Введение к работе
Актуальность работы. Значительная часть территории Российской Федерации (РФ), имеющая малую плотность населения, не присоединена к централизованным электроэнергетическим системам. Подобная картина является характерной и для Республики Казахстан (РК), занимающей 9-е место в мире по площади территории (2,7 млн. км2). При этом плотность населения составляет всего 5,5 чел./км2.
На протяжении многих лет дизель-генераторы (ДГ) являются основным источником электроснабжения потребителей на удаленных территориях, и на сегодняшний день полноценной замены им нет. Однако дизельные электростанции (ДЭС) обладают рядом недостатков, главными из которых являются высокая себестоимость генерируемой электроэнергии, обусловленная большим расходом дорогого дизельного топлива, и затраты на его доставку в отдаленные районы.
Одним из способов повышения эффективности ДЭС является применение
гибридных автономных электростанций на основе возобновляемых источников
энергии (ВИЭ). Среди всех видов ВИЭ в долгосрочной перспективе наибольший
потенциал имеет ветроэнергетика на территории как России, так и Казахстана. В
настоящее время уровень разработок и внедрения автономных
электрогенерирующих систем с совместным использованием ДЭС и ВИЭ остается недостаточным. Учитывая данные обстоятельства, актуальными являются задачи разработки, создания, исследования и внедрения новых высокоэффективных автономных ветро-дизельных электрических установок (ВДЭУ) для выработки электроэнергии.
Проблеме создания автономных источников электроэнергии на основе
ВИЭ + ДЭС посвящён целый ряд работ как в России, так и за рубежом. Большой
вклад в развитие теории и разработку конструкции ВДЭУ внесли отечественные
ученые: Б.В. Лукутин, С.Г. Обухов, А.В. Серебряков, Н.М. Парников,
А.В. Бобров, М.А. Сурков, Е.Н. Соснина, З.П. Хошнау, А.А. Бельский,
А.А. Аверин, А.Н. Дорошина и др.
Данная диссертационная работа выполнялась в соответствии с программой
06В «Повышение эффективности производства, преобразования, передачи,
распределения электроэнергии и управления электроэнергетическими
процессами», входящей в перечень основных научных направлений СГТУ имени Гагарина Ю.А.
Объектом исследования является автономный электротехнический комплекс (ЭТК), представляющий собой локальную систему электроснабжения с использованием ВДЭУ.
Предмет исследования – совместные режимы работы ДЭС и ветроэнергетических установок (ВЭУ) в составе автономного ЭТК.
Цель работы и задачи исследования – улучшение энергетических и эксплуатационных характеристик комбинированных автономных систем электроснабжения, использующих ДЭС и ВЭУ, за счет разработки новых технических решений, рациональной организации режимов работы силового оборудования и системы управления.
Достижение поставленной цели предполагает решение следующих задач:
-
Провести сравнительный анализ существующих технических решений, используемых при построении ветро-дизельных систем автономного электроснабжения, и обозначить перспективные направления создания комбинированных автономных систем электроснабжения повышенной эффективности, использующих ДЭС и ВЭУ.
-
Разработать инновационную структуру ВДЭУ и алгоритм ее работы.
-
Разработать математическую модель ВДЭУ с накопителем энергии (НЭ), комплексной нагрузкой и системой управления (СУ).
-
Исследовать режимы работы ВДЭУ в широком диапазоне скоростей ветрового потока и при различном характере графиков интенсивности работы нагрузки.
5. Оценить экономическую эффективность разработанной системы.
Методы исследования включают аналитические методы, которые
базируются на теории электрических машин, современной теории работы ВЭУ,
а также методы численного и имитационного моделирования
электромеханических систем. Расчетные данные получены с применением пакета прикладных программ MATLAB / Simulink.
Достоверность полученных в работе результатов обеспечивается
корректным применением положений теоретических основ электротехники,
электрических машин, апробированных методов компьютерного
моделирования, а также экспериментальными исследованиями опытного образца.
Научные положения и результаты, выносимые на защиту:
-
Результаты сравнительного анализа автономных систем генерирования электроэнергии различной физической природы, позволившие выделить наиболее эффективное направление развития этих систем, основанное на применении в их структуре общей шины постоянного тока, как наиболее эффективное и универсальное решение для суммирования мощности устройств с различной выходной мощностью.
-
Разработанный и запатентованный ЭТК с системой запрета одновременного пуска мощных нагрузок, обладающий улучшенными технико-экономическими показателями по сравнению с существующими аналогами по удельному расходу топлива (снижение на 15-20 %), установленной мощности (до 30 %) и взаиморезервированию.
-
Имитационные компьютерные математические модели ЭТК с ВДЭУ, позволяющие исследовать и получать параметры установившихся и динамических режимов работы в условиях изменяющихся в широких пределах внешних и внутренних возмущающих факторов.
-
Результаты сравнительного моделирования режимов работы мультимодульных ВЭУ, позволившие определить рациональные условия работы ВЭУ (при разном количестве лопастей: 3, 6, 12) в зависимости от скорости ветра, характера нагрузки и способа суммирования выходных мощностей модулей.
Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:
– в выявлении характера зависимости эффективной работы
разнолопастных ветродвигателей многомодульной установки при различных способах формирования выходного напряжения.
– в разработке ветро-дизельной системы автономного электроснабжения (патент РФ №2588613, МПК H02J 3/46) с системой запрета одновременного пуска нескольких мощных нагрузок, что позволяет уменьшить установленную мощность электрогенерирующего оборудования ветрогенератора (ВГ), ДГ и емкость аккумуляторной батарей (АКБ) на 30 %;
– в разработке обобщенной математической модели ЭТК с ВДЭУ, которая позволяет исследовать и получать параметры установившихся и динамических режимов работы в условиях изменяющихся в широких пределах внешних и внутренних факторов;
– в результатах технико-экономического анализа эффективности использования разработанной системы автономного электроснабжения, показывающих, что применение разработанной системы позволяет снизить установленную мощность ДЭС на 25-30 % и, соответственно, уменьшить капитальные затраты на ее приобретение, сохраняя гарантированный ресурс дизеля за счет исключения режима работы дизеля с малыми нагрузками менее 25 % от номинальной мощности дизеля.
Практическую ценность и полезность работы представляют:
-
Разработанное новое схемотехническое решение ЭТК с ВДЭУ с улучшенными технико-экономическими показателями во всем диапазоне изменения возмущающих факторов и сигналов управления.
-
Имитационные математические модели, позволяющие снизить расходы и время на проектирование, и разработку ВДЭУ.
3. Конструктивные решения выполнения мультимодульной ВЭУ.
Реализация результатов работы. Результаты диссертационной работы
использованы при выполнении исследований в учебном процессе кафедры «Энергетика» Западно-Казахстанского аграрно-технического университета имени Жангир хана (ЗКАТУ им. Жангир хана), при проведении лекционных занятий и выполнении курсовых и выпускных работ бакалавров и магистров по специальности 5В071800 и 6М071800 – «Электроэнергетика».
Апробация работы. Основные положения и результаты исследования диссертационной работы докладывались и обсуждались на Международной научно-практической конференции «Наука и образование – главный вектор развития Казахстана» (ЗКИГУ, Уральск, 2012), «Казахстан на пути к обществу знаний» (ЗКИГУ, Уральск, 2013); Международной конференции, посвященной 105-летию со дня рождения профессора Красникова В.В. «Новые технологии и технические средства в АПК» (СГАУ им. Н.И. Вавилова, Саратов, 2013); III Международной научной конференции «Проблемы управления, обработки и передачи информации» (СГТУ имени Гагарина Ю.А., Саратов, 2013); III Всероссийской научно-технической конференции «Энергоэффективность и энергобезопасность производственных процессов» (ТГУ, Тольятти, 2014); ХI Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы
электронного приборостроения» (АПЭП-2014, СГТУ имени Гагарина Ю.А., Саратов, 2014); XI Международной научно-практической конференции «Проблемы управления в социально-экономических и технических системах: сб. научн. статей по материалам» (СГТУ имени Гагарина Ю.А., Саратов, 2015); IV Международной научной конференции «Проблемы управления, обработки и передачи информации» (УОПИ-2015, СГТУ имени Гагарина Ю.А., Саратов, 2015); Международной научно-практической конференции, посвященной 20-летию Конституции Республики Казахстан и Ассамблеи народа Казахстана «Наука и образование XXI века: опыт и перспективы» (ЗКАТУ им. Жангир хана, Уральск, 2015).
Личный вклад соискателя заключается в выполнении основного объема исследований, изложенных в работе, в обработке, анализе, обобщении полученных результатов и формулировке выводов, выполненных в период с 2011 по 2017 года, а также в личном участии в апробации результатов исследования и подготовке основных публикаций по выполненной работе, в разработке, изготовлении и испытаний узлов и агрегатов экспериментальной мультимодульной ВЭУ.
Публикации. По теме диссертации опубликованы 25 работ (3 статьи в
журналах, входящих в перечень ведущих рецензируемых изданий,
рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ, 20 статей в научных сборниках, один патент РФ на изобретение и один патент на полезную модель РК). Список публикаций по теме диссертации приведен в конце автореферата.
Объём и структура диссертационной работы. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав с выводами, заключения, списка литературы. Объем работы составляет 139 страниц, в тексте 64 иллюстрации, 4 таблицы. Список литературы включает 178 наименований, в том числе 23 – на иностранном языке.