Обеспечение бесперебойного электроснабжения высокотехнологичных предприятий

Irina M. Kirpichnikova1, , Sergey S. Shipilov2, ,

Как в мире, так и в России, увеличивается количество высокотехнологичных предприятий, выпускающих инновационную продукцию с использованием новейших технологий, методов, процессов и средств производства. Продукция таких предприятий отличается высокой конкурентоспособностью и поэтому к ней предъявляются повышенные требования [1]. Одно из требований – обеспечение предприятия бесперебойным и качественным электропитанием. Это актуально в том числе и для предприятий, имеющих резервный источник питания на случай аварийных ситуаций и отключений, поскольку простой оборудования или долгий переход на резервное питание может повлечь серьёзные экономические потери.

Данные предприятия могут располагаться как вблизи города или высоковольтной линии электропередачи (ЛЭП), так и на отдалённой территории от них, куда вести данные линии физически невозможно или экономически не целесообразно. В этом случае предлагается два способа реализации обеспечени я указанных производств бесперебойным и постоянным электропитанием.

Рассмотрим вариант расположения предприятия вблизи ЛЭП, которые в основном используются для передачи переменного тока на короткие и дальние расстояния. В большинстве случаев различные предприятия в качестве основного источника питания используют именно их. Электроснабжение высокотехнологичных сетевых объектов осуществляется с использованием передового микропроцессорного оборудования релейной защиты и автоматики, устройствами телемеханики и связи. Данный вид электроснабжения является основным, и вместе с тем он имеет несколько серьёзных недостатков, которые нужно учитывать при работе высокотехнологичных энергоустановок:

• – нестабильность тока по частоте и при изменении напряжения;

  – плановое или внеплановое отключение питания в сети ЛЭП.

Данные недостатки создают некоторые проблемы при питании предприятия только от одного централизованного источника. Для эксплуатации высокотехнологичных объектов требуется существенно сократить время на восстановление электроснабжения, количество отключений и снизить потери электроэнергии. Для таких случаев необходимо предусмотреть переключение объекта на питание от другого (резервного) источника. При этом принципиально важно, чтобы мощность резервных источников покрывала нужды объекта на весь период восстановления электроснабжения.

В качестве резервного источника предлагается использовать местные возобновляемые источники энергии (ВИЭ) [2].

Анализ ветроэнергетического потенциала территории России показал, что среднегодовая скорость ветра составляет 5 м/с, при этом прибрежные районы страны имеют более высокие скорости, чем на материке. Следовательно, использование только ветрогенераторов не сможет обеспечить стабильное энергоснабжение в течение всего года. Выработка энергии от фотоэлектроустановок в среднем по России превышает 500 кВт∙ч в месяц, в период с марта по сентябрь. Остальное время наблюдается серьёзный дефицит энергии [3–5]. В то же время южные районы, характеризующиеся высокой солнечной активностью, имеют невысокие средние скорости ветра.

Это относится к большинству регионов страны, где ветровая и солнечная активности находятся в корреляционной связи (рис. 1а, b)

Следовательно, целесообразно рассмотреть в качестве резервного источника комбинированную ветро-солнечную энергоустановку (ВСУ), которая была бы универсальным источником для многих высокотехнологичных производств [2, 6, 7]. При этом надо понимать, что применение только такой установки не позволит обеспечить предприятие надёжным и стабильным электроснабжением.

Поэтому предлагается вариант автоматизированной системы электроснабжения (АСЭ), включающей в себя питание переменным током от внешней сети и питание от ВСУ в качестве дополнительного источника. При этом система управления должна обеспечивать надежное переключение между этими источниками. В солнечную и ветреную погоду полное или частичное питание предприятия осуществляется от резервного источника, недостаток энергии восполняется энергией от аккумуляторных батарей. При остатке заряда аккумуляторных батарей ниже 30 % происходит совместное питание от ВСУ и внешнего источника.

Питание извне должно осуществляться от двух независимых подстанций с применением надежного коммутационного и технологического оборудования и систем управления.

Применение мультиконтактных коммуникационных систем (МКС), имеющих две независимые контактные группы управления, позволяет изменить конфигурацию сети, повысить надёжность электроснабжения потребителей, снизить период простоя потребителей из-за отсутствия электроэнергии. По данным [8], надёжность электрической сети по показателю сокращения времени аварийных переходов с использованием МКС увеличилась более чем в 7 раз по сравнению с радиальной схемой электроснабжения.

Для такой схемы целесообразно использование внутрицехового электроснабжения, которое представляет собой централизованный мощный трехфазный преобразователь переменного тока в постоянный и такие же индивидуальные преобразователи, и внутрицеховую сеть постоянного тока. Такой вариант будет экономически выгоднее, так как он дешевле и проще полнокомплектных

а)

b)

Рис. 1. Зоны ветровой (а) и солнечной (b) активности на территории России Fig. 1. Zones of wind (a) and solar (b) activity in Russia

преобразователей частоты [9, 10]. Интеллектуальная система энергосбережения, снабжающая мощный централизованный выпрямитель, позволит получить более высокий КПД.

Для повышения надежности работы предлагается использовать блочно-модульную систему [11].

Применение аморфных трансформаторов позволит сократить потери холостого хода в 4–5 раз. Несмотря на то что их стоимость выше, чем у трансформаторов со стальным сердечником, при дистанционном использовании они становятся выгоднее [12, 13].

Решением вопроса снижения потерь может стать применение сверхпроводников высокой температуры в виде кабелей переменного и постоянного тока. Потери в системе можно уменьшить также за счет управляемости в сети при нормальных и аварийных режимах, а ситуационное управление нагрузкой повысит надежность электроснабжения объектов [14].

Предлагаемый вариант схемы электроснабжения показан на рис. 2. Работа схемы происходит следующим образом. Солнечные батареи совместно с ветрогенераторами через управляемый ключ К1

Рис. 2. Совместное использование ВСУ и внешних источников Fig. 2. Joint use of APU and external sources

подают питание на централизованный выпрямитель и одновременно заряжают аккумуляторные батареи (АКБ). Мультикомплексная контакторная система (МКС) обеспечивает постоянное подключение к одному из внешних источников питания.

Аморфный трансформатор понижает высоковольтное напряжение до стандартного 220 В. Централизованный выпрямитель осуществляет преобразование переменного тока в постоянный. Далее постоянный ток либо от ВСУ, либо от выпрямителя поступает в ситуационный блок управления, который в зависимости от нагрузки потребителей дозированно распределяет энергию по ним, а также по команде ЦБУ (центральный блок управления) осуществляет переключение между источниками питания. ЦБУ осуществляет общее управление всей системой. Он следит за количеством энергии, вырабатываемой от ВСУ, зарядом АКБ, постоянством питания от внешних источников, анализирует полученные данные и подаёт команды на включение/отключение ключей К1…К4. Отдельной линией является блок ситуационного управления, который осуществляет совместное питание от ВСУ и внешних источников.

Реализация данной системы позволит обеспечить постоянное и качественное электроснабжение, решить вопросы энергосбережения и полу- чить предприятию экономическую выгоду от реализации данного проекта.

Второй вариант, когда предприятия расположены вне зоны досягаемости ЛЭП. В этом случае основной упор делается на ВИЭ [15]. Как известно, основной проблемой использования возобновляемых источников энергии является их непостоянство во времени, а, следовательно и электроснабжения от них. Поэтому круглогодичное обеспечение бесперебойным электропитанием обеспечивается за счёт увеличения количества солнечных батарей, ветрогенераторов и аккумуляторных батарей, а также максимального снижения потерь на всём участке цепи от источников питания до потребителя. В случае неблагоприятной погоды (штиль, пасмурно) резервное питание должно осуществляться от АКБ. В случае низкого заряда аккумуляторных батарей аварийное питание должно переключиться на дизель-генератор.

Для такой схемы необходим предварительный анализ баз данных внешней среды по солнечной радиации и ветровой активности.

Снижение потерь в линии достигается так же, как и в первой схеме, за счёт применения кабелей постоянного и переменного тока на базе высокотемпературных сверхпроводников и ситуационного управления нагрузкой. [14]. Применение термоэлектрических установок и рекуператоров позво-

Рис. 3. Совместное использование ВСУ с рекуператорами и термоэлектрическими генераторами Fig. 3. Joint use of APU with recuperators and thermoelectric generators

лит экономить и получать дополнительную энергию [15].

Данная схема электроснабжения высокотехнологичных установок с применением ВИЭ целесообразна для небольших предприятий с малыми мощностями. Структурная схема с использованием ВСУ с рекуператорами и термоэлектрическими генераторами показана на рис. 3.

Работа схемы: солнечные батареи совместно с ветрогенераторами через управляемый ключ К1 подают питание на централизованный выпрямитель и одновременно заряжают АКБ.

Постоянный ток либо от ВСу, либо от ди-зель-генератора (аварийный режим) поступает в ситуационный блок управления, который в зависимости от нагрузки потребителей дозировано распределяет энергию по ним, а также по команде ЦБУ осуществляет переключение между источниками питания. ЦБУ осуществляет общее управление всей системой. Он следит за количеством энергии, вырабатываемой ВСУ, зарядом

АКБ, анализирует полученные данные и подаёт команды на включение/отключение ключей К1…К3. Блок ситуационного управления осуществляет совместное питание от ВСУ и внешних источников. Рекуператор и термоэлектрический генератор преобразуют энергию нагретого воздуха от потребителей и термопар в электрическую энергию.

Выводы

Предложенные варианты реализации схемы надежного электроснабжения высокотехнологичных предприятий в виде совместного использования ветро-солнечной установки и внешней сети, а также схемы с использованием ВСУ с рекуператорами и термоэлектрическими генераторами позволят осуществить качественное и бесперебойное электроснабжение предприятий в течение всего года. Это позволит предприятиям полностью исключить простой оборудования и исключить энергетические и экономические потери.