Modeling of the combined operation of a solar photovoltaic power plant and a system of electric energy storage
In view of the dependence of power generation at photovoltaic solar power plants on the level of intensity of solar radiation and cloud cover, their operation creates a number of problems in the power system. This article describes the problems of operation of such power plants of non-guaranteed cap...
Saved in:
| Date: | 2020 |
|---|---|
| Main Authors: | , |
| Format: | Article |
| Language: | Ukrainian |
| Published: |
General Energy Institute of the National Academy of Sciences of Ukraine
2020
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://systemre.org/index.php/journal/article/view/759 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | System Research in Energy |
| Download file: |  |
Institution
System Research in Energy| _version_ | 1871104266952769536 |
|---|---|
| author | Buratynskyi I.M. Nechaieva T.P. |
| author_facet | Buratynskyi I.M. Nechaieva T.P. |
| author_institution_txt_mv | [
{
"author": "Buratynskyi I.M.",
"institution": null
},
{
"author": "Nechaieva T.P.",
"institution": null
}
] |
| author_sort | Buratynskyi I.M. |
| baseUrl_str | https://systemre.org/index.php/journal/oai |
| collection | OJS |
| datestamp_date | 2026-07-18T12:57:46Z |
| description | In view of the dependence of power generation at photovoltaic solar power plants on the level of intensity of solar radiation and cloud cover, their operation creates a number of problems in the power system. This article describes the problems of operation of such power plants of non-guaranteed capacity during their parallel operation as a part of the Unified Energy System of Ukraine.One of the measures of stabilizing the operation of power plants of non-guaranteed capacity is the use of systems of electric energy storage. The article describes the conditions of electrical connection, which ensure the possibility of combined operation of a system of electric energy storage and a photovoltaic solar power plant.The article presents the developed mathematical model of the combined operation of a photovoltaic solar power plant (PSPP) and a system of electric energy storage. We consider the daily mode of recharging from a PSPP and discharging batteries into the power system in order to preserve the excess of generated electricity at the PSPP, which earlier was lost due to the restriction on inverters caused by the overload with photovoltaic power.The model enables one to identify the key parameters of batteries – power and capacity, taking into account the physical and technical features of the operation of battery storage as to the conversion efficiency, the number of working cycles and the depth of possible discharge depending on the structure of PSPP equipment and solar radiation intensity.Using the developed model, we determined the values of power, charging and discharging capacities of a lithium-ion system for storing electrical energy, when it works together with a 10 MWAC photovoltaic solar power plant at different overload factors.The article presents some results of technical and economic assessment of the combined operation of a PSPP and a lithium-ion system for storing electrical energy. The results showed an increase in the power and capacity of a storage device with increase in the overload factor of PSPP, which leads to the growth of cost of electrical energy at their combined work. At the same time, the amounts and quality of electricity supplied increase. |
| doi_str_mv | 10.15407/pge2020.03.030 |
| first_indexed | 2026-03-24T02:02:56Z |
| format | Article |
| fulltext |
30
І.М. БУРАТИНСЬКИЙ, Т.П. НЕЧАЄВА
ISSN 1562-8965. The Problems of General Energy, 2020, issue 3(62)
Для забезпечення балансу при роботі у складі
об’єднаної енергетичної системи (ОЕС) України
до електростанцій висувається ряд вимог. Осно-
вною вимогою їх паралельної роботи у складі
ОЕС є забезпечення централізованого оператив-
ного диспетчерського управління, принципом
роботи якого є забезпечення єдиного режиму
роботи суб’єктів та об’єктів електроенергетики з
урахуванням усіх технічних умов чи особливос-
тей роботи енергосистеми [1].
Сонячні фотоелектричні станції (СЕС) потуж-
ністю 1 МВт і більше є учасниками паралельної
роботи в складі енергосистеми. Вони повинні
відповідати вимогам такої роботи, а саме бути го-
товими до часткового або повного обмеження ви-
дачі потужності в енергосистему саме тоді, коли
цього потребують диспетчери [2].
СЕС відносяться до електростанцій нега-
рантованої потужності [3], тому що рівень їх
генерації залежить від погодних умов, інтен-
сивності сонячного випромінювання, хмарнос-
ті тощо. Максимум сонячного випромінювання
не співпадає з піковими потребами споживачів.
Зростання потужності генерації СЕС в енер-
госистемі відбувається у весняно-літні місяці,
саме тоді, коли спостерігається зниження на-
вантаження споживачів. Виникають проблеми з
балансування добового графіку навантаження,
через що вже відбуваються вимушені диспет-
черські обмеження часткового рівня генерації
на СЕС [4].
Останнім часом у структурі генеруючих по-
тужностей ОЕС України відбулось стрімке зрос-
тання частки СЕС. Так, за рік їх встановлена по-
тужність збільшилась більше ніж удвічі з 2,37 ГВт
у серпні 2019 р. до 4,91 ГВт того ж місяця 2020 р.
[5]. Враховуючи, що ОЕС України обтяжена ба-
зовими потужностями, має недостатній відсоток
маневрених потужностей та обмежені ресурси
гідрогенерації, збільшення частки негарантова-
ної потужності СЕС обумовлює пошук рішень з
підвищення гнучкості енергосистеми, зокрема,
МАТЕМАТИЧНЕ МОДЕЛЮВАННЯ
ЕНЕРГЕТИЧНИХ ОБ’ЄКТІВ І СИСТЕМ
ISSN 2522-4344 (Online), ISSN 1562-8965 (Print). The problems of general energy, 2020, 3(62): 30–36
doi: https://doi.org/10.15407/pge2020.03.030
УДК 621.311.25: 621.311.001.57 І.М. БУРАТИНСЬКИЙ, ORCID 0000-0003-2928-9621
Т.П. НЕЧАЄВА, канд. техн. наук, ORCID 0000-0001-9154-4545
Інститут загальної енергетики НАН України, вул. Антоновича, 172, м. Київ, 03150, Україна
МОДЕЛЮВАННЯ СУКУПНОЇ РОБОТИ СОНЯЧНОЇ ФОТОЕЛЕКТРИЧНОЇ
ЕЛЕКТРОСТАНЦІЇ ТА СИСТЕМИ АКУМУЛЮВАННЯ ЕЛЕКТРОЕНЕРГІЇ
Описано складнощі паралельної роботи у складі об’єднаної енергосистеми
України фотоелектричних сонячних електростанцій через їх негарантовану
потужність, обумовлену погодними умовами. Наведено математичну модель
сукупної роботи фотоелектричної сонячної електростанції та системи акуму-
лювання електричної енергії в режимі підтримки потужності. З використанням
розробленої моделі відповідно до структури фотоелектричної сонячної елек-
тростанції визначаються величини необхідної потужності та ємності батарей-
ної акумуляційної системи в умовах зміни інтенсивності сонячного випроміню-
вання. У цій моделі враховано фізико-технічні особливості роботи батарейного
накопичувача щодо ефективності перетворення, кількості робочих циклів та
глибини можливого розряджання. Сформовано вхідні показники та проведено
техніко-економічну оцінку сукупної роботи фотоелектричної сонячної електро-
станції та системи акумулювання електричної енергії.
К л ю ч о в і с л о в а: енергосистема, відновлювані джерела енергії, сонячна
фотоелектрична станція, коефіцієнт перевантаження, середньозважена собівар-
тість виробництва електроенергії.
© І.М. БУРАТИНСЬКИЙ, Т.П. НЕЧАЄВА, 2020
31
Моделювання сукупної роботи сонячної фотоелектричної електростанції та системи акумулювання електроенергії
ISSN 1562-8965. The Problems of General Energy, 2020, issue 3(62)
застосування акумуляційних систем накопичення
електроенергії.
Значні коливання рівня потужності генерації
СЕС обумовлені погодними умовами, зокрема
хмарністю. Спрогнозувати рівень інтенсивності
сонячного випромінювання для певної території
можна досить точно, але передбачити хмарність
значно важче через її мінливість. Тому часто фак-
тичні добові графіки потужності СЕС відрізняють-
ся від теоретичних, або прогнозних при сонячному
дні, відбувається недотримання заявленого графіка
виробництва електричної енергії. Для забезпечення
дотримання заявленого графіка виробництва елек-
троенергії на електростанціях, що використовують
енергію сонячного випромінювання, державою
введена відповідальність через штрафи у разі від-
хилення фактичних погодинних обсягів відпуску
електричної енергії від погодинного графіка більш
як на 5% у розмірі 50% від вартості врегулювання
небалансу з 2021 р. і 100% – з 2022 р. [6].
Через труднощі з балансування та специфіку
роботи СЕС потрібно знаходити нові методи, які
підвищуватимуть стабільність роботи електро-
станцій негарантованої потужності.
Метою дослідження є створення математичної
моделі скупної роботи фотоелектричної сонячної
електростанції з системою акумулювання елек-
тричної енергії для підтримки рівня потужності
та проведення техніко-економічної оцінки функ-
ціонування такої системи.
У напрямку моделювання сукупної роботи
СЕС та системи акумулювання електроенергії
(САЕ) проводиться ряд досліджень. Для прикладу,
у роботі [7] показано можливість збереження 80%
електроенергії, яка раніше втрачалась при обме-
женні на інверторах, за допомогою встановлення
літій-іонного накопичувача ємністю 600 кВт·год
до центрального інвертора СЕС потужністю
1,4 МВт, який працює в режимі обмеження по-
тужності. У статті [8] досліджено добовий графік
роботи сукупної роботи системи акумулювання
електроенергії та СЕС потужністю у декілька кі-
ловат з можливістю заряджання у піки сонячного
випромінювання та розряджання у відповідності
до потреб промислового підприємства, яке пра-
цює у німецькій енергосистемі. Дослідження [9]
показує важливість таких ключових параметрів
накопичувача, як величина потужності, ємності
та ефективності перетворення при визначенні се-
редньозваженої собівартості виробництва та збе-
рігання електричної енергії при спільній роботі з
фотоелектричною сонячною електростанцією.
Проведені дослідження з вибору найбільш
економічно прийнятної структури сонячної елек-
тростанції в частині співвідношення потужності
постійного (DC, Direct Current) та змінного стру-
му (АС, Alternating Current) [10], що визначається
коефіцієнтом перевантаження, створили підґрун-
тя для моделювання впровадження САЕ для су-
купної роботи з СЕС. При збільшенні потужності
постійного струму над потужністю змінного стру-
му вище дозволеної потужності приєднання до
електричних мереж (згідно технічних умов (ТУ))
виникає надлишок згенерованої СЕС електро-
енергії, який через обмеження на інверторах (Grid
Limit) безповоротно втрачається.
У цьому дослідженні з метою усунення коли-
вань потужності СЕС передбачено застосування
системи акумуляції для збереження електроенер-
гії, яка раніше втрачалась при обмеженні на ін-
верторах, з перенесенням надлишкової генерації
на СЕС протягом доби з періоду піку сонячного
випромінювання в періоди зниження потужності
виробництва електроенергії.
Проведений огляд застосування САЕ в енерго-
системах з великим обсягом відновлюваних дже-
рел енергії [11] показав, що для сукупної роботи
з СЕС найкраще підходять системи електрохіміч-
ного типу, які працюють на базі літій-іонних аку-
муляторних батарей.
Важливою умовою спільної роботи СЕС та
САЕ є розташування їх в максимальній близькості
один до одного. Це зумовлено зменшенням втрат у
лініях електропередачі. Приєднання СЕС та САЕ
можна здійснити зі сторони змінного (АС coupled)
або постійного струму (DС coupled). Схема при-
єднання зі сторони змінного струму є досить
простою та її реалізувати можна шляхом вста-
новлення додаткового обладнання на збірні шини
розподільчого пункту (РП) чи трансформаторної
підстанції (ТП). Тому у даному дослідженні роз-
глядається приєднання САЕ до СЕС зі сторони
змінного струму до шин РП. Подача сигналів про
початок, закінчення заряджання чи розряджання
здійснюється за допомогою системи управління
енергією (EMS, Energy Management System), яка
встановлюється на САЕ. Електрична схема дослі-
джуваної системи показана на рис.1.
Рис. 1. Електрична схема досліджуваної
установки СЕС та САЕ
32
І.М. БУРАТИНСЬКИЙ, Т.П. НЕЧАЄВА
ISSN 1562-8965. The Problems of General Energy, 2020, issue 3(62)
Обсяги електроенергії, яка видається в енерго-
систему, фіксується за допомогою лічильника елек-
тричної енергії. Дана схема не передбачає можли-
вість для САЕ виконувати заряджання з енергосис-
теми, тому вона працює лише з електроенергією,
виробленою на СЕС. Для інших випадків слід вста-
новлювати лічильник, який працює в дві сторони.
Потужність, яка вироблена на СЕС та відпуще-
на в енергосистему, визначається встановленою
потужністю фотоелектричних модулів (ФЕМ)
та пропускною спроможністю інверторного об-
ладнання. Потужність відпуску електроенергії з
СЕС в енергосистему в період часу t визначається
з урахуванням інтенсивності сонячного випромі-
нювання та обмеження потужності приєднання до
електричних мереж згідно ТУ:
, (1)
де – значення потужності генерації на
СЕС, яка видається в енергосистему в період часу
t протягом доби, МВт; – встановлена потуж-
ність змінного струму СЕС, МВт; – встанов-
лена потужність постійного струму СЕС, МВт;
tI – інтенсивність сонячного випромінювання
(інсоляція), в.о; – ефективність перетворення
сонячної енергії на СЕС (PR, Performance Ratio),
частка. У межах одного часового періоду t по-
тужність змінного, постійного струму та інтен-
сивність сонячного випромінювання приймається
постійною.
Враховуючи мету застосування накопичувача
для збереження всієї надлишкової електричної
енергії при перевищенні допустимої потужнос-
ті приєднання згідно ТУ, потужність заряджання
САЕ визначається з відповідних обмежень:
, (2)
де EESchrgP – потужність заряджання САЕ у період
t , МВт.
Для окремих проміжків часу потужність за-
ряджання САЕ може мати різне значення, тому
для правильного підбору комутуючого та пере-
творювального обладнання змінного струму САЕ
необхідно визначити максимальну потужність за-
ряджання САЕ:
tESSchrg
Tt
ESSchrg PP
1max max , (3)
де ESSchrgPmax – максимальна потужність заряджання
САЕ, МВт; T – загальна кількість проміжків часу,
що розглядаються, протягом доби (для 15-ти хви-
линного добового графіку 96T ).
Наступним ключовим параметром, який ви-
значає структуру обладнання САЕ, є ємність за-
ряджання. Вона визначається сумою всіх обсягів
накопиченої електроенергії протягом часових пе-
ріодів заряджання:
, (4)
де – ємність заряджання САЕ, МВт·год;
peakafterT , – часовий період, з якого починається об-
меження генерації СЕС; t – тривалість кожного
часового періоду; RT – ефективність перетворен-
ня САЕ (RT, Round Trip Effi ciency), частка.
Ємність, яку можна розрядити, завжди буде
меншою, ніж ємність заряджання, тому що вона
обмежується глибиною розряджання та ефектив-
ністю перетворення САЕ:
RTDoDESSchrgESSdisch kCC , (5)
де ESSdischC – ємність розряджання САЕ, МВт·год;
DoDk – глибина розряджання САЕ, частка.
Потужність розряджання САЕ протягом часо-
вого періоду t визначається з ємності розряджан-
ня в акумуляторах накопичувача:
, (6)
де – потужність розряджання САЕ у пе-
ріод часу t , МВт; m – кількість часових періодів.
Завершення розряджання накопичувача на-
стає тоді, коли закінчується накопичена електро-
енергія в акумуляторах. Залишкова ємність нако-
пичувача у період часу t визначається з ємності
розряджання накопичувача та обсягу розрядженої
протягом цього часового періоду електроенергії:
, (7)
де tSoC – залишкова ємність в акумуляторах САЕ
на період часу t , МВт·год.
Із врахуванням залишкової ємності в акумуля-
торах, вихідна фактична потужність розряджання
визначатиметься як:
, (8)
де t
ESSoutP – вихідна фактична потужність розря-
джання САЕ в період часу t , МВт.
33
Моделювання сукупної роботи сонячної фотоелектричної електростанції та системи акумулювання електроенергії
ISSN 1562-8965. The Problems of General Energy, 2020, issue 3(62)
Максимальна вихідна фактична потужність
розряджання накопичувача визначається:
tESSout
Tt
ESSout PP
1max max , (9)
де ESSoutPmax – максимальна потужність розряджан-
ня, МВт.
Сумарні обсяги відпущеної електроенергії
протягом доби при спільній роботі СЕС та САЕ
визначаються сумою обсягів відпущеної від СЕС
та розрядженої в енергосистему з САЕ електро-
енергії протягом кожного часового періоду:
T
t
t
ESSout
t
PVoutSYSTEM tPPE
1
, (10)
де SYSTEME − сумарні обсяги відпущеної електро-
енергії протягом доби при спільній роботі СЕС та
САЕ, МВт·год.
Умовою повного розряджання САЕ протягом
доби при сукупній роботі з СЕС межах допустимої
глибини розряджання буде виконання рівності:
0 tPC t
ESSoutESSdisch . (11)
Для апробації розробленої моделі (1) – (11)
використано дані по рівню інтенсивності соняч-
ного випромінювання супутникової бази даних
HelioClim-3 із загальнодоступного онлайн-ре-
сурсу [12]. Територія дослідження – географіч-
ний центр України (координати 49.004 пн.ш. та
31.294 сх.д.) у Черкаській області. Для дослі-
дження було використано 15-ти хвилинні дані
хмарного дня 19 травня 2004 р. Результати моде-
лювання за допомогою розробленої математич-
ної моделі (1) – (11) сукупної роботи СЕС та САЕ
для досліджуваного дня показано на рис. 2.
Рис. 2. Результати моделювання сукупної
роботи СЕС та САЕ для хмарного дня
Розглядалася СЕС встановленою потужністю
ФЕМ 22 МВт. Крива «СЕС» на рисунку пока-
зує значення потужності виробництва електро-
енергії на СЕС без застосування обмеження на
інверторах, а крива «СЕС (Grid Limit)» із за-
стосуванням для СЕС обмеження на інверторах
10 МВт (АC). Результуюча крива «СЕС+САЕ»,
відповідно до розробленої математичної моде-
лі (1) – (11), представляє відпуск електричної
енергії в енергосистему при спільній роботі
СЕС та САЕ ефективністю (RT) – 95% та глиби-
ною розряду 80%.
Як видно з рис. 2, САЕ заряджається, коли
потужність виробництва електроенергії на СЕС
перевищує дозволену потужність згідно ТУ. Як
тільки через хмарність або через інші причини
відбувається зниження рівня потужності на СЕС
нижче рівня потужності приєднання, відбува-
ється розряджання акумуляторів. Таким чином,
у піки сонячного випромінювання вирівнюється
крива сукупної роботи СЕС та САЕ та зберіга-
ються всі обсяги виробленої електроенергії на
СЕС, які раніше втрачались при обмеженні на
інверторах через перевантаження [10].
Важливою перевагою сукупної роботи СЕС
та САЕ, яка працює у відповідності до розро-
бленої математичної моделі (1) – (11), є стабі-
лізація рівня потужності видачі електроенергії
в енергосистему. Як видно з рис. 2, потужність
на максимально дозволеному рівні 10 МВт (АС)
підтримується з 11:30 до 16:00 год, що робить в
цей період таку систему стійкою до хмарності.
Також з рис. 2 видно, що на кривій «СЕС +
САЕ» відсутній пік. Враховуючи, що диспет-
черські обмеження СЕС в основному відбува-
ються з метою зниження піку їх виробництва
електричної енергії, його відсутність знижує
необхідність вводити диспетчерські обмеження
для роботи таких систем.
Оскільки САЕ працює з СЕС лише 4,5 год
протягом доби, то у вільний від сукупної роботи
час з її допомогою можна виконувати інші зада-
чі для енергосистеми. Враховуючи необхідність
регулювати частоту та активну потужність,
підтримувати параметри надійності та якості
електричної енергії в ОЕС України, вирівнюва-
ти добовий графік електричного навантаження
(ГЕН), САЕ може надавати допоміжні послуги
на ринку електричної енергії з метою отриман-
ня додаткового прибутку.
Крім того, застосування САЕ для сукупної
роботи з СЕС може зменшити фінансове наван-
таження від штрафів за небаланс. Якщо перед-
бачити відповідний запас по ємності накопи-
чення, САЕ може заряджатись/розряджатись та
вирівнювати неточності при відхиленні фактич-
ного графіка виробництва електричної енергії
на СЕС до прогнозованого рівня.
34
І.М. БУРАТИНСЬКИЙ, Т.П. НЕЧАЄВА
ISSN 1562-8965. The Problems of General Energy, 2020, issue 3(62)
Економічну оцінку сукупної роботи СЕС та
САЕ, відповідно до розробленої математичної мо-
делі (1) – (11), проведено з використанням методи-
ки визначення середньозваженої собівартості ви-
робництва електроенергії (LCOE, англ. Levelized
Cost of Electricity) та зберігання електроенергії
(LCOS, англ. Levelized Cost of Storage) за життє-
вий цикл. Так як модель передбачає сукупну робо-
ту СЕС та САЕ протягом доби, економічну оцінку
проведено для добової собівартості відпущеної
від цієї системи електроенергії.
Середньозважені витрати при спільній роботі
СЕС та САЕ, які визначаються з загальних дискон-
тованих витрат протягом життєвого циклу цієї сис-
теми [13] з використанням коефіцієнту повернення
капіталу (CRF, Capital Recovery Factor), вважались
рівномірно розподіленими для кожної доби року.
Добова собівартість відпущеної електроенергії
при сукупній роботі СЕС та САЕ визначається з їх
сумарних добових середньозважених витрат та за-
гального добового обсягу відпущеної електроенергії:
SYSTEM
n
i
ESSPVESSPV
SYSTEM
E
CRFOC
PCOE 1
,, 365/
, (12)
де SYSTEMPCOE – добова собівартість при сукуп-
ній роботі СЕС та САЕ, $/МВт∙год; n – термін
життєвого циклу системи, років; ESSPVC , – сумарні
середньозважені річні капітальні витрати СЕС та
САЕ (CAPEX), $; ESSPVO , – сумарні річні опера-
ційні витрати для СЕС та САЕ (OPEX), $; CRF –
коефіцієнт повернення капіталу; 365 – кількість
днів у році.
Для техніко-економічної оцінки сукупної
роботи СЕС та САЕ використовувались вхідні
дані з цінами на обладнання станом на 2020 р.
(табл. 1).
Розрахунки проводились для коефіцієнта пе-
ревантаження від 1,6 до 2,2 з кроком зміни 0,1.
Результати техніко-економічних розрахунків при
сукупній роботі СЕС потужністю 10 МВт (АС) та
САЕ показано в табл. 2.
Результати розрахунку техніко-економічних
показників показують, що зі збільшенням кое-
фіцієнта перевантаження СЕС зростають потре-
би у потужності та ємності САЕ. За допомогою
САЕ можна збільшити обсяги відпущеної е/е в
енергосистему, що видно при порівнянні обсягів
відпуску електричної енергії з СЕС та при її су-
купній роботі з САЕ.
Зростання добових витрат відбувається як при
збільшенні коефіцієнта перевантаження для СЕС,
так і при її сукупній роботі з САЕ. Збільшення
потужності та ємності накопичувача також при-
зводить до зростання добових витрат та добової
собівартості сукупної роботи СЕС та САЕ.
Протягом останніх років у світі відбувається
тенденція здешевлення вартості літій-іонних аку-
муляторів, яке відбувається в середньому на 18%
за рік [17]. Тому можна оцінити, як зміняться еко-
номічні показники при зменшенні капітальних ін-
вестиції у акумуляційне обладнання. Для отриман-
ня прогнозних економічних показників (пункт 3
табл. 2) враховано зниження вартості капітальних
витрат у впровадження акумуляторних батарей з
200 до 100 $/кВт·год. З результатів прогнозних роз-
рахунків видно, що зниження вартості капітальних
витрат у впровадження акумуляторних батарей
при порівнянні їх з показниками по цінам станом
на 2020 р. дозволяє знизити добові витрати та со-
бівартість виробництва електричної енергії.
Таблиця 1. Вхідні дані для техніко-економічних розрахунків
№ Показник
Одиниця виміру Значення
Примітка
СЕС САЕ СЕС САЕ
1 Розподіл запозичених/власних коштів частка 70,0/30,0 [14]
2 Кредитна ставка % 13,39 [14]
3 Час повернення кредиту років 4,0 [14]
4 Ставка дисконтування % 10,69 розрахунок
WACC
5 Термін експлуатації років 20 [15]
6 Частка витрат на ЕРС від капітальних
інвестицій % 14,0 11,2 [15]
7 Питомі капітальні витрати у DС обладнання $/кВт $/кВт·год 500,0 200,0 [16]
8 Питомі капітальні витрати у АС обладнання $/кВт $/кВт·год 215,0 100,0 [16]
9 Питомі операційні витрати у DС обладнання $/кВт $/кВт·год 6,4 9,8 [16]
10 Питомі операційні витрати у АС обладнання $/кВт $/кВт·год 1,6 5,85 [16]
35
Моделювання сукупної роботи сонячної фотоелектричної електростанції та системи акумулювання електроенергії
ISSN 1562-8965. The Problems of General Energy, 2020, issue 3(62)
ВИСНОВКИ
1. Математична модель сукупної роботи фо-
тоелектричної сонячної електростанції та систе-
ми акумулювання електричної енергії дозволяє
визначати ключові показники накопичувача –
потужність та ємність залежно від структури
обладнання СЕС, інтенсивності сонячного ви-
промінювання з метою збереження надлишко-
вої фотоелектричної потужності при обмежен-
ні на інверторах.
2. Сукупна робота системи акумулювання в
умовах підтримки потужності СЕС забезпечує
стабільність виробництва електричної енергії,
роблячи її стійкою до хмарності в періоди макси-
мального сонячного випромінювання.
3. Проведена техніко-економічна оцінка
спільної роботи СЕС та акумуляційної систе-
ми при збільшенні коефіцієнта перевантажен-
ня СЕС показала зростання обсягів відпущеної
електроенергії та собівартості з відповідним
збільшенням необхідної потужності та ємності
накопичувача.
4. Розроблена математична модель та отри-
мані результати дослідження дають підґрунтя
Таблиця 2. Техніко-економічні показники сукупної роботи СЕС потужністю 10 МВт (АС) та САЕ
№ Показник Одиниця
виміру
Номер варіанту
1 2 3 4 5 6 7
1 Технічні показники
1.1 Коефіцієнт перевантаження СЕС - 1,60 1,7 1,8 1,9 2,0 2,1 2,2
1.2 Потужність СЕС МВт (DС) 16,0 17,0 18,0 19,0 20,0 21,0 22,0
1.3 Макс. потужн. заряджання САЕ МВт (АС) 1,26 1,96 2,67 3,37 4,07 4,78 5,48
1.4 Макс. потужн. розряджання САЕ МВт (АС) 2,17 1,68 3,20 5,13 4,87 4,62 4,72
1.5 Ємність заряджання САЕ МВт·год 0,72 1,39 2,28 3,32 4,56 6,06 7,70
1.6 Ємність розряджання САЕ МВт·год 0,55 1,05 1,73 2,52 3,47 4,6 5,85
1.7 Обсяги відпущеної е/е на СЕС МВт·год 68,00 71,44 74,64 77,68 80,46 82,89 85,17
1.8 Обсяги відпущеної е/е СЕС + САЕ МВт·год 69,04 72,71 76,43 80,20 83,92 87,50 91,03
1.9 Збільшення обсягів відпуску е/е % 1,54 1,79 2,40 3,25 4,31 5,55 6,87
2 Економічні показники
2.1 Добові витрати на СЕС $/добу 5253 5517 5782 6046 6310 6575 6839
2.2 Добові витрати на СЕС та САЕ $/добу 5671 6295 7026 7826 8721 9738 10825
2.3 Збільшення добових витрат % 7,96 14,10 21,52 29,44 38,21 48,12 58,29
2.4 Добова собівартість електроенергії
СЕС $/МВт∙год 77,26 77,24 77,47 77,83 78,43 79,31 80,29
2.5 Добова собівартість електроенергії
від СЕС та САЕ $/МВт∙год 82,1 86,6 91,9 97,6 103,9 111,3 118,0
2.6 Збільшення собівартості
електроенергії % 6,32 12,09 18,67 25,37 32,50 40,33 48,11
3 Економічні показники (прогнозні)
3.1 Добові витрати на СЕС та САЕ $/добу 5544 6050 6622 7238 7913 8665 9460
3.2 Збільшення добових витрат % 5,54 9,64 14,53 19,71 25,40 31,79 38,33
3.3 Добова собівартість електроенергії
СЕС $/МВт∙год 80,3 83,2 86,6 90,2 94,3 99,0 103,9
3.4 Збільшення собівартості
електроенергії % 3,93 7,72 11,85 16,95 20,22 24,86 29,43
36
І.М. БУРАТИНСЬКИЙ, Т.П. НЕЧАЄВА
ISSN 1562-8965. The Problems of General Energy, 2020, issue 3(62)
для проведення подальших досліджень сукуп-
ної роботи фотоелектричної сонячної електро-
станції та системи акумулювання електроенер-
гії в умовах паралельної роботи в об’єднаній
енергосистемі.
1. Про затвердження Правил взаємовідносин між
Державним підприємством «Національна енергетич-
на компанія «Укренерго» та суб’єктами (об’єктами)
електроенергетики в умовах паралельної роботи в
складі Об’єднаної енергетичної системи України:
Наказ Міністерства палива та енергетики Украї-
ни від 02.06.2008 №303. URL: https://zakon.rada.
gov.ua/laws/show/z0673-08#Text (дата звернення:
08.08.2020).
2. Про затвердження Кодексу системи передачі:
Постанова Національної комісії, що здійснює держав-
не регулювання у сферах енергетики та комунальних
послуг від 14.03.2018 № 309. URL: https://zakon.rada.
gov.ua/laws/show/v0309874-18#Text (дата звернення:
08.08.2020).
3. НЕК «Укренерго». (2019). Звіт з оцінки відпо-
відності (достатності) генеруючих потужностей. URL:
https://ua.energy/wp-content/uploads/2020/03/Zvit-z-
otsinky-dostatnosti-generuyuchyh-potuzhnostej-2019.
pdf (дата звернення: 15.08.2020).
4. НЕК «Укренерго». (2020). Укренерго за-
кликає НКРЕКП запобігти необґрунтованим від-
мовам ВДЕ виконувати диспетчерські команди з
операційної безпеки. URL: https://ua.energy/media/
pres-tsentr/pres-relizy/ukrenergo-zaklykaye-nkrekp-
zapobigty-neobgruntovanym-vidmovam-vde-vykonuvaty-
dyspetcherski-komandy-z-operatyvnoyi-bezpeky/ (дата
звернення: 10.07.2020).
5. НЕК «Укренерго». (2019). Встановлена по-
тужність відновлювальних джерел енергії за
2015–2020 роки. URL: https://ua.energy/vstanovlena-
potuzhnist-energosystemy-ukrayiny/ (дата звернення:
10.07.2020).
6. Про внесення змін до деяких законів України
щодо удосконалення умов підтримки виробництва
електричної енергії з альтернативних джерел енер-
гії: Закон України 810-IX від 21.07.2020. URL: https://
zakon.rada.gov.ua/laws/show/810-20#Text (дата звернен-
ня: 08.08.2020).
7. Müller, N., Kouro, S., Zanchetta, P., Wheeler, P.,
Bittner, G., & Girardi, F. (2019). Energy Storage Sizing
Strategy for Grid-Tied PV Plants under Power Clipping
Limitations. Energies. Vol. 12(9), 1812. https://doi.
org/10.3390/en12091812
8. Comello S., Reichelstein S. The emergence of cost
eff ective battery. Nature Communications. 2019. Vol. 10,
2038. https://doi.org/10.1038/s41467-019-09988-z
9. Lai C.S., McCulloch M. Levelized cost of electricity
for solar photovoltaic and electrical energy storage.
Applied Energy. 2017. Vol. 190. P. 191―203. https://doi.
org/10.1016/j.apenergy.2016.12.153
10. Буратинський І.М., Нечаєва Т.П., Шуль-
женко С.В. Оптимізація структури обладнання
фотоелектричної сонячної електростанції. Пробле-
ми загальної енергетики. 2020. Вип. 2(61). С. 17—22.
https://doi.org/10.15407/pge2020.02.017.
11. Буратинський І.М. Аналіз застосування систем
акумулювання електроенергії в енергосистемах з ве-
ликим обсягом відновлюваних джерел енергії. Пробле-
ми загальної енергетики. 2019. Вип. 4(59). С. 63—67.
https://doi.org/10.15407/pge2019.04.063.
12. Solar radiation data (SoDa). HelioClim-3 Archives
service: веб-сайт. URL: http://www.soda-pro.com/web-
services/radiation/helioclim-3-archives-for-free (дата
звернення: 18.08.2020).
13. Нечаєва Т.П. Оцінка сукупної роботи батарей-
них систем накопичення енергії з електростанціями на
відновлюваних джерелах енергії. Проблеми загальної
енергетики. 2019. Вип. 3(58). С. 11—16. https://doi.
org/10.15407/pge2019.03.011
14. Кредити на придбання сонячних електростанцій
і теплових насосів. Програма «Еко енергія Simple»:
веб-сайт. URL: https://www.ukrgasbank.com/private/
credits/eco_energy/ (дата звернення: 11.08.2020).
15. Lazard. (2019). Lazard’s levelized cost of storage
analysis – version 5.0. URL: https://www.lazard.com/
media/451087/lazards-levelized-cost-of-storage-version-
50-vf.pdf (дата звернення: 19.08.2020).
16. U.S. Energy Information Administration. (2020).
Capital Cost and Performance Characteristic Estimates
for Utility Scale Electric Power Generating Technologies.
Project No. 13651.005. URL: https://www.eia.gov/
analysis/studies/powerplants/capitalcost/pdf/capital_cost_
AEO2020.pdf
17. Bloomberg NEF. (2019), A Behind the Scenes Take
on Lithium-ion Battery Prices. URL: https://about.bnef.
com/blog/behind-scenes-take-lithium-ion-battery-prices/
(дата звернення: 09.08.2020).
Надійшла до редколегії: 26.08.2020
|
| id | systemreorg-article-759 |
| institution | System Research in Energy |
| keywords_txt_mv | keywords |
| language | Ukrainian |
| last_indexed | 2026-07-19T01:21:22Z |
| publishDate | 2020 |
| publisher | General Energy Institute of the National Academy of Sciences of Ukraine |
| record_format | ojs |
| resource_txt_mv | systemreorg/d9/bf1552006eb9549cffe8dd076d32d4d9.pdf |
| spelling | systemreorg-article-7592026-07-18T12:57:46Z Modeling of the combined operation of a solar photovoltaic power plant and a system of electric energy storage Моделювання сукупної роботи сонячної фотоелектричної електростанції та системи акумулювання електроенергії Buratynskyi I.M. Nechaieva T.P. energy system, renewable energy sources, solar photovoltaic plant, overload coefficient, weighted average cost of electricity production енергосистема, відновлювані джерела енергії, сонячна фотоелектрична станція, коефіцієнт перевантаження, середньозважена собівартість виробництва електроенергі In view of the dependence of power generation at photovoltaic solar power plants on the level of intensity of solar radiation and cloud cover, their operation creates a number of problems in the power system. This article describes the problems of operation of such power plants of non-guaranteed capacity during their parallel operation as a part of the Unified Energy System of Ukraine.One of the measures of stabilizing the operation of power plants of non-guaranteed capacity is the use of systems of electric energy storage. The article describes the conditions of electrical connection, which ensure the possibility of combined operation of a system of electric energy storage and a photovoltaic solar power plant.The article presents the developed mathematical model of the combined operation of a photovoltaic solar power plant (PSPP) and a system of electric energy storage. We consider the daily mode of recharging from a PSPP and discharging batteries into the power system in order to preserve the excess of generated electricity at the PSPP, which earlier was lost due to the restriction on inverters caused by the overload with photovoltaic power.The model enables one to identify the key parameters of batteries – power and capacity, taking into account the physical and technical features of the operation of battery storage as to the conversion efficiency, the number of working cycles and the depth of possible discharge depending on the structure of PSPP equipment and solar radiation intensity.Using the developed model, we determined the values of power, charging and discharging capacities of a lithium-ion system for storing electrical energy, when it works together with a 10 MWAC photovoltaic solar power plant at different overload factors.The article presents some results of technical and economic assessment of the combined operation of a PSPP and a lithium-ion system for storing electrical energy. The results showed an increase in the power and capacity of a storage device with increase in the overload factor of PSPP, which leads to the growth of cost of electrical energy at their combined work. At the same time, the amounts and quality of electricity supplied increase. Враховуючи залежність потужності генерації на фотоелектричних сонячних електростанціях від рівня інтенсивності сонячного випромінювання та хмарності, їх робота створює ряд проблем в енергосистемі. У статті описано проблеми роботи таких електростанцій негарантованої потужності при їх паралельній роботі у складі об’єднаної енергосистеми України.Одним із заходів стабілізації роботи електростанцій негарантованої потужності є застосування систем акумулювання електричної енергії. У роботі описано умови електричного приєднання, яке забезпечує можливість сукупної роботи системи акумулювання електричної енергії та фотоелектричної сонячної електростанції.У статті наведено розроблену математичну модель сукупної роботи фотоелектричної сонячної електростанції та системи акумулювання електричної енергії. Розглянуто добовий режим заряджання від СЕС та розряджання акумуляторів в енергосистему з метою збереження надлишку виробленої електроенергії на СЕС, яка раніше втрачалась при обмеженні на інверторах через перевантаження фотоелектричною потужністю.Модель дозволяє визначити ключові параметри накопичувача – потужність та ємність, з урахуванням фізико-технічних особливостей роботи батарейного накопичувача щодо ефективності перетворення, кількості робочих циклів та глибини можливого розряджання в залежності від структури обладнання СЕС та інтенсивності сонячного випромінювання.З використанням розробленої моделі визначено значення потужності, ємності заряджання та розряджання для літій-іонної системи акумулювання електричної енергії при її спільній роботі з СЕС потужністю 10 МВт за різних коефіцієнтів її перевантаження.У статті наведено результати техніко-економічної оцінки сукупної роботи фотоелектричної сонячної електростанції та літій-іонної системи акумулювання електричної енергії. Результати показали зростання потужності та ємності накопичувача при збільшенні коефіцієнта перевантаження СЕС, що призводить до збільшення собівартості електроенергії при їх спільній роботі. Водночас зростають обсяги та якість відпущеної електроенергії. General Energy Institute of the National Academy of Sciences of Ukraine 2020-09-29 Article Article application/pdf https://systemre.org/index.php/journal/article/view/759 10.15407/pge2020.03.030 System Research in Energy; No. 3 (62) (2020): The Problems of General Energy; 30-36 Системні дослідження в енергетиці; № 3 (62) (2020): Проблеми загальної енергетики; 30-36 2786-7102 2786-7633 uk https://systemre.org/index.php/journal/article/view/759/654 Copyright (c) 2020 Buratynskyi I.M., Nechaieva T.P. https://creativecommons.org/publicdomain/zero/1.0 |
| spellingShingle | energy system renewable energy sources solar photovoltaic plant overload coefficient weighted average cost of electricity production Buratynskyi I.M. Nechaieva T.P. Modeling of the combined operation of a solar photovoltaic power plant and a system of electric energy storage |
| title | Modeling of the combined operation of a solar photovoltaic power plant and a system of electric energy storage |
| title_alt | Моделювання сукупної роботи сонячної фотоелектричної електростанції та системи акумулювання електроенергії |
| title_full | Modeling of the combined operation of a solar photovoltaic power plant and a system of electric energy storage |
| title_fullStr | Modeling of the combined operation of a solar photovoltaic power plant and a system of electric energy storage |
| title_full_unstemmed | Modeling of the combined operation of a solar photovoltaic power plant and a system of electric energy storage |
| title_short | Modeling of the combined operation of a solar photovoltaic power plant and a system of electric energy storage |
| title_sort | modeling of the combined operation of a solar photovoltaic power plant and a system of electric energy storage |
| topic | energy system renewable energy sources solar photovoltaic plant overload coefficient weighted average cost of electricity production |
| topic_facet | energy system renewable energy sources solar photovoltaic plant overload coefficient weighted average cost of electricity production енергосистема відновлювані джерела енергії сонячна фотоелектрична станція коефіцієнт перевантаження середньозважена собівартість виробництва електроенергі |
| url | https://systemre.org/index.php/journal/article/view/759 |
| work_keys_str_mv | AT buratynskyiim modelingofthecombinedoperationofasolarphotovoltaicpowerplantandasystemofelectricenergystorage AT nechaievatp modelingofthecombinedoperationofasolarphotovoltaicpowerplantandasystemofelectricenergystorage AT buratynskyiim modelûvannâsukupnoírobotisonâčnoífotoelektričnoíelektrostancíítasistemiakumulûvannâelektroenergíí AT nechaievatp modelûvannâsukupnoírobotisonâčnoífotoelektričnoíelektrostancíítasistemiakumulûvannâelektroenergíí |