Математическая модель накопителя энергии автономной фотоэлектрической станции

Abstract

Актуальность. Одним из приоритетных направлений развития современной энергетики является активное использование технологий возобновляемых источников энергии, лидирующее положение среди которых по объемам ввода генерирующих мощностей и областям практического применения занимает фотоэнергетика. В последние годы фотоэлектрические станции все чаще находят применение в составе систем автономного электроснабжения, чему в немалой степени способствует значительное снижение стоимости их компонентов, обусловленное совершенствованием технологий. Автономные системы электроснабжения могут значительно различаться по мощности, условиям эксплуатации, требованиям к бесперебойности электроснабжения и многим другим факторам, что определяет высокую важность задачи выбора состава основного электрооборудования, обеспечивающего оптимальные технико-экономические показатели проектируемой энергетической системы. Для обоснованного выбора состава оборудования автономной фотоэлектростанции требуются имитационные модели всех ее основных компонентов, адекватно отображающие их рабочие характеристики в реальных условиях эксплуатации. Важным компонентом автономных фотоэлектрических станций является накопитель энергии, включающий аккумуляторную батарею и солнечный контроллер, обеспечивающий управление энергетическим балансом электростанции. Настройки солнечного контроллера во многом определяют эксплуатационные режимы фотоэлектростанции, от которых преимущественно зависит срок службы аккумуляторных батарей. С учетом того, что затраты на накопитель энергии составляют существенную долю затрат от общих финансовых вложений в проектируемую электростанцию, проблема достоверной оценки срока службы аккумуляторных батарей является весьма актуальной. Цель: разработка математической модели накопителя энергии для проектирования и оптимизации состава оборудования автономных фотоэлектрических станций. Методы: математическое и компьютерное моделирование с использованием программного комплекса MatLab/Simulink. Результаты. Разработана математическая модель аккумуляторной батареи, построенная на основе модифицированной модели Шеферда и кинетической модели. Модель является универсальной и может использоваться для моделирования статических и динамических характеристик аккумуляторных батарей разных типов. Для идентификации параметров модели достаточно только данных технической спецификации, предоставляемой производителем. В состав общей модели накопителя включена модель срока жизни аккумуляторной батареи, позволяющая динамически корректировать величину доступной максимальной емкости батареи в процессе эксплуатации

Relevance. One of the priority areas for modern energy development is the active use of renewable energy technologies, the leading position among which in terms of the volume of commissioned generating capacity and areas of practical application is occupied by photovoltaics. In recent years, solar photovoltaic plants are increasingly being used as part of autonomous power supply systems, which is largely facilitated by a significant reduction in the cost of their components due to improved technology. Autonomous power supply systems can vary significantly in power, operating conditions, requirements for uninterrupted power supply and many other factors. This determines the high importance of the task of choosing the composition of the main electrical equipment that ensures optimal technical and economic indicators of the designed energy system. To make a reasonable choice of the equipment of an autonomous photovoltaic power plant, simulation models of all its main components are required that adequately reflect their performance characteristics under real operating conditions. An important component of autonomous photovoltaic plants is the energy storage device, which includes a battery and a solar controller that manages the energy balance of the power plant. The settings of the solar controller largely determine the operating modes of the photovoltaic power plant, on which the service life of the batteries primarily depends. Taking into account the fact that the costs of energy storage constitute a significant share of the costs of the total financial investments in the designed power plant, the problem of reliably assessing the service life of batteries is very relevant. Aim. Development of a mathematical model of energy storage system for the design and optimization of the equipment of autonomous photovoltaic plants. Methods. Mathematical and numerical modeling using the MatLab/Simulink software package. Results. A mathematical model of a battery has been developed, based on the modified Shepherd model and the kinetic model of a rechargeable battery. The model is universal and can be used to simulate the static and dynamic characteristics of different types of batteies. To identify model parameters, only the technical specification data provided by the manufacturer is sufficient. The complex model includes a battery life model, which allows you to dynamically adjust the available maximum battery capacity during operation.