Алгоритм рационального формирования режимов энергопреобразования в ветродизельной электроэнергетической системе

Управление режимами В ДЭС должно быть оптимальным, т. е. дающим наилучший технико-экономический эффект в условиях действия противоречивых факторов. Для системы ВДЭС как объекта управления характерны наличия большого числа сложных прямых и обратных связей между многочисленными ее элементами и целевая направленность процесса функционирования.

Ниже представлен предлагаемый алгоритм управления режимами работы ВДЭС. Разработка алгоритма управления ВДЭС проводилась с учетом следующих ограничений:

• 1. Установленная номинальная мощность рабочих дизельгенераторов электростанции должна обеспечивать покрытие максимальной нагрузки потребителя Р_н тах
• 2. Запас энергии в буферном накопителе W_EH3 должен обеспечивать покрытие максимальной электрической нагрузки на время переключения основных энергоисточников ДЭС и ВЭУ Ј_пер

Минимальная величина времени переключения определяется временем пуска и вывода на номинальный режим дизельного двигателя и составляет в зависимости от его типоразмера от нескольких секунд до минут. Рациональная величина Ј_пер зависит от характера изменения суточного графика нагрузки, распределения скоростей ветра, установленных мощностей ВЭУ и ДГ, может составлять до нескольких часов и определяется на основании технико-экономических расчетов.

Выполнение условий необходимо для обеспечения, гарантированного электроснабжения потребителей.

• 3. Максимальная глубина разряда аккумуляторных батарей не должна превышать 70% от их номинальной емкости:
• 4. Зарядный ток (зарядная мощность) АБ не должен превышать 10% от их номинальной емкости:
• 5. Разрядный ток (разрядная мощность) АБ не должен превышать 25% от их номинальной емкости:

Выполнение условий 3−5 необходимо для продления эксплуатационного ресурса аккумуляторов.

Выполнение ограничений 1 — 5 является обязательным. Однако, для достижения максимальной энергетической эффективности ВДЭС алгоритм управления режимами комплекса должен реализовывать следующие дополнительные функции:

• 6. Максимальное полезное использование энергии, вырабатываемой ВЭС.
• 7. Обеспечивать загрузку дизельного двигателя в продолжительных режимах на уровне 80 — 90% от его номинальной мощности.
• 8. Не допускать частых включений (отключений) дизеля и его режимов работы на малых нагрузках.

Выполнение условия 6 обеспечит максимальное замещение энергии, вырабатываемой ДЭС, энергией ВЭС, а, следовательно, и максимальную экономию дорогостоящего дизельного топлива. Выполнение условия 6 достигается рациональным выбором установленных мощностей ВЭС и БНЭ с учетом имеющегося ветрового режима и характера нагрузки.

Выполнение условий 7−8 обеспечивает увеличение эксплуатационного ресурса дизельного двигателя, а соответственно, и надежности электроснабжения потребителей.

Разработанный алгоритм управления режимами ВДЭС представлен. Здесь приняты следующие обозначения:

— Waб, Жаб — текущая и номинальная (полная) энергия аккумуляторных батарей, соответственно, Втч;

В логику работы предлагаемого алгоритма управления режимами ВДЭС положены два основных принципа: максимальное полезное использование энергии, генерируемой ВЭС и минимизация числа часов работы ДЭС. Для практической реализации алгоритма управления необходим постоянный контроль за запасом энергии в буферном накопителе и текущими значениями генерируемой, потребляемой и аккумулируемой мощностями. Кроме того, ДЭС должна быть выполнена по третьей степени автоматизации, обеспечивающей дистанционный автоматический запуск и останов дизельного двигателя.

Интеллектуальная система управления ВДЭС обеспечивает постоянное распределение потоков энергии в замкнутой энергетической системе в зависимости от ее текущего состояния. С точки зрения управления режим работы станции определяется соотношением текущих значений мощности, генерируемой ВЭС и потребляемой нагрузкой. Возможны два основных режима:

• 1 Выходная мощность ВЭС больше потребляемой активной мощности нагрузки. В этом режиме потребитель полностью обеспечивается энергией от ВЭС. Излишки вырабатываемой ВЭС мощности направляются на заряд аккумуляторных батарей, а в случаях, когда они превышают максимальную зарядную мощность АБ, избыток энергии рассеивается на балластных сопротивлениях.
• 2. Выходная мощность ВЭС меньше потребляемой активной мощности нагрузки. В этом режиме СУ определяет недостаток мощности, необходимой потребителю, и производит оценку возможности ее получения из БНЭ. Если необходимая в текущем режиме разрядная мощность накопителя не превышает предельно допустимых значений, то покрытие электрической нагрузки ВДЭС производится за счет мощности ВЭС и разрядной мощности АБ. В противном случае СУ формирует управляющий сигнал на запуск дизельного двигателя, и покрытие электрической нагрузки производится совместными усилиями ВЭС и ДЭС, которые, кроме этого, обеспечивают заряд АБ.

Во всех рабочих режимах производится контроль за остаточной емкостью АБ. Если остаточная емкость АБ достигает номинального значения, подается сигнал на останов ДД, если остаточная емкость АБ составляет менее 30% от ее номинальной (полной) емкости подается сигнал на запуск ДД.

С целью минимизации тяжелых, с точки зрения эксплуатационного ресурса, режимов пуска дизелей логика управления ВДЭС организована таким образом, что после запуска ДЭС она остается в работе до полного заряда аккумуляторных батарей, обеспечивая ее постоянную подзарядку оптимальным зарядным током.

В качестве примера на рисунке представлен суточный режим работы ВДЭС, построенной на базе дизель-генератора номинальной мощностью 15 кВт, ВЭС мощностью 50 кВт и буферного накопителя из 40 аккумуляторов с суммарной запасенной энергией 90 кВт-ч.

Представленный график получен по результатам имитационного математического моделирования автономной системы электроснабжения.

Характеристиками суточного рабочего режима ВДЭС являются временные зависимости запаса электроэнергии в аккумуляторах W/&, потребляемой мощности Р_н, генерируемой мощностями ветровой Рвэу и дизельной Рдэс электростанциями.

На рис представлены характерные режимы ВДЭС. В течение временного интервала от 0 до 7 часов текущая мощность нагрузки покрывается за счет мощности, генерируемой ветроэнергетической установкой Рвэу и разрядной мощности аккумуляторных батарей Р_р аб буферного накопителя. С 7 до 17 часов произошел запуск ДЭС, которая совместно с ВЭС обеспечивает питание нагрузки и одновременно заряд аккумуляторов — /дэс+^вэу⁼Лі⁺ ^з_абПри достижении запаса энергии в БНЭ номинального значения, дизельная электростанция отключается и оставшуюся часть суток с 17 до 24 часов нагрузка запитывается от АБ и ВЭС.

Проведенные исследования доказывают, что использование в составе ВДЭС буферных накопителей энергии позволяет повысить коэффициент полезного использования ВЭУ за счет запаса энергии в накопителе в режимах превышения выходной мощности ВЭУ над потребляемой нагрузкой, а также значительно улучшить эксплуатационные режимы дизельных двигателей. Ключевым вопросом при проектировании ВДЭС с буферной системой накопления энергии является решение вопроса об оптимальной емкости накопителя.

Методика выбора оптимального варианта построения ВДЭС основана на расчете и сравнительном анализе энергетических характеристик автономной электростанции, предназначенной для электроснабжения конкретного потребителя с географической привязкой к месту ее размещения. Применение такого подхода обосновано тем, что энергетическая эффективность ВДЭС зависит от множества технических (распределение скоростей ветра в месте установки электростанции, характер электрической нагрузки, типоразмер ДГ и ВЭУ) и экономических (стоимость дизельного топлива, ДГ, ВЭУ, аккумуляторных батарей) факторов.

Улучшение энергетических характеристик ВДЭС достигается за счет рационального выбора установленных мощностей генерирующих и аккумулирующих источников, определяемых параметрами ветрового режима в месте размещения электростанции и графиком электрической нагрузки потребителя, а также оптимального управления потоками энергии в замкнутой энергетической системе, которое обеспечивает единая система управления рабочими режимами. Так как рациональное соотношение установленных мощностей ДЭС, ВЭУ и БНЭ не является типовым, а определяется индивидуально для каждой ВДЭС с учетом конкретных условий ее размещения и эксплуатации, в качестве критерия выбора основного силового оборудования целесообразно использовать технико-экономические показатели.