Optimization of operational control of autonomous photo-diesel power supply system with DC bus

Abstract

Актуальность. Увеличение вклада возобновляемых энергоносителей в генерацию автономного гибридного энергетического комплекса актуально для снижения воздействия на окружающую среду дизель-генераторных установок и уменьшения эксплуатационных издержек при производстве электрической энергии в интеллектуальных микросетях с распределённой, в том числе «зелёной», генерацией. Наиболее актуален этот вопрос для сотовых вышек мобильной связи, вахтовых жилых посёлков, метеорологических станций и других децентрализованных потребителей, установленная мощность которых составляет десятки-сотни кВт. Цель: разработка компьютерных моделей оптимизации управления оперативным составом и режимами автономной фотодизельной системы электроснабжения с шиной постоянного тока, позволяющих минимизировать время работы дизельгенераторной установки за счёт увеличения вклада фотоэлектрической станции при оптимальных технико-экономических показателях. Использование шины постоянного тока для интеграции электроэнергии от распределённых энергоисточников рассматривается как перспективный вариант уменьшения количества часов неэффективной работы дизель-генераторной установки, что позволит существенно экономить дизельное топливо и продлить моторесурс дизель-генератора. Новизна. Данная работа расширяет известные варианты моделирования и оптимизации режимов автономной гибридной энергетической установки на постоянном токе в плане использования критериальной целевой функции с соответствующими ограничениями, адаптацией моделей энергетического оборудования для поставленных целей моделирования, представлением структуры технико-экономического анализа, основанной на коммерчески доступных характеристиках элементов системы электроснабжения. Методы. Исследование предусматривает разработку компьютерных моделей интеллектуальной архитектуры управления автономного гибридного энергетического комплекса на базе фотоэлектрической станции, дизель-генераторной установки, системы накопления электрической энергии, децентрализованного потребителя, а также вспомогательных преобразовательных устройств. Моделирование процессов управления реализуется в библиотеке Stateflow, а также использованием синтаксиса языка пакета высокого уровня Matlab, возможности которого приемлемы для поставленных целей. Результаты. Анализ результатов показывает, что фотодизельные системы электроснабжения на постоянном токе могут быть экономически эффективными во всех сценариях, которые включают в себя разные виды аккумуляторных батарей, тогда как для систем без аккумулирования электроэнергии распределение постоянного тока часто не является экономически эффективным. Результаты будут интересны специалистам, разрабатывающим или эксплуатирующим автономные системы электроснабжения, и организациям, планирующим модернизацию существующих дизель-электрических станций.

The relevance. An increase in the contribution of renewable energy sources to the generation of the autonomous hybrid energy industry is important in order to reduce the environmental impact of diesel generator plants and decrease operating costs in the production of electrical energy in smart microgrids with distributed generation, including so-called «green» generation. This issue has the highest relevance for cell towers of mobile communication, rotational residential camps, meteorological stations and other remote consumers, the rated capacity of which is tens to hundreds of kW. Objective: the development of computer models for optimizing the management of the operational staff and modes of an autonomous photo-diesel power supply system with a DC bus, so as to make it possible to minimize the operating time of a diesel generator plant by increasing the contribution of the photovoltaic plant at optimal technical and economic indicators. The use of a DC bus for the electricity integration from distributed energy sources is considered promising in reducing the number of hours of inefficient operation of a diesel generator plant, which will make it possible to save diesel fuel and extend the life expectancy of the diesel generator. Novelty. This work expands the known options for modeling and optimizing the modes of a standalone hybrid DC power plant in terms of using an objective function with appropriate restrictions, adapting models of power equipment for the intended purposes of modeling, presenting the structure of a feasibility study based on commercially available characteristics of the elements of the power supply system. Methods. The study entails the development of computer models of the intelligent control architecture of a standalone hybrid power plant including a photovoltaic plant, a diesel generator plant, an electric energy storage system, a remote consumer, as well as auxiliary converter devices. Modeling of control processes is implemented in the Stateflow library, as well as by using the language syntax of the Matlab high-level package, the capabilities of which are acceptable for the intended purposes. Results. The analysis of the results shows that DC PV-diesel power supply systems can be cost-effective in all scenarios that include different types of batteries while for systems without power storage, DC distribution is often not cost-effective. The results will be of interest to specialists developing or operating standalone power supply systems and organizations planning to upgrade existing diesel power plants.