Моделирование режимов работы автономной фотоэлектрической станции

В виду огромных территорий Российской Федерации не всегда является
целесообразным и возможным обеспечить электроснабжение удалённых
территорий. Решается эта проблема дизель генераторами с помощью
возобновляемых источников электроэнергии соизмеримой мощности.
Гибридные системы могут значительно различаться по составу источников, по
архитектуре построения. Для решения задач оптимизации мощностей
генерирующих источников, выбора параметров регулирующих устройств и
настройки систем управления необходим тщательный анализ энергетического
баланса, т.е. согласования режимов производства и потребления энергии, для
чего требуется высокая дискретизация прогнозной выработки электрической
энергии. Решению этой проблемы и посвящена данная работа.
В магистерской диссертации предложено решение проблемы
достоверного определения энергетического баланса ФЭС с помощью
разработанного програмного комплекса в MatLab Simulink с высокой
временной дискретизацией, 86,400 перерасчётов всех параметров за одно
моделирование. Новизной является учёт в единной модели нелинейности
характеристик основных элементов ФЭС, а также их зависимость от внешних
факторов, случайно изменяющихся в каждый момент времени и вносящие
изменения в процесс генерации. Например, температура поверхности
фотоэлектрического модуля нелинейно влияет на напряжение холостого хода
фотоэлемента. Описанные особенности существенно усложняют решение
обозначенной задачи. Естественна необходимость учёта достаточного
количества стохастических факторов в единой модели для получения
достаточной точности, что вызывает необходимость применения методов
математического моделирования в совокупности с практическими данными
наблюдений.
1.1. Солнечная энергетика
Запасы традиционных источников электроэнергии такие как нефть, газ
и уголь, которые используются для преобразования энергии по всему миру,
быстро исчерпываются. По мимо этого, продукты сгорания являются
причиной глобальных проблем: парникового эффекта и загрязнений, которые
отравляют и наносят огромный ущерб всему живому на планете [1]. Условия
окружающей среды – одна из самых важных социально-экологических
проблем, которая влияет на всех граждан [2]. В связи с этим возобновляемые
источники электроэнергии (солнечная, ветряная, геотермальная) получили
стремительное развитие за последнее десятилетие.
Среди этих источников фотоэлектрическая энергия широка
распространена для маломощных потребителей. Огромный потенциал
солнечной энергетики невозможно игнорировать. Организация
Объединенных Наций оценивает потенциал солнечной энергетики в 1,575 –
49,837 ЕДж. Эта величина превышает мировое потребление электроэнергии в
2012 году, которое равнялось 567 ЕДж [3]. Потенциал солнечной энергии,
которую может использовать человек, ограничена такими факторами как
географическое положение приёмной поверзности, смена суток, облачность
[4].
С момента первого применеия энергии солнца в космической миссии в
1958 году, фотоэлектрические технологии прошли долгий путь. Программа
фотоэлектрических систем (PVPS) Международного Энергетического
Агенства (IEA) была основана в 1993 году, и на сегодняшний день включает в
себя 32 страны участницы. Программа существует, чтобы «координировать
международные совместные усилия, которые увеличивают роль солнечной
энергетики в направлении устойчивости энергетиечских систем». Рисунок 1
графически отображает данные отчёта за 2018 год, в котором указано, что к
концу года сумарная установленная мощность ФЭС в мире превосходит 500
ГВт, при чём 100 ГВт были построены непосредственно в 2018 году.