Гібридна система оптимізації вітро-сонячної енергії: Всестороннє рішення для проектування автономних застосувань

1. Вступ і фон​

​1.1 Виклики систем одноджерельної генерації електроенергії​

Традиційні автономні фотovoltaic (PV) або вітрові системи генерації електроенергії мають внутрішні недоліки. Генерація електроенергії за допомогою PV залежить від добового циклу та погодних умов, тоді як вітрова генерація залежить від незадійованих вітрових ресурсів, що призводить до значних коливань виводу електроенергії. Для забезпечення безперервного надходження електроенергії необхідні великі банки акумуляторів для зберігання та балансування енергії. Однак, акумулятори, які часто заряджуються-розряджуються, можуть довго перебувати у стані недоствореності під дією складних умов експлуатації, що призводить до практичного терміну служби, значно меншого, ніж теоретичне значення. Більш критично, висока вартість акумуляторів означає, що загальна вартість їхнього життєвого циклу може наблизитися або навіть перевищити вартість самих PV модулів або вітрових турбін. Тому продовження терміну служби акумуляторів та зниження вартості системи стали ключовими викликами в оптимізації автономних систем.

​1.2 Значні переваги гібридної вітро-сонячної генерації електроенергії​

Гібридна технологія вітро-сонячної генерації електроенергії ефективно подолує переміжність однієї джерела енергії, органічно поєднуючи PV та вітрову енергію, два видновлювані джерела енергії. Вітрова та сонячна енергія демонструють природну взаємоповну в часі (день/ніч, сезони): сильне сонячне світло в денні години часто співпадає з потенційно сильнішими вітрами вночі; хороша сонячна радіація літом може поєднуватися з достатніми вітровими ресурсами зимою. Ця взаємоповнота дозволяє:

• Значно розширити ефективний час зарядки акумуляторів, зменшуючи час, який вони проводять у стані недоствореності, що значно продовжує термін служби акумуляторів.
• Зменшення необхідної ємності акумуляторів. Оскільки ймовірність одночасної недоступності вітрової та сонячної енергії низька, система може часто живити навантаження безпосередньо, що дозволяє використовувати акумулятори меншої ємності.
• Домашні та міжнародні дослідження підтверджують, що гібридні вітро-сонячні системи перевершують системи одноджерельної генерації електроенергії як в надійності надходження електроенергії, так і в ефективності вартості життєвого циклу.

​1.3 Недоліки існуючих методів проектування та запропоноване рішення​

Поточне проектування систем стикається з викликами. Професійне програмне забезпечення для моделювання з-за кордону дорого, а його основні моделі часто конфіденційні, що заважає широкому використанню. Однак, більшість спрощених методів проектування недостатні — або вони надто залежать від середньої метеорологічної інформації, ігноруючи деталі, або використовують лінійні спрощені моделі, що призводить до обмеженої точності та слабкої придатності.

Це рішення має на меті запропонувати набір точних та практичних комп'ютерних методів проектування для вирішення вищевказаних проблем.

​II. Склад системи та основні технічні моделі​

​2.1 Архітектура системи​

Гібридна система генерації електроенергії, запроектована в цьому рішенні, є повністю автономною оф-грид системою, без резервних джерел живлення, таких як дизель-генератори. Основні компоненти включають:

• ​Одиниця генерації електроенергії:​​ Вітрові турбіни, PV масив.
• ​Одиниця зберігання та управління енергією:​​ Банк акумуляторів, контролер зарядки (для управління заряджанням та розряджанням).
• ​Одиниця захисту та конвертації:​​ Диверсійне навантаження (захищає від перевантаження акумуляторів, захищає інвертор), інвертор (конвертує DC в AC, щоб задовольнити більшість потреб навантаження).
• ​Одиниця споживання електроенергії:​​ Навантаження.

​2.2 Точні моделі розрахунку генерації електроенергії​

Для досягнення оптимізованого проектування ми розробили точні годинні моделі розрахунку генерації електроенергії.

• ​Модель PV масиву:​​
1. ​Перетворення сонячної радіації:​​ Використовується розширена анізотропна модель розсіяння небесного світла для точного перетворення горизонтальних даних про сонячну радіацію, виміряних метеорологічними станціями, на радіацію, що падає на нахилений поверхню PV модулів, враховуючи прямий променевий випромінювання, розсіянне небесне випромінювання та відбиту радіацію з поверхні землі.
2. ​Симуляція характеристик модуля:​​ Використовується точна фізична модель для характеризації нелінійних виводов PV модулів, повністю враховуючи вплив радіації та температури оточення на вивід напруги та струму модуля, забезпечуючи точність розрахунків генерації електроенергії.
• ​Модель вітрової турбіни:​​
1. ​Корекція швидкості вітру:​​ Корегує швидкість вітру на референсній висоті з метеорологічних даних до фактичної швидкості вітру на висоті вітрової турбіни на основі показника, що регулює зміну швидкості вітру з висотою.
2. ​Апроксимація кривої потужності:​​ Використовується розділена функція (різні двочленні рівняння для різних інтервалів швидкості вітру) для досягнення високоточної апроксимації реального виводу потужності турбіни, що дозволяє точно розрахувати енергію за годину на основі даних про швидкість вітру.

​2.3 Модель динамічних характеристик акумулятора​

Акумулятор є ключовим компонентом зберігання енергії, з динамічно змінними станами. Модель головним чином зосереджується на:

• ​Розрахунок стану заряду (SOC):​​ Динамічно моделює процеси заряджання та розряджання акумулятора на основі зв'язку між генерацією електроенергії та споживанням навантаження на кожному часовому кроці, точно розраховуючи залишкову ємність, враховуючи практичні фактори, такі як швидкість саморозряду, ефективність заряджання та ефективність інвертора.
• ​Управління заряджанням та розряджанням:​​ Для продовження терміну служби акумулятора визначається раціональний діапазон роботи SOC (наприклад, обмеження максимальної глибини розряду до 50%), та створюється модель, що пов'язує напругу плаваючого заряду з SOC та температурою оточення, для точного визначення умов заряджання.

​III. Методика оптимізації та розмірування системи​

​3.1 Індикатори надійності надходження електроенергії​

Проектування пріоритетно враховує вимоги користувача щодо надійності надходження електроенергії. Ключові індикатори включають:

• ​Ймовірність втрати надходження електроенергії (LPSP):​​ Співвідношення часу простою системи до загального часу оцінки, що直观地反映了供电连续性。 - **负荷损失概率 (LLP)**：系统未能满足的负载功率需求与总需求的比例。这是系统优化设计中最关键的核心指标。 **3.2 分步优化设计过程** 本解决方案采用系统化优化流程，旨在最小化设备初始投资成本，找到最优配置。 1. **第一步：固定风力涡轮机容量下优化光伏和电池配置** - **核心任务**：在风力涡轮机型号和数量固定的情况下，找到满足预定可靠性指标（LPSP）且总设备成本最低的光伏组件和电池容量组合。 - **实施方法**：通过仿真计算，绘制出所有满足可靠性要求的光伏和电池配置的“平衡曲线”。然后，根据设备单价使用成本切线法或计算机程序筛选，确定唯一成本最低的最佳组合。 2. **第二步：通过改变风力涡轮机容量进行全局优化** - **核心任务**：改变风力涡轮机容量或数量，重复第一步的优化过程，获得不同风力涡轮机容量下的一系列最佳配置及其对应的成本。 - **最终决策**：比较所有候选方案的总成本，选择风电-光伏-电池组合中全局成本最低的作为最终优化系统配置。 **3.3 系统性能仿真与输出** 确定最优配置后，可以按小时模拟系统的年度运行，生成详细报告，包括： - **时间维度**：每小时电池荷电状态、系统能量平衡。 - **统计维度**：每日/每月/每年未满足的负载能量、可靠性指标（LPSP、LLP）、风能/太阳能发电份额、能量盈余和短缺情况等。 **IV. 结论** 本解决方案提出的基于综合数学模型和精确当地气象数据的风光互补发电系统优化设计方法，可以在满足特定用户用电需求和供电可靠性要求的前提下，唯一确定初始设备投资成本最低的系统配置。该方法有效解决了单一能源发电系统的不足，克服了现有设计方法的局限性，为风光互补发电系统的科学、高效、经济设计提供了强有力的工具，在工程应用中具有重要价值。** 请翻译以上内容为乌克兰语。