Оценка надежности электроснабжения сельскохозяйственных потребителей при питании от преобразователя энергии волн

Введение. Электроснабжение предприятий, занимающихся сельским хозяйством, имеет целый ряд особенностей, среди которых можно выделить рассредоточенность небольших по потребляемой мощности потребителей на большой территории, удаленной от системы централизованного электроснабжения. Трудности электроснабжения таких потребителей, расположенных на берегу морей и океанов, связаны, в основном, со значительной удаленностью генерирующих установок и, соответственно, наличием больших потерь в процессе передачи электроэнергии. Экологические аспекты не позволяют строить крупные электростанции в прибрежном районе зачастую из-за того, что он является курортным регионом. Следует отметить, что среди приоритетов государственной энергетической политики Российской Федерации значится переход к экологически чистой и ресурсосберегающей энергетике [1].

Выходом из данной ситуации может быть использование возобновляемых источников энергии, таких как преобразователи энергии волн в электрическую энергию.

В настоящее время существует целый ряд разнообразных технических решений, направленных на получение электрической энергии из энергии волн [2–5]. Все они подразделяются на несколько основных типов:

– преобразователь колеблющегося тела;

– колеблющийся столб воды;

– устройства перелива.

Преобразователи колеблющегося тела – устройства, которые перемещаются в вертикальной или горизонтальной, относительно поверхности воды, плоскости под действием волн. Эти колебательные движения используются для выработки электроэнергии. Среди установок такого типа можно выделить вертикально колеблющиеся устройства, качающиеся устройства, рычажные устройства. Они могут находиться на поверхности и быть полностью или частично погружены под воду. Преимуществами данных устройств являются их определенная универсальность и независимость от места расположения. Однако эффективность преобразования энергии у них относительно небольшая. Кроме того, существуют проблемы с закреплением таких устройств.

Колеблющийся столб воды – устройства, которые включают в себя частично погруженную под воду камеру, имеющую открытую часть снизу. В такой камере над столбом воды имеется столб воздуха. Под действием волн вода в камере перемещается, воздействуя при этом на столб воздуха. Движущийся воздух вращает установленную турбину, вырабатывающую электроэнергию. Эти устройства довольно просты и надежны в эксплуатации. Для повышения эффективности таких устройств необходима сложная система управления.

Резервуар устройства перелива находится выше уровня поверхности воды. За счет набегающих волн он наполняется, обратно в море вода возвращается проходя через турбину, генерирующую электрическую энергию. Принцип работы этих устройств довольно прост. К недостаткам относят низкую производительность, а также большие размеры таких устройств.

Параметры волн Азово-Черноморского региона рассмотрены в целом ряде работ [6–8], в том числе с использованием имитационного моделирования [9–15]. В холодное время года высота наблюдаемых в регионе волн максимальна, весной и летом – минимальна. В январе высота волн достигает значений 4–5 м, а фазовая скорость 6–8 м/с. В мае эти параметры равны 2–2,5 м и 4–5 м/с, соответственно [8]. Наиболее часто наблюдаются волны высотой 0,5 м и ниже.

Повторяемость таких волн составляет 70– 96% [6]. Среди моделей, используемых для математического описания волн, можно выделить WAM [9], WAVEWATCH [10], TOMAWAC [11], SWAN [12] и CREST [13]. Исходной информацией для этих моделей являются данные, регистрируемые метеорологическими станциями и спутниками [14, 15].

Методика исследований.

Основными компонентами рассматриваемого преобразователя энергии волн в электрическую энергию являются турбина, редуктор и электрический генератор. Они соединены последовательно, с точки зрения теории надежности (рисунок 1).

Рассмотрим генерирующее устройство, состоящее из восьми преобразователей энергии волн, собранных в две группы по четыре штуки. Для накопления выработанной энергии используются аккумуляторные батареи, для её преобразования – инвертор и трансформатор (рисунок 1).

В случае, если генерирующее устройство по каким-то причинам не может снабжать потребителя электроэнергией, будь то отсутствие волнения на море или отказ какой-либо из компонент устройства, потребитель подключается к общей энергосети.

В работе рассматривается семь возможных ситуаций, не приводящих к прекращению подачи электроэнергии потребителю (рисунок 2):

А – потребитель питается от генерирующего устройства;

Б – преобразователь энергии волн 1 отказал в момент времени τ , аккумуляторная батарея 3–1 отказала в момент времени ξ , в оставшееся время t–ξ потребитель питается от общей энергосети;

Т – турбина; Р – редуктор; Г – генератор; А – аккумуляторная батарея; И – инвертор;

Тр – трансформатор; П – потребитель; С – общая энергосистема

Рисунок 1 – Блок-схема системы электроснабжения потребителя от генерирующего устройства и централизованной энергосистемы

T – turbine; P – reducer; Г – generator; A – rechargeable battery; И – inverter; Тр – transformer;

П – consumer; C – common electric system

Figure 1 – Block diagram of the consumer's electrical supply system from the generating device and the centralized power system

В – преобразователь энергии волн 2 отказал в момент времени τ , аккумуляторная батарея 3–2 отказала в момент времени ξ, в оставшееся время t –ξ потребитель питается от общей энергосети;

Г – аккумуляторная батарея 3–1 отказала в момент времени τ , в оставшееся время t–τ потребитель питается от общей энергосети;

Д – аккумуляторная батарея 3–2 отказала в момент времени τ , в оставшееся время t–τ потребитель питается от общей энергосети;

Е – инвертор 4 отказал в момент времени τ , в оставшееся время t–τ потребитель питается от общей энергосети;

Ж – трансформатор 5 отказал в момент времени τ , в оставшееся время t–τ потребитель питается от общей энергосети.

t =0             τ              ξ               t

1                                                                            1                                                                            1 1                                              1                    .                       1				1 д
	1	I
1__________7
λ1
		λ3-1
	1		λ II	Б
λ2	1___________________			1
		λ3-2
			λ II	В
	Лз-І
	1		λ II	Г
	/^3-2
	1		λ II	Д
				1
	Л4	1________________
			λ II	Е
	л5
	1	1	λ II	Ж

λ i – интенсивность отказов i -той компоненты преобразователя энергии волн Рисунок 2 – График функционирования системы электроснабжения потребителя

λi – the failure rate of the i -th component of the wave energy converter Figure 2 – Schedule of operation of the consumer's electrical supply system

Считаем, что закон распределения времени наработки до отказа компонент преобразователя энергии волн экспоненциальный. Вероятность гипотез можно записать в следующем виде:

P a ( ' ) = P , ( t ) = e-"' t ;

P ( ' ) = J / 1 ( t ) } f ,-i ( ? ) P i ( t - S ) d S d t = .   ""  ^3-1 .   [ e -' ⁽ " 1 ⁺" ' ) -1}

0     T                          " 1 I" 3-1 ^-"_n

[ e ^- ' ⁽" 2 ⁺" з - 2 ) - 1 ].

V

^PB ⁽ ' ) = f f 2 ^(т ) І f 3-2 < - > ^P II⁽ ' ^- - ) d ? d ^T = 7--- " 2 " ^{3 - 2}

0      t                        "₂ + "з_2 —

Р г ( ' ) = f / 3-1 ( t ) P ( ' - ^ T = ■ "_;‘   [ e ¹ - e ^' t ]

0                           " _:I    "  3-1

Р д ( ' ) = If 3-2 ( t ) P i ( ' - § ) d T = . "\²   [ e ' - e -"" ]

0                       "_n "  3-2

Ре (') = ff4(t)P„('  -Idt"'   [e' - e' ]

⁰                  "_n^-" 4

Р ж ( ' ) = f / 5 ( t ) P , ( ' - § ) d T = z-'v- [ e - e ”"" ' ]

⁰                   "_n^-" ₅

где Pz (') = e "■' - вероятность безотказной работы генерирующего устройства в момент времени t; /1 (т) = "1 e "1T;

f 2 ( t ) = "  2 e ""^{2 T} ;        / 3 - 1 ( t ) = "  3 - 1 e ^— ' ^{3 —}" ;

f , - 2 ( t ) = " 3 - 2 e ^-" ^{3 - 2 T} ;       f , ( t ) =" - e -" ^{4 T} ;

f5 (t) = "5e "5T - частота отказов преобразователя энергии волн 1 и 2, аккумуляторной батареи 3–1 и 3–2, инвертора 4, трансформатора 5, соответственно, в момент времени  τ;

f 3 - ( S ) =" з — 1 e     ;

/з- 2 6) = X₃_2 ^е ^ — частота отказов аккумуляторной батареи 3–1 и 3–2, соответственно, в момент времени ξ ; P ( t -)= = e ⁽ t ^—^ - вероятность безотказной работы общей энергосистемы на промежутке времени t –ξ .

Значения интенсивностей отказов компонент преобразователя энергии волн были взяты на основании статистических данных, представленных в опубликованных ранее работах, и равны:

X турбина = 0,5248 ' 10 "‘У [16];

X редуктор = 0,5818 '10"61Ч [16];

X генератор = 0,132 '^^Уч

(электрическая машина постоянного тока)[17];

X        =X.,=X.,= 0,00754 ' 10 - 6 ¹

аккумулятор      3—1      3 - 2       ,                  у 4

( свинцово-кислотный аккумулятор) [17];

X инвертор =X 4 = 7,6 - 10 ^-6^ Ч [18];

X

трансформатор

= X₅ = 0,014 ' 10 ^{— 6} У 5^,                  _ч

(трансформатор питания) [17].

Как известно, надежность электроснабжения потребителей оценивается по показателям SAIDI и SAIFI, где SAIDI – это показатель, равный средней продолжительности перерывов в электроснабжении на одного потребителя в год или отношению общей продолжительности ежегодных перерывов в работе системы к общему количеству потребителей, а SAIFI – это показатель, равный среднему количеству перерывов в электроснабжении на одного потребителя в год или отношению количества ежегодных перерывов в работе системы к общему количеству потребителей. По состоянию на 2020 год эти показатели у ПАО «Россети» составили 0,61 часа и 0,41 шт., соответственно [19]. Ввиду отсутствия данных об интенсивности отказов общей энергосистемы для определения этого параметра были взяты статистические данные для синхронной электрической машины переменного тока [17]:

х = Х_ТТ = 0,0004632-10^{— 6} у.

энергосистемы II ^,^^^ у 4 ’

Результаты исследований и их обсуждение. На основании приведенных выше значений были найдены следующие интенсивности отказов компонент для промежутков времени: t = 8760; 26280; 43800; 87600 часов, что составляет 1, 3, 5 и 10 лет, соответственно:

X, =Х₂ = 1,5482 ' 10 ^{- 12} ;4,0032 - 10 ^— 11 ;1,7752 - 10 ^{— 10} ;1,2761 - 10 ^{— 9} У ;

12                           ч

X_T = 7,614 - 10 ^{— 6} ;7,6140015 • 10 ^{— 6} ;7,6140026 - 10 ^{— 6} ;7,6140068 - 10 —⁶ У.

1       7                 7  7                           7  7                           7  7                            / Ч

Вероятность непрерывного электроснабжения потребителя составит:

P ( t ) = P_A ( t ) + Р б ( t ) + Р в ( t ) + P r ( t ) + Р д ( t ) + Р е ( t ) + Р ж ( t ) .

Вероятность Р ( t ) практически равна 1 независимо от рассматриваемого промежутка времени, что связано с высокой надежностью общей энергосистемы как резервного источника питания для потребителя.

Интерес представляет рассмотрение каждой гипотезы по отдельности с целью выявления наиболее вероятной причины прекращения электроснабжения потребителя с последующим составлением рекомендаций по повышению надежности. Зависимости вероятностей гипотез от времени представлены на рисунке 3.

Дополнительная     вертикальная     ось добавлена                         для построения зависимостей гипотез Г, Д, Ж от времени.

вероятности

0,9

0,8

0,7

к 0,6

It0,5

£ 0,4

Е

0,3

0,2

0,1

P(А) P(Б) P(В) P(Е) P(Г) P(Д) P(Ж)

I 0,005

1 0,935 0 0 0,064 0,00006605 0,00006605 0,0001226

0,819

0,181 0,0001981 0,0001981 0,0003679

5 0,716

0,283 0,0003302 0,0003302 0,000613

10      Время t , год

_0,513    Time t , year

0,486

0,0006603

0,0006603

0,001226

Рисунок 3 – Зависимость вероятности гипотез Р от времени t

Figure 3 – Dependence of the probability of hypotheses P on time t

Анализ результатов моделирования для рассматриваемых промежутков времени показывает, что на надежность электроснабжения потребителя от генерирующего устройства значительное влияние оказывает инвертор. Это является следствием того, что интенсивность его отказов максимальна среди компонент устройства. С увеличением срока эксплуатации устройства именно рост вероятности отказа инвертора негативно влияет на показатели надежности работы всего генерирующего устройства.

Для рассматриваемых промежутков времени вероятность отказа компонент 1 и 2, состоящих из 4 блоков турбина – редуктор – генератор каждый, с последующим отказом аккумуляторной батареи, равна 0. Вероятность отказа аккумуляторных батарей и трансформатора незначительна.

Выводы. Непрерывность и бесперебойность подачи электроэнергии являются ключевыми факторами в обеспечении надежности электроснабжения сельскохозяйственных потребителей. В прибрежных районах, которые зачастую удалены от сетей централизованного электроснабжения, существует проблема в удовлетворении растущих потребностей в электроэнергии.

В большинстве своем такие районы являются курортами или природоохранными зонами, что ограничивает строительство там крупных электростанций на органическом топливе. Решить эту задачу может использование возобновляемых источников энергии. Длина береговой линии Республики Крым составляет более 2500 км, что делает использование преобразователей энергии волн в регионе довольно перспективным. Рассмотрено генерирующее устройство, состоящее из восьми преобразователей энергии волн, соединенных в две группы по четыре штуки, двух аккумуляторов, инвертора и трансформатора. Резервным источником электроэнергии является централизованная энергосистема. Проанализированы семь возможных ситуаций, которые могут привести к прекращению электроснабжения потребителей. Рассчитаны вероятности возникновения этих ситуаций.