ИМИТАЦИОННАЯ МОДЕЛЬ ФОТОДИЗЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ С ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫМ УПРАВЛЕНИЕМ В MATLAB/SIMULINK
←
→
Транскрипция содержимого страницы
Если ваш браузер не отображает страницу правильно, пожалуйста, читайте содержимое страницы ниже
УДК 621.311.001.57 Б. В. ЛУКУТИН
DOI: 10.25206/1813-8225-2021-178-52-62
Д. И. МУРАВЬЕВ
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 4 (178) 2021
Национальный исследовательский
Томский политехнический университет,
г. Томск
ИМИТАЦИОННАЯ МОДЕЛЬ
ФОТОДИЗЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ
ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ
С ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫМ
УПРАВЛЕНИЕМ В MATLAB/SIMULINK
Рассмотрена имитационная модель автономной фотодизельной системы элек-
троснабжения (ФДЭС) на постоянном токе. Модель ФДЭС, реализованная
в блочном приложении Simulink программного комплекса Matlab, содержит:
фотоэлектрическую станцию (ФЭС), дизель-генераторную установку (ДГУ),
систему накопления электрической энергии (СНЭЭ), децентрализованный по-
требитель, а также вспомогательные преобразовательные устройства. ФДЭС-
модель позволяет производить анализ энергетического баланса между ге-
нерацией, потреблением и доступным энергетическим обменом от СНЭЭ
в сопряжении на шине постоянного тока (ШПТ). С помощью предлагаемой
модели возможен анализ и оптимизация технико-экономических показателей
ФДЭС на постоянном токе с приоритетом генерации ФЭС, что обеспечива-
ет: уменьшение потребления дизельного топлива и карбонизации воздуха,
снижение стоимости 1 кВт•ч электроэнергии для децентрализованного по-
требителя, разработку алгоритмов интеллектуального управления составом
и режимами электротехнического комплекса. Полученные технико-эконо-
мические показатели ФДЭС на постоянном токе превосходят аналогичные
системы на переменном токе за счет возможности увеличения вклада ФЭС
в энергетический баланс автономной системы электроснабжения. В результате
численных экспериментов с изменяющимися входными условиями: годовыми
изменениями инсоляции и температуры на различных широтах, авторами обо-
снованы технические, экономические, экологические критерии эффективности
принятия решений и рекомендации по проектированию и эксплуатации ФДЭС
на постоянном токе. Разработаны интеллектуальные алгоритмы эффективно-
го управления ФДЭС на постоянном токе.
Ключевые слова: фотодизельные системы электроснабжения, системы посто-
янного тока, фотоэлектрические станции, системы накопления электрической
энергии, возобновляемые источники энергии, интеллектуальное управление.
Введение. Тренд на «энергетический переход» плению энергетической безопасности многих госу-
[1] и интеллектуальное управление электроэнер- дарств.
гетическими системами (ЭЭС) сегодня весьма ак- Кроме классической в своём понимании ЭЭС,
туален, так как создание устойчивой к внешнеэ- существует так называемая малая энергетика —
кономическим возмущающим фактором отрасли автономные ЭЭС. По данным Минэнерго России
— приоритетная задача для стран-лидеров энерге- из 50 тыс. электростанций, находящихся на терри-
тического сектора. Примером подобного негатив- тории Российской Федерации, 49 тыс. относятся
ного воздействия является сокращение глобального к объектам автономных ЭЭС. Их суммарная уста-
потребления электроэнергии на 3,8 % в 2020 году новленная мощность равна 17 ГВт, а годовая вы-
из-за мировой пандемии COVID-19. Данное сни- работка электроэнергии составляет 50 млрд кВт∙ч.
жение является прецедентным в мировой истории, [4]. Основной генерирующей установкой автоном-
где последствия Второй мировой войны и мирово- ной ЭЭС является дизель-генераторная установка
го финансового экономического кризиса 2008 года (ДГУ). Такой способ производства электроэнергии
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
значительно ниже [2]. применяется в децентрализованных районах, где
Другой мировой проблемой энергетики являет- отсутствует возможность подключения потребите-
ся корреляция неизбежно возрастающего уровня лей к централизованной системе электроснабже-
потребления электроэнергии с выбросами углекис- ния. Как правило, установленная мощность децен-
52 лого газа в атмосферу [3]. Именно эти глобальные трализованных потребителей невелика и составляет
проблемы вызывают активные дискуссии по укре- десятки — сотни кВт.
В настоящее время, для улучшения технико-
экономических показателей автономных дизель-
ных ЭЭС, в их состав интегрируют установки во-
зобновляемой энергетики. Полученные гибридные
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 4 (178) 2021
системы электроснабжения являются технически
стабильными, а также экономически обоснованны-
ми. Однако они адаптированы под определённый
алгоритм работы, ограничивающий возможности
расширения их функционала и наращивания мощ-
ностей за счёт увеличения доли возобновляемого
энергоносителя [5]. Такая ситуация обусловлена
тем, что параметры генерируемой электроэнергии
установками возобновляемой энергетики суще-
ственно различаются по основным техническим по-
казателям: род тока, частота и величина выходного
напряжения. Соответственно, это вносит ряд огра-
ничений в режим работы установок возобновляе-
мой энергетики, связанных с автономной системой Рис. 1. Блок-схема фотодизельной системы
электроснабжения через сетевые инверторы [6]. электроснабжения на постоянном токе
Исходя из последних научных исследований,
опыта эксплуатации, а также формирующейся
правовой платформы отечественных и активно требований к ФДЭС на постоянном токе. Блочная
эксплуатируемых зарубежных гибридных объек- схема предлагаемой гибридной системы электро-
тов малой энергетики [7–9], авторы прогнозируют снабжения изображена на рис. 1.
развитие автономных ФДЭС на постоянном токе. Структура ФДЭС-модели на постоянном токе
Отличительной особенностью подобных ФДЭС основана на реализации баланса мощности в ав-
на постоянном токе должны стать адаптивные ал- тономной ФДЭС с учётом обеспечения энергоэф-
горитмы интеллектуального управления режимами фективного использования ДГУ и приоритетного
взаимодействия генерирующих и аккумулирующих использования ФЭС с помощью команд управля-
энергообъектов в зависимости от их внутреннего ющей логики генерирующих установок. В состав
состояния, внешних условий и уровня электро- ФДЭС-модели входят: ФЭС, ДГУ, СНЭЭ, децентра-
потребления. Оценка эффекта от внедрения ин- лизованный потребитель, а также вспомогательные
теллектуальных алгоритмов должна основываться преобразовательные устройства. В качестве узла
на существенном снижении выработки электро- сопряжения выступает ШПТ, номинальное напря-
энергии ДЭС в пользу источников возобновляемой жение которой стабилизируется на уровне 500 В.
энергии (ВИЭ). Вследствие этого наиболее значи- Основные задачи для системы интеллектуально-
мым системным экономическим эффектом явля- го управления ФДЭС на постоянном токе можно
ется снижение топливных издержек, а экологиче- сформулировать следующим образом:
ский эффект проявляется от снижения выбросов 1. Для ДГУ: стабилизация напряжения на ШПТ
углекислых газов. Как заключают авторы работ (обеспечение его работы в режиме источника на-
[10–12], эффективность таких ФДЭС может быть пряжения), минимизация времени его работы, обе-
обеспечена, во многом, благодаря эффективности спечение рациональной загрузки.
энергопреобразований, современным средствам оп- 2. Для ФЭС: отбор максимальной мощности
тимизации состава энергетического оборудования от фотоэлектрических модулей с учётом инсоляции
и управления рассматриваемых автономных систем и температуры с помощью МРРТ (от англ. Maximum
электроснабжения. Power Point Tracking — MPPT) технологий, обеспе-
Таким образом, существующая потребность чивающих работу ФЭС в режиме источника тока.
в увеличении объёмов производства электроэнер- 3. Для СНЭЭ: обеспечение контролируемых ре-
гии путём интеллектуального развития ЭЭС и ис- жимов заряда-разряда для оптимизации эксплуата-
пользования новых энергоисточников при сниже- ционных характеристик аккумуляторов и режимов
нии уровня вредных выбросов в атмосферу, а также работы автономной энергосистемы.
уменьшении воздействия внешнеэкономических 4. Децентрализованный потребитель должен
факторов на отрасль — актуальная проблема для быть обеспечен бесперебойной подачей электро-
инженерных исследований и научных изысканий. энергии на переменном токе необходимого каче-
Основой для решения комплекса этих научно-тех- ства. Для этого в модели используется гибридный
нических задач может являться создание имитаци- инвертор напряжения с фильтром.
онных моделей гибридных ЭЭС с интеллектуаль- Исходя из сформулированных задач для каждо-
ными алгоритмами управления генерирующими го из компонентов ФДЭС-модели, для максимально
источниками в широко известных программных полного использования ресурсов возобновляемого
комплексах. энергоносителя, при оптимальных режимах энерге-
Анализ схемы фотодизельной системы электро- тического оборудования и, соответственно, мини-
снабжения на постоянном токе. В целях визуали- мальной себестоимости генерируемой электроэнер-
зации блочного состава ФДЭС на постоянном токе, гии, в модели логично использовать центральный
описания функций, а также для обозначения энер- контроллер. Контроллер должен обеспечивать сбор
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
гетических, командных, информационных и других информации от генерирующих установок, СНЭЭ,
межблочных связей, представлена общая функци- текущей нагрузки, инсоляции и температуры окру-
ональная блок-схема структуры ФДЭС на постоян- жающей среды. Центральный контроллер вза-
ном токе для электроснабжения децентрализован- имодействует с энергоустановками ФДЭС во вза-
ного потребителя. Данная блок-схема позволяет имодействии с их управляющими контроллерами 53
упорядочить процесс осмысления и формулировки нижнего уровня и формирует оптимальные конфи-
ется нагрузке. Если мощность на ШПТ меньше PL,
то нагрузка требует большей мощности, чем ге-
нерирует система. Состояния, в которых опреде-
ляется фактическое значение баланса мощности
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 4 (178) 2021
на ШПТ, представлены на рис. 2.
Чтобы оценить потоки энергии, контроллер
сравнивает значение генерируемой мощности (PPV)
с потребляемой нагрузкой (PL). Если возобнов-
ляемая энергия от ФЭС превышает потребность
в нагрузке, избыточная мощность идёт на зарядку
СНЭЭ, если их уровень заряда не достигает мак-
симального значения (BSOC_max). Если потребность
в нагрузке (PL) ниже, чем возобновляемая мощность
(PPV), а состояние заряда СНЭЭ не достигает своего
минимального значения (BSOC_min), СНЭЭ может от-
давать свою мощность (PB) в нагрузку. Если уровень
заряда аккумуляторов СНЭЭ достигает минималь-
Рис. 2. Логическая карта алгоритма управления ного значения (BSOC_min), ДГУ должен запуститься
генерирующими источниками фотодизельной системы и питать нагрузку.
электроснабжения на постоянном токе Эта стратегия интеллектуального подхода ис-
пользуются для управления работой ДГУ и СНЭЭ,
где ДГУ генерирует энергию, достаточную только
гурации и режимы энергетического оборудования для нагрузки, и не заряжает СНЭЭ. СНЭЭ заряжа-
[13–15]. ется только за счет избыточной мощности от ФЭС.
Для наглядной демонстрации управляющей ло- В светлое время: при высоком уровне освещённо-
гики ФДЭС на постоянном токе авторы приняли сти нагрузка питается через инвертор, работающий
решение воспользоваться стандартной библиотекой в автономном режиме от аккумуляторов СНЭЭ.
Logic and Bit Operations в Simulink. Режимы работы ДГУ — выключена; при недостаточном уровне ос-
энергетического оборудования соответствуют чере- вещённости, на начальном этапе, нагрузка питает-
дованию светлого и тёмного времени суток, когда ся от ФЭС и СНЭЭ до момента падения энергии
ФЭС работает с избытком или недостатком полез- заряда аккумуляторов до минимально допустимого
ной генерации. Эти режимы выбираются в зависи- уровня. Далее включается ДГУ и к ШПТ подклю-
мости от балансной мощности внутри гибридной чается источник, работающий в режиме источника
системы, величины инсоляции и состояния заряда напряжения. ДГУ дополняет недостающую мощ-
батареи (от англ. State of charge — SOC). Баланс ность ФЭС, работающей в режиме источника тока.
мощности ШПТ используется как мера для обна- СНЭЭ работает в буферном режиме.
ружения дисбаланса нагрузки. К примеру, если В тёмное время суток: работает ДГУ, обеспечи-
величина мощности на ШПТ больше, чем PL, си- вая электроэнергией автономную нагрузку. СНЭЭ
стема вырабатывает больше энергии, чем требу- может быть отключена или использоваться для вы-
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
54
Рис. 3. Модель фотодизельной системы электроснабжения на постоянном токе в Matlab/Simulink
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 4 (178) 2021
Рис. 4. Паспортные характеристики дизельного двигателя ЯМЗ-238-М2:
слева — внешнескоростная характеристика, справа — характеристика расходов
равнивания графиков нагрузки ДГУ, участвуя в по- Полученные выражения позволяют провести
крытии пиковых нагрузок. оценку режимов работы ДД и уровень потребления
Фотодизельная система электроснабжения топлива для текущего режима. Данная статическая
на постоянном токе в Matlab/Simulink. Авторы рас- модель ДД достаточна для решаемых в работе задач,
сматривают статические вариации моделей компо- но может быть развита до динамического уровня.
нентов ФДЭС на постоянном токе. Представленная Так, функция момента, развиваемого ДД, является
на рис. 3 ФДЭС-модель позволяет использовать многопараметрической нелинейной функцией боль-
численные методы решения с итерационным ша- шого числа параметров: положение органа управ-
гом 1 секунда. Модель позволяет исследовать по- ления топливного насоса высокого давления, аб-
следовательность статических режимов автономной солютный расход топлива, температура двигателя
системы электроснабжения на постоянном токе и пр. Таким образом, исходя из сформулированного
в течение суток в заданном масштабе времени: сут- определения интеллектуальных энергетических си-
ки соответствуют времени моделирования 24 се- стем [21], а также полученных требований и под-
кунды, обеспечивая возможность исследования су- ходов к управлению ФДЭС на постоянном токе,
точных изменений энергетических характеристик в дальнейшем, авторы ставят задачу G absисследования
3 10 5 Pнаг 2
0,2095 Pнаг
системы. В качестве инструмента моделирования динамических характеристик ДЭС в составе G absподоб-
3 10 5 Pнаг 2
0,2095
был выбран Matlab и его приложение блочного мо- ных электротехнических комплексов. g spec 2 1011 Pнаг 6
1 108 Pнаг 5
делирования Simulink, возможности которого при- G abs моделирования
Для 3 10 5 Pнаг 2
электрической 2 0,3303, g
G abs 3 10 наг Pнаг 03,2095
0,2095 P5 машины 2 10 11
10spec PPнагнаг00,3303
6 4
,0004 P 6
1
,наг Pнаг
3 10
емлемы и достаточны для выполнения поставлен- учитывается взаимосвязь электродвижущей силы
2 3 10 P 4P 0,0004
6
115 0 6,0261 P 8 0 5 ,9706 наг 232,4
spec 2 10 с Pизменяющимся
1 10 Pнаг Pмагнитным
11 8
(ЭДС)gгенератора 2 10 наг 1 10
наг P
наг 2
6
ных задач. g spec
наг по- наг
В качестве примера для опорного источника током. При этом напряжение на
63 зажимах
СГ0,0261
мень- Pнаг 0,9706 Pнаг
3 10 Pнаг 0,
6 4
0004 Pнаг Pнаг 0,0004 Pнаг
3 10 4 3
электроэнергии использовался дизельный двигатель ше ЭДС на величину внутреннего Izнапря-
Uпадения
(ДД) ЯМЗ-238-М2 в составе ДГУ АД-100 (Россия).
жения: 0 ,0261 P 2
наг 0 , 0,0261наг P5наг
9706 P 2
232 20,45 , U
,9706 Pнаг 232 ,Iz 45,
G abs 3 10 Pнаг 0,2095 Pнаг 0,3303,
Заявленные производителем расходные и внешне-
скоростные характеристики приведены на рис. 4. U Iz gUspec2 10 Iz11, Pнаг 6 8 Pнаг
1 10 5 (3)
При построении имитационной модели ДД исполь- I
3значение
10 Pнаг ЭДС; 0,0004 I P—
6
где — действующее наг
4 3
зовались методики [16–20], на основании которых ток
получены математические выражения для расхода в обмотке статора (ток 0,0261 Pнаг
нагрузки); 2
0,9706z — Pполное наг 232со- ,45,
топлива и вырабатываемой мощности. Полученные I
противление обмоткиI статора (одной фазы). z
зависимости соотносится с паспортными данными В качестве выпрямителя U Iz используется 3 6
z трёхфазнаяzсхема на полупроводниковых U d известная U
ДД. При создании имитационной модели ДД пред- мостовая U d 3 6 U
полагается, что двигатель, включенный в состав ДГУ, диодах. Если считать, что вентили идеальные, а так-
3 6 потерями C Fсчёт N яв- G ln(10 6 G)
имеет всережимный регулятор частоты вращения. же пренебречь
U d U U d 3напряжения 6
U ФЭС P за
CTFФЭС N G ln(10 , 6 G
Основными аппроксимированными выражени-
ления коммутации Iвентилей, то среднее Pзначение ФЭС
ями, определяющими выходные данные ДД, полу- напряжения на выходе данного выпрямителя будет TФЭС
C N G ln( 10 6
C G
) N G ln( 10 6
Q G ) S D накл Rнакл
ченные на основе корреляционно-регрессионного PФЭС выражением
определяться F
zPФЭС [22]: , F накл
, накл
анализа в MS Excel, являются TФЭС T ФЭС S наклQнакл S cos
S орт накл Dнак
D накл D гориз 0,55 0,434
S S c
3 6 cos орт0,313
S накл RD
накл
Qнакл USdнакл Dнакл Q накл
UR. накл
накл0
(4)
Аземли S накл D го
R
3 10 5 Pнаг 0,2095 Pнаг 0,3303, (1) D D 0,55 0 ,434 cos
S накл S орт cos S накл
G abs наклнакл ,47 гориз
2 накл
S орт cos Rнакл 0,47 Аземли S
гориз 0,55
0,434 cos 0,313 cos 6 ,
где Gabs g— 2 10 абсолютного
spec величина
11 6
Pнаг 1 10 Pрасхода
8 5
наг дизель- D накл D
Следует отметить, Dчто
Cпри
накл FDгориз G55U ln(0,10
Nнормальном Gфазном
2
434 cos
) M0,313 Q cos 2
,
A e
(B
RS Аземли выпрями-
P E , R i
ного топлива 3 в10зависимости
6
Pнаг 0,0004 от Pпотребляемой
на-
напряжении СГ 0230
Rнакл В
,47 ФЭС
земли накл
А рассматриваемый D
0,T47 АКБ 0S накл
(Q D
idt ) M Q
E R i
4 3
наг
накл гориз
ФЭС U гориз
грузки; P0наг — величина потребляемой нагрузки тель выдаёт постоянное напряжение 540 В. АКБ 0
(Q idt)
,0261 Pнаг 5 0,9706
2
Pнаг 232,45, Компьютерная M Q
реализация Q
M (
S
модели B
Q
idt
ДГУ)
D R
показа-( B idt)
G abs час
в конкретный 3 10 Pнаг
суточного 2
0графика.
,2095 Pнаг 0,3303, U АКБ E 0 U АКБ R E
i0A e
накл накл
R, i A e
накл накл
,
(Q idt
на на рис. 5. Модель )
имеет две(S idt) скалярные
накл S орт cos
Qвходные
U Iz
D накл D гориз 0,55 0,434 cos 0,313 cos
2 ,
g spec 2 1011 Pнаг
6
1 108 Pнаг
5
величины: логический сигнал управления, характе-
3 106 Pнаг
4
0,0004 Pнаг
3
ризующий состояние работы Rнакл ДГУ,
0,47 А а земли S накл
также D гориз
сигнал
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
величины потребляемой нагрузки.
0,0261 Pнаг
2
0,9706 Pнаг 232,45, (2) (B idt)
Шина сигналов помогает рассредоточить M Q иско-
I мые скалярные выходные U АКБ Eзначения
0 ДД, R i A e ,
(Q idt ) СГ в составе
где gspec — Iz удельного расхода дизельного
U величина ДГУ. В рамках поставленной задачи это логический
топливаzна каждый потреблённый кВт∙ч электриче- сигнал управления, выходная электрическая мощ- 55
ской энергии.
3 6
ность СГ, действующее выпрямленное напряжения
U d U
I
C F N G ln(10 6 G)
z
PФЭС ,
TФЭС
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 4 (178) 2021
Рис. 5. Модель дизель-генераторной установки
на постоянном токе в Matlab/Simulink
G abs 3 10 5 Pнаг
2
0,2095 Pнаг 0,3303,
g spec 2 1011 Рис.
Pнаг
6
6.1Модель
108 Pфотоэлектрической
наг
5
станции в Matlab/Simulink
3 10 Pнаг 0,0004 Pнаг
6 4 3
0,0261 Pнаг 2
0,9706 Pнаг 232,45,
статорной обмотки СГ, величина абсолютного рас- имитирует текущие характеристики ФЭС с удов-
хода дизельного топлива ДД, величина удельного летворительной точностью в окрестностях точки
U Iz
расхода топлива ДД, а также коэффициент исполь- максимальной мощности. Максимальная погреш-
зования установленной мощности (КИУМ). ность расчетных значений выходной мощности
Модель ФЭС основана на выходных характери- во всём диапазоне возможных изменений темпе-
стиках солнечной ячейки и упрощенных матема- ратуры и инсоляции не превышает 4 % [25]. Это
I
тических функциях, которые представлены в виде позволяет использовать модель ФЭС для разработ-
блока субсистемы (рис. 6). Для построения модели ки эффективных алгоритмов контроллеров ФЭС,
z
ФЭС использовалась методика, предложенная [23], совершенствования схемотехники преобразова-
согласно которой3 максимальная
6 выходная мощ- тельных устройств, 2 прогнозирования выработки
U d U по выражению: G abs 3 10 5 Pнаг 0,2095 Pнаг 0,3303,
ность ФЭС определяется электроэнергии, анализа рабочих режимов фото-
электрических систем
g spec 2 10 11
Pнаг
6
1 108 Pнаг
5
C N G ln(10 6 G) Величина первичной инсоляции, которая посту-
P F ФЭС , (5) 3 10
пает на поверхность
6
P 4
0 ,0004 P
наг ФЭС, определяется
3
наг интенсив-
TФЭС
ностью 0суммарного
,0261 Pнаг2
излучения
0,9706 Pнаг вместе
232,45её, установки.
Qнакл S накл Dнакл Rнакл Данная величина зависит от координат местора-
где N — количество
фотоэлектрических модулей
S накл S орт cos U ФЭС,
сположения Iz пространственной ориентации,
в станции; CF — постоянный
D
накл D
метрах фотоэлектрического
0 0,434 cos 0,313 cos 2
коэффициент в пара-,
гориз ,55 модуля; G — текущий
а также от внешних метеорологических факторов:
температуры воздуха, уровня облачности, коэффи-
Rнакл 0,47 Аземли S накл D гориз
уровень инсоляции; TФЭС — текущая температура циента отражения земной поверхности. В основу
фотоэлектрического модуля. расчета
I инсоляции в данной работе положена ме-
M Q управляемым (B idt)
U АКБ E 0
ФЭС эквивалентируется R i A e источ-
, тодика, позволяющая определить почасовое посту-
(Q idt )
ником постоянного тока. Массив солнечных пане- плениеz инсоляции на наклонную плоскость и со-
лей, входящих в состав субсистемы ФЭС, переда- ответствующая используемому масштабу времени,
ют генерируемый ток напрямую в СНЭЭ. Влияние предложенная 3 6Лю и Джорданом [26].
солнечного контроллера учитывается как пропор- U d
Совокупность Uматематических уравнений была
циональное снижение коэффициента полезного определена в соответствии с работами [27, 28] с не-
действия. C N G ln(10 6 G) в рамках постав-
которыми усовершенствованиями
PФЭС F
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
Внутренние параметры модели определяются
,
ленной задачи: TФЭС
данными номенклатуры солнечной панели и их ко-
личеством [24]. Входными переменными данными Qнакл S накл Dнакл Rнакл
являются текущие значения величины инсоляции S накл S орт cos
56 и температуры приемной поверхности. Результаты
D D 0,55 0,434 cos 0,313 cos 2
,
(6)
Rнакл 0,47 Аземли S накл D гориз
накл гориз
моделирования показали, что разработанная модель
M Q (B idt)
U АКБ E 0 R i A e ,
(Q idt)
C F N G ln(10 6 G)
PФЭС ,
TФЭС
Qнакл S накл
Для моделирования Dнакл хранения
системы Rнакл электри-
S накл S орт cos
ческой энергии использован метод, основанный
D накл D гориз
на обобщенном 0,55 0,434 cos
соотношении 0,313 cos
Шеферда, 2
задающий-
,
ся выражением
0,47 Аземли S накл D гориз
Rнакл[30]:
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 4 (178) 2021
M Q (B idt)
U АКБ E 0 R i A e , (7)
(Q idt)
где UАКБ — напряжение массива; E0 — напряжение
холостого хода не нагруженного массива; M — по-
ляризационное сопротивление; Q — фактическая
емкость массива; ∫idt — действительный уровень
заряда аккумуляторного массива; i — ток батареи;
R — внутреннее сопротивление аккумулятора; A —
коэффициент, характеризующий величину падения
напряжения во время экспоненциальной зоны раз-
Рис. 7. Модель инсоляции в Matlab/Simulink
ряда; B — коэффициент, характеризующий обрат-
ную величину емкости массива в конце экспонен-
циальной зоны разряда.
где Qнакл — суммарная солнечная радиация, падаю- Основное назначение СНЭЭ в гибридной систе-
щая на наклонную поверхность, Вт/м2; Sнакл — пря- ме — обеспечение бесперебойности электроснаб-
мое солнечное излучение, падающее на наклонную жения потребителя. Кроме того, блок обеспечивает
поверхность, Вт/м2; Dнакл — рассеянная солнечная согласование графиков потребления и генерации
энергия, падающая на наклонную поверхность, за счёт дополнительного запаса электроэнергии
Вт/м2; Rнакл — излучение, отраженное от поверхно- в автономном электротехническом комплексе. Для
сти Земли, Вт/м2 (значением можно пренебречь); реализации этих возможностей необходимо интел-
Sорт — прямое солнечное излучение на ортогональ- лектуальное управление источниками электриче-
ную лучам плоскость, Вт/м2; cosθ — косинус угла ской энергии в системе.
падения прямого солнечного излучения на лю- Внутри субсистемы (рис. 8) моделирование
бую плоскость; Dгориз — поток рассеянной солнеч- внешней характеристики СНЭЭ происходит с по-
ной энергии на горизонтальную плоскость, Вт/м2; мощью управляемого источника напряжения,
Aземли — альбедо Земли. включенного последовательно с постоянным сопро-
Данные вводятся в управляемый блок субси- тивлением, учитывающим потери. Ввод основных
стемы Simulink, показанный на рис. 7. Сравнение параметров через диалоговое окно позволяет мани-
среднесуточных значений инсоляции из модельно- пулировать параметрами системы для исследования
го блока со среднесуточными значениями метео- характеристик ФДЭС на постоянном токе. Анализ
наблюдений, определенными за рассматриваемый показывает, что модель может работать с доста-
период времени, показало, что максимальная по- точной точностью. Максимальная погрешность на-
грешность не превышает 13 %, что свидетельствует пряжения в условиях изменения входных величин
о приемлемой репрезентативности. относительно паспортных данных аккумуляторной
Среднемесячные и среднесуточные значения батареи Delta DTM 12250 L составляет ±2 %.
температуры окружающего воздуха определяют- Для моделирования различных типов потреби-
ся наиболее просто. Они являются независимыми телей децентрализованных объектов в сельской
величинами от параметров проектируемой элек- местности, показатели электропотребления опреде-
троустановки. Исходными данными для их опре- ляются в соответствии с нормативными типовыми
деления являются статистические данные метеоро- графиками реальных электрических нагрузок. Дан-
логических наблюдений, которые можно получить ные этих графиков получены в ходе статистиче-
из архивов метеорологических порталов и клима- ских наблюдений за период от 5 до 10 лет на осно-
тических справочников [29]. В рамках данного ис- вании работ [31, 32].
следования, авторы вводят среднесуточное значе- Модель децентрализованного потребителя пред-
ние температуры, измеряемое в Кельвинах, в виде ставлена на рис. 9. Основой модели электрической
блока константы. нагрузки служил блок Signal Builder, в котором ти-
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
57
Рис. 8. Модель системы хранения электрической энергии в Matlab/Simulink
10, 11. Для отображения результирующих графиков
необходимо обозначить ряд входных данных, пред-
ставленных в табл. 1.
Энергия ФЭС варьируется в зависимости
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 4 (178) 2021
от количества поступающего солнечного излучения.
При отсутствии энергии ФЭС, обменная энергия
разряда СНЭЭ следует за изменением уровня элек-
тропотребления. Когда выработка электроэнергии
от ФЭС начинает увеличиваться, СНЭЭ начина-
ет работать совместно с ФЭС, что видно с 07:00
до 08:00 и с 18:00 до 19:00. Ток батареи показан
на рис. 11, который следует за изменениями мощ-
ности ФЭС для поддержания необходимой мощно-
сти на ШПТ. Напряжение на ШПТ остается посто-
янным, несмотря на изменения на ФЭС.
В период времени с 09:00 до 17:00 ФЭС выраба-
тывает больше энергии, чем требуется для нагруз-
ки. Эта избыточная энергия идёт на заряд СНЭЭ.
На рис. 11 видно, что за это время показатель SOC
Рис. 9. Модель децентрализованного увеличивается. Результаты моделирования под-
потребителя в Matlab/Simulink тверждают, что разработанная система обеспечива-
ет бесперебойное электроснабжения нагрузки. Ана-
лизируя графики (рис. 11) следует сделать вывод,
повые графики сезонной активной нагрузки сель- что все компоненты системы работают правильно,
ских жилых домов вводились в блок через заранее а именно: график нагрузок полностью обеспечен
прописанный цикл синтаксиса Matlab – for. энергией, блок СНЭЭ по мере разряда/заряда пе-
Электрическая часть модели нагрузки построена реключаются в соответствии с разработанной ло-
на базе управляемого источника тока, где входным гикой работы. В часы нехватки запасенной энергии
параметром служила величина выходного напря- и энергии ФЭС должен запускаться ДГУ, однако,
жения инвертора. Для контроля выходных параме- в соответствии с входными данными табл. 1, работа
тров: ток, напряжение, а также активная мощность, ДГУ в рассматриваемый сезон (лето) не требуется.
на выводах блока потребителя электроэнергии Напряжение на ШПТ равно 540 ± 10 (В), что явля-
предусмотрен контроль через осциллограф. ется допустимым.
Результаты имитационного моделирования ра- Необходимо отметить, что, в соответствии
боты фотодизельной системы электроснабжения с уровнем SOC (на рис. 11), ёмкости заряда СНЭЭ
на постоянном токе в Matlab/Simulink. Рассмо- хватит для обеспечения такого же режима рабо-
трены несколько экспериментальных примеров ты следующих летних суток. Результаты проверки
для проверки предложенной системы управления показывают, что режим управления ФДЭС рабо-
фотодизельной системы электроснабжения на по- тает корректно. Для моделирования режима рабо-
стоянном токе. На основе управляющих команд ты ФДЭС в зимние сутки необходимо изменить
с соблюдением энергетического баланса централь- входные данные для следующего эксперимента
ный контроллер управляет режимами работы DC/ в соответствии с табл. 2. Производительность
DC преобразователей ДГУ, СНЭЭ, а также их со- ФДЭС-системы при низком уровне выработки
вместной работой, при изменении условий уровня ФЭС представлена на рис. 12. Выработка энергии
солнечного излучения, температуры окружающей ФЭС меньше, чем требуемая величина нагрузки
среды, нагрузки. Характеристики производитель- с 10:00 до 16:00. Исходя из входных параметров
ности системы при условии максимального вклада и условий работы управляющей логики центрально-
возобновляемого энергоносителя показаны на рис. го контроллера, система реагирует на выполнение
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
58
Рис. 10. Диаграмма энергетического баланса в условиях летней нагрузки
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 4 (178) 2021
Рис. 11. График мощности, напряжения и тока от системы накопления
электрической энергии и фотоэлектрической станции
Таблица 1
Входные данные моделирования режима работы в условиях максимального вклада фотоэлектрической станции
Номер Угол наклона Средняя температура Координата
График Начальная ёмкость
моделируемого солнечных воздуха моделируемого расположения
нагрузки заряда СНЭЭ, %
дня панелей, град. дня, ºС объекта, град. с.ш.
Летний 152 30 23 50 58
Таблица 2
Входные данные моделирования режима работы в условиях компенсации пиковых нагрузок
Координата
Номер Угол наклона Средняя температура
График Начальная ёмкость расположения
моделируемого солнечных воздуха моделируемого
нагрузки заряда СНЭЭ, % объекта, град.
дня панелей, град. дня, ºС
с.ш.
Зимний 1 75 –24 50 58
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
режима использования СНЭЭ для выравнивания На рис. 13 показаны электрические параметры
графиков нагрузки ДГУ, участвуя в покрытии пи- СНЭЭ и ДГУ во время процесса совместной рабо-
ков. До момента времени 06:00 ДГУ полностью обе- ты. После утреннего и вечернего пиков видно, что
спечивает нагрузку, СНЭЭ находится в состоянии связка СНЭЭ-ФЭС получает достаточную зарядную
отработки режима разряда в моменты предельного мощность, чтобы снабдить следующие сутки (пара- 59
снижения уровня напряжения на ШПТ. метр SOC). Однако текущая команда, генерируе-ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 4 (178) 2021
Рис. 12. Диаграмма энергетического баланса в условиях зимней нагрузки
Рис. 13. Выходные графики от системы накопления электрической энергии и дизель-генераторной установки
мая контроллером управления мощностью, выпол- Графики рис. 13 показывают, что разработанная
няет быстрое восстановление мощности нагрузки, система управления и контроля обменной энергии
а также напряжения ШПТ, не оптимизируя опти- приемлемо работоспособна в случае отсутствия
мальную загрузку ДГУ. Данное условие возможно достаточной выработки электроэнергии из возоб-
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
осуществить путём разряда батареи через подачу новляемых источников. Также соблюдён плавный
пропорциональной величины тока в соответствии переход между состояниями заряда/разряда при
характеристикой DC/DC преобразователя. В этом различных входных условиях.
случае необходимо рассматривать ДГУ выпрями- Заключение. Разработана оригинальная имита-
60 тельного типа с управляемым преобразовательным ционная модель фотодизельной системы электро-
звеном. снабжения на постоянном токе, обеспечивающаяисследование её рабочих режимов в реальных усло- 5. Fairley P. DC Versus AC: The Second War of Currents Has
виях эксплуатации. В ней учтено влияние внешних Already Begun [In My View] // IEEE Power and Energy Magazine.
климатических факторов на энергетические харак- 2012. Vol. 10 (6). P. 104–103. DOI: 10.1109/MPE.2012.2212617.
теристики фотоэлектрической станции, что повы- 6. Vossos V., Pantano S., Heard R. DC Appliances and DC
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 4 (178) 2021
шает точность прогнозных расчетов в выработке power distribution. In: A Bridge to the Future Net Zero Energy
электроэнергии для рассматриваемого региона. Homes. Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL). 2017.
Исходными данными моделирования являются P. 1–14.
широта местности, индекс прозрачности атмосфе- 7. Vallve X., Serrasolses J. Design and operation of a 50 kWp
ры, альбедо земной поверхности, номер дня года, PV rural electrification project for remote sites in Spain // Solar
азимутальный и вертикальный углы установки Energy. 1997. Vol. 59 (1-3). P. 111–119. DOI: 10.1016/S0038-
фотопанелей, среднесуточная температура воз- 092X(96)00124-7.
духа, технические характеристики ФЭС, а также 8. Ramli M. A. M., Bouchekara H. R E. H., Alghamdi A. S.
характеристики СНЭЭ и ДГУ. Полученные при Optimal sizing of PV/wind/diesel hybrid microgrid system using
моделировании режимов ФДЭС результаты обеспе- multi-objective self-adaptive differential evolution algorithm //
чивают возможность аргументированного выбора Renewable Energy Journal. 2018. Vol. 121. P. 400–411. DOI:
рационального режима эксплуатации электростан- 10.1016/j.renene.2018.01.058.
ции, требуемой ёмкости накопительных устройств, 9. Лаврик А. Ю., Жуковский Ю. Л., Максимов Н. А. Опре-
установленной мощности и номинального напря- деление оптимального состава резервируемой гибридной ве-
жения фотопанелей, а также определения эффек- тро-солнечной электростанции // Промышленная энергетика.
тивных алгоритмов управления энергетическим 2019. № 10. С. 47–53.
комплексом. 10. Пашкевич Р. И., Павлов К. А. Математическое модели-
Представленная имитационная модель и про- рование комбинированной дизель-солнечной электростанции
ведённые исследования показали преимущества для децентрализованного электроснабжения потребителей //
ФДЭС на постоянном токе по сравнению с ана- Электрические станции. Возобновляемая энергетика. 2019.
логичными системами переменного тока. ФДЭС № 9 (1058). С. 30–35.
с ШПТ могут обеспечить надежное электроснабже- 11. Taskin J., Carter C., Schmidt T. [et al.]. An energy flow
ние потребителей, увеличивая вклад в энергобаланс simulation tool for incorporating short-term PV forecasting in a
фотоэлектричества по сравнению с гибридными diesel-PV-battery off-grid power supply system // Applied Energy.
системами электроснабжения на переменном токе. 2019. Vol. 254. 113718. DOI: 10.1016/j.apenergy.2019.113718.
В отличие от систем с сетевым инвертором на пе- 12. Ramli M. A. M., Bouchekara H. R. E. H., Alghamdi A. S.
ременном токе, ограничение мощности генерации Optimal sizing of PV/wind/diesel hybrid microgrid system using
ФЭС относительно мощности ведущего источника — multi-objective self-adaptive differential evolution algorithm //
ДГУ на уровне 30–40 % отсутствует. ФДЭС на по- Renewable Energy. 2018. Vol. 121. P. 400–411. DOI: 10.1016/j.
стоянном токе может обеспечить: экономичное renene.2018.01.058.
электроснабжение децентрализованных потребите- 13. Антонов Б. М., Баранов М. М., Крюков К. В., Роза-
лей за счёт оптимизации установленных мощностей нов Ю. К. Управление гибридным энергокомплексом на ос-
и режимов фотоэлектростанции и ДЭС, что позво- нове возобновляемых источников энергии разных видов //
ляет существенно снизить потребление дизельного Электричество. 2018. № 7. С. 19–25. DOI: 10.24160/0013-5380-
топлива. 2018-7-19-25.
Снижение уровня потребления топлива влечёт 14. Тюхов И. И., Беренгартен М. Г., Вариводов В. Н., Си-
уменьшение экономически обоснованного тарифа макин В. В. Особенности формирования интеллектуальных
на электроэнергию до 30 %. Снижается уровень сетей гибридных комплексов энергоснабжения с использова-
карбонизации воздуха от ДГУ на уровне до 20 %. нием возобновляемых источников энергии // Возобновляемая
Однако практическое внедрение гибридных энер- энергетика: Проблемы и перспективы: II Междунар. конф.
гоисточников на постоянном токе требует проведе- Махачкала, 2010. С. 238–245.
ния дальнейших комплексных исследований по ши- 15. Rezk H., Al-Dhaifallah M., Hassan Y. B. [et al.].
рокому кругу вопросов, в частности по разработке Optimization and Energy Management of Hybrid Photovoltaic-
гибридных интеллектуальных систем, например, Diesel-Battery System to Pump and Desalinate Water at Isolated
с использованием энергосберегающих режимов ди- Regions // IEEE Access. 2020. Vol. 8. P. 102512–102529. DOI:
зельных электрических станций с переменной ча- 10.1109/ACCESS.2020.2998720.
стотой вращения дизель-генераторов и статически- 16. Дизельный генератор АД-100 (ЯМЗ-238М2) // Компа-
ми преобразователями частоты. ния ДИЗЕЛЬ. 2020. URL: https://www.comd.ru/catalog/dizelnye-
elektrostancii-tsena-des/professional/dgu-dizel-generatory-yamz/
Библиографический список dizelnaya-elektrostanciya-100-kvt-ad-100-t400-yamz-238m2/ (дата
обращения: 15.06.2021).
1. Кобец Б. Б., Волкова И. О. Инновационное развитие 17. Theubou Tameghe T. A., Wamkeue R., Kamwa I. Diesel
электроэнергетики на базе концепции Smart Grid. Москва: Generator Modelling for Microgrid Power Plant Parameters
ИАЦ Энергия, 2010. 208 с. Assessment // EIC Climate Change Technology Conference. At:
2. International Energy Agency (IEA). Electricity: Global Montréal, Qc, Canada. 2015. P. 1–12.
electricity demand is expected to fall by 5% in 2020, 2020. 18. Grama A., Petreus D., Etz R. [et al.]. Fuel consumption
URL: https://www.iea.org/reports/global-energy-review-2020/ reduction of a diesel-electric power generator // 38th International
electricity (дата обращения: 15.06.2021). Spring Seminar on Electronics Technology (ISSE). 2015. P. 381–
3. Губенко А. Россия присоединилась к Парижскому со- 384. DOI: 10.1109/ISSE.2015.7248026.
глашению по климату // РБК. URL: https://www.rbc.ru/politi 19. Yin C., Wu H., Locment F. [et al.]. Energy management of
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
cs/23/09/2019/5d88a9089a79475f76930863 (дата обращения: DC microgrid based on photovoltaic combined with diesel generator
15.06.2021). and supercapacitor // Energy Conversion and Management. 2017.
4. Лукутин Б. В., Обухов С. Г., Шутов Е. А., Хошнау З. П. Vol. 132. P. 14–27. DOI: 10.1016/j.enconman.2016.11.018.
Применение буферных накопителей энергии для повышения 20. Wies R. W., Johnson R. A., Agrawal A. N. [et al.].
Simulink model for economic analysis and environmental impacts
энергоэффективности ветродизельных электростанций // 61
Электричество. 2012. № 6. С. 24–29. of a PV with diesel-battery system for remote villages // IEEETransactions on Power Systems. 2005. Vol. 20 (2). P. 692–700. дрометеорологии при Кабинете министров СССР. Ленинград:
DOI: 10.1109/TPWRS.2005.846084. Гидрометеоиздат, 1991. 304 c.
21. Lukutin B. V., Kiushkina V. R. Intellectual energy security 30. Shepard C. M. Design of Primary and Secondary Cells:
monitoring of decentralized systems of electricity with renewable II. An Equation Describing Battery Discharge // Journal of
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 4 (178) 2021
energy sources // International Conference Green Energy and Electrochemical Society. 1965. Vol. 112 (7). P. 657–664. DOI:
Smart Grids (GESG 2018). 2018. Vol. 69. 02002. 5 p. DOI: 10.1051/ 10.1149/1.2423659.
e3sconf/20186902002. 31. Лещинская Т. Б., Наумов И. В. Практикум по электро-
22. Perelmuter V. Electrotechnical Systems: Simulation with снабжению сельского хозяйства. Москва: БИБИКОМ–Транс-
Simulink and SimPowerSystems. 1st ed. CRC Press, 2013. 450 р. лог, 2015. 455 с. ISBN 978-5-905563-46-1.
DOI: 10.1201/b13013. 32. Будзко И. А., Лещинская Т. Б., Сукманов В. И. Элек-
23. Андреев В. М., Грилихес В. А., Румянцев В. Д. Фото- троснабжение сельского хозяйства. Москва: КолосС, 2000.
электрическое преобразование концентрированного солнеч- 536 с.
ного излучения. Ленинград: Наука, 1989. 310 с.
24. Технические характеристики солнечной панели TSM-
200 // МАП Sin Энергия 12/24/48 220. URL: http://www. ЛУКУТИН Борис Владимирович, доктор техниче-
invertor.ru/zzz/item/white_fe_mono_200_24 (дата обращения: ских наук, профессор (Россия), профессор Отде-
15.06.2021). ления электроэнергетики и электротехники Инже-
25. Obukhov S. G., Plotnikov I. A., Kryuchkova M. Simulation нерной школы энергетики (ИШЭ).
of Electrical Characteristics of a Solar Panel // IOP Conference SPIN-код: 5558-7038
Series Materials Science and Engineering. 2016. Vol. 132 (1). DOI: AuthorID (РИНЦ): 113093
10.1088/1757-899X/132/1/012017. ORCID: 0000-0002-5201-6886
26. Liu B. Y. H., Jordan R. C. Daily insolation on surfaces AuthorID (SCOPUS): 56617283300
tilted towards the equator // ASHRAE Transactions. 1961. Адрес для переписки: lukutin48@mail.ru
Vol. 3. P. 53–59. МУРАВЬЕВ Дмитрий Игоревич, аспирант отделения
27. Обухов С. Г., Плотников И. А. Имитационная модель электроэнергетики и электротехники ИШЭ.
режимов работы автономной фотоэлектрической станции с Адрес для переписки: dim15@tpu.ru
учетом реальных условий эксплуатации // Известия Томско-
го политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. Для цитирования
2017. Т. 328, № 6. C. 38–51.
28. Обухов С. Г., Плотников И. А. Выбор параметров и Лукутин Б. В., Муравьев Д. И. Имитационная модель фо-
анализ эффективности применения систем слежения за солн- тодизельной системы электроснабжения с интеллектуальным
цем // Известия Томского политехнического университета. управлением в Matlab/Simulink // Омский научный вестник.
Инжиниринг георесурсов. 2018. Т. 329, № 10. С. 95–106. DOI: 2021. № 4 (178). С. 52–62. DOI: 10.25206/1813-8225-2021-178-
10.18799/24131830/2018/10/2109. 52-62.
29. Научно-прикладной справочник по климату СССР. Се-
рия 3. Многолетние данные. Части 1-6. Выпуск 22: Иркутская Статья поступила в редакцию 18.06.2021 г.
область и западная часть Бурятской АССР / Комитет по ги- © Б. В. Лукутин, Д. И. Муравьев
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
62Вы также можете почитать
