Способ управления гибридной электростанцией
HYBRID POWER PLANT CONTROL METHOD

Изобретение относится к области электроэнергетики и может быть использовано при управлении автономными гибридными электростанциями, содержащими в своем составе несколько возобновляемых источников энергии (ВИЭ) (например, ветер и морские волны), а также дизель-генераторную установку (ДГУ) переменной частоты вращения и аккумуляторную батарею (АКБ) в качестве накопителя электроэнергии.
Известен способ управления дизельной электростанцией, в соответствии с которым прогнозируемая мощность нагрузки дизельной электростанции определяется блоком прогнозирования по заданной линейной зависимости и на основании измеренной температуры окружающей среды [Лукутин, Б.В. Способы снижения расхода топлива дизельных электростанций / Б.В. Лукутин, Е.Б. Шандарова // Современные проблемы науки и образования. - 2013. - №2. - с. 139.]. Недостатком данного способа является то, что он не учитывает текущее значение мощности нагрузки дизельной электростанции, что снижает реакцию системы управления на изменение ее значения. Также при данном способе управления в зависимости от прогнозируемой мощности нагрузки изменяется количество включенных в работу дизель-генераторов в соответствии с критерием оптимальных удельных расходов топлива. При этом не осуществляется регулирование частоты вращения ни одного из дизель-генераторов в функции мощности нагрузки, т.е. не обеспечивается оптимальный с точки зрения потребления топлива режим работы дизелей.
Наиболее близким по техническому решению является способ управления гибридной электростанцией, заключающийся в том, что на основе получаемых из внешнего источника прогнозных метеорологических данных блок прогнозирования рассчитывает прогнозируемую мощность вырабатываемой электроэнергии ВИЭ, а также с использованием данных от измерителя мощности в электрической сети - прогнозируемое потребление электроэнергии. При возникновении в сети дефицита активной мощности, а также при превышении оптимального уровня загрузки работающих дизелей ДГУ контроллер на основе информации об уровне заряда аккумуляторных батарей оценивает целесообразность подключения очередной ДГУ [Пат. на изобретение 2726943, Российская Федерация, МПК H02J 9/08. Способ снижения расхода топлива дизель-генераторными установками в гибридной электростанции с возобновляемыми источниками энергии / А.Ю. Лаврик, Ю.Л. Жуковский - №2020100842; заявл. 09.01.2020; опубл. 17.07.2011, Бюл. №20]. Недостаток данного способа заключается в отсутствии регулирования частоты вращения ДГУ гибридной электростанции в функции мощности нагрузки, а также в отсутствии корректировки алгоритмов управления на основе данных о метеорологических параметрах.
Решаемая задача - разработка способа управления гибридной электростанцией, обеспечивающего максимальную экономию топлива, потребляемого ДГУ.
Техническим результатом предлагаемого способа управления является обеспечение наиболее оптимального с точки зрения потребления топлива режима работы ДГУ в составе гибридной электростанции.
Этот технический результат достигается за счет того, что в способе управления гибридной электростанцией, содержащей ветровой и волновой каналы генерирования электроэнергии, канал дизель-генераторной установки, аккумуляторную батарею, соединенные с блоком коммутации, к которому подключены последовательно соединенные инвертор напряжения и трансформатор, частота вращения вала дизель-генераторной установки изменяется в зависимости от выходной мощности ветрового и волнового каналов и мощности нагрузки гибридной электростанции, на основании текущей и статистической информации о скорости ветра, температуре окружающего воздуха, выходной мощности каналов генерирования электроэнергии, мощности нагрузки гибридной электростанции осуществляется определение прогнозной мощности нагрузки в соответствии с алгоритмом поиска по дереву методом Монте-Карло, на основании прогнозной выходной мощности дизель-генераторной установки, определяемой как разность прогнозной мощности нагрузки и прогнозной выходной мощности ветрового и волнового каналов, в соответствии с многопараметровой характеристикой двигателя внутреннего сгорания определяется оптимальная с точки зрения расхода топлива частота вращения вала дизель-генераторной установки.
Режим работы гибридной электростанции адаптируется к изменяющимся условиям окружающей среды путем постоянного обновления статистических данных о метеорологических параметрах и мощности нагрузки, а также регулированием частоты вращения ДГУ в зависимости от мощности нагрузки.
На фиг. 1 представлена структурная схема гибридной электростанции. В состав гибридной электростанции входят три канала генерирования электроэнергии: ветровой, состоящий из последовательного соединенных ветрогенератора 1 и выпрямительного устройства 2, волновой, состоящий из последовательно соединенных волнового генератора 3 и выпрямительного устройства 4, канал ДГУ переменной частоты вращения, состоящий из последовательно соединенных двигателя внутреннего сгорания (ДВС) 5, синхронного генератора 6, выпрямительного устройства 7. К ДВС 5 подключен выход системы управления частотой вращения 8. Также в состав гибридной электростанции входит канал аккумулирования электроэнергии, включающий в свой состав последовательно соединенные блок 9 АКБ и зарядное устройство 10 АКБ. Выходы выпрямительных устройств 2, 4, 7 и зарядное устройство 10 соединены с блоком 11 коммутации. К блоку 11 подключены последовательно соединенные инвертор напряжения 12, блок 13 датчиков напряжения и тока, трансформатор 14, соединенный с электрической сетью.
К выходу выпрямительного устройства 2 подключены датчики 15 и 16 напряжения и тока, к выходу выпрямительного устройства 4 подключены датчики 17 и 18 напряжения и тока, к выходу выпрямительного устройства 7 подключены датчики 19 и 20 напряжения и тока. Выходы датчиков 15-20 подключены к блоку 21 вычисления мощности, с которым также соединен выход блока 13.
К выходу блока 22 приема метеоданных подключен блок 23 накопления, соединенный с блоком 24 статистического анализа данных, выход которого соединен с контроллером управления электростанцией 25. Выходы контроллера управления электростанцией 25 соединены с блоком 11 коммутации и блоком 26 коррекции весовых коэффициентов нейросети, который соединен с блоком 27 коэффициентов нейросети. Выход блока 27 соединен с контроллером управления электростанцией 25. Выход контроллера управления электростанцией 25 подключен к системе управления частотой вращения 8 ДВС.
Управление работой гибридной электростанцией осуществляется следующим образом.
Выходное переменное напряжение синхронного генератора 6, приводимого во вращение ДВС 5, преобразуется в постоянное стабилизированное напряжение с помощью выпрямительного устройства 7. В качестве верогенератора 1 и волнового генератора 3 применяются электрические машины переменного тока. Выходное переменное напряжение ветрогенератора 1 и волнового генератора 3 преобразуется в постоянное стабилизированное, соответственно, с помощью выпрямительных устройств 2 и 4.
Блок 21 вычисления мощности на основании данных с блока 13 датчиков и датчиков 15-20 определяет текущие значения выходных мощностей трех каналов генерирования электроэнергии и мощности нагрузки гибридной электростанции, которые сохраняются в блоке 23 данных.
На блок 22 приема метеоданных из внешней по отношению к гибридной электростанции среды поступают данные о текущей скорости ветра и температуре окружающего воздуха, которые также сохраняются в блоке 23.
На основании текущей и статистической информации о метеоданных, выходной мощности каналов генерирования, мощности нагрузки электростанции, сохраняемых в блоке 23, блок 24 статистического анализа данных производит определение прогнозной мощности нагрузки гибридной электростанции, значение которой передает в контроллер управления электростанцией 25.
Блок 27 коэффициентов нейросети представляет собой многослойную нейронную сеть, которая обладает способностью накапливать дискретные значения прогнозной мощности нагрузки гибридной электростанции для соответствующих дискретных значений скорости ветра и температуры окружающего воздуха.
Кроме того, блок 27 коэффициентов нейросети для отсутствующих в памяти дискрет скорости ветра и температуры окружающего воздуха на основе методов ассоциации и интерполяции в пределах диапазона "обучения" может генерировать прогнозные значения мощности нагрузки гибридной электростанции.
Контроллер управления электростанцией 25 сравнивает текущие и прогнозные значения выходных мощностей каналов генерирования электроэнергии и мощности нагрузки электростанции. Если отклонения между текущими и прогнозными значениями превышают допустимые значения, блок 26 коррекции весовых коэффициентов нейросети корректирует коэффициенты нейросети, хранящиеся в блоке 27 коэффициентов нейросети, в соответствии с алгоритмом поиска по дереву методом Монте-Карло [Саттон, Р.С. Обучение с подкреплением: Введение / Р.С. Саттон, Э.Д. Барто - М.: ДМК Пресс, 2020. - 552 с.].
Блок 25 в соответствии с текущими значениями отклонений мощности нагрузки гибридной электростанции и выходными мощностями каналов генерирования электроэнергии принимает решение о необходимости подключения или отключения канала ДГУ переменной частоты вращения или канала аккумулирования электроэнергии, состоящего из блока 9 АКБ и зарядного устройства 10 АКБ.
При этом блок 25 формирует команды на переключение ключей в блоке коммутации 11, который подключает каналы генерирования электроэнергии к инвертору напряжения 12. Инвертор напряжения 12 преобразует постоянное напряжение на выходе блока коммутации в переменное. Трансформатор 14 согласует амплитуду выходного синусоидального напряжения инвертора 12 с амплитудой напряжения электрической сети.
Контроллер управления электростанцией 25 рассчитывает прогнозную выходную мощность ДГУ как разность прогнозной мощности нагрузки и прогнозной выходной мощности ветрового и волнового каналов.
На основании прогнозной выходной мощности ДГУ в соответствии с заложенной в контроллер управления электростанцией 25 многопараметровой характеристикой ДВС определяется оптимальная с точки зрения потребления топлива частота вращения вала ДГУ, значение которой передается на вход системы управления частотой вращения 8 ДВС 5.
Компенсация кратковременных провалов напряжения, возникающих при набросе нагрузки, а также стабилизация постоянного напряжения на входе инвертора напряжения 12 осуществляется с помощью блока 9 АКБ.