Классификация и оценка эффективности систем бесперебойного электроснабжения

Системы бесперебойного электроснабжения (СБЭ) широко применяются на транспорте, в авиационно-космической и судовой технике, на стационарных объектах, кроме того, в последнее время они находят применение и в сельскохозяйственном производстве. СБЭ обеспечивают электроэнергией в основном ответственные потребители (потребители 1-й категории) которыми являются компьютерные системы управления, связи и обработки информации, автоматические системы управления технологическими процессами и целыми производственными комплексами. Кроме того, важная функция отводится транспортным СБЭ, которые обеспечивают электроэнергией потребители в труднодоступных районах, в том числе, при возникновении аварийных ситуаций [1].

СБЭ представляет собой комплекс электротехнических устройств, взаимодействующих между собой в сложном процессе производства, преобразования, передачи и распределения электрической энергии с заданными приоритетом нагрузок [1]. Основным источником электроэнергии в стационарных СБЭ является внешняя энергосистема (атомные, тепловые и др. электростанции), а в качестве резервных источников применяются автономные источники электроэнергии (АИЭ) — дизель-электрические станции (ДЭС), возобновляемые источники электроэнергии (ВИЭ), аккумуляторные батареи и т. д. Тип и количество АИЭ, преобразователей электроэнергии (ПЭ) и резервных источников СБЭ определяются требованиями потребителей [2, 3].

Необходимость включения ПЭ (вторичных источников электроэнергии) в состав СГЭ вызвана тем, что большинство потребителей электроэнергии требуют для своего питания электроэнергию с параметрами, отличными от тех, которые генерируют внешняя сеть и АИЭ [4].

В настоящее время известно большое многообразие структурных решений СБЭ.

На рисунке 1 представлена обобщенная структурная схема стационарных СБЭ, где обозначено: дизель-электрическая станция — ДЭС; аккумуляторные батареи — АБ; статические преобразователи — выпрямители В1 и В2, инвертор И, конвертор К; электромашинные преобразователи — двухмашинный, выполненный на базе двигателя постоянного тока М1 и синхронного генератора СГ1 и трехмашинный преобразователь, выполненный на базе двигателя переменного и постоянного тока соответственно М2 и М3, и синхронного генератора СГ2; шины гарантированного электроснабжения переменного Ш1 и постоянного Ш2 токов.

Рисунок 1 — Обобщенная структурная схема стационарных СБЭ.

В основном режиме работы стационарных СБЭ питание потребителей электроэнергией обеспечивается по основному вводу «Внешняя сеть 1» или дополнительному вводу «Внешняя сеть 2».

Дизель-электрическая станция ДЭС является резервным источником электроэнергии, аккумуляторные батареи АБ — аварийный источник.

Для повышения надежности электроснабжения автономные источники, полупроводниковые и электромашинные преобразователи имеют резерв однотипных источников и преобразователей.

Когда источниками питания для потребителей электроэнергии является внешняя сеть или ДЭС (включены контакторы К1 или К2 или К3), и соответственно, контактор К6.

Потребители постоянного тока получают питание от шины Ш2, а переменного от шины Ш1. В этих режимах аккумуляторные батареи АБ находятся в режиме непрерывного подзаряда от выпрямителя В2.

Для обеспечения бесперебойности электроснабжения, при исчезновении напряжения на двух внешних вводах, на время запуска ДЭС (30 — 50 с) потребители переменного тока получают питание от двухмашинного преобразователя электроэнергии М1 — СГ1, питание которого, как и потребителей постоянного тока, осуществляется от аккумуляторных батарей АБ.

Длительность перерыва электроснабжения потребителей переменного тока в этом случае определяется временем запуска двухмашинного преобразователя и находится в пределах 2 3 с [2].

Если же потребители электроэнергии не допускают разрыва кривой питающего напряжения, то применяются структуры СБЭ с использованием трехмашинных преобразователей. Потребители переменного тока в этом случае получают питание от постоянно работающего трехмашинного преобразователя М2 — М3 — СГ2.

При этом в нормальном режиме работы привод синхронного генератора СГ2 осуществляется асинхронным двигателем М2, а при прекращении электроснабжения от шины Ш1 привод СГ2 осуществляется двигателем постоянного тока М3 источником питания которого являются аккумуляторные батареи АБ.

Иногда в СБЭ с двухмашинными преобразователями используются инерционные маховики, которые размещаются на валу между электрическими машинами.

В этом случае при прекращении электроснабжения от внешней сети за счет массы маховика (его инерционности) обеспечивается непрерывное электроснабжение потребителей в интервале времени необходимом для запуска ДЭС. электроснабжение бесперебойный аккумуляторный СБЭ на базе статических ПЭ имеют преимущества в сравнении с СБЭ, выполненными на электромашинных преобразователях по показателям надежности и времени необслуживаемой работы.

Типовые структурные схемы транспортных СБЭ, выполненных на базе статических ПЭ представленные на рисунке 2, где обозначено: ПД — приводной двигатель; Г — генератор электроэнергии; ШГП1 и ШГП2 — шины гарантированного питания переменного и постоянного тока соответственно; ТВП — трансформаторно-выпрямительный преобразователь; ИТП — инверторно-трансформаторный преобразователь; ПНП — преобразователь напряжения постоянного тока; АБ — аккумуляторные батареи.

Особенностью конструкции данных схем является отсутствие вводов электроснабжения от внешних источников электроэнергии, но они могут быть предусмотрены. Надежность работы таких систем повышается за счет дополнительных резервных АИЭ и ПЭ (на рисунке 2 не показаны).

АИЭ СБЭ (рисунке 2, а) генерирует переменный ток промышленной частоты, резервным источником электроэнергии является генератор постоянного тока Г, привод которого, как правило, осуществляется от коробки отбора мощности ходового двигателя.

Инверторно-трансформаторный преобразователь ИТП работает при отключении АИЭ, т. е. когда источником электроэнергии являются аккумуляторные батареи АБ или генератор постоянного тока Г. ТВП2 выполняет функции зарядного устройства.

АИЭ СБЭ (рисунок 2, б) является источником напряжения постоянного тока. В зависимости от величины генерируемого напряжения постоянного тока автономная система электроснабжения (АСЭ) может иметь преобразователь напряжения постоянного тока ПНП, выполняющего функции зарядного устройства.

Рисунок 2 — Типовые структурные схемы транспортных СБЭ С учетом, обобщенной структурной схемы стационарных и типовых структурных схем транспортных СБЭ можно представить в общем виде классификацию СБЭ (см. рисунок 3).

Основным классификационным признаком СБЭ является их назначение: для стационарных или транспортных потребителей электроэнергии.

Вторыми по важности классификационными признаками являются типы используемых основных, резервных и аварийных источников и преобразователей электроэнергии.

Кроме того, СБЭ могут классифицироваться по схемам подключения к потребителям электроэнергии (централизованные, децентрализованные и комбинированные), разделению их по роду тока, перерывах в электроснабжении, типу коммутационной аппаратуры и т. д.

Рисунок 3 — Общая классификация систем бесперебойного электроснабжения Для оценки эффективности СБЭ необходимо использовать следующие критерии эффективности: энергетические и массогабаритные показатели, показатели надежности, качества электроэнергии и стоимости [1].

Как правило, в качестве массогабаритных показателей используют результаты расчета массы, а для оценки энергетических показателей применяют расчетные значения КПД.

Кроме того, при проектировании АСЭ ответственных потребителей в качестве энергетических показателей используются критерии оценки качества электроэнергии (отклонения, колебания напряжения и частоты тока и т. п.).

Для оценки показателей надежности проводится расчет вероятности безотказной работы в течение установленного времени, средней наработки до первого отказа и коэффициента готовности.

В период эксплуатации СБЭ требуемая мощность потребителями постоянного и переменного тока изменяется в широких пределах. Поэтому АИЭ и ПЭ должны работать в режимах, обеспечивающих максимальное и минимальное потребление мощности.

Кроме того, если учесть, что потребители отличаются не только по потребляемой мощности и роду тока, а и по частоте (для переменного тока) и величине напряжения, то можно создать большое число структурных решений СБЭ, обеспечивающих генерирование электроэнергии требуемого качества.

Очевидно, что из большого числа структур систем электроснабжения всегда возможно отобрать структуры СБЭ, имеющие лучшие, в сравнении с другими техническими решениями показатели критериев эффективности.

Целесообразно на этапе проектирования вначале осуществить оценку СБЭ по основным критериям эффективности. Исходными данными для такой оценки являются:

• 1) количество питающих шин (здесь учитывается род тока его частота, уровень напряжения и мощность потребителей), необходимые для электроснабжения потребителей;
• 2) технические решения эксплуатируемых и перспективных приводных двигателей, АИЭ, ПЭ и коммутационных аппаратов.

На основании исходных данных строится обобщенная схема электроснабжения (см. рисунки 1 и 2). С учетом известных режимов работы, в том числе их времени, можно определить массу и КПД, как АИЭ и ПЭ, так и возможных вариантов структурного решения СБЭ в целом. При этом масса СБЭ определяется по формуле.

(1).

где S_АИЭi и S_ПЭj — мощность автономного i-го источника и j-го преобразователя электроэнергии соответственно, в том числе резервных; n и k — количество источников и преобразователей соответственно; m_ПДi и m_Гi — значения удельных масс приводного двигателя и генератора; m_ПЭj — удельная масса преобразователя.

Выражение (1) не учитывает массу коммутационной аппаратуры и других элементов системы, но оно позволяет, аргументировано, проводить сравнительную оценку структурных решений СБЭ [1].

Поскольку СБЭ работают в нескольких режимах работы, обусловленные, прежде всего, изменением источника электроэнергии, и как следствие работающих ПЭ, то КПД АСЭ для одного режима работы, только с учетом потерь в АИЭ и преобразователях, определяется по формуле.

(2).

где _АИЭ — КПД автономного источника, работающего в расчетном режиме; _рПЭ — результирующее КПД преобразователей электроэнергии расчетного режима, которое определяется по формуле.

(3).

где Р_j — потери электроэнергии j-го преобразователя.

Практически определив значения КПД АСЭ для всех ее режимов работы, определяющим является значение КПД основного режима, режима имеющего наибольший временной интервал эксплуатации системы. На этапе проектирования СБЭ качество выходного напряжения постоянного тока достаточно оценивать расчетным значением коэффициента пульсации К_П, а качество напряжения переменного тока — коэффициентом несинусоидальности К_U [1].

Когда полностью установлен состав спроектированной системы электроснабжения, проводится расчет основных показателей надежности нового технического решения СБЭ и расчет экономических показателей.

Основные показатели надежности СБЭ является статистический показатель — интенсивность отказов основных функциональных узлов, блоков и элементов, а также средняя наработка до первого отказа системы, которая определяется по формуле.

(4).

где _С(t) — суммарное значение интенсивностей отказов функциональных узлов, блоков и элементов системы.

Вероятность безотказной работы за время t численно показывающая степень объективной возможности отсутствия отказа в заданном интервале времени определяется по формуле.

(5).

где Р_АИЭ(t) и Р_ПЭ(t) — вероятности безотказной работы автономных источников и преобразователей электроэнергии соответственно.

Учитывая резервирование работы основных функциональных узлов, важным показателем надежности СБЭ является бесперебойность электроснабжения потребителей, которая оценивается значением коэффициента готовности К_Г. Как правило, считают, что время восстановления работоспособности функционального узла (блока, элемента) равно времени включения его резерва, поэтому значение коэффициента готовности определяется по формуле.

(6).

где Т_срФУ — средняя наработка до отказа функционального узла; t_вкл — время включения резервного функционального узла; Р_ФУ(t) — вероятность безотказной работы функционального узла в определяемый интервал времени.

Окончательный расчет вероятности безотказной работы СБЭ и средней наработки до отказа выполняется тогда, когда известны реальные режимы работы системы.

Последним этапом оценки эффективности является определение стоимости разработанной СБЭ, которая определяется по формуле.

(7).

где С_О — стоимость оборудования; С_Э — эксплуатационные расходы.

Стоимость оборудования для оценочных расчетов в первом приближении вычисляют по формуле.

(8).

где Р_i и C_i — мощность и удельная стоимость соответственно i-го оборудования; N — количество оборудования СБЭ.

Затраты на эксплуатационные расходы для различного оборудования происходят в различное время. Поэтому при использовании экономических показателей их необходимо привести к одному времени — началу эксплуатации. В общем случае эксплуатационные расходы определяются по формуле.

(9).

где С ^t_уд — удельные эксплуатационные затраты за время эксплуатации t; Е_Н — нормативный коэффициент; _сс — коэффициент, учитывающий изменение срока службы.

Таким образом, рассмотренная классификация СБЭ и режимы их работы, а также предложенные основные критерии оценки позволят повысить эффективность предпроектных работ по созданию СБЭ с улучшенными эксплуатационно-техническими характеристиками с использованием современной элементной базы. При этом, важным является вопрос предпроектных работ — это учитывать электромагнитную совместимость основных функциональных узлов СБЭ [5].

• 1. Григораш О. В., Божко С. В., Безуглый С. М. Модульные системы гарантированного электроснабжения: Монография. КВВАУЛ. — Краснодар, 2006, 306 с.
• 2. Григораш О. В., Тропин В. В., Оськина А. С. Об эффективности и целесообразности использования возобновляемых источников энергии в Краснодарском крае // Политематический сетевой электронный журнал Кубанского государственного аграрного университета (Научный журнал КубГАУ). — Краснодар: КубГАУ, 2012. — № 83 (09). С. 188 — 199.
• 3. Григораш О. В., Божко С. В., Попов А. Ю. и др Автономные источники электроэнергии: состояние и перспективы: Монография. — Краснодар: ВУЦ ВВС. — 2012. — 174 с.
• 4. Григораш О. В. Генераторы переменного тока. Состояние и перспективы // Электротехника. — 1994. — № 9. — с. 2 — 6.
• 5. Григораш О. В., Дацко А. В., Мелехов С. В. К вопросу электромагнитной совместимости основных узлов САЭ // Промышленная энергетика. — 2001. — № 2. — с. 44 — 47.
• 6. Однофазно-трехфазный трансформатор с вращающимся магнитным полем Григораш О. В., Власенко Е. А., Усков А. Е., Бутенко А. В., Григораш А. О. патент на изобретение RUS 2 417 471 25.01.2010
• 7. Автономные инверторы солнечных электростанций Усков А. Е. Краснодар, 2011.
• 8. Преобразователь напряжения постоянного тока с промежуточным звеном повышенной частоты Григораш О. В., Степура Ю. П., Усков А. Е., Власенко Е. А., Винников А. В. патент на изобретение RUS 2 414 802 29.03.2010
• 9. Однофазный автономный инвертор с широтно-импульсной модуляцией переменного тока Григораш О. В., Степура Ю. П., Усков А. Е., Тонкошкуров Ю. Н., Сулейманов А. Э. патент на изобретение RUS 2 420 854 11.05.2010
• 10. Автономный инвертор с широтно-импульсной модуляцией выходного напряжения Григораш О. В., Степура Ю. П., Усков А. Е.; Тонкошкуров Ю. Н., Сулейманов А. Э. патент на изобретение RUS 2 421 871 12.05.2010