CC BY
303
ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ
Рубрику ведет В.М. Аванесов,
заведующий кафедрой "Энергетика и энергосбережение" Московского института энергобезопасности и энергосбережения, кандидат технических наук, доцент
Из опыта разработки и монтажа автономной системы электроснабжения
^ V V
базовой станции сотовой связи на основе ветродизельного комплекса
Для электроснабжения потребителей, не имеющих доступа к сетям централизованного электроснабжения, применяются системы с альтернативными источниками электрической энергии. К таким потребителям относятся загородные дома, фермерские хозяйства, объекты телекоммуникаций, воинские заставы, места размещения вахтенного персонала и др. К альтернативным источникам электрической энергии обращаются и в тех случаях, когда подключение к существующим сетям обходится слишком дорого.
Расширение зоны обслуживания сотовой связи связано со строительством базовых станций (БС) вдоль оживленных транспортных магистралей, на удаленных нефтяных и газовых промыслах. Организация традиционного электропитания БС зачастую наталкивается на дорогостоящие проекты подключения к сетям централизованного электроснабжения удаленных объектов с небольшим энергопотреблением. Поэтому разработчики систем электропитания БС сотовой связи все чаще обращаются к альтернативным источникам электроэнергии.
По заказу Екатеринбургского отделения ОАО "Уралсвязьинформ" ООО "Маяк-К" (г. Пермь) были выполнены работы по проектированию, монтажу и вводу в эксплуатацию системы автономного электро-
снабжения БС сотовой связи на основе ветродизель-ного комплекса. В условиях отсутствия сети централизованного электроснабжения техническим заданием предусматривалось обеспечить следующие требования к электропитанию потребителей БС:
- электроснабжение потребителей постоянного тока напряжением 48 В мощностью до 1,5 кВт;
- электроснабжение потребителей переменного тока 220 В, 50 Гц мощностью до 1 кВт;
- по степени обеспечения надежности электроснабжения электроприемники БС сотовой связи относятся к III категории;
- систему автономного электроснабжения выполнить на основе ветрогенератора с его размещением на верхней площадке антенно-мачтовой системы (АМС).
Структурная схема автономной системы электроснабжения, реализующей требования технического задания, представлена на рис.1.
Основным источником электрической энергии в системе электроснабжения является ветрогенера-тор. Он преобразует энергию ветра в энергию трехфазного переменного тока. Выпрямитель регулятора заряда преобразует трехфазный ток в энергию постоянного тока, который заряжает аккумуляторную батарею. Аккумуляторная батарея осуществля-
= 20
Энергобезопасность в документах и фактах
Рис.1. Структурная схема ветроднзельного комплекса системы автономного электроснабжения
базовой станции сотовой связи
ет питание потребителей постоянного тока напряжением 48 В, выполняя стабилизацию напряжения постоянного тока от выпрямителя и накопление электроэнергии. К батарее подключается инвертор, который преобразует напряжение 48 В постоянного тока в стандартное синусоидальное напряжение 220 В 50 Гц и обеспечивает питание потребителей базовой станции переменным током.
Регулятор заряда предохраняет АБ от перезаряда. Избыток электрической энергии при заряженной батарее контроллер заряда переключает на термоэлектрический нагреватель (ТЭН).
Современные инверторы совмещают в себе несколько функций: преобразователь напряжения постоянного тока в переменное; зарядное устройство от сети 220 В 50 Гц или от дизель-генератора; программируемый контроллер, контролирующий напряжение сети, выходное напряжение и входное напряжение с аккумуляторных батарей.
В случае штилевой погоды потребители переменного тока запитаны через инвертор, который преобразует напряжение постоянного тока аккумуляторной батареи в напряжение переменного тока. Инвертор также контролирует степень разряжен-ности аккумуляторной батареи по величине напряжения. При снижении напряжения батареи ниже допустимого инвертор выдает команду на включение дизель-электрической станции (ДЭС). После выхода ДЭС на рабочий режим напряжение переменного тока с дизель-генератора подается через инвертор потребителям переменного тока и с помощью встроенного в инвертор зарядного устройства заряжает аккумуляторную батарею, от которой продолжается электроснабжение потребителей постоянного тока. Режим заряда аккумуляторной батареи программируется в контроллере инвертора и им же контролируется. При полном заряде акку-
муляторной батареи инвертор формирует сигнал на выключение ДЭС.
Далее электроснабжение потребителей происходит по схеме при наличии ветра достаточной силы или по схеме при штилевой погоде.
При неисправности дизель-генератора (трехкратная неудачная попытка запуска дизеля, отсут-
Фото 1. АМС с установленной ВЭУ
гсшюшш
ствие топлива и др.) и снижения напряжения аккумуляторной батареи вследствие разряда ниже установленного уровня инвертор выдает команду на отключение нагрузки постоянного тока коммутатором нагрузок. При восстановлении напряжения батареи при заряде от ветрогенератора нагрузка постоянного тока вновь подключается к аккумуляторной батарее.
Ветроэнергетическая установка (ВЭУ) выбиралась на основе энергопотребления объекта (в кВтч) в течение расчетного периода (1 месяц) и среднегодовой скорости ветра в районе сооружения ВЭУ. Среднегодовая скорость ветра взята из справочника "Климат СССР. Ветер".
При расчете среднегодовая скорость ветра была скорректирована в связи с тем, что данные приводятся по скорости ветра в приземном слое до 10 м, а верхняя площадка АМС размещается на высоте 85 м. Известные методики расчетов показывают, что, выбирая высокую мачту для ВЭУ, можно увеличить среднегодовую скорость ветра на оси ротора ВЭУ до 50%.
Для электроснабжения базовой станции выбрана ВЭУ "Бриз-5000" производства НПО "Электросфера" (г. Санкт-Петербург).
Таблица 1
Технические характеристики ВЭУ "Бриз-5000"
Мощность генератора 5,0 кВт
Выходное напряжение (трехфазное) 220 В, 50 Гц
Напряжение заряда аккумуляторной батареи 48 В
Рабочий диапазон скоростей ветра 3-25 м/с
Скорость ветра при номинальной мощности 10 м/с
Предельно допустимая скорость ветра 50 м/с
Система ориентации Флюгер
Диаметр ветроколеса 5 м
Число лопастей 3
Рабочая температура -40 до +60 °С
Частота вращения рабочего колеса при номинальной мощности 500 об/мин
Ветрогенератор оснащен буревой защитой. Ось ветроколеса смещена по отношению к оси поворотного устройства, а флюгер имеет шарнир, ось которого расположена под небольшим углом к оси поворотного устройства. При слабом ветре флюгер устанавливает ветроколесо перпендикулярно потоку. При увеличении скорости ветра ветроколесо меняет положение относительно ветрового потока, поворачиваясь вокруг оси шарнира. Каждой скорости ветра соответствуют определенный угол поворота плоскости ветроколеса по отношению к направлению ветра и эффективная площадь, ометаемая ветроколесом.
В качестве опоры под ветрогенератор использована составная трубчатая конструкция мачтового типа. При монтаже ветрогенератора на площадке АМС необходимо было учесть конструкции стоек и молниеотводов, выступающие вверх на 2,7 м от уровня настила. Поэтому высота опоры под ветрогенератор составляет 5,5 м. Секции опоры фиксируются в вертикальном положении при помощи тросовых оттяжек, верхние концы которых крепятся к фасонкам секций. Нижние концы оттяжки крепятся к рым-гайкам М20.
Подъем элементов монтируемых конструкций на рабочую площадку АМС осуществляется при помощи электролебедки грузоподъемностью 0,5 тс с помощью штатной грузовой стрелы АМС. Подъем элементов опоры и ветрогенератора на рабочей площадке осуществляется канатным способом при помощи веревки диаметром 11 мм с усилием разрыва не менее 1800 кгс с использованием альпинистского снаряжения.
Проверочный расчет несущей способности АМС с учетом нагрузок, создаваемых ветрогенератором "Бриз-5000" и опорой-адаптером с выдачей положительного заключения, выполнен организацией, разработавшей проект АМС (ОАО СМУ-175 "Радиострой").
Основное оборудование системы электроснабжения (за исключением дизель-генератора) смонтировано в модульном контейнере базовой станции.
Регулятор заряда АБ от ветрогенератора содержит трехфазный выпрямитель, плату контроля заряда за напряжением аккумуляторной батареи и
Фото 2. Опора ветрогенератора, установленная на верхней площадке АМС
Фото 3. Модульный контейнер базовой станции
= 22
Энергобезопасность в документах и фактах
силовой ключ на полевых транзисторах. Плата контроля управляет ключом, который по команде от платы осуществляет переключение ветрогенератора с АБ на термоэлектрический нагреватель (ТЭН). В регулятор заряда входит диод, который предотвращает разряд аккумуляторной батареи на ТЭН. Зарядный ток ветрогенератора не регулируется, т.к. максимально возможный ток ветрогенератора (4050 А) является допустимым для заряда аккумуляторных батарей емкостью 400 Ач.
В базовом варианте выпускается ВЭУ с зарядным устройством батарей 96 В. В соответствии с возникшей задачей питания аппаратуры связи напряжением 48 В НПО "Электросфера" разработало новое зарядное устройство для батарей напряжением 48 В.
В системе электроснабжения базовой станции используется 8 аккумуляторных батарей Sonnenschein А500/12 емкостью 200 Ач каждая. Батареи объединены в две группы по 4 батареи общим напряжением 48 В и емкостью 400 Ач. Аккумуляторные батареи в составе системы электроснабжения эксплуатируются в двух режимах:
- буферный режим. Электроснабжение потребителей БС происходит от ВЭУ через выпрямитель регулятора заряда. При этом ВЭУ не всегда может обеспечить максимальный ток потребителям. В этом случае аккумуляторная батарея подпитывает потребителей базовой станции;
- циклический режим "заряд-разряд". Этот режим используется при штилевой погоде. Потребители получают питание только от батареи, которая периодически заряжается дизель-генератором.
При выборе инвертора учитывалась не только пиковая мощность энергопотребления напряжения 220 В 50 Гц, но обеспечение требуемого тока заряда аккумуляторной батареи большой емкости (400 Ач) встроенным зарядным устройством. В качестве инвертора выбран блок бесперебойного питания Xantrex серии SW3048. Особенности устройства:
Фото 4. Размещение оборудования системы электроснабжения в модульном контейнере базовой станции
- инвертор имеет защиту от перегрузок по току, от короткого замыкания, по перегреву, разряду или перезаряду батареи;
- трехуровневый режим заряда с температурной компенсацией, который значительно повышает срок службы аккумуляторной батареи. Имеется стандартный датчик дистанционного измерения температуры аккумуляторов. Предусмотрена возможность программной регулировки режима заряда;
- режим автоматического запуска генератора, который стандартизирован и программируется пользователем. Запуск генератора может быть вызван либо изменением напряжения батареи, либо величиной подключенной нагрузки. Может быть установлен режим "необходимого времени", который задаст время работы генератора. Совместимые с инверторами генераторы должны иметь дистанционное управление и работать в необслуживаемом режиме.
Основные характеристики инвертора SW3048E
Входное напряжение по постоянному току (номинальное) 48 В
Диапазон входного напряжения по постоянному току 44-66 В
Постоянный ток номинальной мощности 88 А
Защита против глубокого разряда аккумулятора Регулируемое отключение и включение аккумулятора при его разрядке-зарядке
Максимальный ток непрерывного заряда 50 А
Выходное напряжение переменного тока 230 В
Диапазон регулирования выходного напряжения ± 5%
Частота переменного тока 50 Гц
Постоянный выход переменного тока (25°С) 14 А
Форма выходного напряжения Синусоида, от 34 до 52 шагов на цикл
Входное напряжение переменного тока (номинал) 230 В
Диапазон входного напряжения переменного тока 150-288 В
Входной ток переменного напряжения 30 А проходной режим
15 А при зарядке
Продолжительная мощность (25°С) 3300 ВА
Вес единицы оборудования 48 кг
Габариты инвертора (высота х ширина х длина) 38 х 57 х 23 см
Для резервного электроснабжения базовой станции в условиях отсутствия ветра установлена ДЭС концерна SDMO (Франция), обладающая следующими отличительными особенностями:
- применены промышленные двигатели с жидкостным охлаждением и низкой частотой вращения (1500 об/мин) производства Mitsubishi (Япония);
неимвивша
Фото 5. ДЭС системы электроснабжения
- высокая надежность, нетребовательность к условиям эксплуатации и качеству топлива;
- двигатели снабжены предпусковым подогревом воздуха для запуска при низких температурах;
- расход топлива 2,2 л/ч при 80% нагрузке;
- пусковое устройство- электрический стартер.
Генератор ДЭС - однофазный, синхронный, бесщеточный с автоматическим регулятором, напряжение 230 В, 50 Гц, мощность 8 кВт.
Дизель-электрическая станция оборудована системой автоматического запуска, которая по сигналу инвертора, контролирующего степень разря-женности аккумуляторных батарей базовой станции,
проводит запуск генератора и подключение его к нагрузке.
Блок автоматического запуска контролирует успешность запуска дизель-генератора. Если запуск не удался, производятся две повторные попытки. Если все три попытки оказались неудачными (например, кончилось топливо), запуск прекращается с обязательным формированием сигнала о неисправности во внешнюю цепь.
После проведения цикла заряда аккумуляторных батарей БС нагрузка вновь переключается на аккумуляторные батареи, а генератор через установленную временную выдержку останавливается.
Блок имеет индикацию состояния сети и генератора, а также осуществляет подзарядку аккумулятора генератора.
Оборудование ДЭС размещено в модульном контейнере, расположенном под основанием АМС. Модульный контейнер оборудован системой вентиляции и охлаждения дизель-генератора. Система вентиляции имеет проемы для притока и выброса воздуха, защищенные стальной решеткой. Проемы приточной и вытяжной вентиляции оборудованы универсальными воздушными клапанами с электроприводом жалюзи.
Контейнер оснащен дополнительным топливным баком емкостью 950 литров. Заправка дополнительного топливного бака проводится через заправочную горловину, выведенную на наружную стену модульного контейнера со стороны двери.
Модульный контейнер оборудован системой пожарной сигнализации с установкой прибора при-емно-контрольного С2000-АСПТ, четырех извеща-телей пожарных дымовых и двух модулей порошкового пожаротушения "Буран-2,5".
Проведенные пусконаладочные работы показали правильность принятых технических решений по комплектованию оборудованием системы электроснабжения. Опытная эксплуатация системы показала целесообразность введения в систему комплекта солнечных батарей с соответствующим контроллером заряда для экономии топлива ДЭС в безветренную погоду.
Фото 6. Модульный контейнер ДЭС
Фото 7. Дополнительный топливный бак ДЭС
