Повышение эффективности автономных систем электроснабжения с ветро-дизельными электростанциями Липужин Иван Алексеевич

Содержание к диссертации

Введение

1 Исследование особенностей автономных систем электроснабжения (СЭС) с ветро-дизельной электростанцией (ВДЭС). Постановка цели и задач исследования 10

1.1 Краткая характеристика автономных СЭС с ВДЭС . 10

1.1.1 Обзор нормативно-правовой базы 14

1.1.2 Анализ силового оборудования ВДЭС 18

1.1.3 Анализ схем соединения энергоустановок ВДЭС 23

1.2 Исследование методов повышения эффективности автономных СЭС с ВДЭС 27

1.2.1 Критерии эффективности автономных СЭС с ВДЭС 28

1.2.2 Анализ публикаций по вопросам повышения эффективности автономных СЭС с ВДЭС 38

1.3 Постановка цели и задач исследования 42

1.4 Выводы по первой главе . 46

2 Исследование нормальных режимов работы электротехнических комплексов автономных СЭС с ВДЭС 47

2.1 Основные подходы 47

2.2 Разработка критериев определения нормального режима работы автономных СЭС с ВДЭС . 49

2.3 Разработка алгоритма оценки режима работы автономных СЭС 58

2.4 Разработка имитационных моделей автономной СЭС с ВДЭС 60

2.5 Исследование нормальных режимов работы автономной СЭС с ВДЭС . 67

2.6 Выводы по второй главе 71

3 Разработка универсального преобразователя напряжений (УПН) и его применение в автономных СЭС с ВДЭС . 72

3.1 Основные подходы . 72

3.2 Краткая характеристика УПН 76

3.2.1 Принцип действия УПН . 77

3.2.2 Описание конструкции УПН . 84

3.3 Применение УПН в автономных СЭС с ВДЭС . 89

3.4 Разработка алгоритма функционирования УПН в составе автономной СЭС с ВДЭС . 94

3.5 Выводы по третьей главе 97

4 Разработка рекомендаций по повышению эффективности автономных СЭС с ВДЭС . 99

4.1 Рекомендации по применению УПН в автономных СЭС 99

4.2 Оценка воздействия ВДЭС на окружающую среду . 102

4.3 Рекомендации по повышению эффективности автономных СЭС с ВДЭС . 108

4.4 Технико-экономическое обоснование эффективности автономных СЭС с ВДЭС 112

4.5 Выводы по четвертой главе 119

Заключение 121

Список использованных источников . 123

Приложение А. Разработка имитационной модели автономной СЭС с ВДЭС 150

Приложение Б. Результаты исследований к главе 2 193

Приложение В. Результаты интеллектуальной деятельности . 200

Приложение Г. Акты о внедрении . 202

• Критерии эффективности автономных СЭС с ВДЭС
• Разработка критериев определения нормального режима работы автономных СЭС с ВДЭС
• Применение УПН в автономных СЭС с ВДЭС
• Технико-экономическое обоснование эффективности автономных СЭС с ВДЭС

Введение к работе

Актуальность. Районы Крайнего Севера и Дальнего Востока России
обладают высоким ветровым потенциалом, что позволяет покрыть потребности в
электроэнергии и повысить уровень надежности электроснабжения

энергоудаленных потребителей за счет комбинированного использования традиционных источников энергии с экологически чистыми ветроэнергетическими установками (ВЭУ). Согласно программе инновационного развития ОАО «РАО Энергетические системы Востока» до 2020 г. сооружение ветро-дизельных электростанций (ВДЭС) в ДВФО позволит сэкономить до 10,5 тыс. тонн привозного дизельного топлива в год, повысить надежность электроснабжения автономных потребителей и сократить выбросы вредных веществ на 38 тыс. тонн.

Повышение эффективности функционирования систем электроснабжения (СЭС) с ВДЭС является актуальной проблемой современных исследований.

Степень проработанности проблемы. Можно выделить несколько направлений исследований по повышению эффективности автономных СЭС с ВДЭС: выбор оптимальной структуры ВДЭС и применение накопителей электроэнергии (Б.В. Лукутин, В.Г. Титов, С.Г. Обухов, О.В. Крюков, Б.Н. Абрамович, В.Н. Гурницкий, А.В. Орлов, А.А. Аверин, А.А. Бельский, В.В. Вессарт, Е.Т. Ербаев, Е.В. Коноплев, H. Nacfaire, S. Drouilhet, R. Sebastian), разработка методик проектирования автономных СЭС с ВДЭС (С.Ф. Степанов, В.А. Минин, В.Н. Карпов, А.М. Клер, Б.Н. Сонеев, Н.К. Малинин, А.В. Бобров, Н.В. Зуев, Д.Н. Карамов, В.Р. Киушкина, Р.В. Пугачев, С.В. Соломин, Т.Ф. Тугузова, E.I. Baring-Gould, K. Keith, Y.-h. Wan, B.K. Parsons) и разработка и совершенствование алгоритмов управления режимами ВДЭС (Ю.Г. Шакарян, И.И. Артюхов, В.В. Елистратов, Н.М. Парников, Е.Ж. Сарсикеев, М.А. Сурков, З.П. Хошнау, М.А. Шиллер, A. Screve, A.N. Cuk Supriyadi).

Несмотря на растущий интерес к ВДЭС, опыт эксплуатации таких систем в
России весьма ограничен, а существующие ВДЭС имеют невысокий КПД,
отличаются сложностью конструкции и значительными затратами на эксплуатацию.
Эффективного решения сопряжения ВЭУ, дизель-генераторной установки (ДГУ),
накопителей электрической энергии и нагрузки пока не найдено. Все применяемые
на практике системы сопряжения имеют недостатки (ограничение по мощности,
необходимость во внешнем контроллере, отсутствие возможности масштабирования
системы и др.) и разрабатываются под конкретные источники энергии. Большое
разнообразие типов и параметров элементов ВДЭС усложняет выбор оптимальной
структуры сопряжения. Разработка гибкого устройства с универсальным входом для
подключения источников как переменного, так и постоянного тока,

обеспечивающего на выходе напряжение, удовлетворяющее требованиям ГОСТ 32144-2013, позволило бы повысить эффективность автономных СЭС с ВДЭС.

Вместе с тем, пока не исследовано влияние параметров автономной СЭС с ВДЭС на режимы ее работы. Совершенствование схемных решений сопряжения источников с нагрузкой требует проведения дополнительных исследований режимов работы автономной СЭС с ВДЭС, система управления которой должна поддерживать нормальные режимы ее работы.

Объект исследования – автономная система электроснабжения с ветро-дизельной электрической станцией малой мощности.

Предмет исследования – режимы работы автономной СЭС с ВДЭС и схемные решения по сопряжению энергоустановок ВДЭС с СЭС.

Цель диссертации – повышение эффективности автономных СЭС с ВДЭС за счет применения универсального преобразователя напряжения и обеспечения нормальных режимов работы автономной СЭС с ВДЭС.

Для достижения указанной цели в работе были решены следующие основные задачи:

1. комплексный анализ автономных СЭС с ВДЭС и исследование методов повышения эффективности их работы;

2. исследование нормальных режимов работы автономных СЭС с ВДЭС;

3. разработка универсального преобразователя напряжения (УПН) для подключения энергоустановок ВДЭС к автономной СЭС и алгоритма его функционирования, поддерживающего нормальные режимы работы системы;

4. разработка рекомендаций по повышению эффективности автономных СЭС с ВДЭС.

Методы исследования. В работе использовались методы анализа и
обобщения данных, сравнения, математического и имитационного компьютерного
моделирования, теории автоматического управления, электромеханических

переходных процессов, мгновенной мощности, электрических машин.

Научная новизна работы:

1. Предложены критерии, позволяющие определить нормальные и
ненормальные режимы работы автономной СЭС с ВДЭС.

2. Разработан универсальный алгоритм оценки режима работы автономной
СЭС с ВДЭС, позволяющий определить параметры системы, при которых
происходит нарушение нормального режима ее работы.

3. Разработаны имитационные модели автономных СЭС с ВДЭС,
позволяющие проводить исследования нормальных режимов работы системы при
соединении энергоустановок на постоянном и переменном токе.

4. Установлены закономерности влияния параметров и схемы подключения
энергоустановок и потребителей автономной системы на режим работы СЭС с
ВДЭС.

5. Разработан алгоритм работы УПН, учитывающий тип подключаемого
источника энергии и требования обеспечения нормального режима работы
автономной СЭС с ВДЭС.

На технические решения получены патент на полезную модель и свидетельство на программу для ЭВМ.

Основные научные положения, выносимые на защиту:

5. Алгоритм оценки и обеспечения нормального режима работы автономной СЭС с ВДЭС, учитывающий параметры элементов системы и ее конфигурацию.

6. Имитационные модели автономных СЭС с ВДЭС для исследования влияния параметров и схемы подключения энергоустановок ВДЭС на режим работы автономной СЭС с ВДЭС.

7. Алгоритм работы УПН в составе автономной СЭС с ВДЭС, учитывающий требования обеспечения нормального режима ее работы.

4. Рекомендации по повышению эффективности автономных СЭС с ВДЭС.

Обоснованность и достоверность результатов обеспечиваются использованием апробированных методов компьютерного моделирования электроэнергетических систем. Результаты моделирования в программном комплексе MatLab совпадают с практическими расчетами. Полученные результаты базируются на всестороннем анализе выполненных ранее научно-исследовательских работ. Измерения проводились с помощью поверенных анализаторов качества электрической энергии и осциллографов.

Практическая значимость и реализация результатов работы.

1. Критерии и алгоритм оценки режима работы автономной СЭС с ВДЭС
могут быть использованы для определения параметров системы и внешних
воздействий, которые обеспечат нормальную работу автономной СЭС с ВДЭС. Это
позволит усовершенствовать систему управления ВДЭС, снизить технико-
экономический ущерб и повысить эффективность электроснабжения автономных
потребителей.

2. Результаты исследований и алгоритм работы УПН, учитывающий
требования обеспечения нормального режима функционирования автономных СЭС
с ВДЭС, использованы АО «Электро Интел» при проектировании и изготовлении
опытного образца.

3. Рекомендации по повышению эффективности электроснабжения могут быть
использованы при проектировании и реконструкции автономных СЭС с ВДЭС.

4. Материалы диссертации используются в учебном процессе кафедры
«Электроэнергетика, электроснабжение и силовая электроника» НГТУ при чтении
лекций, проведении лабораторных и практических работ по курсам «Надежность и
эффективность систем электроэнергетики», «Специальные вопросы
электроснабжения» и «Автоматизация и управление систем электроснабжения».

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались:

на международных и зарубежных конференциях и форумах: 9-й форум «Возобновляемая энергетика: пути повышения энергетической и экономической эффективности» - «REENFOR-2014», РАН, Москва, 2014 г.; VI НТК «Электроэнергетика глазами молодежи», ИГЭУ, Иваново, 2015 г.; XLIV, XLV НПК «Федоровские чтения», МЭИ, Москва, 2014, 2015 г.г.; XVIII НТК «Состояние и перспективы развития электро- и теплотехнологии» - «Бенардосовские чтения», ИГЭУ, Иваново, 2015 г.; 9^th, 10^th Молодежная научная конференция «Young scientists towards the challenges of modern technology», WUT, Варшава, Польша, 2014, 2015 г.г.; II НТК «Пром-Инжиниринг», ЮУрГУ, Челябинск, 2016 г.; 16-й, 18-й Научно-промышленный форум «Великие реки», Нижегородская ярмарка, Н. Новгород, 2014, 2016 г.г.; XIII - XVI Молодежные НТК «Будущее технической науки», НГТУ, Н. Новгород, 2014 - 2017 г.г.; 9-ая, 10-ая НТК «Энергия», ИГЭУ, Иваново, 2014, 2015 г.г.; X Молодежная научная конференция «Тинчуринские чтения», КГЭУ, Казань, 2015 г.; IEEE PES Conference on Innovative Smart Grid Technologies Latin America (ISGT-LA 2017), Кито, Эквадор, 2017 г.;

на всероссийских конференциях: IX Научная конференция и молодежная школа «Возобновляемые источники энергии», МГУ, Москва 2014 г.; I НТК «Энергосберегающие технологии в АПК», НГИЭИ, Княгинино, 2014 г.; I, II НТК

«Актуальные проблемы электроэнергетики», НГТУ, Н. Новгород, 2015, 2016 г.г.; XXXIX сессия семинара «Кибернетика энергетических систем», НПИ, Новочеркасск, 2017 г.;

на региональных конференциях: XXXII, XXXIII НТК «Актуальные проблемы электроэнергетики» НГТУ, Н. Новгород, 2013, 2014 г.г.; XIX- XXII Нижегородские сессии молодых ученых (технические науки), Н. Новгород, 2014-2017 г.г.

Связь диссертации с научными программами. Работа выполнена в рамках ФЦП "Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на (2007-2013) 2014-2020 годы» по темам «Повышение эффективности и устойчивости локальной системы электроснабжения на основе оптимизации работы гибридного источника энергии с ветрогенератором» (Соглашение о предоставлении субсидии от 17.06.2014 №14.574.21.0009), «Разработка технических решений для создания энергоэффективной системы электроснабжения автономного потребителя на основе комбинированного использования возобновляемых источников энергии и устройств оптимального управления» (ГК №14.516.11.0006 от 15.03.2013). Также работа выполнена в рамках гос. задания Минобрнауки России по теме «Повышение эффективности использования малой распределенной генерации на основе технологий «виртуальной электростанции» (ГЗ от 31.05.2017 № 13.2078.2017/ПЧ).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 23 печатных работы, в том числе 3 статьи в журналах, входящих в Перечень рецензируемых научных изданий, рекомендованных ВАК РФ, 4 статьи в журналах, входящих в базу цитирования Scopus, 1 патент на полезную модель и 1 свидетельство о регистрации программы для ЭВМ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников и одного приложения. Объем диссертации составляет 203 стр., из которых 122 стр. основного текста, включая 46 рисунков, 16 таблиц. Список использованных источников содержит 221 наименование.

Критерии эффективности автономных СЭС с ВДЭС

На основе результатов анализа научно-технической, нормативной и методической литературы, с учетом положений ГОСТ 31607-2012 [22], применительно к автономным СЭС с ВДЭС выделено 9 групп показателей эффективности, которые условно можно разделить на показатели эффективности СЭС и показатели эффективности ВДЭС (таблица 1.6).

1. Потери электроэнергии. Характеризуется показателями:

- процент потерь энергии в сети;

ГОСТ 31532-2012 [21] устанавливает состав показателей энергетической эффективности в области энергосбережения. В качестве показателя эффективности передачи энергии выбраны абсолютные или удельные значения потерь электроэнергии в системе. Нормативы потерь должны быть установлены в нормативной документации на систему передачи электроэнергии в регламентированных условиях работы системы.

В РД 50-374-82 [116] приведены указания по составу и содержанию нормативов расходов энергии на единицу продукции. В качестве рекомендуемых показателей экономичности передачи, преобразования и распределения электроэнергии выделены:

- потери холостого хода Pхх и короткого замыкания Pкз (кВт) для трансформаторов;

- активное сопротивления 1 м кабеля r0 (Ом) для электрических силовых кабелей;

- коэффициент полезного действия преобразователей, который в общем виде может быть найден по формуле:

Л =пол-100% (1.1)

где Рпол - полезная мощность (на выходе преобразователя), кВт; Рполн - полная мощность, подведенная к преобразователю, кВт.

В Р 50-605-89-94 [112] дополнительно рекомендуется использовать в качестве показателей энергоэкономичности передачи электроэнергии:

- потери мощности АР (кВт):

AP = I2-R (1.2) где / - величина тока, протекающего через проводник, А; R - активное сопротивление проводника, Ом.

Положение по проведению энергетических обследований РАО «ЕЭС России» РД 153-34.0-09.162-00 [117] рекомендует в качестве показателя электрических сетей оценивать:

- степень компенсации реактивной мощности (квар/кВт): tgcp = Qр/Pр (1.3) где 2р - расчетное значение реактивной мощности, квар; Pp - расчетное значение активной мощности, кВт.

2. Качество электрической энергии. Характеризуется показателями качества электроэнергии (ПКЭ). В автономных СЭС с ВДЭС нормы качества электроэнергии регламентирует ГОСТ 32144-2013 [23], который устанавливает 6 продолжительных изменений характеристик напряжения:

- отклонение частоты (Гц): А/ = /m-/ном, (1.4) где /m - значение основной частоты напряжения, измеренное в интервале времени 10 с, Гц;/ном = 50 Гц - номинальное значение частоты.

В автономных системах с ВДЭС отклонение частоты не должно превышать ± 1 Гц в течение 95 % времени интервала в одну неделю и ± 5 Гц в течение 100 % времени интервала в одну неделю.

- медленные изменения напряжения, характеризующиеся отрицательными и положительными отклонениями напряжения (%): 8U, , = -100%; (1-5) w(+) = u U m(+)-\oo%, (1-6) где Um(.),Um(+) - значение напряжения, меньшее и большее Щ, усредненные в интервале 10 мин.; U0 - номинальное или согласованное напряжение.

/(.) и /(+) в точке передачи электрической энергии не должны превышать 10 % номинального или согласованного значения напряжения в течение 100 % времени интервала в одну неделю. При этом отклонения напряжения на зажимах электроприемников не должны превышать установленных для них допустимых значений.

- колебания напряжения, которые характеризуются кратковременной Pst (о.е.) и длительной Pit (о.е.) дозами фликера.

Согласно ГОСТ IEC 61000-3-3-2015 измерения дозы фликера выполняются с помощью фликерметра или аналитическим методом: где tf – сумма значений времени восприятия фликера, с; Tp – интервал времени наблюдения (10 мин.), с; Pst,i – последовательные показания кратковременной дозы фликера, о.е.; N – количество измерений на интервале 2 часа.

Значения Pst не должны превышать 1,38, а для Plt – 1,0 в течение 100 % времени интервала в одну неделю.

- несинусоидальность напряжения, характеризующаяся коэффициентами гармонических составляющих напряжения до 40-го порядка KU(n) (%) и суммарным коэффициентом гармонических составляющих напряжения KU (%). ГОСТ 30804.4.7 устанавливает порядок, требования к измерениям и расчету коэффициентов: где UHM - среднеквадратичное значение напряжения гармонической составляющей порядка h, В; UHj - среднеквадратичное значение напряжения основной гармонической составляющей, В.

Значения коэффициентов Ки(п) приведены в [23]. Для сетей 0,4 кВ усредненные в интервале времени 10 мин. значения Ки не должен превышать 8,0% в течении 95% времени и 12% в течении 100% интервала в одну неделю.

- несимметрия напряжения характеризуется коэффициентами несимметрии напряжения по обратной К2и (%) и нулевой Кои (%) последовательности.

Значения коэффициентов рассчитываются по ГОСТ 30804.4.30-2013: К2и= 2 100%, (1.11) К 0и= 0 100% (1.12) где U2 - напряжение обратной последовательности, В; U0 - напряжение нулевой последовательности, В; U\ - напряжение прямой последовательности, В.

Значения К2и и Коиусредненные в интервале 10 мин., не должны превышать 2% в течении 95% времени и 4% в течении 100% интервала в одну неделю.

Помимо этого требования к качеству электроэнергии автономных СЭС устанавливает ГОСТ Р 56124.2-2014 [48]:

- продолжительность предоставления электроэнергии в течение суток (ч/сут);

- годовая продолжительность предоставления электроэнергии (%/год).

Для электроприемников переменного и постоянного тока устанавливаются ПКЭ. Для постоянного тока: напряжение на уровне приемника U±&U (В); качество сигнала. Для переменного тока: напряжение на точке передачи U±&U (В); частота f±bf (Гц); искажение синусоиды THD (%); коэффициент мощности системы: С08ф = Рр/р,, (1.13) где Sv - расчетная полная мощность, кВА.

Качество поставляемой электроэнергии является важнейшим показателем энергоэффективности СЭС с ВДЭС.

3. Надежность электроснабжения. Характеризуется показателями:

- наработка на отказ, ч:

T LtJn, (1.14) где tt - время исправной работы, ч; п - число отказов от момента начала эксплуатации до окончания наблюдения.

- вероятность безотказной работы (ВБР), %: где No - общее число объектов; и,- число отказавших объектов в интервале времени tsti ; t - время, для которого определяется ВБР; N(t) - число объектов, исправно работающих на интервале [ОД

- средняя частота появления повреждений в системе (system average interruption frequency index, SAIFT): где nt - количество потребителей на /-ом участке, ед; г - интенсивность отказов на /-ом участке, 1/год; N - общее количество потребителей, ед; т - количество участков сети.

- средняя продолжительность повреждения системы (system average interruption duration index , SAIDI): где Tt - ежегодное время перерыва электроснабжения потребителей 1-ого участка, ч.

4. Удельный расход электроэнергии на единицу площади (кВтч/м2): F где Wг - годовой расход электроэнергии, кВтч; F - площадь, м2.

Разработка критериев определения нормального режима работы автономных СЭС с ВДЭС

Поддержание баланса мощностей является обязательным условием нормальной работы автономных СЭС с ВДЭС [11, 123, 175]. Однако при этом не учитываются электромеханические характеристики и особенности взаимодействия отдельных элементов в системе [77]. Для более глубокого изучения причин нарушения нормального режима работы автономных СЭС с ВДЭС предложено выполнять оценку режима системы по пяти критериям [78, 122, 171-173]:

1. устойчивость работы ВЭУ;

2. отсутствие асинхронного хода синхронного генератора;

3. отсутствие обратного потока мощности в ДГУ;

4. отсутствие уравнительных токов в системе;

5. сохранение устойчивости узла нагрузки.

Устойчивость работы ВЭУ

Принцип работы ВЭУ основан на преобразовании кинетической энергии ветрового потока в механическую энергию вращения ротора с последующим ее преобразованием в электрическую энергию. Набегающий на лопасти ветровой поток создает крутящий момент на валу двигателя, который приводит во вращение ротор синхронного генератора. 0,8 0,6 0,4 0,2 0

Рабочими характеристиками ветродвигателя являются характеристики крутящих моментов Mв=f(n) и мощностей Pв=f(n). Они служат для выбора оптимального режима работы двигателя и определения передаточного отношения механической передачи к генератору. Наложение рабочих характеристик генератора на характеристики ветродвигателя определяет рабочие точки ВЭУ Система статически устойчива, если при малом возмущении результирующий момент стремится вернуть систему в первоначальное положение. Для этого приращение электромагнитного момента генератора должно быть больше изменения механического момента турбины. Условие устойчивости ВЭУ выражается неравенством [2]: (2.1) где: Мв - крутящий момент ветродвигателя, Нм; Мг - крутящий момент генератора; п - скорость вращения выходного вала двигателя, Нм.

Проверка условия (2.1) осуществляется по мощностным и моментным характеристикам ветротурбины и генератора, приведенным к скорости вращения п одного и того же вала (например, выходного вала генератора).

Отсутствие асинхронного хода синхронного генератора

Как правило, в составе ДГУ используются бесщеточные синхронные генераторы переменного тока. Нарушением статической устойчивости является выпадение генератора из синхронизма и переход машины в асинхронный режим, который сопровождается прохождением по обмотке якоря больших токов [125].

Условием работы синхронного генератора является равенство частот вращения ротора щ и результирующего магнитного поля щ. Оно определяется выражением [179]: щ=п2 (2.2)

Статическая устойчивость синхронной машины - способность сохранять синхронное вращение (2.2) при изменении внешнего вращающего или тормозного момента Мвн, приложенного к ее валу [179]. Условие статической устойчивости определяется выражением: в Ж-, (2.3) 2 где в - угол нагрузки, .

Чем меньше угол нагрузки в, тем больший запас по устойчивости имеет синхронная машина. При увеличении тока возбуждения уменьшается угол нагрузки, следовательно, увеличивается устойчивость.

Причинами нарушения устойчивости могут служить несоблюдение условия (2.3) при наличии в сети большой доли активно-емкостной нагрузки. Генератор в этом случае для поддержания стабильного напряжения будет работать в режиме недовозбуждения, т. е. ток возбуждения снизится, а угол в возрастет. Еще одной причиной может служить снижение скорости ветрового потока, а, следовательно, уменьшение вращающего момента и тока возбуждения. При нехватке энергии, производимой ВЭУ, возникает необходимость включения ДГУ. При точной синхронизации должно быть осуществлено успешное включение генератора дизельной установки в работающую сеть, при котором генератор после включения не должен выпасть из синхронизма, а бросок тока не должен превышать предельного значения. Условие сохранения устойчивости определяет предельные значения скольжения при включении. В данном случае скольжением является разность угловых скоростей работающего и включаемого генераторов. Значение предельного толчка тока во время включения определяет значение угла сдвига вектора ЭДС за синхронным реактивным сопротивлением относительно вектора напряжения. Величины допустимых скольжения и углов очень малы, при этом из-за практически непрерывной пульсации скорости ветра на валу генератора ВЭУ появляется избыточный момент. Все эти факторы указывают на то, что метод точной синхронизации весьма затруднителен. Поэтому применяется метод самосинхронизации.

По сравнению с методом точной синхронизации он позволяет расширить пределы допустимых скольжений при включении генератора в сеть и не требует проверки фазы включения. Действующее значение периодической составляющей тока переходного процесса U при включении должно удовлетворять условию: Id= Uc 3.5, (2.4) х d + x c где Uc - напряжение сети, о.е.; xd - переходное реактивное сопротивление генератора, о.е.; хс - реактивное сопротивление связи между генератором и сетью, о.е.

Нахождение предельных значений скольжения и ускорения, которое возникает под воздействием избыточного момента, имеющемся на валу генератора из-за практически непрерывной пульсации скорости ветра, при самосинхронизации является достаточно сложным процессом и требует использования специальной методики. Во избежание качания ротора и толчка тока, которые могут нарушить устойчивость, рекомендуется производить возбуждение ротора непосредственно после подключения обмотки статора генератора к сети. Возникающий при этом синхронный момент втягивает ротор генератора в синхронизм [124]. Форсировка возбуждения сокращает длительность и глубину посадки напряжения, оказывая благоприятное влияние на характер переходного процесса.

Отсутствие обратного потока мощности в ДГУ

Работа синхронного генератора устойчива при изменении угла нагрузки в пределах от 0 до 90 - формула (2.3). Если угол нагрузки станет меньше нуля # 0,то синхронная машина из генераторного перейдет в двигательный режим работы, что приведет к нарушению электроснабжения потребителя и устойчивости системы. В рассматриваемой системе переход ДГУ в двигательный режим возможен при параллельной работе ДГУ и ВЭУ.

В схемах ВДЭС с шиной постоянного тока причиной нарушения устойчивости может служить пробой выпрямительного устройства.

Пробой диодов выпрямителя может произойти вследствие повышения напряжения выше нормы, при перегреве током большой силы, проходящим через них, и при механических повреждениях. В пробитых диодах сопротивление практически равно нулю в обоих направлениях, что ведет к короткому замыканию фаз обмотки статора и отказу генератора. В результате этого снижается напряжение генератора, а аккумуляторная батарея не заряжается. Она начинает разряжаться через обмотку статора, что вызывает разрушение изоляции обмотки и быстрый разряд батареи. Для того чтобы исключить пробой выпрямителя, необходимо выполнение условия

Энергоустановки ВДЭС могут подключаться к автономной СЭС через шину постоянного тока (ШПТ). В этом случае, на выводах каждого из генераторов имеется выпрямитель, а преобразование постоянного тока в необходимый потребителю переменный производится при помощи инвертора. Эти устройства являются преобразователями напряжения на полупроводниковых элементах.

При использовании синхронного генератора на постоянных магнитах, мощность на выходе ВЭУ пропорциональна скорости ветрового потока. Из-за неравномерности графика нагрузки объекта и скорости ветрового потока в течении суток условия работы генераторов и их загрузка различны. Таким образом, при параллельной работе ВЭУ и ДГУ выходные напряжения Uв1 и Uв2 также будут различными, что приведет к разности потенциалов U на ШПТ, которая определяется выражением

Применение УПН в автономных СЭС с ВДЭС

Для проверки выполнения заявленного функционала проведены экспериментальные исследования опытного образца УПН. Задачей исследования являлось измерение параметров режимов работы (токов и напряжений) основных элементов опытного образца УПН: ключевые транзисторы инвертора напряжения, конденсаторы емкостного накопителя, дроссели и конденсаторы выходного фильтра УПН, цепи нагрузки.

Для проведения измерений разработана схема (рисунок 3.8), определяющая узлы подключения регистрирующих приборов и вспомогательного оборудования (источники напряжения, нагрузка). Измерения проводились с использованием четырёхлучевого цифрового осциллографа RIGOL DS 1204B (позиционные обозначения PS1- PS3), последовательно в каждой из трёх фаз преобразователя напряжения.

Исследования показали высокую степень совпадения величин измеряемых параметров по фазам, поэтому ниже приведённые данные идентичны для всех трёх фаз.

Параметры напряжений узлов УПН значительно превышают предельные величины допустимого диапазона входных напряжений осциллографа, поэтому использованы измерительные кабели осциллографа с аттенюатором 1:10.

На рисунках 3.9 – 3.12 приведены временные диаграммы осциллографических измерений.

На рисунке 3.11 а, б изображены в двух масштабах временной развёртки осциллографа последовательно сверху вниз напряжения: дросселя L1 выходного фильтра инвертора; коллектор-эмиттер транзисторов VT1, VT2.

Были проведены испытания основного узла УПН – инвертора напряжения, преобразующего постоянное напряжение в трехфазное переменное 380 В 50 Гц.

На рисунке 3.12 верхний луч отображает напряжение на ёмкостном накопителе, а нижний - цепи нагрузки относительно общего нулевого потенциала центральной горизонтальной разметки экрана.

Для исследования качества электрической энергии потребителей, получающих питание через опытный образец УПН проведены испытания [170] для двух вариантов подключаемого источника питания:

1.источника переменного тока 220/380 В 50 Гц (рисунок 3.13, а);

2. источника постоянного тока ± 200 В (рисунок 3.13, б).

В роли потребителя выступала однофазная нагрузка мощностью 2 кВт. Измерения проводились с помощью анализатора качества электрической энергии АКЭ-824.

При запуске УПН в течение 20 мс происходит идентификация типа подключенного источника энергии. В первом варианте, к УПН подключен источник переменного тока (рисунок 3.13, а). Модифицированный инвертор с задержкой 5 мс переключается в режим выпрямителя. Таким образом, через 25 мс УПН готово к работе. После этого запускается инвертор напряжения 2, и включается контактор цепи потребителя (рисунок 3.14).

Во втором варианте (рисунок 3.13, б) модифицированный инвертор переключается в режим конвертора постоянного напряжения. Дальнейшие переключения аналогичны. Осциллограммы показывают, что в обоих случаях потребитель получает питание уже через 30 мс после включения УПН.

Даже при резко несимметричной нагрузке (рисунок 3.14, б) система питающих напряжений автономного потребителя остается симметричной (рисунок 3.13, а). Это достигается средствами пофазной стабилизации инвертора 2.

Результаты испытания экспериментально образца УПН на воздействие перегрузок и измеренные показатели качества электроэнергии на шинах нагрузки приведены в таблицы 3.4.

Анализ результатов показывает, что качество электроэнергии удовлетворяет требованиям ГОСТ 32144-2013: напряжение на шинах нагрузки 220/380 В, отклонение напряжения 2%, частота 50 Гц, коэффициент несимметрии напряжения 2%, а значение суммарного коэффициента гармонических составляющих напряжения 4%.

Проведенные испытания экспериментального образца УПН подтвердили выполнение им заявленных функций. Активно-адаптивная система управления обеспечивает определение параметров и характеров напряжений источников, осуществляет переключение режимов работы модифицированного инвертора.

Технико-экономическое обоснование эффективности автономных СЭС с ВДЭС

На примере энергоудаленного поселения Мурманской области проведены расчеты экономической эффективности замены существующей ДЭС на ВДЭС [146]. Село Чапома, численностью 81 чел, расположено в Мурманской области на берегу Белого моря. Расстояние до ближайшего районного цента – 320 км. Сообщение с другими поселениями осуществляется только воздушным транспортом. В селе функционирует рыбный колхоз. Энергообеспечение с. Чапома осуществляется от ДЭС.

Основные этапы проектирования ВДЭС включают:

1. Оценка целесообразности использования ВЭУ. Определяется двумя основными факторами: потенциалом ветровой энергии в месте сооружения ВДЭС и графиком электрической нагрузки автономного объекта.

Оценка потенциала ветровой энергии заключается в анализе данных скоростей ветра. Для получения достоверных данных, после первичного анализа по данным метеорологических станций, в течении нескольких лет производится замер скоростей ветра с помощью ветроизмерительного комплекса в конкретной точке. Анализируется средняя скорость ветра; ее изменения в течение суток, месяца, года; определяются максимальная и минимальная скорости ветра; рассчитываются частота изменений скорости ветра и повторяемость градаций скорости ветра. Полученные данные используются для выбора конструкции ВЭУ и определения вырабатываемой ею мощности.

Для оценки целесообразности установки ВДЭС в селе Чапома, использованы данные архива погоды с метеостанции в селе Пялица, находящемся в 31 км от объекта исследования (ближайшая метеостанция) [5]. Среднегодовая скорость ветра составила 5,65 м/с, что характеризует перспективность использования ВЭУ. График среднемесячных скоростей ветра представлен на рисунке 4.7.

Вывод о целесообразности использования ВЭУ делается после сравнения графика вырабатываемой мощности ВЭУ с графиком нагрузки объекта.

2. Выбор мощностей ВЭУ и ДГУ производится на основе данных о графиках нагрузки и потреблении электроэнергии объектом, а также зависит от степени замещения ВЭУ (таблица 1.2).

При отсутствии достоверных данных о графике нагрузки потребителя, он строится на основе расчетных данных о количестве, мощности, коэффициентах загрузки Кз и коэффициентах включения Кв электроприемников. По значениям Кз и Кв рассчитывается коэффициент использования Ки

При построении графика нагрузки с. Чапома все электроприемники были разделены на 3 группы: жилой сектор (30 жилых домов), освещение и легкая промышленность (2 рыбных цеха рыболовецкого колхоза). В качестве допущения принято, что график нагрузки жилого сектора не изменяется по месяцам (отопление домов осуществляется индивидуально с помощью дровяных печей), а график нагрузки рыбных цехов изменяется в зависимости от времени года (от вылова рыбы). При расчете нагрузки освещения учитывалась средняя по месяцам продолжительность светового дня в Мурманской области и время использования светильников в жилых домах.

Годовая средняя мощность, потребляемая поселением, составила 168,55 кВт. Максимальная мощность наблюдается в октябре - 205,85 кВт.

Групповой график нагрузки объекта (рисунок 4.8) строится суммированием индивидуальных графиков отдельных электроприемников.

При выборе ВДЭС малого уровня замещения, мощность ДЭС должна покрывать всю потребляемую мощность, чтобы в периоды безветрия электроснабжение потребителей не прерывалось.

На этапе проектирования необходимо не только выбрать мощности источников питания, но и определить оптимальное соотношение их мощностей. Для экономии дизельного топлива в периоды работы ВЭУ рекомендуется, чтобы мощность ВЭУ покрывала 50 % потребляемой мощности объекта.

3. Разработка структурной схемы ВДЭС. Наиболее распространенными схемами, которые позволяют ВДЭС осуществлять данные режимы, являются схемы сопряжения источников на стороне переменного или постоянного тока.

Выбор схемы осуществляется с учетом требований к качеству выдаваемой электроэнергии и стоимости проекта [60].

Для сопряжения энергоустановок выбрана параллельная конфигурации схемы с соединением источников на стороне постоянного тока (рисунок 1.7).

4. Выбор типа и модели ВЭУ и ДЭС. Выбор типа энергоустановок основан на сравнительном анализе характеристик моделей фирм-производителей (таблица 1.4).

Ключевыми параметрами при выборе ВЭУ являются: мощность; стартовая скорость ветра, при которой начинает вращаться турбина, стоимость и тип генератора. Стоимость ВЭУ напрямую связана с ее мощностью. С увеличением мощности, как правило, увеличиваются начальная, номинальная, рабочая и предельная скорости ветра. Величина начальной скорости ветра накладывает ограничения на выбор ВЭУ в местах с небольшой и нестабильной скоростью ветра (например, в местах, где скорость ветра носит сезонный характер или в определенный продолжительный период времени вообще отсутствует). Для удобства обслуживания целесообразно выбирать однотипные ВЭУ.

При значительной нагрузке генерацию лучше осуществлять несколькими маломощными ВЭУ, чем одной энергоустановкой с большой установленной мощностью. В этом случае при выходе одной ВЭУ из строя будет потеряна только часть возобновляемой электроэнергии.

Выбор ДЭС зависит от мощности, расхода топлива, условий эксплуатации и стоимости. Работа ДЭС с малой загрузкой экономически не выгодна, поэтому рекомендуется выбирать несколько дизельных генераторов, для возможности отключения части неработающих установок в часы минимума нагрузки.

Кроме источников энергии выбраны аккумуляторные батареи, выпрямители и инвертор. Полный перечень выбранного оборудования приведен в таблице 4.4.

Капитальные вложения на сооружение ВДЭС, приобретение, доставку и установку оборудования составят 22,260 млн. руб.

5. Оценка экономической эффективности проекта. Для этого выполняется сравнительный анализ себестоимости 1 кВтч электроэнергии Сэл (руб/кВтч), произведенной ДЭС и ВДЭС по выражению (1.21).

При эксплуатации только ДЭС, вся электроэнергия вырабатывается только ее генераторами. Для расчета себестоимости определяется общее потребление объектом электроэнергии за год.

Для определения общегодовых эксплуатационных затрат С необходимо рассчитать затраты на топливо Стоп в год, руб