Содержание к диссертации
Введение
1 Современное состояние электроснабжения в агропромышленном комплексе 12
1.1 Предпосылки развития электроснабжения предприятий агропромышленного комплекса от систем с автономными источниками 12
1.2 Ключевые эксплуатационные характеристики автономных источников для электроснабжения предприятий агропромышленного комплекса 16
1.3 Целесообразность применения автономных источников в составе систем электроснабжения предприятий агропромышленного комплекса 30
1.4 Выводы, цель и задачи исследования 36
2 Предлагаемые направления совершенствования систем электроснабжения предприятий агропромышленного комплекса 37
2.1 Общие положения 37
2.2 Совершенствование структурной схемы системы электроснабжения предприятий агропромышленного комплекса 39
2.3 Совершенствование преобразователей электрической энергии в составе системы электроснабжения со звеном постоянного тока предприятий агропромышленного комплекса 46
2.4 Совершенствование защит звена постоянного тока системы электроснабжения предприятий агропромышленного комплекса от перегрева и токовой перегрузки 59
2.5 Совершенствование защиты звена постоянного тока системы электроснабжения предприятий агропромышленного комплекса от коротких замыканий 73
Выводы по главе 2 з
3 Программа и методики экспериментальных исследований 83
3.1 Программа экспериментальных исследований 83
3.2 Методика лабораторных исследований способа управления SCR тиристорами током смещения 84
3.3 Методика лабораторных исследований защиты звена постоянного тока от коротких замыканий 85
3.4 Методика оценки экономической эффективности предложенной системы электроснабжения со звеном постоянного тока 94
4 Результаты экспериментальных исследований и их анализ 96
4.1 Экспериментальные исследования способа управления SCR тиристорами током смещения 96
4.2 Экспериментальные исследования защиты звена постоянного тока от коротких замыканий 99
Выводы по главе 4 118
5 Производственные испытания и технико-экономические исследования 119
5.1 Производственные испытания и оценка экономической эффективности предложенного подхода к совершенствованию системы электроснабжения на примере крупного предприятия агропромышленного комплекса 119
5.2 Производственные испытания и оценка экономической эффективности предложенного подхода к совершенствованию системы электроснабжения на примере малого предприятия агропромышленного комплекса 124
Выводы по главе 5 129
Заключение 130
Библиографический список
- Ключевые эксплуатационные характеристики автономных источников для электроснабжения предприятий агропромышленного комплекса
- Совершенствование структурной схемы системы электроснабжения предприятий агропромышленного комплекса
- Методика лабораторных исследований способа управления SCR тиристорами током смещения
- Производственные испытания и оценка экономической эффективности предложенного подхода к совершенствованию системы электроснабжения на примере малого предприятия агропромышленного комплекса
Ключевые эксплуатационные характеристики автономных источников для электроснабжения предприятий агропромышленного комплекса
Разрабатываемые на протяжении длительного времени АИЭСН отличались схожими принципами построения, практически не меняющимися на протяжении десятилетий [24, 45, 65, 109, 111]. Улучшение ключевых эксплуатационных характеристик таких АИЭСН происходило, в первую очередь, за счет совершенствования их составных частей (первичных двигателей, генераторов, защитно-коммутационных аппаратов и т. д.), а также более широкого применения микропроцессорной техники в составе их систем управления. Были достигнуты результаты, позволяющие создавать АИЭСН, которые обеспечивают достаточно высокие показатели надежности и экономичности, однако и они не способны обеспечить длительное бесперебойное электроснабжение потребителей, особенно при колебаниях коэффициента загрузки первичного двигателя. Так, для современных поршневых двигателей фирмы Caterpillar мощностью до 1600 кВт без турбонаддува, используемых в составе многих АИЭСН, непрерывная работа при загрузке, не превышающей 80% номинальной, возможна только в течение 750 часов при достаточном запасе топлива [102]. Если же загрузка первичного двигателя возрастает выше либо падает ниже указанных производителем максимальной и минимальной загрузок соответственно, то время его работы без проведения планового ремонта снижается. Нужно отметить, что в ассортименте большинства производителей имеются поршневые двигатели и большей мощности, которые способны непрерывно работать более продолжительное время. Однако область их применения существенно уже, так как с ростом мощности поршневого двигателя не только возрастают его удельная стоимость и абсолютное значение расхода топлива [102], но и снижаются маневренность и экономичность агрегата при работе на потребителей с неравномерным графиком нагрузки. Кроме того, применение поршневых двигателей такой единичной мощности в составе АИЭСН на предприятиях агропромышленного комплекса вряд ли возможно в ближайшей перспективе. Аналогично и газотурбинные двигатели являются перспективными лишь при единичных мощностях свыше 9 МВт, обычно недостижимых сельскохозяйственными производствами, поэтому область их применения ограничивается, в основном, электроснабжением крупных промышленных и коммунальных потребителей. Также продолжительность непрерывной работы первичного двигателя зачастую определяется ограниченностью запаса топлива, поэтому важнейшей задачей становится повышение экономичности автономных источников электроснабжения (АИЭСН).
Из сказанного выше можно сделать вывод, что проведение комплекса работ по поиску путей улучшения ключевых эксплуатационных характеристик АИЭСН даст предпосылки к их выходу на новый уровень электротехнологий, что подразумевает обеспечение таких показателей экономичности, надежности и устойчивости, которые позволят обеспечить действительно непрерывное и качественное электроснабжение потребителей.
Экономичность является важнейшей характеристикой любого АИЭСН, обеспечивающей минимизацию цены вырабатываемой электроэнергии. Кроме того, специфика применения АИЭСН зачастую связана с обеспечением электроэнергией значительно удаленных от централизованных сетей субъектов экономической деятельности, при этом во многих случаях расположенных в труднодоступной и малонаселенной местности, доставка топлива в которую затруднена либо требует значительных финансовых затрат, поэтому рассматриваемый критерий в данном случае определяет и автономность. В любом случае, минимизация удельного расхода топлива на всем диапазоне возможных коэффициентов загрузки является первоочередной задачей при разработке АИЭСН, тесно связанной с повышением КПД каждого из входящих в его состав блоков.
Для повышения КПД блоков, входящих в состав АИЭСН, исследователями, как правило, используются следующие основные подходы или их комбинации:
Использование более совершенных традиционных первичных двигателей. В частности, предлагается расширенное применение экономичных поршневых дизельных двигателей с турбонаддувом, газопоршневых двигателей и газовых турбин с утилизацией вторичного тепла на нужды отопления и горячего водоснабжения [96, 102, 117] или, иными словами, использование когенерационных систем. Данный подход является эволюционным развитием АИЭСН. Также отдельными исследователями предлагается использование в качестве первичного двигателя ядерных реакторов небольших размеров [3]. Однако в данном случае неизбежно возникают вопросы, связанные с технической эксплуатацией подобной установки, требуемой квалификацией обслуживающего персонала, а также опасностью для человека и окружающей среды в связи с использованием делящихся материалов, способных в случае чрезвычайной ситуации вызвать радиационное заражение местности не только в месте эксплуатации автономных источников электроснабжения (АИЭСН), но и при транспортировке.
Применение новых типов генераторов с более высокими эксплуатационными параметрами. Предлагается применение в составе АИЭСН таких электромеханических преобразователей, как асинхронизированные синхронные генераторы, генераторы возвратно-поступательного движения [81, 104], а также внесение усовершенствований в конструкции широко применяемых на сегодняшний день синхронных генераторов и схем их возбуждения [83, 84]. Данный подход в подавляющем большинстве случаев характеризуется усложнением устройства генераторов, что в условиях сельскохозяйственного предприятия способно вызвать длительные перебои в подаче электроэнергии вследствие снижения надежности системы электроснабжения (в первую очередь по причине отсутствия в штате большинства предприятий электротехнического персонала высокой квалификации, необходимого для обслуживания сложных электрических машин). Кроме того, как правило, невысока и ремонтопригодность подобного электромеханического преобразователя.
Попытки ухода от традиционной схемы компоновки АИЭСН. В частности, предлагается использование двухмашинного совмещённого генератора [35], что способно обеспечить выработку переменного напряжения стабильной частоты. Однако указанное решение имеет некоторые особенности [34, 46, 47], вызывающие низкочастотную модуляцию эквивалентных токов при несимметричной нагрузке, что значительно ухудшает показатели качества электроэнергии, получаемой от данной электрической машины. 4) Широкое применение автоматики и микропроцессорной техники как в составе автономных источников электроснабжения (АИЭСН) с целью оптимизации режимов его работы, так и на стороне потребителей с целью снижения энергоемкости производств. Данный подход подразумевает разработку и применение в составе АИЭСН систем контроля, защиты и управления на базе микропроцессоров и промышленных контроллеров [8, 15] совместно с внедрением нового энергоэффективного технологического оборудования и оборудования главных электрических схем АИЭСН [9, 10], производством работ по усовершенствованию существующего технологического оборудования [17, 60], широкое применение современных экономичных электроприводов на базе частотных преобразователей, управляемых выпрямителей и инверторов, осветительных установок с экономичными люминесцентными лампами и светодиодами, энергосберегающей автоматики (например, датчиков присутствия) [3, 86, 93, 94]. Однако подход имеет серьезный недостаток - а именно, отличается высокой себестоимостью реализуемых мероприятий, которая, зачастую, оказываются больше экономического эффекта от внедрения указанных средств автоматизации.
Совершенствование структурной схемы системы электроснабжения предприятий агропромышленного комплекса
Из анализа результатов, приведенных в таблицах 2.1 и 2.2, можно сделать вывод о том, что IGBT транзисторы и тиристоры различных типов находятся на приблизительно одинаковом уровне по максимально допустимым токовым нагрузкам и предельным рабочим напряжениям. Однако такие свойства IGBT транзисторов, как существенно большие потери мощности в схемах и более низкая по сравнению с тиристорами надежность при использовании в качестве сильноточного звена, позволяют говорить о том, что применение тиристоров в составе управляемых DC/АС и DC/DC преобразователей, вопреки мнению ряда авторов [113], является более рациональным. Кроме того, анализ результатов сопоставления, приведенного в таблице 2.2, показал, что наиболее высокими эксплуатационными параметрами (максимальное рабочее напряжение до 10000 В, ток до 4600 А, наиболее низкие потери в открытом состоянии) обладают традиционные SCR тиристоры. SCR тиристоры также имеют и наиболее низкую единичную стоимость. Указанные факты показывают, что данные полупроводниковые приборы целесообразно использовать в составе управляемых DC/АС и DC/DC преобразователей систем электроснабжения, содержащих в своем составе звено постоянного тока. Но до настоящего времени широкое распространение SCR тиристоров в составе схем указанных преобразователей сдерживалось принципиальной невозможностью запирать данные полупроводниковые приборы по управляющему электроду либо иным способом, имеющим низкое время выключения и, как следствие, низкие возникающие в процессе отключения потери. Однако в ходе проведенных при написании работы исследований было установлено, что быстрое и экономичное запирание SCR тиристора, а равно и других полупроводниковых приборов с р-п-р-п структурой, возможно при использовании ряда схемотехнических решений. Таким образом, было доказано, что полупроводниковые SCR тиристоры обладают свойством полной управляемости и, следовательно, могут быть применены в составе управляемого DC/AC или DC/DC преобразователя, при этом возможно даже вытеснение IGBT сборок из ряда традиционных областей их применения ввиду достижения технологического предела традиционной IGBT технологией.
Рассмотрим подробнее результаты исследований, связанных с поиском простой энергоэффективной схемы управления полупроводниковыми SCR тиристорами [70].
Известны традиционные способы выключения незапираемого тиристора, широко освещенные в литературе, такие, как отключение анодного тока либо шунтирование тиристора [44], а также коммутация анодного тока путем изменения полярности питающего напряжения [20]. Способы имеют существенные недостатки, связанные с большими энергетическими потерями и большим временем выключения тиристора. Известен также способ выключения незапираемого тиристора коммутацией анодного тока при одновременном воздействии отрицательного управляющего напряжения [23], достаточно близкий к предлагаемому в работе способу коммутации. Данный способ также имеет аналогичные недостатки - большие энергетические потери и большое временя выключения тиристора.
Одной из задач работы явилось существенное снижение энергетических потерь и времени выключения SCR тиристора, применение которого планировалось в составе управляемых DC/АС и DC/DC преобразователей системы электроснабжения, содержащей звено постоянного тока. Нами был предложен способ выключения тиристора, сущность которого состоит в том, что тиристор выключается путем подключения дополнительного источника питания, обеспечивающего протекание выходного прямого тока, при этом выключение происходит не за счет изменения тока проводимости, а за счет направленного противоположно току проводимости тока смещения, возникающего при прямом смещении убывающим по амплитуде напряжением его коллекторного перехода.
В открытом состоянии при больших токах нагрузки характеристика тиристора обладает примерно теми же свойствами, что и р - г - п - диода с толщиной базы w, при этом Jx - эмиттерный переход ЭПЬ J2 - коллекторный переход КП, J3 - эмиттерный переход ЭП2, пе,ре- первый и второй эмиттеры, nb,pb- первая и вторая базы (рисунок 2.2). Схема замещения в данном случае может быть представлена как совокупность двух биполярных транзисторов: одного - типа р-п-р, другого - типа п-р-п, и емкости С2 перехода J2 (рисунок 2.3). При этом емкость С2 в общем случае состоит из двух компонент (рисунок 2.4) - барьерной емкости Сб, проявляющей свои основные свойства при обратном смещении перехода J2, и диффузионной емкости Сдиф, связанной с процессами накопления и рассасывания неравновесного заряда в области перехода J2 и характеризующей инерционность движения неравновесных зарядов [23]:
Методика лабораторных исследований способа управления SCR тиристорами током смещения
Отметим, что относительная погрешность измерений вольтметра-регистратора МР730 без калибровки составляет не более 1%. Ввиду того, что шкала регистратора (пределы измерения - 0-7500 мВ, цена деления - 7,5 мВ) не подходит для работы с шунтом на 150 мВ по причине низкой разрешающей способности в диапазоне 0-150 мВ, для проведения эксперимента было принято решение использовать доработанную согласно схеме, приведенной на рисунке 3.6, приставку-усилитель х50/хЗ, выполненную на базе операционных усилителей Texas Instruments OPA364AIDBVT. Дополнительные погрешности, вносимые приставкой-усилителем, составляют не более 0,1% для канала х50 и не более 0,006% для канала хЗ. Усилитель х50 (канал №1) использовался для снятия показаний с шунта на 150 мВ, а усилитель хЗ (канал №2) использовался для снятия показаний со звена постоянного тока.
Применение доработанного усилителя позволило получить измеряемые значения силы тока в цепи 0-750 А с шагом 1,5 А и напряжения 0-2,5 В с шагом 5 мВ, что оказалось достаточно для проведения эксперимента. 4. Регистрация температуры поверхности звена постоянного тока для упрощения проведения исследования осуществлялась тепловизором SAT Infrared SDS HotFind-VR (рисунок 3.7) с температурным расширением -20/1500 и возможностью записи инфракрасного видео в 14-битном радиометрическом ИК-формате (разрешение - VGA), оснащенным лазерным целеуказателем. Использование тепловизионного метода вместо прямых измерений объясняется сложностью осуществления последних для медного проводника сечением 6 мм2.
Отметим, что точность измерений тепловизором SAT Infrared SDS HotFind-VR составляет ±2С или ±2% от значения его показаний (выбирается большая из указанных погрешностей). Была предложена методика снятия показаний, которая заключалась в следующем. В начальный момент времени тепловизор устанавливался на лабораторном штативе близ звена постоянного тока таким образом, чтобы вся его длина попадала в видоискатель, при этом точка встроенного лазерного целеуказателя фиксировалась на центральной части проекции вставки. После этого включалась запись инфракрасного видео. Затем производилось включение выпрямителя. По истечении 10 секунд после включения выпрямитель выключался, а запись останавливалась и анализировалась, при этом записывались температуры центральной точки проекции вставки с шагом по времени 1 секунда. Далее эксперимент останавливался до момента остывания вставки, выпрямителя и других элементов схемы до температуры окружающей среды. Далее эксперимент повторялся еще несколько раз для исключения влияния случайной погрешности, после чего результаты измерений температур были усреднены. Одновременно производились измерения силы тока во вставке и падения напряжения на ней с помощью рассмотренного выше доработанного двухканального регистратора МР730. Результаты измерений также были усреднены. В дальнейшем усредненные экспериментальные данные были использованы для сравнения с результатами математического моделирования процесса протекания тока короткого замыкания в звене постоянного тока (см. Приложение Г).
5. Для построения регрессионных зависимостей, необходимых для расчета значения тока короткого замыкания физических коэффициентов для электротехнической меди марки МТ и воздуха, от безразмерной температуры в, был использован метод регрессионного анализа [21]. При этом все аналитические зависимости вследствие случайного характера возмущающих воздействий рассматривалась в виде зависимостей математического ожидания от значения независимой переменной.
Теснота связи массива входных параметров в и соответствующего ему массива выходных параметров оценивалась индексом корреляции [21]: "і-Ш где у - фактические значения результативных признаков; Э показывает, на сколько процентов в среднем по совокупности изменится результат выходного параметра J OT своей средней величины при изменении фактора в на один процент от своего среднего значения. Проверка качества регрессионных зависимостей осуществлялась посредством F-теста, который состоит в проверке гипотезы Н0 о статистической незначимости уравнения регрессии (равенстве коэффициента детерминации нулю). Для этого выполнялось сравнение фактического значения F-критерия Фишера F и табличного значения критической точки распределения Фишера qF. F определялся из следующего соотношения [21]: qF - это максимально возможное значение F-критерия под влиянием случайных факторов при данных степенях свободы и уровне значимости q (т. е. вероятности отвергнуть правильную гипотезу при условии, что она верна).
Нахождение qF осуществлялось посредством встроенной в пакет РТС Mathcad 15 таблицы критических значений статистических критериев исходя из доверительной вероятности 0,999 (уровня значимости 0,001), при этом в случае, если qF F, то гипотеза Н0 отклонялась, а регрессионная зависимость признавалась статистически значимой и надежной. В противном случае гипотеза Н0 не отклонялась и признавалась статистическая незначимость и ненадежность регрессионной зависимости.
Методика оценки экономической эффективности предложенной системы электроснабжения со звеном постоянного тока
Оценки экономической эффективности предложенной системы электроснабжения производились по стандартному методу расчета срока окупаемости инвестиций (или Payback Period - РР). Суть метода заключается в вычислении временного промежутка, необходимого для полного возмещения первоначальных затрат, или, иными словами, определяется момент, когда денежный поток доходов сравняется с суммой денежных потоков затрат. Выражение для расчета показателя РР имеет вид:
Производственные испытания и оценка экономической эффективности предложенного подхода к совершенствованию системы электроснабжения на примере малого предприятия агропромышленного комплекса
Анализ результатов, приведенных в таблице 5.2, показывает, что СЭС №1 позволяет существенно повысить эффективность электроснабжения крупных предприятий агропромышленного комплекса. При сроке ее окупаемости 2,17 года семилетний экономический эффект составляет более 79 млн. руб. только за счет экономии средств на оплату электрической и тепловой энергии, которая достигает 39,52% по сравнению с вариантом подключения к централизованным сетям. При этом обеспечение бесперебойного электроснабжения от СЭС №1 гарантированно позволяет избежать ущерба более 15 млн. руб. вследствие порчи сельскохозяйственной продукции, хранящейся в распределительных холодильниках предприятия.
Производственные испытания и оценка экономической эффективности предложенного подхода к совершенствованию системы электроснабжения на примере малого предприятия агропромышленного комплекса Также были проведены производственные испытания автономной системы электроснабжения с перестраиваемой структурой, объединенным звеном постоянного тока и возможностью совместного использования источников электрической энергии любых типов. При этом было выявлено, что указанный подход может быть применен не только к мощным потребителям электроэнергии вследствие ограниченности мощностей альтернативных энергоисточников, но и, в том числе, для повышения эффективности электроснабжения удаленных предприятий агропромышленного комплекса и их отделений, обладающих незначительными величинами установленной и расчетной мощностей электрооборудования. К таким предприятиям и подразделениям относятся, в первую очередь, летние лагери крупного рогатого скота, заготовительные отделения, пасеки и другие подобные объекты. В силу удаленности от централизованных электросетей и небольшой мощности для электроснабжения указанных объектов повсеместно применяются бензиновые и дизельные генерирующие установки малой единичной мощности, характеризующиеся достаточно низкими показателями надежности и высоким удельным расходом топлива. Анализ литературных источников (глава 1) показал, что рассматриваемый класс сельскохозяйственных объектов является крайне чувствительным к обеспечению качественной электроэнергией. Так, длительный перерыв в электроснабжении летнего лагеря крупного рогатого скота, удаленного от предприятия, может привести не только к потере дневного надоя молока, но и к длительному снижению продуктивности и даже заболеваниям поголовья, что чревато значительным материальным ущербом [29, 30]. А длительные перерывы в электроснабжении, к примеру, бытовых сооружений отделений по заготовке дикорастущего растительного сырья могут привести к срыву заготовительных работ, отличающихся ярко выраженной сезонностью (большинство дикорастущих растений плодоносит в течение небольших промежутков времени, после чего сырье теряет свои свойства вследствие перезревания, загнивания, порчи вредителями и т. д.).
Известно также, что единичные альтернативные источники электрической энергии не способны обеспечить требуемые уровни мощности, надежности и пусковые характеристики для работы технологического оборудования и бытовых электроприемников, оснащенных электроприводом (доильные аппараты, сепараторы, пищевые насосы, бытовые холодильники), что сдерживает их внедрение на небольших предприятиях агропромышленного комплекса. Однако их объединение в систему, предложенную в главе 2 работы, позволяет не только избавиться от указанных недостатков, но и повысить категорию надежности и эффективность электроснабжения рассматриваемого класса сельскохозяйственных потребителей. Так, ввиду наличия нескольких независимых источников, в качестве которых могут выступать солнечные панели, аккумуляторные блоки, передвижные бензиновые или дизельные генерирующие установки, ветроэнергоустановки, микро-ГЭС, и возможности автоматического изменения структуры системы, предлагаемый вариант системы электроснабжения (СЭС) способен обеспечить категорию по надежности электроснабжения вплоть до особой, а звено постоянного тока обеспечивает возможность беспрепятственного изменения количества единичных энергоисточников в системе в соответствии с потребностями предприятия. При этом мощные преобразователи позволят системе выдерживать значительные пусковые токи, необходимые для функционирования электроприводов.
Подход был апробирован в проектно-конструкторском бюро ООО «ТЭК» для создания СЭС, обеспечивающих электроэнергией летний лагерь крупного рогатого скота СХПК «Заря» (Пензенская область) на 180 голов, и выявил заметное повышение их технико-экономических показателей. Структурная схема одной из шести смонтированных специалистами ООО «ТЭК» на объекте систем электроснабжения (далее - СЭС №2), рассчитанной на 30 голов крупного рогатого скота, приведена на рисунке 5.1. В состав СЭС №2 вошли следующие компоненты: - бензиновый генератор HUTER DF1500L мощностью 1300 Вт (-230 В; 1300 Вт; расход топлива - 1 л/ч при загрузке 50%); - доработанный комплект 7/F500 производства Hikochi Electronics Limited (рисунок 5.2), состоящий из блока солнечных панелей (=24 В; 300 Вт), ветроэнергоустановки (=24 В; 300 Вт), многоканального коммутатора (=24 В; 1000 Вт) с программируемым логическим контроллером, инвертора мощностью (=24 В/-230 В; 2000 Вт длительно; 4000 Вт в пике) и балластной нагрузки; - выпрямитель HEYI5-1000-24 (-230 В/=24 В; 1000 Вт длительно); - пара аккумуляторов Westa 6СТ200 (=12 В; 200 А-ч).
Схема инвертора была подвергнута доработке в соответствии с результатами, полученными в главах 2 и 4 настоящей работы (замена IGBT транзисторов в силовой схеме на SCR тиристоры, замена блока управления).
