УДК 620.9

КОНФИГУРАЦИЯ АВТОНОМНОГО ГИБРИДНОГО ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ВОЗОБНОВЛЯЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ ЭНЕРГИИ

Бельский Алексей Анатольевич
Национальный минерально-сырьевой университет «Горный»
кандидат технических наук, ассистент кафедры электротехники, электроэнергетики, электромеханики

Аннотация
В статье рассмотрен выбор оптимальной схемы автономного электроснабжения потребителей минерально-сырьевой отрасли удаленных от централизованной энергосистемы с использованием гибридного ветро-фотоэлектрического дизельного комплекса. Осуществлено обоснование конфигурации и типа генерирующих установок в составе автономного гибридного электротехнического комплекса. Предложена структурная схема гибридного генерирующего комплекса обеспечивающая гибкую возможность наращивания (уменьшения) установленной мощность комплекса в зависимости от нужд электроснабжения.

Ключевые слова: автономный гибридный электротехнический комплекс, ветроэлектрическая станция, синхронный генератор на постоянных магнитах, фотоэлектрическая станция


CONFIGURATION AUTONOMOUS HYBRID ELECTRICAL COMPLEX WITH RENEWABLE ENERGY

Belsky Aleksey Anatolevich
National mineral resources university (University of mines)
Ph.D., assistant Department of Electrical, power engineering, Electromechanics

Abstract
The article addresses choosing optimal scheme of standalone power supply to consumers of mineral resource industry located far from a centralized power supply system using a hybrid wind-diesel photoelectric unit. Substantiation has been made for the configuration and type of generating units in the standalone hybrid electric complex. A structural diagram of a hybrid generating complex has been proposed that ensures flexibility to increase (decrease) the installed capacity of the complex depending on power needs.

Keywords: autonomous hybrid electrical complex, permanent magnet synchronous generator, photoelectric plant, wind power station


Библиографическая ссылка на статью:
Бельский А.А. Конфигурация автономного гибридного электротехнического комплекса с использованием возобновляемых источников энергии // Современная техника и технологии. 2014. № 5 [Электронный ресурс]. URL: https://technology.snauka.ru/2014/05/3649 (дата обращения: 13.04.2021).

В настоящее время около 70 % территории России не охвачено сетями централизованного электроснабжения. Для построения децентрализованных систем электроснабжения используются автономные источники электропитания, работающие на органическом топливе, наиболее распространёнными и универсальными из которых являются дизельные электростанции (ДЭС). Анализ карт ветров и солнечной инсоляции России показывает, что альтернативой использованию ДЭС является применение возобновляемых источников электрической энергии, за счет включения в схему электроснабжения потребителей в качестве основного или дополнительного источника питания собственной фотоэлектрической и ветроэлектрической электростанции (ФЭС и ВЭС) [1]. При этом для повышения топливной эффективности ДЭС в состав комплекса необходимо включить аккумуляторные батареи и суперконденсаторы [2].

Длительность автономной работы генерирующего комплекса на базе ФЭС и СЭС совместно с аккумуляторными батареями в условиях слабого ветра и низкой освещенности определяется емкостью буферных аккумуляторных батарей.

Для обеспечения гарантированного электроснабжения потребителей используются гибридные электротехнические комплексы (ЭТК) состоящие из ВЭС, ФЭС, буферных аккумуляторов и суперконденсаторов, и генераторных установок, работающих на углеводородном топливе, наиболее распространенными из которых являются ДЭС. Использование ВЭС и ФЭС в составе гибридного комплекса с ДЭС позволяет сократить затраты на закупку, доставку и хранение дизельного топлива. При этом схема гибридного комплекса должна обеспечивать заданный уровень надежности электроснабжения потребителей, минимальный компонентный состав, высокую экономичность по расходу привозного топлива, а также должна быть построена по принципу модульности, позволяя наращивать (уменьшать) суммарную мощность комплекса по необходимости без ущерба для технико-экономических параметров всей системы электроснабжения.

Существуют различные схемы построения автономного гибридного ветро-фотоэлектрического дизельного комплекса.

Схема #1.1 «Система связанная через общую шину переменного тока (AC-bus) нормальной частоты (50 или 60 Гц)» обладает преимуществом непосредственной связи нагрузки и общей шины переменного тока (AC-bus) гибридного комплекса, обеспечивая высокую надежность электроснабжения потребителей от генерирующего комплекса. Однако, данная схема требует сложных систем управления для согласования работы различных источников энергии и поддержания частоты выходного напряжения на уровне соответствующем стандартам по качеству электрической электроэнергии.

В схеме #1.2 «Система связанная через общую шину переменного тока (AC-bus) высокой частоты (например 400 Гц)» за счет промежуточной шины высокой частоты и наличия на выходе отдельного инвертора задача поддержания частоты выходного напряжения на уровне соответствующем стандартам по качеству электрической энергии упрощается по сравнению со схемой #1.1. Однако наличие большого числа преобразователей снижает надежность такой системы и повышает сложность ее управления.

В схеме #2 «система связанная через общую шину постоянного напряжения (DC-bus)» источник постоянного тока (ФЭС, аккумулятор) может быть подключен непосредственно к шине постоянного тока или через DC/DC преобразователь. При этом в данной схеме в качестве источников переменного тока могут использоваться генераторы с переменной частотой выходного напряжения (например генераторы с постоянными магнитами), которые подключаются через DC/DC преобразователи с MPPT-алгоритмами к общей шине постоянного тока. В данной схеме не требуется синхронизация различных источников энергии, тем сам обеспечивается принцип модульности гибридного комплекса, который позволяет наращивать (уменьшать) установленную мощность комплекса в зависимости от нужд электроснабжения. Надежность электроснабжения нагрузки переменного тока достигается путем установки нескольких инверторов напряжения.

Таким образом, схема #2 гибридного комплекса наиболее подходит в качестве основной для электроснабжения различных объектов в частности минерально-сырьевой отрасли.

В качестве ВЭС целесообразно использовать в составе гибридного комплекса ветрогенераторов с многополюсными синхронными генераторами с постоянными магнитами и DC/DC-преобразователями с MPPT-алгоритмами работы. Данные ветрогенераторы работают с переменой частотой вращения ветроколеса, тем самым обеспечивают высокую эффективность преобразования энергии ветра [3].

Основным параметром при выборе фотоэлектрических модулей является КПД преобразования солнечной энергии в электричество (см. таблицу 1), от которого зависит стоимость ФЭС. При этом в настоящее время наибольшее распространение получили фотоэлектрические элементы КПД которых составляет 14÷20 % [4]. Однако, развитие технологий получения поликристаллического кремния, позволяют ожидать получение фотоэлектрических элементов с КПД до 35 % в промышленных масштабах.

Таблица 1. Основные параметры фотоэлектрических элементов

Тип элемента

КПД,%

Степень внедрения

GaInP/GaAs/Ge

34,7

Получен лабораторный образец

Si-cell MCZ-crystalline

24,5

Переход к промышленному производству

Si-cell FZ-crystalline

21,5

Промышленное производство

SP e19/238 solar panel

19,1

Промышленное производство

Работа ДЭС в составе автономного гибридного комплекса в условиях переменчивости нагрузки, скорости ветра и освещённости сопряжена с высокой неравномерностью загрузки дизельного агрегата, что сказывается на его эффективности — топливной составляющей стоимости 1 кВт∙ч электроэнергии [5].

Эффективный режим работы типового дизельного агрегата с асинхронным генератором работающим при постоянной частоте вращения вала обеспечивается только при загрузке станции от 70 до 100 %, в противном случае с уменьшением коэффициента загрузки ДЭС происходит резкое снижение эффективности ее работы. При этом загрузка ДЭС менее 30–40 % недопустима, так как сопровождается резким скачком удельного потребления топлива [6].

Применение дизельного агрегата с синхронным генератором на постоянных магнитах, работающим с переменной частотой вращения вала генератора позволяет повысить эффективность работы ДЭС в режимах неполной загрузки до 80 % от номинальной по сравнению с типовой ДЭС, работающей при постоянных оборотах двигателя. Таким образом, в составе автономного гибридного энергетического комплекса наиболее целесообразно использовать ДЭС с переменной частотой вала, при этом выход генератора через выпрямитель и согласующий DC/DC-преобразователь может быть соединен с шиной постоянного тока всего комплекса.

Заключение

С учетом вышеприведённого анализа на рисунке 1 представлена предлагаемая структурная схема автономного гибридного ветро-фотоэлектрического дизельного комплекса для гарантированного электроснабжения потребителей, включающая в себя ВЭС и ДЭС с синхронными генераторами с постоянными магнитами, выпрямительные устройства, ФЭС объединённые общей шиной постоянного тока с комбинированным накопитель энергии и общий инверторный выход для подключения нагрузки. Топология гибридного комплекса может варьироваться с использованием средств силовой электроники (согласующих DC/DC преобразователей) с целью минимизации габаритов и количества компонентных блоков в зависимости от необходимости наращивания или сокращения генерирующих мощностей.

Рисунок 1 — Структурная схема автономного гибридного комплекса

В предлагаемой схеме автономного гибридного комплекса необходимое количество ВЭУ, ФЭС и ДЭС определяется необходимой степенью надежности электроснабжения потребителей с учетом единичных номинальных мощностей установок и станций.


Библиографический список
  1. Бельский А.А., 2013. Оценка влияния параметров ветроэлектрической установки на эффективность энергообеспечения геологоразведочных работ. Горное оборудование и электромеханика, Изд-во «Новые технологии», Москва, 06: C. 7–13.
  2. Tankari, A.M., M.B. Camara, B. Dakyo, and C. Nichita, 2010. Ultracapacitors and Batteries Integration in Wind Energy Hybrid System – Using the Frequencies distribution Method. International Review of Electrical Engineering IREE vol. 5, no. 2: pp. 521–529.
  3. Christian Freitag, 2011. Master thesis. Variable Speed Wind Turbines equipped with a Synchronous Generator, – 80 p.
  4. Яковлева, Э.В., 2013. Эффективность применения электротехнического комплекса с фотоэлектрической станцией прямого преобразования солнечной энергии на территории республики Татарстан. Естественные и технические науки, Изд-во «Спутник +», г. Москва, #1: С. 189–192.
  5. Цыркин, М.И., 2000. Системы «ДЭС-ИБП». Двигателестроение, – 120 с.
  6. Сурков, М.А., 2011. Повышение энергоэффективности автономных ветро-дизельных электротехнических комплексов: автореф. дис. … канд. тех. наук: 05.09.03 / Сурков Михаил Александрович. – Томск, – 21 с.


Все статьи автора «Бельский Алексей Анатольевич»


© Если вы обнаружили нарушение авторских или смежных прав, пожалуйста, незамедлительно сообщите нам об этом по электронной почте или через форму обратной связи.

Связь с автором (комментарии/рецензии к статье)

Оставить комментарий

Вы должны авторизоваться, чтобы оставить комментарий.

Если Вы еще не зарегистрированы на сайте, то Вам необходимо зарегистрироваться: