Имитационное моделирование активной накопительной системы

Одним из ключевых выводов презентации специального обзора Международного агентства по возобновляемой энергии (IRENA) «Дорожная карта ВИЭ (возобновляемых источников энергии) 2030. Перспективы развития возобновляемой энергетики для Российской Федерации», представленной 5 апреля 2017 года в Минэнерго Российской Федерации, является увеличение конечного энергопотребления (TFEC) к 2030 году, согласно «Энергетической стратегии России до 2030 года», приходящееся на долю ВИЭ до 4,9 %. В связи с этим планируется увеличение генерирующих мощностей солнечных, ветровых и геотермальных источников питания до 5,9 ГВт к концу 2024 года [1].

Необходимость использования ВИЭ также отражена в Федеральном законе «Об энергосбережении» и ряде Распоряжений Правительства Российской Федерации, среди которых особо обозначены необходимость интенсивного использования ВИЭ для энергоснабжения объектов на Крайнем Севере и необходимость развития малой энергетики на ВИЭ для замещения локальной дизельной генерации [2–4].

Основной сложностью широкого использования малой альтернативной энергетики является непостоянство таких источников энергии, как ветер и солнце. Для компенсации непостоянства вырабатываемой мощности применяются накопители энергии в виде аккумуляторных батарей.

Недостатком данного решения является прямое подключение ветрогенератора и солнечных батарей к аккумуляторным батареям, которое приводит к повышенному износу последних. Постоянно изменяющийся ток заряда АКБ, а также импульсные токи при порывистом ветре негативно сказываются на долговечности АКБ. В связи с особенностями переходных процессов, происхо- дящих в аккумуляторах, в частности, за счет плавности изменения ЭДС на электродах и высокого внутреннего сопротивления, АКБ не могут накопить импульсные заряды, а также выдать высокий выходной ток в начальный момент из-за падения напряжения. К тому же, резко переменные нагрузки и токи заряда ведут к деградации АКБ [5].

Поэтому в настоящее время существует необходимость совершенствования системы накопителей электроэнергии, в которых будет учтены особенности работы АКБ [6]. Решением данной проблемы может являться внедрение суперконденсаторного блока [7–9] параллельно с АКБ, через модуль управления.

Целью внедрения суперконденсаторного блока является использование его способности быстрой зарядки/разрядки для снижения стресса на батарею из-за мгновенных перепадов мощности. Однако параллельное включение батареи и суперконденсаторного блока не позволяет добиться требуемого результата [10, 11]. Управление накопителем электрической энергии позволит включать в работу суперконденсаторный блок при кратковременных провалах напряжения, для снижения пиковых токов на АКБ, тем самым увеличивая ее срок службы. В свою очередь, аккумуляторная батарея вступает в работу при длительных провалах напряжения [12].

На рис. 1 приведена принципиальная схема системы автономного электропитания с накопителем на базе АКБ и суперконденсаторного блока с модулем управления. Данная система состоит из источника, нагрузки, выпрямителя, инвертора, управляющего звена, двух DC/DC преобразователей, через которые суперконденсаторный модуль и аккумуляторная батарея подключены к вставке постоянного тока.

Рис. 1. Активная система

Рис. 2. Компьютерная модель суперконденсатора

Компьютерная модель суперконденсаторного блока была построена в программе MATLAB с расширением Simulink [13, 14] и представлена на рис. 2.

На рис. 3 представлены результаты моделирования суперконденсатора [15, 16].

По результатам моделирования можно сделать вывод о том, что выбранная модель суперконденсатора с хорошей точностью описывает его реальные характеристики.

Моделирование химических источников тока, таких как АБ, значительно сложнее, нежели моделирование суперконденсатора, поскольку разрядная кривая АБ определяется большим количеством параметров (температура, степень зарядки, глубина разрядки и т. п.). В данном исследовании будет использована модель АБ, определение параметров которой основано только на заводской кривой разрядки [17, 18]. Пример данной кривой приведен на рис. 4.

Главным достоинством этой модели является то, что для определения параметров модели необходимо знать только три точки на данной кривой. Точка полной зарядки батареи ( U полн ), точка окончания экспоненциальной зоны ( U экс , Q экс ) и точка окончания номинальной зоны ( U ном , Q ном ). По данным точкам определяются коэффициенты в следующем уравнении, описывающем напряжение на батареи в зависимости от времени и тока разрядки:

U бат = E 0 - K 5^ ⁽ it ) - R 6am i +

Q - it

+ Ae ^{- Bit} - K-^i\                   (1)

Q — it где E0 – постоянное ЭДС батареи (В);

K – постоянная поляризации (В/А ⋅ ч) или сопротивление поляризации (Ом);

Q – емкость батареи (А ⋅ ч);

it = ∫ idt – мгновенное значение заряда батареи (А ⋅ ч);

А – значение напряжения в экспоненциальной зоне (В);

В – обратная постоянная времени экспоненциальной (1/А ⋅ ч);

R – внутреннее сопротивление (Ом);

i – мгновенное значение тока (А);

i ^* – мгновенные значения низкочастотных составляющих тока (А).

Для моделирования аккумуляторной батареи VISIOCP1270 использована характеристика разрядки из технических данных производителя [17, 18]. Моделирование производилось в программе MATLAB с расширением Simulink.

На рис. 5 представлены результаты моделирования АКБ VISIOCP1270 для трех различных токов разрядки.

По результатам моделирования можно сделать вывод о том, что выбранная модель с хорошей точностью описывает его реальные характеристики.

Рис. 3. Результаты моделирования СКМ

Емкость (Ач)

Рис. 4. Кривая разрядки аккумуляторной батареи

Рис. 5. Результаты моделирования АКБ VISIOCP1270

Компьютерная модель активной системы накопления электрической энергии, приведенная на рис. 6, была построена в программе MATLAB с расширением Simulink.

На рис. 7 и 8 приведены графики, полученные в результате моделирования системы.

Из полученных зависимостей видно, что применение управляемой системы накопления электрической энергии позволяет сгладить пиковые токи на АКБ и обеспечить управляемый процесс заряда и разряда суперконденсатоного блока. Из результатов моделирования видно, что приме- нение суперконденсаторного блока в составе системы автономного электропритания с применением накопителя на базе АКБ и суперконденсаторов позволяет улучшить характеристики системы за счет увеличения срока службы аккумуляторных батарей, то есть система с активным управлением накопителем электрической энергии позволяет увеличить срок службы и стабильность работы АКБ, и за счет быстродействия и высокой удельной мощности суперконденсатора позволяет накапливать энергию даже при импульсном характере генерации энергии от ВИЭ.

Рис. 6. Компьютерная модель активной накопительной системы

Рис. 7. Зависимость мощности батареи от времени

Рис. 8. Зависимость мощности суперконденсаторного модуля от времени