Совершенствование электрогенерирующих комплексов локальных систем электроснабжения за счет применения многомостовых преобразователей частоты

Наличие энергии — является одним из необходимых условий существования любого современного государства. Никакая деятельность невозможна без использования энергии. Наличие энергии — одно из необходимых условий для решения практически любой задачи. Работа промышленности, сельского хозяйства, транспорта, обеспечение комфорта в домах и безопасное функционирование социальной сферы государства и общества в целом — все это требует больших затрат энергии.

Производство электроэнергии, ее доставка потребителям в нужное место, в нужное время и в нужном количестве является сложной технической проблемой. В решение этой проблемы существует два направления. Первое, через создание мощных и сверхмощных предприятий по выработке электроэнергии, объединенных единой системой линий электропередач высокого и сверхвысокого напряжения, к которым присоединяются распределительные сети отдельных территорий и потребителей. Это концепция создания единой энергосистемы страны. Предполагалось, что такой подход позволит наилучшим образом обеспечить электроснабжение страны и иметь возможность эффективно управлять этим процессом. По мере строительства и развития единой энергосистемы страны стали все в большей степени видны недостатки и ограниченность такого подхода.

Второе направление — это создание локальных систем электроснабжения. Исторически развитие систем электроснабжения началось с локальных систем электроснабжения по причине малого количества электростанций в то время и отсутствия технической возможности передачи электроэнергии на большие расстояния.

Формирование современного понимания проблем электроснабжения основывается на том постулате, что эффективная система электроснабжения должна строиться на разумном сочетании систем централизованного и локального электроснабжения. Это позволит объединить достоинства и максимально снизить недостатки обоих подходов в решении проблем электроснабжения, как отдельных потребителей, так и страны в целом.

Создание объектов большой энергетики длиться десятки лет, требует огромных финансовых вложений, с ростом мощности отдельных агрегатов теряется их маневренность, при работе на неноминальных режимах ухудшается их экономичность, пуск и останов этих агрегатов в работу требует большого времени, выход из работы по причине аварии или террористического акта приводит к отключению значительного количества потребителей. Они чрезвычайно уязвимы при ведении военных действий. Строительство этих объектов приводит к большим экологическим проблемам в регионе строительства. Кроме того, значительная по протяженности и площади территория страны со сложными климатическими и географическими условиями не позволяет решить проблему строительства централизованных линий электропередач на всей территории страны по техническим и экономическим причинам.

События последних десятилетий показали! существенную неустойчивость в обеспечении электроэнергией и теплом потребителей различных категорий от централизованных энергетических систем.

Все эти проблемы существенным образом влияют на энергобезопасность отдельных объектов и страны в целом. Опасность потери энергоснабжения вследствие указанных выше причин весьма значительна. Устранить ее средствами централизованного энергоснабжения по тем же причинам затруднительно. Однако задача повышения энергобезопасности ответственных объектов может быть решена средствами «малой энергетики».

Наряду с термином «малая энергетика» в научной литературе применяются понятия «локальная энергетика», «распределенная энергетика», «автономная энергетика», «распределенная генерация энергии (РГЭ)» и «сотовая энергетика».

Переход в стране к рыночным отношениям, формирование частной собственности на средства производства, развитие конкуренции, сложность присоединения к централизованным сетям заставляют многих предпринимателей рассматривать вопрос о строительстве собственной мини-ТЭЦ для комплексного решения проблем обеспечения своих предприятий тепловой и электрической энергией. Так в некоторых городах и областях только за выдачу разрешения на присоединение требуется заплатить более 40 000 руб. за каждый киловатт расчетной мощности объекта, что значительно превышает стоимость киловатта установленной мощности вновь вводимой автономной электростанции.

Таким образом, у нас в стране (а также за рубежом) наметилась тенденция к созданию и развитию децентрализованных систем электроснабжения. Под локальными системами электроснабжения в настоящее время понимаются изолированные системы электроснабжения отдельных предприятий или населенных пунктов, содержащие автономные электростанции (АЭ) комбинированного типа и распределительные электрические и ограниченной протяженности. Потребляемая мощность в таких системах не превышает 1−2 МВт, реже 5−10 МВт. Причем локальные системы в большинстве случаев являются полностью автономными не имеющими связи с централизованными сетями. В отдельных случаях локальные системы имеют линии связи с централизованными сетями и могут работать как в автономном режиме, так и совместно с энергосистемой. При этом возникает ряд специфических вопросов совместной работы локальной системы с централизованной сетью.

В настоящее время в России по оценкам целого ряда организаций, занимающихся проблемами электрификации, от 50 до 60% территорий страны с населением более 20 млн. человек так и остаются неохваченными централизованными электросетями.

Электрификация этих районов осуществляется только в рамках «малой энергетики», основу которой составляют локальные системы электроснабжения с автономными электростанциями малой и средней мощности, так называемыми электростанциями собственных нужд (ЭСН).

Несмотря на относительно скромную долю малой энергетики в общем энергобалансе страны по сравнению с большой энергетикой, которой уделяется основное внимание нашей науки и промышленности, значимость малой энергетики в жизни страны трудно переоценить.

И если в настоящее время мы наблюдаем слабые темпы развития централизованных систем электроснабжения, то идущий параллельно с ним процесс перевода большого количества объектов на автономное электроснабжение резко набирает темпы развития.

Необходимость и целесообразность развития локальных систем электроснабжения обусловлена следующими факторами: снижаются потери электроэнергии в распределительных сетях, затраты на производство электроэнергии получаются более низкими, появляется возможность формировать наиболее приемлемый график потребления электроэнергии в соответствии со своим технологическим процессом при параллельной работе с централизованной сетью. При этом капитальные удельные затраты на единицу вводимой мощности и сроки окупаемости вложений значительно ниже аналогичных показателей при введении мощностей в большой энергетике.

Говоря о производстве электроэнергии, следует отметить, что она представляет собой специфический вид продукции, который должен быть потреблен в тот же момент, что и произведен. Ее нельзя отправить на склад, как уголь, нефть или любой другой продукт или товар, поскольку проблема аккумулирования электроэнергии в больших количествах пока не решена.

С момента начала практического использования электроэнергии потребность в этом виде энергии постоянно возрастала. Это требовало постоянного внимания к проблеме повышения эффективности процессов генерирования и передачи электроэнергии на большие расстояния. Без проведения научных исследований и разработки новых более эффективных электрогене-рирующих и преобразующих систем решить возникающие задачи было невозможно. Постоянное появление новых материалов, агрегатов и различной электротехнической элементной базы с более высокими параметрами, чем у их предшественников позволяет значительно улучшать техникоэксплуатационные характеристики систем электроснабжения и преобразования электроэнергии, а также ее распределения и доставки потребителям.

Энергетика, являясь своеобразной окружающей средой, очень быстро аккумулирует, ассимилирует и вбирает в себя самые новейшие идеи, изобретения, достижения науки и передовой техники. Это и понятно: энергетика связана буквально со всеми сторонами жизнедеятельности человека, все тянется к энергетике и зависит от нее.

Развитие на современном этапе электрогенерирующих систем (включая стационарные большой мощности — системообразующие, передвижные — аварийные, резервные и системы электроснабжения движущихся объектов {наземного, морского и воздушного базирования)) в соответствии с мировыми тенденциями характеризуется все более широким применением силовой преобразовательной техники, средств вычислительной техники и микроэлектроники.

При этом в широких масштабах используются как универсальные средства силовой преобразовательной техники и микроэлектроники, так и специализированные системы и устройства, разработанные во многих случаях специально для конкретных электроэнергетических систем.

Все источники электропитания можно разделить на две группы: на источники первичного электропитания — устройства, преобразующие какой-либо вид неэлектрической энергии (химической, механической, тепловой, световой, энергии ядерного распада и др.) в электрическую энергию с гости-рованными параметрами по частоте и величине генерируемого напряжения (источники первичного напряжения) и источники, так называемого, вторичного электропитания (ИВЭП), предназначенные для преобразования первичного напряжения в постоянное или переменное с параметрами отличными от параметров систем электроснабжения общего пользования. Это, как правило, напряжения необходимые для функционирования конкретных электронных приборов и различных электротехнических комплексов и систем у потребителей.

Основной особенностью автономных электростанций локальных систем электроснабжения является соизмеримость мощности источников и потребителей электроэнергии, значительно более короткие кабельные линии и, следовательно, большая взаимосвязь всех элементов электрической системы. Включение одного мощного потребителя в такой системе может привести к сбою в работе всех потребителей. Например, при пуске мощного асинхронного двигателя (АД) напряжение и частота в системе электроснабжения заметно могут изменяться, что в свою очередь отражается на характере работы всех остальных потребителей.

Эффективность работы локальных систем электроснабжения определяется используемым оборудованием и режимами его работы. Так как важнейшим элементом локальных систем электроснабжения являются автономные электростанции, то их технические параметры во многом определяют эффективность работы всей локальной системы электроснабжения.

Электротехнические параметры существующих автономных источников электроснабжения (АИЭ), выполненных на базе различных первичных двигателей: дизель-генераторов, газовых двигателей внутреннего сгорания (ДВС), газотурбинных двигателей и некоторых других типов нетрадиционных источников энергии, в большинстве случаев при работе в качестве основного источника электроснабжения не позволяют генерировать электроэнергию с параметрами, удовлетворяющими требованиям современных стандартов.

Необходимость изменения в способах генерации, распределения и доставки электроэнергии потребителям зрела на протяжении всей второй половины 20 века. Это во многом было связано с постоянным повышением требований к качеству генерируемого напряжения. Кроме того, появление большого числа новых видов электропотребляющего оборудования с микропроцессорными блоками и информационными системами, интегрированными в мировую информационную сеть, потребовало разработки АСЭ, которые по техническим требованиям не должны допускать перерывов в электроснабжении.

Повышение требований к качеству генерируемой электроэнергии непосредственно повлияло на конструктивные и схемные особенности, массу и стоимость источников и преобразователей электроэнергии.

В последнее время получили развитие новые принципы построения электрогенерирующих систем для локальных и автономных систем электроснабжения.

Новые энергоустановки существенно выгоднее по ряду параметров ранее применявшихся. Однако, электрогенерирующие системы и системы преобразования электроэнергии одного и того же назначения, но разного принципа реализации могут в несколько раз отличаться по своим характеристикам: стоимости, КПД, расходу меди и т. п.

Основным направлением в создании нового поколения электрогенери-рующего оборудования малой и средней мощности является повышение рабочей частоты вращения первичного двигателя и генератора.

Это позволяет резко сократить материалоемкость оборудования, улучшить массогабаритные показатели, повысить КПД, а также позволяет реализовать безредукторную схему соединения первичного двигателя с генератором. При этом параметры генерируемой электроэнергии, как правило, будут отличаться от стандартных. Для преобразования параметров генерируемой электроэнергии в стандартные: по частоте и величине напряжения, необходимо в структуру автономной электростанции ввести преобразователь частоты, который будет отвечать за величину и стабильность частоты генерируемого напряжения. Кроме того, преобразователь частоты имеет возможность участвовать в стабилизации величины выходного напряжения. Наличие преобразователя частоты позволяет системе работать в режиме «переменная скорость вращения — постоянная частота выходного напряжения, что очень важно для оптимизации работы первичного двигателя при переменном графике нагрузки потребления электроэнергии.

В настоящее время имеются определенные успехи в разработке теоретических и практических вопросов создания основных агрегатов локальных систем электроснабжения: высокоэффективных мини-турбин, высокоскоростных синхронных и асинхронных электрогенераторов, полупроводниковых преобразователей на базе силовых интегральных схем, микропроцессорных устройств контроля, управления и релейной защиты.

Не смотря на быстрое развитие данного направления, остаются неисследованными вопросы совместной работы первичного двигателя, преобразователя частоты и распределенной нагрузки в установившихся, переходных и особенно аварийных режимах работы. В первую очередь это относится к автономным системам генерирования электроэнергии, содержащих высокоскоростную двигательно-генераторную часть со свободно меняющейся частотой вращения первичного двигателя и силовой многомостовой преобразователь частоты, с многоуровневой компенсацией высших гармоник в кривой выходного напряжения. Отсутствуют исследования новых схемных решений многомостовых преобразователей частоты на основе инверторов тока и инверторов напряжения, недостаточно изучены вопросы аварийных режимов работы и электромагнитной совместимости разработанных электротехнических комплексов с питающей сетью.

Принимая во внимание вышеизложенное, можно констатировать, что совершенствование существующих и разработка новых высокоэффективных, надёжных, полностью автоматизированных, с минимальными массогабарит-ными параметрами электрогенерирующих агрегатов для локальных систем электроснабжения, с широким использованием современной силовой преобразовательной техники, микропроцессорных систем управления и защиты является актуальной задачей.

Выводы по главе 5.

1. Применение энергетической логистики не ограничивается возможностью управления микроэнергосистемами отдельных сотовых элементов;

2. Эффективное управление сотовой энергетикой приведет к повышению эффективности управления всей энергетикой страны;

3. Создание сотовой энергетики позволит обеспечить оптимальные условия функционирования всех элементов сот;

4. Системы электроснабжения имеют существенные отличия от традиционных логистических систем;

5. Правильный учет особенностей энергетической логистики позволит создать оптимальную модель управления сотовой энергетикой;

6. Концепция сотовой энергетики имеет одну основу с концепцией логистического управления системами энергоснабжения.

7. Эффективность использования автономного источника электроснабжения зависит от многих факторов, но, прежде всего, определяется потребностью как электрической, так и тепловой энергии.

8. Выбор источника АИ делается на основе наличия в данном регионе первичных ресурсов, расстояния до централизованныхэлектросетей и многих других факторов.

9. Расчетным путем доказано, что себестоимость электроэнергии от собственной мини ТЭЦ (при существующих ценах на газ) колеблется в пределах от 40 до 90 копеек за кВт-ч, что значительно ниже себестоимости электроэнергии от энергосистемы.

10. Срок окупаемости АИ не превышает 6 лет, что на сегодняшний день является приемлемым для инвестиционных проектов.

11. Расчетным путем доказано, что при использовании на предприятии АИ, работающей совместно с энергосистемой для покрытия пиковых нагрузок потребления позволяет также значительно снизить затраты потребителя на электроэнергию.

Заключение

.

В представленной диссертационной работе решены сформулированные задачи и достигнута поставленная цель, при этом получены следующие результаты:

1. На основе проведенного анализа существующих электрогенерирую-щих комплексов локальных систем электроснабжения определены наиболее эффективные структурные схемы электрогенерирующих комплексов с улучшенными технико-экономическими показателями: уменьшенным расходом первичного топлива, более высоким КПД, сниженными массогабаритными параметрами.

Существующий уровень значения к.п.д. эксплуатируемых АИЭ малой мощности, выполненных по традиционной схеме дизельный двигатель-синхронный генератор, с учетом их конструктивного совершенствования достигает 0,35−0,38, а удельная масса — 15−20 кг/кВт.

Использование АИЭ с бесконтактными генераторами позволит повысить к.п.д. АИЭ до 0,41−0,45.

Основой реализации новых поколений АСЭ является использование перспективных высокоскоростных первичных приводных двигателей, бесконтактных генераторов переменного тока, полупроводниковых преобразователей на базе силовых унифицированных интегральных схем, цифровых систем управления, контроля и защиты.

В этом случае к.п.д. при выработке электроэнергии может достигать 0,50−0,60, а удельная масса — 4−7 кг/кВт.

Модульный принцип построения позволит значительно повысить эксплуатационно-технические показатели АСЭ.

Построение вторичных источников питания на основе современной элементной базы по схеме с промежуточным звеном повышенной частоты позволяет получить снижение массы источников питания в 5 — 10 раз.

2. Сформулирована концепция «сотовой энергетики», позволяющая создавать наиболее эффективные структуры электроснабжения потребителей в виде локальных систем электроснабжения в условиях частичного отхода от централизованного электроснабжения.

Создание сотовых структур позволяет обеспечить оптимальные условия для совместной работы как крупных системообразующих энергетических комплексов, так и вновь появляющихся средних и малых электрогенери-рующих предприятий с полностью частным капиталом.

Концепция сотовой энергетики хорошо сочетается с концепцией логистического управления системами энергоснабжения.

3. Разработаны математические модели многомостовых преобразователей частоты, позволяющие исследовать установившиеся, пусковые и аварийные режимы работы.

4. На основе метода основной гармоники выведены основные аналитические зависимости для определения параметров многомостовых преобразователей.

5. Проведено исследование на математической модели аварийных режимов в системе «преобразователь частоты — групповая двигательная нагрузка», выявлены основные критические параметры токов и напряжений возникающие в системе при различных видах КЗ, что позволяет на этапе проектирования предусмотреть все необходимые меры для исключения негативных последствий возникающих КЗ.

6. Проанализирована локальная система электроснабжения цеха машиностроительного завода на повышенной частоте с точки зрения использования индивидуальных или групповых преобразователей частоты. Проведенный анализ позволяет правильно с экономической и технической точек зрения выбрать вариант системы электроснабжения.

7. Выполнено технико-экономическое сравнение различных вариантов работы локальных систем электроснабжения, как в автономном режиме, так и при совместной работе с энергосистемой.

Расчетным путем доказано, что себестоимость электроэнергии от собственной мини ТЭЦ (при существующих ценах на газ) колеблется в пределах от 40 до 90 копеек за кВт ч, что значительно ниже себестоимости электроэнергии от энергосистемы.

Срок окупаемости АИ не превышает 6 лет, что на сегодняшний день является приемлемым для инвестиционных проектов.

8. Разработан автономный источник электроснабжения для газораспределительной станции на основе высокоскоростных микротдетандера и асинхронного генератора.