Структурно-схемные решения мобильных энергосистем и алгоритм их работы

Теоретическая часть

В настоящее время динамично развиваются возобновляемые источники энергии (ВИЭ) [1, 2]. Это приведёт к развитию отраслей промышленности, включая электрический транспорт и электроэнергетику, где важное место отводится мобильным энергетическим системам (МЭС), обеспечивающим электроэнергией потребителей, которые находятся в труднодоступных местах, в том числе при проведении аварийно-спасательных и аварийно-восстановительных работ в районах стихийных бедствий и разрушений [3–5]. Кроме того, МЭС, работающие от ВИЭ, могут найти применение в аграрном секторе России для обеспечения энергией автономных потребителей малых фермерских хозяйств, удаленных от внешней энергетической системы, что позволит повысить рентабельность сельскохозяйственного производства [6–8].

Таким образом, сегодня перспективным является направление разработки и внедрения МСЭ, работающих на ВИЭ. По результатам научных исследований в ряде работ [9–12] выделяются три основных варианта построения автономных систем электроснабжения (АСЭ), имеющих в своём составе ВИЭ, которые применяются в регионах децентрализованного электроснабжения:

• 1)    схема, выполненная на базе солнечных батарей (СБ), где в качестве накопителей электроэнергии применяются аккумуляторные батареи (АБ);

• 2)    в составе системы кроме СБ и АБ применяются топливные генераторы электроэнергии (дизельные или бензоэлектростанции);

• 3)    ветродизельные электростанции, где также в качестве накопителя электроэнергии применяются АБ.

Схемы АСЭ, не содержащие ДЭС, выполняются небольшой мощности, как правило, до

• 5 кВт. В случаях с применением ДЭС диапазон мощностей может составлять от единиц до десятков кВт.

В последнее время в составе АСЭ небольшой мощности кроме СБ и АБ начали применяться ветроэнергетические установки (ВЭУ) [13, 14].

Для разработки энергоэффективной МЭС целесообразно рассмотреть структуру и алгоритм работы классических схем АСЭ, работающих на ВИЭ.

На рис. 1 приведена структурная схема АСЭ, содержащая источники электроэнергии: ВСУ, генерирующая трёхфазное напряжение; солнечные батареи (СБ); бензоэлектростанцию (БЭС) и АБ. На рис. 1 показаны также: выпрямитель – В; контроллер заряда – К; инвертор – И; распределительное устройство – РУ; нагрузка – Н.

При подаче питания на автоматическую систему управления (АСУ), которая на рис. 1 не показана, осуществляется запуск АСЭ – ВЭУ и СБ генерируют электроэнергию, в этом режиме происходит заряд АБ через контроллер заряда К, который осуществляет трёхэтапный режим заряда и защищает от перезаряда и глубокого разряда АБ, что позволяет обеспечить ресурс их эксплуатации 10–12 лет. Инвертор И преобразует напряжение постоянного тока в напряжение переменного тока, которое через распределительное устройство РУ прикладывается к нагрузке Н. Когда вырабатываемой мощности ВЭУ и СБ недостаточно для покрытия потребительской нагрузки, то в работу вначале включаются АБ, при их разряде до критического уровня или недостаточной выработки энергии АСЭ в работу включается бензоэлектростанция БЭС.

При такой схеме (классической) преобразования и передачи энергии в нагрузку потери электроэнергии изменяются в пределах 35–40 % [8].

Рис. 1. Структурная схема АСЭ

Fig. 1. Structural diagram of the autonomous power supply system

Рис. 2. Структурная схема АСЭ на обратимом инверторе

Fig. 2. Structural diagram of autonomous power supply system based on reversible inverter

Уменьшить потери электроэнергии можно, если в составе АСЭ применить высокоэффективные инверторы. КПД инверторов типа SMA достигает 96 % [9]. При этом если солнечный и батарейный инверторы SMA соединить по своим выходам, то они образуют внутреннюю сеть переменного тока. Батарейный инвертор управляет энерговыработкой солнечного инвертора с изменением промежуточной частоты преобразования энергии в пределах 2 кГц, что значительно понижает его массу.

Структурная схема такой АСЭ приведена на рис. 2, где обозначено: ОИ – обратимый инвертор, выполняющий функции преобразователя напряжения постоянного тока в переменный и заряда АБ от бензостанции БЭС.

Сетевой солнечный инвертор И преобразует напряжение постоянного тока, вырабатываемого солнечными батареями СБ в переменный. В случае, когда получаемая от СБ солнечная энергия превышает необходимую для нагрузки, то её избыток идёт также на заряд АБ, а при полном их заряде к распределительному устройству РУ может подключаться дополнительная нагрузка.

Выбор одной из рассмотренных схем зависит от требований потребителей к качеству электроэнергии и надежности электроснабжения.

Практическая часть

С учётом проведённого анализа, в том числе эксплуатационно-технических и технико-экономических показателей основных функциональных элементов АСЭ, разработана структурная схема МЭС, обеспечивающей бесперебойное электроснабжение автономных потребителей электроэнергии постоянного и переменного тока, которая приведена на рис. 3. В схему входят: ветроэнергетическая установка роторного типа, генерирующая напряжение постоянного тока – ВЭУ; солнечные и аккумуляторные батареи – СБ и АБ; бензоэлектростанция – БЭС; инвертор с высокочастотным промежуточным преобразованием – И; контроллер заряда АБ – К; балластная нагрузка – БН. На схеме также показаны: Ш1 и Ш2 – шины постоянного и переменного тока; Н1 и Н2 – нагрузка постоянного и переменного тока; АСУ – автоматическая система управления, которая через коммутационные аппараты (на рис. 3 не показаны) осуществляет подключение и отключение функциональных элементов системы, при этом имеет непосредственную связь с контроллером К и контролирует параметры электроэнергии АБ и электростанции в комплексе.

Применение в составе МЭС современных

Рис. 3. Структурная схема мобильной энергосистемы Fig. 3. Structure diagram of the mobile power system

средств автоматизации предполагает разработку алгоритмов её работы. При этом алгоритм работы МСЭ должен учитывать все режимы работы и энергетические параметры, связанные с её функционированием, среди которых:

– пиковая мощность и графики нагрузки потребителей переменного и постоянного тока, включая потребляемую энергию за определенный период (сутки, неделю, сезон);

– мощность ВИЭ: ВЭУ и СБ;

– мощность традиционных источников: АБ и БЭС.

При моделировании работы МЭС на конкретных потребителей электроэнергии необходимо учитывать все ситуации, возникающие при функционировании системы, которые теоретически могут возникнуть, включая случаи недостаточной мощности основных функциональных элементов, к примеру контроллера или инвертора, или отказа некоторых из них.

На рис. 4 приведён алгоритм работы автоматизированной системы управления МЭС, приведённой на рис. 3. АСУ считывает следующие параметры: Р Н – текущее необходимое значение мощности нагрузки переменного и постоянного тока; Р СБ – мощность, вырабатываемую СБ; Р ВЭУ – мощность, вырабатываемую ВЭУ; Р_ВИЭ – суммарную мощность ВИЭ; Р_З – мощность, необходимую для заряда АБ; Р_БЭС – мощность бензоэлектростанции БЭС.

Для описания алгоритма работы введены следующие обозначения:

Р ДИ – мощность, которая требуется для дополнительного источника;

Р БН – мощность балластной нагрузки (см. рис. 3).

Если выполняется условие Р ВИЭ ≥ Р Н + Р З , то резервный источник БЭС отключен, электроснабжение нагрузки осуществляется от ВИЭ. Если же не выполняется это условие, то АСУ запускает

Рис. 4. Алгоритм работы автоматизированной системы управления МЭС Fig. 4. Algorithm of operation of automated mobile power system

БЭС для обеспечения недостающей энергии нагрузке. Если и в этом случае нагрузка будет недополучать энергию, то АСУ будет отключать часть потребителей электроэнергии в порядке установленного ею приоритета или в состав МЭС включается дополнительный источник электроэнергии, условие для его включения:

0 > Р Н – Р ВИЭ – Р БЭС – Р З .                   (1)

После того как произойдёт заряд АБ, т. е. когда РЗ = 0 и выполняется условие РВИЭ ≥ РН, питание нагрузки осуществляется от ВИЭ. Если же это условие не выполняется, то в начале АСУ подключает АБ, а при недополучении энергии нагрузкой включает БЭС, если и в этом случае нагрузка будет недополучать энергию, АСУ отключает часть потребителей электроэнергии в порядке установленного ею приоритета. Условия для включения дополнительного источника электроэнергии:

0 > Р Н – Р ВИЭ – Р БЭС – Р АБ .                  (2)

Когда выполняется условие 0 > РВИЭ – РН – РЗ, то АСУ подключает балластную нагрузку.

Рассмотренный алгоритм работы МСЭ, выполненной на базе ВИЭ, предназначен для работы в тех случаях, когда АБ имеют небольшую ёмкость и применяются в основном для обеспечения бесперебойного электроснабжения потребителей при переходе питания от одного источника к другому. В этом случае основными источниками для нагрузки являются ВИЭ, а резервным – БЭС, недостаток энергии пополняется АБ. Если же увеличить емкость АБ, то алгоритм можно изменить, где функцию резервного источника будет выполнять АБ, и только после её разряда в работу включается БЭС. Выбор одного из двух вариантов зависит от оценки технико-экономических и массогабаритных показателей МЭС.

На практике аппаратная реализация алгоритмов может быть различной. В основном переход к следующей операции происходит при изменении какого-либо параметра (напряжения, тока, мощности). Наличие алгоритма работы МЭС во всех режимах её функционирования позволяет повысить эффективность разработки программного аппарата для прошивки микропроцессора АСУ.

Повысить КПД мобильной станции можно, если СБ подключить к инвертору И, минуя кон- троллер заряда К (пунктирная линия на рис. 3). В этом случае заряд АБ осуществляет ВЭУ. Такой режим работы может быть применён, если более 80 % мощности составляет мощность потребителей электроэнергии переменного тока [15, 16].

Повысить надёжность бесперебойного электроснабжения ответственных потребителей электроэнергии МЭС можно, если вместо традиционного инвертора применить обратимый инвертор, т. е. инвертор, пропускающий потоки энергии в обоих направлениях. В этом случае целесообразно применить ещё одну ВЭУ, генерирующую напряжение переменного тока, подключенную соответственно к шине Ш2 (см. рис. 3).

Оригинальным вариантом структурно-схемного решения МЭС, содержащих ВИЭ, является их построение на базе электромашинного преобразователя электроэнергии (ЭМП). В такой системе источники генерируют напряжение постоянного тока, а электромашинный преобразователь – двигатель постоянного тока (ДПТ), синхронный генератор (СГ) – преобразует постоянный ток в переменный однофазный или трёхфазный. На рис. 5 приведена структурная схема МЭС, выполненная на базе ЭМП. ВЭУ генерирует напряжение постоянного тока, в схеме отсутствуют инверторы.

Сравнивая технические характеристики силовых электронных и электромеханических преобразователей постоянного в переменный ток, можно выделить основные их недостатки и достоинства.

• 1.    В ЭМП осуществляется независимое управление величинами частоты и напряжения, зависящими от параметров нагрузки.

• 2.    В силовых электронных преобразователях частота переменного тока устанавливается задающим генератором АСУ и при сложном характере нагрузки может возникать значительная динамическая нестабильность напряжения.

• 3.    Серьёзной проблемой для работоспособности электронных инверторов является нагрев при работе и необходимость конденсации воздуха.

• 4.    Инвертор слабо держит набросы мощности, отключаясь по действию максимальной защиты, а при коротких замыканиях – требует наличия быстродействующих предохранителей, что может приводить к остановкам в работе. Для ЭМП такие проблемы не возникают.

  

  Рис. 5. Структурная схема МЭС на электромашинном преобразователе

  Fig. 5. Structural diagram of the mobile power system on the electric machine converter

  
  

Для повышения энергоэффективности МЭС, выполненных на базе ВИЭ, необходимо, чтобы основные виды работ, предусмотренных технологическими процессами, проводились в дневное время, за исключением случаев её работы в районах стихийных бедствий и разрушений. Необходимо оптимизировать работу потребителей по времени таким образом, чтобы одновременно были подключены к источникам электроэнергии как можно меньше потребителей, т. е. меньшей суммарной мощностью. Кроме того, в составе потребителей должны применяться энергосберегающие оборудование, как правило, работающее на постоянном токе, к примеру, осветительная нагрузка, электропривод [17, 18].

Результат

• 1.    Приведены структурные схемы эксплуатируемых АСЭ, работающих на ВИЭ, раскрыты особенности их работы.

• 2.    Разработана структурная схема МЭС, обеспечивающая электроснабжение потребителей постоянного и переменного тока.

• 3.    Разработан алгоритм работы АСУ мобильной электростанцией во всех режимах её функционирования.

• 4.    Предложены направления улучшения эксплуатационно-технических характеристик МЭС.

• 5.    Предложена структурная схема МЭС, выполненной на электромашинном преобразователе электроэнергии. Раскрыты преимущества и недостатки МЭС, выполненных на электромашинных преобразователях.

Выводы

Таким образом, результаты выполненного исследования повысят эффективность предпроект-ных работ при разработке энергоэффективных МЭС. Дальнейшие исследования должны быть направлены на изучение электромагнитной совместимости основных функциональных элементов МЭС, оптимизацию её структуры по основным критериям оценки эффективности и разработку программных продуктов для реализации их в АСУ [19, 20].