Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Состояние и перспективы развития возобновляемой энергетики в автономных энергосистемах 14
1.1 Мировые тенденции развития возобновляемой энергетики 14
1.2 Особенности локальных систем электроснабжения 31
1.3 Перспективы гибридных ветро-дизельных систем электроснабжения и задачи исследований автономных ветро-дизельных электротехнических комплексов 33
1.4 Выводы по главе 1 38
ГЛАВА 2. Способы построения автономных ветро- дизельных электротехнических комплексов и формирование энергоэффективных режимов их работы .. 40
2.1. Варианты построения ветро-дизельных источников электропитания и их применения в локальных системах электроснабжения 40
2.2. Алгоритмы взаимодействия элементов ветро-дизельного электротехнического комплекса 46
2.3. Формирование режимов работы автономной системы электроснабжения с рассредоточенной ветро-дизельной генерацией 57
2.4. Интеллектуальные алгоритмы формирования режимов работы ветро дизельных электротехнических комплексов 64
2.5. Технико-экономические характеристики ветро-дизельных электротехнических комплексов 81
2.6. Выводы по главе 2 88
ГЛАВА 3. Математические модели энергопреобразования основных элементов ветро-дизельного электротехнического комплекса 91
3.1. Основные энергетические характеристики дизельных электростанций и их моделирование 94
3.1.1. Моделирование дизельной электростанции с переменной частотой вращения двигателя 100
3.1.2. Моделирование дизельной электростанции с постоянной частотой вращения двигателя 105
3.2. Основные энергетические характеристики ветроэлектростанций и их моделирование 113
3.3. Моделирование электрических нагрузок 127
3.4. Основные энергетические характеристики накопителей электроэнергии и моделирование энергопреобразования в них 130
3.5. Моделирование энергетических балансов автономного ветро-дизельного электротехнического комплекса 150
3.6. Выводы по главе 3 154
ГЛАВА 4. Обеспечение энергоэффективных режимов автономных ветро-дизельных электротехнических комплексов 156
4.1. Определение диапазона рациональной загрузки дизельной электростанции 159
4.2. Определение области возможного эффективного применения ветроэнергетических установок 161
4.3. Соотношение установленных мощностей ветро- и дизельгенератора в автономном ветро-дизельном электротехническом комплексе 164
4.3.1. Работа автономного ВДЭТК с выводом дизельгенератора из синхронизма на минимальный холостой ход 168 4.3.2. Работа автономного ВДЭТК с выключением дизельгенератора при благоприятных ветровых условиях 171
4.3.3. Сравнение вариантов работы автономного ВДЭТК с различными режимами работы дизельгенераторной установки 175
4.4. Выбор оптимальной ёмкости аккумуляторных батарей в автономном ветро-дизельном электротехническом комплексе 180
4.4.1. Влияние диапазонов заряда/разряда аккумуляторных батарей на эффективность работы автономного ВДЭТК 187
4.4.2. Работа автономного ВДЭТК с аккумулированием электрической энергии и дизельгенератором на постоянных оборотах двигателя 190
4.4.3. Работа автономного ВДЭТК с аккумулированием электрической энергии и выводом дизельгенератора из синхронизма на минимальный холостой ход 195
4.4.4. Работа автономного ВДЭТК с аккумулированием электрической энергии и выключением дизельгенератора при благоприятных ветровых условиях 197
4.4.5. Сравнение вариантов работы автономного ВДЭТК с аккумулированием электрической энергии и различными режимами работы дизельгенераторной установки 199
4.5. Выводы по главе 4 . 204
Заключение 208
Список литературы
- Перспективы гибридных ветро-дизельных систем электроснабжения и задачи исследований автономных ветро-дизельных электротехнических комплексов
- Формирование режимов работы автономной системы электроснабжения с рассредоточенной ветро-дизельной генерацией
- Основные энергетические характеристики ветроэлектростанций и их моделирование
- Определение области возможного эффективного применения ветроэнергетических установок
Перспективы гибридных ветро-дизельных систем электроснабжения и задачи исследований автономных ветро-дизельных электротехнических комплексов
Одним из наиболее эффективных направлений развития нетрадиционной энергетики (табл. 1.1) является использование энергии небольших водотоков с помощью микро - и малых ГЭС. Интерес к использованию малых рек объясняется значительным потенциалом водотоков при сравнительной простоте их использования. Объекты малой гидроэнергетики условно делят на следующие типы: "микро" - работающие в диапазоне до 100 кВт, "мини" -обеспечивающие единичную мощность до 1000 кВт, "малые" — до 10000 кВт, более 10000 кВт относятся уже к крупным гидроэлектростанциям.
Появление вентильных электрических машин позволило строить автоматизированные гидроагрегаты с нерегулируемыми турбинами. Как показал еще довоенный опыт, именно это направление развития микроГЭС в наибольшей степени отвечает как производственно технологическим, так и эксплуатационным требованиям. Обзор зарубежной информации также показывает, что микроГЭС с применением вентильных электрических машин получают в настоящее время наибольшее распространение во всем мире [4, 5].
Как правило, микроГЭС не требуют возведения сложных гидротехнических сооружений — плотин. Поэтому их турбины устанавливаются либо в свободном потоке воды, либо в специальном напорном трубопроводе. Для работы в свободном потоке воды применяют, в основном, гидротурбины активного типа, типичным примером которых могут служить водяные мельницы.
В условиях крайне низкой плотности населения приемлемым и экономически оправданным может стать использование установок. микрогидроэнергетики мощностью до 100 кВт в различном исполнении. Гидроэлектростанции могут устанавливаться практически на любых водотоках: от небольших ручьев до крупнейших рек, а стабильность потока воды и широкие возможности по регулированию его энергии позволяют использовать более простые и дешевые системы генерирования и стабилизации параметров производимой электроэнергии.
Существенным фактором, ограничивающим применение микроГЭС в северных широтах, являются ледовые явления. Выработка электроэнергии микроГЭС с напорным трубопроводом возможна в период открытого русла, поэтому крайне важное значение имеет достоверная информация о начале и окончании ледовых явлений [6].
Недостаточная водность рек, ледовые явления и заторы в зимнее время могут затруднить использование микроГЭС в качестве надежного источника электроснабжения автономных потребителей. Исходя из современных представлений о развитии энергетики и экономических оценок, в обозримой перспективе целесообразно использовать только часть технически осуществимого гидроэнергетического потенциала. Экономически оправданный гидроэнергетический потенциал — величина переменная и многофакторная. По мере улучшения изученности рек, прогресса в энергетике, изменения структуры энергетического баланса территории, в зависимости от конъюнктуры энергоносителей и других факторов доля экономически целесообразных гидроэнергоресурсов будет увеличиваться.
Гелаоэнергетические ресурсы. Для решения как локальных энергетических задач, так и глобальных проблем энергетики могут быть использованы солнечные электростанции [7].
За рубежом внимание к солнечной энергии значительно. В США солнечные водонагреватели общей мощностью 1400 МВт установлены в 1,5 млн. домов [8]. В Германии разработана новая технология прозрачной теплоизоляции зданий и солнечных коллекторов с температурой 90-50 С [9]. Энергосберегающие технологии для солнечного дома являются наиболее приемлемыми по экономической эффективности использования. Их применение позволит снизить энергопотребление в домах до 60% [10]. Поскольку удельная стоимость СЭС не зависит от ее размеров и мощности, в . ряде случаев целесообразно модульное размещение СЭС на крыше сельского дома, коттеджа, фермы. В качестве примера успешного применения этих технологий можно отметить проект "2000 солнечных крыш" в Германии [8].
Наибольшее практическое применение в мире получили гибридные солнечно-топливные электростанции [11, 12]. За счет комбинированной выработки электрической энергии и тепла повышается общий КПД станции. Для преобразования солнечной энергии в тепловую, в таких станциях используются стеклянные параболоцилиндрические концентраторы, КПД которых достигает 81% [13]. При наличии такой технологии зеркал в России может быть целесообразно массовое производство СЭС в южных районах, где имеются газопроводы или небольшие месторождения газа и прямая солнечная радиация превышает 50% от суммарной.
Одной из наиболее перспективных технологий солнечной энергетики является создание фотоэлектрических станций с солнечными элементами на основе кремния, которые преобразуют в электрическую энергию прямую и рассеянную составляющие солнечной радиации с КПД 12-15%. Лабораторные образцы имеют КПД 23% [13].
Формирование режимов работы автономной системы электроснабжения с рассредоточенной ветро-дизельной генерацией
Ветро-дизельный электротехнический комплекс достигает наибольшей энергоэффективности только при условии максимального использования электроэнергии, вырабатываемой ВЭС. Сложность заключается в точности регулировании загрузки дизельгенератора в зависимости от вырабатываемой" мощности ветрогенераторов в условиях переменной электрической нагрузки потребителей. Для этих целей возможно ручное регулирование или регулирование автоматикой по жестким логическим связям (по принципу если «а = в», то «включить ДЭС», иначе «выключить ДЭС», или «чем ближе значение нагрузки А к В, тем «больше подавать топлива на двигатель ДЭС»). Такие алгоритмы и модели сталкиваются с определенными трудностями, основная из которых — линейность логики. Использование подобной логики не позволяет проводить оценку скорости изменения нагрузки во времени и не может перестраиваться исходя из изменяющихся внешних условий, без вмешательства в созданный алгоритм. Создание алгоритма максимально широко охватывающего возможные изменения в системе электроснабжения ВДЭТК получится чрезвычайно сложным как на этапе создания под конкретный электротехнический комплекс, так и после, в случае изменения параметров электрической схемы комплекса.
При принятии решения об изменении ступени производительности ДЭС нельзя ориентироваться только на один показатель (например, уровень напряжения на выводах самого дизель генератора). Необходимо учитывать факты, что каждый потребитель имеет индивидуальный режим работы, сечение проводов в разных точках системы различно, в составе электростанции может быть несколько генераторов с разным уровнем мощности и разными ступенями регулирования, в работе могут находиться разные комбинации генераторов, ступени регулирования могут не работать, сечения проводов и режимы работы потребителей могут меняться с течением времени и не быть одинаковыми, напряжение на потребителях разное, направление изменения и темпы изменения различны. Напряжение может быть близко к минимально допустимому напряжению, но в целом начинать расти или на одном потребителе падать быстро или медленно, а на всех расти и в целом по сети расти. С ростом отслеживаемых параметров и увеличением подключенного генерирующего оборудования становится сложно масштабировать алгоритмы, основанные на четкой логике, в соответствии с ростом системы электроснабжения.
Система согласования нагрузки для решения определенных задач, должна самостоятельно адаптироваться к изменяющимся условиям, в её основе должна находиться гибкая и самонастраивающаяся модель способная «самостоятельно» влиять на принятие заложенных разработчиками линейных решений.
Для согласования «непредсказуемых» систем наиболее оптимальной будет та система, которая научится «понимать» ситуацию в рамках определенной логики и извлекать из неё опыт, учитывать этот опыт впоследствии при принятии решений. Обращаясь к современным источникам технической литературы, можно отметить, что таким требованиям в настоящее время отвечают только системы, выполненные на основе нейронных сетей. Искусственные нейронные сети могут менять свое поведение в зависимости от внешней среды. После предъявления входных сигналов (возможно, вместе с требуемыми выходами) они самонастраиваются, чтобы обеспечивать требуемую реакцию [44, 71, 79, 80]. Учитывая рассмотренный выше аспекты, имеет смысл провести дальнейшее развитие алгоритма, используя принципы согласования с использованием нейронных сетей. Это позволить более точно производить оценку изменения нагрузки и рациональнее выбирать необходимые режимы работы генерирующего оборудования ветро-дизельного электротехнического комплекса.
Основные энергетические характеристики ветроэлектростанций и их моделирование
Так как, величина электрической мощности, вырабатываемой ВЭС, пропорциональна кубу скорости ветра, суммарная установленная мощность ветроэлектростанции Рвэс должна определяться в соответствии со среднемесячной VcpMec скоростью ветра в месте установки станций, минимальной в течение года, и рабочей скорости ВЭС, при которой она вырабатывает номинальную мощность. Для определения установленная мощность ветроэлектростанции Рвэс часто используют эмпирическое выражение:
Одной из проблем моделирования ВЭС является необходимость использования технических данных по конкретной установке при определении развиваемой мощности в зависимости от ветровых условий, что не всегда возможно и оправдано на начальном этапе проектирования. Далеко не все производители приводят информацию с кривыми мощностей ВЭС в зависимости от скорости ветра. Как правило, представляется информация о номинальной мощности ВЭС при рабочих скоростях ветра, размах и количество лопастей, а также стартовая скорость ветра максимальная рабочая скорость ветра. С другой стороны, не всегда требуется и абсолютная точность при проведении предварительных оценочных расчетов. Учитывая сложность задачи, для определения ожидаемой выработки электрической энергии используют различные методы расчета. Более целесообразным кажется использование методики, позволяющей провести оценку развиваемой мощности ВЭС без привязки к конкретной модели и производителю оборудования.
Так, для проведения расчета мощности ветроэнергетической установки по предложенному в [1, 55, 152] методу, кроме информации о скорости ветра V, потребуется знание таких параметров, как плотность воздуха, функцию распределения вероятности скорости ветра Фи и др. При расчете по формуле
Необходимость поиска и использования достаточно большого количества параметров существенно усложняют проведение расчетов по этим методикам.
Использование универсальной методики нахождения вырабатываемой мощности ВЭС от скорости ветра могло бы существенно упростить процесс предварительной оценки перспективности установки ВЭС.
Типы крыльчатых ветродвигателей отличаются только количеством лопастей. Принцип действия всех ветродвигателей один: под напором ветра вращается ветроколесо с лопастями, передавая крутящий момент через систему передач валу генератора, вырабатывающего электроэнергию, водяному насосу или электрогенератору. Чем больше диаметр ветроколеса, тем больший воздушный поток оно захватывает и тем больше энергии вырабатывает агрегат.
В данном исследовании рассматривались быстроходные трехлопастные ВЭС с горизонтальной осью вращения лопастей — такие установки получили наиболее широкое распространение по всему миру [6, 12, 13, 60].
Для проведения расчетов были отобраны ветроустановки отечественного и иностранного производства в диапазоне мощностей от 1 кВт до 1 МВт (Ветросвет, ЛМВ, Радуга, Jacobs, Vestas, Norwin, Wind Electric, Bay Winds и др.). Технические данные по ВЭС взяты у фирм производителей.
Были построены зависимости мощностей турбин от скорости ветра. Рассматривались три подхода к определению мощности ВЭС и сравнивались полученные результаты:
I) Развиваемая мощность ВЭС определяется в относительных единицах (о.е.), где 0 соответствует нулевой развиваемой мощности ВЭС, а 1 соответствует номинальной мощности ВЭС при номинальной скорости ветра. Скорость ветра определяется в м/с. Используя выборку ВЭС разных мощностей и производителей, методом статистической аппроксимации построим усредненную зависимость развиваемой мощности ВЭС в диапазоне скоростей ветра от 3 м/с до 16 м/с Р, о.е. =f(V,M/c). (3.13)
II) Развиваемая мощность ВЭС определяется в относительных единицах, где 0 соответствует нулевой развиваемой мощности ВЭС, а 1 соответствует номинальной мощности ВЭС при номинальной скорости ветра. Скорость ветра также определяется в относительных единицах, где О соответствует нулевой скорости ветра, а 1 соответствует номинальной скорости ветра. Используя выборку ВЭС разных мощностей и производителей, методом статистической аппроксимации строим интегральную зависимость развиваемой мощности ВЭС в диапазоне скоростей ветра от 3 м/с до 16 м/с (Рис.3.12) [114, 115, 120, 121]:
Определение области возможного эффективного применения ветроэнергетических установок
С точки зрения эффективности заряда аккумуляторных батарей за время At3, наиболее оптимальным будет диапазон от 0 до 65-68% от емкости батареи (рис. 4.25). Далее способность АБ аккумулировать электрическую энергию падает и, соответственно, снижается эффективность использования аккумуляторной батареи. Современные свинцовые аккумуляторные батареи довольно устойчивы к циклам с глубоким разрядом и разряд до 10% от номинальной емкости не оказывает существенного влияния на срок службы и характеристики работы аккумуляторных батарей. Более глубокий разряд хоть и уменьшает срок службы АБ,: с одной стороны, но позволяет более полно и эффективно использовать доступную емкость АБ, с другой стороны, что в целом дает положительный экономический эффект. Хронический недозаряд аккумуляторной батареи способствует ускоренному износу пластин и, соответственно, сокращению срока эксплуатации АБ, но способность принимать энергию резко снижается после 68% заряда аккумуляторной батареи. Поэтому, необходимо предусмотреть в алгоритмах управления возможность регулярного полного заряда аккумуляторных батареи с использованием дизельгенератора. В обычном режиме дизельгенератор при недостаточной нагрузке не должен заряжать АБ свыше 70-80% и должен отключаться для экономии топлива.
Ресурс батарей
Для настройки работы алгоритма согласования работы ВДЭТК в целом, и блоком аккумулирования электрической энергии в частности, необходимо определить насколько сильно влияет глубина разряда на ресурс аккумуляторных батарей. Производитель аккумуляторов, как правило, указывает расчетный ресурс аккумулятора при буферном режиме эксплуатации. Под расчетным ресурсом следует понимать срок службы аккумуляторов при идеальных условиях эксплуатации. Наиболее распространенные аккумуляторы имеют расчетный ресурс 5 или 7 лет. Для организации больших аккумуляторных батарей для коммуникаций часто применяют аккумуляторы со сроком службы 10-12 лет или 18-20 лет.
Изменение доступной емкости аккумуляторных батарей в буферном режиме работы в зависимости от времени
При буферном режиме эксплуатации ресурс батареи сильно зависит от температуры. Наиболее благоприятной температурой для батареи считается температура 15-20 градусов Цельсия. Увеличение температуры на 10 градусов уменьшает ресурс батареи вдвое. На рисунке 4.26а представлена типичная зависимость ресурса от температуры для аккумуляторов с расчетным ресурсом 5 -7 лет. Для аккумуляторов с расчетным сроком службы 10 или 20 лет эта зависимость имеет аналогичный характер (рис. 4.266). Изменение доступной емкости аккумуляторных батарей в буферном режиме работы в зависимости от времени нахождения в эксплуатации представлена на рис. 4.27 [61, 62, 63]. Заметное падение емкости проявляется только в последней трети жизненного цикла аккумуляторных батарей.
При циклическом режиме работы количество циклов заряд-разряд зависит от глубины разряда батареи (рис. 4.28). Если батарея разряжается полностью (т.е. до конца линии на приведенной выше разрядной кривой (рис. 3.25), то она выдерживает 200-300 циклов. При разряде на 30 % емкости, количество циклов примерно утраивается [103].
Ресурс аккумуляторных батарей в циклическом режиме работы
В реальных условиях эксплуатации стационарных аккумуляторов нужно учитывать уменьшение ресурса батареи в случае большого числа испытанных ее разрядов. Для 5-летних батарей, реальный ресурс будет не более 3-х лет, если батарея будет испытывать в среднем один 30-процентный разряд в день или один полный разряд в неделю.
Тем не менее, нельзя дать однозначный ответ насколько часто и насколько глубокий разряд можно позволять аккумуляторной батареи с точки зрения максимально рационального ее использования. Если сравнить количество электроэнергии, запасенное и отданное аккумуляторной батареей за весь срок эксплуатации, то разница в ресурсе по этому показателю между работой с глубоким разрядом и с частичным разрядом будет невелика. Учитывая это, можно заключить о равнозначной возможности использования режимов разряда аккумуляторных батарей с точки зрения эффективности и рационального использования ресурса АБ.
Влияние диапазонов заряда/разряда аккумуляторных батарей на эффективность работы автономного ВДЭТК
Для сравнения эффективности работы ветро-дизельной системы с блоком аккумулирования электрической энергии в зависимости от диапазонов заряда/разряда аккумуляторных батарей проведем исследования в системе Matlab работы автономного ветро-дизельного электротехнического комплекса с различными граничными условиями работы блока АБ. Исследования проведем при значении Р АБ.ЖМ 2 Рн (т.к. при данном значении мощности АБ есть положительный эффект в работе системы на всех графиках нагрузки). Полученные данные сведем в графики, представленные на рис. 4.29- 4.30. Анализируя полученные графики можно сказать об отсутствии однозначной зависимости расхода топлива от значения минимального разряда или значения максимального заряда от ДЭС не зависимо от графика нагрузки.
