Исследование режимов автономной системы электроснабжения с прогнозирующим управлением

Актуальность темы исследования. На сегодняшний день можно констатировать, что мировая энергетическая система вошла в новый этап фундаментальной трансформации. В целом этот комплекс изменений называют «Энергетическим переходом» (четвертым), сформировавшимся под влиянием изменений в энергополитике и развития новых технологий, и предусматривающем широкое использование возобновляемых источников энергии при вытеснении ископаемых видов топлива [1].
Термин «энергетический переход» [2] используется «для описания изменения структуры первичного энергопотребления и постепенного перехода от существующей схемы энергообеспечения к новому состоянию энергетической системы» Текущий «энергопереход» – это очередной, уже четвертый сдвиг в серии аналогичных фундаментальных структурных преобразований мирового энергетического сектора. С количественной точки зрения «энергопереход» можно определить, как 10 % – ное сокращение доли рынка определенного энергоресурса за 10 лет. Наиболее известно уже ставшее классическим разделение энергетических переходов, предложенное В. Смилом [3]:
– первый энергетический переход происходил от биомассы к углю, в ходе него доля угля в общем объеме потребления первичной энергии с 1840 по 1900 гг. увеличилась с 5 % до 50 %. Уголь стал основным источником энергии индустриального мира;
– второй энергетический переход связан с распространением нефти – ее доля выросла с 3 % в 1915 г. до 45 % к 1975 г. Наиболее интенсивный период переключения с угля на нефть пришелся на годы после Второй мировой войны. Начался «век моторов» и доминирования нефти, который завершился в конце 1970-х гг. нефтяным кризисом;
6
-третий энергетический переход привел к широкому использованию природного газа (его доля выросла с 3 % в 1930 г. до 23 % в 2017 г.) за счет частичного вытеснения как угля, так и нефти.
Таким образом, в настоящее время мы являемся свидетелями начала четвертого энергетического перехода. В последнее десятилетие в мире получены важные достижения в коммерциализации широкого спектра нетрадиционных энергетических носителей ресурса и энергоэффективных технологий – ветровые электростанции, солнечные батареи, аккумуляторы электроэнергии и другие (безуглеродные источники питания, предполагающие «декарбонизацию» процесса преобразования энергии), что предполагает совершенствование управляемости на основе широкого внедрения цифровизации и устройств силовой электроники (см. рисунок В1).
Рисунок В1 – Основные технологические элементы четвертого «энергоперехода»

7
Несмотря на интенсивное развитие средств силовой электроники, устройств фотовольтаики и современных химических источников, многочисленные территории многих стран, включая Россию, испытывают большой дефицит в электроэнергии. Например, в настоящее время новые города и сельские регионы в Египте являются типичными примерами энергоснабжения удалённых потребителей, которое может осуществляться только от автономных источников энергии. Использование более экономичных и экологически чистых альтернативных систем генерации энергии объясняется следующими причинами:
(а) из-за постепенного сокращения количества ископаемого топлива и увеличение спроса на электроэнергию как развитых, так и развивающихся стран;
(b) существующие централизованные электростанции сталкиваются с проблемой высокой стоимости расширения, особенно в развивающихся странах;
(c) высокая стоимость топлива во многих отдалённых районах.
Египет располагает богатыми солнечными и ветровыми ресурсами и имеет амбициозные планы развития возобновляемой энергетики. Согласно новому докладу [4] «Egypt Could Meet More than 50% of its Electricity Demand with Renewable Energy» международного агентства по возобновляемым источникам энергии (IRENA) Египет может производить до 53 процентов своей электроэнергии на основе возобновляемых источников к 2030 году. В докладе «Перспективы возобновляемой энергетики в Египте», подготовленном в сотрудничестве с Министерством электричества и возобновляемой энергии этой страны и опубликованном 9 октября, подсчитано, что увеличение доли возобновляемых источников энергии может сократить годовые затраты на энергию на 900 млн. долларов США в год к 2030 году. В настоящее в Египте на государственном уровне зафиксирована задача увеличить долю возобновляемых источников энергии (ВИЭ) в установленной мощности энергосистемы страны до 42% к 2035 году. IRENA в своем докладе рассматривает два сценария развития энергетики страны до 2030 года.

8
В базовом сценарии доля возобновляемых источников энергии в конечном потреблении энергии удваивается до 11%, а в производстве электричества увеличивается с нынешних 9% до 25%. Это впечатляющий рост, поскольку выработка электроэнергии в целом вырастет на примерно 125% до 385 ТВт*ч. Производство электричества ВИЭ возрастает с нынешних 15 ТВт*ч (почти всё это – ГЭС) до 96 ТВт*ч. Установленная мощность электроэнергетики должна увеличиться более чем на 250% до 117 ГВт в 2030 году. При этом надо отметить, что мощности угольной и газовой генерации вырастут еще больше – на 20 ГВт каждый тип, а доля ВИЭ в установленной мощности останется ниже 30%.
В более оптимистичном сценарии REmap структура меняется кардинальным образом, в первую очередь, за счёт ускоренного развития фотоэлектрической солнечной энергетики. Установленная мощность солнечных электростанций должна вырасти до 44 ГВт (в базовом сценарии – всего до 9 ГВт). С учетом стремительного снижения цен на солнечные модули и отличного природного потенциала страны данное развитие вполне реально. В настоящее время в Египте реализуютсямасштабные проекты по строительству солнечных электростанций, например комплекс солнечных электростанций Benban Solar Park, суммарной мощностью 1,6-2 ГВт [5]. В данном сценарии доля ВИЭ в производстве электроэнергии повышается до почти 53%, а в первичной энергии – до 22%. При этом установленная мощность электроэнергетики увеличивается еще больше (по сравнению с базовым сценарием) – до 137 ГВт.
Для реализации сценария REmap, IRENA рекомендует ряд действий, направленных на реализацию экономических и других преимуществ возобновляемых источников энергии. Среди перечисленных мер можно выделить: регулярное обновление энергетической стратегии Египта; совершенствование нормативной базы; уточнение организационных ролей и ответственности по развитию ветровой и солнечной энергетики; объединение разных проектов в области

9
возобновляемых источников энергии в пулы для снижения рисков и оптимизации финансирования; проведение комплексных кампаний по измерению солнечного и ветрового потенциала; и разработку планов развития местных производств компонентов для возобновляемой энергетики.
Чистые, модульные и возобновляемые источники энергии, объединенные в микросети (microgrid) на уровне сообществ, могут стать экономически эффективным способом обеспечить доступ к надежному и недорогому энергоснабжению тем, кто сейчас живет без электричества, причем такие системы электроснабжения (СЭС) могут работать как автономно, так и совместно с основными электрическими сетями.
Автономные СЭС, как правило, работают в условиях ограничения мощности входного источника, а также «непредсказуемости» нагрузок, что определяет их случайный характер, как по величине активной мощности, так и по характеру − нагрузки могут быть одно- или трёхфазными, сбалансированными (симметричными) или несбалансированными, линейными или нелинейными. Несимметрия и гармонические искажения напряжения могут вызывать серьёзные проблемы с оборудованием, такие как вибрация, перенапряжение, перегрев и т. д. [6, 7].
Системы автономного электроснабжения обычно состоят из источника питания, нагрузок, силовых электронных устройств и систем хранения энергии. Автономная СЭС ведёт себя как управляемый объект [8].
Основными силовыми электронными устройствами в СЭС являются инверторы, которые используются в качестве интерфейсов для подключения источника питания к нагрузкам переменного тока. Основной функцией инверторов является передача и управление мощностью. Кроме того, путем правильного управления инверторами могут быть решены проблемы дисбаланса напряжений, а также компенсации высших гармоник [9] [10].
Значительный вклад в развитие теоретических и экспериментальных исследований систем электроснабжения, в том числе автономных, на основе

10
полупроводниковых преобразовательных устройств внесли как российские, так и зарубежные ученые: С.А. Харитонов, Г.С. Зиновьев, Г.С. Мыцык, А.А. Ефимов, И.А. Баховцев, Шрейнер Р.Т., Г.В. Грабовецкий, Б.В. Лукутин, И.И. Лукин, Б.П. Соустин, В.Е. Тонкаль, В.А. Цишевский, Т.А. Lipo, Bimal K. Bose, Marvin J. Fisher, Kazmierkowski M., R. Zhang, M. E. Fraser, C. D. Manning, K. Zhang, Y. Kang, J. Xiong, и др.
При большой распространенности полупроводниковых СЭС в энергетике промышленных и автономных объектов применение новых схемотехнических и алгоритмических решений, позволяющих повысить качество их работы, является актуальной задачей.
Объектом исследования является система автономного электроснабжения на базе инвертора напряжения.
Предметом исследования являются режимы и алгоритмы управления полупроводниковой СЭС.
Целью диссертационной работы является обеспечение требуемого качества выходного напряжения автономной системы электроснабжения на основе алгоритмов прогнозирующего управления.
Для достижения этой цели необходимо решить следующие задачи:
1. Изучить и проанализировать особенности применения и построения автономных полупроводниковых СЭС при работе на различные виды нагрузок и в
составе автономных сетей, в частности, microgrid.
2. Провести исследования по особенностям применения метода
прогнозирующего управления в структуре полупроводниковой СЭС и разработать алгоритмы управления СЭС при ее работе на активную, реактивную и нелинейную нагрузки как симметричного, так и несимметричного (несбалансированного) типа в соответствии с показателями качества управления.

11
3. Провести сравнительные исследования СЭС с прогнозирующим управлением с СЭС, функционирующих на основе алгоритмов пропорционально- интегрально- дифференциального (ПИД) и пропорционально-резонансного (ПР)- регулирований.
4. Разработать алгоритмы аварийной защиты полупроводниковой СЭС с прогнозирующим управлением по току нагрузки.
5. Для подтверждения теоретических исследований провести экспериментальную проверку алгоритмов прогнозирующего управления.
Методы исследований. В диссертационной работе использовались методы теоретических основ электротехники, математические методы с применением интегро-дифференциальных и матричных уравнений, имитационное моделирование с применением пакета Matlab Simulink, а также экспериментальные исследования. Для анализа устойчивости СЭС и синтеза регуляторов применялся метод корневого годографа.
Научная новизна работы заключается в следующем:
1. Предложена математическая модель СЭС для управления напряжением нагрузки АИН с нулевым проводом (четвёртой стойкой) на основе алгоритма с прогнозирующим управлением.
2. Предложены математические модели СЭС на базе автономного инвертора напряжений (АИН) с нулевым проводом (четвертой стойкой) и выходным фильтром при реализации алгоритма ее управления на основе ПИД-регулятора, ПР- регулятора, скалярной ШИМ и при компенсации взаимной связи между осями D и Q в системе координат DQ0.
3. Разработана имитационная модель СЭС при управлении автономным инвертором с нулевым проводом (четвёртой стойкой), способная реализовать три метода управления СЭС: с ПР-регулятором, ПИД-регулятором и с прогнозирующим управлением.