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

11 системы в этот момент (скорости ветра, инсоляции СБ, нагрузки потребителя), но также от состояния АКБ, характеризуемого ее зарядом, динамически меняющимся во времени.
3. Показатели эффективности АСЭС
При формировании АСЭС из компонентов, представленных на рынке, в качестве основных показателей эффективности системы в работе предлагается рассматривать:

надежность снабжения потребителя энергией, характеризуемую вероятностью
P получения потребителем необходимого ему количества энергии
*
( )
п
N t при случайных изменениях скорости ветра (для ВГ) и инсоляции СБ;

стоимость
кВт час
С

одного киловатт-часа энергии, полученной потребителем, вычисляемую как отношение затрат на приобретение и эксплуатацию системы к количеству энергии, поставленной потребителю в течение заданного (длительного) периода T эксплуатации системы.
Дополнительные показатели эффективности АСЭС:

коэффициент дефицита энергии, характеризующий количество энергии, недополученное потребителем в процессе функционирования системы (в варианте без ДГ) из-за случайных изменений природных факторов (ветра, солнечного излучения, облачности);

коэффициент потерь энергии, возникающих в связи с возможным избытком энергии, вырабатываемой ВГ и СБ, при ограниченной емкости АКБ.

12
Очевидно, что надежность снабжения потребителя энергией можно повысить, увеличивая номинальные мощности источников энергии (ВГ и СБ) и емкость АКБ.
Однако это неизбежно повлечет увеличение стоимости системы и стоимости киловатт-часа вырабатываемой энергии. Использование в составе системы резервного источника энергии (ДГ) обеспечит бесперебойное снабжение энергией потребителя, но также приведет к удорожанию системы, в том числе из-за дополнительных затрат на топливо.
4. Программная реализация СППР
Блок-схема программного комплекса, реализующего СППР, показана на рисунке 5. Она отражает состав СППР, взаимодействие компонентов системы друг с другом и с факторами внешней среды.

13
Рис. 5. Блок-схема программного комплекса
Программный комплекс формируется с использованием принципа его декомпозиции, чтобы обеспечивать возможность варьирования состава и параметров отдельных компонентов системы, не затрагивая при этом другие компоненты. Использование данного принципа также позволяет разрабатывать отдельные модули комплекса независимо друг от друга.
В качестве исходных данных при работе с СППР задаются:

географические координаты нахождения АСЭС
,
 
;

номинальное значение или циклограмма мощности, необходимой потребителю
*
( )
п
N t ;

рассматриваемый вариант состава системы (ВГ, СБ, ДГ);

основные технические характеристики устройств, включенных в систему;

расчетное время эксплуатации системы Т;
Задаваемые технические характеристики СБ:

Номинальная мощность
сб
ном
N
;

Габариты панели СБ L, H;

Количество СБ n сб
;

КПД СБ
сб


Угол наклона панели

;

Стоимость С
сб
Задаваемые технические характеристики ВГ:

Номинальная мощность
вг
ном
N
;

14

Номинальная скорость
ном
V
;

Стартовая скорость min
V
;

Максимальная скорость max
V
;

Высота ВГ h;

Число ВГ n вг
;

Стоимость С
вг
Задаваемые технические характеристики АКБ:

Номинальная емкость max
Q
;

Номинальное напряжение u ном
;

Число АКБ n акб
;

КПД АКБ
акб

;

Стоимость АКБ
АКБ
С
;
Задаваемые технические характеристики ДГ:

Номинальная мощность
дг
N
;

расход топлива на единицу мощности
топ
m
;

Стоимость С
дг
В состав программного комплекса входят следующие модели компонентов
АСЭС:

модель функционирования ВГ;

модель функционирования СБ;

модель функционирования АКБ;

модель функционирования ДГ;

15

алгоритм работы КИ.
При формировании СППР особое внимание было уделено разработке математических моделей природных факторов – ветра и облачности как случайных процессов, существенно влияющих на функционирование АСЭС как динамической системы. Подробное описание разработанных математических моделей представлено в работах авторов [7], [8], [9].
Также необходимо отметить, что в варианте использования в составе системы солнечных батарей предусматривается возможность расчета параметров функционирования АСЭС для зимнего сезона, так как зимой условия функционирования СБ являются наиболее трудными не только в связи с самым коротким световым днем, но также в связи с максимальным количеством облачности. Поэтому определение наилучшей конфигурации системы для зимнего сезона обеспечивает нахождение минимаксного решения задачи, т.е. при наихудших условиях эксплуатации СБ.
Кроме того, разрабатываемая СППР позволяет оценить эффективность использования СБ с произвольной ориентацией и углом наклона панели, в том числе функционирующих в «следящем режиме», когда СБ обращена к Солнцу так, что солнечные лучи всегда падают перпендикулярно ее поверхности, что обеспечивает максимальное количество вырабатываемой энергии.
Для математического моделирования рассматриваемой системы, функционирующей при действии существенно негауссовских и коррелированных во времени случайных процессов, целесообразно использовать имитационную модель, т.е. проводить моделирование по методу Монте-Карло.

16
Имитационная модель функционирования АСЭС обеспечивает решение задачи анализа системы, т.е. расчет показателей эффективности системы путем осреднения их значений, рассчитанных в течение длительного периода (10 и более лет) эксплуатации системы.
Также в состав СППР входит модель расчета стоимости системы, отражающая суммарные затраты
C

на создание и эксплуатацию системы в течение всего срока ее функционирования, и модель стоимости киловатт-часа энергии, полученной потребителем в течение этого срока.
Результаты отображаются в виде графиков реализаций переменных состояния системы, демонстрирующих работу рассматриваемого варианта АСЭС во времени, в том числе:

скорости ветра;

мощности, вырабатываемой ВГ;

интенсивности солнечного излучения, падающего на панель СБ;

мощности, вырабатываемой СБ;

текущего заряда АКБ;

энергии, вырабатываемой ДГ, и других.
Основными итоговыми показателями эффективности системы являются следующие стоимостные и временные показатели:

суммарная стоимость приобретения и эксплуатации системы за весь планируемый период ее использования;

стоимость 1 кВт-ч энергии, полученной потребителем от АСЭС;

17

стоимость использованного топлива при наличии ДГ в составе системы;

коэффициент дефицита энергии как отношение энергии, недополученной потребителем, к общему количеству энергии, запрашиваемой им за весь период эксплуатации системы;

коэффициент потерь энергии из-за ограниченной емкости АКБ по отношению к количеству энергии, которое могло бы быть выработано системой при неограниченной емкости АКБ;

доля энергии, выработанной раздельно ВГ, СБ и ДГ по отношению к суммарному количеству энергии, выработанному АСЭС, и другие.
5. Пример анализа эффективности АСЭС с использованием СППР
Рассмотрим работу СППР на примере анализа эффективности определенных вариантов АСЭС. На рисунках 6,7 приведен интерфейс, используемый в СППР для задания исходных данных, а также для вывода результатов расчетов.

18
Рисунок 6. Интерфейс СППР с исходными данными

19
Рисунок 7. Интерфейс СППР с результатами расчетов
Основные параметры и рассчитанные с помощью СППР показатели эффективности для различных вариантов АСЭС представлены в таблице 1.

20
Таблица 1.
Численные результаты
№ Характеристика АСЭС
Конфигурация 1 Конфигурация 2 Конфигурация 3
1
Номинальная мощность ВГ, кВт
4 4
4 2
Номинальная мощность СБ, кВт
-
2 2
3
Емкость АКБ, кВт
6 6
6 4
Номинальная мощность ДГ, кВт
-
-
1 5
Надежность снабжения потребителя энергией, %
83,09 85,71 100 6
Потери энергии, %
41,47 40,40 26,58 7
Количество энергии/Время работы
ДГ, %
-
-
35,32/48,10 8
Стоимость энергии, руб/кВт
3,07 3,45 20,6
СППР также дает возможность познакомиться со статистическими характеристиками природных факторов и параметров функционирования системы
(рисунок 8). Данная функция будет интересна специалистам в области системного анализа, занимающихся моделированием и прогнозированием скорости ветра, облачности, солнечной инсоляции для решения различных технических задач.

21
Рисунок 8. Статистические данные.
Заключение
В работе получены следующие результаты:
1. Разработан и реализован макет программного комплекса СППР, предназначенной для использования при выборе оптимальной конфигурации системы энергоснабжения, основанной на использовании возобновляемых источников энергии (ветра и Солнца), для потребителей, не имеющих возможности пользоваться сетевой электроэнергией. СППР также может быть использована для выработки рекомендаций по применению систем энергоснабжения

22 рассматриваемого типа в различных регионах на территории РФ и для выявления регионов, где использование системы наиболее эффективно.
2. В программном комплексе предусмотрено имитационное моделирование функционирования АСЭС как нелинейной динамической системы, в том числе основных устройств входящих в ее состав (СБ, ВГ, ДГ, АКБ), а также природных факторов, значимо влияющих на ее работу, - ветра, солнечного излучения и облачности.
3. Для выбора оптимального варианта построения АСЭС в макете СППР предусмотрено использование алгоритма и программы оптимизации структуры и параметров системы. Для ускорения процесса решения задачи оптимизации планируется дополнить имитационную модель упрощенной эмпирической моделью, построенной с использованием результатов имитационного моделирования.
4. Использование разработанных моделей позволяет получить более точные результаты, наиболее приближенные к реальным условиям эксплуатации систем рассматриваемого класса, в то время как в существующих моделях (см., например,
[10]) при анализе эффективности таких систем обычно учитываются только их простейшие статические характеристики (среднегодовые значения, распределения вероятностей значений), а динамические свойства процессов, описывающие их изменчивость во времени, никак не учитываются.
6. В дальнейшем предполагается использовать разработанную СППР для синтеза АСЭС, при котором на основе географических координат местонахождения системы и циклограммы мощности для конкретного потребителя будет

23 подбираться оптимальный состав системы и параметры системы, способные обеспечить потребителя необходимым количеством энергии при минимальных затратах на установку и обслуживание.
7. После заполнения баз данных, входящих в состав СППР и содержащих данные о технических характеристиках и стоимости компонентов, которые представлены на рынке и могут быть включены в систему, а также о статистических характеристиках ветра и облачного покрова в возможных местах эксплуатации системы, данная СППР может быть использована в организациях, занимающихся созданием или реализацией автономных систем энергоснабжения или их отдельных компонентов.
Библиографический список
1. Лебедев А.А. Введение в анализ и синтез систем: Учебное пособие - М.: Изд- во МАИ, 2001. – 352 с.
2. Основы синтеза систем летательных аппаратов / Под ред. А.А. Лебедева, - М.:
Изд-во МАИ, 1996. – 443 с.
3. Статистическая динамика и оптимизация управления летательных аппаратов /
Под ред. М.Н Красильщикова, В.В. Малышева. - М.: Альянс, 2013. – 468 с.
4. Заковряшин А.И. Особенности интеллектуальной поддержки принятия решений
//
Труды
МАИ,
2012,
№61: http://www.mai.ru/science/trudy/published.php?ID=35525 5. Попель О.С. Автономные энергоустановки на возобновляемых источниках энергии // Энергосбережение. 2006. № 3. С. 21-30.

24 6. Единый Государственный Фонд Данных, ВНИИГМИ-МЦД [Электронный ресурс]. Режим доступа: www.meteo.ru (дата обращения: 13.04.2016).
7. Бобронников В.Т. Математическая модель автономной ветроэнергетической системы с учетом характеристик ветра как коррелированного случайного процесса
// Известия РАН. Теория и системы управления. 2013. №. 5. С. 114–125.
8. Абрамова Т.С., Бобронников В.Т., Кадочникова А.Р.Векторная модель ветра для анализа эффективности автономных ветроэнергетических систем // Известия
РАН. Теория и системы управления. 2016. №. 3. С 80-87.
9. Bobronnikov V., Abramova T. Efficiency analysis of a small isolated wind energy generation system taking into account characteristics of a wind as time-correlated random process // Conference proceedings of International Multidisciplinary Scientific
GeoConference SGEM 2014. 2014. Vol. 1. P. 149-156.
10. Bagen. Reliability and Cost/Worth Evaluation of Generating Systems Utilizing Wind and Solar Energy // PhD thesis, University of Saskatchewan. – 2005. – 253 pp.