Хибридна система за оптимизация на вятърно-слънчева енергия: Комплексно решение за проектиране за оф-грид приложения

1. Въведение и контекст

1.1 Предизвикателства на системите за едноизточниково производство на електроенергия

Традиционните самостоятелни фотovoltaични (PV) или вятърни системи за производство на електроенергия имат вродени недостатъци. Производството на PV енергия е влияето от дневните цикли и метеорологичните условия, докато производството на вятърна енергия зависи от нестабилните вятърни ресурси, което води до значителни колебания в мощността. За да се осигури непрекъснато снабдяване с електроенергия, са необходими батерии с голяма капацитет за съхранение и балансиране на енергията. Обачно, батериите, които подлежат на често зареждане-разтоварване, са склонни да остават в състояние на недозареждане за дълго време при сурови условия на работа, което води до реален срок на ползване, който е много по-кратък от теоретичната стойност. Още по-критично, високата цена на батериите означава, че общата им стоимость през целия живот може да се приближи или дори да надхвърли цената на самите PV модули или вятърните турбини. Ето защо, удължаването на срока на ползване на батериите и намаляването на системните разходи са станали основни предизвикателства при оптимизирането на самостоятелни системи за производство на енергия.

1.2 Значителни предимства на хибридната вятърно-солнечна система за производство на енергия

Хибридната технология за производство на вятърно-солнечна енергия ефективно преодолява преразпределението на едноизточниковата енергия, като органично комбинира PV и вятърна енергия, две возобновяеми източници на енергия. Вятърната и солнечната енергия показват естествена допълнителност във времето (ден/нощ, сезони): силната слънчева светлина през деня често съвпада с потенциално по-силни ветрове през нощта; добра слънчева радиация през лятото може да се комбинира с обилни вятърни ресурси през зимата. Тази допълнителност позволява:

• Значително удължаване на ефективното време за зареждане на батериите, намаляване на времето, прекарано в състояние на недозареждане, следователно значително удължаване на срока на ползване на батериите.
• Намаление на необходимата капацитет на батериите. Тъй като вероятността и двата източника енергия да не са налични едновременно е ниска, системата често може да снабдява потребителя директно, позволявайки използването на батерии с по-малък капацитет.
• Домакински и международни изследвания потвърждават, че хибридните вятърно-солнечни системи превишават системите за едноизточниково производство на енергия както по надеждност на снабдяването, така и по ефективност на разходите през целия живот.

1.3 Недостатъци на съществуващите методи за проектиране и предлагано решение

Сегашното системно проектиране среща предизвикателства. Странните професионални симулационни софтуери са скъпи, а техните основни модели често са конфиденциални, което затруднява широкото им прилагане. Междувременно, повечето опростени методи за проектиране са недостатъчни - или те зависят прекомерно от метеорологичните средни стойности, игнорирайки детайлите, или използват линейни опростени модели, водещи до ограничена точност и лоша приложимост.

Това решение се стреми да предложи набор от точни и практически компютърни методики за помощ при проектирането, за да се справи с гореспоменатите проблеми.

II. Състав на системата и основни технически модели

2.1 Архитектура на системата

Хибридната вятърно-солнечна система за производство на енергия, проектирана в това решение, е напълно самостоятелна оф-грид система, без запасни източници на енергия като дизелови генератори. Основните компоненти включват:

• Единица за производство на енергия: Вятърни турбини, PV масив.
• Единица за съхранение и управление на енергията: Батерии, контролер за зареждане (за управление на зареждане и разтоварване).
• Единица за защита и преобразуване: Диверсионна нагрузка (предотвратява прекомерно зареждане на батериите, защитава инвертора), инвертор (преобразува DC в AC, за да отговаря на повечето изисквания за нагрузка).
• Единица за потребителска енергия: Нагрузка.

2.2 Точни модели за изчисление на производството на енергия

За да се постигне оптимизирано проектиране, сме установили точни часови модели за изчисление на производството на енергия.

• Модел на PV масива:
1. Транспониране на солнечната радиация: Използва напреднал модел на анаизотропната небесна дифузна радиация, за да преобразува точно хоризонталните данни за солнечна радиация, измерени от метеорологичните станции, в радиацията, падаща върху наклонената повърхност на PV модулите, като се вземат предвид пряката радиация, дифузната радиация от небето и радиацията, отразена от земята.
2. Симулация на характеристиките на модулите: Използва точен физически модел, за да характеризира нелинейните изходни характеристики на PV модулите, като се вземат предвид ефектите на радиацията и околната температура върху изходното напрежение и тока на модулите, за да се гарантира точността на изчисленията на производството на енергия.
• Модел на вятърната турбина:
1. Корекция на скоростта на вятъра: Коригира скоростта на вятъра от метеорологичните данни на референтната височина до фактичната скорост на вятъра на върха на турбината, като се използва степенен закон, регулиращ вариациите на скоростта на вятъра с височината.
2. Подбор на кривата на мощността: Използва сегментирана функция (различни биномните уравнения за различни интервали на скоростта на вятъра) за високоточно подбор на действителната крива на мощността на турбината, позволявайки точни часови изчисления на енергията, базирани на данните за скоростта на вятъра.

2.3 Модел на динамичните характеристики на батериите

Батерията е основен компонент за съхранение на енергия, с динамично променящи се състояния. Моделът се фокусира главно върху:

• Изчисление на състоянието на зареждане (SOC): Динамично симулира процесите на зареждане и разтоварване на батериите, като се използва връзката между производството на енергия и потреблението на нагръзката при всеки временен интервал, изчислявайки точно остатъчната капацитет, като се вземат предвид практическите фактори като скоростта на само-разтоварване, ефективността на зареждане и ефективността на инвертора.
• Управление на зареждане-разтоварване: За удължаване на срока на ползване на батериите, се дефинира разумен диапазон на операции на SOC (например, ограничаване на максималната дълбочина на разтоварване до 50%), и се създава модел, свързващ напрежението при плътно зареждане с SOC и околната температура, за да се определят точно условията за зареждане.

III. Методика за оптимизация и размер на системата

3.1 Индикатори за надеждност на снабдяването с енергия

Проектът дава приоритет на удовлетворяването на специфицираните от потребителите изисквания за надеждност на снабдяването с енергия. Ключовите индикатори включват:

• Вероятност за загуба на снабдяването с енергия (LPSP): Отношението на времето на спиране на системата към общото време за оценка, което直观地反映了供电的连续性。 - 负载损失概率 (LLP)：系统未能满足的负载电力需求与总需求的比例。这是系统优化设计中最重要的核心指标。 请注意，上述翻译中最后一段出现了中文，这是不符合要求的。以下是正确的翻译：
  • Вероятност за загуба на снабдяването с енергия (LPSP): Отношението на времето на спиране на системата към общото време за оценка, което интуитивно отразява непрекъснатостта на доставката.
  • Вероятност за загуба на нагрузката (LLP): Отношението на невъзможната за задоволяване мощност на нагрузката от страна на системата към общата мощност на изискванията. Това е най-важният ключов показател за оптимизиране на системата.

  3.2 Постепенен процес на оптимизиране на проектирането

  Това решение използва системен оптимизационен процес, с цел минимизиране на първоначалните инвестиционни разходи за оборудването, за да се намери оптималната конфигурация.

  1. Стъпка 1: Оптимизиране на конфигурацията на PV и батериите при фиксирана мощност на вятърната турбина
  • Основна задача: При условие, че моделът и броят на вятърните турбини са фиксирани, намерете комбинацията от капацитета на PV модулите и батериите, която отговаря на предварително определените показатели за надеждност (LPSP) и води до най-ниската общa цена на оборудването.
  • Метод за реализация: Чрез симулационни изчисления, начертайте "балансна крива", представляваща всички конфигурации на PV и батерии, които отговарят на изискванията за надеждност. След това, използвайки метода на допирателната към цената или компютърна програма за селекция на основа на единичните цени на оборудването, определете уникалната оптимална комбинация с най-ниската цена.
  2. Стъпка 2: Глобална оптимизация чрез изменение на мощността на вятърната турбина
  • Основна задача: Променете мощността или броя на вятърните турбини, повторете оптимизационния процес от стъпка 1 и получете серия от оптимални конфигурации и техните съответстващи разходи за различни мощности на вятърните турбини.
  • Финално решение: Сравнете общите разходи на всички кандидатски решения и изберете комбинацията от вятър-PV-батерии с глобално най-ниската цена като финална оптимална конфигурация на системата.

  3.3 Симулация на работата на системата и изход

  След определянето на оптималната конфигурация, годишната работа на системата може да бъде симулирана час по час, пораждайки подробни доклади, включващи:

  • Времево измерение: Часово състояние на зареждане на батериите, енергийна балансира на системата.
  • Статистическо измерение: Дневно/месечно/годишно невъзможно за задоволяване енергия на нагрузката, показатели за надеждност (LPSP, LLP), дял на вятърната и солнечната енергия, ситуации на излишъци и недостиг на енергия, и т.н.

  IV. Заключение

  Предложената в това решение оптимизирана методика за проектиране на хибридни вятърно-солнечни системи за производство на енергия, базирана на комплексни математически модели и точни местни метеорологични данни, може уникално да определи конфигурацията на системата с най-ниската първоначална инвестиционна цена на оборудването, докато задоволява конкретните изисквания на потребителите за електроенергия и надеждност на снабдяването. Този метод ефективно преодолява недостатъците на системите за едноизточниково производство на енергия, преодолява ограниченията на съществуващите подходи към проектирането и предоставя мощен инструмент за научно, ефективно и икономично проектиране на хибридни вятърно-солнечни системи за производство на енергия, имащ важна стойност за инженерните приложения.