Энергообеспечение автономного бытового комплекса на базе гибридной ветро‑дизельной установки

В настоящее время значительное число объектов энергетики и инфраструктуры расположено в удалённых районах Крайнего Севера, где отсутствует возможность подключения к централизованным сетям электроснабжения. К таким объектам относятся автономные бытовые комплексы (АБК), включающие жилые и административные здания, инженерную инфраструктуру и системы жизнеобеспечения. Надёжное энергоснабжение таких комплексов является критически важным для их нормального функционирования, особенно в условиях экстремальных климатических нагрузок.

Основным источником электроэнергии для автономных объектов Крайнего Севера традиционно служат дизель-генераторные установки (ДГУ). Однако их эксплуатация сопряжена с рядом проблем: высокий расход дизельного топлива, необходимость его доставки в труднодоступные районы, а также недопустимость длительной работы на малой нагрузке, что приводит к повышенному износу и снижению ресурса. Кроме того, современные АБК насыщены разнородными потребителями – как силовыми (освещение, отопление, вентиляция, насосы), так и слаботочными (СКУД, охранная сигнализация, видеонаблюдение, сетевое оборудование), которые предъявляют повышенные требования к стаб ильности напряжения питания.

Одним из перспективных направлений повышения эффективности автономных систем энергоснабжения является интеграция возобновляемых источников энергии и накопителей электроэнергии в состав дизель-генераторных установок. В работах [1-3] показано, что применение ветроэнергетических установок (ВЭУ) в составе гибридных систем позволяет снизить расход топлива и повысить ресурс ДГУ. В работе [4] рассмотрены вопросы моделирования ветроэнергетических установок с синхронными генераторами. В работе [5] представлен опыт эксплуатации ветроэлектростанции в арктических условиях.

Однако в настоящее время в литературных источниках недостаточно освещены вопросы построения систем энергоснабжения АБК с выделенной шиной питания слаботочных потребителей. Существующие работы, как правило, рассматривают либо силовые, либо слаботочные нагрузки по отдельности, не учитывая необходимость их совместного питания от единой гибридной установки. Это является актуальной задачей, особенно для условий Крайнего Севера.

Цель работы является разработка структуры системы энергообеспечения автономного бытового комплекса на базе гибридной ветро-дизельной установки с выделенной шиной питания слаботочных систем.

Материалы и методы исследования

Рисунок 1 – Структурная схема гибридной энергетической установки автономного бытового комплекса

Методологической основой работы является системный анализ структуры энергопотребления автономного бытового комплекса, расположенного в условиях Крайнего Севера. В качестве объекта исследования рассматривается АБК в районе Норильска, включающий четыре двухэтажных здания по три подъезда каждое (всего двенадцать подъездов).

На первом этапе выполнен анализ состава нагрузок АБК с разделением на силовые и слаботочные потребители. Для каждой группы определены характерные мощности, режимы работы и требования к качеству электроэнергии.

На втором этапе проанализированы возможные источники генерации электроэнергии для автономного объекта в условиях Арктики. Рассмотрены дизель-генераторная установка (ДГУ) как основной источник, ветроэнергетическая установка (ВЭУ) как дополнительный источник, а также аккумуляторные батареи (АКБ) в качестве буферного накопителя. Обоснован выбор ВЭУ с учётом ветрового потенциала Норильска.

На третьем этапе предложена двухуровневая система питания, включающая силовую шину переменного тока 220/380 В и выделенную слаботочную шину постоянного тока 12/24 В с DC-DC преобразователем и буферным накопителем.

На четвёртом этапе разработан алгоритм работы гибридной системы, обеспечивающий приоритетное использование энергии ВЭУ, своевременный запуск и останов ДГУ, а также бесперебойное питание слаботочных потребителей.

Результаты исследования и их обсуждение

В результате анализа состава нагрузок автономного бытового комплекса установлено, что силовые потребители имеют суммарную расчётную мощность 80-90 кВт. Наибольший вклад вносят бытовые потребители (70-75 кВт). Система отопления и вентиляции потребляет 5-9 кВт, что включает циркуляционные насосы, вентиляторы и автоматику; нагрев теплоносителя и горячей воды осуществляется от дизельного котла и в электрическую нагрузку не входит. Система водоснабжения потребляет 2-4 кВт, освещение – 3-4 кВт.

Слаботочные потребители включают систему контроля и управления доступом, охранную сигнализацию, видеонаблюдение и сетевое оборудование. Суммарная мощность слаботочных потребителей составляет 1-1,5 кВт, при этом они характеризуются постоянным режимом работы, в отличие от силовых потребителей.

Соотношение мощностей показывает, что слаботочная нагрузка составляет около 1,5-2 % от общей мощности АБК. Однако именно слаботочные потребители предъявляют наиболее высокие требования к стабильности напряжения питания, что обосновывает необходимость их выделения в отдельный уровень.

Таблица 1 – Силовые потребители АБК

Потребитель	Мощность, кВт	Режим работы
Освещение	3-4	Вечер/ночь
Отопление и вентиляция (насосы, вентиляторы, автоматика)	5-9	Зима, постоянно
Водоснабжение	2-4	Периодически
Бытовые потребители	70-75	Неравномерно
Итого	80-92

Таблица 2 – Слаботочные потребители АБК

Потребитель	Мощность на подъезд, Вт	Мощность на 12 подъездов, Вт
Система контроля и управления доступом	20-35	240-420
Сигнализация	15-25	180-300
Видеонаблюдение	25-40	300-480
Сетевое оборудование	15-30	180-360
Итого	75-130	900-1560

На основании анализа ветрового потенциала Норильского промышленного района установлено, что среднегодовая скорость ветра составляет 5-7 м/с, а в зимний период достигает 15-20 м/с. При такой скорости ветра ветроэнергетическая установка номинальной мощностью 50-100 кВт способна покрывать значительную часть электрической нагрузки АБК в периоды активной работы.

Оценка вклада ВЭУ в покрытие нагрузки показала, что при средней скорости ветра 6 м/с и коэффициенте использования установленной мощности 0,25-0,35 выработка ВЭУ мощностью 100 кВт составляет 600-840 кВт·ч в сутки. При суточном потреблении АБК

1920-2160 кВт·ч (80-90 кВт × 24 ч с учётом неравномерности) доля ВЭУ в покрытии нагрузки может достигать 30-40 %.

Таким образом, применение ВЭУ в составе гибридной системы позволяет сократить время работы ДГУ и снизить расход дизельного топлива. При этом ВЭУ не может рассматриваться как единственный источник энергии ввиду нестабильности ветрового режима, что обосновывает необходимость сохранения ДГУ в качестве основного источника и АКБ в качестве буферного накопителя.

8 9

6 0

IM ю о б Д) ^Ш 16.4 12.81 ^М Ц2 8 : 19 1)

^ 119.1 : 25 5)

□ 125 5 : 31 9)

N-E ветров для скорости и направления ветра N

Роза

N-W

Рисунок 2 – Роза ветров

На основе анализа нагрузок и источников генерации предложена двухуровневая система питания автономного бытового комплекса. Структурная схема гибридной энергетической установки представлена на рисунке 1.

В составе гибридной энергетической установки предусмотрена дизель-генераторная установка номинальной мощностью 200 кВт. Выбор данной мощности обусловлен необходимостью покрытия расчётной нагрузки АБК (80-90 кВт) с запасом на пиковые потребления и одновременный заряд аккумуляторной батареи. В качестве дополнительного источника генерации используется ветроэнергетическая установка номинальной мощностью 100 кВт.

Электроэнергия, вырабатываемая ДГУ и ВЭУ, через инвертор поступает на аккумуляторную батарею (АКБ), которая выполняет функцию буферного накопителя. От АКБ питаются обе шины системы:

• -    силовая шина переменного тока 220/380 В, к которой подключены освещение, система отопления и вентиляции (в части насосов, вентиляторов и автоматики), система водоснабжения и бытовые потребители;

• -    слаботочная шина постоянного тока 12/24 В, подключённая через DC-DC преобразователь, к которой подключены система контроля и управления доступом, охранная сигнализация и видеонаблюдение.

Такое построение обеспечивает гальваническую развязку между силовой и слаботочной частями системы. Скачки напряжения, возникающие при запуске ДГУ, переключениях ВЭУ или коммутации мощных бытовых потребителей, не передаются на слаботочную шину, что защищает чувствительное оборудование.

Разработан, на основе [7], алгоритм работы гибридной системы, обеспечивающий приоритетное использование энергии ВЭУ, своевременный запуск ДГУ и защиту дизель-генератора от работы на малой нагрузке. Логика работы алгоритма представлена ниже.

Режим 1 – ветровой. При наличии ветра достаточной скорости ВЭУ покрывает нагрузку АБК, а ДГУ останавливается. Избыточная мощность ВЭУ направляется на заряд АКБ. Данный режим является наиболее экономичным, так как расход дизельного топлива отсутствует.

Режим 2 – безветренный. При отсутствии ветра ДГУ работает непрерывно, покрывая нагрузку АБК и поддерживая заряд АКБ на номинальном уровне. ВЭУ не вырабатывает энергию.

Режим 3 – переходный. При появлении ветра ВЭУ начинает вырабатывать энергию, и ДГУ останавливается. При исчезновении ветра ДГУ запускается вновь. Переключение между режимами осуществляется системой управления по сигналу датчика скорости ветра и датчика заряда АКБ.

Режим 4 – ночной. В ночные часы при снижении потребления ниже заданного уровня ДГУ останавливается, и нагрузка покрывается от АКБ. Это позволяет избежать работы дизель-генератора на малой нагрузке, которая приводит к повышенному износу и снижению ресурса. При снижении уровня заряда АКБ до 40 % ДГУ запускается вновь.

Применение данного алгоритма позволяет сократить время работы ДГУ на неоптимальных режимах, снизить расход дизельного топлива и повысить ресурс дизель-генератора.

Выводы

В работе рассмотрены особенности энергообеспечения автономного бытового комплекса в условиях Крайнего Севера при отсутствии внешней сети. В качестве объекта исследования принят АБК в районе Норильска, включающий 4 двухэтажных здания по 3 подъезда.

Выполнен анализ нагрузок: суммарная мощность силовых потребителей составляет 80-90 кВт, слаботочных (система контроля и управления доступом, сигнализация, видеонаблюдение) – 1-1,5 кВт.

Обоснован выбор источников генерации: дизель-генераторная установка мощностью 200 кВт в качестве основного источника и ветроэнергетическая установка мощностью 100 кВт в качестве дополнительного. Показано, что доля ВЭУ в покрытии нагрузки может достигать 30-40 %, что снижает расход дизельного топлива.

Предложена двухуровневая система питания с силовой шиной 220/380 В и выделенной слаботочной шиной 12/24 В с DC-DC преобразователем, что обеспечивает защиту слаботочного оборудования от скачков напряжения. Разработан алгоритм работы гибридной системы, включающий четыре режима: ветровой, безветренный, переходный и ночной.

Практическая значимость работы заключается в возможности использования предложенных решений при проектировании систем энергообеспечения автономных бытовых комплексов в условиях Крайнего Севера.