CC BY
9
УДК 621.314.1
Терещенко Тетяна Олександрiвна, д-р техн. наук Шчкальов Свген С.
Нацюнальний технiчний унiверситет «Кшвський полiтехнiчний шститут», м. Кив, Укра!на. Пр. Перемоги, 37 м. Ки1в, Укра!на, 03056, Тел./факс: (044) 454-93-15, E-mail: pichkalYOv@ieee.org
РЕСУРСОЗБЕР1ГАЮЧЕ КЕРУВАННЯ НАП1ВПРОВ1ДНИКОВИМИ ПЕРЕТВОРЮВАЧАМИ Г1БРИДНИХ СИСТЕМ ЕЛЕКТРОЖИВЛЕННЯ
В cmammi приведено огляд техтчного потенщалу вiдновлювальних джерел електроенергИ в Укра'ш. Наведено р1зновиди систем гарантованого електроживлення та запропоновано типову схему гiбридноi системи електроживлення. Запропоновано три аспекти ресурсозберiгаючого керування, що дозволяють побудувати систему керування з бшьшрацюнальним використанням електроенергИ, палива та коштiв. Библ.6,
Ключовi слова: вщновлювальш джерела, ресурсозбереження, перетворювач^ пбридш системи електроживлення.
Терещенко Татьяна Александровна, д-р техн. наук Пичкалёв Евгений С.
Национальный технический университет Украины «Киевский политехнический институт». пр. Победы, 37, Киев, 03056, Украина, Тел./факс: (044) 454-93-15, E-mail: pichkalYOv@ieee.org
РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩЕЕ УПРАВЛЕНИЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫМИ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯМИ
ГИБРИДНЫХ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ
В статье приведены обзор технического потенциала возобновляемых источников электроэнергии в Украине. Приведены разновидности систем гарантированного электропитания и предложены типичную схему гибридной системы электропитания. Предложены три аспекта ресурсосберегающего управления, позволяющие построить систему управления с более рациональным использованием электроэнергии, топлива и денежных средств. Библ.6, рис.3.
Ключевые слова: возобновляемые источники, ресурсосбережение, преобразователи, гибридные системы электропитания
Tereshchenko Tetiana Aleksandrovna, Dr. Eng. Sc. Pichkalov Ievgen
National Technical University of Ukraine "Kyiv Polytechnic Institute". Ave. Peremogy, 37, Kyiv-56, 03056, Ukraine. E-mail: pichkalyov@ieee.org
RESOURCE SAVE CONTROL OF SEMICONDUCTOR CONVERTERS IN HYBRID POWER
SUPPLY SYSTEMS
The article presents an overview of the technical potential of renewable energy sources in Ukraine. Listed species uninterruptible power supply systems and offered the typical scheme of the hybrid power system. Proposed three aspects of resource saving controls to build a control system with a more efficient use of electricity, fuel and money.
Key words: renewable sources, resource saving, power converters, hybrid power systems
Вступ
Розвиток сучасно! економши визначаеться запасами наявних ресурав, яю можуть бути залучеш у виробницга та життед1яльносп при юнуючому р1вш технологий [1, 5]. Ресурси - це природш або створеш людиною щнносп, яю призначеш для задоволення виробничих i невиробничих потреб. У загальному випадку ресурси подшяються на природш та економiчнi. В свою чергу серед природних ресурав видшяють сировинш та енергетичш ресурси [6].
В електротехшчних системах природш ресурси забезпечують функцюнування вщновлювальних та традицшних джерел електроенергИ. Вщновлювальш джерела використовую сонячну енерпю, енерпю впру, енерпю хвиш, енерпю води, тепло Земл^ енерпю припливу та енерпю бюмаси. Традицшш джерела використовують кам'яне та бше вуплля, торф, нафту, природний газ та ядерне паливо. Рацюнальне використання названих ресурав забезпечуе ефективне зростання виробництва та вщповщно задоволення потреб користувачiв.
В той же час, попри всю важливють та беззаперечну необхщшсть природних ресурав, велику вагу у сучасних електротехшчних системах типу БшайОпё та МюгоОпё вiдiграють економiчнi ресурси, що характеризуються поняттям прибутку або вигоди [3, 4]. Все бшьшого розповсюдження набувають системи керування електротехшчними об'ектами, що враховують економiчнi штереси користувачiв та виробникiв електроенергп та направлеш на рацiональне використання економiчних ресурсiв [4].
В Укршш виробництво електроенергп та тепла традицiйно базуеться на таких викопних енергоносiях як вугшля та газ, та на атомнш енергетицi. Чинна нинi «Енергетична стратегiя Украши на перiод до 2030 року» - затверджена Кабшетом МЫс^в Украши 15 березня 2006 року - робить ставку на збшьшення обсяпв використання вугшьно'1 та ядерно'1 енергп та на тдвищення енергоефективностi у виробництвi та побуп. Прогнозуеться, що при щорiчних темпах приросту на рiвнi близько 4 % до 2030 р. попит на електроенерпю зросте до 395,1 млрд кВтгод i тим самим, порiвняно iз сьогоднiшнiм днем, подвопъся [6].
В той же час Украша мае значний технiчний потенщал для використання вiдновлюваних джерел енергп. За даними Кшвського iнституту вщновлювано'1 енергетики технiчний потенцiал використання вщновлюваних джерел енергп становить 81 млн е^валентних тонн, або 520,8 ТВт/год (див. табл. 1).
Таблиця 1
Технiчний потенщал вщновлювальних джерел в Укршш
Джерела Схщний комiтет Нiмецькоi економiки 2009, ТВт/год Конеченков, ТВт/год
Бюмаса 162,80
Сшьськогосподарсью вщходи 82
Деревина 16
Бюгаз 28
Сонячна енергiя 28,80
Сонячнi панелi 16
Сонячш водонагрiвачi 75
Гiдроенергiя 27,70 33
Геотермiчна енергiя 105,10 97
Вггер 41,70 42
Iншi (зокрема, вiдходи) 154,70
Загалом: 520,80 389
У зв'язку з постшним дефiцитом та нестачею енергоноспв для традицiйних джерел електроенергп актуальним ршенням е замщення традицiйних джерел електроенергii вiдновлювальними джерелами (табл. 2).
У зв'язку з недолшами вщновлювальних джерел (1'х нестабiльною роботою на протязi доби та високою вартiстю) замiщення вiдбуваеться поступово, або частково, що обумовило створення пбридних систем електроживлення, якi е складовою частиною сучасних систем БшаЛОпё та М1егоОг1ё [4]. Однак таке виршення проблеми рацiонального використання ресурав породжуе низку задач пов'язаних з техшчною реалiзацiею роботи гiбридноi системи електроживлення, забезпечення гарантованого та безперервного електроживлення та необхщно'1 якостi електроенергii. Все це потребуе створення нових топологiй перетворювачiв та нових методiв ресурсозберiгаючого керування перетворювачами електроенергп [1-4].
Р1зновиди систем гарантованого електроживлення. Система гарантованого електроживлення (СГЕЖ) - це комплекс електротехшчного обладнання, що складаються з акумуляторних накопичувачiв та шших джерел електроенергп, а також заходiв, що забезпечують гарантоване та безперервне живлення навантажень при заданих параметрах якосп електроенергп.
Таблиця 2
Систематизований перелш технологий виробництва електроенергп та тепла
Технологи (первинш енергоносп) Виробництво електроенергп Виробництво тепла
Звичайнi технологи • Теплова електростанщя (природний газ); • Блочна ТЕЦ(природний газ); • Теплова електростанщя (кам'яне вугшля); • Атомна електростанщя (уран). • Теплова електростанщя (природний газ); • Теплова електростанщя (кам'яне вугшля); • Блочна ТЕЦ (природний газ); • Блочна ТЕЦ (кам' яне вугшля);
Вiдновлювальнi технологи • В^росилова установка; • Бюмасова блочна ТЕЦ (л^ноцелюльоза); • Бюгазова блочна ТЕЦ; • Пдроелектростанщя; • Фотогальванiчнi установки; • Геотермальна електростанцiя. • Бюгазова блочна ТЕЦ; • Бюмасова блочна ТЕЦ (л^ноцелюльоза); • Сонячш тепловi установки; • Геотермальна електростанщя;
Найпростiшi СГЕЖ до складу яких входить виключно акумуляторний накопичувач подiляються на три основш типи (рис.1): резервш (Off-Line), лiнiйно-iнтерактивнi (Line-Interactive) та неперервно! дп (Online).
а) б)
в)
Рис. 1. Структуры схеми СГЕЖ резервного типу (а), лшшно-штерактивного (б)
та неперервно'1 дп (в)
СГЕЖ резервного типу, що зображений на рис. 1а, забезпечуе перемикання навантаження на роботу вщ акумуляторного накопичувача (АН) тшьки у випадку зникнення напруги зовшшньо'1' мережа
У випадку живлення вiд мережi ключi К1 i К3 знаходяться у замкнутому сташ, а ключi К2, К4 та К5 - розiмкнутому. При цьому зарядний пристрiй (ЗП) здшснюе заряд АН. При зникненш напруги мережi ключ КЗ розмикасться, а ключi К4 та К5 замикаються, тим самим забезпечуючи живлення навантаження (Н) вщ акумуляторно'1 батаре'1' через iнвертор
(I) [2].
Структурна схема "off-line" е простою та економiчною у роботi, однак не забезпечуе стабшзащю вхщно'1' напруги при робот вiд мережi. Такий недолш не дозволяе з достатньою ефектившстю використовувати АН.
До складу СГЕЖ лшшно-штерактивного (рис. 1б) типу входить стабшзатор, що забезпечуе стабiлiзацiю напруги без використання АН. Такий тип СГЕЖ використовуеться лише у випадках зникнення напруги мереж1, або неможливосп його стабшзацп.
СГЕЖ неперервно'1' дп забезпечуе подвiйне перетворення електроенергл випрямлячем (В) та швертором (I). Особливютю тако'1' системи е те, що В та I весь час тдключеш мiж собою. СГЕЖ неперервно'1' дп забезпечуе бiльш високi показники якост електроенергл, в порiвнянi з шшими типами СГЕЖ.
Однак вс три типи СГЕЖ забезпечують живлення навантажень лише у випадку зникнення напруги мереж на iнтервалi вщ 1 до 60 хвилин, в залежносп вiд емностi АН (рис. 2). Та здатш забезпечити обмежений максимум генеровано'1' потужностi. Покращення згаданих характеристик призводить до значних грошових витрат i тому не е прийнятним для користувачiв. Щоб зменшити грошовi витрати, та пiдвищити надшшсть та тривалiсть роботи у СГЕЖ разом з АН застосовуються додатковi джерела електроживлення, як то дизельш генератори.
n ^s^ 0 - разряд АБ - заряд АБ
О TJL © © Г 1 © 1 © » zA ■—
If \ =1 -V г 1
11 12 13 14 с
Рис. 2. Робота системи гарантованого електроживлення з дизельним генератором
Гiбриднi системи електроживлення, що мають у своему складi ^м традицiйних джерел, як то дизельш генератори, також альтернативш джерела (фотоелектричш батаре'1, вiтрогенератори та iншi) та можуть забезпечувати гарантоване електроживлення при вщсутносп зовшшньо'' мережi називаються пбридними СГЕЖ. Типова схема пбридно'' СГЕЖ наведена на рис. 3. До 11 складу, ^м зовшшньо'' електромереж^ також можуть входити вiтрогенератор (ВГ), фотоелектрична батарея (ФБ), акумуляторнi накопичувачi
(АН), дизельний генератор (ДГ), що тдключають через перетворювачi електроенергл (ПЕ) i комутуючий пристрiй (К) до навантаження (Н).
Альтернативш джерела електроенергп (рис. 3) використовуеться в рiзних режимах i на рiзних часових штервалах. ФБ та ВГ не забезпечують постiйнiсть генерування енергГi, у той час як ДГ та АН можуть бути включеш в будь-який час, а тривалють 1'хньо'1' роботи визначаеться запасом палива або ступенем зарядженостi акумулятора. Важливою задачею е визначення таких режимiв роботи системи, при яких енергетичнi ресурси найбшьше повно i ефективно використовуються для включених у мережу навантажень [1]. В той же час через нестабшьшсть роботи у час ФБ та ВГ важливою окремою задачею е оргашзащя ефективно'1' роботи ДГ в поеднанш з АН.
В якост навантажень таких систем виступають пристро'1' комп'ютерних систем, обробки шформацп, медичне електротехнiчне устаткування, системи життезабезпечення, технологiчне обладнання, рiзноманiтнi осв^лювальш та нагрiвальнi прилади [1, 4]. При побудовi СГЕЖ навантаження подшяються на три групи навантажень. Перша група навантажень не допускае навггь короткочасного вiдключення вiд мереж1, друга група допускае короткi iнтервали вимкнення, а третя група навантаження допускають свое вимкнення на довп штервали часу до вщновлення живлення вщ загально! мереж1.
Рис. 3. Система гарантованого електроживлення з рiзними джерелами
До першо! групи можуть входити навантаження медичних закладiв, виробничих об'екпв та навантаження, що надважливi для ^p^TyBa4iB приватних будинкiв. Навантаження друго'1 групи присyтнi в приватних будинках, ix короткочасне вiдключення не завдае незручностей користyвачевi. До третьоi групи вщносять навантаження робота яких в разi зникнення напруги у загальнш мереж не пiдтримyеться, найчастiше вони присутш у приватних будинках.
Такий розподiл навантажень на групи дозволяе оптимiзyвати систему електроживлення на етат проектування знизивши витрати на джерела електроенерги на закутвлю додаткових джерел.
Аспекти ресурсозбер1гаючого керування у г1бридни\ системах електроживлення
Постшна нестача ресyрсiв, або ix не рацiональне використання зумовлюе негативний вплив на економшу та яюсть життя населення. У зв'язку з чим актуальним е ресурсозбереження, що представляе собою комплекс техшчних, економiчниx та органiзацiйниx заxодiв спрямованих на ращональне використання ресyрсiв [5].
Для побудови ресурсозбер^аючого керування з огляду на види ресурав вiдповiдно видшимо три аспекти:
- сировинний (залежить вщ типу генератора - бюмаса, газ, бензин, дизельне паливо);
- електроенергетичний;
- економiчний.
Реалiзацiя керування на базi вказаних аспектiв дозволяе забезпечити ращональне ресурсозбер^аюче керування.
Висновки
Зроблено огляд перспектив використання вщновлювальних джерел в Укрш'ш. Проведено огляд систем гарантованого електроживлення, дано визначення пбридних СГЕЖ та наведено типову структурну схему. Запропоновано три аспекти ресурсозбер^аючого керування, використання яких дозволить бшьш рацiонально використовувати кошти, паливо та електроенерпю в гiбридниx системах електроживлення.
Список л1ртератури
1. Kamaev V. S., Petergerya Y. S. Optimization of operation of backup power system with diesel generator // Pratsi Instytutu elektrodynamiky Natsionalnoi Akademii Nauk Ukrainy. - 2006. - № 1 (13). - P. 38-41.
2. Хижняк Т. А., Пичкалёв Е. С., Невмержицький О.В. Управление дизельным генератором по критерию минимизации стоимостных затрат // "Техшчна Електродинамжа"". - 2010. - Ч. 2. - С. 122-127.
3. Ievgen Pichkalov, Anna Kyselova, Olga Kyselova, Gennadiy Kyselov Optimal Control of Uninterruptible Power System with Diesel Generator - Electronics and Nanotechnology: IEEE 33-th International Scientific Conference ELNAN0-2013, 16-19 April 2013, Kyiv, Ukraine: proc. - Kyiv, 2013. - P. 378-380.
4. Petergerya Y. S., Zhuikov V. Y., Tereschenko Т. О. Intellectual systems of energy saving homes. Textbook. -К.: Media-PRESS, 2008. - P. 256.
5. GOST 30166-95. Resource Saving.
6. Д-р Франк Майсснер i Фалько Укердт Розвиток ввдновлюваних джерел енерги в Укрш'ш: потенщал, перешкоди i рекомендацп щодо економiчноi' полггики // BE Berlin Economics GmbH - 2010 - С. 42.
References
1. Kamaev V. S., Petergerya Y. S. Optimization of operation of backup power system with diesel generator // Pratsi Instytutu elektrodynamiky Natsionalnoi Akademii Nauk Ukrainy. - 2006. - № 1 (13). - P. 38-41.
2. Khizhnyak T. A., Pichkalov E. S., Nevmerzhitskiy O. V. [Upravlenie dizelnym generatorom po kriteriu minimizatsii stoimostnykh zatrat // "Tekhnichna Elektrodinamika"]. - 2010. - Ch. 2. - P. 122-127.
3. Ievgen Pichkalov, Anna Kyselova, Olga Kyselova, Gennadiy Kyselov Optimal Control of Uninterruptible Power System with Diesel Generator - Electronics and Nanotechnology: IEEE 33-th International Scientific Conference ELNANO-2013, 16-19 April 2013, Kyiv, Ukraine: proc. - Kyiv, 2013. - P. 378-380.
4. Petergerya Y. S., Zhuikov V. Y., Tereschenko Т. О. Intellectual systems of energy saving homes. Textbook. -К.: Media-PRESS, 2008. - P. 256.
5. GOST 30166-95. Resource Saving.
6. D-r Frank Maysser and Falko Ukerdt. [Rozvytok vidnovlyuvanych dzherel energii v Ukraine: potentsial, pereshkody I rekomendatsii shshodo ekonomichnoi polityky ]// BE Berlin Economics GmbH - 2010. - P. 42.
Поступила в редакцию 20.01 2016 г.
