-ВИЭ существенно влияет также фактор сезонного распределения нагрузки. Так для с. Усть-Кокша (вариант 4 табл. 1), с учетом сезонных коэффициентов нагрузки оптимально, наряду с микро ГЭС, преобладание по мощности ВЭУ, что объясняется совпадением сезонного увеличения нагрузки и выработки ВЭУ. В случае, когда нагрузка по сезонам не измена (вариант 6) оптимальные мощности ВЭУ и ФЭУ сопоставимы. Под вариантом 7 представлены оптимизационные параметры, найденные для системы питающей потребителя, который характеризуется другим графиком нагрузки, но при том же объеме потребляемой энергии, без учета сезонного изменения нагрузки. И в этом случае результат оказался иным, указывая на необходимость учета и кратковременных неравномерностей потребления энергии, задаваемых суточными графиками нагрузки.
Дополнительно определены оптимальные параметры энергоустановок на основе ВИЭ при их одиночном использовании для г. Сочи (вариант 8 – ФЭУ, вариант 9 ВЭУ), а также при использовании комбинации ФЭУ с ВЭУ (вариант 10). В результате, самым дорогостоящим оказалось электроснабжение от ВЭУ, ощутимо меньше – от ФЭУ. Комбинация ФЭУ с ВЭУ позволяет снизить затраты на основное оборудование системы в 2,2 раза по сравнению с использованием исключительно ВЭУ и в 1,6 раз по сравнению с ФЭУ. Их совместное использование с микро ГЭС позволяет сократить расходы еще в 2 раза.
Наиболее экономично электроснабжение потребителей в г. Махачкала и п. Южно-Курильск. Причем, во втором случае, электроснабжение, несмотря на чуть меньший коэффициент использования ВЭУ – выгоднее, что указывает на лучшее соответствие временного распределения выработки ВЭУ и потребления.
В табл. 2 приведены оптимальный состав и параметры КСАЭ-ВИЭ для г. Сочи (вариант 1, 2) и п. Южно-Курильск (вариант 3, 4). Емкость АБ найдена исходя из условия покрытия не менее 85 % нагрузки за счет ВИЭ. В таком случае суммарная стоимость основного оборудования уменьшается более чем в 1,6 раза в сравнении с электроснабжением исключительно за счет ВИЭ. Обеспечив в свою очередь снижение себестоимости ЭЭ вырабатываемой системой еще на 23 % (максимум, в среднем 19 %) при использовании литий-железо-фосфатных АБ с ДГУ. В рассматриваемой таблице столбец объем компенсируемой электрической энергии, характеризует ее недостаток, который необходимо покрыть за счет дополнительного источника.
Табл. 2 – Результаты оптимизационного исследования КСАЭ-ВИЭ, когда совместно с литий-железо-фосфатными АБ используется элемент компенсации
| № вар. | Насел. пункт | Кисп.ФЭУ | Кисп.ВЭУ | РФЭУ, Вт | РВЭУ, Вт | Рмк.ГЭС, Вт | РАБ, А·ч | kпокр / kизб | Объем комп. Э.Э, кВтч | Сум. стоим. оборудов. (ФЭУ, ВЭУ, микро ГЭС, АБ), тыс. руб. |
| 1 | г. С. | 0,172 | 0,106 | 2100 | 3000 | 1000 | 500 | 0,86 / 1,22 | 1 722 | 885 |
| 2 | г. С. | 0,172 | 0,106 | 5800 | 7000 | – | 1500 | 0,85 / 1,20 | 1 781 | 2 175 |
| 3 | п. Ю-К. | 0,156 | 0,429 | 0 | 2000 | 1000 | 300 | 0,87 / 1,33 | 1 540 | 442 |
| 4 | п. Ю-К. | 0,156 | 0,429 | 0 | 5000 | – | 500 | 0,85 / 1,49 | 1 810 | 779 |
Проведенные исследования наглядно продемонстрировали существенное влияние на выбор оборудования множества положений. В частности необходимость учета коротких временных промежутков, определение оптимума не только в отдельности для энергоустановок на основе ВИЭ, но и совместно с АБ. Учет этих особенностей определяет значимость, и ценность предложенного подхода, основанного на генерации распределённых во времени потоков ВИЭ.
Модельные исследования эксплуатации КСАЭ-ВИЭ позволили также количественно оценить перспективность принятого схемного решения. Согласно полученным результатам оно позволяет сократить потери электрической энергии при преобразовании на примере пяти географических точек до 16 % (в среднем на 13 %), в сравнении с широко предлагаемыми на рынке системами, где напряжение вначале понижают до уровня АБ, а
затем повышают до входного уровня инвертора.
Для реализации основных и дополнительных, главным образом информационных функций КСАЭ-ВИЭ необходима специализированная АСУК. В предлагаемых на сегодняшний момент рынком установках подобного типа при построении АСУК применяется принцип децентрализованного управления. Управляющая система в них представляется в виде совокупности отдельных систем управления, что ограничивает их возможности. Поэтому принято решение взять за основу построения АСУК КСАЭ-ВИЭ централизованный принцип управления. Такой подход позволяет более эффективно решать задачу взаимодействия различного оборудования, реализовывать более глубокий контроль работы системы, обеспечить более точную диагностику ее узлов и элементов. А с учетом того, что АСУК реализована на платформе микропроцессорной техники, обеспечиваются большие возможности по унификации, модернизации и совершенствованию системы.
Разработанная АСУК КСАЭ-ВИЭ двухуровневая: первый (низший) контролирует и обеспечивает работоспособность отдельных элементов КСАЭ-ВИЭ; второй (высший) – всей системы в целом. Структурно АСУК КСАЭ-ВИЭ разделена на три подсистемы: управления, контроля и информационную.
В диссертации представлены наиболее важные алгоритмы АСУК, в частности, основной алгоритм управления КСАЭ-ВИЭ (рис. 4). Управляя инвертором, зарядным, разрядным и балластным устройством АСУК согласно алгоритму поддерживает равенство баланса в системе в каждый момент времени. Основным параметром контроля, определяющим баланс энергии в системе, является напряжение на буфере. Алгоритм осуществляет только операции «вкл»-«выкл» устройств, при этом каждое из устройств имеет свой локальный алгоритм управления. Он является замкнутым и определяет все основные рабочие режимы КСАЭ-ВИЭ. Прерваться он может либо по инициативе пользователя, либо по причине нештатных ситуаций (отказа оборудования), приостанавливающих цикл и запускающих диагностику КСАЭ-ВИЭ. Возникновение событий контролируется обработчиком событий.
С целью энергоэффективного потребления электрической энергии и предотвращения ситуаций нехватки энергии выработано решение – согласовывать процессы ее потребления и производства. Такой подход предопределил разделения электроприемников потребителя на 4 группы (категории), режим работы которых определяется исходя из количества накопленной энергии и величины ее выработки. Более того, используется прогнозирование выработки электрической энергии на предстоящий период времени, позволяющее планировать работу КСАЭ-ВИЭ и выбирать оптимальный режим электропотребления. Алгоритмы, реализующие данный подход, также представлены в этой главе.
При работе системы осуществляется постоянный ее контроль, для чего разработаны специальные таблицы, отражающие состояние системы (таблицы состояний), позволяющие легко распознать текущую ситуацию: общее состояние КСАЭ-ВИЭ, ее исправность, конфигурацию, режим работы, режим электропотребления, генерирующие электроэнергию модули ВИЭ, подключенные к КСАЭ-ВИЭ группы электроприемников потребителя (ГЭП), состояние инвертора.
Теоретические исследования процессов преобразования энергии в КСАЭ-ВИЭ, ее распределения и регулирования, а также алгоритмов управления системы проведены с помощью средств MATLAB – Simulink. Для этого разработаны электродинамические модели элементов КСАЭ-ВИЭ, реализованы алгоритмы управления, отвечающие как за работоспособность отдельных элементов, так и всей системы в целом. Силовая часть модели реализована согласно электрической схеме системы. Все представленные блоки модели, как и сама модель, являются оригинальными и созданы из блоков основной библиотеки пакета Simulink. Оценивается функционирование КСАЭ-ВИЭ при изменении основных условий ее эксплуатации: значения солнечного излучения; скорости ветра; емкости АБ и нагрузки.
Рис. 4 – Алгоритм АСУК «Баланс энергии»:
Uб(i) – напряжение буфера в i момент времени, [В]; kмб, kмб – коэффициенты, определяющие допустимое максимальное и минимальное Uб соответственно; Uб ном – номинальное напряжение буфера, [В]; CАБ(i) – емкость АБ в i момент времени, [А·ч]; САБ пол м – минимальное разрядное значение емкости АБ заданное пользователем, [А·ч]; САБ пол – максимальное зарядное значение емкости заданное пользователем, [А·ч]
Результаты проведенных исследований в установившемся состоянии функционирования электродинамической модели КСАЭ-ВИЭ (табл. 3) подтверждают обоснованность принятых научно-технических решений: элементы КСАЭ-ВИЭ и их алгоритмы управления во всех пяти основных режимах эксплуатации работоспособны.
Анализ переходных процессов (рис. 5, 6, 7) наглядно демонстрирует работоспособность отдельных элементов КСАЭ-ВИЭ и их локальных алгоритмов управления.
При запуске КСАЭ-ВИЭ соответствующий DC-DC преобразователь (СУ) МИП, подключенный к выводам ФЭУ, согласно алгоритму отбора мощности, постепенно подстраивает свое внутренне сопротивление таким образом, чтобы отобрать от него максимум мощности (рис 5а). В результате через промежуток времени 1,7 сек. после запуска, оптимальная точка мощности найдена и DC-DC преобразователь отбирает от ФЭУ максимум возможной мощности (1000 Вт) при заданных условиях. На рисунке показана также реакция МИП на резкое изменение солнечного излучения (момент времени 3,5 сек.) через интервал времени 0,1 сек. точка максима найдена.
Табл. 3. Результаты исследования электродинамической модели КСАЭ-ВИЭ
| Параметры | Элементы КСАЭ-ВИЭ | ||||||||||
| ФЭУ | ВЭУ | мкГЭС | МИП | И | ЗУ | РУ | АБ | БУ | |||
| Значения параметров оборудования в установившемся режиме | |||||||||||
| I. Исследование режима электроснабжения напрямую от энергоустановок ВИЭ | |||||||||||
| вкл-выкл | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 | ||
| Напряжение, В | 34 | 300 | 220 | 386 | 220 | – | – | – | – | ||
| Ток, А | 29,4 | 6,7 | 9,1 | 20,9 | – | – | – | – | |||
| Мощность, Вт | 1000 | 2000 | 2000 | 4600 | – | – | – | – | |||
| II. Исследование режима электроснабжения с профицитом энергии | |||||||||||
| вкл-выкл | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 0 | 0 | 0 | 1 | ||
| Напряжение, В | 34 | 300 | 220 | 380 | 220 | – | – | – | 170 | ||
| Ток, А | 29,4 | 6,7 | 9,1 | 9,1 | – | – | – | 14,7 | |||
| Мощность, Вт | 1000 | 2000 | 2000 | 2000 | – | – | – | 2500 | |||
| III. Исследование режима электроснабжения с аккумулированием энергии | |||||||||||
| вкл-выкл | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 0 | 1 | 0 | ||
| Напряжение, В | 32 | 300 | 220 | 380 | 220 | 380 | – | 223 | – | ||
| Ток, А | 15,6 | 6,7 | 9,1 | 9,1 | – | 9,2 | – | ||||
| Мощность, Вт | 500 | 2000 | 2000 | 2000 | – | 2050 | – | ||||
| IV. Исследование режима электроснабжения с использованием энергии накопителя | |||||||||||
| вкл-выкл | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 0 | 1 | 1 | 0 | ||
| Напряжение, В | 34 | 270 | 220 | 380 | 220 | – | 380 | 225 | – | ||
| Ток, А | 29,4 | 3,7 | 9,1 | 22,7 | – | 6,3 | – | ||||
| Мощность, Вт | 1000 | 1000 | 2000 | 5000 | – | 1425 | – | ||||
| V. Исследование режима аккумулирования энергии в накопителе | |||||||||||
| вкл-выкл | 1 | 1 | 1 | 1 | 0 | 1 | 0 | 1 | 0 | ||
| Напряжение, В | 34 | 0 | 220 | 380 | – | 380 | – | 224 | – | ||
| Ток, А | 29,4 | 0 | 9,1 | – | – | 11,8 | – | ||||
| Мощность, Вт | 1000 | 0 | 2000 | – | – | 2650 | – | ||||
DC-DC преобразователь, подключаемый к выводам ВЭУ, также отбирает максимум мощности, но он не ищет точку максима, а определяет ее на основе текущей скорости ветра и характеристики ветротурбины. В результате, через промежуток времени 2,8 сек (рис. 5б), он начинает отбирать от ВЭУ максимум возможной мощности – 2000 Вт. Его реакция адекватна и на изменение скорости ветра (момент времени 3,5 сек.) через интервал времени 0,3 сек. отбирается возможный максим генерируемой ВЭУ мощности.
а) б)
Рис. 5 – Графики, характеризующие работу части МИП,
подключенной к выводам: а) ФЭУ; б) ВЭУ
DC-DC преобразователь, подключаемый к микро ГЭС, отбирает от нее мощность за счет коррекции коэффициента мощности. Отбираемый ток подстраивается под синусоиду напряжения, обеспечивая близкий к единице коэффициент мощности. Переходный процесс длится около 3 сек. (рис. 6а), после чего напряжение и ток стабилизируются.
а) б)
Рис. 6 – Графики, характеризующие работу:
а) части МИП, подключенной к выводам микро ГЭС; б) инвертора
В результате работы МИП на его выходе, т.е. на клеммах буфера, суммируется энергия от всех энергоустановок на основе ВИЭ. По мере накопления заряда в конденсаторе, напряжение постепенно повышается (рис. 7 верхний график). При превышении напряжения на буфере 380 В (пунктирная линия) включается инвертор (момент времени 2,3 сек.), обеспечивающий синусоидальное напряжение на своих выводах (рис. 6б).
Инвертор обеспечивает потребителя электроэнергией надлежащего качества, определяет текущее изменение нагрузки и поддерживает его выходное напряжение на должном уровне. В частности, при уменьшении нагрузки (момент времени 3,5 сек), система управления инвертором изменяет коэффициенты заполнения ключей ШИП, стабилизируя напряжение на уровне.
а) б)
Рис. 7 – Графики, характеризующие работу: а) ЗУ; б) РУ
При избытке ЭЭ напряжение на буфере повышается, и при достижении заданного уровня АСУК включает ЗУ, в результате функционирования которого напряжение на буфере снижается до номинального уровня (рис. 7a верхний график, момент времени 5,7 сек). ЗУ использует для заряда АБ весь излишек ЭЭ, поддерживая напряжения буфера на должном уровне (рис. 7а).
В случае возникновении недостатка ЭЭ, напряжение на буфере понижается, и при достижении заданного уровня АСУК включает РУ, в результате напряжение на буфере увеличивается до номинального уровня (рис. 7б верхний график, момент времени 6,4 сек). Отбирая накопленную АБ энергию, РУ компенсирует весь возникающий недостаток ЭЭ, поддерживая напряжения буфера на должном уровне (рис. 7б).
В третьей главе «физическая модель комбинированной системы автономного электроснабжения на основе ВИЭ» приводятся описание физической модели энергоустановки, а также результаты экспериментальных исследований функционирования системы, подтверждающие обоснованность теоретических положений.
Конструктивно физическая модель выполнена на базе телекоммуникационного напольного шкафа (рис. 8), что обеспечивает доступность к приборным панелям, наглядность, а также мобильность установки. На шести перфорированных полках шкафа устанавливаются следующие элементы модели КСАЭ-ВИЭ (сверху-вниз): регулируемая резисторная нагрузка, имитирующая потребителя; имитатор ФЭУ (ИФЭУ); имитатор ВЭУ (ИВЭУ); имитатор микро ГЭС (ИмкГЭС); элементы АСУК, МИП, буферный накопитель, балластное устройство; элементы АСУК, ЗРУ, АБ, инвертор (И).
Исследования физической модели КСАЭ-ВИЭ были проведены по схожей с электродинамической моделью программе. Экспериментальные результаты исследований физической модели (см. табл. 3) с учетом масштабируемости (1:10) аналогичны теоретическим (табл. 4), что подтверждает обоснованность и перспективность принятых научно-технических решений для создания КСАЭ на основе трех ВИЭ: солнца, ветра и малого водотока. Кроме того, принятые схемные решения позволяют использовать в составе системы дополнительные источники энергии как на основе ВИЭ, так и традиционные ДГУ, БГУ.
В главе также представлена система мониторинга электрических параметров энергоустановок, использующих ВИЭ. Она разрабатывалась совместно с КСАЭ-ВИЭ и предназначена для получения ряда экспериментальных данных реально используемых энергоустановок с целью проведения дополнительных исследований по модернизации и совершенствованию разработок связанных с КСАЭ-ВИЭ. Кроме того, система мониторинга широко используется для учебных целей в целом ряде образовательных учреждений РФ. Система запатентована в составе мультимедийного учебно-методического комплекса с применением космических технологий.
Рисунок 8 – Физическая модель КСАЭ-ВИЭ:
вид сзади (слева), вид спереди (в середине и справа)
Табл. 4. Результаты исследования физической модели КСАЭ-ВИЭ
| Параметры | Элементы КСАЭ-ВИЭ | ||||||||||
| ИФЭУ | ИВЭУ | ИмкГЭС | МИП | И | ЗУ | РУ | АБ | БУ | |||
| Значения параметров оборудования в установившемся режиме | |||||||||||
| I. Исследование режима электроснабжения напрямую от энергоустановок ВИЭ | |||||||||||
| вкл-выкл | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 | ||
| Напряжение, В | 35 | 220 | 220 | 387 | 220 | – | – | – | – | ||
| Ток, А | 2,86 | 0,91 | 0,91 | 2,05 | – | – | – | – | |||
| Мощность, Вт | 100 | 200 | 200 | 450 | – | – | – | – | |||
| II. Исследование режима электроснабжения с профицитом энергии | |||||||||||
| вкл-выкл | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 0 | 0 | 0 | 1 | ||
| Напряжение, В | 35 | 220 | 220 | 380 | 220 | – | – | – | 155 | ||
| Ток, А | 2,86 | 0,91 | 0,91 | 0,91 | – | – | – | 1,55 | |||
| Мощность, Вт | 100 | 200 | 200 | 200 | – | – | – | 240 | |||
| III. Исследование режима электроснабжения с аккумулированием энергии | |||||||||||
| вкл-выкл | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 0 | 1 | 0 | ||
| Напряжение, В | 32 | 220 | 220 | 380 | 220 | 380 | – | 218 | – | ||
| Ток, А | 1,65 | 0,91 | 0,91 | 1,59 | – | 0,23 | – | ||||
| Мощность, Вт | 50 | 200 | 200 | 350 | – | 50 | – | ||||
| IV. Исследование режима электроснабжения с использованием энергии накопителя | |||||||||||
| вкл-выкл | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 0 | 1 | 1 | 0 | ||
| Напряжение, В | 35 | 220 | 220 | 380 | 220 | – | 380 | 223 | – | ||
| Ток, А | 2,86 | 0,45 | 0,91 | 1,59 | – | 0,61 | – | ||||
| Мощность, Вт | 100 | 100 | 200 | 500 | – | 136 | – | ||||
| V. Исследование режима аккумулирования энергии в накопителе | |||||||||||
| вкл-выкл | 1 | 1 | 1 | 1 | 0 | 1 | 0 | 1 | 0 | ||
| Напряжение, В | 30 | 220 | 0 | 380 | – | 380 | – | 213 | – | ||
| Ток, А | 1 | 0,14 | 0 | – | – | 0,21 | – | ||||
| Мощность, Вт | 30 | 30 | 0 | – | – | 45 | – | ||||
Четвертая глава «перспективные области применения комбинированных систем автономного электроснабжения на основе ВИЭ» посвящена описанию возможных областей использования предложенной установки, а также оценке экономической эффективности применения КСАЭ-ВИЭ.
Рассмотрены такие сферы применения подобных систем как автономное и резервное электроснабжение, а также перспективы использования совместно с централизованным электроснабжением. Выявлены актуальные направления с/х использования КСАЭ-ВИЭ.
Кроме того, потенциал КСАЭ-ВИЭ позволяющий использовать в системе любые ВИЭ, в частности «управляемые» – биоустановки, а также ДГУ, позволят расширить применяемость таких систем осуществлением электроснабжения особо ответственных потребителей.
Важной сферой применения результатов проведенной работы является использование физической модели в качестве лабораторно-исследовательского оборудования в учебном процессе научно-образовательных учреждений страны.
В главе проведена оценка экономической эффективности использования КСАЭ-ВИЭ при электроснабжении жилого сельскохозяйственного сектора, для ранее определенных оптимальных вариантов (табл. 5, 6).
Табл. 5. Показатели экономической эффективности различных вариантов КСАЭ-ВИЭ с использованием литий-железо-фасфатных АБ
| № вар. | Насел. пункт | Экономический показатель | Начальная цена, руб./кВт·ч | Себест. ЭЭ, руб./кВт·ч | |||||
| ЧД, тыс.руб. | ТОК.П, Лет | ЧДД, тыс.руб. | ТОК.Д, лет | ВНД, о.е. | ИДДИ, о.е. | ||||
| 1 | г. С. | 5 182 (3 709) | 6,4 (7,3) | 877 (458) | 11,6 (14,1) | 16,6 (14,0) | 1,55 (1,32) | 15,5 (12) | 10,40 (9,34) |
| 2 | г. М. | 3 000 (2 895) | 6,7 (6,7) | 447 (474) | 12,8 (11,7) | 15,4 (16,1) | 1,41 (1,54) | 9,5 (8,5) | 6,90 (5,75) |
| 3 | г. Б. | 6,731 (5 061) | 6,3 (6,7) | 1 163 (786) | 11,4 (12,4) | 16,9 (15,7) | 1,57 (1,47) | 20 (15,5) | 13,24 (10,93) |
| 4 | с. У-К. | 4 044 (3 176) | 6,8 (7,1) | 608 (434) | 12,6 (13,3) | 15,4 (14,6) | 1,44 (1,38) | 12,5 (10) | 8,97 (7,48) |
| 5 | п. Ю-К. | 3 067 (2 473) | 6,2 (6,5) | 518 (401) | 11,9 (12,0) | 16,7 (16,1) | 1,51 (1,50) | 9,5 (7,5) | 6,49 (5,17) |
Данные табл. 5 получены с целью оценки экономической эффективности использования КСАЭ-ВИЭ с применением литий-железо-фосфатных АБ при начальной цене на электроэнергию равной той, что была принята при использовании свинцово-кислотных АБ. Она в свою очередь была получена исходя из срока окупаемости близкого к 15 годам. Показатели приведены также для систем, параметры которых получены на первом этапе решения оптимизационной задачи (данные в скобках). Они позволяют оценить их экономически в случае реализации системы с функцией согласования процесса производства и потребления энергии.
Самая низкая себестоимость КСАЭ-ВИЭ получилась для варианта 5 (г. Южно-Курильск) – 6,5 руб./кВт·ч, экономические показатели которого оказались следующими: чистый доход (ЧД) – 3 067 тыс.руб., чистый дисконтированный доход (ЧДД) – 518 тыс.руб., простой срок окупаемости (ТОК.П) – 6,2 года, дисконтированный срок окупаемости (ТОК.Д) – 11,9 года, внутренняя норма доходности (ВНД) – 16,7, индекс доходности дисконтированных инвестиций (ИДДИ) – 1,51. Немного дороже себестоимость оказалась для варианта 2 (г. Махачкала) – 6,9 руб./кВт·ч. Цены на электроэнергию выглядят вполне благоприятными, учитывая, что КСАЭ-ВИЭ будет эксплуатироваться в труднодоступных горных районах, куда завоз топлива затруднителен. Дополнительные экономические исследования, приведенные в диссертации, также указывают на то, что стоит задуматься о возможности эффективного использования КСАЭ-ВИЭ на основе только ФЭУ и ВЭУ в труднодоступных точках нашей страны, где цены на электроэнергию достигают 30-70 руб./кВт·ч.
В табл. 6 представлены показатели экономической эффективности использования КСАЭ-ВИЭ с дополнительным компенсирующим элементом, в качестве которого выбрана ДГУ. Как было отмечено выше результаты расчетов говорят о возможности существенного снижения себестоимости электрической энергии при покрытии значительной части нагрузки от ВИЭ (более 85 %) и обеспечении гарантированного электроснабжения потребителя.
Табл. 6. Показатели экономической эффективности различных вариантов КСАЭ-ВИЭ с использованием литий-железо-фасфатных АБ и ДГУ
| № вар. | Насел. пункт | Экономический показатель | Начальная цена, руб./кВт·ч | Себест. ЭЭ, руб./кВт·ч | |||||
| ЧД, тыс.руб. | ТОК.П, лет | ЧДД, тыс.руб. | ТОК.Д, лет | ВНД, о.е. | ИДДИ, о.е. | ||||
| 1 | г. С. | 5 358 | 5,1 | 1 222 | 7,0 | 22,1 | 2,14 | 15,5 | 8,40 |
| 2 | г. С. | 10 400 | 5,3 | 2 311 | 7,4 | 20,9 | 2,07 | 29 | 15,57 |
| 3 | п. Ю-К. | 3 096 | 5,1 | 695 | 7,1 | 21,7 | 2,07 | 9,5 | 5,46 |
| 4 | п. Ю-К. | 2 595 | 7,4 | 335 | 13,6 | 14,2 | 1,36 | 9,5 | 7,55 |
Для сравнительной оценки рассчитана себестоимость электрической энергии при осуществлении автономного электроснабжения за счет инверторной системы с ДГУ и АБ получившаяся равной 6,7 руб/кВт·ч. Таким образом, применение КСАЭ-ВИЭ оказалось в ряде случае сопоставимым с традиционным обеспечением электроснабжения потребителя, что с учетом экологических факторов определяет преимущество подобного рода систем.
Результаты проведенных в рамках диссертационной работы исследований подтверждают перспективность создания эффективной КСАЭ-ВИЭ, отвечающей требованиям современной энергетики. Современная компонентная база и централизованная АСУК позволяют, помимо качественного осуществления основных функций системы, реализовать новые, преимущественно информационные, существенно расширяющие их возможности. Наличие элементов сопряжения и взаимодействия с другими системами управления энергетических объектов позволяют системам электроснабжения, использующим ВИЭ, в будущем стать основополагающей частью малой распределенной энергетики. В некоторых районах страны это уже не перспектива, а необходимость, как показали исследования при должном подходе, их использование может быть экономически обоснованным.
Электроснабжение осуществимо исключительно за счет ВИЭ, при этом для повышения надежности следует реализовывать функцию согласования процессов производства и потребления электрической энергии. При необходимости электроснабжения ответственных потребителей может быть использована КСАЭ-ВИЭ с ДГУ, которая в перспективе должна быть заменена на биотопливную установку, как только на рынке появятся подобные установки малых мощностей (единицы и десятки кВт), полностью укомплектованные для производства электрической энергии.
Основные выводы
- Разработана методика и программный комплекс, определяющий оптимальный состав и параметры КСАЭ-ВИЭ с учетом реальных климатических условий эксплуатации, характеристик используемого оборудования, а также особенностей потребителя, включая ожидаемые переменные графики потребления энергии. Критерием оптимальности является экономичность электроснабжения потребителя.
- Проведены оптимизационные исследования применения КСАЭ-ВИЭ на примере пяти географических точек: г. Сочи; г. Махачкала; г. Бишкек (быв. Фрунзе, Киргизия); с. Усть-Кокша (Алтай), п. Южно-Курильск (Дальний Восток), определившие влияние множества факторов и особенностей на выходной результат, в том числе необходимость рассмотрения коротких временных промежутков и поиска оптимума энергоустановок на основе ВИЭ совместно с АБ, а также целесообразность комплексного использования ВИЭ. Применение современных литий-железо-фосфатных АБ (LiFePO4) вместо традиционных для энергетики свинцово-кислотных АБ, позволяет снизить себестоимость электрической энергии до 20 % (в среднем на 17 %). Использование же дополнительного источника компенсации (ДГУ) позволяет снизить себестоимость электрической энергии еще на 23 % (максимум, в среднем на 19 %) при покрытии значительной части нагрузки за счет ВИЭ (более 85 %).
- Разработана структурная функциональная схема КСАЭ-ВИЭ, дающая общее представление о принципе ее работы и устройстве. На ее основе разработана силовая схема системы, позволяющая осуществить эффективное преобразование энергии, ее суммирование, накопление, распределение и регулирование. Результаты теоретического моделирования эксплуатации КСАЭ-ВИЭ на примере пяти географических точек показали, что принятое схемное построение позволяет сократить потери электрической энергии при преобразовании до 16 % (в среднем на 13 %), в сравнении с решениями, применяемыми на практике (предлагаемые рынком).
- Разработаны алгоритмы управления как отдельных элементов КСАЭ-ВИЭ, так и всей системы в целом, определяющие двухуровневое устройство АСУК в рамках централизованного принципа построения. Оригинальными разработками являются алгоритм «Баланс энергии», отвечающий за поддержание энергетического баланса в системе и алгоритмы осуществляющие функцию согласования процесса производства и потребления энергии – «Прогнозная оценка» и «Управления ГЭП».
- В среде MATLAB-Simulink создана электродинамическая (математическая) модель КСАЭ-ВИЭ, с реализованными алгоритмами управления установки – базовой основой системы управления. Проведены экспериментальные исследования функционирования КСАЭ-ВИЭ, подтвердившие достоверность принятых теоретических положений.
- Создана физическая модель КСАЭ-ВИЭ, имитирующая работу солнечного преобразователя, ветрового преобразователя, микро ГЭС, аккумуляторов, элементов силовой электроники, АСУК, а также потребителя. С ее помощью проведены практические исследования функционирования КСАЭ-ВИЭ, подтвердившие достоверность принятых научно-технических решений.
- Создана система мониторинга электрических параметров энергоустановок, использующих ВИЭ, предназначенная для получения ряда экспериментальных данных реально используемого оборудования.
- Проведена экономическая оценка использования КСАЭ-ВИЭ для ранее определенных оптимальных вариантов электроснабжения жилого сельскохозяйственного сектора, определившая перспективность их использования. Себестоимость электрической энергии для г. Южно-Курильск и г. Махачкала равна 6,5 руб./кВт·ч и 6,9 руб./кВт·ч, соответственно, что сопоставимо с традиционным способом автономного электроснабжения (6,7 руб./кВт·ч). Эксплуатация системы в труднодоступных районах, где себестоимость электрической энергии достигает 30-70 руб./кВт·ч, оказалась рентабельна для всех рассмотренных случаев, даже при использовании ФЭУ и ВЭУ без микро ГЭС.
Основные результаты диссертации изложены в следующих работах:
- Симакин В.В., Смирнов А.В., Тихонов А.В., Тюхов И.И. Современные системы автономного электроснабжения с использованием возобновляемых источников энергии // Энергетик. 2013. № 3. С. 22-26.
- Симакин В.В., Смирнов А.В., Тихонов А.В., Тюхов И.И. Оптимизация комбинированной системы автономного электроснабжения сельхозтоваропроизводителей // Механизация и электрификация сельского хозяйства. 2011. № 3. С. 23-25.
- Тюхов И.И., Кузнецов К.В., Тихонов А.В., Симакин В.В., Учебно-исследовательские стенды по ВИЭ – инвестиции в будущее // Техника в сельском хозяйстве. 2010. № 2. С. 15-17.
- Vignola F., Miklavzina S., Daniels S., Toamina M., Thorin S., Tyukhov I., Tikhonov A. Energizing the next generation with photovoltaics // 39th ASES National Solar Conference 2010, SOLAR 2010. Phoenix, Arizona, USA, 2010. № 5. P. 3305-3324.
- Tyukhov I., Schakhramanyan M., Strebkov D., Tikhonov A., Vignola F. Modelling of solar irradiance using satellite images and direct terrestrial measurements with PV modules // Proceedings of SPIE, the International Society for Optical Engineering. Optical Modeling and Measurements for Solar Energy Systems III. v 7410. San Diego, California, USA, 2009. art.no. 741005.
- Патент РФ на полезную модель № 103419. Мультимедийный учебно-методический комплекс с применением космических технологий / Шахраманьян М.А., Юферев Л.Ю., Тюхов И.И., Прошкин Ю.А., Тихонов А.В. // Бюл. 2011, №10.
- Космические образовательные технологии: инвестиции в будущее (теория и практика) / под. ред. М.А. Шахраманьяна, И.И. Тюхова, Н.С. Вощенковой. – Калуга: Институт повышения квалификации работников образования, 2009. 776 с.
- Тихонов А.В. Диагностирование солнечных элементов и модулей // Методы и средства технической диагностики: сборник научных статей. Мар.гос.ун-т. Йошкар-Ола, 2008. С. 224-227.
- Тихонов А.В., Тюхов И.И. Система измерения вольт-амперной характеристики солнечных элементов и модулей // Возобновляемые источники энергии: материалы научной молодежной школы с международным участием / под общей ред. А.А. Соловьева. М., 2008. Ч.2. С. 90-95.
- Тюхов И.И., Тихонов П.В., Тихонов А.В. Состояние и перспективы когенерационных фотоэлектрических-тепловых систем // Электроэнергетика в сельском хозяйстве: сборник трудов МНПК. Новосибирск, 2009. С. 268-273.
- Технологии возобновляемой (солнечной) энергетики: мультимедийный учебно-методический комплекс по физике для повышения квалификации педагогического состава московских учреждений общего образования. / Тихонов А.В., Тюхов И.И., Юферев Л.Ю., Шахраманьян М.А.. М.: НПО «СОДИС», 2009. 68 с. Интернет версия: http://www.int-edu.ru/kosm/pic/solar.pdf.
- Симакин В.В., Тюхов И.И., Тихонов А.В. Система автоматического измерения вольт-амперных характеристик и мониторинга фотоэлектрических преобразователей и модулей // Образовательные, научные и инженерные приложения в среде LabVIEW и технологии National Instruments – 2009. Восьмая международная научно-практическая конференция: сборник трудов конференции. Российский университет дружбы народов. М., 2009. С. 307-309.
- Симакин В.В., Тюхов И.И. Тихонов А.В., Тихонов П.В., Таныгин В.В. Учебно-лабораторные стенды для исследований комбинированного использования возобновляемых источников энергии // Ориентированные фундаментальные исследования – от современной науки к технике будущего: сборник научных трудов и инженерных разработок. Эксподизайн-Холдинг / под ред. Член-корр. РАН Б.В. Гусева. М., 2009.
- Шахраманьян М.А., Тюхов И.И., Юферев Л.Ю., Рощин О.А., Тихонов А.В. Применение космических технологий в школьном образовании // Ориентированные фундаментальные исследования – от современной науки к технике будущего: сборник научных трудов и инженерных разработок. Эксподизайн-Холдинг / под ред. Член-корр. РАН Б.В. Гусева. М., 2009.
- Нургалиев М.А., Тихонов А.В., Тюхов И.И., Шахраманьян И.С. Космические образовательные технологии: инвестиции в будущее // Труды 7-й Международной научно-технической конференции ГНУ ВИЭСХ. Часть 1: Проблемы энергообеспечения и энергосбережения. М., 2010. С. 406-411.
- Libra M., Poulek V., Simakin V., Tikhonov A., Tyukhov I. Solar energy education for sustainable future: practical projects // The proceeding 5th INTERNATIONAL WORKSHOP ON TEACHING IN PHOTOVOLTAICS. Czech Technical University in Prague. Prague, 2010. P. 98-103.
- Симакин В.В., Тюхов И.И., Тихонов А.В. Возможности моделирования комбинированных систем автономного электроснабжения на базе возобновляемых источников энергии // Автоматизация и информационное обеспечение производственных процессов в сельском хозяйстве: материалы XI международной научно-практической конференции. Углич, 2010. С. 574-580.
- Симакин В.В., Тюхов И.И., Тихонов А.В. Математическое моделирование в среде Matlab-Simulink для проектирования комбинированных систем автономного электроснабжения на базе возобновляемых источников энергии // Актуальные проблемы освоения возобновляемых энергоресурсов: материалы III школы молодых ученых им. Э.Э. Шпильрайна. Махачкала, 2010. С 215-221.
- Смирнов А.В., Тихонов А.В., Тюхов С.И. Технология SMART GRID в наземной солнечной энергетике // Возобновляемые источники энергии: материалы седьмой всероссийской научной молодежной школы с международным участием. М., 2010. С 305-308.
- Интеграция возобновляемых источников энергии и бионический подход при проектировании и в строительстве // Возобновляемые источники энергии: материалы седьмой всероссийской научной молодежной школы с международным участием. М., 2010. С 343-346.
[1] Коэффициент, характеризующий избыток электрической энергии, возникающий при осуществлении электроснабжения потребителя.
