Моделирование автономной солнечной электростанции в среде MATLAB Simulink

АННОТАЦИЯ

В данной статье представлены этапы моделирования автономной солнечной электростанции для исследования ее режимов работы.

ABSTRACT

This article presents the stages of a model of an autonomous solar power plant for the study of its operating mode. 

Ключевые слова: солнечные электростанции, режимы работы, модель, моделирование, инвертор, контроллер.

Keywords: solar power plants, operating modes, model, modeling, inverter, controller.

Современные тенденции развития электроэнергетических систем связаны с массовым внедрением новых технологий, таких как распределенная генерация на базе возобновляемых источников энергии (ВИЭ) (солнечные электростанции, ветрогенераторы и др.) [2].

Рассматривая проблемы загрязнения окружающей среды, расходы ископаемых ресурсов и централизации энергоснабжения нашей страны, необходимо отметить, что использование традиционных источников энергии и добыча ископаемых топлив экономически оправданы. Но все же исследования в области возобновляемых источников энергии показали свою эффективность. Солнечная энергетика является наиболее развитым направлением, она позволяет снизить стоимость и расход топлива децентрализованных и энергоудаленных источников электроснабжения, а также снижает долю вредного воздействия на окружающую среду традиционных источников энергии.

Любая солнечная электростанция (СЭС), в том числе и микро, состоит из одних и тех же элементов.

• Солнечные батареи. Они нужны для преобразования солнечной энергии в электрический ток. Солнечные батареи состоят из фотоэлектрических ячеек. Изменяя число ячеек, можно увеличить напряжение и мощность батареи. Солнечные батареи в свою очередь соединяются с контроллером точки максимальной мощности (MPPT);
• Аккумуляторные батареи. Один или несколько аккумуляторов необходимые для накопления электрической энергии, в то время как от солнечных батарей нет толку, то есть в темное время суток или пасмурную погоду. Именно в такое время аккумуляторы будут отдавать энергию накопленную от солнечных батарей. Емкость аккумулятора определяет время работы бытовых приборов и освещения [1];
• Инвертор. Устройство, которое преобразует постоянный в переменный с заданной частотой и напряжением. В зависимости от требований нагрузки параметры могут меняться;
• Различные соединительные элементы, контроллеры заряда-разряда батарей, провода, крепления и прочее.

Рисунок 1. Упрощенная схема СЭС

По представленной на Рисунке 1 схеме была разработана была разработана имитационная модель автономной электрической станции в среде MATLAB Simulink с использованием библиотек Simscape Electrical Specialized Power Systems. Для модели были разработаны: блок солнечных батарей, контроллер, блок аккумуляторных батарей, инвертор и нагрузка. Так же был разработан алгоритм для MPPT контроллера и алгоритм контроллера разряда-заряда батарей.

Для анализа режимов работы СЭС создана математическая модель в приложении Simulink программы MATLAB. Для моделирования переходных процессов использовалась библиотека Specialized Power Systems. Модель СЭС создана на основе аппроксимированных характеристик фотоэлектрического генератора и упрощенных математических функций, что представлено в виде блока субсистемы [3,4,5].

Рисунок 2. Схема СЭС в MATLAB Simulink

Схема, как было отмечено выше, состоит из блока солнечных панелей, преобразователя DC / DC с MPPT контроллером, блока батарей с контроллером заряда - разряда, инвертера и нагрузки.

Станция может работать в сезонном режиме, так и в круглогодичном.

Критерий для определения рационального режима работы ФЭМ находится по формуле:

𝑘рад=𝐸год/𝐸мес,                                                                          (1)

где Егод - средняя годовая сумма солнечной инсоляции на горизонтальную поверхность, кВт · ч / м2; Емес - среднемесячная сумма солнечной инсоляции на горизонтальную поверхность, минимальная течение года, кВт · ч / м2. Коэффициент kрад характеризует отношение солнечной инсоляции при наименее солнечном месяца до инсоляции за весь год, поэтому можно сказать, что если это отношение будет больше 50, то режим работы для станции необходимо выбрать сезонный, если меньше 50 - круглогодичный.

Список литературы:

1. Бут Д. А. и др. Накопители энергии – М.: Энергоатомиздат, 1991. – С. 154–227.
2. Воронин В. А. и др. О возможном пути развития ЕЭС России на базе широкого использования накопителей энергии / / Электрические станции. – 2012. – № 5. – С. 14–19.
3. Barton, J.P. Energy storage and its use with intermittent renewable energy / J.P. Barton, D.G. Infield // Transactions on energy conversion. – 2004. – № 19. – С. 441–448.
4. Gan, L.K. Hybrid wind–photovoltaic–diesel– battery system sizing tool development using empirical approach, life-cycle cost and performance analysis: A case study in Scotland [Text] / L.K. Gan, J.K.H. Shek, M.A. Mueller // Energy Conversion and Management. – 2015. – № 106. – С. 479–494.
5. Tezera, T. Evaluation of approaches used for optimization of stand-alone hybrid renewable energy systems / T. Tezera, R. Yaman, G. Yaman // Renewable and Sustainable Energy Reviews. – 2017. – № 73. – С. 840–863.