Алгоритм работы системы накопления энергии в структуре электротехнического комплекса объекта газовой отрасли

  • Иван Сергеевич Токарев
  • Ярослав Элиевич Шклярский
  • Юлия Евгеньевна Андреева
  • Иван Владимирович Скворцов
Ключевые слова: алгоритм, электротехнический комплекс, система накопления энергии, оптимизация, целевая функция

Аннотация

В системах электроснабжения различных бытовых и технологических объектов все большее распространение получают системы накопления энергии на основе аккумуляторных батарей различных типов. Эксплуатация систем накопления характеризуется рядом технологических сложностей, связанных с физико-химическими особенностями работы аккумуляторов (ограниченное количество циклов заряда-разряда, ускоренное старение). Для рационального расходования накопленной энергии и оптимизации эксплуатационных характеристик аккумуляторных батарей необходима разработка специализированной системы управления работой системы накопления энергии. В рамках данного исследования разработано два алгоритма планирования работы электротехнического комплекса объекта газовой отрасли: алгоритм жестких правил и динамического планирования. Основными методами исследования были сценарный анализ работы электротехнических комплексов для построения алгоритмов автоматического управления на логических блоках, а также математическая многокритериальная оптимизации на основе целевых функций и алгоритма типа «хищник-жертва». Для каждого из разработанных алгоритмов проработаны сценарии функционирования, а также определено соотношение между типами систем управления и структурами существующих типовых электротехнических комплексов объектов газовой отрасли.

Биографии авторов

Иван Сергеевич Токарев

кандидат техн. наук, старший преподаватель кафедры общей электротехники, Санкт-Петербургский горный университет императрицы Екатерины II, Санкт-Петербург, Россия; i.s.tokarev@gmail.com

Ярослав Элиевич Шклярский

доктор техн. наук, профессор, заведующий. кафедрой общей электротехники, Санкт-Петербургский горный университет императрицы Екатерины II, Санкт-Петербург, Россия; Shklyarskiy_YaE@pers.spmi.ru

Юлия Евгеньевна Андреева

магистрант кафедры электроэнергетики и электромеханики, Санкт-Петербургский горный университет императрицы Екатерины II, Санкт-Петербург, Россия; yulia77577@mail.ru

Иван Владимирович Скворцов

магистрант кафедры электроэнергетики и электромеханики, Санкт-Петербургский горный университет императрицы Екатерины II, Санкт-Петербург, Россия; si-28@mail.ru

Литература

1. Chen W., Ren H., Zhou W. Review of Multi-Objective Optimization in Long-Term Energy System Models. – Global Energy Interconnection, 2023, vol. 6, No. 5, pp. 645–660, DOI: 10.1016/J.GLOEI.2023.10.010.
2. Cheng Y. et al. Profitably Scheduling the Energy Hub of Inhabitable Houses Considering Electric Vehicles, Storage Systems, Revival Provenances and Demand Side Management through a Modified Particle Swarm Optimization. – Sustainable Cities and Society, 2023, vol. 92, DOI: 10.1016/J.SCS.2023.104487.
3. Iwafune Y. et al. Cooperative Home Energy Management Using Batteries for a Photovoltaic System Considering the Diversity of Households. – Energy conversion and management, 2015, vol. 96, pp. 322–329, DOI: 10.1016/J.ENCONMAN.2015.02.083.
4. Hassanzadehfard H., Tooryan F., Dargahi V. Standalone Hybrid System Energy Management Optimization for Remote Village Considering Methane Production from Livestock Manure. – International Journal of Hydrogen Energy, 2023, vol. 48, No. 29, pp. 10778–10796, DOI: 10.1016/J.IJHYDENE.2022.12.085.
5. Шклярский Я.Э. и др. Энергоэффективность в минерально-сырьевом комплексе. – Записки Горного института, 2023, т. 261, с. 323–324.
6. Dehghani M. et al. Spring Search Algorithm for Simulta-neous Placement of Distributed Generation and Capacitors. – Electrical Engineering & Electromechanics, 2018, No. 6, pp. 68–73, DOI: 10.20998/2074-272X.2018.6.10.
7. Kumar R.P., Karthikeyan G. A Multi-Objective Optimization Solution for Distributed Generation Energy Management in Microgrids with Hybrid Energy Sources and Battery Storage System. – Journal of Energy Storage, 2024, vol. 75, DOI: 10.1016/J.EST.2023.109702.
8. Chreim B., Esseghir M., Merghem-Boulahia L. Recent Sizing, Placement, and Management Techniques for Individual and Shared Battery Energy Storage Systems in Residential Areas: A review. – Energy Reports, 2024, vol. 11, pp. 250–260, DOI: 10.1016/J.EGYR.2023.11.053.
9. Premadasa P.N.D. et al. A Multi-Objective Optimization Model for Sizing an off-Grid Hybrid Energy Microgrid with Optimal Dispatching of a Diesel Generator. – Journal of Energy Storage, 2023, vol. 68, DOI: 10.1016/J.EST.2023.107621.
10. Modu B. et al. Energy Management and Capacity Planning of Photovoltaic-Wind-Biomass Energy System Considering Hydro-gen-Battery Storage. – Journal of Energy Storage, 2023, vol. 73, DOI: 10.1016/J.EST.2023.109294.
11. Гашимов А.М., Гулиев Г.Б., Рахманов Н.Р. Улучшенный алгоритм нечеткой логики для управления реактивной мощностью и напряжением в распределительных сетях. – Энергетика. Известия высших учебных заведений и энергетических объединений СНГ, 2014, № 2, с. 29–39.
12. Алехин Р.А. и др. Обзор метаэвристических методов оптимизации, применяемых при решении электроэнергетических задач. – Вестник Самарского государственного технического университета. Серия: Технические науки, 2019, № 3 (63), с. 6–19.
13. Абрамович Б.Н., Бабурин С.В. Метод синтеза топологии систем электроснабжения предприятий минерально-сырьевого комплекса на основе логико-вероятностных оценок. – Записки Горного института, 2016, т. 218, с. 233.
14. Dehghani M. et al. A New Methodology Called Dice Game Optimizer for Capacitor Placement in Distribution Systems. – Electrical Engineering and Electromechanics, 2020, No. 1, pp. 61–64, DOI: 10.20998/2074-272X.2020.1.10.
15. Nowdeh S.A. et al. Stochastic Optimization – Based Economic Design for a Hybrid Sustainable System of Wind Turbine, Combined Heat, and Power Generation, and Electric and Thermal Storages Considering Uncertainty: A Case Study of Espoo, Finland. – Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2023, vol. 183, DOI: 10.1016/J.RSER.2023.113440.
16. Nair S.P., Sundari M.S.S. Optimizing Day-Ahead Energy Management with Demand Response in a PV-Diesel-Battery System Using a Hybrid GOA-SNN Strategy. – Journal of Energy Storage, 2024, vol. 76, DOI: 10.1016/J.EST.2023.109717.
17. Жуковский Ю.Л., Сизякова Е.В. Внедрение системы энергосбережения и энергоэффективности на предприятиях металлургического комплекса. – Записки Горного института, 2013, т. 202, с. 155–160.
18. Behzadi A., Sadrizadeh S. A Rule-Based Energy Management Strategy for a Low-Temperature Solar/Wind-Driven Heating System Optimized by the Machine Learning-Assisted Grey Wolf Approach. – Energy Conversion and Management, 2023, vol. 277, DOI: 10.1016/J.ENCONMAN.2022.116590.
19. Козярук А.Е. и др. Диагностика и оценка остаточного ресурса электромеханического оборудования, работающего в тяжелых условиях, по электрическим параметрам. – Записки Горного института, 2011, т. 192, с. 161.
20. Шпенст В.А., Бельский А.А., Орел Е.А. Повышение энергоэффективности автономного электротехнического комплекса с возобновляемыми источниками энергии на основании адаптивной регулировки режимов работы. – Записки Горного института, 2023, т. 261, с. 479–492.
21. Hussain S. et al. Multi-Stage Optimization for Energy Management and Trading for Smart Homes Considering Operational Constraints of a Distribution Network. – Energy Build, 2023, vol. 301, DOI: 10.1016/J.ENBUILD.2023.113722.
22. Kim J.K. et al. Optimization Models for the Cost-Effective Design and Operation of Renewable-Integrated Energy Systems. – Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2023, vol. 183, DOI: 10.1016/J.RSER.2023.113429.
23. Yazdani H., Baneshi M., Yaghoubi M. Techno-Economic and Environmental Design of Hybrid Energy Systems Using Multi-Objective Optimization and Multi Criteria Decision Making Methods. – Energy Convers Manag, 2023, vol. 282, DOI: 10.1016/J.ENCONMAN.2023.116873.
24. Yadav S., Kumar P., Kumar A. Grey Wolf Optimization Based Optimal Isolated Microgrid with Battery and Pumped Hydro as Double Storage to Limit Excess Energy. – Journal of Energy Storage, 2023, vol. 74, DOI: 10.1016/J.EST.2023.109440.
25. Balavignesh S. et al. Optimization-Based Optimal Energy Management System for Smart Home in Smart Grid. – Energy Reports, 2023, vol. 10, pp. 3733–3756, DOI: 10.1016/J.EGYR.2023.10.037.
26. Ang Y.Q. et al. Multi-Objective Optimization of Hybrid Renewable Energy Systems with Urban Building Energy Modeling for a Prototypical Coastal Community. – Renew Energy, 2022, vol. 201, pp. 72–84, DOI: 10.1016/J.RENENE.2022.09.126.
27. Литвиненко В.С. и др. Оценка роли государства в управлении минеральными ресурсами. – Записки Горного института, 2023, т. 259, с. 95–111.
28. Карпенко А.П. Эволюционные операторы популяционных алгоритмов глобальной оптимизации. Опыт систематизации. – Математика и математическое моделирование, 2018, № 1, c. 59–89.
29. Грошев С.В., Карпенко А.П. Мета-оптимизация популяционных алгоритмов многоцелевой оптимизации. – Вестник евразийской науки, 2016, т. 8, № 6 (37), с. 52.
30. Гвоздинский А.Н. Применение методов оптимизации для задач принятия решений в системах управления деятельностью предприятия. – Радиоэлектроника и информатика, 2014, № 4 (67), с. 35–38.
31. El Mezdi K. et al. Performance Improvement Through Nonlinear Control Design and Power Management of a Grid-Connected Wind-Battery Hybrid Energy Storage System. – Results in Engineering, 2023, vol. 20, DOI: 10.1016/J.RINENG.2023.101491.
32. Modu B. et al. A Systematic Review of Hybrid Renewable Energy Systems with Hydrogen Storage: Sizing, Optimization, and Energy Management Strategy. – International Journal of Hydrogen Energy, 2023, vol. 48, No. 97, pp. 38354–38373, DOI: 10.1016/J.IJHYDENE.2023.06.126.
33. Farrokhi E., Ghoreishy H., Ahangar R.А. Optimization-Based Power Management for Battery/Supercapacitor Hybrid Energy Storage System with Load Estimation Capability in a DC Microgrid. – International Journal of Electrical Power & Energy Systems, 2024, vol. 155, DOI: 10.1016/J.IJEPES.2023.109665.
34. Ayop R., Isa N.M., Tan C.W. Components Sizing of Photovoltaic Stand-Alone System Based on Loss of Power Supply Probability. – Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2018, vol. 81, pp. 2731–2743, DOI: 10.1016/J.RSER.2017.06.079.
#
1. Chen W., Ren H., Zhou W. Review of Multi-Objective Optimization in Long-Term Energy System Models. – Global Energy Interconnection, 2023, vol. 6, No. 5, pp. 645–660, DOI: 10.1016/J.GLOEI.2023.10.010.
2. Cheng Y. et al. Profitably Scheduling the Energy Hub of Inhabitable Houses Considering Electric Vehicles, Storage Systems, Revival Provenances and Demand Side Management through a Modified Particle Swarm Optimization. – Sustainable Cities and Society, 2023, vol. 92, DOI: 10.1016/J.SCS.2023.104487.
3. Iwafune Y. et al. Cooperative Home Energy Management Using Batteries for a Photovoltaic System Considering the Diversity of Households. – Energy conversion and management, 2015, vol. 96, pp. 322–329, DOI: 10.1016/J.ENCONMAN.2015.02.083.
4. Hassanzadehfard H., Tooryan F., Dargahi V. Standalone Hybrid System Energy Management Optimization for Remote Village Considering Methane Production from Livestock Manure. – International Journal of Hydrogen Energy, 2023, vol. 48, No. 29, pp. 10778–10796, DOI: 10.1016/J.IJHYDENE.2022.12.085.
5. Shklyarskiy Ya.E. et al. Zapiski Gornogo instituta – in Russ. (Notes of the Mining Institute), 2023, vol. 261, pp. 323–324.
6. Dehghani M. et al. Spring Search Algorithm for Simultaneous Placement of Distributed Generation and Capacitors. – Electrical Engineering & Electromechanics, 2018, No. 6, pp. 68–73, DOI: 10.20998/2074-272X.2018.6.10.
7. Kumar R.P., Karthikeyan G. A Multi-Objective Optimization Solution for Distributed Generation Energy Management in Microgrids with Hybrid Energy Sources and Battery Storage System. – Journal of Energy Storage, 2024, vol. 75, DOI: 10.1016/J.EST.2023.109702.
8. Chreim B., Esseghir M., Merghem-Boulahia L. Recent Sizing, Placement, and Management Techniques for Individual and Shared Battery Energy Storage Systems in Residential Areas: A review. – Energy Reports, 2024, vol. 11, pp. 250–260, DOI: 10.1016/J.EGYR.2023.11.053.
9. Premadasa P.N.D. et al. A Multi-Objective Optimization Model for Sizing an off-Grid Hybrid Energy Microgrid with Optimal Dispatching of a Diesel Generator. – Journal of Energy Storage, 2023, vol. 68, DOI: 10.1016/J.EST.2023.107621.
10. Modu B. et al. Energy Management and Capacity Planning of Photovoltaic-Wind-Biomass Energy System Considering Hydrogen-Battery Storage. – Journal of Energy Storage, 2023, vol. 73, DOI: 10.1016/J.EST.2023.109294.
11. Gashimov A.M., Guliev G.B., Rahmanov N.R. Energetika. Izvestiya vysshih uchebnyh zavedeniy i energeticheskih obedineniy SNG – in Russ. (Energy. News of Higher Educational Institutions and Energy Associations of the CIS), 2014, No. 2, pp. 29–39.
12. Alekhin R.А. et al. Vestnik Samarskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta. Seriya: Tekhnicheskie nauki – in Russ. (Bulletin of the Samara State Technical University. Series: Technical Sciences), 2019, No. 3 (63), pp. 6–19.
13. Abramovich B.N., Baburin S.V. Zapiski Gornogo instituta – in Russ. (Notes of the Mining Institute), 2016, vol. 218, pp. 233.
14. Dehghani M. et al. A New Methodology Called Dice Game Optimizer for Capacitor Placement in Distribution Systems. – Electrical Engineering and Electromechanics, 2020, No. 1, pp. 61–64, DOI: 10.20998/2074-272X.2020.1.10.
15. Nowdeh S.A. et al. Stochastic Optimization – Based Economic Design for a Hybrid Sustainable System of Wind Turbine, Combined Heat, and Power Generation, and Electric and Thermal Storages Considering Uncertainty: A Case Study of Espoo, Finland. – Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2023, vol. 183, DOI: 10.1016/J.RSER.2023.113440.
16. Nair S.P., Sundari M.S.S. Optimizing Day-Ahead Energy Management with Demand Response in a PV-Diesel-Battery System Using a Hybrid GOA-SNN Strategy. – Journal of Energy Storage, 2024, vol. 76, DOI: 10.1016/J.EST.2023.109717.
17. Zhukovskiy Yu.L., Sizyakova E.V. Zapiski Gornogo instituta – in Russ. (Notes of the Mining Institute), 2013, vol. 202, pp. 155–160.
18. Behzadi A., Sadrizadeh S. A Rule-Based Energy Management Strategy for a Low-Temperature Solar/Wind-Driven Heating System Optimized by the Machine Learning-Assisted Grey Wolf Approach. – Energy Conversion and Management, 2023, vol. 277, DOI: 10.1016/J.ENCONMAN.2022.116590.
19. Kozyaruk А.Е. et al. Zapiski Gornogo instituta – in Russ. (Notes of the Mining Institute), 2011, vol. 192, pp. 161.
20. Shpenst V.А., Bel'skiy A.A., Orel Е.А. Zapiski Gornogo instituta – in Russ. (Notes of the Mining Institute), 2023, vol. 261, pp. 479–492.
21. Hussain S. et al. Multi-Stage Optimization for Energy Management and Trading for Smart Homes Considering Operational Constraints of a Distribution Network. – Energy Build, 2023, vol. 301, DOI: 10.1016/J.ENBUILD.2023.113722.
22. Kim J.K. et al. Optimization Models for the Cost-Effective Design and Operation of Renewable-Integrated Energy Systems. – Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2023, vol. 183, DOI: 10.1016/J.RSER.2023.113429.
23. Yazdani H., Baneshi M., Yaghoubi M. Techno-Economic and Environmental Design of Hybrid Energy Systems Using Multi-Objective Optimization and Multi Criteria Decision Making Methods. – Energy Convers Manag, 2023, vol. 282, DOI: 10.1016/J.ENCONMAN.2023.116873.
24. Yadav S., Kumar P., Kumar A. Grey Wolf Optimization Based Optimal Isolated Microgrid with Battery and Pumped Hydro as Double Storage to Limit Excess Energy. – Journal of Energy Storage, 2023, vol. 74, DOI: 10.1016/J.EST.2023.109440.
25. Balavignesh S. et al. Optimization-Based Optimal Energy Management System for Smart Home in Smart Grid. – Energy Reports, 2023, vol. 10, pp. 3733–3756, DOI: 10.1016/J.EGYR.2023.10.037.
26. Ang Y.Q. et al. Multi-Objective Optimization of Hybrid Renewable Energy Systems with Urban Building Energy Modeling for a Prototypical Coastal Community. – Renew Energy, 2022, vol. 201, pp. 72–84, DOI: 10.1016/J.RENENE.2022.09.126.
27. Litvinenko V.S. et al. Zapiski Gornogo instituta – in Russ. (Notes of the Mining Institute), 2023, vol. 259, pp. 95–111.
28. Karpenko А.P. Matematika i matematicheskoe modelirovanie – in Russ. (Mathematics and mathematical modeling), 2018, No. 1, pp. 59–89.
29. Groshev S.V., Karpenko А.P. Vestnik evraziyskoy nauki – in Russ. (Bulletin of Eurasian Science), 2016, vol. 8, No. 6 (37), с. 52.
30. Gvozdinskiy A.N. Radioelektronika i informatika – in Russ. (Radio Electronics and Computer Science), 2014, No. 4 (67), pp. 35–38.
31. El Mezdi K. et al. Performance Improvement Through Nonlinear Control Design and Power Management of a Grid-Connected Wind-Battery Hybrid Energy Storage System. – Results in Engineering, 2023, vol. 20, DOI: 10.1016/J.RINENG.2023.101491.
32. Modu B. et al. A Systematic Review of Hybrid Renewable Energy Systems with Hydrogen Storage: Sizing, Optimization, and Energy Management Strategy. – International Journal of Hydrogen Energy, 2023, vol. 48, No. 97, pp. 38354–38373, DOI: 10.1016/J.IJHYDENE.2023.06.126.
33. Farrokhi E., Ghoreishy H., Ahangar R.А. Optimization-Based Power Management for Battery/Supercapacitor Hybrid Energy Storage System with Load Estimation Capability in a DC Microgrid. – International Journal of Electrical Power & Energy Systems, 2024, vol. 155, DOI: 10.1016/J.IJEPES.2023.109665.
34. Ayop R., Isa N.M., Tan C.W. Components Sizing of Photovoltaic Stand-Alone System Based on Loss of Power Supply Probability. – Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2018, vol. 81, pp. 2731–2743, DOI: 10.1016/J.RSER.2017.06.079
Опубликован
2024-02-29
Раздел
Статьи