CC BY
24БОРТОВЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ ЭНЕРГИИ
ON-BOARD ENERGY ACCUMULATORS
Статья поступила в редакцию 20.07.12. Ред. рег. № 1375 The article has entered in publishing office 20.07.12. Ed. reg. No. 1375
УДК 621.548
БУФЕРНАЯ СИСТЕМА НАКОПЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ ДЛЯ ВОЗОБНОВЛЯЕМОЙ ЭНЕРГЕТИКИ
С.Г. Обухов, И.А. Плотников, Е.Ж. Сарсикеев
Национальный исследовательский Томский политехнический университет 634050 Томск, пр. Ленина, д. 30 Тел.: (3822) 564-210, факс: (3822) 563-501, e-mail: sarsikeev@tpu.ru
Заключение совета рецензентов: 15.08.12 Заключение совета экспертов: 20.08.12 Принято к публикации: 25.08.12
В статье представлена концепция буферного накопителя энергии для возобновляемой энергетики, а также разработанная функциональная схема энергоустановки. Подробно описан принцип работы экспериментального образца буферной системы накопления электроэнергии.
Ключевые слова: возобновляемые источники энергии, аккумулирование электрической энергии, аккумулятор, конденсатор.
THE BUFFER SYSTEM OF ELECTRIC ENERGY STORAGE FOR RENEWABLE ENERGY
S.G. Obukhov, I.A. Plotnikov, E.Zh. Sarsikeyev
National Research Tomsk Polytechnic University 30 Lenin str., Tomsk, 634050, Russia Tel.: (3822) 564-210, fax: (3822) 563-501, e-mail: sarsikeev@tpu.ru
Referred: 15.08.12 Expertise: 20.08.12 Accepted: 25.08.12
The conception of a buffer energy storage for renewable power systems and the functional scheme of the power system are presented. The principle of work of the buffer energy storage prototype is considered in detail.
Keywords: renewable energy sources, electric power storage, battery, capacitor.
Игорь Александрович Плотников
Сведения об авторе: доцент кафедры электроснабжения промышленных предприятий Национального исследовательского Томского политехнического университета, канд. техн. наук.
Область научных интересов: приборостроение, возобновляемая энергетика. Публикации: 50.
Наиболее распространенными возобновляемыми источниками энергии (ВИЭ), которые находят применение в составе автономных энергетических систем, являются в настоящее время ветроэнергетические установки (ВЭУ) и фотоэлектрические станции (ФЭС). Автономные системы электроснабжения, в
которых основным генерирующим источником является электроустановка, использующая тот или иной ВИЭ, применяются достаточно редко, чаще всего для питания объектов малой мощности: сигнальных буев, маяков, фонарей освещения и т.п. Для энергетических объектов с установленной мощностью на де-
сятки кВт, основным генерирующим источником которых является ВЭУ или ФЭС, необходим накопитель энергии с внушительными массогабаритными показателями, зачастую значительно превышающими размеры самих генерирующих установок [1].
Применение систем буферного накопления электроэнергии позволяет значительно повысить энергетическую эффективность локальных систем электроснабжения за счет сглаживания пиков электрических нагрузок и регулирования выработки электроэнергии установками, использующими ВИЭ. В настоящее время системы буферного накопления электроэнергии являются неотъемлемой и важной составляющей возобновляемой энергетики, чему в немалой степени способствуют постоянное развитие и совершенствование технологий накопительных устройств и ярко выраженная тенденция снижения их удельной стоимости [2].
В рамках реализации ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009-2013 годы» по направлению «Новые и возобновляемые источники энергии» в Томском политехническом университете разработана оригинальная концепция буферного накопителя энергии (БНЭ) для возобновляемой энергетики, а также функциональная схема энергоустановки и изготовлен экспериментальный образец.
В соответствии с принятой концепцией построения БНЭ накопитель подключается на промежуточную вставку постоянного тока, а сама система БНЭ
не только выполняет роль накопителя как такового, но и обеспечивает управление потоками энергии в системе.
Предлагаемый вариант построения гибридного энергетического комплекса с использованием системы БНЭ представлен на рис. 1.
Система автономного электроснабжения состоит из отдельных генерирующих силовых агрегатов (СА1_САЯ). Количество силовых агрегатов в общем случае может быть произвольным. Каждый агрегат включает в себя энергетическую установку (ЭУь..ЭУ„), построенную на том или ином физическом принципе, и управляемый статический преобразователь (Пр1_При). В качестве энергетических установок могут использоваться: ветроэлектрические, гелиоэнергетические и дизельные установки, работающие как на постоянной скорости вращения вала, так и на переменной скорости. Управляемый преобразователь для каждого типа энергетической установки свой, например, для ВЭУ и ДЭС - это управляемый повышающий выпрямитель, а для фотоэлектрических модулей - управляемый конвертор.
Нагрузка (Н1^НИ) в системе представлена в виде потребителя, получающего электроэнергию с требуемыми параметрами через трехфазный управляемый автономный инвертор напряжения (АИН). В общем случае количество блоков нагрузки в системе может быть произвольным, допускается непосредственное подключение потребителей к шине постоянного тока (ШПТ).
Рис. 1. Структурная схема буферной системы Fig. 1. The structure of buffer system
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 09 (113) 2012
© Scientific Technical Centre «TATA», 2012
Система управления БНЭ в моменты избытка электроэнергии должна обеспечивать отбор мощности в накопитель и отдачу мощности при ее нехватке в системе.
Уравнение баланса мощности для рассматриваемой энергетической системы в любой момент времени имеет вид
Р + Р2 + ... + Рп ± Рв = Рь, (1)
где Рк(к = 1, п) - текущие значения мощностей, вырабатываемых силовыми агрегатами; РВ - мощность, отдаваемая (забираемая) БНЭ в систему (из системы); Рь - мощность, отдаваемая в нагрузку.
Выдаваемые в систему мощности СА в зависимости от типа силового агрегата и способа его подключения к системе можно определить через основные электрические параметры
Рк = иПс ¡к или Рк = Пас ¡к, (2)
где ивС - мгновенное значение напряжения на шине постоянного тока; иАС - мгновенное значение напряжения на шине переменного тока; ¡к, ¡в, ¡ь - мгновенные значения токов силовых агрегатов, БНЭ и нагрузки соответственно.
Отсюда уравнение токов имеет вид
¡1 + 12 + ... + 1п ± IВ = ¡Ь. (3)
Величина токов ц..лп будет определяться током нагрузки ¡ь и эквивалентными внутренними сопротивлениями силовых агрегатов (для случая ¡в = 0). Таким образом, измеряя напряжения ивС и иАС и токи ¡к, ¡в, ¡ь на шинах, можно контролировать перетоки мощности в системе.
Обобщенная структурная схема гибридной системы буферного накопления электроэнергии представлена в виде схемы, изображенной на рис. 2.
Необходимым элементом системы БНЭ (рис. 2) является блок базовых функций (ББФ), включающий в себя блок датчиков (БД), блок заряда-разряда (БЗР), непосредственно накопитель энергии (НЭ) и систему управления (СУ).
Рис. 2. Обобщенная структурная схема буферной системы Fig. 2. The generalized structure of buffer system
Для обеспечения баланса мощностей в системе необходимо контролировать значения основных электрических параметров: токов и напряжений всех силовых агрегатов и нагрузок, подключенных к системе электроснабжения, а также параметров самого накопителя. Для этого на сборных шинах потребителя (СШП) и ШПТ устанавливаются все необходимые датчики, выходные сигналы с которых поступают в БД, где они нормируются, обрабатываются и подаются на СУ.
В рассматриваемой системе используется НЭ гибридного типа: основная энергетическая емкость накопителя реализована на основе АБ и служит для компенсации мощности при протекании относительно медленных процессов в системе, а дополнительный конденсаторный накопитель небольшой емкости служит для улучшения динамических параметров системы в моменты возникновения кратковременных пиковых нагрузок или резкого изменения генерирующей мощности.
БЗР содержит двунаправленный управляемый преобразователь, обеспечивающий режимы заряда/разряда накопителей по заданным системой управления алгоритмам, а также блок контроля емкости накопителей.
ББФ реализует «простой алгоритм» управления режимами работы автономной электростанции, основными функциями которого является обеспечение баланса мощностей в изолированной энергетической системе и рациональных режимов заряда/разряда аккумуляторных батарей.
Данная стратегия управления может быть реализована при построении СУ БНЭ на базе микроконтроллера, в программу которого жестко вшиты технические характеристики используемых АБ.
Однако функциональные возможности гибридной системы БНЭ могут быть существенно расширены за счет подключения к ней блока наборных модулей (БНМ).
Блок наборных модулей содержит опциональные модули сопряжения с конкретными объектами, например, МС ДГ - модуль сопряжения с дизель-генераторной установкой, МС ВЭУ - модуль сопряжения с ветроэнергетической установкой и т.п.
Основная цель установки модулей сопряжения -повышение энергетических и эксплуатационных характеристик силовых агрегатов, функционирующих в составе автономной системы электроснабжения.
Необходимым условием использования модулей расширения являются имеющиеся технические возможности по управлению режимами подключаемого силового агрегата. Например, если величину выходного тока статического преобразователя ВЭУ или ФЭС можно регулировать внешним управляющим сигналом, то установка соответствующего модуля сопряжения позволит реализовать функцию максимального отбора мощности для данной энергетической установки. Модуль сопряжения с ВЭУ или ФЭС должен обеспечивать прием входного сигнала с ме-
теорологической станции, его обработку и передачу в систему управления, которая в режиме реального времени формирует управляющий сигнал, передаваемый через тот же модуль на соответствующий преобразователь энергетической установки.
Так как состав и основные технические характеристики энергетических установок, подключаемых к автономной системе электроснабжения, могут существенно различаться, различными будут и рацио-
нальные стратегии управления автономной энергетической системой. Соответственно, при включении в систему БНЭ блока наборных модулей необходимо обеспечить ввод необходимых исходных данных о технических характеристиках подключаемых силовых агрегатов и их соответствующую обработку.
Функциональная схема системы БНЭ для автономных энергоустановок возобновляемой энергетики приведена на рис. 3.
Рис. 3. Функциональная схема системы БНЭ Fig. 3. The functional scheme of buffer system of electric energy storage
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 09 (113) 2012
© Scientific Technical Centre «TATA», 2012
В представленной на рис. 3 функциональной схеме системы БНЭ используются следующие условные обозначения: ДТ - датчики тока; ДН - датчик напряжения; Хк, Хц - клеммы для подключения силовых агрегатов и нагрузок соответственно; КЗР - контроллер заряда-разряда; ШПТ - шина постоянного тока; 8 - ключ на основе полупроводникового вентиля; ДЦ - демпфирующая цепь; БНМ - блок наборных модулей; К - цифровой контроллер; КН - конвертор напряжения; УАДВВ - устройство аналогового и цифрового ввода-вывода; С1, С2 - блоки конденсаторов; СУ ЕН - схема управления емкостным накопителем; Тр - высокочастотный силовой трансформатор; СКЗ - схема контроля текущей емкости блока аккумуляторных батарей; БАБ - блок аккумуляторных батарей; СКН - схема контроля напряжений на аккумуляторных батареях; СУ БНЭ -система управления буферного накопителя электроэнергии; МС ВЭУ - модуль сопряжения с ветроэнергетической установкой; МС ДГ - модуль сопряжения с дизель-генератором; МС ПК - модуль сопряжения с персональным компьютером; УРКДВ - устройство релейной коммутации и дискретного ввода.
Основу БНЭ составляет шина постоянного тока, посредством которой система накопления включается в состав гибридного энергетического комплекса.
Имеющиеся силовые агрегаты (или их часть) подключаются к ШПТ, к ней же подключается трехфазный автономный инвертор напряжения. К шине подключена батарея конденсаторов (С2) для обеспечения устойчивости всей системы. Посредством датчиков тока осуществляются измерения мгновенных значений втекающих и вытекающих токов. При этом датчики обеспечивают гальваническую развязку сигнальных цепей от силовых высоковольтных линий. С помощью датчика напряжения, представляющего собой резистивный делитель с гальванически развязанным усилителем, измеряется значение мгновенного напряжения ШПТ. Сигналы измерительной информации поступают на входы аналого-цифрового преобразователя, входящего в состав системы управления буферным накопителем энергии (СУ БНЭ). Непосредственно сам накопитель энергии реализован в виде блока аккумуляторных батарей (БАБ), заряд/разряд которых осуществляется через двунаправленный конвертор напряжения (КН). В своем
составе конвертор имеет два мостовых преобразователя, разделенных между собой силовым высокочастотным трансформатором (Тр). Для улучшения динамики БНЭ содержит емкостной накопитель энергии (С1), который в моменты пика генерируемой мощности подключается через демпфирующую цепь (ДЦ) для заряда к шине посредством электронного ключа (8), а затем отдает запасенную энергию в конвертор напряжения.
Электрические параметры заряда блока аккумуляторных батарей контролируются посредством датчика тока и схемы контроля напряжений на каждой батарее. По этим параметрам с учетом математической модели аккумулятора рассчитывается текущая степень заряда аккумуляторного накопителя (СКЗ -схема контроля заряда). Процессом заряда и разряда блока аккумуляторных батарей управляет специальный контроллер (КЗР). Для подключения дополнительных модулей в БНЭ реализован последовательный интерфейс передачи данных, например, по стандарту Я8-485.
Система имеет возможность комплектации дополнительными модулями сопряжения на основе восьмиразрядных микроконтроллеров, роль которых подробно рассмотрена выше.
Построенная подобным образом гибридная система буферного накопления энергии для автономных энергоустановок возобновляемой энергетики по своим техническим характеристикам не уступает зарубежным и отечественным объектам-аналогам и обладает большими функциональными возможностями.
Проведенные предварительные исследования показывают, что можно значительно повысить эффективность гибридной автономной энергетической системы, построенной на базе ДЭС, ВЭУ и ФЭС, введением в ее состав буферного накопителя энергии.
Список литературы
1. Лукутин Б.В., Климова Г.Н., Обухов С.Г., Шутов Е.А., Парников Н.М. Особенности децентрализованного электроснабжения Республики Саха (Якутия) // Электрика. 2009. № 3. С. 10-13.
2. Аблязов П.Н. Энергия впрок // ЭнергоЭксперт. 2011. № 1. С. 31-32.
