Файл: Система поддержки принятия решений для обоснования выбора проектных параметров автономных систем энергоснабжения Бобронников В. Т., Терещенко Т. С.pdf

Труды МАИ. Выпуск № 88 www.mai.ru/science/trudy/
УДК 519.87, 621.311.26
Система поддержки принятия решений для обоснования выбора
проектных параметров автономных систем энергоснабжения
Бобронников В.Т., Терещенко Т.С.
Московский авиационный институт (национальный исследовательский
университет), МАИ, Волоколамское шоссе, 4, Москва, A-80, ГСП-3, 125993, Россия
*e-mail:
vlbobronnikov@yandex.ru
**e-mail: tatiana.s.abramova@gmail.com
Аннотация
Разработана система поддержки принятия решений (СППР) для обоснования выбора проектных параметров автономных систем энергоснабжения (АСЭС) на основе возобновляемых источников энергии – ветра и Солнца. Отличительной особенностью СППР является использование имитационных моделей случайных природных факторов, оказывающих влияние на функционирование системы. СППР предполагается использовать для оценки эффективности и сравнения различных вариантов построения АСЭС и выработки рекомендаций по их применению, в том числе в авиационно-космической отрасли.
Ключевые слова: система поддержки принятия решений, имитационное моделирование, автономные энергетические системы
Введение

2
В настоящее время во всем мире большое внимание уделяется созданию систем энергоснабжения, основанных на использовании возобновляемых источников энергии (ВИЭ) - энергии ветра, Солнца, биологического топлива и других. В связи с этим сейчас существует множество компаний – производителей и поставщиков оборудования для автономного энергоснабжения с использованием
ВИЭ. Поэтому одной из существенных проблем для потребителя, принявшего решение использовать систему энергоснабжения на основе альтернативных источников энергии, является выбор компонентов АСЭС, отвечающих его потребностям и эффективных в климатических условиях эксплуатации системы.
В данной работе объектами исследования являются системы энергоснабжения наземных потребителей, в которых источниками энергии служат именно ветер и солнечное излучение. Рассматривается автономный вариант построения системы энергоснабжения (АСЭС), при котором потребитель получает всю необходимую ему энергию только от ветрогенератора (ВГ) и/или солнечных батарей (СБ), поскольку сетевая энергия ему недоступна. В периоды безветрия и в ночное время энергия подается потребителю из накопителя энергии (НЭ), например, аккумуляторных батарей (АКБ), в котором накапливается и хранится избыточная энергия, вырабатываемая ВГ и СБ при ветре и в солнечную погоду. Также возможен гибридный вариант построения АСЭС, при котором для обеспечения бесперебойного снабжения потребителя энергией дополнительно к ВГ и СБ в систему вводится углеводородный источник энергии (обычно дизельный генератор
(ДГ)), включаемый при недостатке энергии, вырабатываемой ВГ и СБ, и одновременно при полностью разряженном НЭ. Управление потоками энергии и

3 преобразование напряжений в системе осуществляется с помощью контроллера- инвертора (КИ).
Следует отметить, что АСЭС применяются для снабжения энергией не только индивидуальных потребителей, но и промышленных объектов инфраструктуры, находящихся в удаленных районах и не имеющих доступа к централизованной системе подачи электроэнергии.
В области аэрокосмической техники простейшим примером АСЭС является система энергоснабжения космических аппаратов, в которой источником возобновляемой энергии является солнечное излучение, преобразуемое в электричество с помощью СБ.
В наземной инфраструктуре аэрокосмического комплекса потребителями энергии АСЭС могут выступать, прежде всего, наземные измерительные пункты
(НИП), малые аэродромы, ретрансляторы радиорелейных линий и другие объекты, расположенные в удаленных районах страны. Такие объекты часто не имеют возможности получать сетевую энергию и поэтому вырабатывают ее с помощью автономных электрогенераторов, работающих на традиционном углеводородном топливе, например, ДГ.
Однако стоимость энергии, вырабатываемой для таких потребителей с помощью ДГ, существенно возрастает по сравнению со стоимостью сетевой энергии из-за больших затрат на доставку топлива в удаленные районы.
Использование АСЭС взамен или в дополнение к существующим дизельным системам может позволить сократить затраты на энергоснабжение потребителей энергии указанного типа.

4
Необходимо отметить важное отличие АСЭС, использующих энергию ветра и
Солнца на земной поверхности, от АСЭС, работающей на борту КА. Это отличие заключается в том, что и ветер, являющийся функциональным входом ВГ, и облачность, являющаяся помехой при работе СБ, - это сильно коррелированные во времени случайные процессы. Статистические характеристики этих процессов зависят от климата в месте развертывания АСЭС и эти характеристики существенно влияют на выбор структуры и проектных параметров системы для потребителя энергии. В частности, коррелированность процессов определяет требования к емкости накопителя энергии, снабжающего потребителя энергией в периоды безветрия и/или ночью и в пасмурную погоду.
Кроме того, при использовании НЭ ограниченной емкости АСЭС является нелинейной динамической системой. Как следствие, формирование АСЭС с учетом ветра и облачности как случайных процессов должно основываться на рассмотрении статистических показателей эффективности АСЭС как нелинейной стохастической динамической системы.
Таким образом, целью исследования, результаты которого представлены в данной работе, является разработка системы поддержки принятия решений, предназначенной для использования при формировании АСЭС из существующих компонентов для конкретных потребителей с учетом количества потребляемой ими энергии, географических и климатических особенностей местоположения системы.
Исследования проводятся с использованием принципов и методов системного анализа и математического моделирования [1], [2], [3], [4].

5
1. Актуальность исследования
Рассмотрим несколько примеров, иллюстрирующих актуальность исследования и необходимость создания подобной СППР.
Например, при построении АСЭС на основе ВГ основной характеристикой системы является номинальная мощность ВГ
ном
N
. Для различных моделей ВГ и у различных производителей приводятся значения
ном
N
, измеренные при различных значениях скорости ветра
V
. Чаще всего указываются значения
ном
N
, оцениваемые при
V
= 10–12 м/с. Однако на территории России такие значения скорости ветра являются достаточно редкими. Так, ВГ, обладающий номинальной мощностью
ном
N
= 4 кВт при скорости ветра 12 м/с, при
V
= 3 м/с вырабатывает всего 0,05 кВт.
Среднегодовые значения скорости ветра в различных регионах обширной территории России сильно различаются. Для центральной части европейской части
России они составляют 3-4 м/с, на побережье Северного Ледовитого океана, в степях Северного Кавказа - 5-6 м/с, в Восточной Сибири - 3 м/с, на Тихоокеанском побережье - 7-8 м/с [5]. Следовательно, во многих регионах страны ВГ, выбранный с учетом его номинальной мощности, может быть неэффективен.
На рисунках 1, 2 показаны распределения скорости ветра и энергии, вырабатываемой ВГ (
ном
N
= 4 кВт, рабочий диапазон скоростей ветра 3 - 40 м/с), в течение 10 лет для г. Владивосток (средняя скорость ветра – 5,5 м/с) и г. Элиста
(средняя скорость ветра – 5,8 м/с).

6
-5 0
5 10 15 20 25 0
0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14
V, m/s
F
re q
u e
n c
y
Weybull distribution
-5 0
5 10 15 20 25 0
0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14
V, m/s
F
re q
u e
n c
y
Weybull distribution
Рисунок 1. Распределения скорости ветра (г. Владивосток и г. Элиста)
-0.5 0
0.5 1
1.5 2
2.5 3
3.5 4
4.5 0
0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7
N
В
Г, кВт
F
re q
u e
n c
y
-0.5 0
0.5 1
1.5 2
2.5 3
3.5 4
4.5 0
0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5
N
В
Г, кВт
F
re q
u e
n c
y
Рисунок 2. Распределения мощности ВГ (г. Владивосток и г. Элиста)
При этом среднее количество энергии, выработанной системой, равно всего
0,76 кВт-ч для г. Владивосток и 0,82 кВт-ч для г. Элиста. Время, в течение которого
ВГ вырабатывает номинальную мощность составляет 5,3% для г. Владивосток и
5,0% для г. Элиста от времени функционирования системы. Периоды, когда скорость ветра меньше стартовой скорости ВГ, составляют 26,1% для г. Владивосток и 19,9% для г. Элисты.
Это говорит о том, что эффективность эксплуатации АСЭС, использующей энергию ветра, существенно зависит не только от средней скорости ветра, но также

7 от ее изменчивости во времени как случайного процесса. При малой корреляции скорость ветра быстро меняется, и вероятность наличия больших скоростей значительно выше, чем при сильно коррелированном процессе, где скорость ветра меняется медленно. Во втором случае периоды штиля или небольших скоростей будут наиболее вероятны и будут наблюдаться в течение более продолжительных периодов времени, что негативно повлияет на эффективность работы ВГ. Таким образом, необходимо исследовать влияние временной коррелированности скорости ветра на эффективность работы АСЭС на основе ВГ в течение всего периода функционирования системы.
В случае использования в составе АСЭС солнечных батарей аналогичное влияние на работу системы оказывает количество облачности и его временная изменчивость. На рисунке 3 в качестве примера приведены графики изменения мощности, вырабатываемой СБ, без учета и с учетом облачности как случайного процесса.
0 10 20 30 40 50 60 70 80 0
0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18
T, ч
М
ощ но сть
, вы ра ба ты ва ем ая
С
Б
, кВ
т/
ч
С учетом облачности без учета облачности
0 10 20 30 40 50 60 70 80 0
0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18
T, ч
М
ощ но сть
, вы ра ба ты ва ем ая
С
Б
, кВ
т/
ч
С учетом облачности без учета облачности
Рисунок 3. Графики изменения мощности СБ (г. Владивосток и г. Элиста)

8
Таким образом, потребителю необходимо предложить удобный инструмент для анализа различных вариантов построения АСЭС при выборе оптимального состава и характеристик системы с учетом конкретных потребностей в энергии и климатических условий в месте эксплуатации системы.
Процесс создания СППР можно разбить на следующие этапы:
1. Разработка имитационной модели автономной гибридной ветро-солнечно- дизельной системы энергоснабжения, предназначенной для оценки целевых и затратных показателей эффективности системы.
2. Разработка математических моделей ветра и облачности как коррелированных во времени и существенно негауссовских случайных процессов.
3. Расчет параметров разработанных моделей ветра и облачности для разных климатических зон на территории России путем статистической обработки результатов многолетних наблюдений на наземных метеостанциях [6].
4. Разработка и исследование алгоритмов оптимизации структуры и параметров компонентов АСЭС, в том числе с использованием методов многокритериальной оптимизации.
5. Разработка макета СППР для формирования АСЭС из существующих компонентов.
6. Проведение параметрических исследований для анализа эффективности разработанной СППР.
2. Структура АСЭС
Функциональная схема АСЭС представлена на рисунке 4.

9
Рисунок 4. Функциональная схема автономной системы энергоснабжения
На этой схеме:
( )
вг
N
t
,
( )
cб
N
t
и
( )
дг
N
t
- мощности, вырабатываемые ВГ, СБ и ДГ соответственно;
( )
V t
– скорость ветра в текущий момент времени;
( )
E t
–уровень солнечной инсоляции, падающей на панель СБ;
*
( )
п
N
t
и
( )
п
N t
– мощность, необходимая потребителю и получаемая им из
СППР в текущий момент времени, соответственно.
АСЭС функционирует по следующему сценарию. ВГ вырабатывает мощность
( )
вг
N
t
в зависимости от скорости ветра
( )
V t
. Мощность
( )
сб
N
t
, поступающая от СБ, зависит от широты места расположения АСЭС, дня года, времени суток, ориентации панели СБ, прозрачности атмосферы, состояния облачности в текущий момент времени. Выработанная энергия используется для удовлетворения нужд потребителя энергии, характеризуемых запрашиваемой им мощностью
*
( )
п
N
t
Избыток вырабатываемой энергии накапливается и хранится в АКБ для отдачи потребителю в периоды недостатка мощности, вырабатываемой ВГ или/и

10
СБ. Дефицит энергии может также восполняться энергией, вырабатываемой резервным углеводородным источником (ДГ).
Основными природными факторами внешней среды, подлежащими учету при моделировании процесса функционирования АСЭС, являются:

скорость ветра в атмосфере
( )
V t
;

мощность солнечного излучения за пределами земной атмосферы
0
( )
E t
;

состояние земной атмосферы, в которой излучение
0
( )
E t
частично поглощается, отражается и рассеивается;

состояние облачного покрова в месте размещения АСЭС, приводящего к дополнительному отражению и рассеянию солнечного излучения в атмосфере.
Совместно солнечное излучение, атмосфера и облачность определяют уровень инсоляции панели СБ, т.е. поток солнечной энергии
( )
E t
, падающей на панель.
При построении модели АСЭС ветер и облачность необходимо рассматривать как коррелированные во времени случайные процессы. Статистические характеристики этих процессов существенно зависят от климатических условий в месте размещения системы.
Фактором внешней среды по отношению к АСЭС также является потребитель, циклограмма потребления энергии
*
( )
п
N t которого непосредственно влияет на режим работы системы.
Как уже говорилось выше, при наличии АКБ АСЭС является динамической системой. Ее состояние в каждый момент времени зависит не только от входов