CC BY
540
УДК 620
АВТОНОМНЫЕ СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ НА
ВОЗОБНОВЛЯЕМЫХ ИСТОЧНИКАХ ЭНЕРГИИ
Григораш Олег Владимирович
д.т.и., профессор, заведующий кафедрой
ап аога5сЬ61 @таЛ. ги
Корзенков Павел Геннадьевич
Кубанский государственный аграрный университет, Краснодар, Россия
В статье рассматривается перспективное направление, направленное на улучшение эксплуатационно-технических характеристик автономных систем электроснабжения, за счёт применения в их составе газопоршневых электростанций, ветроэлектрических и солнечных фотоэлектрических установок
Ключевые слова: АВТОНОМНЫЕ СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ, ВОЗОБНОВЛЯЕМЫЕ ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ,
ВЕТРО-ГАЗОПОРШНЕВЫЕ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ, ВЕТРО-СОЛНЕЧНЫЕ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ
UDC 620
STAND-ALONE POWER SUPPLY SYSTEM BASED ON RENEWABLE ENERGY SOURCES
Grigorash Oleg Vladimirovich
doctor of engineering sciences, professor, head of the chair, grigorasch61 @mail.ru
Korzenkov Pavel Gennad'evich
Kuban State Agrarian University, Krasnodar, Russia
The article discusses a promising direction, aimed at improving the operational and technical characteristics of the autonomous power supply systems, through the use of a part of their gas piston power plants, wind power and solar photovoltaic installations
Keywords: STAND-ALONE POWER SYSTEMS, RENEWABLE ENERGY, WIND POWER AND NATURAL GAS-FIRED POWER PLANTS, WIND-SOLAR POWER PLANTS
Во всём мире интенсивно развиваются автоматические системы управления технологическими процессами и производственными комплексами, электронные системы связи и обработки информации. Цена нарушений нормальных режимов работы, рассмотренных потребителей электроэнергии, связанных с перерывами в электроснабжении, отклонениями показателей качества электроэнергии, из-за аварийных ситуаций чрезвычайно высока. Эффективным средством для обеспечения надёжного и качественного электроснабжения ответственных потребителей является разработка и внедрение автономных (бесперебойных) систем электроснабжения (АСЭ), содержащих несколько источников электроэнергии, как правило, основной, резервные источники и аварийные [1, 2]. Кроме того,
ограниченный ресурс органического топлива и отрицательные экологические последствия традиционной энергетики раскрывают широкие перспективы для использования в составе АСЭ возобновляемых источников энергии (ВИЭ) [3, 4].
В статье рассматривается одно из перспективных направлений, направленное
на улучшение эксплуатационно-технические характеристик АСЭ, за счёт применения в их составе газопоршневых электростанций (ГПЭ), ветроэлектрических установок (ВЭУ) и солнечных фотоэлектрических установок (СФЭУ) [5, 6].
В настоящее одна из эффективных технологий, основанная на использовании газа для производства электрической энергии, является разработка электростанций на базе газопоршневых двигателей внутреннего сгорания. Газопоршневые электростанции (ГПЭ) имеют простую и надёжную конструкцию. Электрический КПД ГПЭ считается высокий, в сравнении с дизельными электростанциями, и при работе на качественном природном газе превышает 40% [4].
Важной особенностью ГПС является то, что практически все их модели способны работать в режиме когенерации, то есть как тепловые электростанции. Температура выхлопных газов на выходе из силовой машины ГПЭ - 390± 10°С. При этом, электроэнергию и тепловую энергию ГПЭ вырабатывают одновременно, соотношение выдачи электрической и тепловой энергии - 1:1. Таким образом, применение ГПЭ в АСЭ расширяет их возможности и значительно повышает КПД системы.
Перспективным направлением является использование ГПС совместно с ветроэлектрическими установками (ВЭУ) в случае, когда целью использования последней является повышение надёжности электроснабжения ответственных потребителей и экономия топлива, стоимость которого с учётом расходов на доставку может быть очень высокой. Соотношение мощности компонентов АСЭ зависит от схемы генерирования нагрузки и ресурса ветра.
Режим одновременной параллельной работы ГПС и ВЭУ оценивается как недостаточно эффективный способ использования ВИЭ, поскольку доля участия ВЭУ в системе по мощности не должна превышать 75 20% мощности ГПС. Такие
режимы можно использовать в комбинированных установках большой мощности для экономии топлива.
Использование режима раздельной работы ГПС и ВЭУ позволяет поднять
долю участия ВЭУ до 50 - 60% и более. Однако, в этом случае неизбежно усложнение АСЭ за счёт необходимости введения автоматической системы управления, автономных инверторов и аккумуляторных батарей, которые аккумулируют энергию, вырабатываемую ВЭУ при рабочих скоростях ветра для питания нагрузки в безветренную погоду или при небольших скоростях ветра [4].
Каждый раз, когда это возможно, электроэнергия вырабатывается за счёт ВЭУ, а аккумуляторные батареи непрерывно подзаряжаются. В период ветрового затишья, когда заряд АБ падает ниже определённого уровня, для обеспечения потребителей электроэнергией автоматически запускается ГПЭ. Такой режим значительно снижает количество запусков ГПС и, следовательно, ведёт к сокращению затрат на обслуживание и топливные расходы.
Таким образом, перспективным является направление разработки ветро-газопоршневых электростанций. Одна из простых схем АСЭ, выполненной на базе ВЭУ и ГПЭ приведена на рисунке 1 а. В схеме применяется стандартный ветроагрегат ВА с асинхронным генератором АГ, который работает постоянно на шину Ш1 к которой подключаются потребители электроэнергии переменного тока. Автоматическая балластная нагрузка БН предотвращает перегрузку ВА при высоких скоростях ветра за счёт снижения частоты вращения до заданного расчётного уровня. Газопоршневая электростанция, содержащая газопоршневой двигатель ГПД и синхронный генератор СГ, который также подключён к шине Ш1 и работает постоянно, обеспечивая реактивной энергий асинхронный генератор АГ. Допускается полная (100%) доля нагрузки ветро-газопоршневой электростанции.
Экономия топлива ГПЭ будет определяться степенью снижения потребления топлива при частичной загрузке ГПД. Экономия топлива будет небольшой, но АСЭ имеет повышенную надёжность работы.
В рассмотренных АСЭ в конструкцию ГПЭ могут быть внесены изменения: между ГПД и СГ устанавливается соединительная муфта М и инерционный аккумулятор (механический маховик). Это нужно в том случае, когда ветер сильный и ВА один способен обеспечить требуемую потребителям мощность, ГПЭ прекращает работу и муфта М разъединяет инерционный аккумулятор ИА с синхронным генератором СГ от ГПД. Ротор синхронного генератора будет продолжать вращение, обеспечивая асинхронный генератор АГ реактивной энергией.
Когда развиваемая мощность ВА начинает превышать потребность потребителей энергии, автоматически включается регулируемая балластная нагрузка БН, обеспечивая снижение частоты тока (50Гц). Инерционный аккумулятор ИА обеспечивает некоторое сглаживание частоты тока и ускоряет процесс запуска ГПД при уменьшении скорости ветра, не допуская значительного снижения частоты тока в автономной сети. Как правило, инерционный аккумулятор ИА обеспечивает расчётную мощность не более 3 секунд, т.е. только на период запуска ГПД.
Основным достоинством АСЭ (рисунок 1 а) является то, что система управления имеет минимум электронного оборудования. Экономия топлива здесь существенно возрастает благодаря тому, что при благоприятных ветровых потоках
ГПЭ не работает и не расходует топливо [1,2].
Ветро-газопоршневая электростанция (рисунок 1, б) имеет в своём составе аккумуляторные батареи АБ. ВЭУ передаёт электроэнергию через выпрямитель В и автономный инвертор АИ к потребителям электроэнергии (шина Д/2). Выпрямитель также выполняет функции зарядного устройства АБ. Ёмкость АБ может быть различной: в одних случаях емкость АБ рассчитывается исходя из условия обеспечения работоспособности АСЭ при перерывах в электроснабжении от ВЭУ в течение нескольких минут, а в других - считается необходимым иметь АБ, обеспечивающие работоспособность системы в течение 2-3 часов.
В случае недостатка электроэнергии для обеспечения нужд потребителей недостающая часть поступает от АБ. В случае избытка энергии производится питание потребителей и заряд АБ. При штилевой погоде и при слабом ветре работает ГПЭ в режиме обеспечения потребителей необходимой мощностью и заряда АБ.
АСЭ, выполненная по схеме, приведённой на рисунке 1. б, позволяет максимально экономить топливо. Значительно повышается надежность работы АСЭ при применении компьютеров и, соответственно, программного обеспечения в управлении системой, в том числе контролю её параметров.
Несмотря на довольно высокую, в настоящее время, стоимость фотоэлектрических батарей, их использование совместно с ВЭУ в некоторых случаях может быть эффективным. Поскольку в зимнее время существует большой потенциал ветра, а летом в ясные дни максимальный эффект можно получить, используя СФЭУ, то сочетание этих ресурсов оказывается выгодным с экономической точки зрения для потребителей.
Как правило, на начальном этапе в проект будущей ветро-солнечной электростанции закладывается мощность, на 20 - 30% больше заявленной заказчиком. Это позволяет «запасать» электроэнергию во время её потребления [4].
Применяя в одной конструкции ветроагрегат и солнечные батареи (рисунок 2) можно создавать АСЭ с улучшенными эксплуатационно-техническими
характеристиками небольшой мощности. Пример структурной схемы ветро-солнечной электростанции приведён на рисунке 3.
Расчётная мощность ВЭУ и СФЭУ определяется с учётом графика нагрузок, ветровых потоков и солнечной активности для конкретного региона (района). В составе АСЭ должны быть предусмотрены резервные источники электроэнергии АБ. При этом, каждый из режимов работы ВЭУ-СФЭУ, ВЭУ-АБ, СФЭУ-АБ должны обеспечивать пиковую нагрузку.
Ветро-солнечная электростанция работает следующим образом. ВЭУ генерирует трехфазное напряжение, вырабатываемое генератором Г напряжение через выпрямитель В прикладывается к шине постоянного тока Ш1 или (и) с солнечной фотоэлектрической установки (СФЭУ) напряжение прикладывается к шине Ш1. Автономный инвертор ЛИ преобразует напряжение постоянного тока в напряжение переменного тока, соответствующее качеству, необходимое для нагрузки, подключаемой к шине переменного тока Ш2.
В это же время происходит заряд аккумуляторной батареи АБ (зарядное устройство на рисунке 3 не показано). Защитное устройство ЗУ1 регулирует зарядное напряжение и осуществляет защиту аккумуляторной батареи АБ от перезаряда.
Избыток энергии ВЭУ (СФЭУ) идет на нагрев воды в бойлере или нагрев воздуха в помещении. Для этого используется водяной или воздушный соответственно ТЭН.
Делитель напряжения ДН преобразует напряжение постоянного тока, поступающего от АБ через защитное устройство ЗУ2, в напряжения 12, 24 или 48 В.
В случае штиля СФЭУ и (или) АБ осуществляет питание нагрузки переменного и постоянного тока через автономный инвертор АИ и делитель напряжения ДН. В этом случае ВЭУ отключена от шины Д/7.
Для предотвращения переразряда АБ применяется защитное устройство ЗУ2. Как только напряжение на АБ приближается к опасному уровню переразряда
защитное устройство ЗУ2 отключает нагрузку постоянного тока. Защиту АБ от переразряда в цепи переменного тока осуществляет автономный инвертор АИ.
Емкость АБ так же делается избыточной и определяется исходя из необходимого времени работы в периоды безветрия и пасмурной погоды. Целесообразно в АСЭ использовать герметичные необслуживаемые АСМ аккумуляторы, не требующие периодического добавления электролита и не выделяющие вредных газов. Срок службы АБ данного типа составляет от 3-х до 5-ти лет, в зависимости от режима эксплуатации.
В случае длительного штиля или отсутствия солнечного излучения в АСЭ может быть предусмотрен дополнительный резервный источник электроэнергии РИ (бензо-, дизельэлектрическая станция или ГПЭ), напряжение которого прикладывается к шине Ш2. В этом случае, питание потребителей постоянного тока осуществляется через трансформаторно-выпрямительный блок ТВБ от шины Ш1.
Вместо генератора трехфазного переменного тока в составе ВЭУ может использоваться генератор постоянного тока, тогда выпрямитель В исключается из схемы.
Важный факт. Суммарная мощность подключаемой нагрузки переменного тока определяется номинальной мощностью автономного инвертора АИ. Иногда потребители могут кратковременно при включении (пуск электрических машин) потреблять мощность, значительно превосходящую номинальную. Поэтому, для стабильной работы АСЭ автономные инверторы АИ необходимо выбирать с номинальной мощностью на 30 - 50% больше суммарной мощности подключённых потребителей. При большом количестве и разнообразии мощности потребителей целесообразно разбить автономные источники и инверторы на группы (рисунок 4).
Кроме того, следует отметить, что иногда более целесообразно строить ветро-солнечную электростанцию с использованием нескольких менее мощных ВЭУ, чем на основе одной с большой мощностью. В итоге упрощается процесс монтажа электростанции и повышается ее надежность, т. к. при выходе из строя одного узла, остальные части системы продолжают функционировать.
Комбинированные (гибридные) электростанции подразумевают совместное использование традиционных и ВИЭ. Практически к структурным схемам ветро-газопоршневых и ветро-солнечных электростанций могут быть подключены к шинам переменного тока традиционные источники электроэнергии бензо-, дизельные и газопоршневые электростанции [7, 8].
При необходимости обеспечить бесперебойное электроснабжение потребителей в АСЭ должны быть предусмотрены накопители электроэнергии, обычно это АБ. Чем меньше время перевода питания потребителей от одного источника электроэнергии к другому, тем меньше необходима ёмкость АБ.
В настоящее известны технические решения мобильных комбинированных электростанций мощностью до 10 кВт. В основном это комбинация трёх АИЭ: ВЭУ, СФЭУ и ДЭС. Основные преимущества мобильных комбинированных электростанций:
- большой срок службы;
- возможность быстрого развёртывания установки на отдалённых объектах в труднодоступных местах;
- применение ВИЭ позволяет снизить расход топлива от традиционных источников электроэнергии и как следствие, уменьшить себестоимость электроэнергии на удалённых объектах;
- продолжительное время автономной работы за счёт применения ВИЭ;
- автоматическая система позволяет осуществлять дистанционный мониторинг и управление режимами работы АСЭ по проводным и беспроводным каналам связи.
ВЭУ и СФЭУ могут использоваться совместно с микрогидроэлектростанциями. В таких системах обычно определяется основной источник электроэнергии в зависимости от наличия ветрового потока, солнечной радиации или напора и расхода воды. Т.е., к примеру, в период ветрового затишья энергия вырабатывается микрогидроэлектростанцией или СФЭУ. Здесь важно комбинировать работой ВИЭ с учётом эксплуатационных затрат и сроком службы оборудования (до капитального ремонта и предельный срок службы).
Перспективным регионом для внедрения АСЭ на ВИЭ является Краснодарский край, имеющий значительные ресурсы ветровой и солнечной энергетики [9, 10].
Таким образом, предложенные структурно-схемные решения АСЭ с использованием ВИЭ позволит улучшить их эксплуатационно-технические характеристики, а также решить вопрос дефицита энергоресурсов Краснодарского края [11].
Список литературы
1. Григораш О.В. Системы автономного электроснабжения: Монография / О.В. Григораш,
Н. И. Богатырёв, Н. Н. Курзин; под общ. ред. Н. И. Богатырёва. - Краснодар: Б/И. - 2001. - 333 с.
2. Григораш О.В. Модульные системы гарантированного электроснабжения: Монография /
О.В. Григораш, С.В. Божко, Д.А. Нормов, С.М. Безуглый, А.В. Ракло. - Краснодар: КВВАУЛ. -2005. -306 с.
3. Амерханов Р. А. Перспективы использования возобновляемых источников энергии / Р. А.
Амерханов, Б.К. Цыганков, С.Н Бегдай и др. // Труды КубГАУ. - Краснодар. - 2013. - № 42. - С. 185 - 189.
4. Григораш О.В. Возобновляемые источники электроэнергии: Монография / О. В. Григораш, Ю. П. Степура, Р. А. Сулейманов, Е. А. Власенко, А. Г. Власов; под общ. ред. О.В. Григораш.-Краснодар: КубГАУ. - 2012. -272 с.
5. Григораш О.В. Нетрадиционные автономные источники электроэнергии / О. В. Григораш, Ю. И. Стрелков // Промышленная энергетика. - 2001. - № 4. - С.37-40.
6. Григораш О.В. Возобновляемые источники энергии: термины, определения, достоинства и недостатки / О. В. Григораш, Ю. П. Степура, А. Е. Усков, А. В. Квитко // Труды КубГАУ. -Краснодар.-2011,-№5.-С. 189- 192.
7. Ветроэнергетические установки в системах автономного электроснабжения: монография / Г.В. Никитенко, Е.В. Коноплев Ставропольский государственный аграрный университет. - Ставрополь АГРУС.-2008. -С. 152
8. Никитенко Г.В. Оценка вариантов автономного электроснабжения сельскохозяйственных потребителей / Г.В. Никитенко, Е.В. Коноплев, П.В. Коноплев // Техника в сельском хозяйстве. -2012. -№ 1. - С. 16-17.
9. Григораш О.В. Современное состояние производства электроэнергии возобновляемыми источниками в мире и России / О. В. Григораш, Ю. П. Степура, А. С. Пономаренко, Ю. В. Кондратенко // Труды КубГАУ. - Краснодар. - 2012. - № 6. - С. 159 - 163.
10. Григораш О.В. Об эффективности и целесообразности использования возобновляемых источников электроэнергии в Краснодарском крае/ О.В. Григораш, В.В. Тропин, А.С. Оськина // Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета (Научный журнал КубГАУ) [Электронный ресурс]. - Краснодар: КубГАУ, 2012. -№09(083). С. 506 - 517. - Режим доступа: http://ej.kubagro.ru/2012/09/pdf/38.pdf.
11. Григораш О.В. Перспективы возобновляемых источников электроэнергии в Краснодарском крае / О. В. Григораш, В. П. Коваленко, Е. В. Воробьёв, А. Г. Власов // Труды КубГАУ. - Краснодар. - 2012. - № 6. - С. 123 - 127.
References
1. Grigorash O.V. Sistemy avtonomnogo jelektrosnabzhenija: Monografija/ O.V. Grigorash, N. I. Bogatyrjov, N. N. Kurzin; pod obshh. red. N. I. Bogatyijova. - Krasno-dar: ВЯ. - 2001. - 333 s.
2. Grigorash O.V. Modul'nye sistemy garantirovannogo jelektrosnabzhenija: Monografija / O.V. Grigorash, S.V. Bozhko, D.A. Normov, S.M. Bezuglyj, A.V. Raklo. - Krasnodar: KVVAUL. - 2005. -306 s.
3. Amerhanov R.A. Perspektivy ispol'zovanija vozobnovljaemyh istochnikov jenergii / R. A. Amerhanov, B.K. Cygankov, S.N. Begdaj i dr. // Trudy KubGAU. - Kras-nodar. - 2013. - № 42. - S. 185 - 189.
4. Grigorash O.V. Vozobnovljaemye istochniki jelektrojenergii: Monografija / О. V. Grigorash, Ju. P. Stepura, R. A. Sulejmanov, E. A. Vlasenko, A. G. Vlasov; pod obshh. red. O.V. Grigorash. -Krasnodar: KubGAU. - 2012. -272 s.
5. Grigorash O.V. Netradicionnye avtonomnye istochniki jelektrojenergii / О. V. Grigorash, Ju. I. Strelkov // Promyshlennaja jenergetika. - 2001. - № 4. - S.37-40.
6. Grigorash O.V. Vozobnovljaemye istochniki jenergii: terminy, opredelenija, dostoinstva i nedostatki / О. V. Grigorash, Ju. P. Stepura, A. E. Uskov, A. V. Kvitko // Trudy KubGAU. -Krasnodar. - 2011. - № 5. - S. 189 - 192.
7. Vetrojenergeticheskie ustanovki v sistemah avtonomnogo jelektrosnabzhenija: monografija / G.V. Nikitenko, E.V. Konoplev Stavropol'skij gosudarstvennyj agramyj universitet. - Stavropol' AGRUS. - 2008. - S. 152
8. Nikitenko G.V. Ocenka variantov avtonomnogo jelektrosnabzhenija sel'skoho-zjajstvennyh
potrebitelej / G.V. Nikitenko, E.V. Konoplev, P.V. Konoplev // Tehnika v sel'skom hozjajstve. - 2012. -№ l.-S. 16-17.
9. Grigorash O.V. Sovremennoe sostojanie proizvodstva jelektrojenergii vozob-novljaemymi istochnikami v mire i Rossii / О. V. Grigorash, Ju. P. Stepura, A. S. Po-nomarenko, Ju. V. Kondratenko // Trudy KubGAU. - Krasnodar. - 2012. - № 6. - S. 159 - 163.
10. Grigorash O.V. Ob jeffektivnosti i celesoobraznosti ispol'zovanija vozob-novljaemyh istochnikov jelektrojenergii v Krasnodarskom krae / O.V. Grigorash, V.V. Tropin, A.S. Os'kina // Politematicheskij setevoj jelektronnyj nauchnyj zhumal Kubanskogo gosudarstvennogo agramogo universiteta (Nauchnyj zhurnal KubGAU) [Jelektronnyj resurs], - Krasnodar: KubGAU, 2012. -№09(083). S. 506-517. -Rezhim dostupa: http://ej.kubagro.ru/2012/09/pdf/38.pdf.
11. Grigorash O.V. Perspektivy vozobnovljaemyh istochnikov jelektrojenergii v Krasnodarskom
krae / О. V. Grigorash, V. P. Kovalenko, E. V. Vorob'jov, A. G. Vlasov // Trudy KubGAU. -
Krasnodar. - 2012. - № 6. - S. 123 - 127.
