Development of Smart Grid technology for maintaining the functioning of a biogas cogeneration system

Abstract

The integrated Smart Grid system of harmonization of production and consumption of electric power and heat with the use of heat-pumping power supply of the biogas plant, which uses fermented wort as a low-potential source of power, was developed. A change in the power factor of the cogeneration system, the temperature of local water is predicted by measuring the voltage at the inlet to the inverter, at the outlet from the inverter and voltage frequency. In the engine cooling circuit, the temperature of cooling water at the inlet to the heat exchanger, at the outlet from the heat exchanger, and the return water temperature are measured. It was proposed to estimate a change in the ratio of voltage at the inlet to the inverter and at the outlet from the inverter. Making forestalling decisions to change the power of the heat pump and the number of plates in the heat exchanger of the engine cooling circuit makes it possible to maintain the voltage at the entrance to the inverter and the temperature of the heated local water. The complex mathematical and logical modeling of the cogeneration system, based on the mathematical substantiation of the architecture of the cogeneration system and mathematical substantiation of the maintenance of functioning of the cogeneration system, was performed. Time constants and coefficients of the mathematical models of dynamics regarding the estimation of a change in the power factor of the cogeneration system, temperature of local water, were determined. Functional estimation of a change in power factor of the cogeneration system in the range of 85–95 %, temperature of local water in the range of 30–55 °С at the compensation of reactive power of up to 40 % was obtained. Determining final functional information provides an opportunity to make forestalling decisions on a change in the power of a heat pump and a change in the number of plates in the heat exchanger of the engine cooling circuit to maintain the functioning of the cogeneration system.

Розроблено інтегровану Smart Grid систему узгодження виробництва та споживання електричної енергії та теплоти з використанням теплонасосного енергопостачання біогазової установки, низькопотенційним джерелом енергії для якого є зброджене сусло. Прогнозування зміни коефіцієнта потужності когенераційної системи, температури місцевої води відбувається з вимірюванням напруги на вході в інвертор, на виході із інвертора та частоти напруги. В контурі охолодження двигуна вимірюється температура охолоджувальної води на вході в теплообмінник, на виході із теплообмінника та температура зворотної води. Запропоновано оцінювати зміну співвідношення напруги на вході в інвертор та на виході із інвертора. Прийняття випереджуючих рішень на зміну потужності теплового насоса та кількості пластин теплообмінника контуру охолодження двигуна дозволяє підтримувати напру- гу на вході в інвертор та температуру місцевої води, що нагрівається. Виконано комплексне математичне та логічне моделювання когенераційної системи, що базується на математичному обґрунтуванні архітектури когенераційної системи та математичному обґрунтуванні підтримки функціонування когенераційної системи. Визначено постійні часу та коефіцієнти математичних моделей динаміки щодо оцінки зміни коефіцієнта потужності когенераційної системи, температури місцевої води. Здобуто функціональну оцінку зміни коефіцієнта потужності когенераційної системи в діапазоні 85–95 %, температури місцевої води в діапазоні 30–55 °С при компенсації реактивної потужності до 40 %. Визначення підсумкової функціональної інформації надає можливість приймати випереджуючі рішення на зміну потужності теплового насоса та зміну кількості пластин теплообмінника контуру охолодження двигуна щодо підтримки функціонування когенераційної системи.