Автоматизированная система управления ветро-солнечной гибридной электростанцией на примере Карбонового полигона Чеченской Республики



В статье представлены результаты исследования, анализа и разработки автоматизированной системы управления ветро-солнечной гибридной электростанции. Система разработана на базе Карбонового полигона Чеченской Республики. Мощность электростанции — 25 кВт. Прогнозируемая выработка энергообъекта без автоматизированной системы управления — 80.20 кВт*ч/сутки. Прогноз выработки ветроэнергетической установки — 20.64 кВт*ч\сут. Внедрение автоматизированной системы управления позволило повысить эффективность использования накопителей энергии в системе на 15 %.

Ключевые слова: автоматизированные системы управления, возобновляемая энергетика, солнечная энергетика, виэ, асу, карбоновые полигоны.

Карбоновые полигоны в последние годы активно запускаются в различных регионах России. На Карбоновых полигонах проводятся различные работы по разработке и испытанию технологий, позволяющих контролировать баланс климатически активных газов в природных экосистемах. Здесь проводятся эксперименты с использованием методов наземного и дистанционного зондирования для измерения эмиссии и поглощения парниковых газов, а также оценки временной и пространственной изменчивости потоков климатически активных газов. Кроме того, на этой площадке определяются интегральные значения радиационного, теплового, водного и углеродного балансов. Он также служит базой для подготовки кадров в таких областях, как экологический мониторинг с использованием современных методов и технологий для низкоуглеродной промышленности, сельского и городского хозяйства.

Карбоновый полигон Чеченской Республики представляет собой распределенную территорию, общей площадью более 1710 га, из них 470 га — участки Грозненского государственного нефтяного технического университета им. акад. М. Д. Миллионщикова (ГГНТУ). Количество эталонных участков: 12, из них 6 — участки ГГНТУ. Кампус Карбонового полигона Чеченской Республики расположен на изолированной от централизованной электросети территории. Кроме того, на территорию Кампуса не подведено газоснабжение. В связи с этим, объект нуждается в использовании автономной системы энергоснабжения. Энергосистема Кампуса Карбонового полигона Чеченской Республики реализована с использованием возобновляемых источников энергии. Изолированный от внешних линий тепла и электроэнергии Кампус питает ветро-солнечная гибридная электростанция, покрывающая все нужды объекта. На рисунке 2 представлена общая схема электростанции. Станция включает в себя фотоэлектрические модули, систему накопления энергии, ветроэнергетические турбины и контроллеры, а также резервный генератор.

Рис. 1. Кампус карбонового полигона Чеченской Республики

Целью данной работы является разработка автоматизированной системы управления, которая объединяет все узлы гибридной энергоустановки Кампуса Карбонового полигона на основе возобновляемых источников энергии. Задачи работы — анализ структурной схемы системы, сбор данных о функционировании системы в реальных эксплуатационных условиях, расчет системы автоматизации, расчет выработки системы.

Гибридная ветро-солнечная электростанция Кампуса Карбонового полигона включает в себя двухсторонние гетероструктурные фотоэлектрические модули, мощностью 395 Вт. Номинальная мощность — 395 Вт, эффективность — 19.75 %, ток в рабочей точке Pmax (Impp) — 8.76 А, напряжение холостого хода (Vос) — 53.18 В, напряжение в рабочей точке Pmax (Vmpp) — 44.84 В. Количество фотоэлектрических модулей в системе — 50 шт. Модули разделены на 5 массивов по 10 модулей на инвертор. Инверторы гибридные, номинальной мощностью 5 кВт. Подключены в режиме параллельной работы, и общая выходная мощность составляет 25 кВт.

Система хранения энергии реализована в виде массива свинцово-кислотных аккумуляторов с технологией GEL, подключенных в режиме 48 В (последовательно 4 шт., параллельно 4 ветки). Также в системе функционируют 2 ветрогенератора, мощностью 2 кВт каждая. Ветрогенераторы подключены к системе хранения энергии через контроллеры и с солнечными инверторами не взаимодействуют. В качестве резервного источника питания используется генератор на ДВС, мощностью 10 кВт. Однако, территория региона относится к району со средним уровнем ветровой энергии. В связи с большим разнообразием форм рельефа среднегодовая скорость ветра изменяется в довольно широких пределах — от 0,8 до 9,0 м/сек. Наиболее высокая скорость ветра наблюдается в высокогорных районах в открытых формах рельефа и там, где орографические факторы способствуют увеличению барических градиентов и приводят к сходимости воздушных потоков.

Рис. 2. Структурная схема энергосистемы Кампуса Карбонового полигона Чеченской Республики

Средняя годовая скорость ветра в этих районах достигает 7–9 м/сек, на открытых равнинах и в широких долинах — несколько ниже и составляет 3–4 м/сек, в предгорьях — до 3 м/сек, в замкнутых котловинах и в низинных южных районах не превышает 1–2 м/сек. Как видно на рисунке 3, наибольшая скорость ветра на равнине отмечается в Северо-Восточной части республики.

Рис. 3. Среднегодовая скорость ветра на высоте от 50 до 200 метров [м/с]

Исходя из этого можно сделать вывод, что ветроэнергетические установки, функционирующие в энергосистеме Карбонового полигона Чеченской Республики, в среднем выработают не более 20.64 кВт*ч\сут. Прогнозный график выработки ветрогенераторов представлен на рисунке 4. Для расчета выработки фотоэлектрических модулей необходимы данные по приходящему потоку солнечной энергии в конкретной географической точке.

Рис. 4. Прогноз выработки ветрогенераторов в условиях Чеченской Республики

Общее приходящее на поверхность земли солнечное излучение принято разделять на три основных компонента: GHI (Global Horizontal Irradiation — глобальная горизонтальная радиация, DNI (Direct Normal Irradiation — прямая нормальная радиация) и DIF (Diffuse Horizontal Irradiation — рассеянная горизонтальная радиация).

Рис. 5. GHI, DNI и DIF — компоненты общей приходящей солнечной радиации

На эффективность фотоэлектрической системы влияет угол модулей относительно поверхности земли, азимут и климатические особенности местности, включая количество осадков, температуру окружающей среды и т. д. Оптимальный угол рассчитывается с учетом высоты солнца над уровнем горизонта в различное время года, которая зависит от географических координат. Азимут, высота солнца над уровнем горизонта в течение года, а также среднее значение высоты для Чеченской Республики приведены на рисунке 6.

Рис. 6. Азимут, высота солнца над уровнем горизонта в течение года и среднее значение высоты [1]

Наибольшая эффективность фотоэлектрических модулей достигается при их размещении под таким углом к горизонту, при котором образуется прямой угол между плоскостью модуля и направленным солнечным излучением. Объем приходящей солнечной энергии при оптимальном угле обозначается как GTIopta (Global tilted irradiation at optimum angle — общее излучение под оптимальным углом). Оптимальный угол для каждой географической точки имеет различное значение. Для территории Чеченской Республики оптимальным является угол от 32° до 43°. Оптимальный азимут — 180°.

Объем приходящей солнечной энергии по компонентам на территории Чеченской Республики [2] (среднегодовые значения):

— DNI — 1115.0 кВт*ч/м2

— GHI — 1305.2 кВт*ч/м2

— DIF — 626.8 кВт*ч/м2

— GTIopta (32°) — 1481.6 кВт*ч/м2

Представленные значения базируются на использовании данных с геостационарных метеорологических спутников (операторами которых выступают EUMETSAT и JMA) и данных глобальных атмосферных и метеорологических моделей (операторы: ECMWF, NOAA и NASA). Используя эти данные была рассчитана прогнозная выработка солнечной электростанции. Прогноз показывает, что среднесуточная выработка системы составит 80.20 кВт*ч/сутки. Прогноз представлен на рисунке 7.

Таким образом, мы видим, что в системе функционируют 3 источника энергии: солнечная электростанция, ветрогенераторы в количестве 2 шт., и резервный генератор на ДВС. Основной объем выработки обеспечивает солнечная электростанция — в среднем 80,2 кВт*ч/сутки. Ветроэнергетические установки генерируют значительно меньший объем электроэнергии в силу того, что регион обладает небольшим ветроэнергетическим потенциалом. Средний объем генерации ветроэнергетических установок — 20,6 кВт*ч\сут.

Рис. 7. Прогноз выработки солнечной электростанции

Для эффективного управления потоками энергии между указанными источниками энергии необходимо разработать и внедрить автоматизированную систему управления, которая будет взаимодействовать со всеми узлами системы. Общая структура энергообъекта с блоком автоматизированной системы управления (АСУ) представлена на рисунке 8.

Рис. 8. Структурная схема энергосистемы Кампуса Карбонового полигона Чеченской Республики с автоматизированной системой управления

Автоматизированная система управления подключена к инверторам, системе ввода резервного источника питания, а также к вводу для управления потоками энергии. В зависимости от погодных условий, скорости ветра, интенсивности солнечного потока автоматизированная система управляет источниками энергии и задает параметры разряда аккумуляторных батарей для эффективности процессов. Разработанная система позволяет повысить эффективность использования системы хранения энергии на 15 %, а общая производительность системы увеличилась на 12 % за счет алгоритмов управления потоками энергии.

Заключение

В заключении можно отметить, что автоматизированная система управления ветро-солнечной гибридной электростанцией играет ключевую роль в оптимизации работы и повышении эффективности данного типа энергетических установок. Благодаря использованию передовых технологий и алгоритмов, система позволяет максимально эффективно использовать доступные ресурсы и балансировать производство электроэнергии с учетом изменения погодных условий. Такая автоматизация не только снижает затраты на обслуживание станции, но и способствует экономии энергии и сокращению выбросов вредных веществ. Однако для успешной работы системы необходима высокая квалификация персонала, а также постоянное обновление программного обеспечения. Развитие автоматизированных систем управления является очень перспективным направлением в области возобновляемой энергетики, которое способно привести к созданию более экологически чистого будущего.

Литература:

1. GLOBAL SOLAR ATLAS | https://globalsolaratlas.info/
2. The POWER Project of NASA | https://power.larc.nasa.gov/
3. Программная платформа RETScreen Clean Energy Management: [сайт]. 2023. URL: https://www.nrcan.gc.ca/ (дата обращения 30.04.2023).
4. ГИС возобновляемые источники энергии России: [сайт]. 2023. URL: https://gisre.ru/database/db-russia/ (дата обращения 1.05.2023). Текст: электронный.
5. Программа развития энергетики Чеченской Республики на период до 2030 года: [сайт]. 2011. URL: https://docs.cntd.ru/document/906800170/ (дата обращения 2.05.2023). Текст: электронный.
6. Сейсмическое состояние ЧР: [сайт]. 2023. URL: http://hge.spbu.ru/mapgis/subekt/4e4nya/4e4nya.html/ (дата обращения 3.05.2023). Текст: электронный.
7. АО «Чеченэнерго» [Электронный ресурс]. — Режим доступа: http://www.chechenergo.ru/
8. Селевцов, Л. И. Автоматизация технологических процессов: Учебник / Л. И. Селевцов. — М.: Академия, 2010. — 144 c.
9. Схиртладзе, А. Г. Автоматизация технологических процессов и производств: Учебник / А. Г. Схиртладзе, А. В. Федотов, В. Г. Хомченко. — М.: Абрис, 2012. — 565 c.
10. Тихонов, А. Ф. Автоматизация и роботизация технологических процессов и машин в строительстве: Учебное пособие / А. Ф. Тихонов. — М.: АСВ, 2005. — 464 c.
11. Шишмарев, В. Ю. Автоматизация технологических процессов: Учебник / В. Ю. Шишмарев. — М.: Academia, 2018. — 320 c.