Αποτελεσματική Βελτιστοποίηση Συστήματος Υβριδικής Αιολικής-Φωτοβολταϊκής με Αποθήκευση
1. Ανάλυση των Χαρακτηριστικών Παραγωγής Ηλεκτρικής Ενέργειας από Ανεμογεννήτριες και Φωτοβολταϊκά Συστήματα
Η ανάλυση των χαρακτηριστικών παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας από ανεμογεννήτριες και φωτοβολταϊκά (PV) συστήματα είναι βασική για τη σχεδίαση ενός συμπληρωματικού υβριδικού συστήματος. Η στατιστική ανάλυση δεδομένων ετήσιας ταχύτητας ανέμου και ηλιακής ακτινοβολίας για μια συγκεκριμένη περιοχή αποδεικνύει ότι οι ανεμογεννήτριες παρουσιάζουν εποχιακή μεταβολή, με υψηλότερες ταχύτητες ανέμου το χειμώνα και την άνοιξη και χαμηλότερες ταχύτητες το καλοκαίρι και το φθινόπωρο. Η παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας από ανεμογεννήτριες είναι ανάλογη με το κύβος της ταχύτητας ανέμου, προκαλώντας σημαντικές κυμαίνονται της παραγωγής.
Από την άλλη πλευρά, οι ηλιακοί πόροι εμφανίζουν σαφείς ημερήσιες και εποχιακές προτυπικές - μεγαλύτερες ώρες φωτεινής ημέρας και ισχυρότερη ακτινοβολία το καλοκαίρι, και ασθενέστερες συνθήκες το χειμώνα. Η αποδοτικότητα των PV επηρεάζεται αρνητικά από την αύξηση της θερμοκρασίας. Συγκρίνοντας την χρονική κατανομή της ανεμογεννήτριας και της ηλιακής ενέργειας, είναι εμφανές ότι αυτές εμφανίζουν συμπληρωματική συμπεριφορά και σε ημερήσια και ετήσια κύκλους. Αυτή η συμπληρωματικότητα επιτρέπει τη σχεδίαση αποδοτικών και σταθερών συστημάτων παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας, όπου μπορεί να προσαρμοστεί η βέλτιστη αναλογία δυναμικών των δύο πηγών ενέργειας για την εξομάλυνση της συνολικής παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας.
2. Μοντελοποίηση Υβριδικών Συστημάτων Παραγωγής Ηλεκτρικής Ενέργειας από Ανεμογεννήτριες και Φωτοβολταϊκά
2.1 Μοντέλο Υποσυστήματος Ανεμογεννήτριας
Το μοντέλο του υποσυστήματος ανεμογεννήτριας βασίζεται σε δεδομένα ταχύτητας ανέμου και χαρακτηριστικά ανεμογεννήτριας. Η κατανομή Weibull χρησιμοποιείται για την προσαρμογή της κατανομής πιθανότητας της ταχύτητας ανέμου, περιγράφοντας ακριβώς τη στατιστική συμπεριφορά. Η σχέση μεταξύ της εξόδου ισχύος της ανεμογεννήτριας και της ταχύτητας ανέμου παρουσιάζεται μέσω μιας συνάρτησης κομμάτων που ενσωματώνει κλειδί χαρακτηριστικά, όπως η ταχύτητα ανέμου εισόδου, η ρυθμισμένη ταχύτητα ανέμου και η ταχύτητα ανέμου εξόδου.
Εφαρμόζεται η μέθοδος των ελάχιστων τετραγώνων για την προσαρμογή της καμπύλης ισχύος της ανεμογεννήτριας, παράγοντας μαθηματική έκφραση της εξόδου ισχύος ως προς την ταχύτητα ανέμου. Για λογαριασμό της τυχαιότητας της ταχύτητας ανέμου, εισάγεται η μέθοδος προσομοίωσης Monte Carlo για την πρόβλεψη της παραγωγής του πάρκου ανεμογεννήτριας. Το μοντέλο αντικατοπτρίζει ακριβώς τα δυναμικά χαρακτηριστικά των συστημάτων ανεμογεννήτριας και παρέχει θεμέλιο για την βελτιστοποίηση του συστήματος. Επίσης, ενσωματώνει την επίδραση των αλλαγών της κατεύθυνσης ανέμου στην αποδοτικότητα παραγωγής, εισάγοντας έναν παράγοντα διόρθωσης της κατεύθυνσης του ανέμου, έτσι ώστε να βελτιώνεται η ακρίβεια της πρόβλεψης.
2.2 Μοντέλο Υποσυστήματος Φωτοβολταϊκών
Το μοντέλο του υποσυστήματος PV συνολικά λαμβάνει υπόψη την ηλιακή ακτινοβολία, την περιβαλλοντική θερμοκρασία και τα χαρακτηριστικά των PV μοντουλών. Δημιουργείται ένα στατιστικό μοντέλο ηλιακής ακτινοβολίας για την περιγραφή των χρονικών μεταβολών. Τα χαρακτηριστικά εξόδου των PV μοντουλών παρουσιάζονται μέσω I-V καμπυλών. Η επίδραση της θερμοκρασίας στην αποδοτικότητα μοντελοποιείται με τη χρήση ενός μονοδιώδους ισοδυναμού κύκλου, με την εξόδου ισχύς να υπολογίζεται λύνοντας ένα σύστημα μη-γραμμικών εξισώσεων.
Το μοντέλο περιλαμβάνει επίσης παράγοντες όπως το έντενο και η συσσώρευση σκόνης, εισάγοντας παράγοντες διόρθωσης για τη βελτίωση της ακρίβειας της πρόβλεψης. Λαμβάνει υπόψη την παλαιωσιμότητα των PV μοντουλών, εισάγοντας ετήσια ποσοστό κατάρρευσης για την πρόβλεψη μακροπρόθεσμων μεταβολών της παραγωγής ισχύος. Αυτό το μοντέλο αντικατοπτρίζει ακριβώς την απόδοση των συστημάτων PV υπό διάφορες περιβαλλοντικές συνθήκες.
2.3 Μοντέλο Συστήματος Αποθήκευσης Ενέργειας
Το μοντέλο του συστήματος αποθήκευσης ενέργειας βασίζεται κυρίως στα χαρακτηριστικά των μπαταριών lithium-ion. Αναπτύσσεται ένα δυναμικό μοντέλο του ποσοστού φόρτισης (SOC) της μπαταρίας για την περιγραφή των διαδικασιών φόρτισης και απόφορτισης. Λαμβάνονται υπόψη οι χαρακτηριστικά αυτοδιασποράς και αποδοτικότητας φόρτισης/απόφορτισης, με την εισαγωγή ενός παράγοντα διόρθωσης θερμοκρασίας για την αντανάκλαση των περιβαλλοντικών επιπτώσεων. Η ζωή της μπαταρίας μοντελοποιείται με την ενσωμάτωση του αριθμού κύκλων και της βάθους απόφορτισης (DOD) για την πρόβλεψη της κατάρρευσης της ικανότητας.
Το μοντέλο αντικατοπτρίζει ακριβώς την απόδοση της μπαταρίας υπό διάφορες λειτουργικές συνθήκες, υποστηρίζοντας την βέλτιστη διάσταση και στρατηγικές διανομής. Λαμβάνει επίσης υπόψη την μεταβολή της εσωτερικής αντίστασης, δημιουργώντας συναρτησιακές σχέσεις μεταξύ της αντίστασης, του αριθμού κύκλων και της θερμοκρασίας, επιτρέποντας πιο ακριβή προσομοίωση της δυναμικής συμπεριφοράς. Κλειδί εξόδου περιλαμβάνουν το πραγματικό SOC, την διαθέσιμη ικανότητα, την ισχύ φόρτισης/απόφορτισης και την προσδοκώμενη ζωή - παρέχοντας συνολική υποστήριξη δεδομένων για βέλτιστη λειτουργία και συντήρηση.
2.4 Μοντέλο Συνδυασμού Συστήματος
Το ολοκληρωμένο μοντέλο συστήματος συνδυάζει τα υποσυστήματα ανεμογεννήτριας, φωτοβολταϊκών και αποθήκευσης σε μια ενιαία πλατφόρμα. Χρησιμοποιείται η μέθοδος ισοδύναμης φορτίας για την επεξεργασία των κυμάνσεων φορτία, και δημιουργείται μια εξίσωση ισορροπίας ισχύος του συστήματος. Εισάγονται δείκτες αξιοπιστίας όπως η Πιθανότητα Απώλειας Φορτίου (LOLP) και η Προσδοκώμενη Ενέργεια που Δεν Παραχωρείται (EENS) για την αξιολόγηση της απόδοσης του συστήματος. Χρησιμοποιείται παρακλάδια χρονοσειράς προσομοίωσης για τον υπολογισμό των καταστάσεων λειτουργίας του συστήματος σε διάφορες χρονικές κλίμακες.
Το μοντέλο λαμβάνει υπόψη τις αλληλεπιδράσεις μεταξύ των υποσυστημάτων, όπως η σκιάση των ανεμογεννήτριων στα PV πάνελ. Επίσης, ενσωματώνει μια διασύνδεση με το δίκτυο, επιτρέποντας την ανάλυση στρατηγικών συνδεδεμένης λειτουργίας, συμπεριλαμβανομένης της οικονομικής διανομής υπό τιμολογικά σχήματα χρόνου χρήσης και των υπηρεσιών ρύθμισης συχνότητας δικτύου. Οι εξόδοι περιλαμβάνουν την συνολική παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας, το ποσοστό ικανοποίησης φορτίου και οικονομικούς δείκτες απόδοσης, παρέχοντας ένα συνολικό θεωρητικό θεμέλιο για τη σχεδίαση, σχεδιασμό και λήψη λειτουργικών αποφάσεων του συστήματος.
3. Μέθοδοι Βελτιστοποίησης και Πειραματική Ανάλυση Υβριδικών Συστημάτων Ανεμογεννήτριας-Φωτοβολταϊκών
3.1 Στόχος Βελτιστοποίησης και Περιορισμοί
Ο στόχος βελτιστοποίησης ενσωματώνει οικονομικές, αξιοπιστίας και περιβαλλοντικές σκέψεις. Ο οικονομικός στόχος ελαχιστοποιεί το συνολικό κόστος του συστήματος, περιλαμβανομένων των αρχικών επενδύσεων, της λειτουργίας και συντήρησης (O&M), και των κατασκευαστικών καταναλωτών. Ο στόχος αξιοπιστίας μεγιστοποιεί την αξιοπιστία της παροχής ηλεκτρικής ενέργειας, ποσοτικοποιημένη με την ελαχιστοποίηση της LOLP. Ο περιβαλλοντικός στόχος μετριάζεται με την ελαχιστοποίηση των εκπομπών άνθρακα.
Οι περιορισμοί περιλαμβάνουν την ισορροπία ισχύος, τους περιορισμούς της ικανότητας αποθήκευσης ενέργειας και τους περιορισμούς λειτουργίας των εξοπλισμών. Ο περιορισμός ισορροπίας ισχύος εξασφαλίζει ότι το φορτίο ικανοποιείται σε όλες τις περιπτώσεις. Οι περιορισμοί της ικανότητας αποθήκευσης ενέργειας περιορίζουν τη βάθος απόφορτισης (DOD) για την επέκταση της ζωής της μπαταρίας. Οι περιορισμοί εξοπλισμού λαμβάνουν υπόψη την ρυθμισμένη ισχύ και τα λειτουργικά χαρακτηριστικά των συστατικών. Μια μέθοδος πολυστόχου βαρύτητας ενσωματώνει αυτούς τους στόχους σε μια μοναδική συνάρτηση στόχου, με βάρη που καθορίζονται με βάση τις προτιμήσεις των διαχειριστών και τις εφαρμογές.
3.2 Εφαρμογή της Μέθοδου Βελτιστοποίησης Συνόλου Σωματιδίων (PSO)
Η Μέθοδος Βελτιστοποίησης Συνόλου Σωματιδίων (PSO), μια εξελιγμένη μέθοδος βελτιστοποίησης, εφαρμόζεται στο σχεδιασμό υβριδικών συστημάτων ανεμογεννήτριας-φωτοβολταϊκών. Με την προσομοίωση της συμπεριφοράς ομάδας πουλιών, το PSO αναζητά βέλτιστες λύσεις στο χώρο λύσεων. Κάθε σωματίδιο αντιπροσωπεύει μια δυνατή διάταξη του συστήματος, περιλαμβανομένων των μεταβλητών απόφασης όπως η δυναμική των ανεμογεννητριών, η δυναμική των PV και η δυναμική αποθήκευσης. Η θέση και η ταχύτητα των σωματιδίων ενημερώνονται επανειλημμένα, συγκεντρώνοντας προς την παγκόσμια βέλτιστη λύση.
Για την ενίσχυση της απόδοσης, χρησιμοποιείται μια στρατηγική γραμμικά μειωμένου βάρους αδράνειας - διατηρώντας ισχυρή παγκόσμια εξερεύνηση στην αρχή και ε
