4.6. Структурная блок-схема комбинированной системы автономного электроснабжения на основе возобновляемых источников энергии Для разработки силовой схемы КСАЭ-ВИЭ, а также качественного представления системы была создана ее структурная блок-схема [81]. Основополагающими факторами выбора вида ВИЭ и типа энергоустановок являются разработанность технологий их использования для автономного электроснабжения, а также их экологичность. КСАЭ-ВИЭ создается исключительно как экологически чистый источник энергии, не использующий взрывных технологий. Установленная мощность КСАЭ-ВИЭ принята равной 5 кВт: ФЭУ – 1 кВт, ВЭУ – 2 кВт, микроГЭС – 2 кВт. Краткое описание используемых установок. Фотоэлектрическая установка состоит из фотоэлектрических модулей на основе монокристаллического кремния, позволяющих реализовать широкий диапазон выходных мощностей и напряжений. Приемная площадка установки представляет оптимально ориентированную, неподвижную, наклоненную поверхность. Ветроэлектрическая установка вертикально-осевого типа с синхронным генератором на постоянных магнитах была выбрана исходя из большей экологической безопасности. В устраивающем нас диапазоне мощностей на рынке имеется уже достаточное количество установок подобного типа. МикроГЭС рукавного типа с активной турбиной Банки с асинхронным генератором и конденсаторной системой возбуждения. Для данной мощности такая установка является наиболее экономичной, она проста в конструкции, маневренна и имеет относительно высокий КПД, поскольку обратное движение лопастей осуществляется в воздушной среде, а не в воде. Еще один перспективный вид ВИЭ, который был предварительно выбран для рассмотрения – биомасса. На сегодняшний день установки на ее основе разработаны только для систем, характеризующихся большими мощностями. На рынке нет компактных установок подобного рода для электроснабжения потребителей небольшой мощности. Важным качеством этого вида установок является управляемость, позволяющая обеспечить гарантированность электроснабжения потребителя. В перспективе, используя этот вид источника энергии в составе комбинированных систем электроснабжения, возможно без особых усилий обеспечить гарантированность электроснабжения потребителя. Причем само сырье (биотопливо), обеспечивающее функционирование таких установок, будет использоваться лишь при необходимости – при недостаточном поступлении энергии от других (неуправляемых) генераторов на основе ВИЭ. Для аккумулирования энергии в периоды избыточного ее поступления от первичных источников (установок ВИЭ) и выработки в периоды дефицита выбраны следующие накопители энергии: АБ и суперконденсаторы (высоковольтная батарея суперконденсаторов). Суперконденсаторы выступают в качестве буфера, предназначенного для кратковременного демпфирования электрической энергии, и элемента, характеризующего энергетический баланс в системе, а АБ используются при длительном дефиците электрической энергии. Учитывая относительно высокую стоимость на сегодняшний день, суперконденсаторы были заменены на обычные электролитические конденсаторы, обеспечивающие в основном функцию элемента, характеризующего энергетический баланс в системе. В качестве АБ используются герметичные свинцо-кислотные необслуживаемые аккумуляторные батареи, т.к. они надежны, удобны и безопасны, а также характеризуются малой величиной саморазряда. Не уступают им, а по некоторым параметрам превосходят, литий-железо-фосфатные АБ. Однако в связи с необходимостью их заказа и длительностью поставки, на данной стадии выбор был сделан в пользу свинцово-кислотных АБ. В качестве элементов силовой электроники, осуществляющих объединение электрического оборудования в единую систему электроснабжения, используются AC-DC преобразователи, построенные по мостовой схеме, повышающие и понижающие импульсные преобразователи и инвертор, построенный на мостовом ШИП. AC-DC преобразователи, построенные по мостовой схеме, обладают высоким КПД, а также наименьшими пульсациями напряжения на выходе. Повышающие импульсные преобразователи подключаются к каждому из генерирующих модулей (ФЭУ, ВЭУ, микроГЭС). В случае с ВЭУ и микроГЭС они подсоединяются через выпрямитель, к ФЭУ – напрямую. Эти конверторы работают совместно на одну общую нагрузку, представляя многотакный преобразователь, и выполняют две функции:
суммирование генерируемой мощности;
отбор мощности от ФЭУ, ВЭУ и микроГЭС.
Повышающий и понижающий преобразователи выбраны в качестве зарядно-разрядного устройства (ЗРУ) аккумуляторных батарей. Они обеспечивают постоянный контроль режимов функционирования ЗРУ, необходимый для долговечной работы АБ. Для качественного и надежного функционирования КСАЭ разработка АСУК осуществляется с централизованным принципом управления на цифровой программируемой технике. На основе принятых решений по составу используемого оборудования КСАЭ-ВИЭ и его типу разработана ее структурная блок-схема (рисунок 2.1), наглядно представляющая общую структуру и состав системы, определяющая ее функциональные части, их назначения, взаимосвязи. Предусмотрены две конфигурации КСАЭ-ВИЭ определяемые характером использования системы. Первый вариант конфигурации КСАЭ-ВИЭ, предусматривающий питание нагрузки потребителя непосредственно от инвертора, используется в случае если нагрузка системы может иметь параллельное подключение к автономной электрической сети, образованной другими источниками. Второй вариант конфигурации, предусматривающий питание нагрузки потребителя параллельно от микроГЭС и инвертора, используется в случае если система электроснабжения работает исключительно на нагрузку потребителя (рабочий тракт от микроГЭС на блок-схеме показан пунктиром). В таком случае, разумеется, возможно применение и первого варианта. При выборе необходимо учитывать, что второй вариант характеризует отсутствие потерь на преобразование той части энергии микроГЭС, которая потребляется нагрузкой напрямую, однако усложняет систему управления и снижает надежность. Структурная блок-схема состоит из следующих блоков: ФЭУ; ВЭУ; микроГЭС; АБ; силовой коммутатор (СК); согласующие устройства; ЗРУ; балластное устройство (БУ); буфер; инвертор; нагрузка переменного тока (потребитель); АСУК [81]. Исходя из функциональных особенностей элементов, они условно объединены в четыре группы: блоки генерации энергии, преобразовательно-распределительные блоки, потребитель и автоматическая система управления и контроля. К блокам генерации относятся: ФЭУ, ВЭУ, микроГЭС и АБ. Таким образом, имеется два неуправляемых первичных преобразователя (ФЭУ и ВЭУ); один «квази-управляемый» (микроГЭС) и один управляемый источник (АБ), обеспечивающий бесперебойное электропитание потребителя. Преобразовательно-распределительные блоки – это элементы силовой электроники, взаимосвязанные «микросетью» постоянного тока, выполняющие функции преобразования, распределения и регулирования электрической энергии. Принцип функционирования системы.
Первичные потоки энергии возобновляемых источников преобразуются в электрическую энергию.
Затем электрическая энергия поступает на соответствующие для каждой энергоустановки согласующие устройства:
согласующее устройство ФЭУ осуществляет отбор максимальной мощности от него при постоянно изменяющихся внешних условиях (солнечное излучение, температура преобразователя) путем согласования своего внутреннего сопротивления с сопротивлением источника. При работе устройство запасает энергию в собственном конденсаторе, а при превышении напряжения передает ее буферу системы;
согласующее устройство ВЭУ осуществляет функцию аналогичную согласующему устройству ФЭУ. Разница состоит лишь в наличии выпрямителя;
согласующее устройство микроГЭС осуществляет активную коррекцию коэффициента мощности. Отличие от предыдущих двух устройств состоит в алгоритме управления. Как и в случае с ВЭУ используется выпрямитель. Возможно также схемотехническое решение без использования выпрямителя благодаря использованию повышающего импульсного преобразователя работающего и с отрицательной, и положительной полуволной переменного тока.
В совокупности согласующие устройства образуют многотактный импульсный преобразователь (МИП), осуществляющий функцию суммирования энергии от энергоустановок на основе ВИЭ. Выводы согласующих устройств, ЗРУ, БУ и инвертора подключены к буферу (батареи суперконденсаторов или электрических конденсаторов), в котором происходит накопление энергии. Затем она передается инвертору, зарядно-разрядному устройству для накопления энергии и балластному устройству в случае избытка электрической энергии. Буфер – это звено, которое осуществляет баланс между потреблением и выработкой электрической энергии. Основным параметром, характеризующим баланс, является напряжение буфера. Если оно выше установленного значения, то подается команда на отвод лишней энергии, которая, в первую очередь, начинает накапливаться в АБ, а при полной зарядке АБ потребляться балластной нагрузкой. Если напряжение на буфере ниже установленного значения, что означает превышение величины потребления энергии над выработкой, подается команда на закачку дополнительной энергии в буфер от АБ. Количество подводимой или отбираемой от буфера электроэнергии, позволяет сохранять напряжение буфера в рамках нормированного.
Рисунок 4.6 – Структурная блок-схема комбинированной системы автономного электроснабжения с использованием ВИЭ [81]
Инвертор обеспечивает потребителя электрической энергией в требуемом количестве и надлежащего качества. При работе системы параллельно с другой сетью, он функционирует синхронно с ней.
Работоспособность и контроль всех элементов КСАЭ-ВИЭ как в отдельности, так и в целом осуществляет автоматическая система управления и контроля.
Силовой коммутатор осуществляет электрическое переключение микроГЭС от согласующего устройства на нагрузку и наоборот по необходимости, определяемой алгоритмами АСУК системы.
В случае построения системы электроснабжения согласно второму варианту конфигурации соединенное с микроГЭС согласующее устройство и инвертор работают взаимосвязано (пунктирная линия). Если мощности, генерируемой микроГЭС, достаточно для осуществления электроснабжения потребителя, согласующее устройство осуществляет функцию балласта. Оно отбирает от генератора возникающий избыток и стабилизирует тем самым выходные параметры на нагрузке без искажения синусоиды, поскольку отбор избытка мощности осуществляется по алгоритму коррекции коэффициента мощности. В противном случае инвертор, подключенный параллельно, восполняет недостаток энергии, стабилизируя параметры на нагрузке.
Рассмотренная блок-схема позволила не только предметно представить КСАЭ-ВИЭ, но и перейти к непосредственной реализации системы. Отличительной особенностью такого построения КСАЭ-ВИЭ является повышение напряжения до входного уровня ШИП (инвертора) непосредственно от первичных преобразователей энергии. Работа на повышенном напряжении позволяет повысить общий КПД системы, снизив токовые потери. Кроме того, отдельное зарядно-разрядное устройство с многостадийной (многоступенчатой) зарядкой обеспечивает правильную зарядку АБ и постоянный контроль ее состояния, что повышает срок ее эксплуатации. Стоит также отметить, что принятая система построения КСАЭ-ВИЭ позволяет применить в будущем при экономической доступности суперконденсаторов идею разделения системы накопления, так как она позволяет оптимально использовать качества накопителей: способность суперконденсатора выдерживать большое количество циклов заряда-разряда и АБ длительно хранить электрическую энергию. Наличие такого силового буфера позволит увеличить срок службы АБ за счет сокращения количества зарядно-разрядных циклов.
|
