Совершенствование методов принятия решений по вводу мощностей автономных солнечно-дизельных установок (на примере Республики Тыва)

Во введении обоснована актуальность диссертационной работы,
сформулированы цель и задачи исследования, приведены основные результаты,
составляющие предмет научной новизны, практическая значимость работы и
личный вклад автора, приведена структура диссертации.
В первой главе представлены особенности и пути совершенствования
АСЭС на примере Республики Тыва: характеристики ДЭС, удельная
установленная мощность на одного человека, годовое потребление дизельного
топлива и выработка электрической энергии. Анализ местных возобновляемых
энергоресурсов на территории Тывы позволил обосновать возможность
использования в АСЭС ФЭП совместно с накопителями энергии.
Приведено описание структурной схемы и элементной базы СДУ. Обзор
математических методов для решения оптимизационных задач показал, что для
СДУ наиболее приемлемым является метод роя частиц. По результатам анализа
имеющихся методов для исследования СДУ обоснована необходимость
усовершенствования математической модели ФЭП, разработки методики
оптимизации структуры и параметров СДУ.
Во второй главе усовершенствована математическая модель ФЭП,
позволяющая определять выходные энергетические характеристики ФЭП
в зависимости от географических и климатических факторов места установки
ФЭП, технических характеристик ФЭП. Модель ФЭП была реализована
в программной среде имитационного моделирования Delphi 7.
Для условий Республики Тыва проанализирована возможность
использования различных методик оценки интенсивности солнечного
излучения, учитывающих процессы поглощения и рассеяния излучения
в зависимости от исходных данных. Сравнительный анализ позволил за основу
выбрать метод Берда для оценки интенсивности солнечного излучения в местах
полн
установки СДУ. Интенсивность солнечного излучения гор, Вт/м2 на
горизонтальную поверхность:
прдиф
полн гор + гор
гор =,
1− з · а
пр
гор = · Ɵ · пр ,(1)
диф1пр
гор = (E- гор ) · Ɵ · диф ,
прдиф
где гор , гор – интенсивность прямого и диффузного СИ, Вт/м2; E –
интенсивность солнечного излучения, проходящего на верхнюю границу
атмосферы, Вт/м2; rз, rа – значения альбедо подстилающей поверхности и
атмосферы; Ɵ – зенитный угол Солнца, град.; kпр,kдиф – вводимые поправочные
коэффициенты прямого и диффузного солнечного излучения.
На рисунке 1 представлены наблюдаемые данные по изменению сумм
интенсивности прямого и диффузного солнечных излучений на
горизонтальную поверхность с актинометрической станции, расположенной
в г. Кызыл 15 июля 2020 г. и значения, полученные расчетным путем
с вводимыми поправочными коэффициентами. Сопоставление расчетных
значений интенсивности солнечного излучения с наблюдаемыми данными
актинометрической станции показало удовлетворительную сходимость
с погрешностью, не превышающей 10–15 %.
Максимальная мощность, которую способна генерировать ФЭП в реальных
условиях, варьируется в пределах от 0 до 120 % её пиковой мощности, указанной
в технических характеристиках ФЭП при Standard Test Conditions (STC) ФЭП.
Анализ работ, посвящённых оценке параметров ФЭП, показал, что на реальное
значение выработки электроэнергии ФЭП, прежде всего, влияет интенсивность
СИ, температура окружающей среды, технические характеристики ФЭП и способ
ориентации ФЭП.
Вт/м2
300
3456789 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19
-100
Время,час
значения с поправочными коэффициентаминаблюдаемые данные

а)
Вт/м2
250
150
0
3456789 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

Время, час
значения с поправочными коэффициентаминаблюдаемые данные

б)
Рисунок 1 – Изменение сумм интенсивности солнечного излучения на
горизонтальную поверхность для актинометрической станции
в г. Кызыле 15 июля 2020 г.:
а) прямое солнечное излучениеб) диффузное солнечное излучение
Предложенная математическая модель ФЭП, позволяющая учитывать
перечисленные выше параметры, в общем виде представлена следующей системой
выражений:
пр
гордиф ( + Ɵ)( − Ɵ)
полн
след=+ гор+ полн
гор;
Ɵ
пр диф ( + )( − )
полн
накл = гор+ гор+ полн
гор;
Ɵ
Ф
полн
= · ( КЗ+ · ( − )) ;
(2)

О
КЗ+ · ( − )
= + ·( − ;
ХХ
( )−1

= Ф − ;

ММ
=
ХХ
Ф
− , · − · ( + );

где – интенсивность полного солнечного излучения при STC,
полн
Вт/м2; накл– интенсивность полного солнечного излучения на наклонную
полн
поверхность, Вт/м2; след – интенсивность полного солнечного излучения для
следящей за Солнцем поверхности, Вт/м2; полн – интенсивность полного
солнечного излучения на выбранную поверхность, Вт/м2; β – угол наклона
поверхности, град.; ξ – угол падения лучей на наклонную поверхность, град.;
– температура при STC, °С; T – температура окружающей среды, °С;

КЗ – ток КЗ ФЭП при STC, А; IФ – фотоэлектрический ток, А; IO – обратный

ток насыщения ФЭП, А; ХХ– напряжение ХХ ФЭП при STC, В;
U – температурное напряжение, В; kU, kI – температурные коэффициенты тока
T

и напряжения; I – реальный ток ФЭП, А; U – реальное напряжение ФЭП, В.
В качестве допущений в модели ФЭП принято, что спектральная
чувствительность ФЭП и внутренние потери энергии, связанные с возможным
затенением ФЭП или их частей, не учитываются.
Выходная расчетная мощность ФЭП в точке максимальной мощности при
STC отличается на величину не более  1,5 % от значений мощности завода-
изготовителя. Аналогичная точность получена и при определении тока
короткого замыкания и напряжения холостого хода. Сравнение полученных
вольтамперных ФЭП характеристик с данными завода-изготовителя
свидетельствуют о достаточно высокой точности моделирования. Модель ФЭП
реализована в программной среде имитационного моделирования Delphi 7.
Получено свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ.
В третьей главе представлены методика оптимизации структуры
и параметров СДУ, учитывающая изменения реальных энергетических
характеристик ФЭП, графиков нагрузки потребителей и осуществляющая поиск
оптимального соотношения генерирующих мощностей, выбор оптимального
единичного типоразмера оборудования; методика принятия решений при
выборе площадки для размещения элементов СДУ с использованием теории
многокрительной оптимизации и метода экспертных оценок.
В качестве целевой функции СДУ принят критерий минимума
себестоимости электрической энергии, учитывающий выработку электрической
энергии ФЭП при различных режимах функционирования СДУ, руб./кВт∙ч:

( общ − ФЭП ) · СДЭС + ФЭП · СФЭП
ССДУ =→ ,(3)
общ

где СДЭС – себестоимость электрической энергии, генерируемой ДЭС,
руб./кВт·ч.; СФЭП – себестоимость электрической энергии, производимой ФЭП,
руб./кВт∙ч; Wобщ– общее годовое потребление электрической энергии поселком,
кВт·час;WФЭП– выработка электрической энергии ФЭП, кВт·час.
В задаче оптимизации требуется выбрать структуру и параметры СДУ,
в которой независимыми оптимизируемыми переменными выступают общие
установленные мощности ФЭП и ДГ (или число ФЭП/ДГ заданного
типоразмера) и емкость АБ (или число АБ заданного типоразмера).
На оптимизируемые параметры СДУ накладываются следующие
ограничения:
З
ДГ ≥ , ДГ ≥ 2,
Л(4)
АБ ≥ ФЭП − ПЛ ,
З
где – максимальное значение нагрузки потребителей в зимнее время,
кВт; ДГ – общая установленная мощность ДГ, кВт; ДГ – количество
Л
ДГ, шт; WФЭП– суточная выработка электроэнергии ФЭП в летнее время,
Л
кВт·ч;WП – суточное потребление электроэнергии нагрузкой потребителей в
летнее время, кВт·ч; WАБ – общая запасенная электроэнергия всеми АБ, кВт·ч.
Выбор общей установленной мощности ФЭП по максимуму нагрузки
в зимний период является неоправданным, т.к. выработка ФЭП в этот период
будет минимальной, что повлечёт большие расходы на установку ФЭП
большой мощности Анализ баланса потребляемой и генерируемой ФЭП
электрической энергии показал, что эти значения наиболее близки друг другу
с марта по октябрь. Поэтому общую установленную мощность ФЭП выбирают
исходя из усредненных графиков нагрузок потребителей в заданные месяцы.
Процедура использования метода роя частиц для решения задачи
оптимизации СДУ включает следующие шаги обновления:
1.Вычисляются значения целевой функции, полученные в результате
итераций из обновления каждой переменной СДУ с учётом своей текущей
позиции Xi по выражению:

( +1) ( +1)
= + ,(5)
2.Скорость переменных на итерации обновляется с помощью
выражения:
( +1)( )( )( )( )( )( )( )(6)
= + 1 · 1 · ( − ) + 2 · 2 · ( − ),

где φ1, φ2 – коэффициенты ускорения; α1, α2 – однородно распределенные
( )
случайные числа в диапазоне [0;1]; – наилучшие позиции каждой
переменной,соответствующейминимумувзначениях целевой
(k)
функции; gbid – наилучшая глобальная позиция для всех переменных СДУ,
соответствующей минимуму в значениях целевой функции.
Разработанная структурная схема методики оптимизации СДУ
представлена на рисунке 2. Для проведения оптимизационных исследований
методика была реализована в программной среде MATLAB. Получено
свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ.

Рисунок 2 – Структурная схема методики оптимизации СДУ
Выбор площадки для размещения элементов СДУ является важным
стратегическим решением на этапе строительства и эксплуатации СДУ.
Поэтому процесс выбора площадки для размещения элементов СДУ состоит из
рассмотрения потенциальных противоречивых критериев и анализа нескольких
возможных вариантов. При этом понимая важность решения этого вопроса,
лица, принимающие решения (ЛПР), должны выбрать площадку, не только
подходящую для нынешних условий, но и достаточно гибкую в процессе
модернизации СДУ.
Для решения задачи принятия решений при выборе площадки
размещения элементов СДУ выбран многокритериальный подход, основанный
на экспертной оценке. Многокритериальный подход заключается в свертке
всех критериальных свойств (КС) в единый (комплексный критерий
эффективности).
Для многокритериальной оценки применяются различные формы
∗
свертки: средняя арифметическая ср.А , средняя гармоническая Г∗ , и др.

∗
ср.А =∑ =1 при ∑ =1 = 1;(7)
−1

Г∗ =(∑ =1)∑ =1 = 1;(8)

где F*– оценочный функционал, представленный единым комплексным
(скалярным) критерием; eij – оценка i-го частного КС в j-м варианте; n – число
частных КС; vi – весомость частного КС. У оптимального варианта F* значения
должны быть наибольшими из всей совокупности вариантов.
В четвертой главе произведено районирование территории Республики
Тыва по солнечным зонам; рассчитаны прогнозируемые значения изменений
интенсивности солнечного излучения и выходные энергетические
характеристики ФЭП «SilaSolar 200 Вт» при различных способах ориентации
ФЭП для изолированного поселка Республики Тыва. На примере двух поселков
республики представлены практические результаты оптимального выбора
параметров и структуры СДУ, произведен выбор площадки для размещения
элементов СДУ для изолированного поселка Республики Тыва.
В качестве примера рассмотрен поселок Качык с географическими
координатами 96.4237925 В.Д. и 49.9369615 С.Ш. Значения температуры
окружающей среды получены с ближайшей метеостанции № 3607 «Эрзин».
Ввиду отсутствия актинометрической станции для этого поселка рассчитаны по
разработанной методике прогнозируемые значения изменений интенсивности
СИ и мощности ФЭП «SilaSolar 200 Вт» для 15-ого июля при различных
способах ориентации ФЭП (рис. 3).
Вт/м2

а)
Вт

б)
Рисунок 3 – Прогнозируемые значения параметров на различные поверхности
в п. Качык для 15-ого июля:
а) изменений интенсивности солнечного излучения;
б) мощности ФЭП «SilaSolar 200 Вт»
На примере поселка Кызыл-Хая представлены результаты оптимизации
структуры и параметров СДУ. В поселке Кызыл-Хая функционируют два ДГ
с установленными мощностями 100 и 200 кВт. Общая численность населения
на 01.01.2020 г. составила 1341 человек. Максимум нагрузки в зимнее время
равен 170 кВт. Потребление дизельного топлива за 2020 г. составило в среднем
120 тонн; годовая выработка электрической энергии – 388 МВт·ч, при этом
себестоимость электрической энергии от ДЭС равна 46,32 руб./кВт·ч.
Ввиду высокой стоимости систем слежения за Солнцем и с целью
повышения эффективности использования ФЭП при оптимизации структуры
и параметров СДУ для этого поселка выбран наклонный способ ориентации
ФЭП, ориентированной строго на юг.
В результате оптимизации структуры и параметров СДУ в поселке
Кызыл-Хая получены следующие структура и параметры элементов СДУ,
представленные в таблице 1.

Таблица 1 – Оптимальные структура, параметры элементов СДУ п. Кызыл-Хая
Элементы СДУФЭПАБДГ
Тип элементаDELTA BST 300-24M DUOGX12-230АД180-Т400
Количество элементов,
4136582
шт.
Мощность/Емкость АБ,
кВт/кА·час124151360

Сравнение технико-экономических показателей существующей ДЭС
с полученной в результате оптимизации структурой и параметрами СДУ
в п. Кызыл-Хая, представлеными в таблице 2.

Таблица 2 – Результаты оптимизации структуры и параметров СДУ
в п. Кызыл-Хая
Суммарные установленныеГодоваяГодовой
мощности (емкость)выработкарасходСебестоимость
элементов, кВт (кА·час)электро-топлива,электрической
Вариантэнергии,тоннэнергии, руб./кВт
ФЭПАБДГ
МВт
ДЭС–30012046,32
СДУ12415136063,632,21

Технико-экономические показатели полученной структуры и параметров
СДУ в Кызыл-Хая представлены в таблице 3.
Таблица 3 – Технико-экономические показатели для оптимальной структуры
СДУ п. Кызыл-Хая
ПоказателиЗначение
Капитальные затраты, тыс. руб.36180
Ежегодные издержки, тыс. руб.1596
Денежный эквивалент «вытесненному» топливу, тыс. руб.2555,95

Использование СДУ в АСЭС поселке Кызыл-Хая дает возможность
снизить потребление дизельного топлива на 47 %.
Поселок Кунгуртуг имеет общую численность населения 1505 человек
(на 01.01.2020 г.), в котором функционируют три ДГ с установленными
мощностями 100, 200 и 400 кВт. ДЭС работает с 6 утра до 01 ночи или 19 часов
в сутки. В январе максимум нагрузки составил 700 кВт, а минимум – 400 кВт.
В июле максимум нагрузки составил 420 кВт, а минимум – 300 кВт.
Потребление дизельного топлива за 2020 г. составило 220 тонн, годовая
выработка электрической энергии – 532 МВт·ч, при этом себестоимость
электрической энергии равна 51,12 руб./кВт·ч.
В результате оптимизации структуры и параметров СДУ в поселке
Кунгуртуг получены следующие структура и параметры элементов СДУ,
представленные в таблице 4.

Таблица 4 – Оптимальные структура, параметры элементов СДУ п. Кунгутуг
Элементы СДУФЭПАБДГ
Тип элементаDELTA BST 300-24M DUOGX12-230АД360-Т400
Количество элементов,
99322262
шт.

Мощность/Емкость АБ,
298512720
кВт/кА·час

Сравнение показателей существующей ДЭС с полученной в результате
оптимизации структурой и параметрами СДУ в Кунгуртуг представлены
в таблице 5.

Таблица 5 – Результаты оптимизации структуры и параметров СДУ в п.
Кунгуртуг
Суммарные установленныеГодовая
Годовой
мощности (емкость)выработка
расходСебестоимость
элементов, кВт (кА·час)электро-
Варианттоплива,электрической
энергии,
тоннэнергии, руб./кВт
МВт
ФЭПАБДГ
ДЭС–70022051,12
СДУ2985127208826,79
Технико-экономические показатели полученной структуры и параметров
СДУ в Кунгуртуг представлены в таблице 6.

Таблица 6 – Результаты расчетов технико-экономических показателей для
оптимальной структуры СДУ п. Кунгуртуг
ПоказателиЗначение
Капитальные затраты, тыс. руб.109159,28
Ежегодные издержки, тыс. руб.5287,24
Денежный эквивалент «вытесненному» топливу, тыс. руб.6142,5

Использование СДУ в АСЭС поселка Кунгуртуг дает возможность
снизить потребление дизельного топлива более чем на 60 %.
Произведен выбор площадки для размещения элементов СДУ
с использованием теории многокрительной оптимизации и метода экспертных
оценок на примере поселка Кунгуртуг (Республика Тыва). Анализ территории
вокруг поселка позволил предложить четыре варианта размещения площадок,
представленных на рисунке 4:

Рисунок 4 – Общий вид п. Кунгуртуг со спутника с вариантами
размещения площадок для СДУ
Вариант № 1 – площадка без лесного массива, расположенная в северной
части поселка и требующая предварительного выравнивания рельефа,
с ограниченной возможностью дальнейшего расширения СДУ.
Вариант №2 – достаточно ровная площадка без лесного массива
с возможностью дальнейшего расширения СДУ, расположенная в западной
части поселка.
Вариант № 3 – площадка, расположенная в восточной части поселка
и требующая предварительного выравнивания рельефа местности,
с возможностью дальнейшего расширения СДУ при условии вырубки деревьев.
Вариант № 4 – ровная площадка с небольшим лесным массивом,
с возможностью дальнейшего расширения СДУ, расположенная в южной части
поселка.
Для выбора варианта площадки для размещения элементов СДУ на
основе обобщения имеющегося опыта и опроса шести компетентных экспертов
был определен перечень и определены весомости КС методом ранговой
корреляции (табл. 7):

Таблица7 – Оценки весомостей КС
№КСВесомость КС vi
1Максимум удобства монтажа и обслуживания СДУ0,255
2Максимум благоприятного рельефа местности и качества
0,175
грунта
3Максимум удобства компоновки ФЭП0,167
4Минимум воздействия на окружающую среду0,07
5Максимум возможности дальнейшего расширения СДУ0,118
6Максимум возможности ориентации преимущественно на юг
0,215
и отсутствия высоких препятствий для СИ

Коэффициент конкордации (согласованности) мнений экспертов С = 0,54,
подтвердил согласованность мнений экспертов с ранжированием КС. Для
оценки значимости коэффициента конкордации определено значение квантили
распределения χ2C =16,2. При числе степеней свободы 5 и уровне значимости
α =0,05 определено табличное значение квантили распределения χ2табл =11,2.
Поскольку χ2C ≥ χ2табл, то с достоверностью 95 % можно утверждать, что
коэффициент согласия значим и имеет место согласованность экспертов.
Получены оценки эффективности вариантов по каждому из КС
и многокритериальные оценки эффективности вариантов, рассчитанные для
среднеарифметической и гармонической форм свертки (табл. 8).
Исследования показали, что ошибки σF средней гармонической формы
целевой функции значительно меньше, чем у арифметической формы, при тех
же самых ошибках в определении νi и eij. Эта форма обладает большей
разрешающей способностью при сравнении близких по своим свойствам
объектов с невысокой точностью оценок vi и eij. Кроме того, средняя
гармоническая форма весьма резко занижает оценки целевой функции
у вариантов площадок, имеющих низкие показатели по отдельным свойствам.
Таблица 8 – Многокритериальная оценка эффективности вариантов площадок
для размещения элементов СДУв п. Кунгуртуг
Оценки весомостей КСФорма
№v1=0,255 v2=0,175 v3=0,167 v4=0,07 v5=0,118 v6=0,215сверткиE*
вариантаОценка частных критериев eij∗
ср.А Г∗
10,8120,6870,50,66700,5620,5780
20,4170,81210,7290,50,8120,70,628
30,6870,27110,29200,250,4640
40,5830,72900,81210,6250,5850

Анализ результатов сравнения вариантов площадок для размещения
элементов СДУ при многокритериальной оценке эффективности позволяет
выбрать 2-й вариант площадки для поселка Кунгуртуг, у которого наибольшие
значения целевой функции.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Предложена методика расчёта интенсивности солнечного излучения,
основанная на методе Берда и дающая минимальные расхождения расчетных
значений с наблюдаемыми данными 10–15 %.Согласно результатам расчета
среднегодовых значений интенсивностисолнечного излучения на
горизонтальную поверхность, произведено районирование территории
Республики Тыва по двум солнечным зонам.
2. Усовершенствована математическая модель ФЭП, позволяющая
получить выходные энергетические характеристики ФЭП с учётом
интенсивности солнечного излучения, температуры окружающей среды,
технических характеристик и способа ориентации ФЭП в зависимости от
географической широты места расположения ФЭП, времени года и суток.
3. Для проведения расчётов и визуального отображения результатов
и графиков на ЭВМ математическая модель ФЭП была реализована
в программной среде имитационного моделирования «Delphi 7». Рассчитаны
прогнозируемые значения изменений интенсивности солнечного излучения
и мощности ФЭП «SilaSolar 200 Вт» для ряда изолированных поселков
Республики Тыва.
4. Выполнена оценка влияния реальной величины выработки
электрической энергии ФЭП и графиков нагрузки потребителей на режимы
работы АБ и ДГ.
5. Разработана методика оптимизации структуры и параметров СДУ
с учётом изменения реальной величины выработки электрической энергии
ФЭП и графиков нагрузки потребителей. Методика реализована в программной
среде «MATLAB». Получены практические результаты расчета оптимальной
структуры и параметров СДУ в поселках на территории Республики Тыва:
себестоимость электрической энергии составила 26 руб./кВт в поселке
Кунгуртуг и 32 руб./кВт в поселке Кызыл-Хая; денежный эквивалент
«вытесненному» топливу составил в поселке Кунгуртуг 2555,95 тыс. руб., в
поселке Кызыл-Хая – 6142,5 тыс. руб.
6. Разработана методика выбора площадки для размещения элементов
СДУ с использованием теории многокрительной оптимизации и метода
экспертных оценок. Представлены результаты обоснованного выбора
оптимального варианта площадки для размещения СДУ в поселке Кунгуртуг.