Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние развития нетрадиционной энергетики и постановка задачи исследования
1.1. Общие сведения о развитии нетрадиционной энергетики 11
1.2. Научные аспекты развития нетрадиционной энергетики 12
1.3. Классификация возобновляемых источников энергии 14
1.4. Экологические и экономические аспекты использования возобновляемых источников энергии 16
1.5. Требования, предъявляемые к ДЭМ 18
1.6. Принципы построения ДЭМ с СЭС 20
1.7. Выводы по главе 1 28
2. Математическое моделирование элементов системы нетрадиционной энергетики на базе ДЭМ-Г
2.1. Общие сведения об элементах комплексной СЭС 30
2.2. Построение математической модели многофазного трансформатора 32
2.3. Построение математических моделей многофазных тиристорных выпрямителей системы нетрадиционной энергетики на базе ДЭМ-Г ...42
2.4. Математическое моделирование фотоэлектрического преобразователя.51
2.5. Выводы по главе 2 63
3. Электромагнитно - механическая совместимость в нетрадиционной энергетике на базе ДЭМ-Г
3.1. Повышение уровня электромагнитной совместимости в САЭ при использовании трансформаторов с вращающимся магнитным полем ...65
3.2. Методы фильтрации высших гармоник 77
3.3. Выводы по главе 3 82
4. Построение системы автономного электроснабжения на базе ДЭМ-Г
4.1. Принципы построения системы 83
4.2. Соединение несинхронно работающих сетей при помощи вращающегося трансформатора 88
4.3. Выводы по главе 4 94
5. Компенсация реактивной мощности в саэ на базе ДЭМ-Г
5.1. Мероприятия по повышению коэффициента мощности и существующие методы автоматизации управления мощностью статических конденсаторов 95
5.2. Анализ работы измерителя-регулятора ИРФ-2 102
5.3. Устройство, принцип работы 106
5.4. Экономические расчеты и обоснования использования конденсаторных установок 123
5.5. Результаты внедрения измерителя-регулятора ИРФ-2 на промышленных объектах 141
5.6. Выводы по главе 5 142
Заключение 144
Литература 147
Приложения 162
- Экологические и экономические аспекты использования возобновляемых источников энергии
- Построение математических моделей многофазных тиристорных выпрямителей системы нетрадиционной энергетики на базе ДЭМ-Г
- Повышение уровня электромагнитной совместимости в САЭ при использовании трансформаторов с вращающимся магнитным полем
- Соединение несинхронно работающих сетей при помощи вращающегося трансформатора
Введение к работе
Актуальность темы. В настоящее время вопросы использования возобновляемых источников энергии (ВИЭ) актуальны для всех стран мира, хотя и в силу различных обстоятельств. Для промышленно развитых стран мира, зависящих от импорта топливно-энергетических ресурсов (ТЭР) или, напротив, богатых этими ресурсами стран - это, прежде всего, энергетическая безопасность или, соответственно - экологическая безопасность, завоевание рынков сбыта оборудования.
Для развивающихся стран использование ВИЭ означает быстрый путь к улучшению социально-бытовых условий населения, возможность развития промышленности без серьезных нарушений экологической ситуации.
Представляется, что ВИЭ - это не альтернатива существующей энергетики, а энергетика будущего, причем недалекого. Помимо решения энергетической проблемы, ВИЭ активнейшим и положительным образом влияют на решение трех глобальных проблем человечества — энергетической, экологической и продовольственной. Поэтому не случайно, что в разных странах уровень финансирования работ по возобновляемой энергетике составляет 10-30% от общего объема финансирования работ по энергетике.
Для России, обладающей, как известно, огромным запасом природного органического топлива (12% нефти, 35% газа, 16% угля и 14% урана от мировых запасов) при населении всего лишь 2,4%, создается иллюзия, что энергетический кризис не грозит, однако это далеко не так, что подтверждается острейшими энергетическими ситуациями, возникающими в ряде регионов России.
Поэтому вполне обосновано, что в проекте Энергетической стратегии России, предложено и обосновано к 2010 году удвоить производство электрической и тепловой энергии за счет возобновляемых источников. Доля возобновляемой энергетики в мировом масштабе энергопотребления на начало 21 века составляет (без крупных гидроэлектростанций) 1,6 млрд т.у.т., что соответствует 10-11%, а доля выработки электроэнергии по данным МЭА составляет 1,6% от общей выработки электроэнергии, в том числе в странах - членах ОЕСД - 2,13%), в США - 2,21%, а в России - всего лишь 0,24%.
Более значительны темпы роста ветро- и фотоэнергетики. Так, за период 1995-2000г.г. среднегодовые темпы роста ветроэнергетики в мире составили 29,8%. По данным Американской и Европейской ассоциации (AWEA) и (EWEA) по ветроэнергетике за 2001 и 2002 гг. достигнуты рекордные темпы роста за год - 35%) к предыдущему году. За тот же период среднегодовой рост производства фотоэлементов (пиковая мощность) составил 24,85%, геотермальной энергетики 6,8%, а гидроэнергетики- 1,7%.
По прогнозу AWEA и EWEA в 2020г. доля ветровой энергетики составит 10% в мировом производстве электроэнергии в целом. Пока развитие электроэнергетики идет с превышением даже этого прогноза, так в 2002г. при прогнозе 26901 МВт фактически установленная мощность составила 31128МВт.
Еще более высокими темпами идет мировое производство фотоэлектрических источников энергии. Так, с 1970г. по 2000 г. оно выросло от 0,1 МВт до 260 МВт (в 2600 раз!). Прогноз на 2005 г. и 2010 г.г. составляет, соответственно, 650 и 1700 МВт и есть все основания предполагать, что прогноз будет превышен.
Вместе с ростом использования энергии ветра и солнца комплексно возникла необходимость в разработке специальных машин, способных решать данный вопрос с позиций повышения мощности и качества вырабатываемой электроэнергии, включая решение вопроса электромагнитно — механической совместимости (ЭММС), компенсации реактивной мощности и синхронизации несинхронно работающих источников.
Цель работы. Целью работы является обеспечение ЭММС и повышение эффективности работы системы автономного электроснабжения(САЭ) на базе двухмерной электрической машины - генератора (ДЭМ-Г), включая решение вопросов синхронизации несинхронно работающих источников и компенсации реактивной мощности.
Задачи исследования. Для достижения указанной цели в работе поставлены и решены следующие основные задачи: обоснована целесообразность и показана перспективность компенсации реактивной мощности в системе ВИЭ на базе ДЭМ;
- разработана комплексная система нетрадиционной энергетики на базе ДЭМ-Г;
- введено понятие электромагнитно - механической совместимости (ЭММС) и разработаны вопросы рационального размещения ВЭУ, компенсации реактивной мощности и фильтрации высших гармоник;
- разработана методика расчета мощности конденсаторного фильтра для компенсации реактивной мощности в САЭ с целью расширения функциональных возможностей данного фильтра;
- построена система автономного электроснабжения на базе ДЭМ-Г;
- разработан вариант и схема согласования несинхронно работающих сетей.
Методы исследования. В теоретических исследованиях автором использованы теория обобщенного электромеханического преобразователя, матричный анализ электрических машин (ЭМ), теория электромагнитного поля и метод синтеза ЭМ. Поставленные задачи решены аналитическими и экспериментальными методами. Экспериментальные исследования проведены на специально разработанных стендах и на промышленных энергоустановках, где осуществлено внедрение разработок автора.
Научная новизна. В работе решены теоретические основы построения комплексной системы нетрадиционной энергетики (СНЭ) на базе ДЭМ с использованием компенсационного оборудования и выполнена оптимизация эффективности использования данного оборудования этой системы, а именно: разработана комплексная система нетрадиционной энергетики на базе ДЭМ-Г с построением математической модели многофазного трансформатора и многофазных тиристорных выпрямителей;
- разработаны варианты размещения ветровых парков ВЭС в зависимости от розы ветров, введена и обоснована ЭММС;
- разработана система повышения функциональных возможностей фильтрующих конденсаторов для высших гармоник, позволяющая решать вопрос компенсации реактивной мощности, которая позволяет Повысить эффективность использования ДЭМ в САЭ;
- построена система автономного электроснабжения на базе ДЭМ-Г с рассмотрением варианта соединения несинхронно работающих сетей при помощи вращающегося трансформатора; разработан алгоритм технико-экономического обоснования эффективности работ по компенсации реактивной мощности при помощи регулятора реактивной мощности ИРФ-2 (Патент на изобретение № 2063640).
Практическая ценность. Работа имеет прикладной характер и ставит своей основной задачей повышение эффективности использование ВИЭ, повышение качества использования компенсации реактивной мощности. В связи с этим в работе решены следующие практические вопросы:
- выполнен анализ работающих конденсаторных установок на ряде промышленных предприятий Краснодарского края и России;
- выполнен анализ систем управления мощностью статических конденсаторов;
- разработана и внедрена система компенсации реактивной мощности на базе измерителя-регулятора реактивной мощности ИРФ-2;
- разработана инженерная методика энергоаудита объекта для определения мощности и конфигурации системы компенсации для эффективного повышения уровня coscp;
разработана система размещения ветровых парков ВЭС в зависимости от розы ветров;
- разработана комплексная система нетрадиционной энергетики на базе ДЭМ-Г;
- разработана схема синхронизации несинхронно работающих сетей. Реализация результатов работы. Научные результаты работы использованы в ООО «Союзэнергоэлектроника» при выполнении работ на промышленных объектах Краснодарского края и России, в частности на ОАО «Краснодарский ЗИП» (г.Краснодар), ОАО «Новокубанский завод строительных и стеновых материалов» (г.Новокубанск), МУП «Краснодарский водоканал» (г.Краснодар), ООО «Растительное масло «Лабинское» (г.Лабинск), ОАО «Пепси-Кола» (г.Сочи), Научно исследовательский институт радиосвязи (г.Ростов-на-Дону), МУП «Кропоткинский водоканал» (г. Кропоткин), Фирма «СБС» (г.Краснодар), ОАО «Глория-Джине» (г.Новошахтинск), ЗАО «Пиво-безалкогольный комбинат «Очаково» (г.Москва), ОАО «Московский шинный завод» (г.Москва).
Автор защищает:
рациональную структуру комплексной системы нетрадиционной энергетики на базе ДЭМ-Г;
- систему ЭММС на основе фильтрации высших гармоник и научно обоснованного размещения ветровых установок ВЭС в зависимости от розы ветров;
систему емкостных фильтров, позволяющую решать задачу компенсации реактивной мощности и фильтрации высших гармоник
- алгоритм технико-экономического обоснования эффективности использования компенсации реактивной мощности в системе электроснабжения (СЭС).
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались: на всероссийском электротехническом
конгрессе с международным участем «ВЭЛК-99» (г. Москва, 1999г.), на 26 студенческой научной конференции КубГТУ (г.Краснодар, 1999г.), на 27 студенческой научной конференции КубГТУ (г. Краснодар, 2000г.), на третьей Всероссийской специализированной выставке «Энергосбережение в регионах России» (г. Москва, 2001г.), на первой межвузовской научно-методической конференции «ЭМПЭ-02» (г. Краснодар, 2002г.), на четвертой Всероссийской выставке «Энергосбережение в регионах России» (г. Москва, 2002г.), на второй межвузовской научной конференции «ЭМПЭ-03» (г. Краснодар, 2003г.), на пятой Всероссийской специализированной выставке «Энергосбережение в регионах России» (г. Москва, 2003г.), на третьей межвузовской научной конференции «ЭМПЭ-04» (г. Краснодар, 2004г.), на совещании в ФГУ «УГЭН по Кубанскому региону» (г. Краснодар, 2004г.).
Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 16 работ, в том числе по теме диссертации - 12 работ.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 147 наименований и приложения. Общий объем работы 162 с. машинописного текста, включая 29 рисунков на 15 страницах и 8 таблиц.
В первой главе дан анализ развития нетрадиционной энергетики и выполнена постановка задачи исследования, приведены научные аспекты развития нетрадиционной энергетики, дана классификация возобновляемых источников энергии, рассмотрена двухмерная электрическая машина (ДЭМ).
Во второй главе сформулирована инфраструктура ДЭМ-Г с учетом специфики СЭС, разработана обобщенная структурная схема комплексной математической модели ДЭМ, построена математическая модель многофазного трансформатора, шестифазного двухполупериодного выпрямителя.
Третья глава посвящена электромагнитно-механической совместимости (ЭММС), рассмотрены методы фильтрации высших гармоник.
В четвертой главе выполнено построение автономного электроснабжения на базе ДЭМ-Г, рассмотрена система соединения несинхронно работающих сетей при помощи вращающегося трансформатора.
В пятой главе рассмотрены мероприятия по повышению коэффициента мощности и существующие методы управления мощностью статических конденсаторов, выполнены технико-экономические расчеты эффективности компенсации реактивной мощности.
Экологические и экономические аспекты использования возобновляемых источников энергии
Традиционные ЭМПЭ не обеспечивают достаточной степени стабилизации выходных параметров, при наличии на входе резкопеременных входных сигналов ВИЭ, имеющих вероятностный характер проявления, который даже трудно описать математически. Попытки использовать совместно с традиционными ЭМПЭ различного рода механических регуляторов частоты вращения, либо применения дополнительных ступеней преобразования энергии не обеспечивают необходимой стабилизации выходных параметров, ни по качеству, ни по диапазону возможного управления, ни по быстродействию и величине КПД. Невозможность учета и прогнозирования электромагнитной совместимости в системе электроснабжения (СЭС) на базе традиционных ЭМПЭ, противоречия между характеристиками нетрадиционных источников энергии и характеристиками получаемой энергии ставят под угрозу возможность функционирования всей системы. Наступил момент, когда развитие нетрадиционной электромеханики явилось своевременным и единственным путем выхода из сложившейся ситуации.
Для разрешения этих противоречий была создана ДЭМ, отвечающая определенным специфическим требованиям, которые можно сформулировать так: -обеспечение бесперебойности электроснабжения независимо от колебаний, вплоть до полного исчезновения, одного из двух комплексно используемых в ДЭМ видов ВИЭ; -обеспечение качества электроэнергии, что означает обеспечение допустимых значений колебаний и отклонений напряжения и частоты, не симметрии напряжения и не синусоидальности формы кривой напряжения. Допустимые значения или пределы изменения показателей качества для всех электроприемников устанавливаются ГОСТом 13109-97; -обеспечение нормированного для данной СЭС коэффициента сглаживания колебаний входных сигналов в диапазоне не менее 5 - кратного; -максимальное уменьшение мощности накопителя. Она не должна превышать половины мощности ДЭМ, что соответствует одновременному использования в машине двух видов ВИЭ; -выбор таких электромагнитных нагрузок в ДЭМ, которые обеспечивают максимум КПД; -обеспечение интенсивной системы охлаждения машины, исключающей ее перегрев даже при непрерывно протекающих переходных процессах, связанных с непрерывно меняющейся интенсивностью поступления НВИЭ и непрерывным изменением величины и характера нагрузки. Согласно ГОСТ 13109 - 97 допустимое отклонение частоты составляет ±0,1 Гц, а колебания частоты (ее быстрые изменения со скоростью не менее 1% от номинального значения в секунду) - не более 0,2 Гц. Однако в нетрадиционной энергетики, к тому же в системе автономного электроснабжения, нет необходимости в поддержании столь жестких требований. Исходя из имеющего опыта, связанного с потерями энергии в токоприемниках СЭС, эти величины следует увеличить, соответственно до ±0,3 Гц и не более 0,5 Гц. Временные, плотностные и качественные характеристики ВИЭ существенно влияют на степень варьирования входных, поэтому они также влияют и на выходные характеристики ДЭМ. Причем, чем положе каждая из перечисленных характеристик, тем стабильнее в целом входные, а следовательно и выходные параметры ДЭМ, т.е. тем надежнее и качественнее система электроснабжения, если ДЭМ используется в качестве генератора. Благоприятное сочетание поступления энергии ветра и прямого солнечного излучения можно использовать при комплексном одновременном использовании энергии ветра и солнца в ДЭМ. На рис. 1.2 и 1.3 приведены полученные за 3 года данные по интенсивности солнечной - С и ветровой - В энергии в течение суток (рис. 1.2) и в течении года (рис. 1.3). При получении относительных единиц (о.е.) за базовую величину принято среднее значение интенсивности за сутки (за год). Кривые С и В полностью подтверждают ранее высказанные сведения из мониторинга относительно периодичности проявления солнечной и ветровой энергии. Из рис. 1.2 и 1.3 видно, что колебания ветровой и особенно солнечной интенсивности изменяются в широких пределах, как в течение суток, так и в течении года. Любой преобразователь, работающий только на один вид энергии (солнечный или ветровой) будет повторять на выходе закономерности приведенных выше кривых, что неизбежно приведет к необходимости накопления энергии для обеспечения электроснабжения объекта в моменты снижения интенсивности ВИЭ. В данном случае накопитель должен достигать достаточно больших мощностей. Картина в корне меняется, если сложить кривые С и В и получить зависимость С + В = ф(У), как показано на рис. 1.2 и 1.3. Из зависимости следует, что в течении суток общая кривая выравнивается настолько, что преобразователь постоянно (хотя и не в. полную мощность) может генерировать электроэнергию. К тому же накопитель энергий теперь обеспечивает входной сигнал от пропавшего ВИЭ, а не полностью питает нагрузку, что обеспечивает его уменьшение мощности. ДЭМ — является электрической машиной способной комбинировать два различных природных источника энергии. Она может вырабатывать электроэнергию в течении года, подпитываясь от накопителя электрической энергии лишь ночью, или от накопителя механической энергии в моменты отсутствия или сильного ослабления ветра. Исходя из такой своеобразной "механико-электрической" сети, разработана конструкция ДЭМ, сочетающая в себе комбинацию элементов ЭМ переменного и постоянного тока [75].
ДЭМ относятся к специальным ЭМ, предназначенным для работы в условиях изменяющихся и недетерминированных входных параметров. Примером может служить система автономного электроснабжения, базирующаяся на использовании ВИЭ.
Построение математических моделей многофазных тиристорных выпрямителей системы нетрадиционной энергетики на базе ДЭМ-Г
В данном параграфе будут построены ия математические модели: - силового многофазного (та = т) тиристорного выпрямителя якорной цепи ДЭМ-Г, обеспечивающего силовую сеть . постоянного тока повышенного качества для СЭС. На рис. 2.1 модель этого выпрямителя обозначена через м. СВ и включена на выходное переменное напряжение ДЭМ-Г; - силового многофазного (тг = т) тиристорного выпрямителя роторной цепи ДЭМ-Г, обеспечивающего стабилизацию выходных характеристик -частоты и величины напряжения ДЭМ-Г. На рис. 2.1 модель этого выпрямителя обозначена через м. ВС, включена на выходное напряжение роторной цепи машины. Её выход подключен последовательно-встречно ФЭП в цепь питания якорной обмотки. Несмотря на различную функциональную принадлежность и различие в их мощностях, схемные решения этих выпрямителей одинаковы, различаясь лишь по токовым характеристикам. Поэтому математическое описание этих выпрямителей в общем виде будет единым. В связи с этим далее проведем моделирование т-фазного тиристорного выпрямителя без указания его назначения, имея ввиду возможность использования её как для выпрямителя СВ (в выходной цепи якоря), так и для выпрямителя ВС (в выходной цепи ротора) ДЭМ-Г. На рис. 2.4 представлена принципиальная электрическая схема (общая для обоих моделируемых видов СВ и ВС) m-фазного мостового выпрямителя. При переходе от принципиальной схемы к эквивалентной (схеме замещения), как известно, требуется .определенная степень идеализации объекта. При этом, чем точнее изображается объект моделирования, тем естественно сложнее получается модель, в следствии, чего снижается её точность решения и увеличивается вероятность ошибок оператора. В связи с этим пренебрежем некоторыми наименее существенными деталями схемы выпрямителя по рис. 2.4, а именно: - электрическими потерями и реактивностями рассеяния схемы; - потерями и током холостого хода многофазного трансформатора; - нелинейностями цепей со сталью; - R-C цепочками, шунтирующие вентили; - вентили представлены идеальными ключами, имеющими нулевое сопротивление в прямом направлении при открытом состоянии и бесконечное сопротивление в обратном. С учетом принятой идеализации эквивалентная схема исследуемого выпрямителя в межкоммутационном интервале, когда один вентиль в катодной группе и один вентиль в анодной имеют нулевое сопротивление, а остальные обеспечивают разрыв цепи, представлена на рис. 2.5. Стрелками показаны условно принятые напряжения в цепи переменного тока, а также ток и напряжение в цепи постоянного тока. На схеме рис. 2.4 и 2.5 индуктивность La представляет собой приведенную к вторичной обмотке индуктивность короткого замыкания питающего многофазного трансформатора. В случае если мощности питающего трансформатора и выпрямителя соизмеримы между собой, то реактивное сопротивление рассеяния трансформатора следует учесть в индуктивности La, сюда же следует отнести (в необходимых случаях) и индуктивность соединительных проводов. Если питание выпрямителя осуществляется непосредственно от выходной якорной цепи ДЭМ-Г, минуя многофазный трансформатор, то индуктивность La представляет собой индуктивность короткого замыкания ДЭМ-Г. Сложность математического моделирования вентильных преобразователей заключается в том, что напряжения и токи в вентильных схемах, как в любых других схемах, работающих в ключевом режиме (реле, транзисторы и др.), не являются гладкими функциями времени. Уже первые их производные претерпевают разрывы в моменты коммутации вентилей. Следовательно, обычные аналоговые методы моделирования позволяют моделировать вентильные преобразователи только в промежутках между соседними коммутациями.
Так, можно утверждать, что схема рис. 2.5. является эквивалентной схеме рис. 2.4. лишь в течении 1/12 части периода, оставаясь однако, инвариантной для любого межкоммутационного интервала. При этом следует иметь в виду, что каждому межкоммутационному интервалу времени соответствует свои, отличные друг от друга напряжения Ui, ... ,\1б и ток id. Следовательно, напряжения и токи в эквивалентной схеме в эти мгновения претерпевают разрыв и обмениваются уравнениями. По этому общее решение дифференциальных уравнений модели выпрямителя не рационально и невозможно.
Очевидно, что единственным путем построение временных диаграмм напряжения Ud и тока id на выходе выпрямителя является поинтервальное решение дифференциальных уравнений математической модели выпрямителя, описывающей схему замещения по рис. 2.5. При этом конечные значения тока и напряжения в предыдущем интервале являются начальными значениями для следующего интервала. Подобный процесс легко реализовать на ПЭВМ, составив специальную программу переключений вентилей при переходе от интервала к интервалу согласно таблице 2.1, которая естественно, охватывает не один межкоммутационный интервал (как например рис. 2.5.), а все время включенного состояния выпрямителя, т.е. О t 00.
Повышение уровня электромагнитной совместимости в САЭ при использовании трансформаторов с вращающимся магнитным полем
Сформирована инфраструктура ДЭМ-Г с учетом специфики СЭС, обеспечивающая реализацию и нормальное функционирование всей системы электроснабжения. Выполнен синтез рациональных элементов этой инфраструктуры.
Разработана обобщенная структурная схема комплексной математической модели ДЭМ, включающая, как саму машину, так и все элементы ее инфраструктуры, которая согласовывает между собой математические модели отдельных элементов инфраструктуры ДЭМ.
Разработана математическая модель многофазного (с числом фаз mi/m2 = 6/3) трансформатора в неподвижной координатной системе а-Р-у . При этом выбор неподвижной системы координат обоснован отсутствием электромеханического преобразования энергии. Выбор трехкоординатной (а не двухкоординатной) системы обоснован тем, что при этом на вторичной стороне трансформатора получаются реальные, а не фиктивные величины напряжений и токов, в то время, как на первичной стороне в любом случае требуется преобразование их фиктивных значений к реальным. При этом доказано, что кажущаяся простота применения двухфазной системы координат, имея в виду возможность простой стыковки с моделью ДЭМ, фактически только осложнило бы стыковку этих моделей, так как координаты модели ДЭМ являются вращающимися, в то время как координаты модели трансформатора являются неподвижными. 4. Построена математическая модель шестифазного двухполупериодного выпрямителя, являющаяся общей как для силовой цепи постоянного тока СЭС, так и для цепи стабилизации выходных параметров (частоты и величины напряжения) ДЭМ. При этом сделаны допущения о пренебрежении потерями, реактивностями рассеяния, током холостого хода, нелинейностями цепей со сталью, шунтирующими вентили R - С цепочками, а вентили представлены идеальными ключами. 5. Показано, что напряжения и токи в вентильных схемах не являются гладкими функциями времени и уже первые их производные претерпевают разрывы в моменты коммутаций вентилей, в следствии чего отсутствует общее решение дифференциальных уравнений модели выпрямителя. В связи с этим предложен поинтервальный метод решения уравнений модели с помощью введения специальных двоичных функций времени -переключающих функций Fb ... , F12 и дополнительной функции Fn, учитывающей время коммутации каждого вентиля. 6. Показана непосредственная электрическая связь и согласованный режим работы фотоэлектрического преобразователя (ФЭП) и аккумуляторной батареи (АБ) в инфраструктуре ДЭМ, в силу чего построена совмещенная математическая модель системы ФЭП - АБ, имеющая естественную стыковку, что существенно упрощает процесс обобщения и построения комплексной математической модели ДЭМ и ее инфраструктуры. Адекватность математической модели ФЭП подтверждена экспериментально. Максимальная погрешность при этом не превысила 10%. В системах автономного электроснабжения (САЭ) очень большое значение имеет обеспечение электромагнитной совместимости (ЭМС) источников и преобразователей электрической энергии трехфазного переменного тока соизмеримой мощности. Обычно в качестве преобразователей САЭ используются трехфазные выпрямители. Данные выпрямители оказывают искажения на напряжение источника питания. Поэтому на долю выпрямительной нагрузки накладывается ограничение в пределах 15-30% от номинальной мощности источника [62]. Для решения данной проблемы необходимо использовать многофазные выпрямители, выполненные на основе трансформаторов с вращающимся магнитным полем (ТВМП). Наибольший интерес представляет трансформатор, выполненный в виде торцевого асинхронного двигателя с заторможенным ротором, отличительной особенностью которого является симметрия магнитной и электрической цепей[118]. При технической реализации ТВМП любой конструкции важнейшим является вопрос о выборе числа фаз т2 его вторичной обмотки. Увеличение т2 улучшает качество выпрямленного напряжения и гармонический состав тока в первичной обмотке при работе ТВМП на выпрямленную нагрузку. Но при увеличении т2 усложняется конструкция ТВМП. Поэтому необходимо подобрать рациональное число фаз т2. Рассмотрим данный вопрос с точки зрения обеспечения максимального уровня ЭМС источника электрической энергии и подключенного к нему через ТВМП выпрямителя[118]. Вторичную обмотку ТВМП необходимо выполнить 15-ти фазной, т.к. при большем числе фаз по технологическим причинам в известных конструкциях ТВМП [4,5] не обеспечивается существенное улучшение качества выпрямленного напряжения.
Соединение несинхронно работающих сетей при помощи вращающегося трансформатора
Первичными источниками электрической энергии системы являются: - двухвходовая электрическая машина - генератор ДЭМ, в обмотке якоря которой вырабатывается трёхфазный переменный синусоидальный ток 220/380В, 50 Гц; - трёхфазный синхронный генератор Г дизель-генераторной установки М-Г, также вырабатывающий трёхфазный переменный синусоидальный ток тех же параметров. В качестве вторичного (резервного) источника электрической энергии переменного тока является инвертор И, преобразующий постоянный ток, запасенный аккумуляторной батареей АБ в переменный квазисинусоидальный трёхфазный ток тех же параметров. При этом "излишки" электрической энергии постоянного тока солнечных панелей СЭП, а также энергии переменного тока системы ДЭМ -М-Г (предварительно выпрямленного в выпрямителя В) аккумулируются в аккумуляторной батареи АБ. Потребители электрической энергии переменного тока разделены на I, II и III категории ( ПЭь ПЭц и ПЭш) согласно ПУЭ и разделены между собой выключателями нагрузки. Помимо этого в системе предусмотрено питание потребителей постоянного тока =ПЭ[122].
Комплексная система нетрадиционной энергетики (КСНЭ) предусматривает помимо этого питание потребителей тепловой энергии Пт, осуществляемое от теплового аккумулятора ТА, запитанного, в свою очередь, от СТП и СУТ, а также - питание потребителей холода Пх. Последнее осуществляется от преобразователя "тепло-холод" и специальной холодильной машины ХМ (холодильника) с питанием от сети переменного тока.
Естественно, что широкое использование ВИЭ в виде световой и тепловой энергии Солнца, а также энергии ветра в дополнение к традиционной дизель-генераторной установке М-Г с общим приводным дизелей М является несомненным достоинством данной системы.
Однако проблема широкого использования солнечных электрических — СЭП и тепловых - СТП преобразователей в СНЭ неоднозначна и включает в себя целый ряд сложных вопросов, тесно связанных друг с другом и прежде всего — экономических.
Как следует из рис. 4.1, СЭП могут стать составной частью СНЭ, обеспечивающей электроснабжение на трёхфазном переменном токе, только при формировании для них подсистемы, включающей в себя аккумулятор АБ, инвертор И, выпрямитель В, аппаратуру управления, коммутации и распределения. Весь этот комплекс стоит сегодня на мировом рынке свыше 5000$ за 1кВт установленной мощности.
В то же время, эта подсистема с СЭП при переходе на электропитание от дизель-электрической станции представляет собой нелинейную нагрузку и может быть составной частью СНЭ только при выполнении определенных требований. Так, комплекс "выпрямитель - аккумулятор - инвертор" должен иметь мощность по входу не более 30% суммарной мощности синхронного генератора Г и ДЭМ — Г, чтобы не допустить искажения синусоиды и не усложнять работу обоих генераторов. Кроме того, выпрямитель в этой системы должен иметь характеристики, обеспечивающие его совместимость с другими потребителями, для чего в ряде случаев может потребоваться согласующий трансформаторе22].
СТП относительно дешевы, долговечны и эффективно преобразовывают энергию Солнца в тепло, которое несложно аккумулировать в ТА (см. рис. 4.1), а при необходимости - преобразовывать в холод. Таким образом, СТП через тепловой аккумулятор ТА несложно и эффективно включаются в общую систему получения тепловой энергии от дизель-генератора при утилизации тепла охлаждения энергоблока и выхлопных газов СНЭ, состоящей из ДЭМ - М - Г (см. рис. 4.1).
Однако, централизованная система получения тепла от силовой части комплексной СНЭ, которая в этом случае наиболее эффективна, требует насосов, трубопроводных коммуникаций, вентилей, регуляторов и др. элементов, увеличивающих капитальные затраты и эксплуатационные расходы.
Децентрализованное применение СТП дорого и для разработанной СНЭ малоэффективно, так как в этом случае тепловые аккумуляторы придется для каждой панели в отдельности и их работу будет трудно согласовать с общей системой.
Выбор всех составных частей СНЭ производится на основе технико-экономического анализа, в основе которого лежит принцип минимизации цены вырабатываемой энергии с учетом всех затрат (капитальных, эксплуатационных, процента по выплате кредита).
Задача объединения разных сетей и обмена электроэнегией с другими объединениями является очень острой и требующей решения. Но решение данной задачи затрудняется, если связываемые сети работают несинхронно либо с разными рабочими частотами.
Для связи несинхронно работающих сетей используются электропередачи (ВЛТП, КЛТП) или вставки постоянного тока (ВПТ), преобразующие переменное напряжение одной из сетей в постоянное и инвертирующие его в переменное напряжение, синхронное с другой сетью. Примерами связи несинхронных объединений являются КЛПТ, соединяющие Великобританию и Скандинавию с европейским материком.
Другой вариант передачи электроэнергии между сетями с разной рабочей частотой — применение электромеханических преобразователей частоты ЭМПЧ с использованием асинхронизированных синхронных машин (состоят из приводящей синхронной машины и приводимого асинхронизированного генератора).
Компания General Electric разработала новый преобразователь частоты для решения проблем передачи электроэнергии между не работающими параллельно частями сети. Данная разработка позволяет решить задачу обмена энергией между системами, работающими с различными частотами[16].
Система VFT (Variable Frequency Transformer), основанная на комбинации гидрогенератора и трансформатора, представляет собой вращающийся трансформатор, основной принцип его работы — вращение одной обмотки трансформатора относительно другой с частотой скольжения. Вращение производится двигателем постоянного тока.
Угол положения ротора системы VFT может непрерывно управляться с помощью приводного устройства и системы управления, регулирующей поток мощности через систему VFT. Плавное управление мощностью осуществляется регулированием вращающего момента привода. Частота вращения ротора определяется возможной разницей в частотах сетей и может быть менее 3 об/мин.
