ENSURING THE ENERGY BALANCE IN THE LOCAL SYSTEM WITH RENEWABLE GENERATION
The aim of the paper is to study the possibilities of providing the local consumer with electricity from renewable sources to reduce dependence on centralized supply. The peculiarity of the task is the random influence of renewable energy and consumption on ensuring the energy balance in the local p...
Збережено в:
| Дата: | 2023 |
|---|---|
| Автори: | , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Українська |
| Опубліковано: |
Institute of Renewable Energy National Academy of Sciences of Ukraine
2023
|
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://ve.org.ua/index.php/journal/article/view/380 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Vidnovluvana energetika |
| Завантажити файл: |  |
Репозитарії
Vidnovluvana energetika| _version_ | 1871103594007101440 |
|---|---|
| author | Kuznietsov, M. Lysenko, O. |
| author_facet | Kuznietsov, M. Lysenko, O. |
| author_institution_txt_mv | [
{
"author": " M. Kuznietsov",
"institution": "National Technical University of Ukraine «Igor Sikorsky, Kyiv."
},
{
"author": "O. Lysenko",
"institution": "Swedish Environmental Research Institute, IVL Svenska Miljöinstitutet, Gothenburg."
}
] |
| author_sort | Kuznietsov, M. |
| baseUrl_str | https://ve.org.ua/index.php/journal/oai |
| collection | OJS |
| datestamp_date | 2026-07-18T06:32:17Z |
| description | The aim of the paper is to study the possibilities of providing the local consumer with electricity from renewable sources to reduce dependence on centralized supply. The peculiarity of the task is the random influence of renewable energy and consumption on ensuring the energy balance in the local power system, by choosing the composition and capacities of renewable generation and auxiliary equipment. A storage battery and a conventional fuel generator are considered as auxiliary balancing equipment. A simulation model was applied, which allows taking into account the peculiarities of this system and the non-guaranteed nature of the power of solar or wind plants. The components of the power balance are described as the decomposition of a certain random process, which is a feature of this model. The volume of needs for energy flows between local and centralized energy systems, their variability with different parameters of accumulation and auxiliary generator is calculated. The combination of wind and solar energy makes it possible to reduce dependence on the general electricity grid. The same result is provided by the use of intermediate energy accumulators and an auxiliary source such as a diesel generator. A comparison of the energy balancing indicates the different role of wind and solar energy at different times of the year: the use of installed capacity and the level of energy consumption can vary significantly. Other influencing factors are the speed of battery charging and energy loss during conversion - the consequence is the need for different duration of operation of the auxiliary generator and frequency of its activation. The reliability of the simulated results is verified by comparing them with real examples, the differences are at the level of 5-10 %. The proposed model allows us to choose the configuration of generating and auxiliary equipment with a known mode of electricity consumption, and to evaluate the possibilities of ensuring the energy balance. Bible 23, fig. 3, tab. 9.
  |
| doi_str_mv | 10.36296/1819-8058.2023.1(72).6-18 |
| first_indexed | 2025-07-17T11:38:55Z |
| format | Article |
| fulltext |
6
Відновлювана енергетика. №1/2023 | Комплексні проблеми енергетичних систем на основі НВДЕ
УДК 621.311 https://doi.org/10.36296/1819-8058.2023.1(72)6-18
ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ БАЛАНСУ ЕНЕРГІЇ В ЛОКАЛЬНІЙ СИСТЕМІ З ВІДНОВЛЮВАНОЮ ГЕНЕРАЦІЄЮ
Отримано 20 груд. 2022; рекомендовано до публікації 22 бер. 2023
Доступно онлайн 31 бер. 2023
М. П. Кузнєцов 1, 2, О. Лисенко 3, 4
Автор для коресподенції: Микола Кузнєцов,
e-mail: renewable@ukr.net
Метою роботи є дослідження можливостей забезпе-
чення локального споживача електроенергією з віднов-
люваних джерел для зменшення залежності від центра-
лізованого постачання. Особливістю задачі є вплив випад-
кової природи відновлюваної енергетики та спожи-
вання на можливості забезпечення енергетичного балан-
су в локальній енергосистемі, що потребує вибору складу
та потужностей відновлюваної генерації й допоміжного
обладнання. Як допоміжне балансувальне обладнання розглядаються акумуляторна батарея та гене-
ратор на традиційному паливі. Застосовано імітаційну модель, яка дає змогу врахувати особливості
цієї системи та негарантований характер потужності сонячних чи вітрових електростанцій. Складові
балансу потужностей описано як декомпозицію певного випадкового процесу, що є особливістю вказа-
ної моделі. Розраховано обсяг потреб у перетоках енергії між локальною та централізованою енерго-
системами, їх варіативність при різних параметрах акумулятора та допоміжного генератора. Комбі-
нування джерел вітрової та сонячної енергії дозволяє зменшити залежність від загальної електроме-
режі. Такий самий результат забезпечує застосування проміжних акумуляторів енергії та допоміж-
ного джерела типу дизель-генератора. Порівняння показників балансування енергії вказує на різну роль
вітрової та сонячної енергії в різні пори року: істотно змінюється використання встановленої потуж-
ності та рівень споживання енергії. Іншими факторами впливу є швидкість заряджання акумулятора і
втрати енергії при перетворенні – наслідком є потреба в різній тривалості роботи допоміжного гене-
ратора та частоті його вмикання. Достовірність модельованих результатів перевірена зіставленням
з реальними прикладами, розбіжності на рівні 5–10 %. Пропонована модель дає змогу вибрати конфігу-
рацію обладнання при відомому режимі споживання електроенергії та оцінити можливості забезпе-
чення енергетичного балансу. Бібл. 23, рис. 3, табл. 9.
Ключові слова: гібридна енергосистема, відновлювані джерела енергії, випадковий процес, енергобаланс.
ENSURING THE ENERGY BALANCE IN THE LOCAL SYSTEM WITH RENEWABLE GENERATION
Received 20 Dec. 2022; accepted 22 Mar. 2023
Available online 31 Mar. 2023
M. Kuznietsov 1, 2, О. Lysenko 3, 4
Author for correspondence: Mykola Kuznetsov,
e-mail: renewable@ukr.net
The aim of the paper is to study the possibilities of providing
the local consumer with electricity from renewable sources to
reduce dependence on centralized supply. The peculiarity of
the task is the random influence of renewable energy and
consumption on ensuring the energy balance in the local
1 д-р техн. наук.
Інститут відновлюваної енергетики НАН Укра-
їни, м. Київ;
2 Національний технічний університет України
«Київський політехнічний інститут імені Ігоря
Сікорського», м. Київ.
http://orcid.org/0000-0002-0497-7439
3 д-р техн. наук.
Таврійський державний агротехнологічний
університет, 72310 м. Мелітополь, Україна;
4 Шведський інститут досліджень довкілля, IVL
Svenska Miljöinstitutet, Gothenburg.
https://orcid.org/0000-0001-7085-7796
1 Doctor of Science.
Institute of renewable energy, NAS Ukraine, Kyiv;
2 National Technical University of Ukraine «Igor
Sikorsky, Kyiv.
http://orcid.org/0000-0002-0497-7439
3 Doctor of Science.
Tavria State Agrotechnological University,
Melitopol, Ukraine;
4 Swedish Environmental Research Institute, IVL
Svenska Miljöinstitutet, Gothenburg.
https://orcid.org/0000-0001-7085-7796
mailto:renewable@ukr.net
7
Відновлювана енергетика. №1/2023 | Комплексні проблеми енергетичних систем на основі НВДЕ
power system, by choosing the composition and capacities of renewable generation and auxiliary equipment.
A storage battery and a conventional fuel generator are considered as auxiliary balancing equipment. A
simulation model was applied, which allows taking into account the peculiarities of this system and the non-
guaranteed nature of the power of solar or wind plants. The components of the power balance are described
as the decomposition of a certain random process, which is a feature of this model. The volume of needs for
energy flows between local and centralized energy systems, their variability with different parameters of
accumulation and auxiliary generator is calculated. The combination of wind and solar energy makes it possible
to reduce dependence on the general electricity grid. The same result is provided by the use of intermediate
energy accumulators and an auxiliary source such as a diesel generator. A comparison of the energy balancing
indicates the different role of wind and solar energy at different times of the year: the use of installed capacity
and the level of energy consumption can vary significantly. Other influencing factors are the speed of battery
charging and energy loss during conversion - the consequence is the need for different duration of operation of
the auxiliary generator and frequency of its activation. The reliability of the simulated results is verified by
comparing them with real examples, the differences are at the level of 5-10 %. The proposed model allows us
to choose the configuration of generating and auxiliary equipment with a known mode of electricity
consumption, and to evaluate the possibilities of ensuring the energy balance. Bible 23, fig. 3, tab. 9.
Keywords: hybrid energy system, renewable energy, random process, energy balance.
Перелік використаних позначень та скорочень
АБ – акумуляторна батарея
ВДЕ – відновлювані джерела енергії
ВЕС (СЕС) – вітряна (сонячна) електростанція
КТП – комплектна трансформаторна підстанція
ЛЕС – локальна енергосистема
в. о. (r.u.) – відносні одиниці
σ або СКВ – середньоквадратичне відхилення
(стандартна девіація)
Р – потужність
Е – енергія
Вступ. У багатьох країнах, що розвиваються, дефіцит елек-
троенергії через невідповідне виробництво електроенер-
гії, неефективну передачу або недосконале розподільне
обладнання може по-різному впливати на якість життя
населення. Для України ця обставина обумовлена вій-
ськовими діями та ускладнена фізичним руйнуванням
об’єктів енергетичної інфраструктури. Неспроможність
забезпечити постійне постачання електроенергії має не-
гативні наслідки для економіки, виробництва, безпеки та
соціального добробуту. Поглиблення інтересу до вироб-
ництва електроенергії з використанням відновлюваних
джерел енергії (ВДЕ), крім означених обставин, спричи-
нене також глобальними тенденціями переходу до без-
вуглецевої економіки. В науковій літературі відображено
певні дослідження, які акцентують увагу на перевагах гі-
бридного використання відновлюваної енергії в локалі-
зованих енергетичних системах. Зокрема, в роботі [1]
описана локальна система, влаштована з використанням
фотоелектричних батарей, вітрових турбін, накопичува-
чів енергії (акумуляторів) і дизель-генераторної системи.
Параметри елементів системи оптимізуються на основі
багатокритеріального рішення, що охоплює втрату ймо-
вірності електропостачання, приведену вартість електро-
енергії та окупність.
Одним із популярних короткотермінових заходів для
пом’якшення цієї проблеми є введення регламентова-
них робочих умов, відомих як розвантаження. Цей під-
хід передбачає відключення мережі від споживачів у
певному регіоні на кілька годин на день. Щоб досягти
цього, оператор скорочує певну кількість навантаження,
коли попит на електроенергію перевищує потужність
постачання мережі. Ідея полягає в тому, щоб мінімізу-
вати дефіцит між генерацією і попитом, одночасно за-
безпечуючи справедливий рівень доступу для всіх спо-
живачів. Хоча відключення навантаження є небажаним,
необхідно запобігти системному збою живлення, що
може завдати шкоди налаштуванню енергосистеми [2].
Для багатьох клієнтів найпрактичнішим способом
розв’язання цієї проблеми є самостійне встановлення
власних дизель-генераторів або джерел безперебій-
ного живлення разом із системою резервного живлення
від батарей. Ці рішення прості та дуже поширені, але
вони мають кілька недоліків. Наприклад, акумуляторна
батарея має заряджатися від мережі, яка вже відчуває
стрес через недостатнє виробництво та надмірний по-
пит. Крім того, під час процесів зарядки та розрядки мо-
жлива втрата електроенергії, аж до 25 % [3]. З іншого
боку, дизельні генератори шумні, вимагають регуляр-
ного обслуговування та демонструють набагато нижчу
ефективність. Зазвичай вартість енергії, отриманої від
малих і локалізованих генераторів, набагато вища порів-
няно з їх аналогами в мережі. Крім того, використання
моторного палива спричиняє викиди парникових газів,
створюючи серйозний негативний вплив на навколишнє
середовище [4]. Для збереження довкілля та
8
Відновлювана енергетика. №1/2023 | Комплексні проблеми енергетичних систем на основі НВДЕ
зменшення залежності від викопного палива заохочу-
ється використання ВДЕ для виробництва електроенер-
гії [5]. Сонячна та вітрова енергетика визнані найпер-
спективнішими через їхню поширеність та екологічну чис-
тоту [6, 7]. Ці системи прості в установці, не потребують
постійного технічного обслуговування та палива для під-
тримки їхньої роботи. Попри ці переваги спорадична по-
ведінка сонця та вітру в поєднанні з залежністю від по-
годних умов перешкоджає їх застосуванню для заміни
електроенергії в мережі під час періодів відключення
навантаження. Отже, резервні джерела, такі як батареї
та дизель-генератори, можуть використовуватися з од-
ним або декількома відновлюваними джерелами енер-
гії через їх взаємодоповнювальну силу [8]. В цьому сенсі
гібридна локальна енергетична система (ЛЕС) на базі
ВДЕ, що має в своєму складі фотоелектричну станцію
(СЕС), вітряні установки (ВЕС), блок накопичення енергії
(АБ) і резервний дизель-генератор, вважається вдалим
рішенням для боротьби з проблемами розвантаження
системи. Оптимізація та ефективне управління енергією
набувають набагато більшого значення, оскільки нас-
лідки поганого проєктування можуть бути серйозними –
наприклад, втрата постачання критично важливих пос-
луг (охорона здоров’я, військові потреби тощо).
Постановка завдання
Метою даної роботи є дослідження можливостей забез-
печення локального споживача електроенергією з від-
новлюваних джерел для зменшення залежності від
централізованого постачання. Номінальну потужність
фотоелектричних чи вітрових станцій, які можуть бути
інтегровані в певну локальну мережу без порушення іс-
нуючих технічних обмежень, можна вважати допусти-
мою потужністю генерації [9]. Це радше теоретичний рі-
вень загальної потужності ВДЕ, який дозволений у пев-
ній мережі. Його оцінка має враховувати режим спожи-
вання електроенергії, можливості диспетчеризації, на-
явність резервної потужності, склад та технічні характе-
ристики ВДЕ. За наявності АКБ важлива швидкість про-
цесів накопичення та повернення енергії, енергетична
ефективність (рівень втрат), а за наявності резервного
генератора важлива також його швидкодія та регульо-
ваність [10]. Робота ВДЕ в такій системі є динамічним
процесом стохастичної природи, натомість більшість
оцінок, представлених у літературі, базуються на аналізі
стаціонарного стану. Загалом доцільна частка ВДЕ не є
сталою величиною, а значною мірою залежить від ви-
бору показників ефективності та наявних обмежень. Че-
рез переривчастий характер сонячної та вітрової енергії
виникають різні проблеми, такі як відхилення рівнів ге-
нерації від споживання та великі втрати в лінії. Особ-
ливо це відчутно у локальній енергосистемі зі слабким
зв’язком з централізованою мережею. Акумуляторна
батарея у складі комбінованої системи полегшує вико-
ристання мінливих ВДЕ завдяки своїй здатності згладжу-
вати різкі зміни потужності, створюючи певну інерцій-
ність поточної генерації, а також вирівнюючи
відмінності попиту та пропозиції [11]. Застосування аку-
муляторів також сприяє відновленню системи під час
поставарійних сценаріїв і є корисним для підвищення
стійкості системи. У більшості публікацій досліджува-
лись переважно енергосистеми, що активно використо-
вують дизель-генератори як головне джерело енергії, а
комплекс ВДЕ та акумуляторів покликаний скоротити
витрати палива. Крім того, важливим є аналіз стійкості
гібридних енергосистем різного рівня автономності
[12]. Якщо є можливість задовольняти потреби в елек-
троенергії переважно за рахунок ВДЕ та частково мережі,
то системи накопичення енергії та допоміжні генера-
тори важливі для зменшення небалансів потужності в
точці приєднання до мережі та відповідного запобі-
гання погіршенню якості енергії.
Найчастіше серед засобів балансування розглядають за-
стосування акумуляторів енергії. Це дозволяє зменшити
перетоки енергії між локальною системою та мережею,
при цьому повніше використовуються власні джерела
енергії. Якби акумулятор мав здатність миттєво сприй-
мати та повертати всю потрібну енергію, то за достат-
ньої ємності не було б потреби в мережі. Насправді енер-
гообмін в акумуляторі має обмежену швидкість (тобто
потужність); до того ж для повного уникнення випадків
повністю зарядженого чи розрядженого акумулятора
його ємність має бути невиправдано великою. Застосу-
вання акумуляторів енергії є досить вартісним. Оскільки
для малих ЛЕС з відновлюваними джерелами енергії
може бути економічно недоцільним інвестувати в до-
рогі системи збереження енергії, в роботі [13] пропону-
ється стратегія оренди таких систем для участі в процесі
регулювання потужностей, зокрема і частотного регу-
лювання. В такому разі важливо оцінити реальні пот-
реби у ємності та потужності акумуляторів енергії та ви-
брати оптимальну стратегію їх використання [14]. Зазви-
чай ураховують певну ймовірність зазначених станів,
розрахунки ґрунтуються на осереднених показниках
(математичних очікуваннях), а ймовірний вихід за озна-
чені межі балансування оцінюється відповідними індек-
сами надійності (див. напр. [15, 16]). В енергосистемах,
що орієнтовані на використання генераторів на двигу-
нах внутрішнього згоряння, комплекс ВДЕ та акумулято-
рів покликаний скоротити витрати палива. Якщо є мож-
ливість задовольняти потреби в електроенергії переваж-
но за рахунок ВДЕ і частково мережі, то системи накопи-
чення енергії та допоміжні генератори важливі для зме-
ншення небалансів потужності в точці приєднання до
мережі та відповідного запобігання погіршенню якості
енергії.
Під час стабільної роботи енергосистеми нормальна ро-
бота ЛЕС базується на певному заздалегідь узгодже-
ному плановому графіку споживання електроенергії з
загальної мережі. Натомість відхилення від графіка ста-
новлять ту енергію, яка має бути максимально збалан-
сована самою ЛЕС. У такому разі метою оптимізації є мі-
німізація незбалансованих обсягів поточної потужності
та позапланового енергообміну з мережею, а потуж-
ність ВДЕ та засобів балансування має забезпечити
9
Відновлювана енергетика. №1/2023 | Комплексні проблеми енергетичних систем на основі НВДЕ
мінімальну залежність від мережі. Натомість забезпе-
чення балансу потужностей при обмежених можливос-
тях мережі чи повністю автономній роботі можливе
лише з певною ймовірністю, тож потрібен компроміс між
гаран-тованим рівнем забезпечення власною генера-
цією та вартістю системи. Забезпечення таких вимог по-
требує розрахунку потоків енергії при різних конфігура-
ціях енер-госистеми. Зазвичай склад джерел енергії ЛЕС
такого та/або типу – сонячна вітрова генерація, допомі-
жний генератор та проміжний накопичувач (акумуля-
тор). Під-ключення до мережі слугує забезпеченню на-
дійності, а також дає можливість енергообміну, тобто
продажу надлишку генерації при надмірній продуктив-
ності ВДЕ за сприятливих погодних умов. Орієнтовна ар-
хітектура такої ЛЕС схематично зображена на рис. 1.
Загальний баланс потужностей ЛЕС, яка орієнтована на
обмін енергією з централізованою мережею, можна
представити в такому вигляді [17]:
)()()()()()( tPtPtPtPtPtP LrGASW −±±+=∆ , (1)
де індекси W, S, A, Gr, L означають відповідні потужності
ВЕС (Wind), СЕС (Solar), АБ (Accumulator), мережі (Grid),
навантаження (Load). Поточні потужності не перевищу-
ють номінальних: PW(t) ≤ W0, PS(t)≤ S0. Умова PGr(t)≤ Gr0
доцільна, якщо існує обмеження на пропускну спромож-
ність мережі в точці приєднання. Знаки залежать від на-
прямку потоку енергії.
Враховуючи стохастичну природу потужності генерації
та споживання, їхня поведінка в часі може бути описана
як декомпозиція певного випадкового процесу [18]:
)()()( tUttP kkkk ++= εσω , (2)
де позначено: ωk(t) – осереднене детерміноване зна-
чення (трендова крива); σkε – середньодобове значення
як нормально розподілена випадкова величина; Uk(t) –
поточні флуктуації (короткотермінові зміни). Індекс k
стосується певного джерела генерації чи навантаження.
Параметр часу загалом є неперервним, але на практиці
він стосується середини елементарного (умовно одинич-
ного) часового інтервалу Δt. Якщо плановий графік відпо-
відає трендовій потужності, то в рівнянні (1) замість пов-
ної потужності фігуруватимуть випадкові складові (2).
Якщо ЛЕС орієнтована на переважно автономну роботу,
замість мережі може додатково застосовуватись допо-
міжний генератор, тоді складова Pgen(t) замість PGr(t) в
(1) має знак (+) [19]. Коли можливостей акумулятора не-
достатньо для забезпечення певного рівня небалансів
потужності чи енергії, може вмикатися генератор на тра-
диційному паливі. Ефективність його використання при-
родно залежатиме від алгоритму вмикання. Щодо
цього приймається ряд припущень. Вважається, що пі-
сля вмикання потужність генератора є сталою до його
вимкнення, тобто замість умови 0≤Рgen(t)≤Рg приймаємо
граничні значення: Рgen(t) = 0 або Рgen(t) = Рg, залежно від
балансу потужностей. Такий режим роботи є
Рис. 1. Архітектура гібридної енергосистеми [1]
Fig. 1. Architecture of the hybrid energy system [1]
10
Відновлювана енергетика. №1/2023 | Комплексні проблеми енергетичних систем на основі НВДЕ
сприятливим для стану генератора, хоча використову-
ються і установки регульованої потужності. Для регульо-
ваного генератора зі змінною в часі потужністю залеж-
ність витрат палива від поточної потужності не є ліній-
ною: так, за даними [20] при навантаженні на чверть но-
мінальної потужності витрати дизпалива становлять
35 % повного навантаження; для половини наванта-
ження це 55 %, а для ¾ – 78 %. Отже, економічно найдо-
цільнішою є робота генератора на максимальній (номі-
нальній) потужності. В загальному випадку маємо:
)()()()()()()( tPtPtPtPtPtPtP LrGAgenSW −±±++=∆ ,
(3)
де потужність генератора Pgen(t) набуває значення 0 або Pg.
Щодо режимів генерації та споживання, то для ВДЕ ви-
користано дані щодо погодних факторів (швидкість ві-
тру, сонячна радіація) для умов півдня України, та типо-
вий характер споживання населеним пунктом (нас. п.)
на рівні одиничної КТП [17]. Приклади споживання
взято з того самого регіону й часового періоду, що й для
погодних даних. Зокрема, випадкові відхилення наван-
таження (тобто споживання) від осередненого добо-
вого ходу оцінено шляхом статистичної обробки архів-
них даних, в розрахунках прийнято такі значення СКВ у
виразі (2): σL = 0,06Р0, σ(UL) = 0,04Р0, де Р0 – середнє на-
вантаження.
Результати
Якщо зазначені в (3) потужності стосуються певного ча-
сового інтервалу, то відповідні енергетичні показники
матимуть характер кумулятивних сум:
∑
=
∆=
n
i
ikknk ttPtE
1
)()( η , (4)
де 𝜂𝜂k – коефіцієнт енергоефективності відповідного при-
строю (наприклад, 𝜂𝜂inv – коефіцієнт втрат інвертора,
𝜂𝜂cha – акумулятора); n характеризує тривалість досліджу-
ваного процесу.
Для зручності всі розмірності приведено до відносних
одиниць. Якщо середнє навантаження становить Р0, то
реальні потужності виражаються в масштабі 1/Р0. Тоді
середня потужність навантаження рівна 1 (в. о.). Одини-
цею розмірності енергії відповідно буде в. о.-год (на-
приклад, кВт-год, якщо потужність Р0 = 1 кВт). В тих са-
мих одиницях енергії (в. о.-год) задано ємність акумуля-
тора С. Для швидкості заряду АБ розглянуто варіанти:
час повного заряджання становить 1 год (позначимо С1),
та час заряджання 10 год (С0,1). Під ємністю розуміємо її
ефективне значення як різницю між максимальним та
мінімальним зарядами.
Для оцінки впливу ємності на розмір перетоків енергії
розглянемо кілька прикладів для погодних умов кві-
тня – цей місяць в досліджений період мав показники,
близькі до середньорічних. Знаками позначаємо на-
прями перетоків енергії: ЕΔ(‒) відповідає сумарному по-
току від мережі (дефіцит енергії), а ЕΔ(+) – до мережі
(надлишок генерації). Склад ВДЕ (номінальні потужності
ВЕС та СЕС) вибрано таким, щоб середня генерація від-
повідала середньому споживанню, з урахуванням кое-
фіцієнта використання встановленої потужності ВЕС та
СЕС типовими установками. Результати наведено в
табл. 1.
Таблиця 1. Варіанти енергобалансу за квітень, в. о.
Table 1. Energy balance options for April, r.u.
Ємність АБ Склад ВДЕ
Перетоки енергії
ЕΔ(‒) σЕ(‒) ЕΔ(+) σЕ(+)
С0,1 = 1
W0 = 2,5; S0 = 0 -6,9 7,0 7,1 8,9
W0 = 0; S0 = 5,4 -12,1 2,1 12,8 7,2
W0 = 1,7; S0 = 1,7 -6,3 5,1 5,9 6,1
С1 = 1
W0 = 2,5; S0 = 0 -6,8 7,3 7,0 9,1
W0 = 0; S0 = 5,4 11,5 2,0 12,2 7,6
W0 = 1,7; S0 = 1,7 5,5 5,2 5,8 6,2
С1 = 3
W0 = 2,5; S0 = 0 -6,2 7,0 6,2 9,0
W0 = 0; S0 = 5,4 -8,7 2,53 10,7 7,2
W0 = 1,7; S0 = 1,7 -4,0 4,8 4,7 6,2
С1 = 6
W0 = 2,5; S0 = 0 -4,9 6,5 5,1 8,0
W0 = 0; S0 = 5,4 -4,8 3,7 8,0 6,6
W0 = 1,7; S0 = 1,7 -3,2 4,5 3,9 5,8
С = 0 Приклад нас. п.:
РL = 700 кВт;
S0 = 1200 кВт;
W0 = 1070 кВт
-7,0 9,1 7,0 10,1
С = 1 -5,8 9,0 5,8 10,2
С = 3 -4,9 8,5 4,9 9,8
С = 6 -4,1 8,0 4,1 9,5
11
Відновлювана енергетика. №1/2023 | Комплексні проблеми енергетичних систем на основі НВДЕ
Порівняння модельованих значень з фактичними для
прикладу окремого нас. п. вказує на досить близькі зна-
чення для осереднених показників (математичних очіку-
вань), з відхиленням в межах 10 %, що спостерігається
для всіх розглянутих місяців. Однак фактичні відхилення
поточних значень відносно середнього (СКВ) на практиці
набагато вищі від розрахункових; тут слід зауважити, що
фактичні значення містять 30 добових записів за місяць, а
моделювання передбачає кілька тисяч випадкових реалі-
зацій. Отже, при збільшенні бази даних спостерігається
збіжність даних до середніх значень.
Як свідчать виконані розрахунки [17], з погляду вартості
енергії при диференційованому тарифі на продаж елек-
троенергії перевагу мають сонячні станції (вони показу-
ють позитивний платіжний баланс внаслідок, зокрема, і
високого тарифу). Однак власне перетоки енергії в точці
обміну з мережею при цьому значно зростають, а отже,
помітнішим є вплив на стабільність енергопостачання. В
ситуації вибору оптимального складу ВДЕ істотним є не
лише платіжний баланс, але передусім надійність забез-
печення, а значить, максимальна орієнтація на викори-
стання власних ресурсів при зниженні перетоків енергії.
Оцінити надійність можна по значеннях СКВ, які відо-
бражають імовірність відхилень від рівноважного стану.
Цей же показник, а також середні значення перетоків,
визначають потребу в допоміжних засобах балансу-
вання потужностей, таких як генератори на традицій-
ному паливі та насамперед акумулятори енергії, що іс-
тотно для автономних систем чи таких, що мають зо-
бов’язання щодо дотримання графіка споживання та ге-
нерації. Отже, постає задача оптимального вибору потуж-
ностей генерування та зберігання енергії, що забезпе-
чило б потрібну надійність при мінімальній вартості.
Збільшення тривалості повного заряду АБ від 1 до 10 год
(тобто зменшення потужності акумулятора) несуттєво
впливає на отримані результати, збільшуючи перетоки
енергії в межах 5 %. У подальшому розглядається пере-
важно варіант С1 як більш перспективний, а потужність
АБ саме відповідає накопиченому за годину заряду чи
розряду (в лінеаризованій моделі ці потужності вважа-
ємо рівними і не залежними від стану АБ).
Різниця в значеннях дефіциту та надлишку енергії спри-
чинена різною поведінкою генерації та споживання
впродовж доби, а також випадками повного розряду чи
переповнення АБ. Так, без акумулятора потоки енергії
були симетричними відповідно до умови про рівність
середніх потужностей і становили для ВЕС 7,7 одиниць,
для СЕС – 13,4 одиниць, для паритетних потужностей –
6,7 одиниць. Зокрема, у випадку ВЕС за наявності акуму-
лятора з ємністю, що рівна 6 год середнього спожи-
вання, перетоки енергії зменшились у півтора раза, для
СЕС обсяг проданої енергії зменшується майже вдвічі, а
купованої – втричі. Для паритетних потужностей потоки
зменшились також майже вдвічі. При всіх конфігураціях
ВДЕ платіжний баланс зміщується в бік експорту до ме-
режі, що вигідно для економіки ЛЕС.
Отже, наявність акумулятора енергії істотно впливає на
обмін з мережею. Розглянемо вплив допоміжного гене-
ратора на енергетичний баланс комбінованої системи.
Як і раніше, до складу енергосистеми входять ВДЕ (ВЕС,
СЕС чи їх комбінація), середня продуктивність яких рівна
середньому споживанню. Небаланси потужності, спри-
чинені випадковими змінами генерації та наванта-
ження, частково компенсуються системою акумулю-
вання енергії, а при її недостатності йде двосторонній
обмін енергією з електричною мережею. Задачею аку-
мулятора, крім названих вище, є зменшення потреб у
купівлі енергії з мережі; надлишкова енергія при цьому
продається в мережу без обмежень. Якщо можливостей
акумулятора недостатньо для забезпечення певного рів-
ня небалансів потужності чи енергії, може вмикатися
допоміжний генератор на традиційному паливі. Ефектив-
ність його використання природно залежатиме від алго-
ритму роботи. Вважається, що після вмикання потуж-
ність генератора є сталою до його вимкнення.
Як свідчать попередні дослідження [19], за наявності
акумулятора оптимальним режимом роботи генера-
тора для мінімізації небалансів потужності є алгоритм,
коли вмикання відбувається при негативному балансі
потужностей і розрядженому акумуляторі й продовжу-
ється до досягнення заряду акумулятора на половину
ємності – це забезпечує для АБ можливість маневру-
вання. За відсутності акумулятора можлива поява ре-
жиму роботи з дефіцитом потужностей ВДЕ. Тоді робота
генератора розпочинається, коли впродовж принаймні
кількох попередніх елементарних часових інтервалів
триває негативний баланс генерації та споживання елек-
троенергії. Так, в роботі [27] прийнято рівень небалансу
0,5 та 0,1 від номінальної потужності генератора в
останньому та передостанньому інтервалах часу (тобто
діють уставки вмикання: kt-1 = 0,5; k t-2 = 0,1); прийнятною
часовою дискретизацією при цьому вважаємо 10 хв як
прийнятну для систем моніторингу ВДЕ.
Як приклад, що демонструє взаємодію можливостей
акумулятора та допоміжного генератора, розглянемо
варіанти енергетичного балансу за квітень за умови вико-
ристання виключно фотоелектричної установки (табл. 2).
Такий варіант ЛЕС є досить популярним для невеликих
споживачів (переважно житлової забудови, громадсь-
ких споруд). Алгоритмом передбачена робота генера-
тора до досягнення рівня 0,5С.
Тут наведено результати використання СЕС, які мають
достатню продуктивність для осереднених потреб спо-
живача. Варіанти значень Рg = 0 взято з табл. 1 і наве-
дено для порівняння, а перший рядок таблиці (виділе-
ний напівжирним) відображає ситуацію без засобів ба-
лансування.
Як свідчать результати розрахунків з табл. 2, збільшення
ємності акумулятора чи потужності резервного генера-
тора частково компенсують обсяг недостатньої генера-
ції, в цьому разі сонячної. Комбіноване застосування
цих балансувальних засобів здатне зменшити
12
Відновлювана енергетика. №1/2023 | Комплексні проблеми енергетичних систем на основі НВДЕ
негативний баланс до наперед заданого рівня; в цьому
прикладі при середньому навантаженні 1 в. о. він досяг
(у середньому) 8 % загального обсягу споживання порів-
няно з 55 % при відсутності балансування. При цьому
надлишкова генерація також зменшується при збіль-
шенні ємності акумулятора, а от робота генератора дещо
збільшує надлишок енергії, в нашому прикладі на 3 %
від загального споживання. При цьому тривалість ро-
боти генератора не пропорційна його потужності – при
збільшенні номінальної потужності генератора зростає і
обсяг виробленої ним енергії, а отже, використаного па-
лива, але при цьому дещо зростає частота вмикань і від-
повідно зменшується тривалість окремого вмикання.
Особливо це помітно в разі відсутності акумулятора –
при прийнятому алгоритмі роботи кількість вмикань
зростає майже до десятка порівняно з 1-2 при наявності
проміжного накопичення енергії. Тут частота вмикань
осереднена за числом реалізацій імітаційної моделі,
тому виражена дробом. Зменшення кількості вмикань
можливе в разі впровадження алгоритму, при якому
умовою роботи генератора є наявність кількох послідов-
них інтервалів часу, коли існує відчутний (до половини
потужності генератора) негативний баланс [19]. При
цьому показники балансування майже не зміняться, ос-
кільки не враховуватимуться лише незначні небаланси.
Загалом незначна кількість вмикань тут характерна саме
для виключно сонячної генерації, коли є гарантована ніч-
на потреба в генераторі і майже гарантована відсутність
такої потреби вдень. Зауважимо, що в наведених розра-
хунках початковий заряд акумулятора вибирався випа-
дковим чином, що для виключно сонячної генерації ви-
глядає нехарактерно – за ніч акумулятор розряджається
і має дозарядитися від мережі. Інше зауваження: при
меншій ємності акумулятора (в цьому прикладі при С =
0 або С = 1) обсяг енергії від генератора менший, ніж за-
гальна зміна енергобалансу (див. рис. 2.) – тут робота
Таблиця 2. Варіант балансування при W0 = 0, S0 = 5,4 (в. о.)
Table 2. Balancing option when W0 = 0, S0 = 5.4 (r.u.)
Балансувальні
засоби Перетоки енергії Тривалість роботи
генератора ( %)
Число вмикань
генератора
С1 Рg ЕΔ(‒) σЕ(‒) ЕΔ(+) σЕ(+)
0
0 -13,2 2,0 13,2 7,4 - -
0,1 -11,8 1,8 13,4 7,4 65 3,7
0,3 -8,7 1,4 13,6 7,3 64 5,0
0,5 -6,2 1,1 14,0 7,1 62 7,8
1
0 -11,5 2,0 12,2 7,6 - -
0,1 -10,1 1,8 12,5 7,3 61 1,4
0,3 -7,6 1,5 12,6 7,5 59 1,5
0,5 -5,1 1,1 12,9 7,6 58 1,5
3
0 -8,7 2,5 10,7 7,2 - -
0,1 -7,8 2,3 10,9 7,4 51 1,5
0,3 -5,7 1,6 11,2 7,0 50 1,5
0,5 -3,8 1,3 11,4 7,4 47 1,4
6
0 -4,9 3,7 8,0 6,6 - -
0,1 -4,3 3,3 8,5 6,5 36 1,2
0,3 -2,8 2,2 8,7 6,6 35 1,3
0,5 -1,8 1,5 8,8 6,6 34 1,3
Рис. 2. Енергія, отримана від генератора (варіант СЕС)
Fig. 2. Energy received from the generator (SРР option)
0
2
4
6
8
0 1 2 3 4 5 6
Eg
C
Рg=0,1
Рg=0,3
Рg=0,5
13
Відновлювана енергетика. №1/2023 | Комплексні проблеми енергетичних систем на основі НВДЕ
генератора сприяє кращому перерозподілу енергопото-
ків. Водночас для акумулятора більшої ємності значна
потужність генератора виглядає надлишковою, а при
меншій його потужності енергобаланс має позитивні
значення – додатково генерована енергія менша, ніж
отримана вигода у вигляді кращого забезпечення потреб.
Що більша ємність акумулятора, то менша загальна
тривалість роботи генератора і тим рідше він вмика-
ється. Відповідно зменшується обсяг генерованої ним
енергії, і ця залежність продуктивності генератора від
ємності акумулятора практично лінійна. Разом з тим
тривалість роботи генератора не пропорційна його по-
тужності, тож генерована енергія зростає зі збільшен-
ням номінальної потужності генератора за умови такої
самої ємності акумулятора.
Ці результати отримано для акумулятора високої швид-
кодії (1-годинний цикл заряджання). Для порівняння роз-
глянемо ряд прикладів аналогічної комбінації ємності й
потужності при меншій швидкодії (10-годинного циклу,
С0,1), коли акумулятор не встигає реагувати на небала-
нси (табл. 3).
Зменшення швидкодії призвело до значно тривалішої
роботи генератора та частіших його вмикань. При цьому
рівень недостатньої генерації збережеться, а надлиш-
кова генерація неістотно зросте. Отже, помітним ефек-
том від заміни акумулятора на менш потужний (при тій
самій ємності) буде погіршення умов роботи генера-
тора, більші витрати палива та моторесурсу. Для повіль-
ного акумулятора в разі незначної відмінності у стані ба-
лансу енергії (в межах 10 %) частота вмикань генератора
зростає більш ніж удвічі. Це стосується середніх показ-
ників при значній волатильності результатів. Таке відно-
сне зростання помітніше для акумулятора більшої ємно-
сті, коли його вплив стає істотнішим.
В табл. 4 наведено результати аналогічних розрахунків
для системи із суто вітровою станцією, яка має середню
потужність, рівну споживанню (варіант W = 2,5; S = 0).
Т аблиця 3. Варіант W0 = 0, S0 = 5,4 при швидкодії акумулятора 0,1 і Pg = 0,3
Table 3. Option W0 = 0, S0 = 5.4 with battery speed 0.1 and Pg = 0.3Pg = 0.3
Ємність АБ
Перетоки енергії Тривалість роботи
генератора (%)
Число
вмикань ЕΔ(‒) σЕ(‒) ЕΔ(+) σЕ(+)
С0,1 = 1 -7,6 1,4 14,2 7,3 82 2,2
С0,1 = 3 -5,7 1,6 12,0 7,0 80 3,4
С0,1 = 6 -3,2 2,0 10,5 6,5 73 5,6
Таблиця 4. Варіант балансування при W0 = 2,5; S0 = 0
Table 4. Balancing option at W0 = 2.5; S0 = 0
Балансувальні засоби Перетоки енергії Час роботи
генератора (%)
Число вми-
кань
С1 Рg ЕΔ(‒) σЕ(‒) ЕΔ(+) σЕ(+)
0
0 -7,7 7,1 7,7 9,0 - -
0,1 -6,7 6,4 8,1 9,2 49 5,7
0,3 -4,5 4,5 8,5 9,4 46 11
0,5 -3,4 3,2 9,1 9,0 44 20
1
0 -6,8 7,3 7,0 9,2 - -
0,1 -5,2 6,0 6,6 8,6 47 0,6
0,3 -3,9 4,8 7,4 9,4 43 0,8
0,5 -2,2 3,0 7,4 9,1 39 1,0
3
0 -6,2 6,9 6,2 8,9 - -
0,1 -5,1 6,2 6,5 9,0 37 0,3
0,3 -3,5 4,5 6,5 8,8 35 0,4
0,5 -2,0 2,9 6,5 8,7 36 0,5
6
0 -4,9 6,5 5,1 8,0 - -
0,1 -4,1 5,9 5,4 8,3 30 0,2
0,3 -3,1 4,4 5,6 8,4 29 0,3
0,5 -1,7 2,7 5,8 8,5 28 0,4
14
Відновлювана енергетика. №1/2023 | Комплексні проблеми енергетичних систем на основі НВДЕ
Для вітрової станції головною відмінністю від сонячної є
більш рівномірна генерація впродовж доби, що впливає
на режим роботи допоміжного обладнання. За відсут-
ності акумулятора частота вмикань генератора може
становити кілька десятків на добу, особливо для генера-
тора більшої потужності, внаслідок коливання балансу
потужностей навколо стану рівноваги. Однак наявність
акумулятора набагато відчутніше веде до зниження ча-
стоти вмикань, хоча загальна тривалість роботи генера-
тора і, відповідно, вироблена ним енергія не набагато
менша порівняно з СЕС, в середньому в півтора раза
(див. табл. 3 порівняно з табл. 4). Очевидно, відсутність
тривалих періодів перерви в генерації (властивих ніч-
ним годинам) зменшує загальну потребу в ємності аку-
мулятора, коли навіть досить невеликий акумулятор
може забезпечити достатній ефект балансування. Поміт-
но меншими є небаланси потужності, особливо для аку-
муляторів невеликої ємності. Однак волатильність
отриманих середніх оцінок для ВЕС дещо вища, ніж для
СЕС – відіграє роль відсутність тривалих інтервалів з ну-
льовою мінливістю (тобто нічних пропусків генерації).
Загалом для системи з ВЕС, як і для СЕС, зростання поту-
жності генератора набагато зменшує негативний неба-
ланс (нестачу генерації) і лише неістотно впливає на
надлишкову генерацію.
Вплив швидкодії генератора на загальний баланс поту-
жностей при роботі ВЕС показано в табл. 5. При меншій
у 10 разів швидкості заряджання (розряду) і при досить
близьких значеннях недостатньої та надлишкової енер-
гії частота вмикання генератора значно більша, особ-
ливо при малій ємності акумулятора, хоча загальна три-
валість його роботи приблизно така сама.
Варіант паритетних номінальних потужностей ВЕС та
СЕС (W0 = S0 = 1,7), які сумарно забезпечують середнє
споживання, відображено в табл. 6.
Таблиця 5. Варіант W0 = 2,5; S0 = 0 при швидкодії акумулятора 0,1 і Pg = 0,3
Table 5. Option W0 = 2.5; S0 = 0 at a battery speed of 0.1 and Pg = 0.3
Ємність АБ
Перетоки енергії Тривалість роботи гене-
ратора (%)
Число
вмикань
ЕΔ(‒) σЕ(‒) ЕΔ(+) σЕ(+)
С0,1=1 -3,7 4,2 8,3 9,4 50 7,5
С0,1=3 -3,1 4,1 7,0 8,6 47 4,8
С0,1=6 -2,7 4,1 5,5 8,0 41 1,7
Таблиця 6. Варіант балансування при W0 = S0 = 1,7
Table 6. Balancing option for W0 = S0 = 1.7
Балансувальні
засоби Перетоки енергії Час роботи
генератора (%)
Частота
вмикань
С1 Рg ЕΔ(‒) σЕ(‒) ЕΔ(+) σЕ(+)
0
0 -6,7 5,0 6,7 6,3 - -
0,1 -5,6 4,5 6,8 6,5 50 7,6
0,3 -3,8 3,2 7,3 6,2 45 14,5
0,5 -2,9 2,3 7,7 5,9 39 22,0
1
0 -5,7 5,2 5,7 6,2 - -
0,1 -4,5 4,3 5,8 6,1 42 0,9
0,3 -2,9 2,9 5,8 6,2 37 1,1
0,5 -1,8 2,0 5,8 6,1 33 1,3
3
0 -4,1 4,8 4,7 6,2 - -
0,1 -3,3 4,1 4,9 6,1 34 0,6
0,3 -2,1 2,6 5,1 6,1 30 0,7
0,5 -1,3 1,7 5,2 6,3 28 0,7
6
0 -3,2 4,5 3,9 5,7 - -
0,1 -2,4 3,5 4,1 5,9 27 0,30
0,3 -1,4 2,3 4,1 5,9 24 0,38
0,5 -0,9 1,4 3,9 5,6 20 0,45
15
Відновлювана енергетика. №1/2023 | Комплексні проблеми енергетичних систем на основі НВДЕ
Комбінована генерація ВДЕ (ВЕС плюс СЕС) чутливіша до
зміни потужності резервного генератора, ніж однотип-
на генерація, особливо це помітно при великих (понад
0,3) потужностях Pg. Залежність роботи генератора від
ємності акумулятора має помітнішу нелінійність і тенден-
цію до насичення при зростанні ємності (рис. 3).
Загальний рівень небалансів енергії при комбінованій
генерації також менший: при паритетних номінальних
потужностях ВЕС і СЕС небаланси приблизно у півтора
раза менші, ніж для виключно ВЕС, і вдвічі – ніж для СЕС.
Очевидно, існує певна пропорція, при якій такі небалан-
си мінімальні (див. напр. [22]), однак така пропорція
залежить від географічних (точніше кліматичних) умов
та пори року, тому її пошук має сенс лише при конкре-
тизації умов задачі.
Реакція на швидкодію акумулятора при комбінованій
генерації (табл. 7) якісно подібна до випадків однотип-
ної генерації, з дещо більшою чутливістю до ємності аку-
мулятора. Однак зменшення швидкодії мало впливає на
обсяг недостатньої генерації, особливо при більшій єм-
ності акумулятора; натомість надлишкова генерація по-
мітно зростає. Причиною є збільшення у півтора раза
тривалості роботи резервного генератора при одночас-
ному зростанні на порядок частоти його вмикання. Та-
кий режим є несприятливим для експлуатації генера-
тора, при тому що вартість акумуляторів з низькою швид-
кістю (типу свинцево-кислотних) помітно менша від ва-
ртості швидкісних моделей. Отже, разом з
балансуванням енергетичних потоків потрібно оціню-
вати вартісний баланс енергосистеми.
У наведених вище розрахунках не врахована втрата ча-
стки енергії в процесі акумулювання та повторного ви-
користання енергії, тобто коефіцієнти енергоефективно-
сті в (4) рівні одиниці. Насправді втрати можуть істотно
впливати на якість роботи системи балансування потуж-
ностей. В лінійному наближенні показник ККД вважа-
ється постійним, залежним від типу акумулятора. Так,
для електрохімічних акумуляторів застосовують зна-
чення 75–90 % (свинцеві), 80–95 % (літієві), для ГАЕС це
70–80 %, для водневого циклу «електролізер-паливний
елемент» – 35–40 % [23]. Розглянемо, як зміняться показ-
ники енергетичного балансу та умов роботи резервного
генератора при зменшенні енергетичної ефективності
(ККД) акумулятора (табл. 8).
Порівняння даних табл. 8 і табл. 2–6 дає змогу оцінити
вплив утрат енергії при акумулюванні. Одним із наслід-
ків зменшення ККД акумулятора на 10 % є значно трива-
ліша (приблизно в півтора раза) робота резервного ге-
нератора, а частота його вмикань зростає більш ніж на
порядок (за винятком суто сонячної генерації, коли ге-
нератор переважно ввімкнений). При цьому дещо змен-
шується обсяг негативного небалансу, але за рахунок
дуже несприятливих умов для дизель-генератора. Оче-
видно, в цьому разі потрібно переглядати алгоритм ро-
боти генератора відповідно до можливостей акумуля-
тора.
Рис. 3. Енергія, отримана від генератора (варіант ВЕС + СЕС)
Fig. 3. Energy obtained from the generator (option of wind farm + SPP)
0
1
2
3
4
5
0 1 2 3 4 5 6
Eg
C
Рg=0,1
Рg=0,3
Рg=0,5
Таблиця 7. Варіант W0 = S0 = 1,7 при швидкодії акумулятора 0,1 і Pg = 0,3
Table 7. Option W0 = S0 = 1.7 with a battery speed of 0.1 and Pg = 0.3
Ємність АБ
Перетоки енергії Тривалість роботи
генератора (%)
Число
вмикань ЕΔ(‒) σЕ(‒) ЕΔ(+) σЕ(+)
С0,1 = 1 -3,1 2,8 7,0 6,1 50 8,0
С0,1 = 3 -2,1 2,4 5,7 5,9 47 6,3
С0,1 = 6 -1,3 2,1 4,2 5,5 36 3,3
16
Відновлювана енергетика. №1/2023 | Комплексні проблеми енергетичних систем на основі НВДЕ
Отримані вище оцінки стосуються погодних умов квітня,
які за показниками використання сонячної та вітрової
енергії виявилися близькими до середньорічних. Для
ситуацій, коли переважне використання енергосистеми
орієнтоване на певний сезон (пору року), доцільно по-
рівняти ці оцінки з аналогічними для зимового та літ-
нього місяців. Результати моделювання наведено в
табл. 9. Вибрано варіанти малого, середнього та висо-
кого рівнів застосування балансувальних засобів при різ-
них потужностях ВДЕ.
Порівняння зимових та весняних показників роботи зба-
лансованої енергосистеми вказує, що взимку показники
розкиду небалансів (середньої нестачі енергії, її
надлишку та стандартних відхилень) перевищує квітневі
при всіх конфігураціях комбінованої генерації та різних
рівнях балансувальних засобів. Відповідно, тривалішою
є робота резервного генератора, хоча частота його вми-
кань приблизно така сама. Таке порівняння стосується
різних потужностей ВДЕ, вибраних за умови, що їх сере-
дня генерація відповідає середньому споживанню. Оче-
видно, що взимку потреби в енергії вищі, а потенціал
СЕС нижчий, тому номінальні потужності вибрано ви-
щими. Комбіноване використання вітру та сонця забез-
печує найкраще балансування потоків енергії, а зрос-
тання потужностей генератора та ємності акумулятора
покращує баланс в тих самих пропорціях, що і за весня-
ними даними.
Таблиця 8. Балансування при зниженому ККД акумулятора
Table 8. Balancing with reduced battery efficiency
Засоби
балансу Склад ВДЕ
Перетоки енергії Час роботи
генератора ( %)
Число
вмикань
ЕΔ(‒) σЕ(‒) ЕΔ(+) σЕ(+)
С1 = 3
Рg = 0,3
𝜂𝜂cha = 0,9
W0 = 2,5; S0 = 0 -3,1 4,3 7,1 9,2 51 7,7
W0 = 0; S0 = 5,4 -4,3 1,9 11,0 7,1 71 2,6
W0 = S0 = 1,7 -1,6 2,5 5,5 6,2 50 8,5
С1 = 3
Рg = 0,3
𝜂𝜂cha = 1,0
W0 = 2,5; S0 = 0 -3,5 4,5 6,5 8,8 35 0,4
W0 = 0; S0 = 5,4 -5,7 1,6 11,2 7,0 50 1,5
W0 = S0 = 1,7 -2,1 2,6 5,1 6,1 30 0,7
Таблиця 9. Балансування ЛЕС в різні місяці
Table 9. Balancing of local energy system in different months
Засоби
балансу Склад ВДЕ
Перетоки енергії Час роботи
генератора (%)
Число
вмикань ЕΔ(‒) σЕ(‒) ЕΔ(+) σЕ(+)
Січень
С1 = 1
Рg = 0,1
𝜂𝜂cha = 1,0
W0 = 2,8; S0 = 0 -6,9 6,9 7,4 10,7 50 0,7
W0 = 0; S0 = 14,0 -12,9 2,0 15,8 12,1 71 1,4
W0 = S0 = 2,3 -5,7 5,6 6,4 8,4 51 0,8
С1 = 3
Рg = 0,3
𝜂𝜂cha = 1,0
W0 = 2,8; S0 = 0 -4,3 5,2 6,5 9,3 43 0,4
W0 = 0; S0 = 14,0 -8,0 2,1 14,8 11,6 60 1,4
W0 = S0 = 2,3 -3,3 3,8 5,7 8,5 38 0,6
С1 = 6
Рg = 0,5
𝜂𝜂cha = 1,0
W0 = 2,8; S0 = 0 -2,2 3,2 6,2 10,1 33 0,3
W0 = 0; S0 = 14,0 -3,5 1,9 12,9 11,1 44 1,4
W0 = S0 = 2,3 -1,4 2,2 4,8 7,8 29 0,4
Липень
С1 = 1
Рg = 0,1
𝜂𝜂cha = 1,0
W0 = 3,8; S0 = 0 -7,1 5,6 4,6 7,4 57 0,8
W0 = 0; S0 = 4,4 -8,8 1,1 11,5 4,2 55 1,5
W0 = S0 = 2,1 -4,7 2,8 5,2 4,4 44 1,3
С1 = 3
Рg = 0,3
𝜂𝜂cha = 1,0
W0 = 3,8; S0 = 0 -4,2 4,3 3,7 6,8 45 0,5
W0 = 0; S0 = 4,4 -4,4 0,9 10,3 4,1 44 1,5
W0 = S0 = 2,1 -1,9 1,7 4,3 4,7 29 1,0
С1 = 6
Рg = 0,5
𝜂𝜂cha = 1,0
W0 = 3,8; S0 = 0 -2,2 2,7 3,4 6,9 34 0,4
W0 = 0; S0= 4,4 -0,87 0,6 7,8 3,9 25 1,3
W0 = S0 = 2,1 -0,54 0,9 3,2 4,4 16 0,6
17
Відновлювана енергетика. №1/2023 | Комплексні проблеми енергетичних систем на основі НВДЕ
Літній сезон очікувано збільшує роль сонячної генерації
при найнижчій вітровій активності. Як результат, дещо
зростає негативний баланс для ВЕС, для СЕС він зменшу-
ється. Натомість надлишкова енергія зменшується при
всіх комбінаціях; однією з обставин можна вважати за-
гальне зменшення споживання влітку. Відповідно змен-
шується час роботи резервного генератора при перева-
жанні частки СЕС, для ВЕС час роботи трохи зростає; ча-
стота вмикань найвища порівняно з весною й зимою,
але ця різниця незначна, визначальним тут лишається
не пора року, а параметри акумулятора.
Висновки
У ситуації вибору оптимального складу ВДЕ істотним є
не лише платіжний баланс, але насамперед надійність
забезпечення, а отже, максимальна орієнтація на вико-
ристання власних ресурсів при зниженні перетоків елек-
троенергії. Оцінити надійність можна по значеннях
СКВ, які відображають імовірність відхилень від рівно-
важного стану при відомому законі розподілу. Цей са-
мий показник, а також середні значення перетоків, ви-
значають потребу в допоміжних засобах балансування
потужностей, таких як генератори на викопному паливі
та акумулятори енергії, що істотно для автономних си-
стем чи таких, що мають жорсткі вимоги до графіка спо-
живання та генерації. Вартісний показник роботи ЛЕС
має враховувати капітальні та поточні видатки на ці за-
соби. Отже, постає задача оптимального вибору потуж-
ностей генерування та зберігання енергії, що забезпе-
чило б потрібну надійність при мінімальній вартості. Ін-
шою метою оптимізації має бути мінімальна потреба в
зовнішньому постачанні енергії від централізованої ме-
режі за умови збереження надійності енергопоста-
чання.
Результати балансування потужностей та перетоків елек-
троенергії в локальній енергосистемі отримано шля-
хом імітаційного моделювання, коли стан балансу пред-
ставлено як випадковий процес, з урахуванням стохас-
тичної природи складових генерації та споживання енер-
гії. Встановлено, як саме комбінування потужностей
ВЕС та СЕС дає змогу зменшити сумарні перетоки і від-
повідні втрати енергії. Аналогічний результат забезпе-
чує застосування проміжних акумуляторів енергії – на-
віть кількагодинний запас енергії здатен удвічі й більше
зменшити залежність від зовнішньої мережі. Це має
особливе значення для децентралізованих споживачів,
особливо для об’єктів соціальної сфери. Для них доступ-
нішими вважаються можливості сонячної генерації. Од-
нак комбінація з іншими джерелами, наприклад вітрое-
лектричними установками, дає можливість краще за-
безпечити енергетичний баланс в локальних системах.
Комбінування потужностей ВДЕ дозволяє зменшити су-
марні перетоки і відповідні втрати енергії.
Застосування допоміжного джерела типу дизель-гене-
ратора дає змогу забезпечити високу надійність поста-
чання, однак загострює питання оптимальності вибору
потужностей. Так, тривалість необхідної роботи генера-
тора не пропорційна його потужності – при її збільшенні
зростає надлишок генерації або частота вмикань. Особ-
ливо це помітно за відсутності акумулятора. Комбіно-
вана генерація ВДЕ (ВЕС плюс СЕС) чутливіша до зміни
потужності резервного генератора, ніж однотипна гене-
рація, що надає додаткові можливості для регулювання
роботи енергосистеми шляхом вибору засобів генерації
та збереження енергії.
Багатокритеріальна оптимізація системи з урахуванням
фінансового критерію можлива за наявності сталого рин-
ку обладнання зі стабільними цінами, що наразі є про-
блемним в Україні.
Стаття підготовлена в рамках виконання проєктів нау-
ково-технічних робіт Національної академії наук Укра-
їни: «Комплекс-С», «Комплекс-3» (КПКВК 6541030).
ПОСИЛАННЯ / REFERENCES
1. Bakht M. P. at al. The potential role of hybrid renewable
energy system for grid intermittency problem: a
techno-economic optimisation and comparative analy-
sis. Sustainability, 2022, v. 14.
https://doi.org/10.3390/su142114045.
2. Shi B., Liu J. Decentralized control and fair load-shed-
ding compensations to prevent cascading failures in a
smart grid. Int. J. Electr. Power Energy Syst. 2015, v. 67,
582–590.
3. Siraj K. at al. Optimal power dispatch in solar-assisted
uninterruptible power supply systems. Int. Trans. Electr.
Energy Syst. 2019, v. 30, e12157.
4. Ani V. A. Design of a Reliable Hybrid (PV/Diesel) Power
System with Energy Storage in Batteries for Remote
Residential Home. J. Energy 2016, 6278138.
5. Malik P., Awasthi M., Sinha S. A techno-economic investi-
gation of grid integrated hybrid renewable energy sys-
tems. Sustain. Energy Technol. Assess. 2022, v. 51, 101976.
6. Sinha S., Chandel S. Review of recent trends in optimi-
zation techniques for solar photovoltaic–wind based hy-
brid energy systems. Renew. Sustain. Energy Rev. 2015,
v. 50, 755–769.
7. Anjum W. at al. A Robust Dynamic Control Strategy for
Standalone PV System under Variable Load and Environ-
mental Conditions. Sustainability, 2022, v. 14, 4601.
8. Almutairi K. at al. Use of a Hybrid Wind-Solar-Diesel-
Battery Energy System to Power Buildings in Remote Ar-
eas: A Case Study. Sustainability 2021, v. 13, 8764.
9. Shaila Arif et al. Enhancement of Solar PV Hosting Ca-
pacity in a Remote Industrial Microgrid: A Methodical
Techno-Economic Approach. Sustainability 2022, v. 14,
8921. 23 р. https://doi.org/10.3390/su14148921
10. Ismael S. M. at al. State-of-the-Art of Hosting Capacity
in Modern Power Systems with Distributed Generation.
Renew. Energy, 2019, v. 130, р. 1002–1020.
https://doi.org/10.1016/j.renene.2018.07.008.
18
Відновлювана енергетика. №1/2023 | Комплексні проблеми енергетичних систем на основі НВДЕ
11. K. Ding, W. Li, Y. Qian, P. Hu, Z.Huang. Application of
User Side Energy Storage System for Power Quality En-
hancement of Premium Power Park. Sustainability,
2022, v. 14, 3668. https://doi.org/10.3390/su14063668.
12. Barun K. Das at al. Feasibility and techno-economic
analysis of stand-alone and grid-connected
PV/Wind/Diesel/Batt hybrid energy system: A case
study. Energy Strategy Reviews 37 (2021) 100673.
https://doi.org/10.1016/j.esr.2021.100673.
13. X. Wang, Y. Yu, X. Yan, N. Liu. Rental strategy for energy
storage to participate in frequency regulation market.
IET Smart Grid, 2022, p. 1–10.
https://doi.org/ 10.1049/stg2.12079.
14. Kuznietsov M., Melnyk O., Smertiuk V. Simulation of
electricity accumulation process in the combined power
system. Vidnovluvana energetika, 2020, 4. P. 22–30.
https://doi.org/10.36296/1819-8058.2020.4(63). C. 22–
30. (Ukr.)
15. V. Okinda, N. Odero. A review of techniques in optimal
sizing of hybrid renewable energy systems. Interna-
tional Journal of Research in Engineering and Technol-
ogy. 2015, 4, р. 153–163.
https://doi.org/10.15623/ijret.2015.0411027.
16. Kuznietsov N., Lysenko O. Assessment of the power bal-
ance of combined energy systems. Vidnovluvana ener-
getika, 2018, 4. P. 6–14. https://doi.org/10.36296/1819-
8058.2018.4(55).6–14. (Ukr.)
17. Kuznietsov M., Karmazin О. Optimal planning of hybrid
power system at different electricity tariffs. Vid-
novluvana energetika, 2022, 3. P. 6–18. (Ukr.)
18. Kuznietsov M. Construction of a mathematical model of
electricity consumption mode. Vidnovluvana ener-
getika, 2017, 4. P. 33–42. ISSN 2664-8172. (Ukr.)
19. Kuznetsov N., Lysenko O. Determination of the Optimal
Algorithm for the Operation of a Hybrid Power System
with a Regulating Generator. Problemele energeticii re-
gionale, 2022, 3 (55). С. 83–98.
https://doi.org/10.52254/1857-0070.2022.3-55.07.
(Rus.)
20. Gaurav Rajput, Nitesh Sarkar. A Hybrid Environment
Friendly Energy System with Solar Photovoltaic and
Diesel Generator. Applied Science & Engineering
Journal for Advanced Research ISSN. 2022, v. 1. Pp. 1–
7. https://doi.org/10.54741/asejar.1.4.1.
21. M. Kuznetsov, O. Lysenko, A. Chebanov, D. Zhuravel.
Ensuring power balance in a hybrid power system with
a standby generator. // Eastern-European Journal of
Enterprise Technologies, № 6/8 (114), 2021, р. 6–15.
https://doi.org/10.15587/1729-4061.2021.245557.
22. M. Kuznietsov, Yu. Vyshnevska, I. Brazhnyk, O. Melnyk.
Modeling of the Generation-Consumption Imbalance in
the Heterogeneous Energy Systems with Renewable
Energy Sources / 2019 IEEE 6th International Conference
on Energy Smart Systems (ESS) conference-paper - P. 196–
200. https://doi.org/10.1109/ess.2019.8764189.
23. Korpikiewicz J. The Optimal Choice of Electrochemical
Energy Storage Parameters. Acta Energetica 1/26, 2016,
р. 56–62.
|
| id | veorgua-article-380 |
| institution | Vidnovluvana energetika |
| keywords_txt_mv | keywords |
| language | Ukrainian |
| last_indexed | 2026-07-19T01:10:40Z |
| publishDate | 2023 |
| publisher | Institute of Renewable Energy National Academy of Sciences of Ukraine |
| record_format | ojs |
| resource_txt_mv | veorgua/a6/c8bd746110f6fbde5a92dc9f23356ea6.pdf |
| spelling | veorgua-article-3802026-07-18T06:32:17Z ENSURING THE ENERGY BALANCE IN THE LOCAL SYSTEM WITH RENEWABLE GENERATION ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ БАЛАНСУ ЕНЕРГІЇ В ЛОКАЛЬНІЙ СИСТЕМІ З ВІДНОВЛЮВАНОЮ ГЕНЕРАЦІЄЮ Kuznietsov, M. Lysenko, O. hybrid energy system, renewable energy, random process, energy balance. гібридна енергосистема, відновлювані джерела енергії, випадковий процес, енергобаланс. The aim of the paper is to study the possibilities of providing the local consumer with electricity from renewable sources to reduce dependence on centralized supply. The peculiarity of the task is the random influence of renewable energy and consumption on ensuring the energy balance in the local power system, by choosing the composition and capacities of renewable generation and auxiliary equipment. A storage battery and a conventional fuel generator are considered as auxiliary balancing equipment. A simulation model was applied, which allows taking into account the peculiarities of this system and the non-guaranteed nature of the power of solar or wind plants. The components of the power balance are described as the decomposition of a certain random process, which is a feature of this model. The volume of needs for energy flows between local and centralized energy systems, their variability with different parameters of accumulation and auxiliary generator is calculated. The combination of wind and solar energy makes it possible to reduce dependence on the general electricity grid. The same result is provided by the use of intermediate energy accumulators and an auxiliary source such as a diesel generator. A comparison of the energy balancing indicates the different role of wind and solar energy at different times of the year: the use of installed capacity and the level of energy consumption can vary significantly. Other influencing factors are the speed of battery charging and energy loss during conversion - the consequence is the need for different duration of operation of the auxiliary generator and frequency of its activation. The reliability of the simulated results is verified by comparing them with real examples, the differences are at the level of 5-10 %. The proposed model allows us to choose the configuration of generating and auxiliary equipment with a known mode of electricity consumption, and to evaluate the possibilities of ensuring the energy balance. Bible 23, fig. 3, tab. 9.   Метою роботи є дослідження можливостей забезпечення локального споживача електроенергією з відновлюваних джерел для зменшення залежності від централізованого постачання. Особливістю задачі є вплив випад-кової природи відновлюваної енергетики та спожи-вання на можливості забезпечення енергетичного балан-су в локальній енергосистемі, що потребує вибору складу та потужностей відновлюваної генерації й допоміжного обладнання. Як допоміжне балансувальне обладнання розглядаються акумуляторна батарея та генератор на традиційному паливі. Застосовано імітаційну модель, яка дає змогу врахувати особливості цієї системи та негарантований характер потужності сонячних чи вітрових електростанцій. Складові балансу потужностей описано як декомпозицію певного випадкового процесу, що є особливістю вказаної моделі. Розраховано обсяг потреб у перетоках енергії між локальною та централізованою енергосистемами, їх варіативність при різних параметрах акумулятора та допоміжного генератора. Комбінування джерел вітрової та сонячної енергії дозволяє зменшити залежність від загальної електромережі. Такий самий результат забезпечує застосування проміжних акумуляторів енергії та допоміжного джерела типу дизель-генератора. Порівняння показників балансування енергії вказує на різну роль вітрової та сонячної енергії в різні пори року: істотно змінюється використання встановленої потужності та рівень споживання енергії. Іншими факторами впливу є швидкість заряджання акумулятора і втрати енергії при перетворенні – наслідком є потреба в різній тривалості роботи допоміжного генератора та частоті його вмикання. Достовірність модельованих результатів перевірена зіставленням з реальними прикладами, розбіжності на рівні 5–10  %. Пропонована модель дає змогу вибрати конфігурацію обладнання при відомому режимі споживання електроенергії та оцінити можливості забезпечення енергетичного балансу. Бібл. 23, рис. 3, табл. 9. Institute of Renewable Energy National Academy of Sciences of Ukraine 2023-04-13 Article Article application/pdf https://ve.org.ua/index.php/journal/article/view/380 10.36296/1819-8058.2023.1(72).6-18 Vidnovluvana energetika ; No. 1(72) (2023): Scientific and applied Journal renewable energy ; 6-18 Возобновляемая энергетика; ##issue.no## 1(72) (2023): Scientific and applied Journal renewable energy ; 6-18 Відновлювана енергетика; № 1(72) (2023): Науково-прикладний журнал Відновлювана енергетика; 6-18 2664-8172 1819-8058 10.36296/1819-8058.2023.1(72) uk https://ve.org.ua/index.php/journal/article/view/380/296 Copyright (c) 2023 M. Kuznietsov, O. Lysenko https://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0 |
| spellingShingle | hybrid energy system renewable energy random process energy balance. Kuznietsov, M. Lysenko, O. ENSURING THE ENERGY BALANCE IN THE LOCAL SYSTEM WITH RENEWABLE GENERATION |
| title | ENSURING THE ENERGY BALANCE IN THE LOCAL SYSTEM WITH RENEWABLE GENERATION |
| title_alt | ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ БАЛАНСУ ЕНЕРГІЇ В ЛОКАЛЬНІЙ СИСТЕМІ З ВІДНОВЛЮВАНОЮ ГЕНЕРАЦІЄЮ |
| title_full | ENSURING THE ENERGY BALANCE IN THE LOCAL SYSTEM WITH RENEWABLE GENERATION |
| title_fullStr | ENSURING THE ENERGY BALANCE IN THE LOCAL SYSTEM WITH RENEWABLE GENERATION |
| title_full_unstemmed | ENSURING THE ENERGY BALANCE IN THE LOCAL SYSTEM WITH RENEWABLE GENERATION |
| title_short | ENSURING THE ENERGY BALANCE IN THE LOCAL SYSTEM WITH RENEWABLE GENERATION |
| title_sort | ensuring the energy balance in the local system with renewable generation |
| topic | hybrid energy system renewable energy random process energy balance. |
| topic_facet | hybrid energy system renewable energy random process energy balance. гібридна енергосистема відновлювані джерела енергії випадковий процес енергобаланс. |
| url | https://ve.org.ua/index.php/journal/article/view/380 |
| work_keys_str_mv | AT kuznietsovm ensuringtheenergybalanceinthelocalsystemwithrenewablegeneration AT lysenkoo ensuringtheenergybalanceinthelocalsystemwithrenewablegeneration AT kuznietsovm zabezpečennâbalansuenergíívlokalʹníjsistemízvídnovlûvanoûgeneracíêû AT lysenkoo zabezpečennâbalansuenergíívlokalʹníjsistemízvídnovlûvanoûgeneracíêû |