ОБ ОДНОМ ПОДХОДЕ К ОПРЕДЕЛЕНИЮ МОЩНОСТИ СИСТЕМЫ НАКОПЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ В МИКРОГРИД

ABOUT ONE APPROACH TO DETERMINING THE CAPACITY OF THE ELECTRICITY STORAGE SYSTEM IN THE MICROGRID

Maksim Prokofev

Postgraduate, Yuri Gagarin State Technical University of Saratov,

Russia, Saratov

Aliya Temirbulatova

Postgraduate, Yuri Gagarin State Technical University of Saratov,

Russia, Saratov

Yury Tomashevskiy

Doctor of Technical Sciences, professor, Yuri Gagarin State Technical University of Saratov

Russia, Saratov

АННОТАЦИЯ

Рассмотрена микрогрид, функционирующая в автономном режиме. Сформулирована оптимизационная задача, минимизирующая установленную мощность системы накопления электроэнергии в микрогрид при условии выполнения баланса между генерируемой и потребляемой мощностями в заданных пределах. На основе компьютерного моделирования реализован выбор установленной мощности накопителя, обеспечивающий функционирование микрогрид в автономном режиме.

ABSTRACT

A microgrid operating offline is considered. An optimization problem has been formulated that minimizes the installed capacity of the system for storing electricity in a microgrid, provided that the balance between the generated and consumed capacities is maintained within the specified limits. On the basis of computer simulation, the choice of the installed storage capacity was implemented, which ensures the functioning of the microgrid in an autonomous mode.

Ключевые слова: микрогрид; баланс; система накопления энергии; ветрогенератор; солнечная панель; нагрузка.

Keywords: microgrid; balance; energy storage system; wind generator; a solar panel; load.

В настоящее время в электроэнергетике уделяется все большее внимание микрогрид (МГ), обеспечивающих снабжение потребителей при условии отделения от централизованного источника, т.е. в автономном режиме [1]. В большинстве случаев микрогрид представляет собой комбинацию возобновляемых источников энергии и систем накопления электроэнергии [2]. Пример структуры в этом случае представлен на рисунке 1.

Рисунок 1. Микрогрид на основе возобновляемых источников энергии

Рассмотрим микрогрид, функционирующую в изолированном режиме. Сформулируем оптимизационную задачу, минимизирующую установленную мощность системы накопления электроэнергии (СНЭ) в МГ при условии выполнения баланса между генерируемой и потребляемой мощностями в заданных пределах. Актуальность задачи определяется тем, что, с одной стороны, СНЭ является необходимым компонентом МГ на базе возобновляемых источников энергии, осуществляющей функцию буферизации и обеспечивающий функционирование МГ в автономном режиме, а, с другой, - имеет самую высокую стоимость единицы установленной мощности из триады «ветрогенераторы-солнечные панели-СНЭ», представленной на рисунке 1. Как следствие величина установленной мощности СНЭ должна быть минимально возможной.

Формула баланса мощности  между вырабатываемой и потребляемой энергией при различных характеристиках нагрузки микрогрид и погодных условиях  имеет вид

,                                                                 (1)

где  – энергия, вырабатываемая солнечными панелями;

 – энергия, вырабатываемая ветрогенераторами;

 - мощность аккумуляторов;

 - мощность нагрузки.

Целевая функция может быть представлена следующим образом

,                                                                                               (2)

Рассмотрим ограничения.

Баланс мощности: МГ и СНЭ, установленные в микрогрид, должны удовлетворить потребность в мощности, обусловленную нагрузками. Это ограничение может быть представлено в виде

,                                                                                    (3)

где  - нижняя граница разбаланса, устраняемого в автономном режиме, например, путем допустимого отключения некритических нагрузок;

 верхняя граница разбаланса, превышение которой делает работу МГ в автономном режиме неэффективной, одним из способов устранения которой, например, является переход на режим работы с федеральной сетью.

Ограничения по хранению энергии: накопители энергии в зависимости от их типов имеют разные ограничения [3]. Аккумуляторные накопители являются наиболее распространенными типами, которые используются в МГ [4]. Энергия, запасенная в батареях, должна оставаться в определенном диапазоне:

,                                                                                (4)

где  - минимальная энергия, хранимая в накопителе энергии;

- максимальная энергия, хранимая в накопителе энергии.

Другим ограничением, касающимся работы батарей, является эффективность заряда и разряда. Для обеспечения соблюдения этого ограничения используются следующие уравнения:

В режиме зарядки

,                                                                           (5)

где  - эффективность зарядки накопителя энергии.

В режиме разрядки

,                                                                      (6)

где  - эффективность разрядки накопителя энергии.

Подход к определению мощности СНЭ основан на моделировании работы МГ, представленной на рисунке 1, в течение 24 часов. Установленные мощности  и  заданы, график изменения мощности нагрузки , также как данные по солнцу и ветру (использовался ресурс RP5.ru) выбираются из архивных данных для конкретных суток и региона. Соответствующие графики представлены на рисунке 2 и 3.

Решение задачи начинается с задания начального значения . Далее вычисляется изменение  и проверяется выполнение условия (3), при этом

Рисунок 2. Графики генерируемых мощностей  (внизу) и  (вверху)

Рисунок 3. График потребляемой мощности в течение суток

режимы СНЭ моделируются на основе уравнений (4)-(6). Для идеального случая выбираем ==1. Как только нарушается условие (3) по отношению к нижней границе, происходит увеличение  с заданным дискретным шагом по мощности, и процесс повторяется до тех пор, пока не будет выполняться условие  в течение всего периода моделирования. После чего проверяется условие (3) по отношению к верхней границе, и дается оценка эффективности функционирования МГ с полученным значением . Следует заметить, что определяющим здесь является оценка нижней границы, как определяющей бесперебойность процесса питания нагрузок. В результате для конкретных суток определяется величина , соответствующая критерию (2). Проведя моделирование для различных периодов (например, год) получаем массив значений , из которых выбираем максимальное значение.

Результаты моделирования для одних суток представлены на рисунках 4 и 5.

Рисунок 4. Баланс мощности в течении суток для промежуточного значения =20 кВт

Рисунок 5. Баланс мощности в течении суток для значения =70 кВт

Сплошной линией показан график изменения величины , вычисляемой по формуле (1), пунктирной линией – график величины , а штрихпунктирной – нижняя граница ограничения (2). На рисунке 4 приведены результаты для промежуточного значения =20 кВт, а на рисунке 5 – для значения, которое может использоваться как конечный результат =70 кВт.

Таким образом, реализован выбор установленной мощности СНЭ в микрогрид, обеспечивающий функционирование МГ в автономном режиме.

Список литературы:

1. Кугучева Д.К. Некоторые аспекты оптимизационных задач при расчете автономных систем микрогрид / Д.К. Кугучева, М.С. Харитонов // Вестник Северо-Кавказского федерального университета. 2020. – С.7–16
2. Keyhani A. Smart Power Grids 2011 / A. Keyhani, M. Marwali (ed.). - Springer-Verlag: Berlin Heidelberg, 2011. – 701 p.
3. Fossati J.P. A method for optimal sizing energy storage systems for microgrids / J.P. Fossati, A. Galarza, A. Martín-Villate, L. Fontán // Renew. Energy – 2015. – vol. 77, –P. 539–549.
4. Integration of Distributed Energy Resources / Lasseter R., Akhil A., Marnay C.  and etc.// The CERTS MicroGrid Concept, 2002. –– 26 p.