close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Автономная система электроснабжения на основе комбинированной ветро-дизельной установки

код для вставкиСкачать
На правах рукописи
ЕРБАЕВ Ербол Тулегенович
АВТОНОМНАЯ СИСТЕМА ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ НА ОСНОВЕ
КОМБИНИРОВАННОЙ ВЕТРО-ДИЗЕЛЬНОЙ УСТАНОВКИ
Специальность 05.09.03 – Электротехнические комплексы и системы
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Саратов – 2018
2
Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном
образовательном учреждении высшего образования
«Саратовский государственный технический университет
имени Гагарина Ю.А.»
Научный руководитель:
Степанов Сергей Федорович,
доктор технических наук, ФГБОУ ВО
«Саратовский государственный технический
университет имени Гагарина Ю.А.»,
профессор кафедры «Электроснабжение
и электротехнология», г. Саратов
Официальные оппоненты:
Макаричев Юрий Александрович,
доктор технических наук, ФГБОУ ВО
«Самарский государственный технический
университет», заведующий кафедрой
«Электромеханика и автомобильное
электрооборудование», г. Самара
Шалухо Андрей Владимирович,
кандидат технических наук, ФГБОУ ВО
«Нижегородский государственный
технический университет им. Р.Е. Алексеева»,
заместитель заведующего кафедрой
«Электроэнергетика, электроснабжение
и силовая электроника», г. Нижний Новгород
Ведущая организация:
ФГБОУ ВО «Саратовский государственный
аграрный университет имени Н.И. Вавилова»,
г. Саратов
Защита состоится «26» апреля 2018 г. в 13.00 часов на заседании
диссертационного совета Д 212.242.10 при Федеральном государственном
бюджетном образовательном учреждении высшего образования «Саратовский
государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.» (СГТУ имени
Ю.А. Гагарина) по адресу: 410054, Саратов, ул. Политехническая, 77, СГТУ,
корп. 1, ауд. 414.
С диссертацией и авторефератом можно ознакомиться в научнотехнической
библиотеке
ФГБОУ ВО
«Саратовский
государственный
технический университет имени Гагарина Ю.А.» и на официальном сайте:
www.sstu.ru
Автореферат разослан «____» ____________ 2018 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета
Миргородская
Екатерина Евгеньевна
3
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. Значительная часть территории Российской
Федерации (РФ), имеющая малую плотность населения, не присоединена к
централизованным электроэнергетическим системам. Подобная картина
является характерной и для Республики Казахстан (РК), занимающей 9-е место в
мире по площади территории (2,7 млн. км2). При этом плотность населения
составляет всего 5,5 чел./км2.
На протяжении многих лет дизель-генераторы (ДГ) являются основным
источником электроснабжения потребителей на удаленных территориях, и на
сегодняшний день полноценной замены им нет. Однако дизельные
электростанции (ДЭС) обладают рядом недостатков, главными из которых
являются высокая себестоимость генерируемой электроэнергии, обусловленная
большим расходом дорогого дизельного топлива, и затраты на его доставку в
отдаленные районы.
Одним из способов повышения эффективности ДЭС является применение
гибридных автономных электростанций на основе возобновляемых источников
энергии (ВИЭ). Среди всех видов ВИЭ в долгосрочной перспективе наибольший
потенциал имеет ветроэнергетика на территории как России, так и Казахстана. В
настоящее
время
уровень
разработок
и
внедрения
автономных
электрогенерирующих систем с совместным использованием ДЭС и ВИЭ
остается недостаточным. Учитывая данные обстоятельства, актуальными
являются задачи разработки, создания, исследования и внедрения новых
высокоэффективных автономных ветро-дизельных электрических установок
(ВДЭУ) для выработки электроэнергии.
Проблеме создания автономных источников электроэнергии на основе
ВИЭ + ДЭС посвящён целый ряд работ как в России, так и за рубежом. Большой
вклад в развитие теории и разработку конструкции ВДЭУ внесли отечественные
ученые: Б.В. Лукутин, С.Г. Обухов, А.В. Серебряков, Н.М. Парников,
А.В. Бобров, М.А. Сурков, Е.Н. Соснина, З.П. Хошнау, А.А. Бельский,
А.А. Аверин, А.Н. Дорошина и др.
Данная диссертационная работа выполнялась в соответствии с программой
06В «Повышение эффективности производства, преобразования, передачи,
распределения электроэнергии и управления электроэнергетическими
процессами», входящей в перечень основных научных направлений СГТУ
имени Гагарина Ю.А.
Объектом исследования является автономный электротехнический
комплекс (ЭТК), представляющий собой локальную систему электроснабжения
с использованием ВДЭУ.
Предмет исследования – совместные режимы работы ДЭС и
ветроэнергетических установок (ВЭУ) в составе автономного ЭТК.
Цель работы и задачи исследования – улучшение энергетических и
эксплуатационных характеристик комбинированных автономных систем
электроснабжения, использующих ДЭС и ВЭУ, за счет разработки новых
технических решений, рациональной организации режимов работы силового
оборудования и системы управления.
4
Достижение поставленной цели предполагает решение следующих
задач:
1. Провести сравнительный анализ существующих технических решений,
используемых при построении ветро-дизельных систем автономного
электроснабжения, и обозначить перспективные направления создания
комбинированных автономных систем электроснабжения повышенной
эффективности, использующих ДЭС и ВЭУ.
2. Разработать инновационную структуру ВДЭУ и алгоритм ее работы.
3. Разработать математическую модель ВДЭУ с накопителем энергии
(НЭ), комплексной нагрузкой и системой управления (СУ).
4. Исследовать режимы работы ВДЭУ в широком диапазоне скоростей
ветрового потока и при различном характере графиков интенсивности работы
нагрузки.
5. Оценить экономическую эффективность разработанной системы.
Методы исследования включают аналитические методы, которые
базируются на теории электрических машин, современной теории работы ВЭУ,
а
также
методы
численного
и
имитационного
моделирования
электромеханических систем. Расчетные данные получены с применением
пакета прикладных программ MATLAB / Simulink.
Достоверность полученных в работе результатов обеспечивается
корректным применением положений теоретических основ электротехники,
электрических
машин,
апробированных
методов
компьютерного
моделирования, а также экспериментальными исследованиями опытного
образца.
Научные положения и результаты, выносимые на защиту:
1. Результаты сравнительного анализа автономных систем генерирования
электроэнергии различной физической природы, позволившие выделить
наиболее эффективное направление развития этих систем, основанное на
применении в их структуре общей шины постоянного тока, как наиболее
эффективное и универсальное решение для суммирования мощности устройств с
различной выходной мощностью.
2. Разработанный и запатентованный ЭТК с системой запрета
одновременного пуска мощных нагрузок, обладающий улучшенными техникоэкономическими показателями по сравнению с существующими аналогами по
удельному расходу топлива (снижение на 15-20 %), установленной мощности
(до 30 %) и взаиморезервированию.
3. Имитационные компьютерные математические модели ЭТК с ВДЭУ,
позволяющие исследовать и получать параметры установившихся и
динамических режимов работы в условиях изменяющихся в широких пределах
внешних и внутренних возмущающих факторов.
4. Результаты сравнительного моделирования режимов работы
мультимодульных ВЭУ, позволившие определить рациональные условия работы
ВЭУ (при разном количестве лопастей: 3, 6, 12) в зависимости от скорости
ветра, характера нагрузки и способа суммирования выходных мощностей
модулей.
5
Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:
– в выявлении характера зависимости эффективной работы
разнолопастных ветродвигателей многомодульной установки при различных
способах формирования выходного напряжения.
– в разработке ветро-дизельной системы автономного электроснабжения
(патент РФ №2588613, МПК H02J 3/46) с системой запрета одновременного
пуска нескольких мощных нагрузок, что позволяет уменьшить установленную
мощность электрогенерирующего оборудования ветрогенератора (ВГ), ДГ и
емкость аккумуляторной батарей (АКБ) на 30 %;
– в разработке обобщенной математической модели ЭТК с ВДЭУ, которая
позволяет исследовать и получать параметры установившихся и динамических
режимов работы в условиях изменяющихся в широких пределах внешних и
внутренних факторов;
– в результатах технико-экономического анализа эффективности
использования разработанной системы автономного электроснабжения,
показывающих, что применение разработанной системы позволяет снизить
установленную мощность ДЭС на 25-30 % и, соответственно, уменьшить
капитальные затраты на ее приобретение, сохраняя гарантированный ресурс
дизеля за счет исключения режима работы дизеля с малыми нагрузками менее
25 % от номинальной мощности дизеля.
Практическую ценность и полезность работы представляют:
1. Разработанное новое схемотехническое решение ЭТК с ВДЭУ с
улучшенными технико-экономическими показателями во всем диапазоне
изменения возмущающих факторов и сигналов управления.
2. Имитационные математические модели, позволяющие снизить расходы
и время на проектирование, и разработку ВДЭУ.
3. Конструктивные решения выполнения мультимодульной ВЭУ.
Реализация результатов работы. Результаты диссертационной работы
использованы при выполнении исследований в учебном процессе кафедры
«Энергетика» Западно-Казахстанского аграрно-технического университета
имени Жангир хана (ЗКАТУ им. Жангир хана), при проведении лекционных
занятий и выполнении курсовых и выпускных работ бакалавров и магистров по
специальности 5В071800 и 6М071800 – «Электроэнергетика».
Апробация работы. Основные положения и результаты исследования
диссертационной работы докладывались и обсуждались на Международной
научно-практической конференции «Наука и образование – главный вектор
развития Казахстана» (ЗКИГУ, Уральск, 2012), «Казахстан на пути к обществу
знаний» (ЗКИГУ, Уральск, 2013); Международной конференции, посвященной
105-летию со дня рождения профессора Красникова В.В. «Новые технологии и
технические средства в АПК» (СГАУ им. Н.И. Вавилова, Саратов, 2013); III
Международной научной конференции «Проблемы управления, обработки и
передачи информации» (СГТУ имени Гагарина Ю.А., Саратов, 2013); III
Всероссийской научно-технической конференции «Энергоэффективность и
энергобезопасность производственных процессов» (ТГУ, Тольятти, 2014); ХI
Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы
6
электронного приборостроения» (АПЭП-2014, СГТУ имени Гагарина Ю.А.,
Саратов, 2014); XI Международной научно-практической конференции
«Проблемы управления в социально-экономических и технических системах: сб.
научн. статей по материалам» (СГТУ имени Гагарина Ю.А., Саратов, 2015); IV
Международной научной конференции «Проблемы управления, обработки и
передачи информации» (УОПИ-2015, СГТУ имени Гагарина Ю.А., Саратов,
2015); Международной научно-практической конференции, посвященной 20летию Конституции Республики Казахстан и Ассамблеи народа Казахстана
«Наука и образование XXI века: опыт и перспективы» (ЗКАТУ им. Жангир хана,
Уральск, 2015).
Личный вклад соискателя заключается в выполнении основного объема
исследований, изложенных в работе, в обработке, анализе, обобщении
полученных результатов и формулировке выводов, выполненных в период с
2011 по 2017 года, а также в личном участии в апробации результатов
исследования и подготовке основных публикаций по выполненной работе, в
разработке, изготовлении и испытаний узлов и агрегатов экспериментальной
мультимодульной ВЭУ.
Публикации. По теме диссертации опубликованы 25 работ (3 статьи в
журналах, входящих в перечень ведущих рецензируемых изданий,
рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ, 20 статей в научных сборниках, один
патент РФ на изобретение и один патент на полезную модель РК). Список
публикаций по теме диссертации приведен в конце автореферата.
Объём и структура диссертационной работы. Диссертационная работа
состоит из введения, шести глав с выводами, заключения, списка литературы.
Объем работы составляет 139 страниц, в тексте 64 иллюстрации, 4 таблицы.
Список литературы включает 178 наименований, в том числе 23 – на
иностранном языке.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обосновываются актуальность и целесообразность
выбранной темы диссертационного исследования, характеризуется степень ее
разработанности, определяются цели и задачи, изложены научная новизна,
практическое значение результатов диссертационных исследований, отмечен
личный вклад соискателя, приведены данные об апробации результатов работы
и публикации.
В первой главе на основе анализа научно-технической и патентной
литературы дана общая характеристика проблемы, выбрано направление
исследования и намечены основные задачи по повышению эффективности
комбинированных систем автономного электроснабжения для фермерских
хозяйств, коттеджей и загородных домов на основе ВДЭУ.
Во
второй
главе
проведен
анализ
вариантов
построения
комбинированных ВДЭУ с суммированием потоков энергии на переменном и
постоянном токе.
7
На рис. 1 представлена структурная блок-схема ЭТК с ВДЭУ.
Особенностью рассматриваемой системы является наличие источников энергии
различной физической природы: ДГ, ВГ и АКБ.
Рис. 1 – Структурная блок-схема ЭТК с ВДЭУ
Уравнение баланса активных мощностей на шине постоянного тока (без
учета потерь мощности в преобразовательных устройствах) имеет вид
PДГ  PВГ  PА  PН ,
(1)
где
PДГ , PВГ – мощности, генерируемые ДГ и ВГ соответственно; PА – мощность,
отдаваемая (забираемая) АКБ; PН – мощность, отдаваемая в нагрузку.
Нестабильный график нагрузки и стохастический характер режима работы
ВГ должны компенсироваться соответствующим режимом работы ДГ и АКБ.
Для обеспечения надежной работы системы электроснабжения (СЭС) должно
выполняться условие
PДГ  PА  PH  PВГ .
(2)
При этом расход дизельного топлива будет минимальным, если АКБ
находится в заряженном состоянии, а ВГ работает в режиме выдачи
максимальной мощности.
Так как суммирование потоков энергии производится на общей шине
постоянного тока с напряжением U d , мощности, отдаваемые ДГ и ВГ, будут
пропорциональны выходным токам выпрямителей. Поэтому уравнение (1)
можно переписать следующим образом:
Id 1  Id 2  Id 3  I A  Id ,
где
I d 1 , I d 2 – выходные токи выпрямителей ДГ и ВГ;
(потребляемый) АКБ; I d – входной ток инвертора.
(3)
I A – ток, отдаваемый
8
Напряжение U H , подаваемое с выхода инвертора на нагрузку, зависит от
ее параметров и напряжения на входе инвертора U d . В современных
преобразователях стабилизация напряжения U H осуществляется за счет
широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Поэтому для обеспечения заданного
качества электроэнергии на нагрузке при изменении ее параметров в широком
диапазоне целесообразно держать стабильным напряжение U d на шине
постоянного тока. Это позволит уменьшить диапазон ШИМ и тем самым
снизить требования к выходному фильтру инвертора.
Одним из эффективных направлений в малой ветроэнергетике является
разработка и создание мультимодульных ВЭУ. Применение данной конструкции
ВЭУ позволяет иметь ряд технологических преимуществ перед существующими
конструкциями. Так как малые ВЭУ располагаются около жилья или на крыше
построек, то они должны обладать минимальным шумом и малой вибрацией.
Использование многолопастного ветроколеса позволяет снизить скорость
вращения ветроколеса и тем самым снизить шум. Наличие нескольких модулей
в единой конструкции позволяет значительно снизить вибрацию конструкции за
счет несовпадения частот вибрации отдельных модулей. Применение кольца,
объединяющего концы лопастей, позволяет уменьшить концевые потери и шум
ветрового потока, а также повысить жесткость ветроколеса. При выходе из
работы одного из моделей ВЭУ продолжает работать и выдавать мощность.
Мультимодульная ВЭУ с синхронным генератором на постоянных
магнитах и преобразователем частоты на основе инвертора обеспечивает
выработку качественной электроэнергии при изменении нагрузки и скорости
ветра, обладает высокой ремонтопригодностью, надежностью, удобна в
транспортировке, монтаже, эксплуатации.
На рис. 2 приведена блок-схема разработанной автономной системы
электроснабжения с ВДЭУ с системой запрета одновременного пуска мощных
электроприемников, что исключает значительную перегрузку ветро-дизельной
установки.
Данная система имеет уменьшенную установленную мощность
электрогенерирующего оборудования, что способствует снижению его
стоимости. Электроэнергия от ВЭУ и ДЭС после преобразования поступает на
шину постоянного тока, к которой подключены через инвертор потребители,
АКБ и электронагреватели. Потребители получают переменное напряжение
220/380 В с выхода инвертора. АКБ обеспечивает работу системы
электроснабжения при нагрузках Sнаг меньше Sдиз.мин.
По техническим требованиям работа дизеля (при нагрузках меньше 25 %
Sдиз.ном) запрещена, так как при этом образуется нагар в цилиндрах и резко
сокращается ресурс его работы. Исследуемая система является изолированной,
возможность подключения к централизованной сети не рассматривается.
Приведенная схема сопряжения источников энергии на шине постоянного
тока является наиболее эффективной. Система может иметь 11 режимов работы
в зависимости от текущих значений нагрузки, параметров ветрового потока и
состояния АКБ и ВДЭУ.
9
Рис. 2 – Блок-схема автономной системы электроснабжения с ВДЭУ
и системой запрета одновременного пуска мощных потребителей
ВД – ветродвигатель; Г – генератор; ДВС – двигатель внутреннего сгорания;
В – выпрямительно-зарядное устройство; АБ – аккумуляторная батарея; И – инвертор;
ШПТ – шины постоянного тока; К – контроллер заряда-разряда; ТА – датчик тока;
TV – датчик напряжения; ЭП1-ЭПN – электроприемники; К1 – KN – коммутаторы
Третья
глава
посвящена
разработке
группы
имитационных
математических моделей ВЭУ и исследованию их работы на активную нагрузку
и аккумуляторную батарею. Имитационные математические модели были
созданы в системе компьютерного моделирования MATLAB / SIMULINK.
Были проведены обширные сравнительные исследования режимов работы
3-, 6- и 12-лопастных одномодульных ветродвигателей с одинаковой ометаемой
площадью (3 м2) и однотипным электрогенератором при работе на активную
нагрузку и на АКБ в широком диапазоне ветровых нагрузок – 3…15 м/с с целью
определения различий в параметрах генерируемых напряжений, токов и
достигаемых мощностей.
Выявлены особенности работы одномодульной ВЭУ на АКБ, постоянно
подключенную через неуправляемый выпрямитель к выходу генератора, по
сравнению с работой ВЭУ на АКБ через широтно-импульсное зарядное
устройство. Были проведены исследования зависимости токов, напряжений,
мощностей, а также скорости вращения генераторов 12-, 6- и 3-лопастных
ветродвигателей при изменении величины активного сопротивления Rнагрузки от 1
до 100 Ом и скорости ветра от 3 до15 м/с. По результатам выполненных
расчетов построены графики (рис. 3).
10
а
б
Работа ВЭУ на Rнагрузку
Работа ВЭУ на Rнагрузку (12 лопастей)
5000
120
80
3000
Р наг, Вт
4000
U, I, n [B, A, рад/с]
100
60
40
20
2000
1000
0
1
0
1
10
I наг,15м/с
Rнаг , Ом
U наг,15м/с
в
100
10 R наг, Ом
100
P наг,15м/с (3лопасти)
P наг,15м/с (6лопасти)
P наг,15м/с (12лопасти)
n,rad/c
г
Рис. 3–- Графики зависимости токов, напряжений, мощностей нагрузки и скорости вращения
генератора от величины Rнаг для 3-, 6- и 12-лопастных ветроколес
Анализ полученных графиков показал, что при использовании
ветродвигателей с разным количеством лопастей, но одинаковой ометаемой
площадью (3 м2) и однотипными электрогенераторами для ВЭУ, имеются
значительные расхождения по величине генерируемого напряжения и
получаемой мощности. Это объясняется различием аэродинамических свойств
ветроколес с разным количеством лопастей.
Графики показывают, что при скорости ветрового потока 15 м/с
напряжение на нагрузке 12-лопастной ВЭУ изменяется от 40 до 100 В при
изменении величины сопротивления нагрузки от 1 до 100 Ом. Для 6-лопастной
ВЭУ величина изменения напряжения на нагрузке при тех же условиях составит
от 50 до 230 В, а для 3-лопастной ВЭУ получим значения от 10 В до 270 В.
При работе ВЭУ на АКБ (24 В) работа ветрокомплекса носит
принципиально иной характер.
Режим запуска ВЭУ с постоянно подключенной к генератору через
неуправляемый выпрямитель АКБ показал следующие результаты (рис. 4):
максимальная генерируемая мощность трехлопастной ВЭУ при скорости ветра
15 м/с снижается до 443 Вт, то есть снижение в 8 раз по сравнению с работой на
активную нагрузку; шестилопастной – до 1183 Вт (снижение в 3 раза), 12лопастной – до 1187 Вт (снижение в 1,5 раза).
11
Рис. 4 – Графики зарядной мощности АКБ (24 В) в зависимости
от скорости ветра для ВЭУ с разным количеством лопастей
Неэффективный результат для трехлопастного ветроколеса объясняется
малым пусковым моментом. Ветроколесо застревает в зоне низких скоростей
вращения. Если у 6- и 12-лопастных ВЭУ скорость вращения составляет 65
рад/с, то у 3-лопастной – 9 рад/с. Данную ситуацию можно существенно
улучшить, если дать возможность ВЭУ набрать большие обороты на холостом
ходу и только после этого подключить АКБ для заряда. Однако при провале
скорости ветра до нуля ВЭУ будет застревать в зоне малых оборотов и малой
выдаваемой мощности. В данном исследовании показано неэффективное
применение простых зарядных устройств на основе неуправляемого
выпрямителя. Для повышения эффективности работы ВЭУ на АКБ необходимо
использовать более сложное зарядное устройство с ШИМ.
Для импульсного сигнала справедливы следующие соотношения:
,
где S – скважность, D – коэффициент заполнения, T – период импульсов, τ – длительность
импульса.
Изменяя коэффициент заполнения импульсов ШИМ можно влиять на
величину зарядного тока АКБ и тем самым оптимальным образом согласовать
скорость вращения ветроколеса с электромагнитным моментом генератора и
мощностью ветрового потока с целью получения максимальной эффективности
работы ВЭУ. На рис. 5 и 6 показаны зависимости вырабатываемой мощности
ВЭУ и зависимости мощности заряда АКБ (24 В) от величины коэффициента
заполнения импульсов ШИМ контроллера. График имеет точку максимальной
мощности, в которой величина генерируемой мощности увеличилась в 3 раза по
сравнению с режимом заряда от неуправляемого выпрямителя.
Наличие нескольких модулей позволяет реализовывать несколько
способов включения генераторов: параллельное, последовательное и смешанное.
В диссертации приводятся SIMULINK модели для исследования работы
двухмодульной ВЭУ при разных способах включения генераторов.
12
Рис. 5 – Зависимость мощности ВЭУ
от коэффициента заполнения импульсов
ШИМ контроллера
Рис. 6 – Графики зависимости мощности
заряда АКБ 12-лопастной ВЭУ
от коэффициента заполнения периода ШИМ
для разных скоростей ветрового потока
На рис. 7 представлено сравнение характеристик зарядной мощности АКБ
при последовательном и параллельном соединении двух модулей с 12 и 3
лопастями.
а
б
Рис. 7 – Сравнение характеристик зарядной мощности АКБ
при последовательном и параллельном соединении 2 модулей:
а) 12 лопастей;
б) 3 лопасти
При последовательном соединении генераторов модулей наиболее
эффективными являются ветроколеса с 12 лопастями. Для трехлопастных
ветроколес наиболее эффективным способом соединения генераторов является
параллельное соединение.
По результатам исследования построены совмещенные графики при
параллельном (рис. 8 а) и последовательном (рис. 8 б) соединении генераторов
модулей с 3, 6 и 12 лопастями. При последовательном соединении модулей
наиболее эффективными в зоне малых и средних значений скоростей ветра (3-10
м/с) являются многолопастные ВК (12 лопастей).
13
а
б
Рис. 8 – Совмещенный график при параллельном и последовательном
соединении генераторов модулей с 3, 6 и 12 лопастями:
а) параллельное соединение; б) последовательное соединение
При параллельном соединении модулей в зоне малых скоростей ветра (310 м/с) модули с 6 и 12 лопастями равноценны. В зоне средних и больших
скоростей (≥10 м/с) более эффективны модули с 6 лопастями. Трехлопастные
модули с постоянно включенной АКБ не могут нормально начать работать, т. к.
они требуют запуска на холостом ходу.
Четвертая глава посвящена разработке полной имитационной модели
ЭТК с ВДЭУ с улучшенными техническими характеристиками, которая
заключается в повышении надежности электроснабжения за счет исключения
перегрузок, возникающих при одновременном включении мощных
электроприемников, имеет систему запуска, блока управления разрешения
включения.
В пакете MATLAB / Simulink разработана полная имитационная
математическая модель ЭТК с ВДЭУ, в которой ВЭУ и ДЭС сопряжены через
шину постоянного тока (рис. 9).
Имитационная
математическая
модель
включает
следующие
взаимосвязанные блоки:
1) Двухмодульную ВЭУ (субсистема 1), каждый модуль которой состоит
из ветротурбины с горизонтальной осью вращения (без редуктора) и
синхронного генератора на постоянных магнитах GL-PMG-30K;
2) ДЭС с переменной частотой вращения, состоящую из дизельного
двигателя с системой управления и синхронного генератора мощностью 10 кВт;
3)
блок
нагрузки,
позволяющий
моделировать
потребителей
электроэнергии с разным характером потребления: потребители активной,
активно-индуктивной и двигательной нагрузки, с переменной нагрузкой на валу;
4) логическую схему формирования сигналов «вкл / выкл» для
потребителей;
5) блок, моделирующий распределительную электрическую сеть
(кабельные линии);
6) шину постоянного тока, выпрямители, автономный инвертор и
коммутационную аппаратуру;
7) аккумуляторную батарею с зарядно-разрядным устройством;
14
Рис. 9 – Полная имитационная математическая модель ЭТК с ВДЭУ
8) балластную нагрузку (ТЭН), заданную активным сопротивлением;
9) логическую схему формирования сигналов «вкл / выкл» агрегатов
ветро-дизельной установки, оформленную как субсистема 2;
10) измерительные приборы для контроля основных электрических
величин.
В зависимости от соотношения входных переменных разработанная
имитационная
математическая
модель
позволяет
исследовать
как
установившиеся, так и переменные режимы работы в любых элементах системы
и в зависимости от текущих значений нагрузки, параметров ветрового потока и
состояния АКБ.
ВДЭУ может иметь 11 возможных режимов работы. На рис. 10
представлена функциональная схема блока автоматического выбора режимов
работы ВДЭУ.
Разработанная математическая модель не учитывает следующие
возможные ситуации: изменение объёма топлива ДЭС; срабатывание систем
защит; управление и стабилизация скорости вращения ВЭУ при ориентации на
ветер.
15
Рис. 10 – Функциональная схема блока автоматического выбора режимов работы ВДЭУ
Пятая глава посвящена технико-экономическому обоснованию
применения разработанной системы с ВДЭУ. Рассматривая автономную систему
электроснабжения фермерского хозяйства, состоящую из ДЭС (марка FPT-Iveco
АД-15), ВЭУ, АКБ (760 А·ч×12 В), общей шины постоянного тока, выходного
инвертора и электрической нагрузки, определены возможные 5 режимов работы
источников энергии комбинированного ЭТК.
1-й режим – работает только ДЭС с n=1500 об/мин; 2-й режим – ДЭС
работает с переменной скоростью вращения n=var; 3-й режим – работают ДЭС с
n=var и ВЭУ; 4-й режим – работают ДЭС с n=var, а также ВЭУ и АКБ; 5-й
режим – работают ДЭС с n=var и АКБ.
Используя комбинированную характеристику дизеля FPT-Iveco АД-15
(рис. 11) и суточные графики нагрузки, определен удельный расход топлива
ДЭС (1-й и 2-й режимы) с постоянной и переменной частотой вращения.
При расчете удельного расхода топлива ДЭС для 3-го, 4-го и 5-го
возможных режимов учитывалось, что мощности ВЭУ и АКБ составляют
соответственно 20% и 10% от максимальной мощности нагрузки.
На
рис. 12
представлен
режим
работы
рассматриваемого
комбинированного ЭТК для зимнего и летнего графика нагрузок, при котором
экономическая эффективность наиболее высокая и топливная составляющая
имеет наименьшее значение.
16
Рис. 11 – Комбинированная характеристика дизеля FPT-Iveco АД-15
Для зимнего и летнего суточных графиков нагрузки и возможных режимов
работы источников электроэнергии ЭТК были определены показания удельного
расхода топлива ДЭС.
а
б
Рис. 12 – Режимы работы источников электроэнергии
а) при работе по зимнему графику нагрузки;
б) при работе по летнему графику нагрузки
Годовой расход топлива комбинированной ветро-дизельной установки
определялся по формуле
Gгод  G  G
з
л
G
G
где
з , л – расход топлива по зимнему и летнему суточному графику нагрузки в течение
183 и 182 суток, г.
m
m
G з  171   Pkз 4  gekз 4 tkз 4  12  Pkз 5 gekз 5tkз 5
;
k 1
k 1
m
m
k 1
k 1
Gл  164   Pkл 4  gekл 4 tkл 4  18  Pkл5  g ekл5  t kл5
.
17
где 171 и 12, 164 и 18 – количество дней с ветром и штиля; Pkз 4 , Pkл 4 – нагрузка по зимнему и
летнему графику в режиме комбинированной работы ДЭС, ВЭУ и АКБ, кВт; gekз 4 , gekл 4 –
удельный расход топлива ДЭС с переменной скоростью вращения дизеля по зимнему и
летнему графику нагрузки в комбинировании с ВЭУ и АКБ, г/кВт×ч; tkз 4 , tkл 4 – время
действия нагрузки по зимнему и летнему графику в режиме комбинированной работы ДЭС,
ВЭУ и АКБ, ч; Pkз5 , Pkл5 – нагрузка по зимнему и летнему графику в режиме
комбинированной работы ДЭС и АКБ, кВт; g ekз5 , gekл5 – удельный расход топлива ДЭС с
переменной скоростью вращения дизеля по зимнему и летнему графику нагрузки в
комбинировании с АКБ, г/кВт×ч; tkз5 , tkл5 – время действия нагрузки по зимнему и летнему
графику в режиме комбинированной работы ДЭС и АКБ, ч.
Годовой расход топлива комбинированной установки и рассматриваемых
суточных графиков нагрузки составил 7,97 тонны дизельного топлива. Годовая
экономия топлива комбинированной установки в сравнении с традиционной
схемой ДЭС с постоянной частотой вращения составила 5,548 тонны.
Применение в автономной системе электроснабжения фермерского
хозяйства ДЭС с переменной частотой вращения дизеля позволило сэкономить
порядка 10 % топлива в год, экономия топлива в сравнении с традиционной
схемой, выполненной на основе одной ДЭС с постоянной скоростью вращения
1500 об/мин, составила порядка 43 % и для выработки электроэнергии,
состоящей из ДЭС+ВЭУ+АКБ, позволяет снизить установленную мощность
подбираемой ДЭС на 25-30 % и соответственно сэкономить капитальные
затраты на её приобретение.
В шестой главе приведено описание действующего образца 6-модульной
ВЭУ (рис. 13) для подтверждения теоретических положений и расчетов,
приведенных в работе. Конструкция мультимодульной ВЭУ выполнена по
бесконсольной схеме, состоит из нескольких модулей, которые закреплены на
вращающейся раме, установленной на опоре. Данное решение позволило
снизить массогабаритные показатели опоры ВЭУ.
На рис. 13 представлены экспериментальная 6-модульная ВЭУ на
площадки испытаний, автомобиль в процессе определения характеристик
разработанного модуля ВЭУ и оборудование, на котором фиксировались
результаты исследования режимов работы модуля.
а
б
Рис. 13 – Действующий образец шестимодульной ВЭУ:
а – ветроколесо на крыше автомобиля; б – контрольно-измерительные приборы
18
Исследования проводили в несколько этапов: при скорости автомобиля 10
км/ч (2,778 м/с), 20 км/ч (5,556 м/с), 30 км/ч (8,33 м/с), 40 км/ч (11,1 м/с), 50 км/ч
(13,89 м/с). Фиксировались показания генерируемого напряжения U, В; тока I, А;
частоты f, Гц. Измерение частоты напряжения позволяло определять скорость
вращения ветроколеса. В качестве нагрузки использовалось переменное
сопротивление, величина которого изменялась от 1 до 100 Ом.
Результаты
экспериментов
подтвердили
правильность
основных
теоретических положений, адекватность разработанной математической модели
ЭТК и реального объекта.
В заключении отражены основные выводы и результаты исследования.
В диссертационной работе приводятся результаты решения комплекса задач,
имеющие важное научное и практическое значение для локальных систем
электроснабжения при использовании гибридных ВДЭУ. Проведенные
исследования позволили достичь цели диссертационной работы:
1. Выполнен подробный сравнительный анализ существующих технических
решений по повышению эффективности комбинированных автономных СЭС,
используемых при построении ветро-дизельных систем автономного
электроснабжения. Определено, что структурные схемы систем автономного
электроснабжения, выполненные с применением шины постоянного тока, имеют
ряд преимуществ, которые проявляются в большей степени при объединении в
общую систему источников энергии разной физической природы и установленной
мощности.
2. Разработана структурная схема ЭТК с ВДЭУ, обладающая повышенной
надежностью электроснабжения за счет исключения перегрузок, возникающих при
одновременном включении нескольких мощных электроприемников.
3. Исследованы режимы работы ВЭУ в широком диапазоне скоростей ветра
при работе на активную нагрузку и АКБ, что позволило оценить эффективность
преобразования энергии ветра в электроэнергию для ветроколёс с 3, 6 и 12
лопастями, а также выявить различия при работе на активную нагрузку и АКБ.
4. Разработана математическая модель ВЭУ, состоящая из нескольких
однотипных модулей, позволяющая решать задачу исследования работы модулей
при последовательном и параллельном соединении их выходных напряжений.
Показано, что в зоне слабых скоростей ветра предпочтительно использование
ветроколес с большим количеством лопастей и последовательным соединением
выходных напряжений модулей, в зоне сильных скоростей – малолопастных
ветроколес при параллельной работе модулей.
5. Разработана полная имитационная математическая модель ЭТК с ВДЭУ,
системой ограничения одновременного пуска мощных нагрузок и блоком
формирования состава работающего оборудования в зависимости от потребности в
электроэнергии, ветрового напора и состояния АКБ. Модель позволяет исследовать
электромагнитные процессы во всех элементах ЭТК при изменении скорости ветра
от 3 до 15 м/с и мощности нагрузки от 0 до 20 кВт как в установившихся, так и в
переходных режимах работы.
6. Выполнен технико-экономический расчет по расходу топлива
автономной СЭС, состоящей из ДЭС+ВЭУ+АКБ. Показано, что в сравнении с
традиционной схемой ДЭС с постоянной скоростью вращения 1500 об/мин
экономия топлива составила порядка 43%.
19
7. Показано, что применение разработанной системы ЭТК на основе ВДЭУ
позволяет снизить установленную мощность ДЭС на 25-30 % и соответственно
уменьшить капитальные затраты на её приобретение, сохраняя гарантированный
ресурс дизеля за счет исключения режима работы дизеля с малыми нагрузками
менее 25 % от номинальной мощности дизеля.
Перспективы дальнейшей разработки темы
Разработка комплекта программ для различных типов контроллеров
системы управления. Разработка полного комплекта конструкторскотехнологической документации для организации серийного производства.
Основные публикации по теме диссертации
Научные статьи, опубликованные в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ
1. Степанов, С.Ф. Обеспечение эффективной работы мультимодульной ветроэлектростанции при
изменении скорости ветра и нагрузки [Текст] / С.Ф. Степанов, И.М. Павленко, Е.Т. Ербаев // Современные
проблемы науки и образования. – 2013. – № 6 [Электронный журнал] URL: http://www.scienceeducation.ru/113-11407
2. Особенности построения автономной ветродизельной системы электроснабжения объектов с
электроприемниками разного типа [Текст] / Е.Т. Ербаев, И.И. Артюхов, С.Ф. Степанов и др. // Современные
проблемы науки и образования [Электронный журнал]. – 2015. – № 1 URL: http://www.scienceeducation.ru/121-17998
3. Ветродизельная установка для электроснабжения фермерского хозяйства [Текст] / И.И. Артюхов,
С.Ф. Степанов, С.В. Молот, Е.Т. Ербаев // Вестник аграрной науки Дона. – 2016. – № 1 (33). – С. 41 – 48.
Сведения о патентах и изобретениях
4. Пат. 2588613 Российская Федерация, МПК H02J 3/46. Ветродизельная система автономного
электроснабжения / Артюхов И.И., Степанов С.Ф., Молот С.В., Ербаев Е.Т.; заявитель и патентообладатель
СГТУ имени Гагарина Ю.А. – № 2015124275; заявл. 22.06.2016; опубл. 10.07.2016, Бюл. № 19. – 9 с.
5. Пат. на полезную модель 1577 Республика Казахстан, МПК F03D 9/00. Гибридная система
автономного электроснабжения / Е.Т. Ербаев, Г.Н. Тулепова, И.И. Артюхов и др. – № 2015/0188.2; заявл.
29.06.2015; опубл.: 29.07.2016, Бюл. №8. – 5 с.
Статьи, опубликованные в других научных изданиях
6. Артюхов, И.И. Повышение энергетической эффективности дизельных электростанций при работе
на переменную нагрузку [Текст] / И.И. Артюхов, Д.А. Бочкарев, Е.Т. Ербаев // Казахстан на пути к обществу
знаний: материалы Междунар. науч.-практ. конф. Казахстан, Уральск, 4 – 6 июня 2013 г. – Уральск, Изд-во
ЗКИГУ, 2013. – С. 81 – 84.
7. Ербаев, Е.Т. Анализ ветроэнергетических установок, применяемых в электроснабжении
сельскохозяйственного производства [Текст] / Е.Т. Ербаев // Наука и образование: науч.-практ. журнал
Западно-Казахстанского аграрно-технического университета имени Жангир хана. – 2007. – № 4 (9). – С. 52 – 56.
8. Ербаев, Е.Т. Анализ ветроэнергетических установок для системы автономного энергоснабжения
[Текст] / Е.Т. Ербаев, Н.С. Жексембиева // Наука и образование: научно-практический журнал ЗападноКазахстанского аграрно-технического университета имени Жангир хана. – 2009. – № 3 (16). – С. 113 – 119.
9. Ербаев, Е.Т. Особенности электроснабжения АЗС с использованием ветроэлектростанции [Текст]
/ Е.Т. Ербаев, Н.С. Жексембиева // Наука и образование: науч.-практ. журнал Западно-Казахстанского
аграрно-технического университета имени Жангир хана. – 2009. – № 1 (14) – С. 114 – 118.
10. Ербаев, Е.Т. Анализ ветропотенциала Республики Казахстан [Текст] / Е.Т. Ербаев,
Н.С. Жексембиева // Проблемы электроэнергетики: сб. науч. тр. – Саратов: СГТУ, 2011. – С. 52 – 57.
11. Ербаев, Е.Т. Анализ ветродизельных установок [Текст] / Е.Т. Ербаев, И.И. Артюхов // Наука и
образование – главный вектор развития Казахстана: материалы Междунар. науч.-практ. конф. Уральск, 28–30
мая 2012 г. – Уральск: Изд-во ЗКИГУ, 2012. – Ч. 2. – С. 161 – 166.
12. Ербаев, Е.Т. Варианты построения схем автономных ветродизельных установок [Текст] /
Е.Т. Ербаев, И.И. Артюхов // Новые технологии и технические средства в АПК: материалы Междунар.
конф., посв. 105-летию со дня рождения профессора Красникова В.В. Саратов, 23 – 24 мая 2013 г. – Саратов:
КУБиК, 2013. – С. 9 – 11.
20
13. Ербаев, Е.Т. Анализ и оценка эффективности ветроустановок с вертикальной осью вращения
[Текст] / Е.Т. Ербаев, М.Г. Арыстанов, И.И. Артюхов // Казахстан на пути к обществу знаний: материалы
Междунар. науч.-практ. конф. (Казахстан, Уральск, 4 – 6 июня 2013 г.). – Уральск: Изд-во ЗКИГУ, 2013. –
С. 95 – 100.
14. Артюхов, И.И. Динамическая модель распределения нагрузки между агрегатами
ветродизельной электростанции [Текст] / И.И. Артюхов, Е.Т. Ербаев // Проблемы управления, обработки и
передачи информации (АТМ-2013): сб. тр. III Междунар. науч. конф. – Саратов, 2013. – Т. 2. – С. 97 – 101.
15. Ербаев, Е.Т. Распределение нагрузки между агрегатами ветродизельной электростанции [Текст] /
Е.Т. Ербаев // Энергоэффективность и энерго-безопасность производственных процессов: сб. тр. III Всерос.
науч.-техн. конф. студентов, магистрантов и аспирантов (Тольятти, 15-17 апреля 2014 г.). – Тольятти: Изд-во
ТГУ, 2014. – С. 64 – 66.
16. Артюхов, И.И. Стабилизация напряжения в системе электропитания на основе синхронного
генератора с изменяемой частотой вращения вала [Текст] / И.И. Артюхов, Д.А. Бочкарев, Е.Т. Ербаев //
Актуальные проблемы электронного приборостроения (АПЭП-2014): материалы ХI Междунар. науч. -техн.
конф. – Саратов, СГТУ, 2014. – Т. 2. – С. 7 – 10.
17. Ербаев, Е.Т. Силовая электроника – основа современных электрогенерирующих
ветроэлектрических комплексов [Текст] / Е.Т. Ербаев, С.Ф. Степанов, И.М. Павленко // Актуальные
проблемы электронного приборостроения (АПЭП-2014): материалы ХI Междунар. науч.-техн. конф. –
Саратов, СГТУ, 2014. – Т. 2. – С. 261 – 266.
18. Особенности построения автономных систем электропитания на основе генераторов с
изменяемой скоростью вращения вала [Текст] / И.И. Артюхов, С.Ф. Степанов, Д.А. Бочкарев, Е.Т. Ербаев //
Вопросы электротехнологии . –- 2015. – № 1 (6). – С. 58 – 64.
19. Управление потоками энергии в автономной системе электропитания на основе источников
энергии различной физической природы [Текст] / И.И. Артюхов, С.Ф. Степанов, Е.Т. Ербаев и др. //
Проблемы управления в социально-экономических и технических системах: сб. науч. статей по материалам
XI Междунар. науч.-практ. конф. Саратов, 09-10 апреля 2015 г. – Саратов: СГТУ, 2015. – С. 201 – 205.
20. Имитационная модель системы электроснабжения на основе синхронного генератора с
изменяемой скоростью вращения ротора [Текст] / И.И. Артюхов, Д.А. Бочкарев, С.Ф. Степанов, Е.Т. Ербаев //
Проблемы управления, обработки и передачи информации (УОПИ-2015): сб. тр. IV Междунар. науч. конф.: в
2 т. – Саратов: Издательский Дом «Райт-Экспо», 2015. – Т. 2. – С. 31 – 33.
21. Модель распределения потоков энергии в гибридной системе электроснабжения [Текст] /
И.И. Артюхов, С.Ф. Степанов, Е.Т. Ербаев и др. // Проблемы управления, обработки и передачи информации
(УОПИ-2015): сб. тр. IV Междунар. науч. конф.: в 2 т. – Саратов: Райт-Экспо, 2015. – Т. 2. – С. 34 – 37.
22. Гибридная система электроснабжения с объединенным звеном постоянного тока [Текст] /
И.И. Артюхов, С.Ф. Степанов, Е.Т. Ербаев и др. // Вопросы электротехнологии. – 2015. – № 3 (8). – С. 96 – 100.
23. Гибридная система автономного электроснабжения объектов с электроприемниками
различного типа [Текст] / Е.Т. Ербаев, И.И. Артюхов, С.Ф. Степанов и др. // Наука и образование XXI
века: опыт и перспективы: материалы Междунар. науч.-практ. конф., посв. 20-летию Конституции
Республики Казахстан и Ассамблеи народа Казахстана. (Уральск, 20 - 21 ноября 2015 г.). – Уральск: Изд-во
ЗКАТУ имени Жангир хана. – 2015. – Ч. II. – С. 295 – 300.
24. Гибридная автономная система для электроснабжения фермерского хозяйства [Текст] /
И.И. Артюхов, С.Ф. Степанов, Е.Т. Ербаев и др. // Вестник Жезказганского университета имени
О.А. Байконурова. – 2015. – № 2 (30). – С. 39 – 44.
25. Ербаев, Е.Т. Эффективность ветродизельной установки в системе автономного
электроснабжения [Текст] / Е.Т. Ербаев, В.В. Завалишин, С.Ф. Степанов, И.И. Артюхов // Проблемы
электротехники, электроэнергетики и электротехнологии (ПЭЭЭ-2017): сб. тр. V Всерос. науч.-техн. конф.
(к 50 летнему юбилею кафедры «Электроснабжение и электротехника» института энергетики и
электротехники), Тольятти, 1-2 ноября 2017 г. – Тольятти: Изд-во ТГУ, 2017. – С. 235 – 241.
Подписано в печать 21.02.2018
Формат 60×84 1/16
Бум. офсет.
Усл. печ. л. 1,0
Уч.-изд. л. 1,0
Тираж 100 экз.
Заказ 9
Бесплатно
Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.
410054, Саратов, ул. Политехническая, 77
Отпечатано в Издательстве СГТУ 410054, г. Саратов, ул. Политехническая, 77
Тел.: (8452) 24-95-70; (8452) 99-87-39, e-mail: izdat@sstu.ru
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
20
Размер файла
1 310 Кб
Теги
автономное, дизельного, электроснабжение, ветра, система, основы, установке, комбинированного
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа