Повышение энергетической эффективности гибридной системы электроснабжения с применением регулируемой балластной нагрузки

Автоматизация эффективного электроснабжения автономных потребителей является важным направлением развития комфортности проживания населения. Стоимость доставки энергоресурсов в районы и области децентрализованного электроснабжения значительно повышает его себестоимость, заставляя использовать местные энергетические ресурсы — проще всего ветровые, в силу их универсальности и экономичности полезного использования [53]. Проведенные исследования показали, что наиболее выгодно использовать для электроснабжения автономного потребителя систему ВДЭС. Как известно, существует проблема выработки электроэнергии, которая зависит от ветрового потенциала в месте размещения электростанции, также существуют проблемы, связанные с утилизацией этой энергии из-за несовпадения графиков нагрузки потребителей и ветровых условий. Утилизировать излишки электроэнергии возможно с помощью аккумуляторных батарей, однако это не решает задачу полностью — зарядный ток аккумулятора ограничен и часть «лишней» энергии не используется.

Большая инерционность процессов запаса и отдачи энергии накопительными устройствами, построенными на базе аккумуляторных батарей, не позволяет также полезно использовать электроэнергию, генерируемую ВЭС при порывах ветра. Решение данной проблемы может осуществляться различными способами, например, использованием в качестве накопителей электроэнергии супер конденсаторов или гибридных накопительных устройств на основе сочетания АБ и электрических конденсаторов большой удельной емкости. Данный способ весьма перспективен, однако он требует значительного усложнения системы управления ВДЭС, к тому же высокая стоимость супер конденсаторов существенно ограничивает их практическое применение.

Более экономичный вариант построения ВДЭС предусматривает включение в состав электростанции регулируемой балластной нагрузки, обычно представляющей собой простые нагревательные элементы, которые можно использовать для горячего водоснабжения, отопления и опыт эксплуатации систем автономного электроснабжения в бытовых и сельскохозяйственных секторах показывает, что на тепловые нужды расходуется до 65 — 70% от общего потребления электроэнергии.

Другой причиной неполного полезного использования ветровой энергии является ограниченная (по рассмотренным выше техническим и экономическим причинам) емкость аккумуляторных батарей. Применим вероятностный анализ для установления соотношения между генерируемой и потребляемой мощностью типовой ВЭС.

Проведенные в ходе работы исследования показывают, что графики распределения нагрузки различных автономных энергосистем отличаются не столько формой, сколько уровнем максимальной нагрузки, то же касается распределения скоростей ветра. На рисунке 3.4 представлены рассчитанные типовые плотности распределения величины электрической нагрузки р (Р?) автономного потребителя.

На рисунке представлено типовое распределение скорости ветра p (V) по функции Вейбулла, которое определяется двумя параметрами, известными как масштабный параметр скорости с и параметр формы кривой распределения к, значение которого, по данным большинства метеостанций РФ, изменяется в пределах от 1 до 2.

Наиболее важным техническим параметром ВЭУ является рабочая характеристика, которая представляет собой зависимость развиваемой ветроустановкой мощности от скорости ветра. Анализ рабочих характеристик ВЭУ малой мощности различных типоразмеров показывает, что вид рабочей характеристики остается практически неизменным, меняются только показатель номинальной мощности ВЭУ.

На рисунке представлена обобщенная рабочая характеристика ВЭУ малой мощности, полученная автором в результате статистической обработки реальных технических характеристик 60 ветроустановок, мощностью от 1,0 до 100 кВт.

Если рассматривать представленные на рис. 3.5, 3.6 характеристики с точки зрения математической статистики, то можно считать, что скорость ветра V представляет собой случайную величину, а выходная мощность ВЭУ Рвэу является постоянным коэффициентом для соответствующей скорости ветра. Используя теоремы теории вероятности, получим выражение для определения плотности распределения вырабатываемой мощности ВЭУ.

Анализ зависимостей, приведенных на рис, наглядно показывает, что плотность распределения вырабатываемой и потребляемых мощностей ВЭС, работающей на автономного потребителя существенно различаются. Из графиков следует, что при выборе установленной мощности ВЭУ, равной максимальной мощности электрической нагрузки, она не в состоянии полностью обеспечить потребителя электрической энергией. При этом в изолированной энергетической системе неизбежны достаточно длительные временные интервалы дефицита мощности, для покрытия которых необходим гарантированный источник питания, которым обычно является ДЭС.

Повышение установленной мощности ВЭУ позволяет уменьшить, и даже полностью компенсировать дефицит мощности в изолированной энергетической системе, однако при этом неизбежно появления режимов профицита мощности, генерируемой ВЭС.

На рисунке 3.8 представлены совмещенные типовые вероятностные графики плотности распределения величины электрической нагрузки и вырабатываемой мощности ВЭУ, построенные для различных соотношений между установленной мощностью ВЭУ и максимальной нагрузкой:

Анализируя выше представленные графики можно сделать вывод, что в любой изолированной энергетической системе на базе ВЭУ, обеспечивающей электроэнергией автономного потребителя, будет существовать избыток вырабатываемой энергии, часть из которой можно сохранить в АБ, а часть останется неиспользуемой.

В качестве тестового примера была рассмотрена возможность установки ВЭУ, с известными данными о распределении скоростей ветра и графиках электрических нагрузок потребителя. Для полноты исследований при проведении энергетического анализа в составе ВДЭС предусматривалось применение аккумуляторных батарей, полной емкостью 200 А-ч, которые позволяют утилизировать часть «излишков энергии», генерируемой ВЭУ.

Результаты расчетов свидетельствуют о том, что для обеспечения рационального энергетического баланса в автономной ВДЭС, а соответственно повышения ее энергетической эффективности, необходимо тщательным образом согласовывать установленную мощность ДЭС, ВЭУ и АБ с учетом ветровых условий в месте размещения электростанции и прогнозного графика электрических нагрузок. Тем не менее, даже при рационально выбранной схеме ВДЭС остаются излишки генерируемой ВЭУ электроэнергии, которые невозможно полностью утилизировать с помощью накопителей энергии, построенных на базе АБ.

Следовательно, любая автономная ВДЭС должна содержать в своем составе регулируемую балластную нагрузку, необходимую для согласования режимов производства и потребления энергии в режимах превышения мощности, вырабатываемой ВЭУ над текущей мощностью нагрузки.

Применение регулируемой балластной нагрузки в ВДЭС, работающей на автономного потребителя, в настоящее время является общепринятым [33], и алгоритм управления режимами электростанции, представленный в п. 3.2 настоящей работы, разрабатывался с учетом обозначенных выше положений.

Однако, возможности балластного регулирования могут быть существенно расширены за счет применения нестандартных алгоритмов управления. Основными недостатками алгоритма управления являются:

• 1. Режим заряда аккумуляторных батарей не является оптимальным, что существенно сокращает срок службы аккумуляторов;
• 2. Дизель-генераторная установка работает с переменной нагрузкой, что способствует уменьшению эксплуатационного ресурса дизельного двигателя.

Для оптимизации энергетического баланса ВДЭС необходимо построить такой алгоритм управления рабочими режимами автономной энергетической системы, который не только бы обеспечивал максимально полезное использование энергии ветра, но и регулировал работу основных энергетических компонентов системы с целью обеспечения максимальной экономии топлива и увеличения ресурса силового оборудования.

Как известно, эксплуатационный ресурс ДЭС мощностью до 100 кВт составляет от 10 000 до 20 000 моточасов, что значительно меньше срока службы ВЭУ. Кроме того, существует ряд негативных последствий длительной работы дизель-генераторов в режиме малых нагрузок, из которых можно выделить нестабильность рабочего режима дизельного двигателя, характеризуемая усиленным износом его компонентов, приводящих к снижению общего моторесурса. Режим малых нагрузок характеризуется также большим удельным потреблением топлива, обусловленным неточностью его дозирования и плохим распылением при малых расходах. Для максимального использования моторесурса ДЭС с минимальным удельным расходом топлива необходимо обеспечить неизменную загрузку дизельного двигателя на уровне 90% от номинальной.

Число рабочих циклов аккумуляторных батарей во многом определяется используемыми режимами их заряда/разряда. Для максимально эффективного использования аккумуляторов необходимо обеспечить двухуровневый режим их заряда по методу ток-напряжение, а разрядный ток не должен превышать определенной величины, обычно 25% от их полной емкости.

С учетом приведенных выше положений автором разработан усовершенствованный алгоритм управления рабочими режимами автономной ВДЭС, в котором регулируемая балластная нагрузка используется не только для согласования режимов производства и потребления энергии, но и обеспечивает эффективные режимы эксплуатации ДЭС и АБ.

Система управления (СУ) формирует управляющий сигнал на выпрямительно-зарядное устройство, обеспечивая оптимальный режим заряда АБ.

Как и в рассмотренном выше алгоритме управления, силовые агрегаты ДЭС переводятся в рабочее состояние при снижении остаточной емкости аккумуляторных батарей Саб ниже некоторого порогового значения (обычно не менее 30% от полной емкости) и остаются в работе до полного заряда аккумуляторов, после чего система управления формирует сигнал на отключение ДЭС.

Однако, в отличие от ранее предложенного алгоритма, в данном случае система управления во всех возможных рабочих режимах обеспечивает оптимальный режим заряда аккумуляторных батарей и неизменную загрузку дизель-генераторов на уровне 90% от их номинальной мощности. Обеспечение энергетического баланса между генерируемой и потребляемой мощностью во всех режимах работы ВДЭС осуществляется с помощью регулируемой балластной нагрузки.

Необходимо отметить, что при реализации такой стратегии управления на балластных сопротивлениях будет рассеиваться большее количество энергии в сравнении с ранее предложенным алгоритмом, что потребует некоторого увеличения общего числа часов работы силовых агрегатов ДЭС. Но, при этом, обеспечивается наиболее эффективный режим эксплуатации основного генерирующего оборудования, что будет способствовать повышению его срока службы.

При использовании усовершенствованного алгоритма управления номинальная мощность рабочих дизель-генераторов электростанции Рц_дэс должна обеспечивать покрытие максимальной нагрузки потребителя Р_и тах и необходимой зарядной мощности АБ Р₃.

С учетом того, что генераторы ДЭС во всех рабочих режимах должны быть загружены на 90% от их номинальной мощности, а максимальная зарядная мощность АБ не должна превышать 10% от их полной мощности Раб, для выбора установленной мощности генераторов ДЭС необходимо использовать следующее выражение:

Важным вопросом проектирования ВДЭС с предлагаемым алгоритмом управления является выбор необходимой мощности балластной нагрузки Р_Бн, величина которой в данном случае выбирается как большее по двум условиям:

Выполнение первого условия необходимо для утилизации энергии, вырабатываемой ВЭУ при отсутствии электрической нагрузки, выполнение второго условия обеспечит оптимальную нагрузку дизельгенераторов ДЭС при минимальной нагрузке электростанции.

Для моделирования использовалась ВДЭС, построенная на базе дизель-генератора номинальной мощностью 20 кВт, ВЭС мощностью 50 кВт и буферного накопителя из 40 аккумуляторов с суммарной запасенной энергией 90 кВт-ч.

Из представленного графика хорошо видно, что предложенный алгоритм управления обеспечивает оптимальные режимы эксплуатации ДЭС: в течение временного интервала с 4 до 13 часов дизель-генератор работает на неизменную нагрузку, составляющую 90% от его номинальной мощности, в остальную часть суток он выведен из работы. Для заряда аккумуляторов используется двухуровневый режим заряда, а их разрядный ток не превышает 25% от их полной емкости.

Принятые меры обеспечивают максимально эффективное использование основного генерирующего оборудования ВДЭС, что способствует увеличению его срока службы, однако это достигается за счет значительно большего рассеивания энергии на балластных сопротивлениях.

Из представленного на рис графика видно, что в течение временного интервала от 6 до 24 часов генерируемой мощности ВЭС вполне достаточно для полного покрытия электрической нагрузки потребителя, однако большая часть энергии, генерируемой в это время ДЭС и ВЭС, расходуется на питание балластной нагрузки.

Проведенный сравнительный анализ рабочих режимов ВДЭС с предложенными алгоритмами управления показывает, что в большинстве практических случаев использование первого алгоритма управления является более предпочтительным, ввиду значительно меньших потерь энергии и более экономичного расхода топлива ДЭС. Однако, ВДЭС со вторым алгоритмом управления могут оказаться конкурентоспособными в системах электроснабжения, в которых большая часть электроэнергии используется на отопление и горячее водоснабжение.

В подобных системах может оказаться целесообразным размещать балластные сопротивления непосредственно у потребителя, исключив таким образом нагревательную нагрузку из состава полезной.

На рисунке представлена структурная схема ВДЭС для автономного электроснабжения с распределенной балластной нагрузкой у потребителей.

Надо отметить, что для принятия решения о выборе системы с полезным использованием балластной нагрузки, необходимо: рассчитать затраты на монтаж системы отопления (которые могут быть достаточно дорогостоящими). В традиционной отопительной системе, как правило, источником тепла является вода, и в ее составе предусматривается использование следующего оборудования: водогрейный котел, обвязка котла; автоматика; циркуляционный насос; расширительный бак; отопительные приборы и т. п.

При бесперебойной подаче электроэнергии водяную систему отопления можно заменить прямой электрической, что реализуется гораздо проще. В домах с электроотоплением важным фактором является возможность простого обеспечения экономичного режима работы отопительной системы, т. е. возможность устанавливать рациональную температуру в отсутствие жильцов.

Также важным условием, при выборе типа отопительной системы, является наличие в данной местности источника тепловой энергии. Этот источник должен располагаться не слишком далеко от жилого дома и быть доступным.

Как известно расчет потребления теплоэнергии производится исходя из квадратных метров отапливаемой площади, следовательно, балластная нагрузка у каждого потребителя будет разной. В данном случае необходимо рассмотреть вопрос о распределении БН для каждого потребителя. Немаловажным вопросом является расчет тепловых потерь и запаса по теплу.