Конфигурация автономного гибридного ветро-фотоэлектрического дизельного комплекса гарантированного электроснабжения объектов

Бельский Алексей Анатольевич,

кандидат технических наук, ассистент кафедры электротехники, электроэнергетики, электромеханики Национального минерально-сырьевого университета «Горный».

Введение

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].

Основная часть

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.

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.

Рис. 1. Структурная схема автономного гибридного комплекса: WG – видеогенератор; Tr-r – трансформатор; DG – дизель-генератор; PMSM – синхронный генератор с постоянными магнитами; R – выпрямитель; SC – суперконденсатор; C – контактор; DC/DC – преобразователь постоянного тока; DC/AD – инвертор.

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.

Литература

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.

Поступила в редакцию 22.05.2014 г.