Помощь студентам в учебе
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНАЯ ФОТО-ДИЗЕЛЬНАЯ СИСТЕМА ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ НА ПОСТОЯННОМ ТОКЕ
|
ВВЕДЕНИЕ 4
1. ИССЛЕДОВАНИЕ СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ АВТОНОМНЫХ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ПОСТОЯННОГО ТОКА С ВОЗОБНОВЛЯЕМЫМИ
ИСТОЧНИКАМИ ЭНЕРГИИ 11
1.1 Современные тренды развития электроэнергетических систем 11
1.2 Тенденции развития автономных систем электроснабжения в России 17
1.3 Аналитический обзор существующих схем автономных систем электроснабжения на
постоянном токе 23
1.4 Концепция электрического сопряжения фотоэлектрических и дизельных электрических
станций на постоянном токе 30
1.5 Выводы по первой главе 32
2. ИМИТАЦИОННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭЛЕМЕНТОВ ФОТОДИЗЕЛЬНОЙ
СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ НА ПОСТОЯННОМ ТОКЕ 33
2.1 Сравнительный анализ методов оптимизации и расчётных комплексов для автономных
систем электроснабжения 33
2.2 Преимущества и недостатки программных комплексов. Выбор среды имитационного
моделирования 38
2.3 Моделирование режимов работы дизель-генераторной установки выпрямительного
типа в MATLAB/Simulink 41
2.4 Математическое описание и модель фотоэлектрической системы в MATLAB/Simulink
49
2.5 Построение математической модели прихода инсоляции и температуры окружающей
среды в MATLAB/Simulink 52
2.6 Моделирование системы накопления электрической энергии в MATLAB/Simulink 57
2.7 Моделирование потребителя электрической энергии в MATLAB/Simulink 60
2.8 Выводы по второй главе 61
3. РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМОВ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОЙ
РАБОТЫ ФОТОДИЗЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ НА ПОСТОЯННОМ ТОКЕ 64
3.1 Анализ рабочих режимов дизельной системы электроснабжения и обоснование
методов повышения её энергоэффективности 64
3.2 Требования к формированию энергоэффективных режимов работы фотодизельных
систем электроснабжения на постоянном токе 70
3.3 Разработка алгоритмов управления режимами работы фотодизельной системы
электроснабжения на постоянном токе 75
3.4 Выводы по третьей главе 82
4. ТЕСТИРОВАНИЕ РАЗРАБОТАННЫХ КОМПЬЮТЕРНЫХ МОДЕЛЕЙ И
АЛГОРИТМОВ ОПТИМИЗАЦИИ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ АВТОНОМНОГО ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ 84
4.1 Выбор и оценка технико-экономических характеристик тестовых систем
электроснабжения 84
4.2 Исследование разработанной фотодизельной системы электроснабжения на
постоянном токе проведением численного эксперимента по разработанным компьютерным моделям в MATLAB/Simulink/Stateflow 92
4.3 Технико-экономическое обоснование использования фотодизельных систем
электроснабжения на постоянном токе 108
4.4 Выводы по четвёртой главе 114
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 116
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 119
1. ИССЛЕДОВАНИЕ СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ АВТОНОМНЫХ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ПОСТОЯННОГО ТОКА С ВОЗОБНОВЛЯЕМЫМИ
ИСТОЧНИКАМИ ЭНЕРГИИ 11
1.1 Современные тренды развития электроэнергетических систем 11
1.2 Тенденции развития автономных систем электроснабжения в России 17
1.3 Аналитический обзор существующих схем автономных систем электроснабжения на
постоянном токе 23
1.4 Концепция электрического сопряжения фотоэлектрических и дизельных электрических
станций на постоянном токе 30
1.5 Выводы по первой главе 32
2. ИМИТАЦИОННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭЛЕМЕНТОВ ФОТОДИЗЕЛЬНОЙ
СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ НА ПОСТОЯННОМ ТОКЕ 33
2.1 Сравнительный анализ методов оптимизации и расчётных комплексов для автономных
систем электроснабжения 33
2.2 Преимущества и недостатки программных комплексов. Выбор среды имитационного
моделирования 38
2.3 Моделирование режимов работы дизель-генераторной установки выпрямительного
типа в MATLAB/Simulink 41
2.4 Математическое описание и модель фотоэлектрической системы в MATLAB/Simulink
49
2.5 Построение математической модели прихода инсоляции и температуры окружающей
среды в MATLAB/Simulink 52
2.6 Моделирование системы накопления электрической энергии в MATLAB/Simulink 57
2.7 Моделирование потребителя электрической энергии в MATLAB/Simulink 60
2.8 Выводы по второй главе 61
3. РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМОВ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОЙ
РАБОТЫ ФОТОДИЗЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ НА ПОСТОЯННОМ ТОКЕ 64
3.1 Анализ рабочих режимов дизельной системы электроснабжения и обоснование
методов повышения её энергоэффективности 64
3.2 Требования к формированию энергоэффективных режимов работы фотодизельных
систем электроснабжения на постоянном токе 70
3.3 Разработка алгоритмов управления режимами работы фотодизельной системы
электроснабжения на постоянном токе 75
3.4 Выводы по третьей главе 82
4. ТЕСТИРОВАНИЕ РАЗРАБОТАННЫХ КОМПЬЮТЕРНЫХ МОДЕЛЕЙ И
АЛГОРИТМОВ ОПТИМИЗАЦИИ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ АВТОНОМНОГО ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ 84
4.1 Выбор и оценка технико-экономических характеристик тестовых систем
электроснабжения 84
4.2 Исследование разработанной фотодизельной системы электроснабжения на
постоянном токе проведением численного эксперимента по разработанным компьютерным моделям в MATLAB/Simulink/Stateflow 92
4.3 Технико-экономическое обоснование использования фотодизельных систем
электроснабжения на постоянном токе 108
4.4 Выводы по четвёртой главе 114
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 116
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 119
Актуальность темы исследования. В мире широко практикуется интеграция различных видов возобновляемых источников энергии (ВИЭ) с системой накопления электроэнергии (СНЭЭ), в состав автономного электротехнического комплекса электроснабжения на дизель - генераторных установках (ДГУ). В настоящее время чаще интегрируются фотоэлектрические станции (ФЭС) благодаря хорошим эксплуатационным характеристикам и стабильно снижающейся стоимости. Получаемые автономные фото-дизельные электроэнергетические системы (ФДЭС) переменного тока обладают набором известных технических, экономических и экологических преимуществ, обосновывающих их использование для электроснабжения объектов, не имеющих доступа к централизованной электроэнергетической системе. Подобными маломощными объектами (единицы-десятки кВт) являются нефтегазовые и горнодобывающие предприятия, малочисленные населённые пункты, вахтовые жилые посёлки, метеорологические станции, базовые вышки сотовой связи и т.п. В качестве главного положительного эффекта от использования ФДЭС является экономия дизельного топлива за счёт замещения части электрической энергии ДГУ фотоэлектрической генерацией.
Обычно, электрическим узлом сопряжения ФЭС для взаимодействия на переменном токе с ДГУ является сетевой (гибридный) инвертор. Однако, превышение фотоэлектрической выработки свыше допустимого уровня в определённые временные интервалы ведет к необходимости ограничения выходной мощности ФЭС. Причиной мощностного лимита ФЭС относительно ДГУ является соблюдение условия устойчивой работы сетевого инвертора. Обычно рекомендуемая величина установленной мощности ФЭС, работающей параллельно с ДГУ, не должна превышать 30-40% от суммарной генерации. Для повышения энергоэффективности ФДЭС, вся доступная энергия ФЭС должна потребляться нагрузкой, при балансе генерируемой и потребляемой электроэнергии в автономной системе электроснабжения. Следует отметить, что характерной эксплуатационной особенностью большинства ДГУ не только в России, но и в мире, является значительный уровень морального устаревания и физического износа дизельных двигателей, что снижает их технико-экономические характеристики. Удельный расход условного топлива на полезный отпуск электроэнергии на объектах «малой генерации» в России составляет в среднем 476 г.у.т./кВт-ч. В то же время реальной возможности отказаться от ДГУ без снижения надёжности и критерия гарантированного электроснабжения нет.
Таким образом, для развития общей теории электротехнических комплексов автономного электроснабжения, изучения их системных свойств и связей компонентов с целью улучшения технико-экономических характеристик ФДЭС актуально пересмотреть использование классической топологии переменного тока в таких системах электроснабжения в пользу топологии ФДЭС на постоянном токе.
Комплекс решений рассматриваемой научно-технической задачи должен обосновываться разработкой концепции структурного взаимодействия между компонентами ФДЭС на постоянном токе, разработкой энергоэффективных алгоритмов управления системой на постоянном токе, основывающихся на интеллектуальных подходах принятия решений с целью увеличения вклада ФЭС в общем энергетическом балансе в сравнении с системой на переменном токе. Обоснование должно дополняться разработкой методики оптимизации электротехнического комплекса автономного электроснабжения, направленной на минимизацию эксплуатационных издержек ФДЭС на постоянном токе.
Степень разработанности темы исследования. Среди отечественных исследовательских школ по тематике научно-технического обоснования практического применения ВИЭ необходимо отметить работы известных советских и российских учёных Н.И. Воропая, Ж.И. Алфёрова, В.И. Виссарионова, Н.Е. Жуковского и др. Также трудно не оценить весомый вклад работ Е.М. Фатеева в вопросах применения ветроэнергетических установок в составе единой изолированной энергетической системы. Среди иностранных исследователей необходимо отметить A.T. Elsayed, A.A. Mohamed, O. A. Mohammed, J.J. Justo, F. Mwasilu, J. Lee, J-W. Jung, M. Habib, L.A. Amine, F. Khoucha и др.
На современном этапе фундаментальный вклад в области учёта особенностей организации электроснабжения автономных систем с ВИЭ, обоснованию методик оптимизации комплектного состава и режимов работы принадлежит профессору Б.В. Лукутину и профессору С.Г. Обухову, рассматривавшим, главным образом, ветро-дизельные и фото-дизельные электротехнические комплексы. Среди зарубежных исследований следует выделить авторов R. Du fo-Lopez, Josd L. Bernal-Agustin, F. Jurado, охвативших масштабный диапазон вопросов оптимизации состава и режимов работы гибридных электротехнических комплексов с ВИЭ, выбора стратегий управления электрической нагрузкой. Вопросы передачи электроэнергии постоянным током были представлены в работах Н.Г. Лозинова, Л.Л. Владимирского, О.В. Суслова, Э.А.-З Джендубаева и А.-З.Р. Джендубаева, J. Partanen, T. Kaipia, J. Karppanen, A. Narayanan, A. Mattsson и др.
Однако, проработанность темы исследования остаётся неисчерпанной: не полностью изучены вопросы учёта влияния массива разнообразных неконтролируемых внешних воздействий на эффективность генерируемой электрической энергии от ФЭС; почти не затрагиваются аспекты определения оптимальной ёмкости СНЭЭ в составе ФДЭС с целью минимизации суммарных эксплуатационных издержек; не решён ряд вопросов энергоэффективного управления генерирующими источниками и накопителями энергии в составе ФДЭС на постоянном токе; не в полной мере раскрыты аспекты увеличения вклада возобновляемого энергоносителя в общий энергетический баланс автономной системы электроснабжения (АСЭС).
Создание перспективной ФДЭС постоянного тока, способной увеличить долю фотоэлектрической генерации относительно ДГУ по сравнению с аналогичной системой переменного тока, требует разработки оптимальной структуры взаимодействия энергетического оборудования и алгоритмов управления процессами преобразования и распределения энергии в АСЭС, обеспечивающих высокую энергетическую эффективность рассматриваемого электротехнического комплекса, что определило цель и задачи данной работы.
Объект исследования - автономный электротехнический комплекс электроснабжения на постоянном токе с фото-дизельным энергоисточником и системой аккумулирования электроэнергии.
Предмет исследования - параметрический синтез и оптимизация автономного фото- дизельного электротехнического комплекса электроснабжения, разработка энергоэффективных алгоритмов управления его рабочими режимами.
Цель работы - повышение энергоэффективности автономных фото-дизельных электротехнических комплексов электроснабжения путём оптимизации их состава и режимов работы с использованием интеграции ДГУ и ФЭС на шине постоянного тока.
Идея работы. Повышение энергоэффективности автономных фото-дизельных электротехнических комплексов электроснабжения путём оптимизации состава генерирующих источников и накопителей электроэнергии на шине постоянного тока и применением оптимальных алгоритмов управления работой системы.
Основные задачи исследования:
1. Проанализировать факторы, влияющие на технико-экономические и экологические показатели работы автономных ДГУ, исследовать распространённые оптимизационные программные комплексы для проектирования гибридных систем электроснабжения с участием ВИЭ, изучить режимы работы гибридных комплексов, определить пути повышения их энергоэффективности.
2. Провести сравнительный анализ современного состояния автономных гибридных энергокомплексов на переменном и постоянном токах, учитывая климатические и географические условия функционирования объекта исследования на территории России, разработать концепцию структурного взаимодействия ФЭС, СНЭЭ и ДГУ на постоянном токе, учитывая временные масштабы протекающих процессов.
3. Разработать компьютерные модели компонентов и ФДЭС постоянного тока в комплексе, отражающие процессы преобразования и распределения потоков энергии, с целью анализа и оптимизации энергетических характеристик автономного электротехнического комплекса.
4. Разработать энергоэффективные алгоритмы управления рабочими режимами генерирующих и аккумулирующих энергоустановок. Изучить применяемые алгоритмы управления ДГУ и разработать имитационную модель управления подачей топлива ДГУ в связке с накопителем электроэнергии на шине постоянного тока.
5. Провести численные инженерные эксперименты, подтверждающие эффективность методики оптимизации параметров ФДЭС постоянного тока и разработанных алгоритмов управления.
6. Обосновать увеличение энергетического вклада ФЭС в автономную дизель- генераторную сеть постоянного тока по сравнению с сетью переменного тока, а также инвестиционную привлекательность предлагаемого электротехнического комплекса.
Научная новизна:
1. Разработаны энергоэффективные алгоритмы управления дизель-генераторной
установкой, фото-электрической станцией и системой накопления электрической энергии в автономной системе электроснабжения, отличающиеся интеллектуальным подходом к принятию решения по управлению энергетическим балансом фото-дизельных электротехнических систем на постоянном токе с результатом максимизации вклада фото -электрической станции до 50%. Алгоритмы отличаются универсальностью применения на территориях до 66° с.ш., и позволяют учитывать технико-экономические характеристики используемого энергооборудования, а также массивы внешних неконтролируемых воздействий на электротехнический комплекс.
2. Разработана оригинальная математическая и компьютерная модель фото - дизельной электротехнической системы постоянного тока, отличающаяся возможностью проведения оптимизации установленных мощностей генерирующих и аккумулирующих источников электроэнергии, по критерию минимизации эксплуатационных затрат. Отличительной чертой разработки является модельно-ориентированный анализ данных технической спецификации дизель-генераторной установки, позволяющий получать внешнескоростные и мощностные характеристики агрегата малой мощности для систем постоянного тока. Использование разработанной модели позволило получить экономию дизельного топлива до 15% в год и уменьшение выбросов в атмосферу на 11%.
3. Обоснована концепция взаимодействия между компонентами ФДЭС на постоянном токе, позволяющая упростить управление энергетическими установками различной физической природы. Концепция взаимодействия отличается разделением на уровни контроля АСЭС с топливным и возобновляемым энергоносителем, с учётом временных характеристик исследуемых процессов.
Теоретическая значимость работы. Основные положения и выводы диссертационного исследования вносят определённый вклад в дальнейшее развитии теории электротехнических комплексов электроснабжения, в частности автономных ФДЭС постоянного тока. Показаны преимущества автономных ФДЭС с интеграцией энергетического оборудования на шине постоянного тока. Предложены алгоритмы управления эксплуатационными режимами генерирующего и аккумулирующего оборудования, обеспечивающие оптимальные технико - экономические показатели гибридного электротехнического комплекса электроснабжения с ФДЭС постоянного тока.
Практическая значимость работы. Разработанные и реализованные в программном комплексе MATLAB оригинальные имитационные компьютерные модели ФЭС, ДГУ и СНЭЭ, а также совокупная модель ФДЭС на постоянном токе актуальны для использования в организациях, разрабатывающих и производящих оборудование для установок возобновляемой энергетики, а также на предприятиях, занимающимися вопросами энергообеспечения децентрализованных регионов России для оценки принимаемых решений в области проектирования, создания и эксплуатации электротехнических комплексов электроснабжения с ВИЭ.
Методика технико-экономического анализа характеристик ФДЭС постоянного тока с СНЭЭ, обеспечивающая рациональный выбор и оптимизацию генерирующего оборудования методом покоординатного спуска используются в методических материалах по курсу «Интеллектуальные системы электроснабжения с возобновляемыми источниками энергии» для магистрантов Инженерной школы энергетики Томского политехнического университета.
Методология и методы исследований. При выполнении исследования использовались методы инженерного анализа и обобщения результатов, метод параметрической оптимизации покоординатного спуска для решения задач с объявленными ограничениями, метод математического и компьютерного моделирования, а также общенаучные методы познания. Экспериментальные исследования выполнялись с использованием имитационного моделирования в среде Simulink и Stateflow программного комплекса MATLAB, а также программирования на языке внутреннего синтаксиса MATLAB.
Положения, выносимые на защиту:
1. Применение разработанных энергоэффективных алгоритмов управления генерацией и накоплением электроэнергии в автономной фото-дизельной системе электроснабжения постоянного тока (до 100 кВт включительно), основанной на интеллектуальном подходе принятия решений, позволит увеличить долю вклада возобновляемого энергоносителя в энергетический баланс автономного электротехнического комплекса до 50% по сравнению с системой на переменном токе (до 40%).
2. Применение универсальной имитационной компьютерной модели фото-дизельной системы электроснабжения на постоянном токе, осуществляющей оптимизацию установленных мощностей источников электроэнергии по критерию минимизации издержек на строительство и эксплуатацию электротехнического комплекса, позволит улучшить технические показатели - КИУМ ФЭС до 22%, экономические показатели - снижение себестоимости вырабатываемой электроэнергии на 8%, уменьшение потребления дизельного топлива до 15% по сравнению с системой на переменном токе и экологические показатели работы автономной энергосистемы с возобновляемым источником энергии - уменьшение вредных выбросов в атмосферу до 11% по сравнению с системой на переменном токе.
3. Улучшение технико-экономических и экологических показателей автономных ФДЭС может быть достигнуто путём изменения топологической структуры взаимодействия генерирующих и накапливающих энергоисточников с переменного на постоянный ток.
Степень достоверности и апробация результатов работы. Степень достоверности научных положений, выводов и рекомендаций обеспечена необходимым объёмом исследований, включающих научный анализ и обобщение ранее опубликованных исследований, а также корректным применением известных теорий электротехники и методов математического и компьютерного моделирования электротехнических комплексов, результатами численных экспериментов с использованием общепризнанных программных комплексов.
Основные положения и результаты диссертации докладывались и обсуждались на Международной конференции «Тепломассоперенос в системах обеспечения тепловых режимов энергонасыщенного технического и технологического оборудования» (г. Томск, 2019 г.), на Всероссийской молодёжной конференции с международным участием «Системные исследования в энергетике» (г. Иркутск, 2019 г.), на 14-ом Международном форуме по стратегическим технологиям IFOST-2019 (г. Томск, 2019 г.), на Международной научно - практической конференции «Экологическая, промышленная и энергетическая безопасность - 2019» (г. Севастополь, 2019 г.).
Личный вклад автора. Диссертационная работа является результатом самостоятельных исследований автора, где все научные положения и результаты, определяющие научную новизну и практическую значимость работы, получены соискателем лично. Автором лично разработан программный комплекс для оптимизации состава генерирующих источников и накопителей электроэнергии в составе ФДЭС постоянного тока на основе оптимизационного метода покоординатного спуска. Лично соискателем разработан алгоритм энергоэффективного управления компонентами ФДЭС на постоянном токе, использующий интеллектуальные подходы принятия решений по максимизации вклада ФЭС. Личное участие автора подтверждено публикациями и выступлениями на конференциях. В опубликованных в соавторстве печатных работах, автору принадлежит научное обоснование принятых технических решений, разработка имитационных математических моделей, методик и алгоритмов, анализ и обобщение результатов теоретических и экспериментальных исследований.
Публикации. Основные результаты диссертационной работы опубликованы 4 печатных работах, в том числе в 2 статьях в изданиях из Перечня ВАК: рецензируемых научных изданий, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертации на соискание учёной степени кандидата наук, а также в 2 статьях в изданиях, входящих в международную базу данных и систему цитирования Scopus.
Структура и объём работы. Диссертация состоит из оглавления, введения, четырёх глав с выводами по каждой из них, заключения, списка литературы, включающего 117 наименований. Диссертация изложена на 129 страницах машинописного текста, содержит 48 рисунков и 8 таблиц.
Обычно, электрическим узлом сопряжения ФЭС для взаимодействия на переменном токе с ДГУ является сетевой (гибридный) инвертор. Однако, превышение фотоэлектрической выработки свыше допустимого уровня в определённые временные интервалы ведет к необходимости ограничения выходной мощности ФЭС. Причиной мощностного лимита ФЭС относительно ДГУ является соблюдение условия устойчивой работы сетевого инвертора. Обычно рекомендуемая величина установленной мощности ФЭС, работающей параллельно с ДГУ, не должна превышать 30-40% от суммарной генерации. Для повышения энергоэффективности ФДЭС, вся доступная энергия ФЭС должна потребляться нагрузкой, при балансе генерируемой и потребляемой электроэнергии в автономной системе электроснабжения. Следует отметить, что характерной эксплуатационной особенностью большинства ДГУ не только в России, но и в мире, является значительный уровень морального устаревания и физического износа дизельных двигателей, что снижает их технико-экономические характеристики. Удельный расход условного топлива на полезный отпуск электроэнергии на объектах «малой генерации» в России составляет в среднем 476 г.у.т./кВт-ч. В то же время реальной возможности отказаться от ДГУ без снижения надёжности и критерия гарантированного электроснабжения нет.
Таким образом, для развития общей теории электротехнических комплексов автономного электроснабжения, изучения их системных свойств и связей компонентов с целью улучшения технико-экономических характеристик ФДЭС актуально пересмотреть использование классической топологии переменного тока в таких системах электроснабжения в пользу топологии ФДЭС на постоянном токе.
Комплекс решений рассматриваемой научно-технической задачи должен обосновываться разработкой концепции структурного взаимодействия между компонентами ФДЭС на постоянном токе, разработкой энергоэффективных алгоритмов управления системой на постоянном токе, основывающихся на интеллектуальных подходах принятия решений с целью увеличения вклада ФЭС в общем энергетическом балансе в сравнении с системой на переменном токе. Обоснование должно дополняться разработкой методики оптимизации электротехнического комплекса автономного электроснабжения, направленной на минимизацию эксплуатационных издержек ФДЭС на постоянном токе.
Степень разработанности темы исследования. Среди отечественных исследовательских школ по тематике научно-технического обоснования практического применения ВИЭ необходимо отметить работы известных советских и российских учёных Н.И. Воропая, Ж.И. Алфёрова, В.И. Виссарионова, Н.Е. Жуковского и др. Также трудно не оценить весомый вклад работ Е.М. Фатеева в вопросах применения ветроэнергетических установок в составе единой изолированной энергетической системы. Среди иностранных исследователей необходимо отметить A.T. Elsayed, A.A. Mohamed, O. A. Mohammed, J.J. Justo, F. Mwasilu, J. Lee, J-W. Jung, M. Habib, L.A. Amine, F. Khoucha и др.
На современном этапе фундаментальный вклад в области учёта особенностей организации электроснабжения автономных систем с ВИЭ, обоснованию методик оптимизации комплектного состава и режимов работы принадлежит профессору Б.В. Лукутину и профессору С.Г. Обухову, рассматривавшим, главным образом, ветро-дизельные и фото-дизельные электротехнические комплексы. Среди зарубежных исследований следует выделить авторов R. Du fo-Lopez, Josd L. Bernal-Agustin, F. Jurado, охвативших масштабный диапазон вопросов оптимизации состава и режимов работы гибридных электротехнических комплексов с ВИЭ, выбора стратегий управления электрической нагрузкой. Вопросы передачи электроэнергии постоянным током были представлены в работах Н.Г. Лозинова, Л.Л. Владимирского, О.В. Суслова, Э.А.-З Джендубаева и А.-З.Р. Джендубаева, J. Partanen, T. Kaipia, J. Karppanen, A. Narayanan, A. Mattsson и др.
Однако, проработанность темы исследования остаётся неисчерпанной: не полностью изучены вопросы учёта влияния массива разнообразных неконтролируемых внешних воздействий на эффективность генерируемой электрической энергии от ФЭС; почти не затрагиваются аспекты определения оптимальной ёмкости СНЭЭ в составе ФДЭС с целью минимизации суммарных эксплуатационных издержек; не решён ряд вопросов энергоэффективного управления генерирующими источниками и накопителями энергии в составе ФДЭС на постоянном токе; не в полной мере раскрыты аспекты увеличения вклада возобновляемого энергоносителя в общий энергетический баланс автономной системы электроснабжения (АСЭС).
Создание перспективной ФДЭС постоянного тока, способной увеличить долю фотоэлектрической генерации относительно ДГУ по сравнению с аналогичной системой переменного тока, требует разработки оптимальной структуры взаимодействия энергетического оборудования и алгоритмов управления процессами преобразования и распределения энергии в АСЭС, обеспечивающих высокую энергетическую эффективность рассматриваемого электротехнического комплекса, что определило цель и задачи данной работы.
Объект исследования - автономный электротехнический комплекс электроснабжения на постоянном токе с фото-дизельным энергоисточником и системой аккумулирования электроэнергии.
Предмет исследования - параметрический синтез и оптимизация автономного фото- дизельного электротехнического комплекса электроснабжения, разработка энергоэффективных алгоритмов управления его рабочими режимами.
Цель работы - повышение энергоэффективности автономных фото-дизельных электротехнических комплексов электроснабжения путём оптимизации их состава и режимов работы с использованием интеграции ДГУ и ФЭС на шине постоянного тока.
Идея работы. Повышение энергоэффективности автономных фото-дизельных электротехнических комплексов электроснабжения путём оптимизации состава генерирующих источников и накопителей электроэнергии на шине постоянного тока и применением оптимальных алгоритмов управления работой системы.
Основные задачи исследования:
1. Проанализировать факторы, влияющие на технико-экономические и экологические показатели работы автономных ДГУ, исследовать распространённые оптимизационные программные комплексы для проектирования гибридных систем электроснабжения с участием ВИЭ, изучить режимы работы гибридных комплексов, определить пути повышения их энергоэффективности.
2. Провести сравнительный анализ современного состояния автономных гибридных энергокомплексов на переменном и постоянном токах, учитывая климатические и географические условия функционирования объекта исследования на территории России, разработать концепцию структурного взаимодействия ФЭС, СНЭЭ и ДГУ на постоянном токе, учитывая временные масштабы протекающих процессов.
3. Разработать компьютерные модели компонентов и ФДЭС постоянного тока в комплексе, отражающие процессы преобразования и распределения потоков энергии, с целью анализа и оптимизации энергетических характеристик автономного электротехнического комплекса.
4. Разработать энергоэффективные алгоритмы управления рабочими режимами генерирующих и аккумулирующих энергоустановок. Изучить применяемые алгоритмы управления ДГУ и разработать имитационную модель управления подачей топлива ДГУ в связке с накопителем электроэнергии на шине постоянного тока.
5. Провести численные инженерные эксперименты, подтверждающие эффективность методики оптимизации параметров ФДЭС постоянного тока и разработанных алгоритмов управления.
6. Обосновать увеличение энергетического вклада ФЭС в автономную дизель- генераторную сеть постоянного тока по сравнению с сетью переменного тока, а также инвестиционную привлекательность предлагаемого электротехнического комплекса.
Научная новизна:
1. Разработаны энергоэффективные алгоритмы управления дизель-генераторной
установкой, фото-электрической станцией и системой накопления электрической энергии в автономной системе электроснабжения, отличающиеся интеллектуальным подходом к принятию решения по управлению энергетическим балансом фото-дизельных электротехнических систем на постоянном токе с результатом максимизации вклада фото -электрической станции до 50%. Алгоритмы отличаются универсальностью применения на территориях до 66° с.ш., и позволяют учитывать технико-экономические характеристики используемого энергооборудования, а также массивы внешних неконтролируемых воздействий на электротехнический комплекс.
2. Разработана оригинальная математическая и компьютерная модель фото - дизельной электротехнической системы постоянного тока, отличающаяся возможностью проведения оптимизации установленных мощностей генерирующих и аккумулирующих источников электроэнергии, по критерию минимизации эксплуатационных затрат. Отличительной чертой разработки является модельно-ориентированный анализ данных технической спецификации дизель-генераторной установки, позволяющий получать внешнескоростные и мощностные характеристики агрегата малой мощности для систем постоянного тока. Использование разработанной модели позволило получить экономию дизельного топлива до 15% в год и уменьшение выбросов в атмосферу на 11%.
3. Обоснована концепция взаимодействия между компонентами ФДЭС на постоянном токе, позволяющая упростить управление энергетическими установками различной физической природы. Концепция взаимодействия отличается разделением на уровни контроля АСЭС с топливным и возобновляемым энергоносителем, с учётом временных характеристик исследуемых процессов.
Теоретическая значимость работы. Основные положения и выводы диссертационного исследования вносят определённый вклад в дальнейшее развитии теории электротехнических комплексов электроснабжения, в частности автономных ФДЭС постоянного тока. Показаны преимущества автономных ФДЭС с интеграцией энергетического оборудования на шине постоянного тока. Предложены алгоритмы управления эксплуатационными режимами генерирующего и аккумулирующего оборудования, обеспечивающие оптимальные технико - экономические показатели гибридного электротехнического комплекса электроснабжения с ФДЭС постоянного тока.
Практическая значимость работы. Разработанные и реализованные в программном комплексе MATLAB оригинальные имитационные компьютерные модели ФЭС, ДГУ и СНЭЭ, а также совокупная модель ФДЭС на постоянном токе актуальны для использования в организациях, разрабатывающих и производящих оборудование для установок возобновляемой энергетики, а также на предприятиях, занимающимися вопросами энергообеспечения децентрализованных регионов России для оценки принимаемых решений в области проектирования, создания и эксплуатации электротехнических комплексов электроснабжения с ВИЭ.
Методика технико-экономического анализа характеристик ФДЭС постоянного тока с СНЭЭ, обеспечивающая рациональный выбор и оптимизацию генерирующего оборудования методом покоординатного спуска используются в методических материалах по курсу «Интеллектуальные системы электроснабжения с возобновляемыми источниками энергии» для магистрантов Инженерной школы энергетики Томского политехнического университета.
Методология и методы исследований. При выполнении исследования использовались методы инженерного анализа и обобщения результатов, метод параметрической оптимизации покоординатного спуска для решения задач с объявленными ограничениями, метод математического и компьютерного моделирования, а также общенаучные методы познания. Экспериментальные исследования выполнялись с использованием имитационного моделирования в среде Simulink и Stateflow программного комплекса MATLAB, а также программирования на языке внутреннего синтаксиса MATLAB.
Положения, выносимые на защиту:
1. Применение разработанных энергоэффективных алгоритмов управления генерацией и накоплением электроэнергии в автономной фото-дизельной системе электроснабжения постоянного тока (до 100 кВт включительно), основанной на интеллектуальном подходе принятия решений, позволит увеличить долю вклада возобновляемого энергоносителя в энергетический баланс автономного электротехнического комплекса до 50% по сравнению с системой на переменном токе (до 40%).
2. Применение универсальной имитационной компьютерной модели фото-дизельной системы электроснабжения на постоянном токе, осуществляющей оптимизацию установленных мощностей источников электроэнергии по критерию минимизации издержек на строительство и эксплуатацию электротехнического комплекса, позволит улучшить технические показатели - КИУМ ФЭС до 22%, экономические показатели - снижение себестоимости вырабатываемой электроэнергии на 8%, уменьшение потребления дизельного топлива до 15% по сравнению с системой на переменном токе и экологические показатели работы автономной энергосистемы с возобновляемым источником энергии - уменьшение вредных выбросов в атмосферу до 11% по сравнению с системой на переменном токе.
3. Улучшение технико-экономических и экологических показателей автономных ФДЭС может быть достигнуто путём изменения топологической структуры взаимодействия генерирующих и накапливающих энергоисточников с переменного на постоянный ток.
Степень достоверности и апробация результатов работы. Степень достоверности научных положений, выводов и рекомендаций обеспечена необходимым объёмом исследований, включающих научный анализ и обобщение ранее опубликованных исследований, а также корректным применением известных теорий электротехники и методов математического и компьютерного моделирования электротехнических комплексов, результатами численных экспериментов с использованием общепризнанных программных комплексов.
Основные положения и результаты диссертации докладывались и обсуждались на Международной конференции «Тепломассоперенос в системах обеспечения тепловых режимов энергонасыщенного технического и технологического оборудования» (г. Томск, 2019 г.), на Всероссийской молодёжной конференции с международным участием «Системные исследования в энергетике» (г. Иркутск, 2019 г.), на 14-ом Международном форуме по стратегическим технологиям IFOST-2019 (г. Томск, 2019 г.), на Международной научно - практической конференции «Экологическая, промышленная и энергетическая безопасность - 2019» (г. Севастополь, 2019 г.).
Личный вклад автора. Диссертационная работа является результатом самостоятельных исследований автора, где все научные положения и результаты, определяющие научную новизну и практическую значимость работы, получены соискателем лично. Автором лично разработан программный комплекс для оптимизации состава генерирующих источников и накопителей электроэнергии в составе ФДЭС постоянного тока на основе оптимизационного метода покоординатного спуска. Лично соискателем разработан алгоритм энергоэффективного управления компонентами ФДЭС на постоянном токе, использующий интеллектуальные подходы принятия решений по максимизации вклада ФЭС. Личное участие автора подтверждено публикациями и выступлениями на конференциях. В опубликованных в соавторстве печатных работах, автору принадлежит научное обоснование принятых технических решений, разработка имитационных математических моделей, методик и алгоритмов, анализ и обобщение результатов теоретических и экспериментальных исследований.
Публикации. Основные результаты диссертационной работы опубликованы 4 печатных работах, в том числе в 2 статьях в изданиях из Перечня ВАК: рецензируемых научных изданий, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертации на соискание учёной степени кандидата наук, а также в 2 статьях в изданиях, входящих в международную базу данных и систему цитирования Scopus.
Структура и объём работы. Диссертация состоит из оглавления, введения, четырёх глав с выводами по каждой из них, заключения, списка литературы, включающего 117 наименований. Диссертация изложена на 129 страницах машинописного текста, содержит 48 рисунков и 8 таблиц.
Исследование представляет собой законченную научно-квалификационную работу, в рамках которой предлагаются и обосновываются новые подходы и решения актуальной научно - технической задачи - повышения технико-экономических характеристик автономных фото- дизельных систем электроснабжения. В рамках исследования выполнен следующий объём работ:
• Проведен анализ современного состояния автономных систем электроснабжения с возобновляемыми источниками энергии. Определено, что на современном этапе одним из наиболее актуальных трендов развития децентрализованных потребителей с невысоким (установленные мощности до 100 кВт) и крайне неравномерным уровнем электропотребления является концепция микросетевой топологии с интеграцией в дизельные системы электроснабжения энергоустановок возобновляемой энергетики.
• Обосновано, что эффективным способом технической модернизации и повышения экономических показателей автономных систем электроснабжения является увеличение вклада возобновляемых энергоисточников, прежде всего фото-электростанций, в общий энергетический баланс системы с действующими объектами дизельной генерации.
• Проанализированы подходы к решению оптимизационных задач в автономных системах электроснабжения, предложена и показана концепция построения фото-дизельных электротехнических комплексов с использованием топологии постоянного тока, что позволяет увеличить вклад фотоэлектрической генерации в энергетический баланс автономной системы электроснабжения до 50% по сравнению с аналогичной системой на переменном токе. Предложенная концепция обладает следующими преимуществами: эффективное использование энергетического потенциала возобновляемого энергоносителя, а также интеллектуальное взаимодействие между ДГУ и СНЭЭ, обеспечивающее оптимизацию их технико -эконмических характеристик.
• Выделены и проанализированы локальные факторы, от которых зависят топологические конфигурации ФДЭС на постоянном токе для электроснабжения децентрализованных потребителей, в том числе такие как: месторасположение, особенности территории, широта местности, климатические условия, суточные и сезонные изменения инсоляции, температуры и др.
• Разработаны математические модели компонентов электротехнического комплекса, основанные на математических зависимостях, связывающих их входные параметры с выходными энергетическими характеристиками, отличающиеся использованием данных технической спецификации. В частности, модель ДГУ позволяет упростить получение внешнескоростных и мощностных характеристик дизель-генератора в рассматриваемом диапазоне мощностей.
• Сформулированы алгоритмы обеспечения энергоэффективной работы фото- дизельной системы электроснабжения на постоянном токе, позволяющие в реальном времени оптимально управлять энергетическим балансом электротехнического комплекса. При настройке систем управления ФДЭС постоянного тока применялись интеллектуальные подходы к принятию решения, учитывающие внешние неконтролируемые прогнозные факторы.
• Проведена оценка энергетических характеристик автономных систем
электроснабжения с применением системы накопления электрической энергии, основанных на общепринятых технических индикаторах: коэффициент использования установленной
мощности, удельный расхода топлива на 1 кВт-ч вырабатываемой электроэнергии, а также зависимостях заряда/разряда СНЭЭ от величин перетоков мощности.
• Разработана и реализована в ПО MATLAB/Simulink/Stateflow имитационная модель фото-дизельной системы электроснабжения с энергоэффективными алгоритмами управления, основанными на интеллектуальных подходах принятия решений. Модель отличается разделением на уровни контроля генерирующих установок АСЭС с традиционным топливным и возобновляемым энергоносителем с учётом временной выборки исследуемых процессов и технико-экономических характеристик используемого энергооборудования, а также массива внешних неконтролируемых воздействий на электротехнический комплекс.
• Предложена методика оценки технико-экономической эффективности применения фото-дизельной системы электроснабжения на постоянном токе, отличающаяся оригинальным подходом к рассмотрению ЧПС, где индикатор нужно применять в обратном порядке - установить ЧПС проекта на нуль, а затем найти снижение цены на электроэнергию. Эта цена представляет собой выгоду от интеграции ФЭС (снижение затрат на топливо, косвенных и прямых затрат). Так, численное моделирование в пакете MS Excel показало снижение тарифа в варианте переменного тока на 9,8%, тогда как система на постоянном токе достигла результата снижения на 16,6%.
• Доказано, что разработанные алгоритмы энергоэффективного управления в модели электротехнического комплекса ФДЭС постоянного тока в MATLAB/Simulink/Stateflow обеспечивают повышение эффективности автономной энергетической системы за счёт снижения себестоимости вырабатываемой электрической энергии до 20% в сравнении с системой на переменном токе; экономия до 15% дизельного топлива в сравнении с системой на переменном токе; снижение вредных выбросов в атмосферу до 11 %.
• Проведен анализ современного состояния автономных систем электроснабжения с возобновляемыми источниками энергии. Определено, что на современном этапе одним из наиболее актуальных трендов развития децентрализованных потребителей с невысоким (установленные мощности до 100 кВт) и крайне неравномерным уровнем электропотребления является концепция микросетевой топологии с интеграцией в дизельные системы электроснабжения энергоустановок возобновляемой энергетики.
• Обосновано, что эффективным способом технической модернизации и повышения экономических показателей автономных систем электроснабжения является увеличение вклада возобновляемых энергоисточников, прежде всего фото-электростанций, в общий энергетический баланс системы с действующими объектами дизельной генерации.
• Проанализированы подходы к решению оптимизационных задач в автономных системах электроснабжения, предложена и показана концепция построения фото-дизельных электротехнических комплексов с использованием топологии постоянного тока, что позволяет увеличить вклад фотоэлектрической генерации в энергетический баланс автономной системы электроснабжения до 50% по сравнению с аналогичной системой на переменном токе. Предложенная концепция обладает следующими преимуществами: эффективное использование энергетического потенциала возобновляемого энергоносителя, а также интеллектуальное взаимодействие между ДГУ и СНЭЭ, обеспечивающее оптимизацию их технико -эконмических характеристик.
• Выделены и проанализированы локальные факторы, от которых зависят топологические конфигурации ФДЭС на постоянном токе для электроснабжения децентрализованных потребителей, в том числе такие как: месторасположение, особенности территории, широта местности, климатические условия, суточные и сезонные изменения инсоляции, температуры и др.
• Разработаны математические модели компонентов электротехнического комплекса, основанные на математических зависимостях, связывающих их входные параметры с выходными энергетическими характеристиками, отличающиеся использованием данных технической спецификации. В частности, модель ДГУ позволяет упростить получение внешнескоростных и мощностных характеристик дизель-генератора в рассматриваемом диапазоне мощностей.
• Сформулированы алгоритмы обеспечения энергоэффективной работы фото- дизельной системы электроснабжения на постоянном токе, позволяющие в реальном времени оптимально управлять энергетическим балансом электротехнического комплекса. При настройке систем управления ФДЭС постоянного тока применялись интеллектуальные подходы к принятию решения, учитывающие внешние неконтролируемые прогнозные факторы.
• Проведена оценка энергетических характеристик автономных систем
электроснабжения с применением системы накопления электрической энергии, основанных на общепринятых технических индикаторах: коэффициент использования установленной
мощности, удельный расхода топлива на 1 кВт-ч вырабатываемой электроэнергии, а также зависимостях заряда/разряда СНЭЭ от величин перетоков мощности.
• Разработана и реализована в ПО MATLAB/Simulink/Stateflow имитационная модель фото-дизельной системы электроснабжения с энергоэффективными алгоритмами управления, основанными на интеллектуальных подходах принятия решений. Модель отличается разделением на уровни контроля генерирующих установок АСЭС с традиционным топливным и возобновляемым энергоносителем с учётом временной выборки исследуемых процессов и технико-экономических характеристик используемого энергооборудования, а также массива внешних неконтролируемых воздействий на электротехнический комплекс.
• Предложена методика оценки технико-экономической эффективности применения фото-дизельной системы электроснабжения на постоянном токе, отличающаяся оригинальным подходом к рассмотрению ЧПС, где индикатор нужно применять в обратном порядке - установить ЧПС проекта на нуль, а затем найти снижение цены на электроэнергию. Эта цена представляет собой выгоду от интеграции ФЭС (снижение затрат на топливо, косвенных и прямых затрат). Так, численное моделирование в пакете MS Excel показало снижение тарифа в варианте переменного тока на 9,8%, тогда как система на постоянном токе достигла результата снижения на 16,6%.
• Доказано, что разработанные алгоритмы энергоэффективного управления в модели электротехнического комплекса ФДЭС постоянного тока в MATLAB/Simulink/Stateflow обеспечивают повышение эффективности автономной энергетической системы за счёт снижения себестоимости вырабатываемой электрической энергии до 20% в сравнении с системой на переменном токе; экономия до 15% дизельного топлива в сравнении с системой на переменном токе; снижение вредных выбросов в атмосферу до 11 %.
