Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высщего профессионального образования «волгоградский государственный аграрный университет» удк 536 Утверждаю № госрегистрации Ректор фгбоу впо волгау

Краткое описание используемых установок. Фотоэлектрическая установка состоит из фотоэлектрических модулей на основе монокристаллического кремния, позволяющих реализовать широкий диапазон выходных мощностей и напряжений. Приемная площадка установки представляет оптимально ориентированную, неподвижную, наклоненную поверхность. 55

Ветроэлектрическая установка вертикально-осевого типа с синхронным генератором на постоянных магнитах была выбрана исходя из большей экологической безопасности. В устраивающем нас диапазоне мощностей на рынке имеется уже достаточное количество установок подобного типа. 56

МикроГЭС рукавного типа с активной турбиной Банки с асинхронным генератором и конденсаторной системой возбуждения. Для данной мощности такая установка является наиболее экономичной, она проста в конструкции, маневренна и имеет относительно высокий КПД, поскольку обратное движение лопастей осуществляется в воздушной среде, а не в воде. 56

Еще один перспективный вид ВИЭ, который был предварительно выбран для рассмотрения – биомасса. На сегодняшний день установки на ее основе разработаны только для систем, характеризующихся большими мощностями. На рынке нет компактных установок подобного рода для электроснабжения потребителей небольшой мощности. Важным качеством этого вида установок является управляемость, позволяющая обеспечить гарантированность электроснабжения потребителя. В перспективе, используя этот вид источника энергии в составе комбинированных систем электроснабжения, возможно без особых усилий обеспечить гарантированность электроснабжения потребителя. Причем само сырье (биотопливо), обеспечивающее функционирование таких установок, будет использоваться лишь при необходимости – при недостаточном поступлении энергии от других (неуправляемых) генераторов на основе ВИЭ. 56

Для аккумулирования энергии в периоды избыточного ее поступления от первичных источников (установок ВИЭ) и выработки в периоды дефицита выбраны следующие накопители энергии: АБ и суперконденсаторы (высоковольтная батарея суперконденсаторов). Суперконденсаторы выступают в качестве буфера, предназначенного для кратковременного демпфирования электрической энергии, и элемента, характеризующего энергетический баланс в системе, а АБ используются при длительном дефиците электрической энергии. Учитывая относительно высокую стоимость на сегодняшний день, суперконденсаторы были заменены на обычные электролитические конденсаторы, обеспечивающие в основном функцию элемента, характеризующего энергетический баланс в системе. 56

В качестве АБ используются герметичные свинцо-кислотные необслуживаемые аккумуляторные батареи, т.к. они надежны, удобны и безопасны, а также характеризуются малой величиной саморазряда. Не уступают им, а по некоторым параметрам превосходят, литий-железо-фосфатные АБ. Однако в связи с необходимостью их заказа и длительностью поставки, на данной стадии выбор был сделан в пользу свинцово-кислотных АБ. 56

В качестве элементов силовой электроники, осуществляющих объединение электрического оборудования в единую систему электроснабжения, используются AC-DC преобразователи, построенные по мостовой схеме, повышающие и понижающие импульсные преобразователи и инвертор, построенный на мостовом ШИП. AC-DC преобразователи, построенные по мостовой схеме, обладают высоким КПД, а также наименьшими пульсациями напряжения на выходе. Повышающие импульсные преобразователи подключаются к каждому из генерирующих модулей (ФЭУ, ВЭУ, микроГЭС). В случае с ВЭУ и микроГЭС они подсоединяются через выпрямитель, к ФЭУ – напрямую. Эти конверторы работают совместно на одну общую нагрузку, представляя многотакный преобразователь, и выполняют две функции: 56

Для качественного и надежного функционирования КСАЭ разработка АСУК осуществляется с централизованным принципом управления на цифровой программируемой технике. 57

На основе принятых решений по составу используемого оборудования КСАЭ-ВИЭ и его типу разработана ее структурная блок-схема (рисунок 2.1), наглядно представляющая общую структуру и состав системы, определяющая ее функциональные части, их назначения, взаимосвязи. Предусмотрены две конфигурации КСАЭ-ВИЭ определяемые характером использования системы. 57

Первый вариант конфигурации КСАЭ-ВИЭ, предусматривающий питание нагрузки потребителя непосредственно от инвертора, используется в случае если нагрузка системы может иметь параллельное подключение к автономной электрической сети, образованной другими источниками. 57

Второй вариант конфигурации, предусматривающий питание нагрузки потребителя параллельно от микроГЭС и инвертора, используется в случае если система электроснабжения работает исключительно на нагрузку потребителя (рабочий тракт от микроГЭС на блок-схеме показан пунктиром). В таком случае, разумеется, возможно применение и первого варианта. При выборе необходимо учитывать, что второй вариант характеризует отсутствие потерь на преобразование той части энергии микроГЭС, которая потребляется нагрузкой напрямую, однако усложняет систему управления и снижает надежность. 57

Структурная блок-схема состоит из следующих блоков: ФЭУ; ВЭУ; микроГЭС; АБ; силовой коммутатор (СК); согласующие устройства; ЗРУ; балластное устройство (БУ); буфер; инвертор; нагрузка переменного тока (потребитель); АСУК [81]. 57

Исходя из функциональных особенностей элементов, они условно объединены в четыре группы: блоки генерации энергии, преобразовательно-распределительные блоки, потребитель и автоматическая система управления и контроля. 57

К блокам генерации относятся: ФЭУ, ВЭУ, микроГЭС и АБ. Таким образом, имеется два неуправляемых первичных преобразователя (ФЭУ и ВЭУ); один «квази-управляемый» (микроГЭС) и один управляемый источник (АБ), обеспечивающий бесперебойное электропитание потребителя. 58

Преобразовательно-распределительные блоки – это элементы силовой электроники, взаимосвязанные «микросетью» постоянного тока, выполняющие функции преобразования, распределения и регулирования электрической энергии. 58

Принцип функционирования системы. 58

В совокупности согласующие устройства образуют многотактный импульсный преобразователь (МИП), осуществляющий функцию суммирования энергии от энергоустановок на основе ВИЭ. 58

Выводы согласующих устройств, ЗРУ, БУ и инвертора подключены к буферу (батареи суперконденсаторов или электрических конденсаторов), в котором происходит накопление энергии. Затем она передается инвертору, зарядно-разрядному устройству для накопления энергии и балластному устройству в случае избытка электрической энергии. Буфер – это звено, которое осуществляет баланс между потреблением и выработкой электрической энергии. Основным параметром, характеризующим баланс, является напряжение буфера. Если оно выше установленного значения, то подается команда на отвод лишней энергии, которая, в первую очередь, начинает накапливаться в АБ, а при полной зарядке АБ   потребляться балластной нагрузкой. Если напряжение на буфере ниже установленного значения, что означает превышение величины потребления энергии над выработкой, подается команда на закачку дополнительной энергии в буфер от АБ. Количество подводимой или отбираемой от буфера электроэнергии, позволяет сохранять напряжение буфера в рамках нормированного. 58

Инвертор обеспечивает потребителя электрической энергией в требуемом количестве и надлежащего качества. При работе системы параллельно с другой сетью, он функционирует синхронно с ней. 61

Работоспособность и контроль всех элементов КСАЭ-ВИЭ как в отдельности, так и в целом осуществляет автоматическая система управления и контроля. 61

Силовой коммутатор осуществляет электрическое переключение микроГЭС от согласующего устройства на нагрузку и наоборот по необходимости, определяемой алгоритмами АСУК системы. 61

В случае построения системы электроснабжения согласно второму варианту конфигурации соединенное с микроГЭС согласующее устройство и инвертор работают взаимосвязано (пунктирная линия). Если мощности, генерируемой микроГЭС, достаточно для осуществления электроснабжения потребителя, согласующее устройство осуществляет функцию балласта. Оно отбирает от генератора возникающий избыток и стабилизирует тем самым выходные параметры на нагрузке без искажения синусоиды, поскольку отбор избытка мощности осуществляется по алгоритму коррекции коэффициента мощности. В противном случае инвертор, подключенный параллельно, восполняет недостаток энергии, стабилизируя параметры на нагрузке. 61

Рассмотренная блок-схема позволила не только предметно представить КСАЭ-ВИЭ, но и перейти к непосредственной реализации системы. Отличительной особенностью такого построения КСАЭ-ВИЭ является повышение напряжения до входного уровня ШИП (инвертора) непосредственно от первичных преобразователей энергии. Работа на повышенном напряжении позволяет повысить общий КПД системы, снизив токовые потери. Кроме того, отдельное зарядно-разрядное устройство с многостадийной (многоступенчатой) зарядкой обеспечивает правильную зарядку АБ и постоянный контроль ее состояния, что повышает срок ее эксплуатации. Стоит также отметить, что принятая система построения КСАЭ-ВИЭ позволяет применить в будущем при экономической доступности суперконденсаторов идею разделения системы накопления, так как она позволяет оптимально использовать качества накопителей: способность суперконденсатора выдерживать большое количество циклов заряда-разряда и АБ длительно хранить электрическую энергию. Наличие такого силового буфера позволит увеличить срок службы АБ за счет сокращения количества зарядно-разрядных циклов. 61

Анализ данных расхода электроэнергии предприятиями Волгоградской области показывает (табл. 4.8, 4.9), что после кризиса 2008 г. идёт медленное, но стабильное увеличение потребление энергии. В этой ситуации необходимо обратить внимание на структуру вводимых в эксплуатацию источников энергии. 61

Особенности оптимизационной задачи. Одной из задач работы является определение оптимального состава и параметров КСАЭ-ВИЭ с учетом реальных климатических условий эксплуатации, характеристик используемого оборудования, а также особенностей потребителя, включая ожидаемые переменные графики потребления энергии. 122

Критерием оптимальности является минимум затрат на электроснабжение потребителя. 122

Определяемыми параметрами являются оптимальные мощности генерирующих модулей на основе ВИЭ и емкости аккумуляторных батарей. Использование того или иного генерирующего модуля определяет состав КСАЭ-ВИЭ. 122

Условием обеспечения гарантированного электроснабжения потребителя является соблюдение энергетического баланса между выработкой и потреблением в течение всего срока эксплуатации. Необходимо отметить, что для ВИЭ характерны такие свойства, как прерывистость и периодичность, и, в тоже время, малая изменчивость величины энергоресурсов из года в год. Поэтому при решении уравнения энергетического баланса необходимо рассматривать период равный одному году . Тогда выражение энергетического баланса запишется следующим образом [81]: 122

(6.91) 122

– объем электрической энергии, определяемый потерями в k-ом элементе системы электроснабжения, за год, кВт·ч. 122

В целом энергоресурсы некоторых ВИЭ относительно постоянны и хорошо прогнозируются только за длительные периоды времени равные месяцу или году. При этом необходимо отметить, что потоки энергии этих источников за месяц относительно постоянны из года в год только для определенного месяца, а от одного календарного месяца к другому значения этих ресурсов не постоянны и изменяются в значительных пределах. Прогнозирование на более короткие периоды времени затруднительно, так как приход энергии солнца и ветра зависит от множества факторов. Приход солнечной радиации описывается функцией от времени, состоящей из детерминированной (день-ночь, месяц, год, определяемой геометрией Земля-Солнце) и случайной (климат, метеорология) составляющих. Ветровой поток описывается случайной функцией. Для третьего возобновляемого источника, используемого в комбинированной системе – малого водотока – значение энергоресурсов относительно постоянно за все интервалы времени, и возможны, в основном, сезонные изменения. 123

Потребитель характеризуется неравномерным потреблением электрической энергии за короткие интервалы времени – сутки, и относительно постоянным потреблением за длительные – месяц, год. 123

В этой связи такие установки требуют использования накопителей энергии, осуществляющих компенсацию (распределение) энергии в связи с неравенством потребления и генерации путем аккумулирования энергии в периоды ее избытка и выдачи ее в моменты дефицита. Поскольку аккумуляторные батареи способны в течение длительного срока хранить электрическую энергию (месяцы), они могут применяться и для сезонного выравнивания выработки и потребления. 123

Таким образом, при определении мощности генерирующих устройств на основе ВИЭ, достаточных для обеспечения электроснабжения потребителя, необходимо рассматривать выполнение энергетического баланса с учетом использования АБ на среднегодовой, среднемесячный и среднечасовой периоды. Однако если при электроснабжении используется управляемый источник (биотопливная установка, ДГУ, БГУ) или имеется подключение к электрической сети, то АБ выбираются по-другому принципу и при оптимизации не рассматриваются. Их главная цель в этом случае – обеспечить электрической энергией потребителя в моменты времени малой нагрузки. Однако их следует учитывать в дальнейшем при проверке (моделировании) работы системы. 123

При этом, решая задачу оптимизации, целесообразно не учитывать элементы компенсации (биотопливную установку, ДГУ, БГУ, сеть), поскольку произведенная ими энергия, пусть и в разной степени, но не экологична. Более того, для ее получения они затрачивают топливо. Топливо, как элемент долго хранящийся и не претерпевающий изменений (нет потерь), рациональнее использовать для компенсации неравномерностей приходящей энергии от нестабильных ВИ. 123

Постановка оптимизационной задачи. Искомые переменные – мощности энергоустановок на основе ВИЭ и емкость накопителя в одном случае, а также мощности энергоустановок в другом (когда компенсация осуществляется не только за счет АБ), которые принимают определенные значения, согласно их типоразмерному ряду. 123

Таким образом, в оптимизационной задаче имеется n искомых переменных xi (i=1,2…n). Дискретные значения каждой переменной xi заданы согласно типоразмерному ряду используемого оборудования. В оптимальное решение должно войти λ переменных (λ
При определении удельной стоимости АБ, необходимо учитывать количество их замен в процессе эксплуатации системы в связи с ограниченным количеством зарядно-разрядных циклов: 124

В таком случае удельная стоимость АБ, определяемая за весь срок эксплуатации КСАЭ-ВИЭ, может быть найдена как: 124

(6.95) 124

К этой системе добавляются ограничения вида: 125

Следует отметить, что коэффициент использования энергии АБ соответствует коэффициенту разряда АБ и не может быть больше коэффициента глубины разряда (принимаемого в расчетах равным 0,6), поскольку в таком случае за время ч АБ разрядиться более чем, принятая глубина разряда. 125

Общее количество ограничений, исходя из i=24 и j=12 равно 12·24=288. 125

Отметим, что при решении задачи оптимизации, когда в качестве дополнительного элемента компенсации применяется управляемый источник или сеть, учитываются более «грубые» ограничения   уравнения энергетического баланса, составленные для среднего месяца года. В итоге общее количество ограничений в этом случае, исходя из i=1 и j=12, равно 12·1=12. 125

(6.100) 126

Граничные условия не записываются, поскольку возможные значения дискретных переменных являются заданными, а значения дискретных переменных могут быть только 0 или 1. 126

При такой формализации задачи оптимизации нельзя утверждать о точности полученных результатов, поскольку не учитываются некоторые факторы. Во-первых, коэффициент глубины разряда (использования энергии) АБ зависит от требуемой энергии и определяет выдаваемую разрядную емкость АБ. Во-вторых, неточность представления АБ в выражении (6.98) как самостоятельного источника энергии необходимо учитывать введением дополнительного ограничения. Оно формирутся исходя из того, что АБ являются источником энергии, выработка которых непосредственно зависит от выработки генерирующих модулей на основе ВИЭ. Тогда среднегодовая выработка энергоустановками на основе ВИЭ должна превосходить требуемую среднегодовую нагрузку с учетом коэффициента потерь на компенсацию электрической энергии, т.е. потерь в АБ. Но при этом сложно точно оценить величину компенсируемой энергии. Таким образом, в связи с вышеизложенными факторами решение оптимизационной задачи классическими методами линейного программирования приводит к неточным результатам, поэтому принято решение определять оптимальный состав и параметры КСАЭ-ВИЭ методом последовательных итераций [81]. 126

Решение оптимизационной задачи. Расчетный метод заключается в пошаговой проверке уравнений энергетического баланса, созданных для среднего суточного часа каждого календарного месяца всего расчетного периода (6.98) с учетом накопления (–) и генерации (+) энергии АБ: 126

Найденные таким образом параметры элементов КСАЭ-ВИЭ являются обобщенными, поскольку в них используются средние значения, определяющие выражения являются упрощенными, а некоторые зависимости и вовсе не учитываются, поскольку из-за изменчивости во времени их очень сложно выразить простыми средствами. Поэтому после их определения целесообразно провести моделирование работы КСАЭ-ВИЭ в течение всего расчетного периода: проанализировать ее функционирование; проверить оптимальные параметры; внести корректировки. Более того, для решения задачи оптимизации требуются коэффициенты использования энергоустановок, характеризующие климатические условия выбранной местности, а также характеристики используемого оборудования, которые моделирование позволяет наиболее точно определить. 127

Таким образом, общая методика определения оптимального состава и параметров КСАЭ-ВИЭ выглядит следующим образом: 127

1. С помощью компьютерной математической модели определяются коэффициенты использования энергоустановок за интервал времени, равный среднесуточному часу каждого календарного месяца расчетного периода (года); 127

2. Расчетным методом определяется предварительный оптимальный состав и параметры КСАЭ-ВИЭ; 127

3. С помощью математической модели системы данные проверяются и, при необходимости, корректируются. В случае, если моделирование ведется для КСАЭ-ВИЭ, использующей в качестве элемента компенсации также биотопливную установку, ДГУ, БГУ или сеть, определяется степень участия (доля покрытия нагрузки) данного компенсируемого элемента в обеспечении электроснабжения потребителя. 127

Достоинством метода является то, что он позволяет распределить оптимальные варианты в порядке возрастания их стоимости. Это позволяет в дальнейшем при отрицательном результате проверки предварительных оптимизационных данных сразу же переходить к следующему варианту. 127

На практике решение оптимизационной задачи согласно представленной методике было реализовано с помощью специальных программных средств – системы компьютерной математики (СКМ) MATLAB с ее пакетом визуального блочного имитационного моделирования Simulink, для чего средствами MATLAB-Simulink создан специализированный программный комплекс, определяющий оптимальный состав и параметры КСАЭ-ВИЭ. В дальнейшем, данный комплекс может быть согласован с базой оценки объектов АПК. 127