TECHNICAL SCIENCES
Approaches to the modeling of autonomous electrical systems
with wind turbine 1 2 Kovalev V. , Arkhipova O. (Russian Federation)
Подходы к моделированию автономных электротехнических комплексов с ветроэнергетическими установками Ковалев В. З.1, Архипова О. В.2 (Российская Федерация)
1Ковалев Владимир Захарович /Kovalev Vladimir - доктор технических наук, профессор,
заведующий кафедрой;
2Архипова Ольга Владимировна / Arkhipova Olga - доцент, кафедра энергетики, Институт природопользования Югорский государственный университет, г. Ханты-Мансийск
Аннотация: в работе показано, что современное развитие автономных электротехнических комплексов обусловлено рядом обстоятельств: необходимостью решения социально-экономических проблем в труднодоступных районах, повышенными требованиями потребителя к независимости от централизованного энергоснабжения и его надежности, возможности или необходимости использования местных первичных источников производства энергии. На основании проведенного анализа выявляется спектр актуальных задач математического моделирования, применительно к автономным электроэнергетическим системам. Рассматривается проблемно-ориентированный численный метод, обладающий повышенной точностью оценки глобальной погрешности. Abstract: the article states that modern development of autonomous power systems is caused by a number of circumstances: need of the solution of social and economic problems for remote areas, increased requirements of the consumer to the centralized power supply independence and its reliability, opportunity or need of use of local primary sources of energy production. Factors forming tendencies of development of a small-energy in Russia are defined. On the basis of the carried-out analysis the range of actual problems of mathematical simulation, in relation to autonomous electrical power systems comes to light. The problem-oriented numerical method possessing the increased accuracy of a global error assessment is developed. The example of application of the constructed numerical method is given.
Ключевые слова: математическое моделирование, автономные электроэнергетические системы, проектирование электротехнических комплексов, численный метод. Keywords: mathematical simulation, autonomous power systems, electrical power systems, designing of electrotechnical complexes, numerical method.
Автономные электротехнические комплексы с ветроэнергетическими установками -являются составными элементами понятия «Регионально обособленный электротехнический комплекс» [1]. Разработка систем такого класса содержит в себе «этапы структурного, схемотехнического, конструкторского, технологического проектирования» [2].
Этап структурного проектирования задает набор взаимосвязанных функциональных схем. При этом возникает задача «перебора», как правило, известных схемных решений, или «синтеза» схемного решения, что хорошо поддается алгоритмизации и соответственно реализации в виде программных продуктов для ЭВМ.
Этап схемотехнического проектирования содержит:
- предварительный (грубый) расчет принятых на предыдущем этапе к рассмотрению схемных решений;
- анализ элементной базы;
- анализ характеристик протекающих взаимосвязанных процессов в физически разнородных структурных элементах принятой схемы и коррекцию требований к элементной базе;
- оптимизацию рассматриваемой схемы.
Основная «Творческая задача» здесь - формирование критериев оптимизации, построение целевой функции, учитывающей принятый набор критериев, и принятие решений по результатам вычислений [2].
Основой строящегося в данной работе подхода является численный анализ совокупности взаимодействующих электромагнитных, электромеханических, газодинамических, тепловых и других процессов в силовых цепях различной физической природы. Приоритетность данной задачи определяется ключевым режимом работы, характерной особенностью современных преобразовательных устройств, являющихся неотъемлемой частью современных автономных электротехнических комплексов с ветроэнергетическими установками [4].
Используемые в известных программах расчета переходных процессов [4] универсальные численные алгоритмы решения уравнений теряют свою эффективность при необходимости учета «ключевого» характера работы силового канала преобразования энергии. Соответственно возникает насущная задача разработки специализированного аппарата анализа электромагнитных процессов сложных устройств, содержащих преобразователи ключевого типа в силовой цепи.
Этап конструкторского и технологического проектирования требует наложения существующих или прогнозируемых технологических возможностей предприятия на принимаемые конструктивные и технологические решения, что отражается в соответствующем наборе конструкторско - технологической документации. Создание новой конструкции устройства, как правило, трудно формализуемый творческий процесс, строящийся на личном опыте и интуиции разработчика и инженерно-технических традициях проектной организации.
Подход к созданию конструкции на базе физического моделирования требует значительных материальных и временных ресурсов, и зачастую не дает достаточной информации для сравнительного анализа или поиска нетрадиционных технических решений.
Указанные обстоятельства делают актуальным разработку и внедрение, при проектировании рассматриваемого класса объектов, проблемно-ориентированных методов вычислительного эксперимента, которые позволяют существенно уменьшить объем физического моделирования, расширяют спектр анализируемых вариантов и сокращают общее время поиска решения.
Внедрение в практику проблемно-ориентированных методов вычислительного эксперимента требует решения следующих задач:
- прямая задача анализа, содержащая численный расчет мгновенных значений переменных (и их производных) силового канала преобразования энергии (токи, напряжения, положения);
- обратная задача анализа (формирование характеристик управляющих воздействий и параметров источников напряжения и тока, обеспечивающих требуемый результат с допустимой погрешностью);
- задача синтеза (синтез структуры схемы и определение параметров ее составных элементов отвечающих в полной мере заданным воздействиям);
- задача вычислительного эксперимента (проверка функционирования синтезированного объекта в штатных и нештатных режимах).
Расчет параметров и характеристик отдельных элементов, параметров и характеристик синтезированных отдельных схем и систем, составляет базовую часть проектирования, и требует эффективного программного комплекса реализующего численные методы, адаптированные к рассматриваемому классу задач.
В дальнейшем математические модели объектов проектирования будем характеризовать следующей совокупностью числовых параметров [3]: внутренние, внешние и выходные.
«Внутренние параметры - параметры отдельных элементов, составляющих проектируемое устройство или систему. Для рассматриваемого класса электротехнических комплексов внутренними параметрами являются электрические (сопротивления, емкости, токи или напряжения источников электрической энергии), магнитные, конструктивные (число витков, размеры магнитных элементов, размеры элементов механической части) и режимные (алгоритмы работы схем управления и регулирования) параметры».
Внешние параметры описывают влияние внешней среды на проектируемый объект. Для рассматриваемого класса электротехнических комплексов это параметры входных сигналов (электрических или механических), температура окружающей среды, скорость воздушного потока, и другие.
Выходные параметры отражают основные свойства и характеристики проектируемой технической системы и определяются внешними и внутренними параметрами. Характерные примеры выходных параметров - мощность потребляемая устройством, качество производимой энергии, удельный расход ресурсов, ценовые характеристики, требования к транспортировке и другие. Взаимовлияние и взаимосвязь внешних и внутренних параметров и их влияние на выходные параметры, в общем случае не подлежат аналитическому описанию. Данное обстоятельство с необходимостью приводит к конструированию специализированных методов проектирования и специализированным программным продуктам, реализующим проблемно-ориентированные численные методы извлечения информации из математических моделей исследуемых объектов.
В дальнейшем, внутренние параметры проектируемой системы, допускающие изменения в заданных пределах, будем называть параметрами проектирования.
Построенная математическая модель проектируемого изделия, позволяет перейти к реализации задача анализа, заключающейся в определении выходных параметров анализируемой системы (схемы) при заданной структуре ее модели и при выбранных начальных условиях. Для электротехнических комплексов рассматриваемого класса, наиболее характерны математические модели, приводящие к необходимости решения систем алгебраических, дифференциальных, а также смешанных уравнений [3].
В рассматриваемом комплексе задач, наиболее трудны для алгоритмизации задачи синтеза. На сегодня принят двухэтапный подход к их решению: этап структурного синтеза и этап параметрического синтеза.
Этап структурного синтеза заключается в определении структуры и соответствующего набора элементной базы, установлении связей и взаимных влияний, как отдельных элементов, так и физически однородных частей составляющих синтезируемую схему.
Выбор и построение оптимальной структуры схемы (системы) требует, как правило, значительного опыта и интуиции проектировщика, что приводит к трудно формализуемым в общем виде алгоритмам. Отметим, что ряд областей электротехники устойчиво и успешно использует регулярные методы структурного синтеза [1].
Как правило, создаются базы данных типовых структурных решений на основе зарекомендовавших себя решений, прошедших апробацию в соответствующей отрасли. В последнее время активно развиваются «энергетические структурные модели» -позволяющие выделять однотипные элементы в силовом канале преобразования энергии, что создает предпосылки к построению универсального алгоритмизуемого подхода к построению оптимальной в энергетическом смысле схемы [4].
Этап параметрического синтеза требует определения внутренних параметров обусловливающих, для всей совокупности выходных параметров проектируемого изделия, соответствие требованиям технического задания. Данная постановка задачи приводит к оптимальному параметрическому синтезу. В соответствии с принятым подходом, внутренние параметры определяются из решения задачи оптимальности параметров, определяемой исходными требованиями к системе в целом. В целом такой подход приводит к решению большого количества задач анализа, формулируемых по определенному поисковому алгоритму. В настоящее время здесь активно развиваются «генетические» алгоритмы [5]. Анализ существующих подходов показывает, что требуемое число решений задач анализа, вне
15
зависимости от выбранного алгоритма поиска оптимума, растет в степенной зависимости от числа параметров проектирования, так называемое «проклятие размерности».
Особенность рассматриваемого класса задач - наличие переходных процессов, как необходимых элементов процесса энергопреобразования. Соответственно математическая модель с необходимостью содержит систему дифференциальных или алгебраических и дифференциальных уравнений [3]. Решение таких систем уравнений сопряжено со значительными вычислительными трудностями, порождаемыми, как структурными, так и вычислительными особенностями формируемых моделей. Достаточно указать на явления жесткости и/или жесткой колебательности. Указанные особенности с неукоснительностью приводят к противоречию: обширный, обладающий высокой точностью (в области применимости) аппарат методов оптимизации с одной стороны, и «грубые» методы построения целевой функции рассматриваемого класса задач.
Выявленное противоречие, характерное для рассматриваемого класса задач, требует для его «снятия» разработки теории построения проблемно-ориентированных численных методов.
Литература
1. Архипова О. В. Принципы оптимизации электроснабжения населенных пунктов крайнего севера на базе ветродизельных комплексов. Вестник Югорского государственного университета, 2015. № 82 (37). С. 204-206.
2. Автоматизация схемотехнического проектирования Учеб. пособие для вузов / В. Н. Ильин, В. Т. Фролкин, А. И. Бутко и др. / под ред. В. Н. Ильина. М.: Радио и связь, 1987. 368 с.
3. Ковалев В. З., Мальгин Г. В., Архипова О. В. Математическое моделирование электротехнических комплексов нефтегазодобычи в задачах энергосбережения: монография. Департамент образования и науки ханты-мансийского авт. окр. - Югры, Югорский государственный университет. Ханты-Мансийск, 2008. С. 222.
4. Ковалев В. З., Архипова О. В. Методика управления энергоэффективностью и надежностью электротехнического комплекса УЭЦН // Современные проблемы науки и образования, 2014. № 6. [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.science-education.ru/120-16219/ (дата обращения: 05.12.2016).
5. Ковалев В. З. Моделирование электротехнических комплексов и систем как совокупности взаимодействующих подсистем различной физической природы // Дис. доктора техн. наук. Омск, 2000. С. 261.