Спосіб управління комбінованим енергозабезпеченням автономних об’єктів на основі традиційних та поновлювальних джерел енергії

Реферат: Спосіб управління комбінованим енергозабезпеченням автономних об'єктів на основі традиційних та поновлювальних джерел енергії, при якому енергію поновлюваних джерел безперервно перетворюють в електроенергію, акумулюють надлишкову електроенергію, узгоджують кількість генерованої традиційними і поновлюваними джерелами електроенергії та акумульованої у акумуляторних батареях електроенергії з графіком електроспоживання з формуванням управління енергобалансом комбінованої електроенергетичної системи шляхом поточного оцінювання рівнів і максимального використання генерації поновлюваних джерел. Додатково здійснюють формування алгоритмів управління енергобалансом комбінованої електроенергетичної системи шляхом поточного оцінювання рівнів і максимального використання ємності накопичувача електроенергії, з можливістю використання зовнішньої електромережі або електростанції з двигуном внутрішнього згорання і подальшим узгодженням графіка електроспоживання вибраних струмоприймачів на основі приведеної поточної вартості електроенергії як комбінації у реальному часі собівартостей електроенергії традиційних та поновлюваних джерел, що використовуються у комбінованій електроенергетичній системі. UA 120360 U (12) UA 120360 U UA 120360 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до галузі знань електроенергетики, зокрема до способів управління комбінованим електрозабезпеченням автономних об'єктів на основі традиційних та поновлюваних джерел енергії. Відомий спосіб управління безперервним електропостачанням споживачів електроенергетичної системи, що працює на поновлюваних джерелах енергії (патент РФ № 2208890, МПК: H02J 3/28, H02J 15/00, 2003), що включає перетворення енергії як мінімум від двох поновлюваних джерел енергії в електричну енергію. Корисна модель належить до електроенергетики, зокрема до області електропостачання споживачів, підключених до електроенергетичної системи, що працює на нестабільних поновлюваних джерелах енергії (вітро-, гідро-, фото і т.п. електричних станціях). Технічний результат полягає в розширенні діапазону використовуваних потужностей поновлюваних джерел енергії при високому коефіцієнті використання енергії джерел не тільки в режимах, коли потужність джерела вище номінальної, а й в режимах, коли потужність джерела нижче вибраної. Спосіб включає: перетворення енергії поновлюваних джерел енергії в електричну енергію змінного струму за допомогою електрогенератора змінного струму, який за допомогою випрямляча енергії змінного струму перетворюється у енергію постійного струму, стабілізацію напруги джерела, накопичення енергії постійного струму в акумуляторі і видачу енергії на навантаження споживача. Додатково за допомогою широтно-імпульсного перетворювача з гальванічною розв'язкою на виході напруга акумулятора перетворюється в регульовану постійну напругу і з допомогою "вольт-добавки" підсумовується з напругою на виході випрямляча шляхом послідовного підключення вихідних ланцюгів перетворювача і випрямляча, причому регулювання широтно-імпульсного перетворювача здійснюють за умови підтримки на вході стабілізатора напруги вище напруги стабілізації. Цей спосіб використовується для електрозабезпечення різних автономних об'єктів (морських плаваючих споруд та суден, морських нафтових платформ, територій островів). Однак, при керуванні енергозабезпеченням враховується можливість використання лише поновлюваних джерел генерації електроенергії у широкому діапазоні потужностей. Крім цього мають місце суттєві обмеження технологічних можливостей способу управління електрозабезпеченням об'єктів, який не враховує графік електроспоживання. Відомий також спосіб управління комбінованим енергозабезпеченням автономних об'єктів на основі традиційних та поновлювальних джерел енергії, при якому енергію поновлюваних джерел безперервно перетворюють в електроенергію, акумулюють надлишкову електроенергію, узгоджують кількість генерованої традиційними і поновлюваними джерелами електроенергії та акумульованої у акумуляторних батареях електроенергії з графіком електроспоживання з формуванням управління енергобалансом комбінованої електроенергетичної системи шляхом поточного оцінювання рівнів і максимального використання генерації поновлюваних джерел (патент України № 66037, МПК F03D 9/00, H02J 7/00, H02J 15/00, 2011). У відомому способі безперервно контролюють лише рівень потужності споживання електричної енергії енергоспоживачами, який порівнюють з поточним рівнем потужності електричної енергії, що генерується від поновлюваних джерел енергії, у випадку перевищення поточного рівня потужності електричної енергії, що генерується від поновлюваних джерел енергії, над рівнем споживання електричної енергії первинними енергоспоживачами здійснюють акумулювання надлишкової електричної енергії в акумуляторних батареях, а при повній зарядці акумуляторних батарей надлишкову електричну енергію надають технологічній установці з регульованою продуктивністю як додатковому енергоспоживачу, у випадку перевищення рівня енергоспоживання над поточним рівнем потужності електричної енергії, що генерується від поновлюваних джерел енергії, первинним енергоспоживачам для збереження енергетичного балансу додатково надають електричну енергію від акумуляторних батарей, при цьому постійно здійснюють регулювання рівня продуктивності технологічної установки в межах від мінімального до максимального значення продуктивності, електричну енергію технологічній установці при мінімальному рівні енергоспоживання, що відповідає її мінімальній продуктивності, надають як первинному енергоспоживачу, а при підвищенні рівня її продуктивності вище мінімального - як додатковому енергоспоживачу, рівень підвищення продуктивності опріснювальної установки встановлюють у відповідності з рівнем надлишкової електричної енергії, яку визначають у випадку повної зарядки акумуляторних батарей як різницю між рівнем потужності електричної енергії, що генерується від поновлюваних джерел енергії, та рівнем енергоспоживання первинних енергоспоживачів, при цьому поточний рівень регульованої продуктивності технологічної установки встановлюють відповідно до можливого рівня споживання електричної енергії технологічною установкою з урахуванням поточного рівня надлишкової електричної енергії. Заявлений спосіб керування енергозабезпеченням 1 UA 120360 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 автономного об'єкта як технологічну установку як додаткового струмоприймача використовує опріснювальну установку з регульованою продуктивністю, при якому рівень мінімальної продуктивності технологічної установки попередньо визначають з врахуванням середньої норми добового споживання прісної води основними споживачами автономного об'єкта, прісну воду з опріснювальної установки подають до основного акумулятора прісної води, з якого за відповідним часовим графіком відвантажують прісну воду основним споживачам, при цьому здійснюють безперервний контроль рівня прісної води у основному акумуляторі, а при досягненні максимального рівня - прісну воду з опріснювальної установки подають принаймні до одного додаткового акумулятора прісної води, який забезпечують можливістю з'єднання з основними і додатковими споживачами прісної води, при цьому об'єм основного акумулятора попередньо визначають з врахуванням середньої норми добового споживання прісної води основними споживачами автономного об'єкта і рівня мінімальної продуктивності опріснювальної установки, а об'єм додаткового акумулятора - з врахуванням максимальної потужності опріснювальної установки і величини пікового постачання прісної води додатковим споживачам автономних об'єктів. Однак відомий спосіб реалізує тільки один алгоритм, що базується на узгодження лише технічних параметрів елементів автономної електроенергетичної системи і враховує потужності генерації джерел, потужності струмоприймачів, один з яких має гнучкий широкий діапазон електроспоживання, що забезпечує максимальну утилізацію електроенергії від поновлюваних джерел та створює умови для оптимального заряджання акумуляторної батареї, однак не включає інших алгоритмів керування енергетичними потоками у автономній системі з урахуванням інших пріоритетів, зокрема коли кількість та встановлені потужності первинних споживачів будуть змінюватись, що призводить до неоптимального розподілу електроенергії з точки зору забезпечення основних технологічних процесів автономного об'єкта. Крім цього при керуванні енергозабезпеченням враховується можливість енергозабезпечення лише від поновлюваних джерел генерації електроенергії, що може призвести до повного припинення енергозабезпечення або часткового примусового відключення споживачів при недостатній потужності генерації у випадку відсутності генерації поновлювальними джерелами (запит на споживання енергії більший, ніж її фактична генерація), що обмежує технологічні можливості способу керування енергозабезпеченням автономних об'єктів. В основу корисної моделі поставлена задача створення такого способу управління комбінованим електрозабезпеченням автономних об'єктів на основі традиційних та поновлюваних джерел енергії, у якому введенням нових операцій, забезпечилося б розширення технологічних можливостей способу управління комбінованим енергозабезпеченням автономних об'єктів на основі традиційних та поновлювальних джерел енергії. Поставлена задача вирішується тим, що в способі управління комбінованим енергозабезпеченням автономних об'єктів на основі традиційних та поновлювальних джерел енергії, при якому енергію поновлюваних джерел безперервно перетворюють в електроенергію, акумулюють надлишкову електроенергію, узгоджують кількість генерованої традиційними і поновлюваними джерелами електроенергії та акумульованої у акумуляторних батареях електроенергії з графіком електроспоживання з формуванням управління енергобалансом комбінованої електроенергетичної системи шляхом поточного оцінювання рівнів і максимального використання генерації поновлюваних джерел, згідно з корисною моделлю, додатково здійснюють формування алгоритмів управління енергобалансом комбінованої електроенергетичної системи шляхом поточного оцінювання рівнів і максимального використання ємності накопичувача електроенергії, з можливістю використання зовнішньої електромережі або електростанції з двигуном внутрішнього згорання і подальшим узгодженням графіка електроспоживання вибраних струмоприймачів на основі приведеної поточної вартості електроенергії як комбінації у реальному часі собівартостей електроенергії традиційних та поновлюваних джерел, що використовуються у комбінованій електроенергетичній системі. Додаткове формування алгоритмів управління енергобалансом комбінованої електроенергетичної системи шляхом поточного оцінювання рівнів і максимального використання ємності накопичувача електроенергії, з можливістю використання зовнішньої електромережі або електростанції з двигуном внутрішнього згорання і подальшим узгодженням графіка електроспоживання вибраних струмоприймачів на основі приведеної поточної вартості електроенергії як комбінації у реальному часі собівартостей електроенергії традиційних та поновлюваних джерел, що використовуються у комбінованій електроенергетичній системі (КЕС), дозволяє здійснювати управління енергозабезпеченням автономних об'єктів шляхом більш оптимального використання первинної енергії поновлюваних джерел і мінімізації 2 UA 120360 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 поточних витрат на електроенергію, що забезпечує розширення технологічних можливостей способу. На фіг. 1 представлена структурна схема КЕС з енергетичними зв'язками та сигналами керування; на фіг. 2 - структурна схема збору і обробки первинних даних для формування поточних собівартостей електроенергії комбінованої системи електроживлення (КСЕ), де (W 1W 5 - цифрові вимірювачі потужності; КЗ - контролер рівня заряду АКБ; ІД - інформаційний дисплей). Заявлений спосіб управління комбінованим енергозабезпеченням автономних об'єктів на основі традиційних та поновлювальних джерел енергії полягає в наступному. Енергію поновлюваних джерел безперервно перетворюють в електроенергію, акумулюють надлишкову електроенергію, узгоджують кількість генерованої традиційними і поновлюваними джерелами електроенергії та акумульованої у акумуляторних батареях електроенергії з графіком електроспоживання з формуванням алгоритму управління енергобалансом комбінованої електроенергетичної системи шляхом поточного оцінювання рівнів і максимального використання генерації поновлюваних джерел та формуванням додаткових алгоритмів управління енергобалансом комбінованої електроенергетичної системи шляхом поточного оцінювання рівнів і максимального використання ємності накопичувача електроенергії, з можливістю використання зовнішньої електромережі або електростанції з двигуном внутрішнього згорання і подальшим узгодженням графіка електроспоживання вибраних струмоприймачів на основі приведеної поточної вартості електроенергії як комбінації у реальному часі собівартостей електроенергії традиційних та поновлюваних джерел, що використовуються у комбінованій електроенергетичній системі. В залежності від добових зон тарифів централізованої енергосистеми (детермінований чинник), доступного природного потенціалу для генерації від поновлюваних джерел (ймовірнісний чинник), ємності накопичувача та рівня його заряду у будь-який момент часу (ймовірнісний чинник), собівартість електроенергії буде змінюватись у певних межах. Алгоритми управління КЕС повинні забезпечувати узгоджений добовий графік електроспоживання автономного об'єкта вибраними джерелами і забезпечувати мінімальні витрати на електроенергію. До складових елементів системи енергетичного модуля КСЕ входять (фіг. 1): вітроелектростанція (ВЕС), сонячна електростанція (СЕС), інвертор з функцією зарядного пристрою (І/ЗП), акумуляторні батареї (АКБ), автономна електростанція з двигуном внутрішнього згорання (АЕСДВЗ), шини централізованої енергосистеми (ЦЕС), таймер перемикання кіл для використання зонних тарифів ЦЕС, автоматизована система керування (СК). До системи керування, у свою чергу входить: реле струму РІ 1 ВЕС, реле струму РІ2 СЕС, реле контролю заряду АКБ PU1 реле контролю напруги ЦЕС PU2, пристрій автоматичного вводу резерву ЦЕС АВР1, пристрій автоматичного вводу резерву АЕДВЗ АВР2, реле контролю напруги АЕСДВЗ PU3, пристрій автоматичного вводу резерву для заряду АКБ АВР3, пристрій автоматичного вводу резерву на шинах споживача АВР4. Апаратно встановлена пріоритетна послідовність роботи джерел живлення, а саме: а) живлення споживачів відбувається від вітросонячної системи при достатньому рівні заряду АКБ. СК утримує АВР4 в положенні 1, при значеннях сигналів з давачів РІ1, РІ2 та PU1 більше мінімальних порогових значень; б) при досягненні сигналу з давача PU нижче мінімального порогового значення СК здійснює перемикання АВР4 у положення 2. При цьому у часовій зоні найменшого тарифу можливе заряджання АКБ (при відсутності струму заряду з ВЕС і СЕС) для чого СК комутує АВР3; в) при відключенні ЦЕС (сигнал з PU2 відсутній), СК запускає програму підготовки до запуску і пуск АЕСДВЗ, а потім, при появі сигналу з PU3, здійснює комутацію АВР4 в положення 3. При появі сигналів з PU1 чи PU2 більших, ніж мінімальні порогові значення, СК виконує відповідні комутації для перемикання живлення споживачів від джерел, пріоритетна послідовність роботи яких описана вище. Для конкретного набору джерел (модельний ряд, встановлені потужності, кліматична зона) управління функціонуванням КЕС здійснюється на основі використання часових діаграм роботи джерел у відповідності до встановленого пріоритету. Принцип формування приведеної поточної вартості електроенергії як комбінації у реальному часі собівартостей електроенергії кожного з джерел (традиційних та поновлюваних), що перебувають у активному стані і задіяних у генерації електроенергії КСЕ полягає у одержанні розрахункової вартості електроенергії на шинах споживача у певному часовому 3 UA 120360 U 5 10 15 20 інтервалі, що генерується декількома джерелами (АКБ може бути як навантаженням для вітросонячної електростанції та ЦЕС, так і окремим джерелом). Для технологічного контролю рівнів генерації джерел (чи кількості спожитої електроенергії з шин ЦЕС) запропонована структурна схема для збору первинних даних усередині КСЕ для подальшого їх використання у обчисленнях інтелектуального блока СК (фіг. 2). Найпростішим давачем потужності у режимі реального часу може бути цифровий вимірювач потужності з відповідним інтерфейсом та адаптованим видом вихідного сигналу для блока обчислень СК. У загальному вигляді формування УДТ відбувається наступним чином. Оскільки джерела електричної енергії є взаємозамінними та взаємно резервованими, особливості процесів перетворення первинної енергії у електричну висуває певним чином обґрунтовані вимоги щодо пріоритетного їх використання. Знаючи рівень енерговитрат, раціональним є визначення кількості енергії wn, яка повинна надходити від вибраних n джерел, собівартість електроенергії від яких буде різною. Кожне з цих джерел має різну доступність k. Під доступністю будемо розуміти ймовірність того, що i-те джерело буде здатне генерувати задану кількість електроенергії wn у заданий час, або ймовірність того, що генеруюча установка буде забезпечена первинною енергією в будь-який час і в об'ємі, що відповідає номінальним показникам установки, k Ді[0,1] . Якщо необхідно забезпечити електроживлення визначеної групи струмоприймачів з заданим рівнем електроспоживання W, необхідна кількість електроенергії мікроенергетичної системи може забезпечуватися можливим набором комбінацій з будь-яких, наперед визначених n джерел електроенергії. У формалізованому вигляді УДТ U(t) визначатиметься як: n U( t )   w iBi ( t ), 25 i1 (1) Bi ( t ) - питома вартість генерованої електроенергії i-тим джерелом для певного часу t. де Залежність (1) справедлива за умови, коли i-те джерело з найменшою собівартістю електроенергії може забезпечити достатньою кількістю електроенергії, у іншому випадку знадобиться додаткове джерело, яке забезпечить необхідною кількістю електроенергії, якої n (  w k (1  k  i )). бракувало i1 n 30 35 40 45 50 n U( t )   w iBi ( t )k i  Bk  w k (1  k i ). i1 i1 (2) Очевидно, що найбільш раціональний варіант електроживлення вибраної групи споживачів з огляду витрат на первинні енергоресурси спостерігатиметься за умови: U(t )  min . (3) Розв'язок рівняння (3) дозволить одержати оптимальний набір джерел електроенергії з урахуванням режиму електроспоживання та приведеної питомої вартості електроенергії для min вибраного часу t. Мінімальне значення УДТ U (t) в заданий момент часу t буде відповідати певній конфігурації структури активних джерел з мінімальною вартістю первинного палива чи тарифної зони для ЦЕС. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ Спосіб управління комбінованим енергозабезпеченням автономних об'єктів на основі традиційних та поновлювальних джерел енергії, при якому енергію поновлюваних джерел безперервно перетворюють в електроенергію, акумулюють надлишкову електроенергію, узгоджують кількість генерованої традиційними і поновлюваними джерелами електроенергії та акумульованої у акумуляторних батареях електроенергії з графіком електроспоживання з формуванням управління енергобалансом комбінованої електроенергетичної системи шляхом поточного оцінювання рівнів і максимального використання генерації поновлюваних джерел, який відрізняється тим, що додатково здійснюють формування алгоритмів управління енергобалансом комбінованої електроенергетичної системи шляхом поточного оцінювання рівнів і максимального використання ємності накопичувача електроенергії, з можливістю використання зовнішньої електромережі або електростанції з двигуном внутрішнього згорання і подальшим узгодженням графіка електроспоживання вибраних струмоприймачів на основі 4 UA 120360 U приведеної поточної вартості електроенергії як комбінації у реальному часі собівартостей електроенергії традиційних та поновлюваних джерел, що використовуються у комбінованій електроенергетичній системі. Комп’ютерна верстка Л. Бурлак Міністерство економічного розвитку і торгівлі України, вул. М. Грушевського, 12/2, м. Київ, 01008, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5