К вопросу оптимального управления автономной комбинированной системой электроснабжения

Введение. Производство электроэнергии от топливных электростанций (ТЭ) играет ключевую роль для автономных сельских объектов в России, особенно для отдаленных регионов без хорошей сетевой инфраструктуры. Общее число ТЭ превышает 47 тысяч, их установленная мощность достигает 15 млн кВт [1]. ТЭ имеют ряд преимуществ: универсальность применения, низкую стоимость оборудования, быструю окупаемость, достаточную надежность и долговечность. Они позволяют электрифицировать автономные сельские объекты с умеренными начальными инвестициями. Вместе с тем ТЭ присущи и некоторые недостатки. Во- первых, возникает зависимость от традиционного топлива, отсутствие которого приведет к дефициту электроэнергии. Во-вторых, традиционное топливо ежегодно увеличивается в цене [4], его нужно доставлять до автономного объекта, требуются особые условия хранения. На рисунке 1 представлена динамика изменения цен на бензин в России. Использование традиционного топлива сопровождается высокими эксплуатационными расходами [1].

Рисунок 1 - Динамика изменения цен на бензин в России

Кроме того, при работе в автономном режиме при изменении нагрузки от нескольких вап до нескольких киловатт (что имеет место при электроснабжении фермерских усадеб и других мелких сельскохозяйственных объектов) существенно изменяется КПД топливных электростанций, что снижает их эффективность.

Эти недостатки вынуждают изыскивать альтернативные варианты электроснабжения. Одним из таких вариантов могут быть фотоэлектрические преобразователи (ФЭП) и аккумуляторные батареи (АБ), используемые совместно с ТЭ.

Методика исследования. За последние несколько лет цены на ФЭП значительно упали. В настоящее время это дает возможность получать электрическую энергию по более конкурентоспособной цене. В регионах с высокой солнечной инсоляцией и дорогим топливом ФЭП окупаются менее чем за четыре года [1]. Кроме того, ФЭП требуют минимального обслуживания. и они могут быть настроены в соответствии с конкретным графиком нагрузки автономного сельского объекта, а их использование приводит к уменьшению выбросов токсичных выхлопных газов.

При существующих достоинствах у ФЭП есть значительные недостатки. К ним можно отнести зависимость выработки энергии от уровня инсоляции. Если автономный сельскохозяйственный объект имеет сезонный характер, то возникает проблема выработки излишней энергии (в летнее время года) или ее недостаток (в зимнее время года) [1, 2, 9]. Значительно уменьшается вырабатываемая ФЭП электрическая энергия при большой облачности.

Интеграция ФЭП в состав ТЭ и АБ позволит уменьшить эти недостатки. Эффективность комбинированного использования различных источников электрической энергии зависит от своевременного включения необходимого источника генерирования. Решением может быть автоматизация комбинированной электрической системы для автономных сельских объектов с использованием программируемого логического контроллера (ПЛК) [1, 2, 3, 5, 6].

В странах, заинтересованных в развитии комбинированных электрических систем, ведутся разработки гибридных ПЛК [1, 5]. Они могут включать в себя функционал следующих устройств: контроллер заряда и инвертор для АБ, инвертор для ТЭ. Главным недостатком гибридных ПЛК является их высокая цена. Это приводит к увеличению срока окупаемости комбинированной электрической системы, что делает ее экономически менее выгодным вариантом [3].

В данной статье рассматриваются комбинированные электрические системы, включающие в себя следующие источники электрической энергии: ФЭП, ТЭ (например, дизельная или бензиновая), АБ. В качестве управляющего оборудования для комбинированной электрической системы предполагается использовать

ПЛК. В мире накоплен большой опыт работы с ПЛК в комбинированных электрических системах [2, 3, 6].

Результаты и их обсуждение. Предлагается следующая система управления комбинированной электростанцией. Система управления переключает режим электропитания и регулирует часть нагрузки в зависимости от солнечной инсоляции и нагрузки потребителя. Солнечное излучение имеет неуправляемый характер, который нужно учитывать при создании комбинированной электрической системы. Генерируемая мощность комбинированной электрической системы сравнивается с нагрузкой. Если генерируемая мощность превышает нагрузку, тогда избыточная энергия будет накапливаться в АБ. Электрическая энергия, накопленная в аккумуляторных батареях, отдается в общую сеть, когда электрической энергии, вырабатываемой ФЭП и ТЭ, недостаточно, а также при малых нагрузках, когда КПД ТЭ недопустимо низкий.

Комбинированные электрические системы для автономных сельских объектов имеют небольшую мощность (1-10 кВт}. Для повышения эффективности системы управления и экономии средств существуют гибкие варианты реализации комбинированных электрических систем. Поэтому, используя одну из реализаций, можно производить мониторинг нагрузки и управление источниками электрической энергии. Это позволит снизить потребность в мощности ТЭ и увеличить производство электрической энергии, вырабатываемой ФЭП, следовательно, повысится экономическая эффективность от использования ФЭП во всей системе. Комбинированную электрическую систему можно реализовать на основе теории мультиагентов [6], в которой система управления рассматривается в качестве агента. Он может состоять из ПЛК, человеко-машинного интерфейса (НМІ), который при помощи стандарта RS485 или TCP контролирует и управляет работой ТЭ, ФЭП, АБ. Примерная схема комбинированной электрической системы представлена на рисунке 2.

Рисунок 2 - Примерная схема комбинированной электрической системы

ПЛК имеют встроенные порты связи, обычно 9-контактный разъем RS-232, но при необходимости RS485 или Ethernet. Modbus, ВАС или DF1 обычно включаются в качестве одного из протоколов связи. Другие варианты включают в себя различные полевые шины, такие как Device Net или Profibus. Большинство современных ПЛК могут взаимодействовать по сети с другими системами, например с компьютером под управлением SCADA-системы (диспетчерская система управления и сбора данных) или веб-браузера. Это позволяет управ лять каждым объектом комбинированной электрической системы индивидуально.

В работе [2] представлена одна из реализаций комбинированной электрической системы, состоящая из нескольких модулей. Их управление осуществляется ПЛК, FBS-40MAT. ПЛК программируются с помощью программного обеспечения на персональных компьютерах. Компьютер подключен к ПЛК через Internet, RS-232 или RS-485 или RS-422. Программное обеспечение позволяет осуществлять отладку и устранение неполадок в ПЛК. Благодаря ПЛК комбинированная электрическая система реагирует на быстрые изменения нагрузки и условий окружающей среды (увеличение или уменьшение солнечной инсоляции), обеспечивается оптимальное использование доступных энергетических ресурсов.

Недостатком рассмотренной работы является отсутствие математической связи между параметрами разных источников электроэнергии, отсутствие примерной реализации кода для ПЛК. Данные упущения не дают возможности осуществить оптимальный выбор оборудования с целью сокращения расхода топлива и уменьшения стоимости всей комбинированной электрической системы. Стоит принять во внимание, что на сегодня существуют российские ПЛК, которые могут быть импортированы в комбинированную электрическую систему для автономных сельских объектов.

Выводы

• 1.    Учитывая неизбежные суточные и сезонные колебания нагрузки автономных объектов электроснабжения (сельских объектов малой мощности, удаленных на значительные расстояния от централизованной системы электроснабжения), для повышения эффективности топливной электростанции в автономную систему электроснабжения следует ввести дополнительный источник (например, ФЭП) и аккумулятор электроэнергии.

• 2.    Для оперативного управления, обеспечивающего оптимальное использование источников электрической энергии, целесообразно применять блок управления с помощью ПЛК и НМІ, который обеспечит эффективный контроль и управление всей автономной системой электроснабжения. Это позволит оперативно реагировать на быстрые изменения нагрузки, условия окружающей среды, учитывать влияние этих изменений и обеспечивать оптимальное использование доступных источников электрической энергии.

• 3.    Для реализации предлагаемой системы управления необходимо выявить и уточнить закономерности изменения внешних факторов (энергетические и временные характеристики солнечного излучения, параметры нагрузки), установить зависимости параметров источников электроэнергии от этих факторов и разработать модель оптимального управления на базе ПЛК.