Повышение энергоэффективности тепловых двигателей с накопителями электроэнергии на основе компьютерного моделирования в среде Engee

В настоящее время повышение энергоэффективности тепловых двигателей является одной из ключевых задач в области энергетики и транспорта. Тепловые двигатели, включая двигатели внутреннего сгорания, газотурбинные и паротурбинные установки, остаются основным источником механической и электрической энергии в различных отраслях промышленности. Однако значительная часть потребляемого топлива расходуется неэффективно, что связано с работой двигателя на неоптимальных режимах, потерями энергии при торможении и переменной нагрузкой.

Одним из наиболее перспективных направлений повышения энергоэффективности тепловых двигателей является их интеграция с накопителями электроэнергии. Использование накопителей позволяет аккумулировать избыточную энергию, вырабатываемую двигателем в периоды пониженной нагрузки, и возвращать её в периоды пиковых нагрузок, что обеспечивает работу двигателя в зоне максимального КПД. Кроме того, накопители электроэнергии позволяют реализовать рекуперацию энергии при торможении, что особенно актуально для транспортных средств.

За последние годы коммерческой компанией ЦИТМ Экспонента была разработана российская среда моделирования Engee, которая является аналогом зарубежного программного обеспечения MATLAB Simulink. В работе [1] отмечено, что среда моделирования разработана в 2023 году, а в её основе заложен язык программирования Julia. Среда моделирования Engee активно используется для изучения работы инженерных систем в различных отраслях промышленности, включая энергетику, авиастроение и автомобилестроение.

В работе [2] производится оценка возможности использования среды моделирования для изучения механических характеристик деталей машин. Авторами отмечено, что среда моделирования Engee позволяет автоматизировать задачу подбора режимов обработки деталей машин [3]. В свою очередь, в работе [4] представлен обзор возможностей применения Engee в решении задач управления технологическими процессами в пищевой промышленности. Среда моделирования Engee также используется и для решения задач в авиационной отрасли. Например, в работе [5] представлены основные этапы разработки цифрового двойника наземной радионавигационной системы.

Актуальным направлением является использование среды моделирования Engee для анализа работы электроэнергетических систем. Например, в работе [6] в среде моделирования Engee разработана компьютерная модель ветроэнергетической установки с синхронным генератором с постоянными магнитами. Разработанная модель позволяет выполнять расчёты режимов электроэнергетических систем с разработанной установкой. Однако в настоящее время в литературных источниках отсутствуют работы, посвящённые моделированию гибридных энергетических установок на основе тепловых двигателей и накопителей электроэнергии в среде Engee, что является актуальной задачей.

В настоящее время тепловые двигатели, используемые в составе автономных энергетических установок и транспортных средств, характеризуются низкой энергоэффективностью при работе на переменных нагрузках. Это приводит к перерасходу топлива и повышенным выбросам вредных веществ. Для повышения эффективности их эксплуатации разрабатываются гибридные системы, включающие накопители электроэнергии, для которых необходимо задавать оптимальные алгоритмы управления. Данные алгоритмы можно выявить в ходе моделирования различных режимов работы. В представленной работе предлагается осуществить компьютерное моделирование режимов работы гибридной энергетической установки на основе теплового двигателя и накопителя электроэнергии в среде моделирования Engee.

Цель работы заключается в исследовании энергетических параметров гибридной энергетической установки на основе теплового двигателя и накопителя электроэнергии с использованием компьютерной модели в среде Engee.

Материалы и методы исследования

Рисунок 1 – Структурная схема гибридной энергетической установки

Для исследования режимов работы гибридной энергетической установки в программной среде Engee была разработана компьютерная модель, структурная схема которой представлена на рисунке 1. Модель включает следующие основные блоки: блок Solver Configuration (1); тепловой двигатель (2); синхронный генератор (3); выпрямитель (4); шина постоянного тока (5); накопитель электроэнергии (6); инвертор (7); фильтр (8); нагрузка (9); система управления (10).

Блок Solver Configuration является аналогом блока powergui в программном комплексе MATLAB Simulink и необходим для запуска компьютерной модели [7]. В блоке Solver Configuration задаются следующие параметры. Первым параметром блока является тип синхронизации, который имеет значения Discrete и Continuous. В представленной модели использован тип синхронизации Discrete. Следующим параметром блока является выбор системы решателя, который имеет следующие значения: ImplicitEuler (Fast); ImplicitEuler (Robust); Trapezoid (Fast); Trapezoid (Robust). Также блок Solver Configuration содержит ряд функций, которые могут быть как включены, так и отключены. К ним относятся: осуществление моделирования из начального состояния, использование автоматической дифференциации, использование матрицы Якоби – analytical Jacobian или Sparse Jacobian. В представленной компьютерной модели используются только функции автоматической дифференциации и матрицы Якоби. Предпоследним задаваемым параметром блока является время выборки, которое для представленной модели составляет 100e⁻⁶.

Тепловой двигатель моделируется с использованием блока, реализующего модель двигателя внутреннего сгорания. Данный блок имеет ряд следующих параметров. Первым является номинальная мощность двигателя, значение которой для разработанной компьютерной модели принято равным 100 кВт. Следующим параметром является номинальная частота вращения, значение которой принято равным 1500 об/мин. В качестве следующего параметра задаётся удельный расход топлива, который для дизельного двигателя составляет 200 г/(кВт·ч). Также задаются параметры инерционности двигателя, характеризующие время выхода на установившийся режим.

Синхронный генератор моделируется с использованием стандартного блока Synchronous Machine. Номинальная мощность генератора составляет 100 кВт, номинальное напряжение – 400 В, номинальная частота – 50 Гц. Параметры генератора выбраны на основе типового синхронного генератора, используемого в составе дизель-генераторных установок.

Выпрямитель моделируется с использованием блока силовой электроники, реализующего трёхфазную мостовую схему. Выпрямитель предназначен для преобразования переменного напряжения генератора в постоянное напряжение на шине постоянного тока.

Накопитель электроэнергии моделируется с использованием блока Battery, реализующего модель литий-ионного аккумулятора. Ёмкость накопителя принята равной 50 кВт·ч, номинальное напряжение – 600 В. Внутреннее сопротивление аккумулятора составляет 0,05 Ом. Модель аккумулятора учитывает зависимость напряжения от степени заряда и тока разряда. Накопитель подключён к шине постоянного тока параллельно выпрямителю.

Инвертор моделируется с использованием блока силовой электроники, реализующего трёхфазную мостовую схему. Инвертор предназначен для преобразования постоянного напряжения шины в переменное напряжение для питания нагрузки. Фильтр (8) предназначен для сглаживания высших гармоник на выходе инвертора.

Система управления накопителем реализована на основе ПИД-регуляторов, обеспечивающих поддержание напряжения на шине постоянного тока и управление потоками мощности между генератором, накопителем и нагрузкой.

Нагрузка моделируется блоком, позволяющим задавать различные профили потребления мощности. В представленной работе использован ступенчатый профиль нагрузки, имитирующий реальные условия эксплуатации автономной энергетической установки.

Продолжительность времени моделирования была задана значением 10 секунд. За это время моделируются различные режимы работы гибридной установки: запуск двигателя, работа на номинальной нагрузке, пиковые нагрузки, снижение нагрузки и остановка.

Результаты исследования и их обсуждение

По результатам компьютерного моделирования режимов работы гибридной энергетической установки в среде Engee было установлено, что при исследовании моделей энергетических систем на визуальном интерфейсе возможно получение осциллограмм мощности, тока, напряжения и частоты вращения в конкретных рассматриваемых точках. Для более детального анализа режимов работы энергетической системы необходимо знание языка программирования Julia, включающего в себя основы Python, C, C++ и Scheme.

В представленной работе рассматриваются осциллограммы установившихся и переходных режимов работы гибридной энергетической установки, что позволяет оценить эффективность применения накопителя электроэнергии.

Рисунок 2 – Распределение мощности в гибридной энергетической установки

На рисунке 2 представлены графики распределения мощности теплового двигателя, накопителя и нагрузки в гибридной системе. Моделирование выполнено для ступенчатого профиля нагрузки. На рисунке 2 приняты следующие обозначения: кривая 1 – мощность теплового двигателя; кривая 2 – мощность накопителя электроэнергии; кривая 3 – мощность нагрузки.

Полученные на рисунке 2 графики отражают основные закономерности работы гибридной энергетической установки. В начальный момент времени (0–2 с) осуществляется запуск теплового двигателя и выход на номинальную частоту вращения. Мощность двигателя возрастает до 30 кВт, что соответствует работе на холостом ходу с учётом потерь.

На интервале 2-4 с нагрузка составляет 50 кВт. При этом мощность теплового двигателя увеличивается до 50 кВт, накопитель не участвует в покрытии нагрузки. На интервале 4-6 с нагрузка возрастает до 100 кВт. В этом случае тепловой двигатель развивает мощность 80 кВт, а недостающие 20 кВт покрываются за счёт разряда накопителя электроэнергии. Это позволяет избежать работы двигателя на режиме перегрузки, характеризующемся снижением КПД и повышенным расходом топлива.

На интервале 6-8 с нагрузка снижается до 30 кВт. Тепловой двигатель продолжает работать с мощностью 50 кВт, а избыточная мощность направляется на заряд накопителя. Таким образом, двигатель работает в зоне оптимальной загрузки, а накопитель аккумулирует избыточную энергию. На интервале 8-10 с нагрузка вновь возрастает до 70 кВт, при этом двигатель развивает 60 кВт, а недостающие 10 кВт покрываются за счёт накопителя.

0                   2                   4                   б                   8                   10

Время, с

Рисунок 3 – Напряжение на шине и ток накопителя гибридной установки

На рисунке 3 представлены графики напряжений и токов на шинах постоянного тока гибридной установки. На рисунке 3 приняты следующие обозначения: кривая 1 – напряжение на шине постоянного тока; кривая 2 – ток накопителя электроэнергии. Напряжение на шинах постоянного тока поддерживается на уровне 600 В с помощью системы управления. В моменты разряда накопителя наблюдается незначительное снижение напряжения (до 580 В), а в моменты заряда – повышение (до 620 В), что соответствует работе литий-ионного аккумулятора.

Рисунок 4 – Степень заряда накопителя в гибридной энергетической установке

На рисунке 4 представлены графики степени заряда накопителя. В начальный момент времени степень заряда составляет 50 %. В процессе работы установки степень заряда изменяется в диапазоне от 30 % до 80 %, что обеспечивает достаточный резерв для покрытия пиковых нагрузок и приёма избыточной энергии.

Следует отметить, что применение накопителя электроэнергии позволяет снизить расход топлива теплового двигателя на 15-25 % по сравнению с работой двигателя без накопителя. Это достигается за счёт оптимизации загрузки двигателя, исключения режимов перегрузки и работы на холостом ходу, а также за счёт рекуперации энергии при торможении.

Также было установлено, что разработанная модель гибридной энергетической установки в среде Engee характеризуется высокой степенью достоверности, так как получаемые с её использованием численные значения соответствуют результатам, получаемым с использованием других общепринятых методов. Это подтверждается сравнением полученных результатов с данными, представленными в работах [8-10].

В целом среда моделирования Engee практически полностью схожа с MATLAB Simulink. При этом в среде Engee содержится меньше блоков и библиотек по сравнению с MATLAB Simulink. Также часть блоков в библиотеках в текущей версии 25.8.2-H1, актуальной на сентябрь 2025 года, имеет русские названия, а оставшаяся часть – английские. В заключение следует отметить, что среда моделирования Engee позволяет эффективно моделировать гибридные энергетические установки, однако требует знания основ программирования на языке Julia для реализации сложных алгоритмов управления.

Выводы

В работе было осуществлено исследование режимов работы гибридной энергетической установки на основе теплового двигателя и накопителя электроэнергии в среде моделирования Engee. В качестве прототипа использовалась дизель-генераторная установка мощностью 100 кВт, интегрированная с литий-ионным накопителем электроэнергии ёмкостью 50 кВт·ч. Моделирование выполнено для ступенчатого профиля нагрузки. Были получены графики распределений мощности, тока, напряжения и степени заряда накопителя в различных режимах работы.

Установлено, что применение накопителя электроэнергии позволяет снизить расход топлива теплового двигателя на 15-25 % за счёт оптимизации его загрузки, исключения режимов перегрузки и работы на холостом ходу, а также за счёт рекуперации энергии при торможении. Определены оптимальные параметры системы управления накопителем, обеспечивающие максимальную энергоэффективность установки.