Анализ и планирование режимов автономной ветроэнергетической системы в условиях неопределенности энергоносителя

Актуальность темы

В настоящее время во многих странах расширились масштабы исследований и разработок, направленных на совершенствование топливно-энергетического баланса, экономии нефти, газа, угля и других невосполнимых энергоресурсов. Это обуславливает необходимость изыскания методов более экономичного энергоснабжения потребителей, привлечения и эффективного использования нетрадиционных источников энергии.

В связи с этим, значительное развитие получила ветроэнергетика.

В отличие от ресурсов традиционных жидких и твердых топлив на добычу и транспортирование энергии ветра затраты не производятся, поэтому часто говорят, что ветер является «даровым» энергетическим источником. Однако нужно достаточно хорошо знать условия, чтобы определить, где и для каких целей выгодно использовать энергию ветра и когда целесообразнее и экономичнее применить энергетические установки других типов. При этом необходимо наиболее полно учесть требования потребителей электрической энергии, особенности ветра как энергоносителя, режимы работы ветроэнергетической станции (ВЭС) и качество производимой энергии. Только комплексное рассмотрение всех факторов, а также создание наиболее эффективных методов управления и оценки эффективности дают объективные результаты, на основании которых можно судить об экономической целесообразности и технических возможностях применения в конкретных условиях той или иной ветроэнергетической установки (ВЭУ).

Необходимо отметить, что скорость ветра — величина не постоянная и является случайным неуправляемым природным процессом.

При рассмотрении задач, связанных с анализом режимов работы ВЭС, управлением и принятием решений в условиях непостоянства энергоносителя, а так же с изменчивостью электрической нагрузки приходится сталкиваться с одним и тем же рядом проблем, плохо пригодных для решения традиционными методами. Это является причиной создания адаптивных интеллектуальных систем, способных подстраиваться под изменения состояния объекта.

Решение технических задач с помощью методов искусственного интеллекта позволяет оперировать информацией неопределенной, и тем самым имеет ряд преимуществ. Одним из таких методов является аппарат теории нечётких множеств, получивший широкое распространение, как в области управления, так и в области математического моделирования, и более известный под названием «нечёткая логика».

Цель и задачи работы. Целью работы является разработка комплексного подхода анализа режимов работы ВЭС с учетом графика электрической нагрузки в условиях неопределенности энергоносителя, с применением теории нечетких множеств. Применение вероятностностатистических методов в определении эффективности использования ветроэнергии. А так же оценка возможности применения методов нечёткого управления вырабатываемой и потребляемой мощности.

При проведении исследований, направленных на разработку алгоритмов моделирования и управлением ВЭС, решались следующие задачи:

1. Систематизация и теоретический анализ существующих методов расчета мощности, вырабатываемой ВЭС;

2. Разработка методики расчета, учитывающей фактор изменчивости скорости ветра, как энергоносителя, являющимся случайным неуправляемым природным процессом;

3. Разработка системного подхода для согласования мощности, вырабатываемой ВЭУ, в условиях изменяющейся скорости ветра, с мощностью нагрузки и возможностью аккумулирования энергии, с применением теории нечетких множеств;

4. Оценка эффективности вероятностно — статистических методов расчета ожидаемой выработки электрической энергии с помощью ВЭУ и, на этой основе, разработка методология, позволяющая скомбинировать положительные стороны рассматриваемых методов и устранить них недостатки;

5. Адаптация теории нечеткого управления при согласовании вырабатываемой и потребляемой мощности в режиме реального времени.

Методы исследований. Разработанные в диссертации научные положения основываются на системном подходе в области анализа и управления автономных источников электроэнергии. При проведении исследований использовались положения теории нечётких множеств, в частности, аппарат нечёткой логики, вероятностно — статистические методы.

При решении задач, соответствующих поставленным целям, использовались элементы теории нечётких множеств, понятие. бинарных и условных нечетких отношений, нечёткие выводы, методы математического программирования, теория вероятности, численные методы анализа с применением вычислительной техники.

Научная новизна. Настоящая диссертационная работа посвящена разработке моделей и методов анализа режимов работы автономной ветроэнергетической системы, а также созданию алгоритмов управления направленных на эффективное согласование потребляемой и вырабатываемой мощности на базе нечетких правил.

Научная новизна определяется следующими положениями:

1. Впервые, шкала Бофорта, характеризующая переменную скорости ветра, представлена упорядоченным терм множеством нечетких переменных, позволяющая использовать для описания задачи принятия решений приближенные оценки, выраженных с помощью нечетких понятий, отношений и высказываний;

2. Впервые применены свойства теории нечетких множеств, позволяющие сопоставить вырабатываемую мощность с графиком электрической нагрузки в условии неопределенности, дающее основание сделать вывод об использовании или аккумулировании электрической энергии;

3. Предложен метод расчета выработки электрической энергии, основанный на комбинации функции распределения скорости ветра и реальной технической характеристики ветроэнергетической установки;

4. Предложен алгоритм управления вырабатываемой и потребляемой мощности в автономной ветродизельной системе на основе искусственного интеллекта.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Нечеткая формализация лингвистической переменной скорости ветка, как энергоносителя;

2. Системный подход, позволяющий сопоставить вырабатываемую мощность с графиком электрической нагрузки в условии неопределенности;

3. Степень эффективности расчета ожидаемой выработки электрической энергии с помощью ВЭУ на базе предложенной методологии;

4. Построение алгоритма управления направленных на эффективное согласование потребляемой и вырабатываемой мощности на базе нечетких правил.

Достоверность результатов, полученных в диссертации, определяется адекватностью математических моделей применяемых для решения поставленных задач, учетом более реальных характеристик ВЭС, апробацией результатов на сравнительном анализе со значениями, определенными с помощью традиционных методов.

Практическая ценность. Практическая значимость работы состоит в том, что разработанный системный подход может быть использован ь задачах эксплуатации автономных систем электроснабжения в условиях неопределённой информации.

Выполненные исследования, а также разработанные методики и алгоритмы могут быть использованы в проектных и исследовательских организациях для решения задач ведения режимов автономных ветроэнергетических систем, поиска оптимального распределения активной мощности.

При рассмотрении вопросов эффективности использования ВЭУ, предложенная методология прогнозируемой выработки электрической энергии позволяет наиболее точно судить об энергетической эффективности использования системы.

Апробация работы. Основные результаты работы представлялись, докладывались и обсуждались на научных семинарах кафедр факультета энергетики НГТУ, на научных конференциях НГТУ с 2004 по 2006 гг., на Международной научно-технической конференции «ACIT — 2005», Новосибирск. На международных научно-практических конференциях Korus

2004, 2005. На международных научно-практических конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых «Наука. Технологии. Инновации» ,

2005, 2006. На всероссийской научно — технической конференции «Электроэнергия: от получения и распределения до эффективного использования», Томск, 2006. На национальной научно-технической конференции национальной конференции по теплоэнергетики, НКТЭ — 2006, Казань.

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 9 печатных работ, в числе которых: 1 научная статья в рецензируемом журнале, рекомендованном перечнем ВАК РФ- 7-опубликованных докладов на всероссийских и национальных научных конференцияхНтучнЗЯ статья в сборниках научных трудов.

Объём и содержание работы. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, заключения. И содержит: 168 страницы основного текста, 46 рисунков, 16 таблиц и список литературы из 64 наименований.

158 Выводы

Проведенные исследования принципиальной возможности применения алгоритма нечеткого управления в задачах распределения мощности в автономной системе электроснабжения, были получены на базе имитационной модели, сконструированной при помощи прикладных программ Simulink системы MATLAB.

Нечёткий контроллер работал под управлением алгоритма Мамдани. Настройка алгоритма производилась автоматически исходя из параметров системы, по четырем входных лингвистических переменных и четырем выходных было составлено 33 правила нечеткого управления.

В результате моделирования выяснилось, что нечёткий контроллер под управлением алгоритма Мамдани справляется с возложенными на него целевыми функциями. В режиме «реального времени» контроллером находятся оптимальные значения выходных управляющих воздействий в зависимости от скорости ветра и потребляемой нагрузки. При этом решение для каждой ситуации находится за очень короткие сроки, т. е. в режиме «Опline».

Можно выделить такие достоинства как гибкость системы управления. В процессе управления, контроллер не допускает преждевременных переключений (отметка 0.5) за счет того, что тот или иной параметр внезапно оказал на это влияние.

В процессе исследований было выяснено, что при более неравномерном суточном ходе ветра и графика электрической нагрузки увеличивается количество переключений, что, в свою очередь, ухудшает техническое состояние коммутационной аппаратуры. Поэтому, снижение нежелательных переключений, в данном случае, представляется актуальным. Исследовавшиеся алгоритмы нечёткого регулирования распределения мощности отличаются возможностью лёгкого расширения при появлении необходимости в дополнительных функциональных требованиях. При изменении целевой функции управления или элементов системы достаточно скорректировать правила нечеткого управления. Сущность нечётких алгоритмов такова, что позволяет производить такие изменения без глубокой переделки основ. На основании проведенных исследований можно утверждать что, предлагаемые нечёткие алгоритмы являются достаточно мощной вычислительной процедурой при неопределённости входной информации.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Направленность диссертационной работы связана с теоретическим обоснованием, разработкой и исследованием новых научных моделей и методов анализа, управления и планирования режимов автономной ветродизельной системы электроснабжения, на основании вероятностатистических методах, а также таких методов искусственного интеллекта, как теория нечётких множеств и аппарат нечёткой логики в задачах управления.

К наиболее ценным и существенным полученным в работе результатам следует отнести:

1. Проведен анализ фундаментальных теоретических основ теории нечетких множеств, с целью особенностей применения нечеткой логики4 В задачах управления при неопределенности исходной информации.

2. Показано, что шкала Бофорта, характеризующая интервальную интерпретацию скорости ветра, может быть представлена нечетким терм множеством. Такое представление позволяет учесть фактор неопределенности энергоносителя. Предложенная формализация обеспечивает переход от словесных описаний, не поддающихся точному количественному описанию элементов задачи принятия решений к числовым.

3. Разработана система поддержки принятия решений при анализе режимов работы автономной ветродизельной системы электроснабжения в соответствии с графиком электрической нагрузки в условиях неопределенности энергоносителя. Такой подход позволяет сопоставить вырабатываемую и потребляемую мощность с учетом изменчивости скорости ветра и создает предпосылки целесообразности ведения режима на суточном интервале времени.

4. Прогнозирование вырабатываемой и потребляемой мощности в автономной системе электроснабжения влечет за собой задачу аккумулирования электрической энергии. В зависимости от покрытия графика электрической нагрузки был предложен системный подход, позволяющий сделать заключение о том, какую часть энергии должна будет поглотить аккумулирующая станция, резервируя питания ответственных потребителей.

5. На основе вероятностно — статистических методов были рассмотрены вопросы, определяющие эффективность использования ветроэнергетики в той или иной местности, связанные с определением ожидаемой выработки электрической энергии с помощью ВЭУ за год. Предложен новый подход определения годовой энергии, вырабатываемой с помощью ВЭУ, с учетом функции распределения скорости ветра и технической характеристики самой установки. В отличие от рассматриваемых методов, предложенная методология обладает минимальной погрешностью, равной 0,07% от эталонного значения.

6. Показано поведение функции распределения Вейбулла при различных коэффициентах с и к. В процессе исследований, выявлено, что распределение Вейбулла имеет характер экспоненциальной зависимости, закона распределения Релея или нормального закона при коэффициентах к -1,2 и 3 соответственно.

7. Составлен алгоритм нечеткого регулирования потоками мощности автономной системы электроснабжения. Выбраны оптимальные функции принадлежности скорости ветра и мощности электрических нагрузок, составлены правила нечеткого управления на основе алгоритма Мамдани. На базе сконструированной имитационной модели был апробирован алгоритм нечеткого управления по 33 правилам. При задании целевой функции экономии органического топлива и обеспечения качеством электрической энергии нечеткий контроллер успешно справился со своей задачей.

Разработаны программные средства в системе MATLAB, позволяющие имитировать автономную систему электроснабжения в режиме «On — line».