Анализ и планирование режимов автономной ветроэнергетической системы в условиях неопределенности энергоносителя тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.14.02, кандидат технических наук Седельников, Андрей Валерьевич

• Седельников, Андрей Валерьевич
• кандидат технических наук
• 2006

Оглавление диссертации кандидат технических наук Седельников, Андрей Валерьевич

Введение.

1. Современное состояние проблемы ветроэнергетики.

1.1. Состояние и перспективы развития ветроэнергетики.

1.2. Характерные особенности ветроэнергетических установок.

1.3. Условия определяющие эффективность ветроэнергетики.

1.4. Обоснование применения методов нечеткой логики в задачах проектирования и эксплуатации ветроустановок.

2. Основные положения теории нечетких множеств.

2.1. Общая характеристика теории нечетких множеств.

2.2. Основы теории нечетких множеств.

2.3. Характеристика нечетких отношений.

2.3.1. Нечеткое отношение и способы его задания.

2.3.2. Основные характеристики нечетких отношений.

2.3.3. Операции над нечеткими отношениями.

2.3.4. Композиция бинарных нечетких отношений.

2.3.5. Условные нечеткие подмножества.

2.4. Общие понятия нечёткого управления.

2.5. Применение теории нечётких множеств, при прогнозировании и обработке данных.

3. Вероятностно - статистические методы в задачах оценки эффективности использования ветроустановок.

3.1. Постановка задачи.

3.2. Методы расчета ветрового потенциала при оценке эффективности ветроэнергетики.

3.2.1. Распределение скорости ветра.

3.2.2. Особенности методов расчета ожидаемой выработки.

3.2.3. Анализ методов расчета ветроэнергетического потенциала и ожидаемой выработки электрической энергии.8G

3.2.4. Предложенная методология.

3.3. Анализ проведенных исследований.

Выводы.

4. Методы нечеткой логики в задачах эксплуатации автономной ветродизельной системы.

4.1. Постановка задачи.

4.2. Выбор нечетких переменных энергоносителя.

4.3. Анализ режимов работы ВЭС в условиях неопределенности.

4.4. Анализ режимов, связанных с аккумулированием энергии.

Выводы.

5. Нечеткое регулирование выработки и потребления электроэнергии в автономной ветродизельной системе.

5.1. Постановка задачи.

5.2. Общие принципы согласования энергораспределением в автономной ветродизельной системе.

5.3. Математическая модель автономной ветродизельной системы.

5.4. Алгоритм нечеткого регулирования энергораспределением в автономной ветродизельной системе.

Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Анализ и планирование режимов автономной ветроэнергетической системы в условиях неопределенности энергоносителя»

Актуальность темы. В настоящее время во многих странах расширились масштабы исследований и разработок, направленных на совершенствование топливно-энергетического баланса, экономии нефти, газа, угля и других невосполнимых энергоресурсов. Это обуславливает необходимость изыскания методов более экономичного энергоснабжения потребителей, привлечения и эффективного использования нетрадиционных источников энергии.

В связи с этим, значительное развитие получила ветроэнергетика.

В отличие от ресурсов традиционных жидких и твердых топлив на добычу и транспортирование энергии ветра затраты не производятся, поэтому часто говорят, что ветер является "даровым" энергетическим источником. Однако нужно достаточно хорошо знать условия, чтобы определить, где и для каких целей выгодно использовать энергию ветра и когда целесообразнее и экономичнее применить энергетические установки других типов. При этом необходимо наиболее полно учесть требования потребителей электрической энергии, особенности ветра как энергоносителя, режимы работы ветроэнергетической станции (ВЭС) и качество производимой энергии. Только комплексное рассмотрение всех факторов, а также создание наиболее эффективных методов управления и оценки эффективности дают объективные результаты, на основании которых можно судить об экономической целесообразности и технических возможностях применения в конкретных условиях той или иной ветроэнергетической установки (ВЭУ).

Необходимо отметить, что скорость ветра - величина не постоянная и является случайным неуправляемым природным процессом.

При рассмотрении задач, связанных с анализом режимов работы ВЭС, управлением и принятием решений в условиях непостоянства энергоносителя, а так же с изменчивостью электрической нагрузки приходится сталкиваться с одним и тем же рядом проблем, плохо пригодных для решения традиционными методами. Это является причиной создания адаптивных интеллектуальных систем, способных подстраиваться под изменения состояния объекта.

Решение технических задач с помощью методов искусственного интеллекта позволяет оперировать информацией неопределенной, и тем самым имеет ряд преимуществ. Одним из таких методов является аппарат теории нечётких множеств, получивший широкое распространение, как в области управления, так и в области математического моделирования, и более известный под названием «нечёткая логика».

Цель и задачи работы. Целью работы является разработка комплексного подхода анализа режимов работы ВЭС с учетом графика электрической нагрузки в условиях неопределенности энергоносителя, с применением теории нечетких множеств. Применение вероятностно -статистических методов в определении эффективности использования ветроэнергии. А так же оценка возможности применения методов нечёткого управления вырабатываемой и потребляемой мощности.

При проведении исследований, направленных на разработку алгоритмов моделирования и управлением ВЭС, решались следующие задачи:

1. Систематизация и теоретический анализ существующих методов расчета мощности, вырабатываемой ВЭС;

2. Разработка методики расчета, учитывающей фактор изменчивости скорости ветра, как энергоносителя, являющимся случайным неуправляемым природным процессом;

3. Разработка системного подхода для согласования мощности, вырабатываемой ВЭУ, в условиях изменяющейся скорости ветра, с мощностью нагрузки и возможностью аккумулирования энергии, с применением теории нечетких множеств;

4. Оценка эффективности вероятностно - статистических методов расчета ожидаемой выработки электрической энергии с помощью ВЭУ и, на этой основе, разработка методология, позволяющая скомбинировать положительные стороны рассматриваемых методов и устранить них недостатки;

5. Адаптация теории нечеткого управления при согласовании вырабатываемой и потребляемой мощности в режиме реального времени.

Методы исследований. Разработанные в диссертации научные положения основываются на системном подходе в области анализа и управления автономных источников электроэнергии. При проведении исследований использовались положения теории нечётких множеств, в частности, аппарат нечёткой логики, вероятностно - статистические методы.

При решении задач, соответствующих поставленным целям, использовались элементы теории нечётких множеств, понятие.бинарных и условных нечетких отношений, нечёткие выводы, методы математического программирования, теория вероятности, численные методы анализа с применением вычислительной техники.

Научная новизна. Настоящая диссертационная работа посвящена разработке моделей и методов анализа режимов работы автономной ветроэнергетической системы, а также созданию алгоритмов управления направленных на эффективное согласование потребляемой и вырабатываемой мощности на базе нечетких правил.

Научная новизна определяется следующими положениями:

1. Впервые, шкала Бофорта, характеризующая переменную скорости ветра, представлена упорядоченным терм множеством нечетких переменных, позволяющая использовать для описания задачи принятия решений приближенные оценки, выраженных с помощью нечетких понятий, отношений и высказываний;

2. Впервые применены свойства теории нечетких множеств, позволяющие сопоставить вырабатываемую мощность с графиком электрической нагрузки в условии неопределенности, дающее основание сделать вывод об использовании или аккумулировании электрической энергии;

3. Предложен метод расчета выработки электрической энергии, основанный на комбинации функции распределения скорости ветра и реальной технической характеристики ветроэнергетической установки;

4. Предложен алгоритм управления вырабатываемой и потребляемой мощности в автономной ветродизельной системе на основе искусственного интеллекта.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Нечеткая формализация лингвистической переменной скорости ветка, как энергоносителя;

2. Системный подход, позволяющий сопоставить вырабатываемую мощность с графиком электрической нагрузки в условии неопределенности;

3. Степень эффективности расчета ожидаемой выработки электрической энергии с помощью ВЭУ на базе предложенной методологии;

4. Построение алгоритма управления направленных на эффективное согласование потребляемой и вырабатываемой мощности на базе нечетких правил.

Достоверность результатов, полученных в диссертации, определяется адекватностью математических моделей применяемых для решения поставленных задач, учетом более реальных характеристик ВЭС, апробацией результатов на сравнительном анализе со значениями, определенными с помощью традиционных методов.

Практическая ценность. Практическая значимость работы состоит в том, что разработанный системный подход может быть использован ь задачах эксплуатации автономных систем электроснабжения в условиях неопределённой информации.

Выполненные исследования, а также разработанные методики и алгоритмы могут быть использованы в проектных и исследовательских организациях для решения задач ведения режимов автономных ветроэнергетических систем, поиска оптимального распределения активной мощности.

При рассмотрении вопросов эффективности использования ВЭУ, предложенная методология прогнозируемой выработки электрической энергии позволяет наиболее точно судить об энергетической эффективности использования системы.

Апробация работы. Основные результаты работы представлялись, докладывались и обсуждались на научных семинарах кафедр факультета энергетики НГТУ, на научных конференциях НГТУ с 2004 по 2006 гг., на Международной научно-технической конференции "ACIT - 2005", Новосибирск. На международных научно-практических конференциях Korus

2004, 2005. На международных научно-практических конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых "Наука. Технологии. Инновации",

2005, 2006. На всероссийской научно - технической конференции "Электроэнергия: от получения и распределения до эффективного использования", Томск, 2006. На национальной научно-технической конференции национальной конференции по теплоэнергетики, НКТЭ - 2006, Казань.

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 9 печатных работ, в числе которых: 1 научная статья в рецензируемом журнале, рекомендованном перечнем ВАК РФ; 7-опубликованных докладов на всероссийских и национальных научных конференциях; НтучнЗЯ статья в сборниках научных трудов.

Объём и содержание работы. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, заключения. И содержит: 168 страницы основного текста, 46 рисунков, 16 таблиц и список литературы из 64 наименований.

Заключение диссертации по теме «Электростанции и электроэнергетические системы», Седельников, Андрей Валерьевич

158 Выводы

Проведенные исследования принципиальной возможности применения алгоритма нечеткого управления в задачах распределения мощности в автономной системе электроснабжения, были получены на базе имитационной модели, сконструированной при помощи прикладных программ Simulink системы MATLAB.

Нечёткий контроллер работал под управлением алгоритма Мамдани. Настройка алгоритма производилась автоматически исходя из параметров системы, по четырем входных лингвистических переменных и четырем выходных было составлено 33 правила нечеткого управления.

В результате моделирования выяснилось, что нечёткий контроллер под управлением алгоритма Мамдани справляется с возложенными на него целевыми функциями. В режиме «реального времени» контроллером находятся оптимальные значения выходных управляющих воздействий в зависимости от скорости ветра и потребляемой нагрузки. При этом решение для каждой ситуации находится за очень короткие сроки, т.е. в режиме «Оп -line».

Можно выделить такие достоинства как гибкость системы управления. В процессе управления, контроллер не допускает преждевременных переключений (отметка 0.5) за счет того, что тот или иной параметр внезапно оказал на это влияние.

В процессе исследований было выяснено, что при более неравномерном суточном ходе ветра и графика электрической нагрузки увеличивается количество переключений, что, в свою очередь, ухудшает техническое состояние коммутационной аппаратуры. Поэтому, снижение нежелательных переключений, в данном случае, представляется актуальным. Исследовавшиеся алгоритмы нечёткого регулирования распределения мощности отличаются возможностью лёгкого расширения при появлении необходимости в дополнительных функциональных требованиях. При изменении целевой функции управления или элементов системы достаточно скорректировать правила нечеткого управления. Сущность нечётких алгоритмов такова, что позволяет производить такие изменения без глубокой переделки основ. На основании проведенных исследований можно утверждать что, предлагаемые нечёткие алгоритмы являются достаточно мощной вычислительной процедурой при неопределённости входной информации.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Направленность диссертационной работы связана с теоретическим обоснованием, разработкой и исследованием новых научных моделей и методов анализа, управления и планирования режимов автономной ветродизельной системы электроснабжения, на основании вероятно -статистических методах, а также таких методов искусственного интеллекта, как теория нечётких множеств и аппарат нечёткой логики в задачах управления.

К наиболее ценным и существенным полученным в работе результатам следует отнести:

1. Проведен анализ фундаментальных теоретических основ теории нечетких множеств, с целью особенностей применения нечеткой логики4в задачах управления при неопределенности исходной информации.

2. Показано, что шкала Бофорта, характеризующая интервальную интерпретацию скорости ветра, может быть представлена нечетким терм множеством. Такое представление позволяет учесть фактор неопределенности энергоносителя. Предложенная формализация обеспечивает переход от словесных описаний, не поддающихся точному количественному описанию элементов задачи принятия решений к числовым.

3. Разработана система поддержки принятия решений при анализе режимов работы автономной ветродизельной системы электроснабжения в соответствии с графиком электрической нагрузки в условиях неопределенности энергоносителя. Такой подход позволяет сопоставить вырабатываемую и потребляемую мощность с учетом изменчивости скорости ветра и создает предпосылки целесообразности ведения режима на суточном интервале времени.

4. Прогнозирование вырабатываемой и потребляемой мощности в автономной системе электроснабжения влечет за собой задачу аккумулирования электрической энергии. В зависимости от покрытия графика электрической нагрузки был предложен системный подход, позволяющий сделать заключение о том, какую часть энергии должна будет поглотить аккумулирующая станция, резервируя питания ответственных потребителей.

5. На основе вероятностно - статистических методов были рассмотрены вопросы, определяющие эффективность использования ветроэнергетики в той или иной местности, связанные с определением ожидаемой выработки электрической энергии с помощью ВЭУ за год. Предложен новый подход определения годовой энергии, вырабатываемой с помощью ВЭУ, с учетом функции распределения скорости ветра и технической характеристики самой установки. В отличие от рассматриваемых методов, предложенная методология обладает минимальной погрешностью, равной 0,07% от эталонного значения.

6. Показано поведение функции распределения Вейбулла при различных коэффициентах с и к. В процессе исследований, выявлено, что распределение Вейбулла имеет характер экспоненциальной зависимости, закона распределения Релея или нормального закона при коэффициентах к -1,2 и 3 соответственно.

7. Составлен алгоритм нечеткого регулирования потоками мощности автономной системы электроснабжения. Выбраны оптимальные функции принадлежности скорости ветра и мощности электрических нагрузок, составлены правила нечеткого управления на основе алгоритма Мамдани. На базе сконструированной имитационной модели был апробирован алгоритм нечеткого управления по 33 правилам. При задании целевой функции экономии органического топлива и обеспечения качеством электрической энергии нечеткий контроллер успешно справился со своей задачей.

Разработаны программные средства в системе MATLAB, позволяющие имитировать автономную систему электроснабжения в режиме «On - line».

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Седельников, Андрей Валерьевич, 2006 год

1. Дж. Твайделл, А. Уэйр. Возобновляемые источники энергии (Пер. с англ.). М., Энергоатомиздат, 1990. - С. 57 - 69.

2. Безруких П.П. Экономика и возможные масштабы развития нетрадиционных возобновляемых источников энергии / РАН. Институт народнохозяйственного прогнозирования. М.: 2002. - С. 42 - 45.

3. Могиленко А.В. Энергия солнца и ветра. Крупные мировые проекты. // Новости электротехники, 2005. №6. 34 35 с.

4. Multi-Megawatt-Windkraftanlagen fordern neue Hoechstleistungen // Bulletin SEV/VSE, № 10, 2004. C. 23 - 23.

5. Могиленко А.В. Новости мира возобновляемой энергетики. // Энергетика и промышленность России, 2005. №9 (61). 17 с.

6. Могиленко А.В. Перспективы использования крупных солнечных и ветряных электростанций. // Электроинфо, 2005. №8. С. 8 9.

7. Пугач JI. И. Нетрадиционная энергетика возобновляемые источноки, использование биомассы, термохимическая подготовка, экологическая безопасность: учеб. пособие. - Новосибирск: НГТУ, 2006. - С. 66-72.

8. Дробышев А.Д., Леженин А.А. Ветроэнергетические ресурсы Сибирского региона. Проблемы энергосбережения и рационального использования энергоресурсов в Сибирском регионе: Сборник научных докладов. Новосибирск, 1999.- 45 с.

9. Шефтер Я.И. Использование энергии ветра. 2-е изд., перераб. и. доп. М.: Энергоатомиздат, 1983. 200 с.

10. Шефтер Я.И. Использование энергии ветра. М.: Энергия, 1975.176 с.

11. Удалов С. Н. Возобновляемые источники энергии. 4.1: Конспект лекций. Новосибирск: Изд-во НГТУ, 1998. 60 с.

12. Алиев Р.А., Церковный А.Э., Мамедова Г.А. "Управление производством при нечеткой исходной информации". М. Радио и связь, 1982.-432 с.

13. Орловский С.А. "Проблемы принятия решений при нечеткой исходной информации". М. Наука, 1981. 206 с.

14. Богатырев JT.JT. "Решение электроэнергетических задач в условиях неопределенности" Екатеринбург: УГТУ-УПИ 1995.- 115 с.

15. Терехов В.М. Алгоритмы фаззи-регуляторов в электротехнических системах. // Электричество, 2000, №12 С. 55 - 63.

16. Дьяконов В. Simulink 4. Специальный справочник. СПб.: Питер, 2002.-528 с.

17. Круглов В.В., Дли М.И., Голунов Р.Ю. Нечёткая логика и искусственные нейронные сети: учебное пособие. М.: Издательство Физико-математической литературы, 2001. - 224 с.

18. Kasztenny, В., Rosolowski, Е., Izykowski, J., Saha, М.М., Hillstrom, В. Fuzzy logic controller for on-load transformer tap changer. // IEEE Transactions on Power Delivery, Volume 13, January 1998. Page(s): 164 -170.

19. Yuan-Yih Hsu, Feng-Chang Lu. A combined artificial neural network-fuzzy dynamic programming approach to reactive power/voltage control in a distribution substation. // IEEE Transactions on Power Systems, Volume 13, November 1998. Page(s): 1265 -1271.

20. Feng-Chang Lu, Yuan-Yih Hsu. Fuzzy dynamic programming approach to reactive power/voltage control in a distribution substation. // IEEE Transactions on Power Systems, Volume 12, May 1997. Page(s): 681-687.

21. Kramer, J. Ruff. Transformers for Phase Angle Regulation Considering the Selection of On-Load Tap-Changers. // IEEE Transactions on Power Delivery, Volume 13, April 1998. Page(s): 518 -525.

22. Yorino N., Danyoshi M., Kitagawa M. Interaction among multiple controls in tap change under load transformers. // IEEE Transactions on Power Systems, Volume 12, February 1997. Page(s): 430 435.

23. Bansal, R.C. Bibliography on the fuzzy set theory applications in power systems 1994-2001. // IEEE Transactions on Power Systems, Volume: 18, November 2003. Page(s): 1291- 1299.

24. Zade L. A. The concept of a linguistic variable and its application to approximate reasoning. Part 1, 2, 3 // Information Sciences, n. 8 pp.199-249, pp.301-357; n. 9 pp. 43-80.

25. Smidth F. L. Computing with a human face. New Scientist, 6 may, 1982. Page(s): 345-352.

26. Sangalli A., and Klir G.R. Fuzzy logic goes to market, New Scientist, 8 Feb., 1992. Page(s): 27-31.

27. Манусов В.З. и др. Моделирование режимов систем электроснабжения в условиях неполной информации. / В.З. Манусов, С.И. Моисеев, И.Л. Озерных. Новосибирск: НЭТИ, 1985. - 75 с.

28. Богатырев Л.Л., Манусов В.З., Содномдорж Д. Математическое моделирование режимов электроэнергетических систем в условиях неопределенности. Улан Батор: Изд-во типографии МГТУ, 1999.-348 с.

29. Заде Л. Понятие лингвистической переменной и его применение к принятию приближённых решений. Пер. с англ. Н.И. Ринго. Под ред. Н.Н. Моисеева и С.А. Орловского. М.: Мир, 1976. - 165 с.

30. Кофман А., Хил Алуха X. Введение теории нечетких множеств в управлении предприятиями, Минск: Вышэйшая школа, 1992. 224 с.

31. Кофман А. Введение в теорию нечетких множеств М.: Радио и связь, 1982.-432 с.

32. Нечеткие множества и теория возможностей. Последние достижения./ Под ред. Р.Р.Ягера. М.: Радио и связь, 1986. - 408 с.

33. Дьяконов В., Круглов В. Математические пакеты расширения MATLAB. Специальный справочник. СПб.: Питер, 2001. - 480 с.

34. Дьяконов В. Simulink 4. Специальный справочник. СПб.: Питер, 2002.-528 с.

35. Riad В. Chedid. Adaptive fuzzy control for wind diesel weak power systems/ IEEE Transactions on Energy Conversion, Volume: 15, no. 1, March 2000. Page(s): 71- 78.

36. Дробышев А.Д. Учет климатических характеристик скорости ветра для оптимизации режимов работы ветроэнергетических установок //Труды Зап.Сиб.НИИ.- 1987.- Вып.80. С. 11 - 21.

37. Борисенко М.М. Основные направления клиатических исследований для целей энергетики //Прикладная климатология.- Сборник трудов Всесоюзного совещания.-Труды ГГО. 1990. - С. 239-241.

38. Ресурсы и эффективность использования возобновляемых источников энергии в России/ под ред. П.П. Безруких СПб.: Наука, 2002. 314 с.

39. Елистратов В.В., Кузнецов М.В. Теоретические основы нетрадиционной и возобновляемой энергетики. 4.1. Определение ветроэнергетических ресурсов региона.- СПб.: СПбГПУ, 2004. С. 60 - 66.

40. Рекомендации по определению климатических характеристик ветроэнергетических ресурсов. JL: Гидрометеоиздат, 1989. 80 с.

41. Вентцель Е. С. Теория вероятностей. М.: Наука, 1964. 575 с.

42. Методика определения ветроэнергетических ресурсов и оценки эффективности использования ветроэнергетических установок на территории России и стран СНГ // Рекомендации по стандартизации. Нетрадиционная энергетика. Ветроэнергетика. М., 1994. 78 с.

43. Wind Energy Resource Atlas of the United States. Pasific Northwest Laboratory. Richland. Washington 99352. DOE/CH 10094 4.1987. Page(s): 8286.

44. Sedelnikov A.V. The analysis of operating modes wind driven powerplant with application of fuzzy logic / V.Z. Manusov, A.V. Sedelnikov // Acit - 2005 Novosibirsk, Russia. - C. 486 - 489.

45. Руководящие материалы по проектированию электроснабжения сельского хозяйства. М., Сельэнергопроект, 1981. - С. 61 - 67.

46. Седельников А.В. Нечеткий регрессионный анализ при оценке потерь электрической энергии / В.З. Манусов, А.В. Седельников // Избранные труды НГТУ 2004, - Новосибирск, 2004. - С. 153 - 158.

47. Таранов М.А., Воронин С.М., Воронин А.С. Правила приведения случайных величин. В сб: Адаптивные технологии и технические средства в олеводстве и животноводстве. Зерноград: ВНИПТИМЭСХ, 2000. С. 287289.

48. В.И. Обрезков, A.M. Гохман. Гидроэлектрические станции в электроэнергетических системах. М.: Издательство Энергия, 1973. - 328 с.

49. Веников В.А., Веников Г.В. Теория подобия и моделирования.- М.: Высшая школа, 1984.-439 с.

50. Советов Б.Я., Яковлев С.А. Моделирование систем. М.: Высшая школа, 1999.-271 с.

51. Симанков B.C., Зангиев Т.Т. Системный анализ при решении структурных задач альтернативной энергетики / Институт современных технологий и экономики. Краснодар, 2001. - 151 с.

52. Математическое моделирование: Методы, описания и исследования сложных систем / Под ред. А.А. Самарского. М.: Наука, 1989. - 271 с.

53. А.В. Пиковский. Системы электрооборудования ветроэнергетических установок за рубежом. М.: Информэлектро, 1991. -135 с.

54. R.Poore, T.Lettenmaier. WindPACT advanced wind turbine drive traindesigns study.-NREL/SR-500-33196, 2002. Page(s): 23 25.

55. W.Musial, S. Butterfield, and A.Boone. Feasibility of floating platform syatems for wind turbines. NREL/SR-500-34874, 2004. Page(s): 14 - 18.

56. Heronemus, W.E., and Stoddard, F. Simple Arrays of Wind Turbines as a Practical Alternative to the Single Large Rotor Machines.- Poster Presentation for Windpower 2003 Conference & Exhibition, May 18 21, Austin, TX. Page(s): 68 - 75.