Full Text

Введение. Постоянный рост энергопотребления, увеличение стоимости электроэнергии, ограниченность запасов органического топлива и негативное влияние на экологию работающих на органическом топливе электростанций, - все это приводит к постановке вопроса о необходимости перехода на возобновляемые источники энергии. Особенно актуально решение данного вопроса для России, энергетическая система которой имеет высокую степень централизации. Почти 85 % от суммарного объема электроэнергии генерируются крупными электростанциями, после чего электроэнергия поступает в общую разветвленную электрическую сеть. Такой уровень централизации энергосистемы характерен для густонаселенных районов европейской части страны и некоторых областей Сибири, а малонаселенные территории Сибири и целый ряд регионов Дальнего Востока (в совокупности образующие значительную часть территории РФ) характеризуются низким уровнем подключения к централизованным энергосистемам. При этом прокладывать высоковольтные ЛЭП для электроснабжения отдаленных и малонаселенных сёл, городов и производств не представляется возможным с экономической и технической точек зрения. Одним из возможных решений данной проблемы является использование дизельных или бензиновых генераторов, которые обладают рядом преимуществ и позволяют добиться поставленных целей по бесперебойному электроснабжению отдаленных потребителей. Однако при рассмотрении вопроса обеспечения электроэнергией потребителей, имеющих первую (или первую особую) категорию по надежности электроснабжения, нельзя ограничиваться только одним источником энергии. При выходе из строя дизель-генератора могут возникнуть существенный финансовый ущерб, опасность для жизни людей и угроза безопасности страны. Затрагивая экологическую сторону вопроса электроснабжения удаленных потребителей, отметим, что использование дизель-генераторов создает условия для ухудшения окружающей среды (выхлопные газы, громкий шум, риск разлива топлива и нефтепродуктов), поэтому при решении данной задачи необходимо свести использование дизель-генераторов к минимуму [1]. Также отрицательным моментом использования дизельных электростанций являются большие затраты на транспортировку топлива и значительные потери электроэнергии при её передаче на большие расстояния. Эти и другие особенности энергосистемы Дальнего Востока стали причиной серьёзного дефицита электроэнергии в некоторых районах, в то время как другие районы являются энергоизбыточными. Негативным последствием такой проблемы стало упразднение более 11 тыс. поселений в России за последние 10 лет [2]. При этом из-за такой обособленности территорий осуществление перетоков электроэнергии становится практически невозможным. Энергосистема данного региона просто не в состоянии охватить обширные и многочисленные районы, с учетом всеобщего старения и износа действующих электросетей. Такое состояние энергетической инфраструктуры приводит к огромным потерям при передаче даже на небольшие промежутки пути [3]. Зоны автономного и централизованного энергоснабжения Дальнего Востока наглядно показаны на рис. 1. В целом область децентрализованного энергоснабжения Дальнего Востока включает в себя 987 тыс. человек и 360 поселений. При этом суммарная установленная мощность дизельных электростанций составляет 670 МВт. Реальный кризис энергоснабжения Дальневосточного федерального округа привел к постановке вопроса о необходимости использования возобновляемых источников энергии [4]. Но чтобы иметь достаточное представление об эффективности ВИЭ в данном регионе, рассмотрим сводные данные о потенциале Дальневосточного региона в сфере возобновляемой энергетики (таблица). Рис. 1. Карта энергообеспеченности Дальнего Востока Оценка потенциала ветро-солнечной энергетики Дальнего Востока Вид ВИЭ Тип ресурса Валовый ресурс, млн т у. т./год Технический ресурс, млн т у. т./год Экономический ресурс, млн т у. т./год Солнечная энергия 813 200 3224,4 0,132 Энергия ветра 335 839 839,6 4,2 Всего, млн т у. т./год 1 149 039 4064 4,332 Приморский край (самая южная часть Дальнего Востока) - самый солнечный регион России, по данным NASA, уровень солнечной иррадиации в данном районе составляет около 1,6 тыс. кВт∙ч на м2 в год или 4,4 кВт∙ч на м2 в день, что является весьма неплохим показателем [5]. В большей части изолированных поселений Якутии уровень солнечной активности варьируется от 750 до 1,1 тыс. кВт∙ч на м2 в год. Для сравнения в Германии (мировом лидере по использованию солнечных электростанций) уровень солнечной иррадиации в течение года колеблется в районе 0,9-1,2 тыс. кВт∙ч на м2 в год [6]. Сравнение показателей демонстрирует выгодное расположение Дальневосточного федерального округа с точки зрения общей инсоляции. Карта инсоляции России представлена на рис. 2. Рис. 2. Карта инсоляции России Анализируя данный регион с точки зрения ветроэнергетики, можем заметить, что в прибрежных районах Дальнего Востока среднегодовая скорость ветра достигает 6-7 м/с. Для сравнения, в Дании (мировой лидер по использованию ветроустановок) этот показатель достигает чуть больше 5 м/с, что также свидетельствует о достаточном ветроэнергетическом потенциале региона [7]. Карта ветроэнергетического потенциала России представлена на рис. 3. Рис. 3. Карта ветроэнергетического потенциала России Делаем вывод, что ресурсов солнца и ветра в Дальневосточном федеральном округе достаточно для электроснабжения децентрализованных потребителей. Учитывая большую сложность прокладки линий электропередач в данном регионе и стремление свести к минимуму использование дизельных генераторов, встает вопрос обеспечения электрической энергией отдаленных потребителей с использованием возобновляемых источников энергии [8]. Этим вопросом занялись ученые Южно-Уральского государственного университета, начав разработку мобильного энергокомплекса на основе ВИЭ. Все элементы мобильной электростанции располагаются в транспортном контейнере на прицепе, буксируемом автомобилем, или в кузове-фургоне военного мобильного комплекса. Перед создателями данного комплекса помимо обеспечения компактности основных компонентов электростанции (ветроэнергетической установки, солнечных панелей и дизельной электростанции) в качестве резервного источника питания встает задача моделирования всего энергокомплекса в пакете MatLab. Создание модели. Моделирование - один из важнейших этапов конструирования мобильного энергокомплекса для децентрализованного электроснабжения, в процессе которого необходимо рассмотреть множество факторов и параметров, перед тем как определиться с устройством независимой системы электроснабжения, включающей компоненты генерации и накопления энергии [9]. Наиболее важные для проектирования моменты - это тип используемых возобновляемых источников энергии, объемы энергии, которые они смогут сгенерировать, природно-климатические, топографические и географические параметры местности, вид нагрузок и специфика потребности в электроэнергии [10]. Структурная схема предлагаемого мобильного энергокоплекса представлена на рис. 4. Рис. 4. Схема гибридного энергокомплекса на основе ВИЭ и ДЭС Энергокомплекс состоит из следующих компонентов: солнечной фотоэлектрической установки (СФЭУ), ветровой энергоустановки (ВЭУ), дизельной электростанции (ДЭС) и накопителей энергии (аккумуляторных батарей), которые соединены с шиной постоянного тока для согласования режимов работы компонентов энергокомплекса между собой и подключены к полезной и балластной нагрузке. Комплекс должен обеспечить потребителя непрерывной подачей электроэнергии, при этом он должен по максимуму использовать потенциал возобновляемых источников энергии, а в том случае, если их будет недостаточно, начать энергоснабжение потребителя от дизель-генератора. В случае кратковременной нехватки электроэнергии необходимо использовать установленный накопитель энергии (блок аккумуляторных батарей), переключаемых между собой (один включен на заряд, а второй - на разряд) [11]. Возможна ситуация, когда нагрузка потребителя будет небольшой, а накопитель энергии полностью заряжен, дизель-генератор выключен, а возобновляемые источники генерируют энергии больше, чем необходимо, тогда необходимо применить балластную нагрузку для потребления избытка электроэнергии. В любой другой ситуации балластная нагрузка должна быть отключена. Платформой для моделирования будет служить пакет MatLab/Simulink - это графическая среда имитационного моделирования, позволяющая при помощи блок-диаграмм строить динамические модели. Разработку модели начнем с постановки задачи: требуется построить максимально приближенную к действительности модель гибридного масштабируемого энергокомплекса на основе возобновляемых источников энергии [12]. На данный момент построить модель, полностью соответствующую действительности, не представляется возможным из-за отсутствия конкретных данных о компонентах комплекса. Модель гибридного энергокомплекса представлена на рис. 5. Рис. 5. Модель масштабируемого гибридного энергокомплекса в MatLab Краткое описание: шина постоянного тока представлена в виде отрицательного (node 10) и положительного (node 20) потенциалов, расположенных в середине модели. В левой части модели расположены источники возобновляемой энергии (солнечная фотоэлектрическая установка, ветровая энергоустановка) и дизель-генератор, подключенные к шине постоянного тока, в правой части модели размещены полезная и балластная нагрузки [13]. Анализ модели. В роли блоков возобновляемых источников энергии будем использовать управляемые источники тока, а в качестве генератора - источник напряжения [14]. Управление данными элементами можно описать следующими зависимостями: (1) где - ток, получаемый от солнечных панелей; Gi - текущий поток солнечной радиации на поверхность солнечного модуля; S - суммарная площадь солнечных панелей; - напряжение шины постоянно тока. (2) где - ток, получаемый от ветроустановки; - текущая скорость ветра; - номинальная мощность ветроустановки; - напряжение шины постоянно тока. , (3) где - напряжение дизель-генератора; - напряжение батареи в режиме заряда. Превращение солнечной радиации в силу тока осуществляется согласно формулам: , (4) где - мощность, вырабатываемая солнечными модулями; η - КПД солнечных модулей; S - суммарная площадь солнечных модулей. (5) где - ток, вырабатываемый солнечными модулями; - напряжение шины постоянно тока. Зависимость данной модели представлена на рис. 6. Рис. 6. Моделирование зависимости Ветроустановка описывается следующим образом: одним из способов задания ветроустановки является задание зависимости генерируемой мощности ветроустановки от скорости ветра: . Основываясь на параметрах конкретного агрегата, можно описать данную зависимость согласно формулам: где - номинальная мощность ветротубины с учетом КПД; - текущая скорость ветра; - минимальная, номинальная и максимальная скорости ветра, определяющие режим работы ветротурбины, a, b - поправочные коэффициенты [15]. Зависимость данной модели представлена на рис. 7. Моделирование дизель-генератора осуществляется созданием источника напряжения бесконечной мощности, подразумевая, что реальный агрегат будет рассчитан на то, чтобы с запасом обеспечить потребности электропотребителей, а также покрыть расходы на собственные нужды [16]. Полезная нагрузка представлена в виде модели на рис. 8. График нагрузки как элемент Simulink создается в Excel-документе, где строится реальный или произвольный график нагрузки (кВт). Создав в среде Simulink график нагрузки, нужно преобразовать его в график тока, который потребляется в течение суток, для чего необходимо ввести в схему переменный резистор. К сожалению, данный элемент отстуствует в библиотеке, поэтому построим подсистему полезной нагрузки самостоятельно (рис. 9). Рис. 7. Моделирование зависимости Рис. 8. Моделирование полезной нагрузки Рис. 9. Подсистема полезной нагрузки Представленная выше схема является подсистемой Simulink, которая имеет две силовые клеммы и две управляющие. Основным элементом является резистор R_var с произвольно заданным сопротивлением 8 Ом [17]. Максимально возможный ток, протекающий через такой резистор (при U = const), равен U/8. Балластная нагрузка представлена в виде модели на рис. 10. Рис. 10. Моделирование балластной нагрузки Балластная нагрузка предназначена для компенсации избытка выработанной энергии возобновляемыми источниками. В действительности это переменный резистор, именно поэтому структура этого элемента будет похожа на схему полезной нагрузки, но с другим видом управления [18]. Подсистема балластной нагрузки представлена на рис. 11. Рис. 11. Подсистема балластной нагрузки Незаменимым компонентом схемы являются блок с батареями и система их управления. Нужно поддерживать неизменное напряжение на шине постоянного тока и не допускать чрезвычайного разряда батарей, так как это повлечет за собой глубокую просадку по напряжению, для чего и следует их вовремя переключать между собой [19]. Модель блока аккумуляторных батарей представлена на рис. 12. Рис. 12. Модель блока аккумуляторных батарей Проведение эксперимента. Чтобы испытать данную модель, введем произвольные начальные данные: метеорологические параметры; число и емкость аккумуляторных батарей; площадь солнечных модулей; график нагрузок; мощность ветрогенератора. Случайный график нагрузки за июнь для г. Рощино (Приморский край) представлен на рис. 13 [20]. Рис. 13. Произвольный график нагрузки за июнь для г. Рощино Итогом испытаний будут служить результаты графиков, снятых с осциллографов Scope и Scope 1 (рис. 14, 15, 16). Рис. 14. Графики зависимости тока ветрогенератора и солнечных модулей от времени суток Рис. 15. График зависимости тока заряда батарей от времени суток Рис. 16. Графики зависимости тока полезной и балластной нагрузок от времени суток и напряжения на ШПТ от времени суток Выводы. Проанализировав графики, снятые с осциллографов, можем сделать заключение, что модель функционирует корректно. В моменты излишек сгенерированной энергии в схему включается балластная нагрузка. Напряжение на шине постоянного тока варьируется от 410-423 В, что также свидетельствует о правильности работы системы. Несмотря на то, что в процессе моделирования было принято допущение: моделирование осуществлялось только при постоянном токе, и при этом баланс мощности не был нарушен, данная условность позволила упростить модель, так как уже не было необходимости моделировать массивные преобразователи. Тем не менее, необходимо учитывать большое множество факторов, которые в целом могут отразиться сказаться на реалистичности модели. Данная модель поможет ускорить проектирование энергокомплекса и повысить эффективность подбора оптимальных параметров, участвующих в генерации электроэнергии, компонентов. Благодаря спроектированной модели появилась возможность организовать более подробный мониторинг за функционированием каждого из компонентов модели.

About the authors

E. M Gordievsky

South Ural State University

A. A Miroshnichenko

South Ural State University

A. Z Kulganatov

South Ural State University

E. V Solomin

South Ural State University

References

Statistics

Views

Abstract - 27

PDF (Russian) - 23

Refbacks

• There are currently no refbacks.