Помощь студентам в учебе
ПРИМЕНЕНИЕ ЭВОЛЮЦИОННЫХ АЛГОРИТМОВ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ГИБРИДНЫХ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ НА ОСНОВЕ ВОЗОБНОВЛЯЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ ЭНЕРГИИ
|
ОГЛАВЛЕНИЕ 2
ВВЕДЕНИЕ 6
1. АНАЛИЗ ПЕРСПЕКТИВ ПРИМЕНЕНИЯ И СПОСОБОВ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ГИБРИДНЫХ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ С ВОЗОБНОВЛЯЕМЫМИ ИСТОЧНИКАМИ ЭНЕРГИИ 13
1.1. Обзор текущего состояния и перспектив развития возобновляемой энергетики 13
1.2. Сравнительный анализ способов повышения эффективности фотоэлектрических
станций 22
1.3. Обзор и сравнительный анализ методов отслеживания точки максимальной
мощности солнечных батарей 28
1.3.1 Методы отслеживания точки максимальной мощности при равномерном освещении
солнечных батарей 28
1.3.2 Методы отслеживания точки максимальной мощности при частичном затенении
солнечных батарей 36
1.4. Применение эволюционных алгоритмов для отслеживания точки максимальной
мощности солнечных батарей 40
1.4.1 Обзор эволюционных алгоритмов и областей их практического применения 40
1.4.2 Описание алгоритма роя частиц 42
1.4.3 Описание алгоритма поиска кукушки 48
1.4.4 Проблемы применения эволюционных алгоритмов в контроллерах максимальной
мощности 52
1.5. Обзор и сравнительный анализ методов оптимизации состава оборудования гибридных систем электроснабжения с возобновляемыми источниками энергии ....54
1.6. Выводы по разделу 57
2. МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ КОМПОНЕНТОВ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ
СТАНЦИИ 60
2.1. Обоснование и выбор методов исследования 60
2.2. Модель солнечной батареи 68
2.3. Модель DC-DC преобразователя 73
2.3.1 Схемы построения и принцип действия преобразователей напряжения 73
2.3.2 Математические модели преобразователей напряжения в Matlab/Simulink 77
2.4. Модель электрической нагрузки DC-DC преобразователя 80
2.5. Модель контроллера поиска точки максимальной мощности 85
2.6. Общая модель фотоэлектрической станции 87
2.7. Выводы по разделу 90
3. РАЗРАБОТКА МЕТОДИК ВЫБОРА ПАРАМЕТРОВ АЛГОРИТМОВ И ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ НАПРЯЖЕНИЯ КОНТРОЛЛЕРОВ МАКСИМАЛЬНОЙ МОЩНОСТИ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СТАНЦИЙ 91
3.1. Анализ режимов и условий согласования параметров солнечной батареи с параметрами преобразователя напряжения контроллера максимальной мощности .91
3.2. Разработка методик проектирования и выбора параметров преобразователей
напряжения фотоэлектрических станций 98
3.2.1 Методика расчета и выбора параметров понижающего преобразователя
напряжения 98
3.2.2 Методика расчета и выбора параметров повышающего преобразователя
напряжения 106
3.3. Выбор оптимальных параметров алгоритма роя частиц для MPPT контроллеров
фотоэлектрических станций 113
3.4. Выводы по разделу 126
4. МОДЕЛИРОВАНИЕ РЕЖИМОВ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СТАНЦИЙ И
АПРОБАЦИЯ ПРЕДЛОЖЕННЫХ МЕТОДИК И АЛГОРИТМОВ 128
4.1. Описание объекта и задач исследования 128
4.2. Моделирование режимов автономной фотоэлектрической станции в условиях равномерного освещения 130
4.3 Моделирование режимов автономной фотоэлектрической станции в условиях частичного затенения солнечных батарей 138
4.3.1. Выбор параметров DC-DC преобразователя и MPPT-контроллеров с учетом режимов
частичного затенения 138
4.3.2 Моделирование режимов фотоэлектрической станции с MPPT- контроллером на базе
алгоритма роя частиц 140
4.3.3 Моделирование режимов фотоэлектрической станции с MPPT- контроллером на базе
алгоритма поиска кукушки 147
4.3.4 Сравнительный анализ эффективности MPPT- контроллеров на основе эволюционных
и классических алгоритмов 151
4.4. Выводы по разделу 155
5. ОПТИМИЗАЦИЯ СОСТАВА ОБОРУДОВАНИЯ ГИБРИДНЫХ СИСТЕМ
ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ С ВОЗОБНОВЛЯЕМЫМИ ИСТОЧНИКАМИ ЭНЕРГИИ
157
5.1. Объект и задачи исследований 157
5.2. Модели компонентов 158
5.3. Методы исследования 166
5.4. Целевая функция и ограничения 168
5.5. Результаты оптимизации 172
5.6. Выводы по разделу 177
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 179
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ 181
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 183
Приложение А. Акты о внедрении результатов диссертационной работы 195
Приложение Б. Свидетельства о государственной регистрации программ для ЭВМ
197
ВВЕДЕНИЕ 6
1. АНАЛИЗ ПЕРСПЕКТИВ ПРИМЕНЕНИЯ И СПОСОБОВ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ГИБРИДНЫХ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ С ВОЗОБНОВЛЯЕМЫМИ ИСТОЧНИКАМИ ЭНЕРГИИ 13
1.1. Обзор текущего состояния и перспектив развития возобновляемой энергетики 13
1.2. Сравнительный анализ способов повышения эффективности фотоэлектрических
станций 22
1.3. Обзор и сравнительный анализ методов отслеживания точки максимальной
мощности солнечных батарей 28
1.3.1 Методы отслеживания точки максимальной мощности при равномерном освещении
солнечных батарей 28
1.3.2 Методы отслеживания точки максимальной мощности при частичном затенении
солнечных батарей 36
1.4. Применение эволюционных алгоритмов для отслеживания точки максимальной
мощности солнечных батарей 40
1.4.1 Обзор эволюционных алгоритмов и областей их практического применения 40
1.4.2 Описание алгоритма роя частиц 42
1.4.3 Описание алгоритма поиска кукушки 48
1.4.4 Проблемы применения эволюционных алгоритмов в контроллерах максимальной
мощности 52
1.5. Обзор и сравнительный анализ методов оптимизации состава оборудования гибридных систем электроснабжения с возобновляемыми источниками энергии ....54
1.6. Выводы по разделу 57
2. МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ КОМПОНЕНТОВ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ
СТАНЦИИ 60
2.1. Обоснование и выбор методов исследования 60
2.2. Модель солнечной батареи 68
2.3. Модель DC-DC преобразователя 73
2.3.1 Схемы построения и принцип действия преобразователей напряжения 73
2.3.2 Математические модели преобразователей напряжения в Matlab/Simulink 77
2.4. Модель электрической нагрузки DC-DC преобразователя 80
2.5. Модель контроллера поиска точки максимальной мощности 85
2.6. Общая модель фотоэлектрической станции 87
2.7. Выводы по разделу 90
3. РАЗРАБОТКА МЕТОДИК ВЫБОРА ПАРАМЕТРОВ АЛГОРИТМОВ И ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ НАПРЯЖЕНИЯ КОНТРОЛЛЕРОВ МАКСИМАЛЬНОЙ МОЩНОСТИ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СТАНЦИЙ 91
3.1. Анализ режимов и условий согласования параметров солнечной батареи с параметрами преобразователя напряжения контроллера максимальной мощности .91
3.2. Разработка методик проектирования и выбора параметров преобразователей
напряжения фотоэлектрических станций 98
3.2.1 Методика расчета и выбора параметров понижающего преобразователя
напряжения 98
3.2.2 Методика расчета и выбора параметров повышающего преобразователя
напряжения 106
3.3. Выбор оптимальных параметров алгоритма роя частиц для MPPT контроллеров
фотоэлектрических станций 113
3.4. Выводы по разделу 126
4. МОДЕЛИРОВАНИЕ РЕЖИМОВ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СТАНЦИЙ И
АПРОБАЦИЯ ПРЕДЛОЖЕННЫХ МЕТОДИК И АЛГОРИТМОВ 128
4.1. Описание объекта и задач исследования 128
4.2. Моделирование режимов автономной фотоэлектрической станции в условиях равномерного освещения 130
4.3 Моделирование режимов автономной фотоэлектрической станции в условиях частичного затенения солнечных батарей 138
4.3.1. Выбор параметров DC-DC преобразователя и MPPT-контроллеров с учетом режимов
частичного затенения 138
4.3.2 Моделирование режимов фотоэлектрической станции с MPPT- контроллером на базе
алгоритма роя частиц 140
4.3.3 Моделирование режимов фотоэлектрической станции с MPPT- контроллером на базе
алгоритма поиска кукушки 147
4.3.4 Сравнительный анализ эффективности MPPT- контроллеров на основе эволюционных
и классических алгоритмов 151
4.4. Выводы по разделу 155
5. ОПТИМИЗАЦИЯ СОСТАВА ОБОРУДОВАНИЯ ГИБРИДНЫХ СИСТЕМ
ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ С ВОЗОБНОВЛЯЕМЫМИ ИСТОЧНИКАМИ ЭНЕРГИИ
157
5.1. Объект и задачи исследований 157
5.2. Модели компонентов 158
5.3. Методы исследования 166
5.4. Целевая функция и ограничения 168
5.5. Результаты оптимизации 172
5.6. Выводы по разделу 177
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 179
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ 181
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 183
Приложение А. Акты о внедрении результатов диссертационной работы 195
Приложение Б. Свидетельства о государственной регистрации программ для ЭВМ
197
Актуальность темы исследования. Важной задачей социальноэкономического развития многих регионов России является обеспечение надежного и эффективного электроснабжения потребителей, территориально расположенных в районах, удаленных от центральной электрической сети. Одним из наиболее перспективных способов решения данной проблемы является применение гибридных систем электроснабжения на основе возобновляемых источников энергии (Hybrid Renewable Energy Systems - HRES).
Для построения HRES с требуемым уровнем надежности и высокими техникоэкономическими показателями необходимо обеспечить эффективное использование и преобразование первичной возобновляемой энергии. Стохастический характер первичных энергоносителей и нелинейность характеристик генерирующих источников определяют высокую сложность решения данной задачи, связанной с нахождением наилучшего варианта решения с различными критериями и с соблюдением различных ограничений. С математической точки зрения задачи подобного рода классифицируются как оптимизационные, и для их решения разработаны и применяются разнообразные методы математического программирования.
Для решения сложных оптимизационных задач в последнее время все чаще применяются математические алгоритмы, построенные по аналогии с естественными законами эволюции в природе. Такие алгоритмы получили название «эволюционных», и они активно используются для решения различных научных и инженерных задач. Наиболее востребованными областями практического применения эволюционных алгоритмов оптимизации в возобновляемой энергетике являются задачи разработки эффективных алгоритмов управления контроллерами максимальной мощности фотоэлектрических станций и оптимизации состава оборудования HRES.
Значительный вклад в разработку, совершенствование и внедрение технологий возобновляемой энергетики внесли известные российские ученые: П.П. Безруких, Н.И. Воропай, В.В. Елистратов, О.С. Поппель, Д.С. Стребков, В.Г. Николаев, В.И. Виссарионов, М.Г. Тягунов, В.М. Андреев, В.Е. Фортов, Б.В. Лукутин, В.З. Манусов, Е.В. Соломин, В.И. Велькин и другие. Однако, научные проблемы, связанные с разработкой и применением эволюционных алгоритмов оптимизации для повышения эффективности систем электроснабжения на основе возобновляемых источников энергии, остаются во многом нерешенными.
Огромный потенциал и повсеместная доступность солнечной энергии определяют хорошие перспективы применения фотоэлектрических станций (ФЭС) в Российской Федерации (РФ), особенно в секторе микрогенерации, весомыми стимулами чему являются принятые меры государственной поддержки. Основными проблемами практического применения ФЭС являются относительно невысокая эффективность преобразования первичной солнечной энергии, и ярко- выраженная зависимость энергетических характеристик солнечных батарей (СБ) от внешних климатических условий.
Наиболее результативным способом повышения эффективности фотоэлектрических станций является применение режима экстремального регулирования мощности СБ при изменении внешних климатических условий. Практическая реализация данного режима ФЭС обеспечивается за счет применения контроллера поиска максимальной мощности (Maximum Power Point Tracking - MPPT), который обеспечивает автоматический поиск точки максимальной мощности (MPP) солнечных батарей в режиме реального времени.
Важнейшей характеристикой контроллеров солнечных батарей является используемый ими метод отслеживания MPP. Именно метод отслеживания MPP во многом определяет эффективность самого контроллера и соответственно ФЭС. Практически все известные промышленные MPPT контроллеры используют методы поиска MPP на основе классических алгоритмов, которым присущ ряд недостатков. В последнее время в научных периодических изданиях ежегодно публикуется большое количество научных работ, посвященных разработке и исследованию новых эволюционных алгоритмов поиска MPP СБ, что подтверждает высокую актуальность данной проблемы для фотоэнергетики.
Проведенный обзор современных научных работ, посвященных оптимизации состава оборудования HRES показал, что основными проблемами решения данной задачи являются достоверное прогнозирование мощности, генерируемой установками возобновляемой энергетики, и выбор алгоритма решения оптимизационной задачи, обеспечивающего надежное определение экстремума целевой функции при заданных ограничениях с минимальными временными затратами. Применение разнообразных приемов и способов решения данной задачи свидетельствует о том, что на сегодняшний день научная проблема оптимизации состава оборудования HRES остается актуальной и не имеет законченного решения.
Объектом исследования являются изолированные гибридные системы электроснабжения на основе возобновляемых источников энергии.
Предметом исследования являются алгоритмы поиска точки максимальной мощности солнечных батарей и оптимизации состава оборудования гибридных систем электроснабжения с возобновляемыми источниками энергии.
Цель диссертационной работы - повышение эффективности гибридных систем электроснабжения с возобновляемыми источниками энергии путем применения эволюционных алгоритмов оптимизации.
Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:
1. Выполнить сравнительный анализ способов повышения эффективности фотоэлектрических станций и методов отслеживания точки максимальной мощности солнечных батарей.
2. Разработать имитационную модель автономной фотоэлектрической станции, обеспечивающую моделирование ее динамических режимов и разработку эффективных алгоритмов управления.
3. Выполнить моделирование и провести анализ статических и динамических режимов преобразователя напряжения и контроллера максимальной мощности фотоэлектрической станции в условиях равномерного освещения и частичного затенения солнечных батарей.
4. Разработать методику выбора параметров основных компонентов автономной фотоэлектрической станции: преобразователя напряжения и контроллера поиска точки максимальной мощности, обеспечивающих максимально эффективное преобразование и использование солнечной энергии.
5. Определить оптимальные параметры эволюционных алгоритмов управления для цифровых контроллеров максимальной мощности фотоэлектрических станций.
6. Разработать методику оптимизации состава основного генерирующего оборудования гибридных систем электроснабжения на основе возобновляемых источников энергии.
Методы исследований. Для решения поставленных задач использовались основные положения теоретических основ электротехники и силовой электроники, методы анализа линейных и нелинейных электрических цепей, математическое, имитационное и компьютерное моделирование компонентов электротехнических комплексов и систем. В качестве инструмента исследований использовался математический пакет Matlab/Simulink.
Научная новизна работы заключается в следующем:
1. Разработана методика определения параметров преобразователя напряжения и контроллера поиска точки максимальной мощности фотоэлектрических станций, основанная на анализе энергетических характеристик солнечных батарей, обеспечивающая максимальное эффективное использование доступной солнечной энергии.
2. Получены оптимальные параметры алгоритма роя частиц для применения в контроллерах максимальной мощности фотоэлектрических станций, обеспечивающие надежное и точное определение точки максимальной мощности солнечных батарей с учетом топологии построения электростанции.
3. Разработана методика и программное приложение для оптимизации состава оборудования гибридных систем электроснабжения с возобновляемыми источниками энергии, построенная на алгоритме роя частиц, и отличающаяся применением оригинальных прогнозных моделей солнечного излучения и скоростей ветра, обеспечивающих повышение точности и возможности применения в любой географической точке России.
Практическую значимость работы составляют разработанные методики и инструменты решения задач расчета и выбора параметров основных компонентов фотоэлектрической станции: преобразователя напряжения и контроллера поиска точки максимальной мощности, обеспечивающие максимально эффективное использование солнечной энергии. Получены оптимальные параметры алгоритма роя частиц, обеспечивающие его практическое применение в контроллерах максимальной мощности фотоэлектрических станций с различной топологией построения. Разработанная методика и программное приложение обеспечивают оптимальный выбор состава генерирующего оборудования гибридных систем электроснабжения с возобновляемыми источниками энергии произвольной конфигурации.
Результаты диссертационной работы использовались на предприятии ООО «ВДМ-техника» при разработке, проектировании и изготовлении испытательного стенда-полигона гибридной системы электроснабжения на основе установок возобновляемой энергетики суммарной установленной мощностью 30 кВт.
Положения, выносимые на защиту:
1. Методика выбора параметров преобразователя напряжения и контроллера поиска точки максимальной мощности фотоэлектрических станций, основанная на анализе энергетических характеристик солнечных батарей.
2. Алгоритм роя частиц с оптимизированными параметрами для применения в контроллерах максимальной мощности фотоэлектрических станций с учетом топологии построения электростанции.
3. Методика и программное приложение для оптимизации состава оборудования гибридных систем электроснабжения с возобновляемыми источниками энергии, построенная на эволюционном алгоритме роя частиц.
Степень достоверности и апробация результатов исследования. Достоверность полученных результатов определяется корректным использованием теоретически обоснованных методов исследований, подтверждена сопоставлением с результатами других аналогичных исследований, успешной апробацией при проектировании и изготовлении испытательного стенда-полигона гибридной системы электроснабжения.
Апробация работы и публикации. Основные положения и результаты научно-квалификационной работы докладывались и обсуждались: Международная научная конференция «The 1st IEEE 2019 International Youth Conference on Radio Electronics, Electrical and Power Engineering (REEPE), (IEEE REEPE 2019). Москва, Россия 14-15 Марта 2019 г.; Международная научная конференция «Энерго- ресурсоэффективность в интересах устойчивого развития». Томск, Россия 12-16 ноября 2018г.; Международный молодежный форум «Интеллектуальные энергосистемы». Томск, Россия 9-13 октября 2017 г.; Международная конференция «Прикладная физика, информационные технологии и инжиниринг» - «International conference on Applied Physics, Information Technologies and Engineering» (APITECH- 2019).). г. Красноярск, 25-27 сентября 2019 г.; The III international conference on knowledge engineering and applications (ICKEA 2018) Москва, Россия 25-27 июня 2018 г.;
Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 научных работ, среди которых 3 - в журналах из перечня ВАК; 9 - в изданиях, индексируемых в SCOPUS и Web of Science, получены 3 свидетельства о государственной регистрации программ для ЭВМ.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа содержит 199 страниц, в том числе 67 рисунков, 18 таблиц, список цитируемой литературы из 131 наименования, состоит из введения, 5-и глав, заключения и 2-х приложений.
Для построения HRES с требуемым уровнем надежности и высокими техникоэкономическими показателями необходимо обеспечить эффективное использование и преобразование первичной возобновляемой энергии. Стохастический характер первичных энергоносителей и нелинейность характеристик генерирующих источников определяют высокую сложность решения данной задачи, связанной с нахождением наилучшего варианта решения с различными критериями и с соблюдением различных ограничений. С математической точки зрения задачи подобного рода классифицируются как оптимизационные, и для их решения разработаны и применяются разнообразные методы математического программирования.
Для решения сложных оптимизационных задач в последнее время все чаще применяются математические алгоритмы, построенные по аналогии с естественными законами эволюции в природе. Такие алгоритмы получили название «эволюционных», и они активно используются для решения различных научных и инженерных задач. Наиболее востребованными областями практического применения эволюционных алгоритмов оптимизации в возобновляемой энергетике являются задачи разработки эффективных алгоритмов управления контроллерами максимальной мощности фотоэлектрических станций и оптимизации состава оборудования HRES.
Значительный вклад в разработку, совершенствование и внедрение технологий возобновляемой энергетики внесли известные российские ученые: П.П. Безруких, Н.И. Воропай, В.В. Елистратов, О.С. Поппель, Д.С. Стребков, В.Г. Николаев, В.И. Виссарионов, М.Г. Тягунов, В.М. Андреев, В.Е. Фортов, Б.В. Лукутин, В.З. Манусов, Е.В. Соломин, В.И. Велькин и другие. Однако, научные проблемы, связанные с разработкой и применением эволюционных алгоритмов оптимизации для повышения эффективности систем электроснабжения на основе возобновляемых источников энергии, остаются во многом нерешенными.
Огромный потенциал и повсеместная доступность солнечной энергии определяют хорошие перспективы применения фотоэлектрических станций (ФЭС) в Российской Федерации (РФ), особенно в секторе микрогенерации, весомыми стимулами чему являются принятые меры государственной поддержки. Основными проблемами практического применения ФЭС являются относительно невысокая эффективность преобразования первичной солнечной энергии, и ярко- выраженная зависимость энергетических характеристик солнечных батарей (СБ) от внешних климатических условий.
Наиболее результативным способом повышения эффективности фотоэлектрических станций является применение режима экстремального регулирования мощности СБ при изменении внешних климатических условий. Практическая реализация данного режима ФЭС обеспечивается за счет применения контроллера поиска максимальной мощности (Maximum Power Point Tracking - MPPT), который обеспечивает автоматический поиск точки максимальной мощности (MPP) солнечных батарей в режиме реального времени.
Важнейшей характеристикой контроллеров солнечных батарей является используемый ими метод отслеживания MPP. Именно метод отслеживания MPP во многом определяет эффективность самого контроллера и соответственно ФЭС. Практически все известные промышленные MPPT контроллеры используют методы поиска MPP на основе классических алгоритмов, которым присущ ряд недостатков. В последнее время в научных периодических изданиях ежегодно публикуется большое количество научных работ, посвященных разработке и исследованию новых эволюционных алгоритмов поиска MPP СБ, что подтверждает высокую актуальность данной проблемы для фотоэнергетики.
Проведенный обзор современных научных работ, посвященных оптимизации состава оборудования HRES показал, что основными проблемами решения данной задачи являются достоверное прогнозирование мощности, генерируемой установками возобновляемой энергетики, и выбор алгоритма решения оптимизационной задачи, обеспечивающего надежное определение экстремума целевой функции при заданных ограничениях с минимальными временными затратами. Применение разнообразных приемов и способов решения данной задачи свидетельствует о том, что на сегодняшний день научная проблема оптимизации состава оборудования HRES остается актуальной и не имеет законченного решения.
Объектом исследования являются изолированные гибридные системы электроснабжения на основе возобновляемых источников энергии.
Предметом исследования являются алгоритмы поиска точки максимальной мощности солнечных батарей и оптимизации состава оборудования гибридных систем электроснабжения с возобновляемыми источниками энергии.
Цель диссертационной работы - повышение эффективности гибридных систем электроснабжения с возобновляемыми источниками энергии путем применения эволюционных алгоритмов оптимизации.
Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:
1. Выполнить сравнительный анализ способов повышения эффективности фотоэлектрических станций и методов отслеживания точки максимальной мощности солнечных батарей.
2. Разработать имитационную модель автономной фотоэлектрической станции, обеспечивающую моделирование ее динамических режимов и разработку эффективных алгоритмов управления.
3. Выполнить моделирование и провести анализ статических и динамических режимов преобразователя напряжения и контроллера максимальной мощности фотоэлектрической станции в условиях равномерного освещения и частичного затенения солнечных батарей.
4. Разработать методику выбора параметров основных компонентов автономной фотоэлектрической станции: преобразователя напряжения и контроллера поиска точки максимальной мощности, обеспечивающих максимально эффективное преобразование и использование солнечной энергии.
5. Определить оптимальные параметры эволюционных алгоритмов управления для цифровых контроллеров максимальной мощности фотоэлектрических станций.
6. Разработать методику оптимизации состава основного генерирующего оборудования гибридных систем электроснабжения на основе возобновляемых источников энергии.
Методы исследований. Для решения поставленных задач использовались основные положения теоретических основ электротехники и силовой электроники, методы анализа линейных и нелинейных электрических цепей, математическое, имитационное и компьютерное моделирование компонентов электротехнических комплексов и систем. В качестве инструмента исследований использовался математический пакет Matlab/Simulink.
Научная новизна работы заключается в следующем:
1. Разработана методика определения параметров преобразователя напряжения и контроллера поиска точки максимальной мощности фотоэлектрических станций, основанная на анализе энергетических характеристик солнечных батарей, обеспечивающая максимальное эффективное использование доступной солнечной энергии.
2. Получены оптимальные параметры алгоритма роя частиц для применения в контроллерах максимальной мощности фотоэлектрических станций, обеспечивающие надежное и точное определение точки максимальной мощности солнечных батарей с учетом топологии построения электростанции.
3. Разработана методика и программное приложение для оптимизации состава оборудования гибридных систем электроснабжения с возобновляемыми источниками энергии, построенная на алгоритме роя частиц, и отличающаяся применением оригинальных прогнозных моделей солнечного излучения и скоростей ветра, обеспечивающих повышение точности и возможности применения в любой географической точке России.
Практическую значимость работы составляют разработанные методики и инструменты решения задач расчета и выбора параметров основных компонентов фотоэлектрической станции: преобразователя напряжения и контроллера поиска точки максимальной мощности, обеспечивающие максимально эффективное использование солнечной энергии. Получены оптимальные параметры алгоритма роя частиц, обеспечивающие его практическое применение в контроллерах максимальной мощности фотоэлектрических станций с различной топологией построения. Разработанная методика и программное приложение обеспечивают оптимальный выбор состава генерирующего оборудования гибридных систем электроснабжения с возобновляемыми источниками энергии произвольной конфигурации.
Результаты диссертационной работы использовались на предприятии ООО «ВДМ-техника» при разработке, проектировании и изготовлении испытательного стенда-полигона гибридной системы электроснабжения на основе установок возобновляемой энергетики суммарной установленной мощностью 30 кВт.
Положения, выносимые на защиту:
1. Методика выбора параметров преобразователя напряжения и контроллера поиска точки максимальной мощности фотоэлектрических станций, основанная на анализе энергетических характеристик солнечных батарей.
2. Алгоритм роя частиц с оптимизированными параметрами для применения в контроллерах максимальной мощности фотоэлектрических станций с учетом топологии построения электростанции.
3. Методика и программное приложение для оптимизации состава оборудования гибридных систем электроснабжения с возобновляемыми источниками энергии, построенная на эволюционном алгоритме роя частиц.
Степень достоверности и апробация результатов исследования. Достоверность полученных результатов определяется корректным использованием теоретически обоснованных методов исследований, подтверждена сопоставлением с результатами других аналогичных исследований, успешной апробацией при проектировании и изготовлении испытательного стенда-полигона гибридной системы электроснабжения.
Апробация работы и публикации. Основные положения и результаты научно-квалификационной работы докладывались и обсуждались: Международная научная конференция «The 1st IEEE 2019 International Youth Conference on Radio Electronics, Electrical and Power Engineering (REEPE), (IEEE REEPE 2019). Москва, Россия 14-15 Марта 2019 г.; Международная научная конференция «Энерго- ресурсоэффективность в интересах устойчивого развития». Томск, Россия 12-16 ноября 2018г.; Международный молодежный форум «Интеллектуальные энергосистемы». Томск, Россия 9-13 октября 2017 г.; Международная конференция «Прикладная физика, информационные технологии и инжиниринг» - «International conference on Applied Physics, Information Technologies and Engineering» (APITECH- 2019).). г. Красноярск, 25-27 сентября 2019 г.; The III international conference on knowledge engineering and applications (ICKEA 2018) Москва, Россия 25-27 июня 2018 г.;
Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 научных работ, среди которых 3 - в журналах из перечня ВАК; 9 - в изданиях, индексируемых в SCOPUS и Web of Science, получены 3 свидетельства о государственной регистрации программ для ЭВМ.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа содержит 199 страниц, в том числе 67 рисунков, 18 таблиц, список цитируемой литературы из 131 наименования, состоит из введения, 5-и глав, заключения и 2-х приложений.
Основными результатами диссертационной работы являются:
1. Выполнен сравнительный анализ способов повышения эффективности фотоэлектрических станций и методов отслеживания точки максимальной мощности солнечных батарей в условиях равномерного освещения и частичного затенения.
2. Разработана имитационная модель автономной фотоэлектрической станции, обеспечивающая моделирование ее динамических режимов и разработку эффективных алгоритмов управления контроллерами максимальной мощности солнечных батарей.
3. Предложен метод расчета и выбора параметров преобразователей напряжения фотоэлектрических станций, основанный на анализе энергетических характеристик солнечных батарей, обеспечивающий максимально эффективное использование и преобразование доступной солнечной энергии.
4. Предложен, теоретически обоснован и подтвержден результатами моделирования метод определения оптимальных значений времени выборки для цифровых MPPT контроллеров фотоэлектрических станций, обеспечивающий их максимальное быстродействие.
5. Определены оптимальные параметры алгоритма роя частиц для применения в MPPT контроллерах фотоэлектрических станций с учетом архитектуры построения электростанции и конфигурации солнечных батарей .
6. Выполнен сравнительный анализ эффективности применения контроллеров максимальной мощности на основе эволюционных и классических алгоритмов, результаты которого показали значительные преимущества эволюционных алгоритмов при отслеживании точки максимальной мощности: в условиях частичного затенения солнечных батарей эффективность эволюционных алгоритмов выше до 70%.
7. Разработана методика и программное приложение для оптимизации состава оборудования гибридных систем электроснабжения с возобновляемыми источниками энергии, построенная на алгоритме роя частиц, обеспечивающая оптимальный выбор состава оборудования систем произвольных конфигураций при заданных критериях оптимизации и ограничениях.
1. Выполнен сравнительный анализ способов повышения эффективности фотоэлектрических станций и методов отслеживания точки максимальной мощности солнечных батарей в условиях равномерного освещения и частичного затенения.
2. Разработана имитационная модель автономной фотоэлектрической станции, обеспечивающая моделирование ее динамических режимов и разработку эффективных алгоритмов управления контроллерами максимальной мощности солнечных батарей.
3. Предложен метод расчета и выбора параметров преобразователей напряжения фотоэлектрических станций, основанный на анализе энергетических характеристик солнечных батарей, обеспечивающий максимально эффективное использование и преобразование доступной солнечной энергии.
4. Предложен, теоретически обоснован и подтвержден результатами моделирования метод определения оптимальных значений времени выборки для цифровых MPPT контроллеров фотоэлектрических станций, обеспечивающий их максимальное быстродействие.
5. Определены оптимальные параметры алгоритма роя частиц для применения в MPPT контроллерах фотоэлектрических станций с учетом архитектуры построения электростанции и конфигурации солнечных батарей .
6. Выполнен сравнительный анализ эффективности применения контроллеров максимальной мощности на основе эволюционных и классических алгоритмов, результаты которого показали значительные преимущества эволюционных алгоритмов при отслеживании точки максимальной мощности: в условиях частичного затенения солнечных батарей эффективность эволюционных алгоритмов выше до 70%.
7. Разработана методика и программное приложение для оптимизации состава оборудования гибридных систем электроснабжения с возобновляемыми источниками энергии, построенная на алгоритме роя частиц, обеспечивающая оптимальный выбор состава оборудования систем произвольных конфигураций при заданных критериях оптимизации и ограничениях.