CC BY
13Статья поступила в редакцию 05.12.13. Ред. рег. № 1889
The article has entered in publishing office 05.12.13 . Ed. reg. No. 1889
УДК 621.311.26
ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОНФИГУРАЦИИ И СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ДЛЯ АВТОНОМНОГО ЭНЕРГООБЕСПЕЧЕНИЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ВОЗОБНОВЛЯЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ ЭНЕРГИИ
С.А. Кудря, Ю.П. Фаворский, Н.Н. Кузнецов
Институт возобновляемой энергетики НАН Украины, г. Киев, ул. Красногвардейская, 20-А, тел. 206-28-09, renewable@ukr.net; Тел./факс +38044 206-28-09, e-mail: renewable@ukr.net
Заключение совета рецензентов: 15.12.13 Заключение совета экспертов: 20.12.13 Принято к публикации: 25.12.13
На примере реальной автономной системы энергообеспечения рассмотрены вопросы совместного использования различных источников энергии, включая дизель-генераторы, солнечные электростанции, аккумуляторные батареи.
Ключевые слова: автономная энергосистема, возобновляемые источники энергии, солнечная электростанция, система мониторинга локальной электросети.
SPECIFICATION AND CONTROL SYSTEM OF AUTONOMOUS POWER SYSTEMS USING RENEWABLE ENERGY SOURCES
S.A. Kudrya, Y.P. Favorsky, N.N. Kuznietsov
Institute of Renewable Energy of NASU, 20A Krasnogvardeyskaya St., Kiev, 20294, Ukraine Tel/fax +38044 206-28-09, e-mail: renewable@ukr.net
Referred: 15.12.13 Expertise: 20.12.13 Accepted: 25.12.13
On the example of a real autonomous energy supply system were studied the issues of the combinational use of various energy sources, which included diesel generators, solar power, and rechargeable battery.
Keywords: autonomous grid, renewable energy, solar power, local power monitoring system.
Николай Николаевич Кузнецов
Сведения об авторе: инженер 1 категории отдела гелиоэнергетики, Институт возобновляемой энергетики НАН Украины.
Образование: Национальный технический университет Украины (КПИ), факультет электроники. Магистр (2010), аспирантура там же (2013).
Область научных интересов: промышленная электроника, виброакустическая диагностика, возобновляемая энергетика.
Публикации: 11.
Использование возобновляемых источников энергии (ВИЭ) особенно актуально для изолированных объектов, не имеющих централизованного электроснабжения. Характерным примером такого объ-
екта служит отдельно расположенный монастырский комплекс (Монастырь) на территории полуострова Афон, Восточная Греция (рис. 1). Длина полуострова около 60 км, ширина от 7 до 12 км. Климат - субтро-
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 17 (139) 2013
© Scientific Technical Centre «TATA», 2013
пическии, с мягкой дождливой зимои и жарким летом. Комплекс Монастыря включает жилые, административные, производственные (художественные промыслы) здания, и имеет собственную систему энергообеспечения.
В настоящий момент для централизованной (в рамках Монастыря) системы обеспечения электроэнергией используется энергия солнца и параллельно энергия сжигания органического топлива при помощи дизель-генераторов. Система обеспечения тепловой энергией использует органическое топливо (дрова).
Рис. 1. Общий вид Монастыря Fig. 1. The overview of the Priory
Отдельные исследования по определению энергетического потенциала ВИЭ на территории Монастыря не проводились. Эффективное использование этого потенциала требует знания данных о распределении скоростей ветра, интенсивности солнечного излучения, температурных режимах окружающей среды, гидрологических параметрах водостоков малых рек (при наличии), наличии пригодных к утилизации органических и бытовых отходов. Нужны расчеты технико-достижимого потенциала и экономически целесообразного использования ВИЭ.
Энергетические потребности Монастыря в данное время обеспечивает автономная гибридная энергосистема, состоящая из дизель-генераторов, солнечных электростанций (фотоэлектрических систем), системы аккумуляции и хранения (свинцово-кислотных аккумуляторных батарей). Система аккумуляции и хранения энергии используется для обеспечения ночных нагрузок, когда генераторы не работают и энергия, вырабатываемая фотоэлектрическими панелями, равна нулю.
Энергия, аккумулируемая в батареях, производится фотоэлектрическими системами (ФЭС) суммарной мощностью около 180 кВт и двумя дизель-генераторами мощностью 140 кВт каждый. Для определения необходимой емкости аккумуляторов учитывались критические нагрузки потребляемой энергии в ночное время, когда в соответствии с режимом монастыря не должны функционировать дизельные генераторы. Критическое ночное потребление превышает 80 кВт.
Рис. 2. Типовой среднесуточный график потребления электроэнергии Fig. 2. A typical daily variations of the average power consumption
Суточный график потребления электроэнергии изображен на рис. 2.
Фотоэлектрические модули устанавливаются на равнинной поверхности, наклоненной под углом ~ 30° южной направленности (рис. 3), и соединены последовательно с общим преобразователем (инвертором), соединяя модули в массив. Всего установлено три таких массива. Общая мощность ФЭС от открытого повышающего трансформатора через подземную кабельную сеть среднего напряжения передается к понижающей подстанции 20/0.4 кВ, 160 кВ^, и оттуда к распределительному щиту низкого напряжения Монастыря.
Рис. 3. Общий вид ФЭС Fig. 3. Overview of the PV station
Линии среднего напряжения, дизель-генераторная система и батарейная система, установленные по соседству, находятся в едином специальном здании Монастыря и представляют собой энергетический центр Монастыря.
Преобразователи DC-AC типа SUNNY TRIPOWER 17 кВт (инверторы) компании SMA имеют как основную функцию преобразование постоянного тока
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 17 (139) 2013 © Научно-технический центр «TATA», 2013
выхода ФЭС в переменный ток частотой 50 Гц для потребления нагрузками Монастыря.
Пример суточного режима работы дизель-генераторов (обычно включаются поочередно) и ФЭС изображен на рис. 4.
120
72
24
120
кВт
Ущ|
%
11:15 17:00
Время суток, ч:мин
a
05:30
11:15 17:00
Время суток, ч:мин
b
Рис. 4. Синхронный график работы дизель-генератора (а) и ФЭС (b) Fig. 4. Operational schedule of the diesel generator (a) and PV system (b)
Каждый инвертор ФЭС (рис. 6) обладает собственной системой управления, контролирующей все его функции. Для централизованного управления инверторы объединены линиями интерфейса и через трансляторы шины WebBox подключены к компьютеру системы управления. Компьютерный web-интерфейс WebBox позволяет просматривать все параметры мониторинга и управления инверторов, а также изменять некоторые из них. Однако просмотр и изменение параметров надо выполнять для каждого инвертора в отдельности, что доставляет неудобства, т.к. их общее количество велико. Для удобства управления необходима установка дополнительного программного обеспечения.
Рис. 6. Инвертор ФЭС Fig. 6. PVS inverter
Следует отметить, что три фотоэлектрических массива, установленные в разных местах и составляющих ФЭС, имеют различную производительность в силу особенностей размещения, не всегда оптимальных. Пример их синхронной работы приведен на рис. 5. Уровень 1,0 соответствует номинальной мощности станций.
Мощность фотостанции 0,9
0,6
0,3
1 февраля 2013 г. 1
\ ■-PV3
*
/ / г/ \ *- \
/ 1
if t
J
Время суток (светлое), цена деления 30 мин
Рис. 5. Относительная мощность фотостанций (синхронно в светлое время суток) Fig. 5. Relative power output of PV stations (synchronized, during the light hours)
Рис. 7. Собственная система управления дизель-генератора Fig. 7. The autonomic control of the diesel generator system
Дизель-генераторы имеют собственную систему мониторинга и управления (рис. 7).
Система управления электрической энергией Монастыря предусматривает, что все энергетические подсистемы (дизель-генераторы, ФЭС и аккумуляторы с их преобразователями) соединены в один центральный мультикластерный бокс (Multicluster Box),
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 17 (139) 2013
© Scientific Technical Centre «TATA», 2013
который имеет функцию поставщика мощности и центрального управления всех энергопроизводящих объектов. С помощью Multicluster Box контролируется состояние всех энергопроизводящих единиц и соответственно с нагрузкой Монастыря принимается решение, какая из производящих единиц вводится в действие, с преимуществом в дневное время - ФЭС, и в ночное время - батареи. Дизель-генераторы вводятся в действие в те часы, когда энергии ФЭС недостаточно для обеспечения нагрузок, и для зарядки аккумуляторов.
Оператору автоматизированной системы управления (АСУ) доступно отключение дизель-генераторов, остальные функции ограничиваются мониторингом токов и напряжений в цепях ФЭС и общей нагрузки. Существуют возможности расширения АСУ путем ревизии кабельных линий управления оборудованием
и созданием соответствующего программного обеспечения (ПО). Особенностью АСУ является отдельный мониторинг электроэнергии на силовых линиях от источников и потребителей при отсутствии централизованного влияния на ФЭС, систему аккумулирования (кластеры инверторов Sunny Island с аккумуляторами) и соединительный шкаф Multicluster Box. Но использование трансляторов шин позволяет обеспечить такую возможность в дальнейшем.
Мониторинговая информация о параметрах электроэнергии в линиях дизель-генераторов, ФЭС и нагрузок передается в персональный компьютер для отображения с помощью существующего ПО (рис. 8). Эта информация также сохраняется во внутренних лог-файлах ПО для возможности дальнейшего анализа.
Рис. 8. Интерфейс системы мониторинга Fig. 8. The monitoring system interface
Система аккумулирования является основной и сетеобразующей, ее корректная работа необходима для работы всей энергосистемы Монастыря. В случае отключения системы аккумулирования электроэнергии в распределительном щите предусмотрена
возможность ручного переключения дизель-генераторов непосредственно на нагрузки, минуя остальные системы. Инверторы ФЭС выступают как источники тока и могут работать только при подключенной и работающей системе аккумулирования.
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 17 (139) 2013 © Научно-технический центр «TATA», 2013
Потенциально система может работать и при работающих дизель-генераторах, без системы аккумулирования. Однако такой вариант нежелателен и является аварийным. Инверторы системы являются источниками напряжения, они формируют сеть. При включении дизелей, которые также являются источниками напряжения, инверторы системы аккумулирования синхронизируются с дизель-генераторами, подстраиваясь под их частоту и фазу, при этом задавая, исходя из степени заряда аккумуляторных батарей, выработки ФЭС и нагрузок фактическую мощность дизель-генераторов. При этом частота сети колеблется в достаточно широких пределах.
Выводы
Существующая энергосистема является локальной системой со сменными источниками энергии и переменными нагрузками и имеет следующие свойства:
- система не имеет программных возможностей централизованного управления ФЭС и системой аккумулирования;
- настройки существующей системы не оптимальны, что приводит к неэффективному использованию электроэнергии ФЭС, особенно при высоких выработках, постоянным циклам заряд-разряд аккумуляторных батарей, частому использованию дизель-генераторов и соответственно снижению общей эффективности системы.
Существуют возможности модернизации системы управления, что позволит расширить перечень энергообъектов и совершенствовать управление ими. Для простоты интеграции нового оборудования в существующую АСУ рекомендуется использовать оборудование, имеющее компьютерный интерфейс, ориентированный на использование в 8СЛЭЛ-системах, а также установить распределительный шкаф с телемеханическими выключателями и с компьютерным интерфейсом, что позволит включить в АСУ управление нагрузками.
Что касается использования иных, кроме солнца, возобновляемых источников энергии, предваритель-
ное изучение показывает нецелесообразность использования системы водоснабжения монастыря для производства электроэнергии с помощью микроГЭС в связи с необходимостью замены питающего трубопровода и незначительной величиной получаемой электрической мощности и электрической энергии.
Использование ветровой энергии возможно в ограниченных объемах, поскольку правила функционирования Монастыря предусматривают минимальные видимые изменения ландшафта, в то время как крупные ветроустановки слишком заметны. К тому же ветровой потенциал должен быть предварительно изучен непосредственно на местности, с установкой измерительного оборудования и проведением минимум годичного цикла измерений.
Относительно использования биологического топлива, наиболее эффективным в данных условиях видится его ограниченное применение для производства тепла (обогрева помещений). Масштабное сжигание может привести к заметному загрязнению окружающей среды, что недопустимо в условиях Монастыря.
Для корректной оценки выработки энергии от различных источников необходимо:
- проведение исследований по определению возобновляемого энергетического потенциала территории, прилегающей к Монастырю, на основании данных о распределении скоростей ветра, интенсивности солнечного излучения, наличию органических отходов, температурных режимах окружающей среды;
- проведение сбора и анализ статистических данных, в том числе полученных от системы мониторинга энергосистемы Монастыря и других независимых источников;
- долгосрочное прогнозирование выработки электрической и тепловой энергии.
Указанные исследования, а также разработка рекомендаций по организации автономного энергообеспечения являются типичными для локализованных объектов, аналогичных Монастырю, и могут быть выполнены с учетом наличного опыта и с применением современных технических средств.
Г>С1 — TATA — LXJ
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 17 (139) 2013
© Scientific Technical Centre «TATA», 2013
