ЭНЕРГЕТИКА И ЭКОЛОГИЯ
ENERGY AND ECOLOGY
Статья поступила в редакцию 21.02.13. Ред. рег. № 1567 The article has entered in publishing office 21.02.13. Ed. reg. No. 1567
УДК 621.311.
ПРОГРАММНЫЙ КОМПЛЕКС ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОПТИМАЛЬНОГО СОСТАВА И ПАРАМЕТРОВ КОМБИНИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ АВТОНОМНОГО ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ НА ОСНОВЕ ВОЗОБНОВЛЯЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ ЭНЕРГИИ
1 1 1 2 2 3
В.В. Симакин , А.В. Смирнов , А.В. Тихонов , И.И. Тюхов
всероссийский электротехнический институт имени В.И. Ленина (ВЭИ) 111250 Москва, ул. Красноказарменная, д. 12 Тел./факс: (495) 361-94-56, e-mail: vsimv@mail.ru 2Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства (ГНУ ВИЭСХ РАСХН) Тел./факс: (495) 171-05-23, e-mail: antikhonov_86@mail.ru 3Московский государственный машиностроительный университет (МАМИ) 105066 Москва, ул. Старая Басманная, д. 21/4 Тел.: (499) 267-10-17, факс: (499) 267-96-12, e-mail: ityukhov@yahoo.com
Заключение совета рецензентов: 22.03.13 Заключение совета экспертов: 25.03.13 Принято к публикации: 27.03.13
В статье представлено решение актуальной задачи, возникающей на этапе планирования электроснабжения с использованием возобновляемых источников энергии, - определение оптимального состава и параметров комбинированной системы автономного электроснабжения. Описана методика решения, а также средство ее реализации - программный комплекс, созданный в среде MATLAB-Simulink. Представлены результаты исследований по оптимизации системы, позволяющие оценивать эффективность комбинированного использования энергоустановок ВИЭ в заданных географических точках при различных климатических условиях.
Ключевые слова: оптимальный состав и параметры, комбинированная система автономного электроснабжения, возобновляемые источники энергии, фотоэлектрическая установка, ветроэлектрическая установка, микрогидроэлектростанция, математическая модель.
SOFTWARE FOR FINDING BEST COMBINATION AND PARAMETERS OF DIFFERENT TYPE'S RENEWABLE ENERGY SOURCES FOR STAND-ALONE
POWER SYSTEMS
V.V. Simakin1, A.V. Smirnov1, A.V. Tikhonov1'2, I.I. Tyukhov2'3
'Russian Electrotechnical Institute named after V.I. Lenin 12 Krasnokazarmennaya str., Moscow, 111250, Russia Tel./fax: (495) 361-94-56, e-mail: vsimv@mail.ru 2All-Russia Scientific-Research Institute for Electrification of Agriculture 2, 1st Veshnyakovsky passage, Moscow, 109456, Russia Tel./fax: (495) 171-05-23, e-mail: antikhonov_86@mail.ru 3Moscow State Engineering University 21/4 Staraya Basmannaya str., Moscow, 105066, Russia Tel.: (499) 267-10-17, fax: (499) 267-96-12, e-mail: ityukhov@yahoo.com
Referred: 22.03.13 Expertise: 25.03.13 Accepted: 27.03.13
Paper describes finding the best combination and optimal parameters for stand-alone power supply system from different types of renewable energy sources. It is actual problem on initial stages of planning and design of different combined systems. Method and special software developed in MATLAB-Simulink are described in paper. Results of optimization for given geographical locations and different climate conditions and their economical estimation are provided and discussed in paper.
Keywords: optimal structure and parameters, combined stand-alone system for electrical energy supply, renewable energy sources, photovoltaic system, wind system, micro hydropower system, mathematical model.
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 03/2 (122) 2013
© Scientific Technical Centre «TATA», 2013
Виктор Васильевич Симакин
Cs
Антон Валентинович Тихонов
Сведения об авторе: начальник отдела «Возобновляемые источники энергии» ФГУП ВЭИ, почетный работник науки и техники РФ.
Основной круг научных интересов: технологии в области возобновляемых источников энергии и лазерной техники.
Публикации: около 100.
Сведения об авторе: научный сотрудник отдела «Возобновляемые источники энергии» ФГУП ВЭИ, инженер международной кафедры ЮНЕСКО «Возобновляемая энергетика и сельская электрификация» ГНУ ВИЭСХ РАСХН.
Основной круг научных интересов: технологии в области традиционной и возобновляемой энергетики.
Публикации: более 20.
-
Александр Владимирович Смирнов
Сведения об авторе: старший научный сотрудник отдела «Возобновляемые источники энергии» ФГУП ВЭИ, канд. техн. наук, лауреат конкурса «Инженер года 2011».
Основной круг научных интересов: технологии в области традиционной и возобновляемой энергетики.
Публикации: более 20.
áéi
Игорь Иванович Тюхов
Сведения об авторе: зав. сектором ВИЭ кафедры ЮНЕСКО «Техника экологически чистых производств» МАМИ, зам. зав. международной кафедры ЮНЕСКО «Возобновляемая энергетика и сельская электрификация» ГНУ ВИЭСХ РАСХН, канд. техн. наук. Награжден медалями научно-технических выставок, участник многочисленных международных обменных программ, включая программу «Фулбрайт».
Основной круг научных интересов: физика полупроводников, возобновляемые источники энергии.
Публикации: более 250.
Введение
Применение возобновляемых источников энергии (ВИЭ) для автономного электроснабжения связано с рядом особенностей, которые необходимо учитывать при создании конкретных систем. Невысокая плотность энергетических потоков ВИЭ, их непостоянство во времени, с одной стороны, а также неравномерность графика нагрузки потребителя, с другой, требует использования дополнительного оборудования -накопителей энергии и «умных» устройств с соответствующими программно-аппаратными средствами. Накопители энергии компенсируют неравномерности между генерацией и потреблением энергии путем накопления ее в периоды избытка и выработки в моменты дефицита. Однако это приводит к удорожанию производимой энергии, несмотря на отсутствие топливной составляющей в цене таких систем. Эффективным способом решения этой проблемы является комбинированное использование ВИЭ.
Одновременное использование нескольких источников энергии позволяет компенсировать неравномерность приходящей энергии ВИЭ, что, в свою очередь, позволяет значительно снизить мощности установок, а также емкости накопителей в составе таких систем, а следовательно, и снизить их стоимость.
При планировании таких систем следует также учитывать территориальную неравномерность распределения ресурсов ВИЭ. Таким образом, возникает задача определения оптимального состава и параметров комбинированной системы автономного электроснабжения на основе ВИЭ (КСАЭ-ВИЭ) с учетом реальных географических и климатических условий эксплуатации, характеристик используемого оборудования, а также особенностей потребителя, включая ожидаемые переменные графики потребления энергии. При этом критерием оптимальности должна являться минимальная стоимость системы электроснабжения.
В работе на примере частного случая рассматривается решение оптимизационной задачи для системы, которая может использовать три ВИЭ: солнце, ветер и малый водоток. Выбор данных источников обусловлен возможностью повышения надежности бесперебойного электроснабжения потребителя, поскольку микро-ГЭС является относительно стабильным источником энергии, а фотоэлектрическая установка (ФЭУ) с ветроэлектрической установкой (ВЭУ) компенсируют друг друга благодаря синерге-тическому эффекту. Более того, такие источники, как солнце и ветер, являются общедоступными, а небольшие речки в изобилии протекают по просторам нашей страны. Полученный результат позволяет
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 03/2 (122) 2013 —¡л © Научно-технический центр «TATA», 2013 ' '
применить разработанную методологию для решения задач оптимизации с более широким набором источников, а в качестве относительно стабильных источников могут рассматриваться также геотермальные, биомасса и другие.
Методика и ее реализация программными средствами
Решение поставленной задачи получено при помощи современных специализированных программных средств - систем компьютерной математики (СКМ). Для этого была выбрана система МЛТЬЛВ с пакетом визуального блочного имитационного моделирования 81ши1шк [1], в которой реализован программный комплекс, определяющий оптимальный состав и параметры КСАЭ на основе трех ВИЭ (солнце, ветер, малый водоток) с учетом реальных климатических и географических условий эксплуатации, характеристик используемого оборудования, а также особенностей потребителя, включая ожидаемые переменные графики потребления энергии, согласно критерию минимальной стоимости системы.
Непосредственно комплекс состоит из двух взаимосвязанных частей:
- подпрограммы, созданной в ш-файле МЛТЬЛВ;
- математической модели КСАЭ-ВИЭ, созданной в 81ши1шк.
Первая определяет предварительный оптимальный состав и параметры КСАЭ-ВИЭ, который рассчитывается на основе средних значений, где определяющие выражения являются обобщенными, а некоторые зависимости не учитываются, т. к. из-за изменчивости во времени их очень сложно выразить простыми средствами. Соответственно, на втором этапе возникает необходимость провести моделирование работы КСАЭ-ВИЭ в течение всего расчетного периода: проанализировать ее функционирование; проверить оптимальные параметры; внести уточнения и корректировки. Более того, моделирование позволяет точно определить коэффициенты использования энергоустановок, характеризующие климатические условия выбранной местности во времени и характеристики используемого оборудования, необходимые для решения задачи оптимизации.
Разработанная методология первой части программного комплекса реализует следующий принцип определения оптимального состава и параметров КСАЭ-ВИЭ. Искомыми параметрами являются мощности установок на основе ВИЭ ^Внэ и емкость накопителя САБ согласно их типоразмерному ряду. Из имеющихся п искомых переменных (соответствующих типоразмерному ряду оборудования) в оптимальное решение должно войти их определенное количество £ (£ < п). При этом каждой искомой переменной (дискретному значению) соответствует двоичная переменная 5,-. Таким образом, если в результате решения задачи 5,- = 1, то переменная, а сле-
довательно, и соответствующая этой переменной установка из типоразмерного ряда, входит в оптимальное р
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.