Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Анализ проблем использования ветроэнергетических установок (вэу) и их совместной работы с дизельными электростанциями (дэс) в системах автономного энергоснабжения .
1.1. Характерные особенности ВЭУ как источника энергии 12
1.2. Классификация ВЭУ 16
1.3. Системы генерирования ВЭУ 20
1.4. Особенности систем автономного энергоснабжения и совместной работы ВЭУ и источника энергии в системах автономного энергоснабжения 26
1.5. Экологическая оценка использования ВЭУ в системах автономного энергоснабжения 31
1.6. Основы электротехнической совместимости оборудования автономных систем энергоснабжения 37
1.7. Выводы по первой главе 45
ГЛАВА 2. Анализ возможности использования совместной работы вэу и дэс в системах автономного энергоснабжения .
2.1. Анализ структурных схем работы ВЭУ и ДЭС в системах автономного энергоснабжения 49
2.2. Структура САЭ с ВЭУ и дизель инерционной установкой 54
2.3. Математическая модель установки 56
2.4. Исследование системы на математической модели 61
2.5. Выводы по второй главе 80
ГЛАВА 3. Разработка оптимальной структуры и алгоритма управления системой энергоснабжения автономных объектов с ВЭУ .
3.1. Построение оптимальной структуры системы автономного энергоснабжения с ВЭУ 83
3.2. Основные требования к системе автоматического регулирования энергоснабжением
автономных объектов с ВЭУ 89
3.3. Оптимизация структуры управления за счет адаптивных свойств системы энергоснабжения автономного объекта с ВЭУ 95
3.4. Выбор алгоритмов работы системы автоматического регулирования автономного энергоснабжения 99
3.5. Выводы по третьей главе 103
ГЛАВА 4. Разработка теоретических и методических принципов управления потребителями-регуляторами автономной системы энергоснабжения с ВЭУ .
4.1. Анализ структуры энергопотребления автономного объекта и понятие потребителя-регулятора 104
4.2. Оценка аккумулирующих свойств основных типов потребителей автономного объекта 107
4.3. Разработка методики управления
потребителями-регуляторами 118
4.4. Разработка алгоритма и программы расчета режимов работы потребителей-регуляторов и общие принципы управления режимами энергопотребления 127
4.5. Выводы по четвертой главе 134
ГЛАВА 5. Методика оценки экономической эффективности использования вэу в системе энергообеспечения автономного объекта .
5.1. Технико-экономическое обоснование использования ВЭУ в системах автономного энергообеспечения 137
5.2. Общие понятия методики оценки экономической эффективности 143
5.3. Основы методики оценки экономической эффективности использования ВЭУ в системах автономного энергообеспечения 146
5.4. Расчет средней годовой стоимости электроэнергии, вырабатываемой автономным объектом с ВЭУ 157
5.5. Выводы по пятой главе 160
Заключение 162
Список литературы
- Особенности систем автономного энергоснабжения и совместной работы ВЭУ и источника энергии в системах автономного энергоснабжения
- Структура САЭ с ВЭУ и дизель инерционной установкой
- Выбор алгоритмов работы системы автоматического регулирования автономного энергоснабжения
- Разработка алгоритма и программы расчета режимов работы потребителей-регуляторов и общие принципы управления режимами энергопотребления
Введение к работе
В последние годы резко возросла проблема энергоснабжения автономных объектов. Многие районы Российской Федерации находятся в зонах, удаленных от электрических сетей, особенно на ее северных территориях. Традиционно в качестве источника энергии на таких объектах используются постоянно действующие дизельные электростанции (ДЭС) и котельные агрегаты на угле, мазуте или дизельном топливе, или только ДЭС. Общее тяжелое экономическое положение и рост цен на топливо приводит к его острому дефициту, что является следствием недостаточного снабжения потребителей автономных объектов.
В настоящее время в зонах децентрализованного энергоснабжения находятся более 7000 населенных пунктов России [14]. В том числе на Европейский севере: Мурманская область, Архангельская область, Республика Коми - около 2,8 тыс. (установленная мощность -1200МВт).
Север Восточной и Западной Сибири: Тюменская область, Красноярский край, а так же Алтайский край и Омская область - около 1 тыс. (установленная мощн ость -740МВт).
Дальневосточный Север: Магаданская область, Камчатская область, Якутия, Чукотка - 3 тыс. (установленная мощность -1400МВт).
Обеспечение децентрализованных районов топливом во многом осложняется отсутствием развитой транспортной сети. Его доставка морским путем в северные регионы возможна только в короткие периоды навигации. В результате транспортных расходов цена жидкого топлива в несколько раз превышает его начальную стоимость. На многих объектах существующие ДЭС выработали свой ресурс и нуждаются в замене.
Наличие резкопеременных графиков потребления энергии на автономных объектах приводит к завышению числа и установленной мощности источников электрической и тепловой энергии и, соответственно, к существенному
перерасходу топлива и неоправданным капитальным и эксплуатационным затратам. Кроме того, в процессе эксплуатации систем автономного энергоснабжения возникает целый ряд проблем, связанный с обеспечением нормального функционирования дизельных электроустановок и котлоагрегатов на долевых нагрузках, что приводит к ускоренному износу оборудования и к необходимости их преждевременной замены.
Автономные источники энергии на жидком и твердом топливе оказывают неблагоприятное воздействие на окружающую среду, выбрасывая в атмосферу отработавшие газы. Экологическая обстановка осложняется трудностями утилизации пустой тары из-под топлива и его утечками во время транспортировки и хранения.
Все это приводит к необходимости искать альтернативные пути энергообеспечения автономных объектов.
В настоящее время все более пристальное внимание отводится на возможность использования возобновляемых источников энергии [12,41,55]. Места расположения автономных объектов характеризуются, как правило, наличием ветро- и гидро- ресурсов. Наиболее перспективным направлением в области автономного энергоснабжения с использованием возобновляемой энергии в ветроактивных районах Российской Федерации является применение ветроэнергетических установок (ВЭУ). Такие регионы, как Крайний Север, Сибирь, Дальний Восток обладают существенными ветровыми ресурсами, и очевидно, что их можно использовать [87]. Существует большое количество трудов по исследованию характеристик ветроэнергетических установок и их работы параллельно с большими системами [67,91,100]. Однако, отсутствие до настоящего времени методов и средств управления ВЭУ и ДЭС с учетом специфики процессов электро- и теплопотребления в автономных системах приводит к задержке и не эффективности использования в них ВЭУ. Необходим общий анализ структур энергопотребления автономных объектов и анализ использования ВЭУ для выработки электроэнергии параллельно с ДЭС,
7 либо самостоятельно. Известно, что при больших изменениях в графике электрической нагрузки, характерных для автономных объектов, ВЭУ неэффективно работает совместно с ДЭС. Если ВЭУ единственный источник электроснабжения, то нужны очень сложные и дорогие ВЭУ и системы стабилизации качества электрической энергии. В результате сегодня системы автономного энергоснабжения с ВЭУ получаются неоправданно дорогими и их использование экономически невыгодно.
Энерготехнологический аудит объектов на севере показывает, что до 80% вырабатываемой энергии расходуется на нужды теплоснабжения автономного объекта [1,89]. При этом, использование ВЭУ преимущественно для получения тепловой энергии позволяет упростить конструкцию ВЭУ, значительно снизив ее стоимость. При использовании ветроагрегатов для теплоснабжения, их можно подключать непосредственно к электрокотлам, установленным для подогрева воды в теплосети, так как частота и амплитуда генерируемого напряжения в этом случае не имеет большого значения. ВЭУ могут быть изготовлены в упрощенных вариантах: с простейшими системами стабилизации скорости вращения ротора, без систем синхронизации с электросетью, без ряда соответствующих защит и пр. Возможно использование синхронных генераторов с постоянными магнитами [6].
Так как ветер является мало концентрированным источником энергии, интенсивность которого изменяется во времени и заранее не может быть достаточно точно предсказана, важным условием использования ВЭУ является возможность аккумулирования выработанной энергии. Химические накопители электрической энергии являются дорогостоящими устройствами [24]. По этой причине использование аккумулирующей способности потребителей автономного объекта является одним из основных путей для снижения общей стоимости системы энергоснабжения автономного объекта. Системы отопления с жидким теплоносителем позволяют легко аккумулировать тепловую энергию. При этом можно добиться эффективного использования ВЭУ в автономных
8 системах энергообеспечения с минимальным количеством специальных аккумулирующих устройств (химических источников тока).
Из вышесказанного следует, что для создания эффективных систем автономного энергоснабжения (САЭ) с ВЭУ необходимо провести анализ всех факторов, характерных для автономных объектов, их особенностей, структуры, состава потребителей электрической и тепловой энергии. Следует провести анализ режимов работы ВЭУ в составе системы энергообеспечения автономного объекта. На основании изученного необходимо разработать методические основы проектирования САЭ с ВЭУ. Наиболее важные из них следующие:
Методика экономического обоснования целесообразности применения ВЭУ в автономных системах энергоснабжения.
Методика обеспечения оптимальной работы ВЭУ за счет управления режимами энергопотребления автономного объекта.
Рекомендации по синтезу структур систем автономного энергоснабжения с ВЭУ.
Рекомендации по синтезу структур и алгоритмов функционирования систем автоматического управления САЭ с ВЭУ.
Такая методическая база позволит объективно оценивать возможность и целесообразность применения ВЭУ в САЭ, оптимизировать структуры САЭ с ВЭУ, имеющие минимальный срок окупаемости.
Целью диссертационной работы является создание общей методики проектирования систем автономного энергообеспечения с ВЭУ и ДЭС, обеспечивающей их наиболее эффективное использование в составе системы автономного энергоснабжения. В соответствии с поставленной целью в диссертационной работе решаются следующие задачи: 1. В области анализа и теоретических исследований:
Анализ вариантов структурных схем САЭ с ВЭУ и ДЭС на предмет их
возможности и технической целесообразности применения.
Разработка математических моделей САЭ с ВЭУ и ДЭС.
Исследование на математической модели работоспособности САЭ с ВЭУ и ДЭС при их совместной работе.
Разработка математических моделей САЭ для управления нагрузками.
2. В области методической:
создание методики экономического обоснования целесообразности применения ВЭУ в автономных системах энергоснабжения.
создание методики обеспечения оптимальной работы ВЭУ за счет управления режимами энергопотребления автономного объекта.
определение методических основ проектирования системы автоматического регулирования САЭ с ВЭУ и ДЭС.
3. В области практической реализации:
Разработка типовых структур энергообеспечения автономных объектов от ВЭУ и ДЭС.
Разработка структуры алгоритмов управления САЭ с ВЭУ и ДЭС.
Разработка рекомендаций по проектированию САЭ с ВЭУ и ДЭС. Методика выполнения исследований. Для исследования совместной
работы ВЭУ и ДЭС в САЭ использовался метод математического моделирования на ЭВМ переходных процессов на основе системы уравнений Парка-Горева.
Для исследования путей обеспечения оптимальной нагрузки ВЭУ в САЭ использовался метод системного анализа и математического моделирования на ЭВМ режимов работы потребителей автономного объекта, а так же метод линейного программирования с направленным перебором вариантов.
Для доказательства отдельных положений использовались результаты натурных исследований математического моделирования.
Научная новизна. Создана общая методика проектирования систем автономного энергообеспечения с ветроэнергетическими установками.
Разработана математическая модель совместной работы ВЭУ и ДЭС с
10 генератором, маховиком и разобщающей муфтой.
Обоснованы новые принципы использования ветроэнергетических установок в системах автономного энергоснабжения, позволяющие упростить конструкцию и снизить общую стоимость системы энергообеспечения.
Разработаны математические модели оптимального управления потребителями автономного объекта. На их базе создана методика, алгоритм и программное обеспечение для ЭВМ, позволяющее проводить широкий спектр расчетов режимов работы потребителей автономного объекта.
Разработана структура и алгоритмы системы автоматического регулирования и даны рекомендации по ее практическому внедрению.
Создана методика технико-экономической оценки целесообразности применения ВЭУ в системе энергообеспечения автономного объекта.
Практическая ценность и внедрение результатов работы. Разработанная структура системы энергообеспечения может быть реально воплощена с минимальными затратами как при строительстве новых, так и при частичной замене оборудования на существующих автономных объектах.
Созданная программа расчетов на ЭВМ режимов работы потребителей для обеспечения оптимальной работы ВЭУ в системе автономного энергоснабжения позволяет, при наличии соответствующей аппаратной части, организовать оптимальное управление потребителями, участвующими в технологическом процессе реального автономного объекта. При этом, используя данные краткосрочного прогноза ветровой активности для места расположения автономного объекта, можно заранее прогнозировать оптимальную нагрузку на ВЭУ. Разработанная структура и алгоритмы функционирования системы автоматического регулирования позволяют максимально использовать установленную мощность ВЭУ, ДЭС и обеспечить их наиболее эффективную работу в составе САЭ.
Апробация работы. Результаты работы докладывались на VI Всероссийской конференции по проблемам науки и высшей школы
"Фундаментальные исследования в технических университетах" (Санкт-Петербург, 2002), Первой Европейской конференции по проблемам центров возобновляемой энергии (Хуруп (Дания), 2001), VI Международном молодежном научном форуме стран Балтийского региона "Экобалтика 2002" (Санкт-Петербург, 2002), Всероссийской научно-технической конференции "Энергетическая безопасность и малая энергетика. XXI век" (Санкт-Петербург, 2002), V Санкт-Петербургской ассамблеи молодых ученых и специалистов: "Технические науки - предприятиям региона" (Санкт-Петербург, 2000), Международной научно-практической конференции: "Постсоветское градостроительство, проблемы и перспективы" (Санкт-Петербург, 2001), Втором Политехническом симпозиуме: "Молодые ученые - промышленности Северо-Западного региона" (Санкт-Петербург, 2002).
Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 7 печатных работ.
Объем работы. Диссертационная работа изложена на 176 страницах машинописного текста, иллюстрируется рисунками и таблицами на 27 страницах, состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы из 102 источников.
Особенности систем автономного энергоснабжения и совместной работы ВЭУ и источника энергии в системах автономного энергоснабжения
Также существует ряд принципиальных недостатков, присущих всем синхронным генераторам, вне зависимости от типа, которые усложняют их использование в ВЭУ [63]: - сложность технической реализации процесса синхронизации с сетью, требующего обеспечения входа ветроколеса в заданный диапазон около синхронной частоты вращения в условиях меняющейся скорости ветра; склонность к колебаниям и качаниям вследствие возмущений со стороны нагрузки или со стороны ветроколеса, которые могут привести к "выпадению" генератора из синхронизма и "раскачиванию" параллельно работающих генераторов с последующим "развалом" системы; более сложная конструкция, и, соответственно, более высокая стоимость, чем у асинхронных генераторов, вследствие более сложной конструкции ротора, наличия узла скользящего токосъема, вспомогательного генератора-возбудителя и т. п.
В зависимости от типа (исполнения) СГ их свойства проявляются в различной мере. Основные типы СГ, наиболее часто применяемых в системах генерирования ВЭУ: генераторы с узлом скользящего токосъема (контактные кольца и щетки) и бесконтактные (бесщеточные). Они могут иметь систему самовозбуждения или независимого возбуждения.
Для включения генератора в сеть методом «точной синхронизации или для подачи напряжения возбуждения при методе «самосинхронизации» необходимо его разогнать до скорости, близкой к номинальной, где могут быть обеспечены условия втягивания машины в синхронизм. С этой целью могут быть применены следующие методы [29]:
Разгон с помощью ветроколеса; Разгон с помощью вспомогательного двигателя;
- Асинхронный пуск за счет собственного асинхронного момента. Для этого ротор генератора должен быть снабжен достаточно мощной продольно-поперечной демпферной обмоткой; в случае, если условия пуска оказываются тяжелыми (температура демпферной обмотки превышает допустимый предел 250 С или недостаточна мощность сети), то пуск можно осуществить при пониженном напряжении сети (с помощью включения реактора, использования автотрансформатора, тиристорных пусковых устройств), однако при этом существенно уменьшается асинхронный момент и пуск затягивается;
- Частотный пуск, осуществляемый при помощи статического преобразователя частоты при регулировании частоты на его выходе от 0 до номинальной (50 Гц); с этой целью необходимо иметь преобразователь достаточной мощности, обеспечивающий изменение напряжения пропорционально частоте и ток, соответствующий требуемому значению пускового момента;
Комбинированный пуск, при котором в любом из методов 2-4 используется момент, развиваемый ветроколесом.
Для обеспечения высокого уровня статической и динамической устойчивости могут применяться системы продольно-поперечного возбуждения [86]. В таких системах на роторе размещаются две одинаковые или различные обмотки возбуждения, питаемые постоянным током. Повышение устойчивости, а также активное демпфирование качаний достигаются здесь за счет раздельного управления электромагнитным моментом и напряжением генератора. Возможность замыкания роторных обмоток накоротко позволяет обеспечить работу генератора в асинхронном режиме при отказах в системе возбуждения, а также существенно упрощает процессы пуска и синхронизации генератора. Как показывают расчеты [68], генераторы продольно-поперечного возбуждения способны обеспечить также хорошее качество переходных процессов, демпфирование колебаний при наличии упругих распределенных масс на валу.
Для ВЭУ меньшей мощности (менее 500 кВт) могут применяться специальные бесщеточные генераторы: синхронные с когтеобразными полюсами, индукторные и синхронные с постоянными магнитами [13, 60]. В генераторах с когтеобразными полюсами также как и в индукторных генераторах, трехфазная обмотка и обмотка возбуждения размещаются на статоре. Управление возбуждением осуществляется с помощью управляемого выпрямителя и регулятора. Генераторы с когтеобразными полюсами большей мощности выполняются с возбудителем, вращающимися выпрямителями и обмоткой возбуждения на роторе. Обычно такие генераторы имеют более высокую частоту выходного напряжения (200, 300, 400, 800 Гц) и используются в системах с преобразователем частоты. Основные недостатки обоих типов генераторов: - худшие массогабаритные показатели (двойное преобразование магнитного поля); высокие индуктивности рассеяния (снижают быстродействие управления возбуждением);
В СГ с постоянными магнитами возбудитель не требуется; благодаря отсутствию потерь на возбуждение и в токосъеме они имеют высокие КПД, надежность и практически не нуждаются в обслуживании. Для обеспечения асинхронного пуска генераторы такого типа снабжаются короткозамкнутыми пусковыми обмотками; мощность может достигать десятков и даже сотен кВт. Основные недостатки [6]:
Структура САЭ с ВЭУ и дизель инерционной установкой
В настоящей работе рассматривается идея новой структуры, за основу которой взята серийно выпускаемая дизель-инерционная установка гарантированного питания (ДИУГП) в составе дизель - разобщающая муфта (РМ) - маховик (М) - синхронный генератор (СГ). Принципиальная схема такой системы автономного энергоснабжения изображена на рис. 8. Установка состоит из ветрогенератора переменного тока (СМ-1), подающего электроэнергию на распределительный щит (РЩ), к которому подсоединяется нагрузка (Н) и обратимый синхронный генератор-двигатель (СМ-2) с маховиком большой массы. Последний механически с помощью управляемой РМ связывается с дизелем. Синхронные генераторы снабжены автоматическими регуляторами напряжения (АРН), дизель (Д) имеет автоматический регулятор частоты вращения (АРЧ). Соотношение мощностей kr=Sr /Sr находится в пределах 0,65-0,75. Нагрузка (Н) - статическая (освещение, тепло) с cos ф =0,8.
В САЭ с ВЭУ и ДЭС данной структуры СГ ДИУГП включается параллельно с синхронным генератором ВЭУ и за счет инерционного маховика при разобщенной муфте демпфирует колебания активной и реактивной мощности в системе. При превышении энергии от ВЭУ над нагрузкой автономного объекта подключается балластная нагрузка, а переходный режим демпфируется маховиком. При недостатке энергии ветра запускается дизель и
включается разобщающая муфта. Установка предназначается для снабжения потребителей электроэнергией требуемого качества при минимальном расходе моторесурса ДЭС и топлива. Поэтому основным режимом работы является автономная работа ВЭУ с подключенной постоянной нагрузкой, соответствующей мощности ветрогенератора и СМ-2, работающим в режиме двигателя при разомкнутой муфте (СМ). Дизель в основном режиме находится в состоянии покоя. ДЭС запускается автоматически лишь во вспомогательном режиме при резком снижении скорости ветра или непредвиденном увеличении нагрузки.
Исследование режимов работы установки и ее возможностей проводилось на математической модели, реализованной на ПЭВМ. Состав модели соответствует вышеописанной принципиальной схеме.
Для моделирования синхронных машин в качестве исходных используются уравнения Горева-Парка в собственных осях d и q. В относительных единицах (собственных) эти уравнения имеют следующий вид [63]: где: U(j, Uq - составляющие изображающего вектора напряжения статора синхронного генератора по осям d и q; id iq составляющие изображающего вектора тока статора синхронного генератора по осям d и q; Uf, if - напряжение и ток обмотки возбуждения синхронной машины; ird irq _ токи демпферных обмоток по продольной и поперечной оси; со - сос S = - скольжение ротора относительно синхронной скорости; сос тэ = id д - iq 4 - электромагнитный момент машины; тв - вращающий момент в режиме генератора и момент сопротивления в режиме двигателя; d q составляющие потокосцепления статора по осям d и q; f, Г(1, rq" потокосцепления обмотки возбуждения, продольной и поперечной составляющей демпферных обмоток; га - активное сопротивление обмотки статора; rrd rrq активные сопротивления демпферных обмоток; Tf, Trd, Trq - постоянные времени цепи возбуждения и демпферных обмоток по продольной и поперечной осям; т і »3 1 j = J механическая инерционная постоянная агрегата; Xd, Xq - реактивности статора по продольной и поперечной осям; Xad, Xaq - реактивности самоиндукции статора по продольной и поперечной осям; Xrd, Xrq - полные реактивности демпферных обмоток по осям d и q .
Согласно описанному в [7] методу структурного моделирования, СМ-1 представляется ведущим генератором с его основной особенностью - неучетом апериодических составляющих тока в статорной цепи. В математической модели ведущей СМ-1 учтено насыщение магнитопровода.
Модель СМ-2 строится по полным уравнениям с учетом апериодических составляющих тока в статорной цепи и учетом насыщения магнитной цепи машины.
Автоматические регуляторы напряжения СМ-1 и СМ-2 представляются математическими моделями регуляторов статического типа прямого компаундирования с коррекцией напряжения по уравнениям следующего вида: uf = Ku Uq + Kj Xd id - iy (2.3) Tk-- = -iy+Kk{(U-Uo) + Ke-Aip; dt при Uf Uf , Uf - Uf ; max max при iy 0 , iy=0 ; при iy 1,5 , iy= 1,5; где: UQ- значение опорного (эталонного) напряжения; Aip- характеристика устройства распределения реактивной нагрузки между синхронными машинами; iy- ток корректора; К - коэффициент усиления обмотки магнитного усилителя корректирующего устройства; \- постоянная времени обмотки магнитного усилителя корректирующего устройства; Ке- коэффициент усиления в цепи выравнивания реактивных нагрузок.
Поскольку ветродвигатель не имеет механизма поворота лопастей (работает с постоянным углом атаки), его момент жестко связан со скоростью ветра аэродинамическими свойствами колеса, которые выражаются нелинейной функцией mi=f(VB). Поэтому модуль ветродвигателя представляется его моментом щ, изменяемым в процессе исследований произвольно в соответствии с решаемой задачей.
Модель дизеля строится при допущении, что вращающий момент дизеля ІЇІ2 пропорционален положению регулирующего органа, изменяющего количество поступающего дизельного топлива в цилиндры. Поэтому для моделирования дизеля используется упрощенная модель автоматического регулятора частоты вращения следующего вида [7,28]:
Выбор алгоритмов работы системы автоматического регулирования автономного энергоснабжения
Анализ структуры и задач системы управления энергоснабжением автономных объектов показывает, что в ней могут быть применены следующие виды алгоритмов управления: стабилизирующий, идентификационный и прямой алгоритм адаптивного управления [36,74].
Применение стабилизирующего алгоритма целесообразно для автономных объектов, на которых процессы энергопотребления более или менее стационарны, т. е. изменение тепловой и электрической нагрузки по отношению к базисной не превышают 10-20 %. К таким объектам можно отнести небольшие населенные пункты, расположенные на Крайнем Севере, где тепловая энергия потребляется круглый год. Действием регулятора, работающего по стабилизирующему алгоритму, обеспечивается поддержание момента на валу ВЭУ при изменении ветра за счет снижения или увеличения тепловой нагрузки электробойлера. Если ветровой энергии недостаточно, то систему теплоснабжения переводят на традиционный источник тепловой энергии (котел). Стабилизирующий алгоритм управления может быть реализован с помощью несложного интегрального регулятора [70].
При использовании идентификационного алгоритма необходимо на основании исследования объекта управления построить модель объекта, провести ее оптимизацию и создать эталонную модель. Алгоритм построен на сравнении параметров эталонной модели с реальным состоянием объекта и выработке управляющих воздействий для минимизации различия между ними [38]. Идентификационный алгоритм необходимо применять там, где есть возможность составить эталонную модель объекта. Это чаще всего необслуживаемые автономные объекты или объекты с небольшим количеством персонала, жизнедеятельность которого не вносит существенных погрешностей в работу заложенной модели. Чем больший процент вырабатываемой энергии будет тратиться на жизнеобеспечение обслуживающего персонала, тем больше случайные факторы энергопотребления на обеспечение жизнедеятельности будут нарушать сложившийся энергетический баланс. При превышении допустимой погрешности необходимо перейти к другому виду алгоритма управления.
На автономных объектах, для которых характерны существенные колебания тепловой и электрической нагрузки, где базисная составляющая энергопотребления не превышает 50 % от максимального значения, система управления должна строиться на основе прямого алгоритма адаптивного управления. В сформированную модель вносятся коррективы непосредственно на основании текущих внешних воздействий на объект. Прямой алгоритм является самым универсальным и его можно применять для систем автоматического регулирования автономных объектов любого класса [37]. Однако прямой алгоритм адаптивного управления достаточно сложен в реализации и требует существенных материальных затрат. Стабилизирующий и идентификационный алгоритмы являются частными случаями прямого алгоритма.
Система автоматического регулирования должна иметь иерархическую структуру блочного типа для упрощения процедуры перехода от прямого алгоритма адаптивного управления к другим видам алгоритмов и включать в себя блоки: ввода и обработки исходных данных, обработки текущей информации, идентификации и вычисления управляющих воздействий, самонастройки (вычисления критериев качества регулирования), формирования управляющих воздействий, корректировки межрегуляторных связей (адаптер) [85].
Для прямого алгоритма управления основным является блок самонастройки (вычисления критериев качества регулирования). Этот блок в общем виде состоит из эталонной модели объекта управления, подпрограммы самонастройки параметров и подпрограммы вычисления параметров качества регулирования [52,66].
Если используется стабилизирующий алгоритм управления, то параметры качества регулирования (точность регулирования энергопотребления и точность измерения текущих значений параметров) задаются. В случае использования идентификационного алгоритма параметры качества регулирования берутся из эталонной модели. При использовании прямого алгоритма параметры качества регулирования каждый раз самонастраиваются.
Для перехода от прямого алгоритма адаптивного управления к стабилизирующему необходимо исключить блок самонастройки алгоритма, ввести критерии оптимальности и задать параметры качества регулирования (точность регулирования энергопотребления и измерения текущих значений параметров). При переходе к идентификационному алгоритму управления параметры качества регулирования, как уже отмечалось выше, получаются из эталонной модели, на основе которой будет производиться вычисление погрешности и организовано управление.
На рис.20, представлена обобщенная структура алгоритма управления системы автоматического регулирования [62]. Через аналого-цифровые преобразователи АЦП на входы блоков №1 - ввода и обработки исходных данных программно-стабилизирующих регуляторов ВЭУ, ЭК и ТК - поступает информация от датчиков текущих значений параметров объекта, источников энергии и окружающей среды.
Разработка алгоритма и программы расчета режимов работы потребителей-регуляторов и общие принципы управления режимами энергопотребления
Для упрощения разработки алгоритма расчета режима работы потребителей-регуляторов систему, состоящую из і потребителей, можно представить как модель М, состоящую из набора сечений Sn. Сечения в свою очередь состоят из набора ветвей an m, где п - номер сечения, am- номер ветви. Каждая из ветвей сечения изначально представляет собой одного потребителя автономного объекта. Ветвь характеризуется параметрами: длиной 1пти емкостью pnm. Длине ветви соответствует продолжительность работы потребителя-регулятора, а емкости - его номинальная мощность.
Каждое сечение, как и ветвь, характеризуется длиной Ln и емкостью Pn. Длина сечения соответствует ветви с максимальной длиной, а емкость - сумме емкостей ветвей, входящих в данное сечение.
Модель М также характеризует длина Л и емкость П. Длина модели равна сумме длин, а емкость - максимальной емкости сечений.
При составлении модели М необходимо соблюдать следующие правила ее построения [102]: 1. Множество сечений располагается только последовательно. Ни одно сечение не может располагаться параллельно другому сечению. 2. Множество ветвей внутри каждого сечения располагается параллельно или последовательно друг к другу. Однако ветвь, определяющая длину сечения, может включать в себя только одного потребителя. 3. Часть ветви может быть перенесена в другое сечение, если при этом длина и емкость последнего останется неизменной.
На рис. 21. изображен пример графического представления модели автономного объекта, состоящего из 10 потребителей.
Для реализации этого метода необходимо распределить протебителей-регуляторов по сечениям. Первоначально все потребители, участвующие в регулировании, сортируются по номинальной мощности Рд0М по убыванию.
Затем организуется первое сечение. Потребитель с максимальной мощностью заносится в качестве первой ветви, и происходит расчет параметров (длины и емкости) сечения. Далее анализируется разница между текущей емкостью сечения Рп и требуемым значением мощности системы Р3 + АР, где АР допустимое отклонение мощности системы от заданной Р3 . Если, Рп Р3 + АР, то производится поиск и занесение в сечение потребителя с мощностью, максимально близкой к этой разнице (Р3 -Рп)- Если такой потребитель не найден, то первое сечение считается сформированным. Далее осуществляется организация второго сечения и происходит его заполнение до емкости соответствующей требуемой мощности системы. Процесс повторяется до тех пор, пока все потребители, участвующие в регулировании, не будут распределены по сечениям. На основании длин и емкостей сечений определяется длина и емкость модели. Далее по формулам (4.22) определяются параметры рабочего цикла tl,, tjj и іц, каждого потребителя-регулятора. Выбирается потребитель с минимальным рабочим циклом. Если интервал его рабочего цикла не нарушает ограничения по частоте включений (4.26), то это время принимается за заданное время рабочего цикла системы t3. После этого анализируется длина модели Л и общее время цикла системы. Если Л t3, то необходимо осуществить преобразование модели. В представлении данного метода задача преобразования модели будет заключаться в выборе из множества вариантов расположения ветвей an m по сечениям Sn того, при котором длина Л не превышает t3 при обеспечении требуемой емкости П. При этом допускается разбиение ветвей на подветви. Возможны следующие основные способы преобразования модели [102]:
1. Последовательная перестановка ветвей с максимальными длинами с ветвями, меньшими по длине, из других сечений. Для реализации этого метода внутри каждого сечения ветви сортируются по длине. В свою очередь сечения сортируются по длине внутри модели. Таким образом, первым элементом сечения всегда соответствует ветвь с максимальной длиной, а первым сечением модели является сечение с максимальной длиной. Далее попарно сравниваются элементы двух соседних сечений и в случае возможности уменьшения длины сечения при соизмеримых значениях емкостей ветви меняются местами.
2. Разбиение ветви сечения с максимальной длиной на подветви с последующим переносом одной из подветвей в другое сечение. При этом необходимо, чтобы длина новой подветви не превышала длины сечения, в которое дополнительно вводится данная подветвъ.
