CC BY
27
ЭНЕРГЕТИКА
УДК 621.31
ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ МОДЕЛИ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ХАБА
Д.О. Герасимов1, К.В. Суслов1, Е.В. Уколова1'2
1Иркутский национальный исследовательский технический университет,
г. Иркутск, Россия 2Институт систем энергетики им. Л.А. Мелентьева Сибирского отделения
Российской академии наук, г. Иркутск, Россия
dr. souslov@yandex. ru, ukolovaekaterina@yandex. ru
Резюме: Большинство современных технических систем представляют собой интеграцию различных энергетических преобразователей и источников различной физической природы. Механической, тепловой, электромагнитной, а также компьютерную (информационную) систему мониторинга и управления. К классу таких технических устройств относятся и мультиэнергетические системы. Применение мультиэнергетических систем позволяет улучшить целый комплекс показателей работы энергетической системы, основными из которых являются: оптимизация графиков нагрузки системы энергоснабжения, повышение надёжности энергоснабжения, достижение экономической эффективности, получение максимально возможного коэффициента полезного действия элементов энергетического хаба. Основной задачей при создании математических моделей является методологический подход допускающий совместное моделирование, различных по своей природе энергетических объектов на единой основе. В статье будет представлен методический подход к формированию математических моделей интегрированных энергетической системы энергоснабжения на базе концепции энергетического хаба средствами MATLAB. Где в качестве целевой функции функционирования системы рассмотрен режим работы, при котором достигается максимально возможный коэффициент полезного действия ее элементов.
Ключевые слова: интегрированная система энергоснабжения, преобразователи энергии, накопители энергии, оптимизация энергопотребления, мультиэнергетические системы, экономическая эффективность использования энергоресурсов.
PRINCIPLES OF BUILDING A MODEL ENERGY CABLE
D.O. Gerasimov1, K.V. Suslov1, E.V. Ukolova1'2
1Irkutsk National Research Technical University, Irkutsk, Russia 2Melentiev Energy Systems Institute of Siberian Branch of the Russian Academy of
Sciences, Irkutsk, Russia
dr. souslov@yandex. ru, ukolovaekaterina@yandex. ru
Abstract: Most modern technical systems are the integration of various energy converters and
sources of different physical nature. Mechanical, thermal, electromagnetic, as well as computer (information) monitoring and control system. The class of such technical devices include multi-energy systems. The use of multi-energy systems allows you to improve a whole range of performance of the energy system, the main of which are: optimization of load schedules of the power supply system, increasing the reliability of power supply, achieving economic efficiency, obtaining the maximum possible efficiency of the elements of the energy hub. The main task in creating mathematical models is a methodological approach that allows for joint modeling of energy objects of different nature on a single basis. The article will present a methodical approach to the formation of mathematical models of an integrated energy supply system based on the concept of an energy hub using MATLAB. Whereas a target function of the system is considered the mode of operation in which the maximum possible efficiency of its elements is achieved.
Keywords: integrated power supply system, energy converters, energy storage, energy consumption optimization, multi-energy systems, economic efficiency of energy resources use.
Введение
Системы энергоснабжения, играют исключительно важную инфраструктурную роль в обеспечении функционирования современной экономики и жизнедеятельности населения любой страны. К инфраструктурным системам энергоснабжения предъявляются вполне конкретные требования по надежности энергоснабжения потребителей и качеству поставляемых им энергоресурсов, а также эффективности функционирования и развития самих этих систем. Необходимо отметить возрастание требований потребителей к надежности и качеству в связи с цифровизацией и компьютеризацией технологических процессов их производства.
Наиболее распространенными энергоносителями являются электроэнергия, тепло, природный газ [1,2]. Поэтому, целесообразно рассматривать именно эти три вида энергоносителей, и, соответственно, необходимы подходы к имитационному моделированию мультиэнергетических систем по следующим каналам энергоносителей: электроэнергия, тепло, природный газ.
При реализации моделей мультиэнергетических систем необходимо учитывать ряд факторов, наиболее существенными из которых являются: технический состав системы, расположение ее элементов и целевые функции, решаемые в рамках концепции энергетического хаба в системах энергоснабжения [3,4].
Для успешной реализации концепции энергетического хаба система энергоснабжения должна включать: устройства накопления энергии по всем каналам поступления энергии; устройства преобразования одного вида энергии в другой с учетом возможности технической реализации; системы распределения и передачи энергии.
При математическом моделировании мультиэнергетических систем принимаются следующие допущения:
- система находится в установившемся режиме, переходные процессы не рассматриваются;
- энергетический хаб состоит из накопителей, преобразователей и систем передачи энергии;
- энергия передается от входа к выходу;
- энергетические потоки характеризуются мощностью и коэффициентом полезного действия (КПД).
Функциональная схема мультиэнергетических хабов рассмотрена в работе [5]. С учетом особенностей энергоснабжения по трем каналам (электроэнергия, тепло, газ) схема представлена на рис. 1.
Рис.1. Функциональная схема расположения основных элементов расположения энергетического хаба:
1, 2, 3 - каналы поступления энергии; 4, 5 - системы преобразования энергии по одному каналу электроэнергии; 7, 8, 9 - устройства преобразования одного вида энергии в другой; 6, 10, 11 - системы накопления энергии; 12 - система распределения и передачи энергии;
КП1-М - конечный потребитель
С точки зрения расположения основных узлов и элементов, мультиэнергетическую систему можно представить следующим образом:
- единый центр накопления и преобразования энергии с дальнейшей передачей энергии конечному потребителю .При использовании данного подхода все накопители энергии и преобразователи располагаются локально в одном месте. Вместе с тем, необходимо учитывать потери при передаче энергии от единого центра до конечного потребителя (система передачи энергии);
- мультиэнергетическая система, где часть элементов расположена непосредственно у конечного потребителя, а часть в едином центре;
- многоуровневая система, включающая в себя структуру перовой и второй функциональных схем;
- мультиэнергетическая система, в которой единый центр накопления и преобразования энергии, и потребитель локально расположены в одном центре.
В качестве целевых функций рассматриваемой системы энергоснабжения в концепции энергетического хаба могут быть представлены:
- экономическая целесообразность использования различных типов энергоносителей в зависимости от тарифной политики энергоснабжающих организаций;
- выравнивание графиков нагрузок сетей, питающих энергетический хаб;
- эффективность использования установленного оборудования. Нахождение режимов работы, при которых КПД составляющих ее элементов были бы максимально возможными;
- повышение надежности снабжения энергоносителями конечного портебителя; Рассмотрение всех энергетических функций энергетического хаба выходят за рамки представленной работы.
Авторами исследуется режим функционирования системы, при котором в качестве целевой функции принято условие достижения максимально возможного коэффициента полезного действия элементов, входящих в систему.
Методы математического моделирования энергетического хаба
Традиционная математическая модель энергетического хаба без учета накопителей и систем передачи энергии в матричной форме записи.
Основные положения концепции энергетического хаба были рассмотрены в рамках проекта «Vision of Future Energy Networks» в работе [6].
На рис. 2 представлена упрощенная модель энергетического хаба состоящая из N-входов и N-выходов.
Вход энергетических каналов
а, Р,..4
а
Р
4
Выход энергетических каналов
а, Р,..4
Рис.2. Упрощенная модель энергетического хаба
Математическое описание данной функциональной схемы, связь входов и выходов каналов энергии, представлена в матричной форме записи системы уравнений.
P
out
P
out
P1
out
С С
Caa C|
C„R Cl
Pa
ap Cpp
CaS CPS
Sa
C
SS
pa pin
pP
in
pS
(1)
где p\ pP,
M 1 out,1 out,
pa pe
1 in, 1 in,
, p
, Р^ - вектор выходов энергетических каналов; вектор входов энергетических каналов;
Caa ,Cpa ,■■■, CS<
- коэффициенты матрицы преобразования энергии.
Для учета использования устройств накопления энергии необходимо ввести дополнительную матрицу связей:
~M%ut' ML = 9 Saa Sap SPa ' % • ' SSa ■ % ~Ea' Em ep Em (2)
M0ut _ SaS sps • • SSS _ eS _ Em _
Е - вектор потоков энергоносителей, связанных с накопителем, - матрица связи. Тогда, с учетом уравнения (2), уравнение (1) примет следующий вид:
IР1
Ь = С х Р ± 5 х Е = [С ± 5] (3)
Для стандартного метода формулирования условия энергетического баланса принят следующий порядок:
1) определение векторов входной и выходной мощности;
2) выражение выходов преобразователя как функции его входов;
3) определение баланса узловых энергий на выходных переходах преобразователя;
4) формирование результатов в соответствии с формулой (2).
Однако, для многосоставных энергетических хабов формирование матрицы связи С непосредственно в соответствии с уравнением (2) связано с рядом сложностей.
Кроме того, процессы моделирования требуют полностью ручного представления и анализа потоков энергии, что занимает достаточно длительное время, особенно для сложных мультиэнергетических систем.
С учетом того, что концепция мультиэнергетического хаба широко используется для МЭС, моделирование потока энергии имеет большое значение. Кроме того, применение сложных накопителей и преобразователей энергии все больше усложняют структуру хаба, и, как следствие, делают стандартный метод все менее применимым для современных систем.
В фундаментальной работе [7] по мультиэнергетическим системам приведено математическое описание энергетического хаба в матричной форме. Однако, не учитываются накопители энергии, только преобразование одного вида энергии в другой. Предложен метод оптимизации режимов функционирования и приводится численный пример. Предложенный подход математического описания данных систем применяется и в более поздних работах. Дальнейшая разработка концепции энергетического хаба представлена в работе [8]. Рассмотрена совместная работа трёх энергетических хабов. Приведены оптимизационные методы работы системы. Рассматриваются вопросы экономической целесообразности и задачи выбора оптимизационного метода. В работе [9] рассмотрен выбор оптимизационных методов функционирования мультиэнергетических систем
В статье [10] представлен метод, основанный на теории графов. Теория графов применяется при различных расчётах, в том числе, она хорошо зарекомендовала себя для расчёта установившихся режимов электрических цепей.
Структура и топология энергетического хаба отображаются в ориентированный граф, а затем преобразуются в матричную форму.
Для отображения физических компонентов энергетического хаба в граф в данной статье был введен ряд новых определений, а именно:
1. сопротивление потоку энергии - РоШ, где эффективность можно отобразить как функцию от подводимого потока энергии: ^ ;
2. граф энергетического хаба - это абстракционное описание его топологии и совокупность его узлов и ветвей. Поскольку каждый поток энергии имеет определенное направление, граф энергетического хаба является ориентированным графом;
3. узлы и ветви - соединения потоков энергии и сами потоки соответственно;
4. матрица инцидентности между ветвями и узлами определяет связи между ветвями и узлами. Поскольку существует два типа ветвей: ветвь преобразователя и ветвь нагрузки, соответственно, есть две категории матрицы инцидентности узла ветвления, матрица инцидентности узла ветвления преобразователя и матрица инцидентности узла ветвления нагрузки;
5. матрица импеданса потока энергии ветви. Диагональная матрица, образованная полным сопротивлением потока энергии каждой ветви преобразователя, определяется как матрица полного сопротивления потока ветви.
Для формирования графа (рис. 3), в специально подготовленную таблицу заносится ряд данных по каждой из ветвей, определяются вектор мощности входа Р3 и вектор мощности нагрузки Рр Далее формируется матрица импеданса потока энергии ветви, а
также матрицы инцидентности между узлами и связями преобразователя и нагрузки. После чего вычисляются вектор исходящих потоков энергии и матрица связи для представления результата в соответствии с формулой (2).
Преобразователь энергии газа
Р,
1 З
РР
Накопитель энергии
Р,_
Рис. 3. Ориентированный граф для иллюстрирования энергетического хаба
Формализация элементов и структуры моделей энергетического хаба
Для создания упрощенных моделей элементов (элементарных хабов) мультиэнергетической системы, необходимо рассмотреть технический состав системы [11]. На основании полученных данных определить необходимые и достаточные параметры элементов системы в зависимости от реализуемых целевых функций.
В общепринятых допущениях энергетический хаб состоит из накопителей, преобразователей и систем передачи энергии. Подсистемами преобразования энергии с учетом поставленной задачи приняты :
1. система, изменяющая характеристики энергетического канала без преобразования одного вида энергии в другой, трансформаторы, теплообменные аппараты и др ;
2. системы, преобразующие один вид энергии в другой - электронагревательные котлы, системы преобразования энергии природного газа в электроэнергии ;
3. системы накопления энергии - накопитель электроэнергии, устройства аккумулирования тепловой энергии, газохранилища;
4. системы передачи энергии - линии, трубопроводы, тепловые сети, газоснабжающая структура;
На рис. 4 представлен пример функциональной схемы канала электроснабжения общей имитационной модели энергетического хаба с учетом особенностей имитационного моделирования в Matlab/Simulink.
Аналогично информация представляется и по всем каналам энергоснабжения.
Алгоритмическая реализация блоков преобразования одного вида энергии в другой или их накопление, основывается на том, что математическое описание выходных характеристик данных устройств с достаточной точностью можно реализовать системой или одним линейным алгебраическим уравнением. Также необходимо учитывать коэффициент преобразования одного вида энергии в другой.
Преобразователи электроэнергии в тепло, газа в тепло, и газа в электрическую энергию также имеют соответствующие органы управления.
МШ ■ И ГMW.tr Нагрузка^^*-м /■ ^
м
Я
и
N
V т
МШ ■ И
. ШШ ■ И, , й 4—Сб6
Преобразователь энергии газа а электроэнергию
\
с
н
ч ) )
-(5
Источник Электрическ энергии
Рис. 4. Упрощенная функциональная схема канала по электрической энергии: 1, 6 - преобразователи размерности; 2, 4 - система передачи; 3 - система преобразования энергии; 5 - система накопителей энергии
Программная реализация имитационной модели интегрированной системы для трёх типов энергоносителей состоит из трёх подсистем и имитационной модели панели управления (Рис. 5). Подсистемы El_Sys, Heat_Sys, Gas_Sys моделирует работу по каналам электро-, тепло- и газоснабжению соответственно [12].
Элементы панели управления позволяют в режиме реального времени управлять нагрузкой по всем каналам энергоснабжения, а также управлять работами накопителей энергии, как при накоплении энергии, так и при её отдаче.
Общими для всех структурных схем являются имитационные блоки, реализующие нагрузку потребителя, и связанные с ними органы управления. Также общими являются каналы накопления соответствующих видов энергии и связанных с ними органов управления. Преобразователи одного вида энергии в другой реализованы следующим образом: электричество в тепло, газ в тепло, газ в электроэнергию.
Элементы мультиэнергетической системы моделировались упрощёнными алгебраическими уравнениями. Для возможности учёта перераспределения потоков энергии все энергетические единицы приводились к одной системе (Дж). Это позволило учитывать перераспределение потоков энергии относительно друг друга без применения сложных математических моделей физических устройств. Данная имитационная модель позволяет исследовать режимы работы мультэнергетической системы в статическом режиме в зависимости от исследуемых целевых функций.
Авторами рассматривались три наиболее характерных канала энергоснабжения. Мультиэнергетическую систему, при отсутствии одного из каналов энергоснабжения можно получить обнулением соответствующего канала.
Рис. 5. Программная реализация мультиэнергетической системы Simulimk системы MatLab
Результаты верификации имитационной модели энергетического хаба с экспериментальными данными рассмотрены авторами в работе [11] и представлены на рис.6. Верификация проводилась с учетом энергоснабжения по двум каналам: электроэнергия и тепло. Переход от имитационной модели с учетом трех каналов энергоснабжения к двум каналам производится обнулением соответствующего входного канала и параметров элементов по данному каналу энергоснабжения. В качестве примера был рассмотрен объект, в котором согласно энергопотребления был произведен расчет количества электроэнергии для преобразования в тепло.
300
янв. фев. март апр. май июнь июль авг. сент. окт. гояб. дек.
И Теплопотребление ■ Преобразование электроэнергии в тепло Рис.6. Потребление тепловой энергии и преобразование электроэнергии в тепло
Выводы
Использование в системах энергоснабжения элементной базы, позволяющей накапливать и преобразовывать различные типы энергоносителей, наряду с высокоразвитыми информационными системами, делает актуальным развитие таких технологий как интегрированные системы энергоснабжения. Применение мультиэнергетических систем позволяет улучшить целый комплекс показателей работы энергетической системы, основными из которых являются: оптимизация графиков нагрузки генерирующих станций и сетевой инфраструктуры, повышение качества электрической энергии, повышение надёжности энергоснабжения.
В статье описана техническая возможность реализации МЭС. Представлена функциональная схема мультиэнергетической сети, выполненная в среде MatLab. Рассмотрены накопители и преобразователи энергии.
Применение мультиэнергетических систем позволит решить ряд следующих
задач:
- энергоснабжение на изолированных территориях;
- обеспечение электроэнергией населения в условиях чрезвычайных ситуаций;
- улучшение экологической обстановки;
- при применении нескольких типов энергоносителей можно менять стоимость за счёт вариации;
- получение дополнительных мощностей без строительства новых электростанций и ввода дополнительных трансформаторных подстанций;
- сбор статистических данных.
Литература
1.Воропай Н.И., Уколова Е.В., Герасимов Д.О., и др. Исследование мультиэнергетического объекта методами имитационного моделирования // Вестник Иркутского Государственного технического университета. 2018. Т. 22. № 12 (143). С. 157-168. .
2.Воропай Н.И., Стенников В.А. Интегрированные интеллектуальные энергетические системы // Известия РАН. Энергетика. 2014, № 1. С. 64-73.
11
3.Mohammadi M., Noorollahi Y., Mohammadi-ivatloo B., et al. Optimal management of energy hubs and smart energy hubs - A review // Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2018. Vol. 89. pp. 33-50.
4.Chen Y., Wei W., Liu F., et al. Analyzing and validating the economic efficiency of managing a cluster of energy hubs in multi-carrier energy systems // Applied Energy. 2018. Vol. 230. pp. 403-416.
5.Favre-Perrod P. A vision of future energy networks. In: Proceedings of the power engineering society inaugural conference and exposition in Africa 2005. IEEE; 2005. pp. 13-17.
6.Kienzle F, Favre-Perrod P, Arnold M, et al. Multi-energy delivery infrastructures for the future. In: Proceedings of the infrastructure systems and services: building networks for a brighter future (INFRA), 2008 first international conference on; 2008. pp. 1-5.
7.Geidl M, Andersson G. Optimal power dispatch and conversion in systems with multiple energy carriers. In: Proceedings of the 15th power systems computation conference (PSCC); 2005.
8.Geidl M, Andersson G. A modeling and optimization approach for multiple energy carrier power flow. In: Power Tech, 2005. In: IEEE Russia; 2005. pp. 1-7.
9.Geidl M, Andersson G. Operational and topological optimization of multi-carrier energy systems. In: Proceedings of the future power systems, 2005 international conference; 2005. p. 6.
10. Ma T, Wu J, Hao L, et al. Energy flow matrix modeling and optimal operation analysis of multi energy systems basedhttps://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2018.10.022 on graph theory 2019.
11. Voropai N., Ukolova Ek., Lombardi P., et al. Simulation Approach to Integrated Energy Systems Study Based on Energy Hub Concept // 2019 IEEE PES PowerTech Milano.
12. Герасимов Д.О., Уколова Е.В., Суслов К.В. Алгоритм обоснования экономической эффективности мультиэнергетической системы // Вести в электроэнергетике. 2017. №5. С.38-45.
Авторы публикации
Герасимов Дмитрий Олегович - доцент кафедры «Электроснабжение и электротехника», Иркутский национальный исследовательский технический университет. E-mail: gerasimovdo@mail.ru.
Суслов Константин Витальевич - канд.техн.наук., профессор кафедры «Электроснабжение и электротехника», Иркутский национальный исследовательский технический университет. E-mail: dr. souslov@yandex.ru.
Уколова Екатерина Владимировна - аспирант, Институт систем энергетики им. Л.А. Мелентьева Сибирского отделения Российской академии наук,. E-mail: ukolovaekaterina@yandex.ru.
References
1. Voropaj N.I., Ukolova E.V., Gerasimov D.O., et al. Issledovanie mul'tienergeticheskogo ob"ekta metodami imitacionnogo modelirovaniya . Vestnik Irkutskogo Gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta. 2018; 22(143):157-168. (In Russ).
2. Voropaj N.I., Stennikov V.A. Integrirovannye intellektual'nye energeticheskie sistemy. Izvestiya RAN. Energetika. 2014; 1:64-73. (In Russ).
3. Mohammadi M, Noorollahi Y, Mohammadi-ivatloo B, et al. Optimal management of energy hubs and smart energy hubs - A review. Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2018; 89:33-50. doi: 10.1016/j.rser.2018.02.035
4. Chen Y, Wei W, Liu F, et al. Analyzing and validating the economic efficiency of managing a cluster of energy hubs in multi-carrier energy systems. Applied Energy. 2018; 230:403-416. doi.org/10.1016/j.apenergy.2018.08.112
5. Favre-Perrod P. A vision of future energy networks. In: Proceedings of the power engineering society inaugural conference and exposition in Africa 2005. IEEE; 2005. pp. 13-17. doi: 10.1109 / pesafr.2005.1611778
6. Kienzle F, Favre-Perrod P, Arnold M, et al. Multi-energy delivery infrastructures for the
future. In: Proceedings of the infrastructure systems and services: building networks for a brighter future (INFRA), 2008 first international conference on. 2008. pp. 1-5.
7. Geidl M, Andersson G. Optimal power dispatch and conversion in systems with multiple energy carriers. In: Proceedings of the 15th power systems computation conference (PSCC). 2005.
8. Geidl M, Andersson G. A modeling and optimization approach for multiple energy carrier power flow. In: Power Tech, 2005. In: IEEE Russia; 2005. pp. 1 -7.
9. Geidl M, Andersson G. Operational and topological optimization of multi-carrier energy systems. In: Proceedings of the future power systems, 2005 international conference on. 2005. p. 6.
10. Ma T, Wu J, Hao L, et al. Energy flow matrix modeling and optimal operation analysis of multi energy systems basedhttps://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2018.10.022 on graph theory 2019.
11. Voropai N, Ukolova Ek, Lombardi P, et al. Simulation Approach to Integrated Energy Systems Study Based on Energy Hub Concept. 2019 IEEE PES PowerTech Milano.
12. Gerasimov DO, Ukolova EV, Suslov KV. Algoritm obosnovaniya ekonomicheskoj effektivnosti mul'tienergeticheskoj sistemy. Vesti v elektroenergetike. 2017; 5:38-45 (In Russ).
Authors of the publication
Dmitry O. Gerasimov - Irkutsk National Research Technical University, Irkutsk, Russia. E-mail: gerasimovdo@mail.ru.
Konstantin V. Suslov - Irkutsk National Research Technical University, Irkutsk, Russia. E-mail: dr.souslov@yandex.ru.
Ekaterina V. Ukolova - Melentiev Energy Systems Institute of Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences, Irkutsk, Russia. E-mail: ukolovaekaterina@yandex.ru.
Поступила в редакцию 10 июня 2019 г.
