ПОЧАСОВАЯ МОДЕЛЬ ЭНЕРГОБАЛАНСА ГИБРИДНОЙ МИКРО-ЭС С УЧЁТОМ ОБЛЕДЕНЕНИЯ И НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУР

HOURLY SIMULATION OF HYBRID MICROGRID ENERGY BALANCE CONSIDERING ICING AND LOW TEMPERATURES

Fashutdinov Azat Airatovich

student, Ufa State Petroleum Technological University,

Russia, Ufa

Kalimgulov Airat Rinatovich

Scientific supervisor, Candidate of Physical and Mathematical Sciences, Associate Professor Ufa State Petroleum Technological University,

Russia, Ufa

АННОТАЦИЯ

Представлена почасовая имитационная модель энергобаланса гибридной микроэлектростанции, учитывающая обледенение приёмных поверхностей и влияние отрицательных температур на ёмкость аккумуляторов. Апробация на климатических данных показала рост расчётного дефицита энергии более чем на 40 %.

ABSTRACT

An hourly simulation model for the energy balance of a hybrid micro-power plant is presented, accounting for surface icing and low-temperature effects on battery capacity. Validation against climatic data showed an increase in estimated energy deficit of over 40 %.

Ключевые слова: имитационная модель, энергобаланс, гибридная микроэлектростанция, почасовой расчёт, обледенение, низкие температуры.

Ключевые слова: simulation model, energy balance, hybrid micro-power plant, icing, low temperatures, hourly calculation.

Проектирование гибридных микроэлектростанций для удалённых районов требует достоверной оценки генерации и потребления в условиях сурового климата. Главные факторы, снижающие эффективность - обледенение ветроколёс и фотопанелей, а также уменьшение ёмкости аккумуляторов при низких температурах.

Структура модели. Модель состоит из четырёх взаимосвязанных блоков.

Климатические данные. Используются почасовые значения температуры воздуха Ta, солнечной радиации G, скорости ветра V и интенсивности обледенения Iice​ для типичного метеорологического года. При отсутствии прямых измерений обледенения используется косвенный метод: нарастание льда фиксируется, если Ta<0 °C и одновременно выпадают осадки. Толщина льда dice​ накапливается пропорционально Iice и убывает со скоростью таяния при положительных температурах.

Генерация ФЭМ и ВЭУ. Мощность фотоэлектрических панелей вычисляется с температурной поправкой и коэффициентом потерь от обледенения kicePV=max(0,1−0,15dice), где dice в мм. Температура модуля Tc оценивается по упрощённой формуле Tc=Ta+kTG с коэффициентом kT≈0,03kT​≈0,03 К·м²/Вт. Для ветрогенератора выработка определяется по паспортной кривой PWT(V) и умножается на коэффициент kiceWT=exp(−0,08tice), где tice - длительность непрерывного обледенения в часах.

Аккумуляторная батарея. Степень заряда (SOC) ведётся кулоновским счётчиком с учётом тока заряда/разряда и КПД:

SOCt+1​=SOCt​+Cbat​(T)Ich​ηch​Δt​−ηdis​Cbat​(T)Idis​Δt​.

Доступная ёмкость

Cbat​(T)=C25​[1+α(Tbat​−25)],

где α≈−0,005 1/°C для литий-железо-фосфатных батарей. Температура батареи Tbat​ принимается равной температуре окружающего воздуха с инерционным сглаживанием (постоянная времени около 3 ч) и дополнительным нагревом при больших токах. КПД заряда и разряда также корректируются: при –20 °C КПД заряда снижается на 10–15 %. При достижении нижнего порога SOC разряд блокируется.

Энергобаланс. На каждом часовом шаге рассчитывается разность генерации и нагрузки. Избыток заряжает АКБ (с учётом ёмкости и КПД), излишки фиксируются как неиспользованная энергия. Дефицит покрывается из АКБ; если SOC достигает минимума, регистрируется час дефицита и недоданная энергия.

Реализация. Блок расчёта баланса: на каждом шаге вычисляется разность генерации и нагрузки; избыток заряжает АКБ с учётом КПД зарядного преобразователя; дефицит покрывается накопителем с контролем SOC и блокировкой разряда при пороговом напряжении.

Апробация. Модель проверена на данных метеостанции Тикси для конфигурации: ФЭМ 2 кВт, ВЭУ 3 кВт, LiFePO₄ АКБ 48 В / 200 А·ч, пиковая нагрузка 2,5 кВт. Сравнивались сценарии: «базовый» (без учёта обледенения и с постоянной ёмкостью при +25 °C) и «климатически адаптированный». Базовый сценарий дал 180 ч дефицита и 340 кВт·ч недовыработанной энергии в год. Адаптированная модель предсказала 255 ч дефицита и 490 кВт·ч, что на 42 % и 44 % соответственно хуже. Основной прирост потерь вызван обледенением ветрогенератора в осенне-весенние месяцы и снижением полезной ёмкости АКБ зимой. При этом максимальная длительность непрерывного перерыва в электроснабжении возросла с 14 до 23 часов. Полученные цифры демонстрируют, что пренебрежение климатическими факторами приводит к завышению ожидаемой автономности почти в полтора раза.

Таким образом, разработанная почасовая модель позволяет реалистично оценить энергобаланс микро-ЭС в суровом климате и может служить инструментом для технико-экономического обоснования проектов, выбора ёмкости накопителей и целесообразности антиобледенительных мероприятий.

Список литературы:

1. Лукутин Б.В., Муравлёв И.О. Имитационное моделирование автономных фотоэлектростанций. – Томск: ТПУ, 2018. – 128 с.
2. Fortin G., Perron J., Ilinca A. Behaviour and modelling of cup anemometers under icing conditions // Cold Regions Science and Technology. – 2015. – Vol. 110. – P. 116–126.