ДонНТУ   Портал магистров

Реферат по теме выпускной работы

Содержание

(анимация: 7 кадров, 5 циклов повторения, 76 килобайт)

Рисунок 1. Ветряные электрогенераторы.

(анимация: 7 кадров, 5 циклов повторения, 76 килобайт)

Введение

Интеллектуальная сеть на технологическом уровне объединяет электрические сети, потребителей и производителей электроэнергии в единую автоматизированную систему, которая в реальном времени позволяет отслеживать и контролировать режимы работы всех участников процесса выработки, передачи и потребления электроэнергии. Интеллектуальная сеть в автоматическом режиме оперативно реагирует на изменения различных параметров в энергосистеме и позволяет осуществлять бесперебойное электроснабжение с максимальной экономической эффективностью при снижении влияния человеческого фактора.  Интеллектуальная электрическая сеть позволяет использовать энергию ветрогенераторов, солнечных батарей и других возобновляемых источников [4].

1. Электрическая сеть MICROGRID, ее структура и связь с электрической системой.

Новейшим направлением развития в электроэнергетике является схема, которая позволит группам людей жить в «энергетической изоляции» от остального мира, пользуясь общим источником энергии - например, ветряным генератором (рис.1) или солнечными батареями. Эта схема называется «микросети» («microgrid»). Это своего рода «натуральный обмен» различными видами энергии, который можно сравнить с работой файлообменных сетей Internet или распределенными вычислениями. При этом избыточную энергию предлагается «отдавать» тем, кому иначе пришлось бы брать ее с общей сети. Такой принцип давно используется в различных технологических процессах, но не в быту, и поэтому 60-70 процентов энергии просто теряется. Лишнее электричество может также накапливаться, что вряд ли удобно в централизованных сетях. Есть схема microgrid - это объединение енергособственников малой мощности, обеспечиваются собственной энергией и при этом остаток генерируется в общую сеть, и, наоборот, нехватка электроэнергии компенсируется из сети.          Так называют устройства, которые образуют маленькие, умные, автономные электрические сети, объединяющие несколько локальных потребителей и источников энергии [3]. В общем случае microgrid является структурной частью интеллектуальных сетей по технологии SmartGrid и поэтому ей характерны все свойства последних. Современная электрическая сеть обычно строится как система односторонней передачи. Она состоит из одной или нескольких очень мощных генерирующих станций, связанных с потребителями энергии. Переход к возобновляемым источникам энергии и появление новых интеллектуальных устройств требуют иного подхода - строительства интеллектуальной одноранговой сети. Например, сегодня на крышах домов часто устанавливаются солнечные батареи, а многие домовладельцы пользуются собственными небольшими ветровыми электрогенераторами. Это означает, что энергия и информация должны идти не только к потребителям, но и в обратном направлении. Основными принципами, на которых базируется технология «Smart Grid» являются наблюдения, автоматизация, контролируемость, интеграция [6].          Микромережи прекрасно справляются с задачей повышения надежности энергоснабжения за счет оперативного переключения потребителей между общей энергомережею и местными источниками энергии в случае перегрузок и скачков напряжения. Технологии генерации применяемые для микросети могут включать новейшие технологии (комбинированного производства тепла и электроэнергии (микроТЕЦ), топливные элементы, миниветровые генераторы, солнечные батареи, Микротурбины), и некоторые из существующих технологий генерации (однофазные и трехфазные асинхронные генераторы, синхронные генераторы, приводимые в движение двигателем внутреннего сгорания или малыми ГЭС). В дополнении к технологиям выработки электроэнергии MicroGrids также включают управляемые нагрузки и оборудования для обеспечения теплом. Возобновляемые источники могут быть представлены в микросети фотоэлектрическими системами или ветровыми турбинами, связанных между собой по средствам силовых электронных устройств. Также возможны микротурбины на биотопливе. Экологически, топливные элементы и большинство возобновляемых источников является значительным улучшением по сравнению с обычными двигателями внутреннего сгорания.

Почти во всех крупных интегрированных энергетических системах в мире полагаются на централизованное производство электроэнергии, а именно крупные гидроэлектростанции, угольные, работающие на природном газе и атомные электростанций. Питание потребителей осуществляется с помощью длинных, высоковольтных ЛЭП из централизованной системы. Однако, рост спроса на экологически чистую, надежную и доступную электроэнергию меняется по существующему сценарию. С другой стороны, старение централизованной энергетической инфраструктуры, которая становится более уязвима с ростом спроса на электроэнергию, требует инновационных и экономических решений, таких как строительство новых объектов передачи электроэнергии, что очень ограничено экологическими требованиями. Правительства многих стран в мире отреагировали на эти требования с соответствующими политическими законами, которые поддерживают распределенные и возобновляемые источники энергии. В результате, доля возобновляемых и эффективно-распределенных источников быстро растет. Микросеть должна подключаться к системе без потери надежности сети или алгоритма защиты и не вызвать другие проблемы, в соответствии с минимальными требованиями для всех подключенных устройств. Однако, микросети может принести больше ценного для сети, чем просто требования «непричинение вреда», т.е. MicroGrids может быть «хорошим жителем» системы. MicroGrids вносит предпочтение к сети путем понижения перегруженности или других угроз системной адекватности, если они применяются, как нагрузки, отключаются или контролируемые, которые могут быть частично отключены, если это необходимо при реагировании на изменение параметров сети. Кроме того, в MicroGrids может применяться силовая электроника, которая сконструирована таким образом, что ведет себя как постоянное сопротивление нагрузки, модулированное нагрузки или управляемое нагрузки. В дополнение, MicroGrids может обеспечивать локальную прибавку мощности и вспомогательный сервис, такой как локальная поддержка напряжения, несмотря на низковольтные ограничения подпитки внутри сети. Если микросети имеет все эти особенности ее можно рассматривать «образцовым гражданином» электрической системы [4].Технологии генерации применяемые для микросети могут включать новейшие технологии (комбинированного производства тепла и электроэнергии (микроТЕЦ), топливные элементы, миниветровые генераторы, солнечные батареи, Микротурбины), и некоторые из существующих технологий генерации (однофазные и трехфазные асинхронные генераторы, синхронные генераторы, приводимые в движение двигателем внутреннего сгорания или малыми ГЭС [6].

Рисунок 2. - Структурная схема системы управления потоком электроэнергии в MicroGrids.

2. Сочетание электрической сети с верующими электрогенератором.

В основу принципов построения системы управления положена схема подключения ветроэлектрогенератор к сети, требования, предъявляемые к надежности режимов электрической сети и качества электроэнергии, свойства енергоносителей и т.п..  Генераторы, подключенные к сети - это наиболее распространенный случай работы ветроэлектрогенераторов любой мощности в районах, где есть коммунальные или другие энергосистемы большой мощности (рис. 3). При этом энергия Ветроэлектр-генераторов используется непосредственно, а ее излишки подаются в энергосистему. При слабом ветре и в безветрие потребители обеспечиваются электроэнергией от энергосистемы.

1 - жилые помещения и т.п., 2 - линия электропередачи 

Рисунок 3. - Схема подключения энергетической ветроустановки microgrid к сети.

Микросеть microgrids должна подключаться к системе без потери надежности сети или алгоритма защиты и не вызвать другие проблемы, в соответствии с минимальными требованиями для всех подключенных устройств. Однако, микросеть должна принести больше ценного для общей сети, чем простое требование «непричинение вреда». MicroGrids вносит предпочтение к сети путем понижения перегруженности или других угроз системной адекватности, если они применяться, как нагрузки, отключаются или контролируемые, которые могут быть частично отключены, если это необходимо при реагировании на изменение параметров сети. Кроме того, в Microgrid может применяться силовая электроника, которая сконструирована таким образом, что ведет себя как постоянное сопротивление нагрузки, модулированного нагрузки или управляемое нагрузки. В дополнение, MicroGrids может обеспечивать локальную прибавку мощности и вспомогательный сервис, такой как локальная поддержка напряжения, несмотря на низковольтные ограничения подпитки внутри сети. В большинстве областей Украины наблюдается значительное изменение ветровых потоков. Причем в зимнее время скорость ветра выше, чем летом. Дни изменения скорости ветра наблюдаются, как правило, вблизи морей и больших озер. Утром солнце нагревает землю быстрее, чем воду, поэтому ветер дует в направлении побережья. Вечером же земля остывает быстрее, чем вода, поэтому ветер дует от побережья [5].  Скорость ветра зависит от высоты над уровнем земли. Близко к земле ветер замедляется за счет трения о земную поверхность. Таким образом, ветры бывают сильнее на больших высотах по отношению к земле. Для сельскохозяйственных полей и пустынных территорий при увеличении высоты над поверхностью земли в два раза наблюдается увеличение скорости ветра примерно на 12%. Например, площадь, охватывает ветроколесо диаметром 6 м, составляет около 28 м2, и с такой площади за теоретично идеальные условия можно собирать более 200 Вт. А даже небольшое повышение скорости ветра резко повышает выработку энергии. Теоретически эта зависимость имеет кубический характер, поскольку повышение скорости не только в квадратичной зависимости увеличивает кинетическую энергию единицы массы, но и в дополнение в линейной зависимости увеличивает объем воздуха, проходящего через выбранный сечение за единицу времени, то есть саму перемещаемую массу. Например, при увеличении скорости всего на 40% - до 3.5 м / с (соответствует оценке усредненной скорости ветра для Украины, составляет 3 .. 4 м / с) - мощность воздушного потока возрастает почти в три раза, и из идеального ветряка уже можно получать больше напивкиловата. А при 10 м / с (36 км / ч или около 20 узлов - это очень свежий, но на открытых пространствах совсем нередкий ветер) с каждого квадратного метра сечения воздушного потока при полном использовании его кинетической энергии можно снимать больше киловатта мощности, а с упомянутого выше идеального ветроколеса - примерно 30 кВт. Конечно, в реальном мире не удастся отобрать у воздушного потока абсолютно всю его энергию, однако приведенные выше оценки показывают, что во многих местах, где ветры сильнее среднего, даже при коэффициенте использования энергии ветра (КИЭВ), равном 20 .. 25%, использования ветроустановок вполне целесообразно.

3. Система сообщения ветряного электрогенератора с сетью через магнитный усилитель.

В основу работы положена концепция микросети (MicroGrid). Идея микросети принести эволюционные изменения в нормативную и оперативную базу традиционной электроэнергетики и появление меньших генерирующих систем, таких как ветроэлектрогенератора открыли новые возможности выработки электроэнергии за счет потребителей электроэнергии, в связи с распределением энергетических ресурсов - небольшие генераторы обычно располагаются в местах потребления электрической и тепловой энергии, где они используются, как перспективный вариант для удовлетворения растущих потребностей клиентов в электроэнергии с акцентом на надежность и качество [7].  Вообще, концепция микросети - обеспечивать преимущества распространения энергии. Это локализованная группа производства, накопления и распределения электроэнергии, которая обычно действует в связке с традиционной централизованной сетью. Микросети также могут работать автономно. Генерация и распределение в микросети, как правило, взаимосвязаны при низком напряжении. Ресурсы производства микросети могут включать: традиционное топливо, ветер, солнце и другие энерго источники. Основная задача заключается в разработке управления и коммуникационных стратегий, которые подходят построении стабильной и эффективной работы микросети.          В связи с этим в работе рассматривается использование ветроэлектрогенератор в быту со средним электрической нагрузкой - 0,5 кВт. Пиковая нагрузка - до 5 кВт, когда включена много мощных бытовых приборов. Предполагается, что мощности ветрового электрогенератора недостаточно для покрытия пиковой нагрузки, поэтому ветровой электрогенератор необходимо подключить к внешней электрической сети на постоянную работу. При этом автоматическое регулирование мощности источников питания установит необходимый баланс потребления электроэнергии от ветроэлектрогенератора и внешней сети MicroGrid.          Последнее требование может быть реализована системой сообщения ветроэлектрогенератора с сетью MicroGrid на базе магнитного усилителя, который имеет функцию регулирования и усиления мощности с одновременным сглаживанием и стабилизацией напряжения на нагрузке потребителя [2].  Для реализации модели системы MicroGrid выбрана, как ориентир проблемы, динамическая модель данной системы осуществлена с помощью Matlab / Simulink и SimPowerSystems Toolbox. Полученная S-модель используется для исследование установившихся режимов сети.          Блок-диаграмма (схема) S-модели (рис. 4) симметрична относительно элемента нагрузки потребителя (Parallel RLC Load). Представляет собой две одинаковые подсистемы, связывающие источники питания (ветроэлектрогенератор и сеть) с потребителем.          В основу каждой подсистемы положен магнитный усилитель, каждый из которых построен на двух тансформаторах.          Напряжение управления Uy магнитными усилителями задается источниками постоянного напряжения (DC Voltage Source для ветви с ветроэлектрогенератор и DC Voltage Source 1 для ветви внешней сети). Значение напряжения управления принимается Uy = 12 В, это стандартное напряжение аккумуляторной батареи, входящей в состав системы управления ветроэлектрогенератором. При моделировании режимов системы сопряжения ветроэлектрогенератор с сетью представляется, что напряжение управления изменяет автоматический регулятор (в S-модели не присутствует). Регулировка напряжения управления в обеих ветвях схемы (подсистемах) осуществляется путем задания требуемого значения напряжения в окне параметров блоков DC Voltage Source. Аналогично в S-модели осуществляется регулирование питающего нагрузки потребителя (Parallel RLC Load) в окнах задания параметров блоков типа AC Voltage Source. Для упрощения моделирования режимов нагрузки потребителя моделируется только активной составляющей.

Рисунок 4. Simulink -модель.

4. Моделирование SIMULINK-модели магнитного усилителя.

МП в схеме соединения ветрового электрогенератору с сетью моделируемая двумя блоками Saturable Transformer (Нелинейный трансформатор) из библиотеки SimPowerSystem. В качестве основных параметров этих блоков взяты параметры однофазного трансформатора, приведенные требованиям MATLAB SIMULINK (активное и индуктивное сопротивление обмоток, сопротивление цепи намагничивания). Нагрузка моделируется блоком Parallel RLC Load с мощностью, соответствующей мощности трансформатора. Внутреннее сопротивление источников питания моделируется блоками типа Parallel RLC Branch [1].

Рисунок 5. - Двухтрансформаторная S-модель магнитного усилителя. 

При моделировании в MATLAB SIMULINK используются разделы электротехнической библиотеки SimPowerSystem:
• Еlесtгисаl Sоurces - источники электрической энергии. В состав раздела библиотеки входят источники постоянного и переменного напряжения и тока, источники напряжения и тока, которые управляются, а также трехфазные источники переменного напряжения;
• Меаsurements - измерительные и контрольные приборы. Раздел библиотеки содержит датчики тока и напряжения, блок измерения для трехфазных систем, мультиметр и измеритель полного сопротивления цепи (импеданса)
• Еlements - электротехнические элементы. В разделе библиотеки находится большой набор моделей пассивных электротехнических элементов: одно-и трех-фазных RLC-цепи, трансформаторы, взаемноиндуктивнисть, грозозащитный разрядник и т. п. [1]

Выводы

Данная магистерская работа представляет собой исследование по созданию модели сочетания ветровой электрогенератор с сетью на основе магнитного усилителя, которая может применяться для исследования режимов работы ВЭС, как в составе единой электроэнергетической системы, так и в автономном режиме при различных погодных условиях.

На момент написания реферата магистерская работа ещё не завершена. Окончательное завершение: декабрь 2013 г. После указанной даты полный текст работы и материалы по теме могут быть получены у руководителя.

Список источников

  1. Черных И.В. SIMULINK: среда создания инженерных приложений/Под общ. Ред. К.т.н. В.Г. Потемкина. – М.: ДИАЛОГ-МИФИ, 2003. – 496 с.

  2. Лазарев Ю. Моделирование процессов и систем в MATLAB. Учебный курс. – СПб.: Питер; Киев: Издательская группа BHV, 2005. – 512 с.

  3. Дунаев С.Д. Электроника, микроэлектроника и автоматика: Учебник для техникумов и колледжей ж.-д. Транспорта. – М.: Маршрут, 2003. – 336 с.

  4. Белей В. Ф. Ветроэнергетические установки: тенденции развития, проблемы подключения и эксплуатации в составе электроэнергетических систем / В. Ф. Белей // Малая энергетика. 2005. – № 1-2. – С. 6.

  5. Белей В. Ф. Современная ветроэнергетика: тенденции развития, проблемы и некоторые пути их решения / В. Ф. Белей, А. Ю. Никишин // Электрика. 2006. – № 8. – С. 19-22.

  6. Суббота А. М. , Гаевая Д. А. Будущее энергетики – альтернативные источники энергии. // Радіоелектронні і комп’ютерні системи, 2010, № 4 (45)

  7. Олейников А. М. , Матвеев Ю. В. , Канов Л. Н. Моделирование режима ветроэлектрической установки малой мощности.// Електротехніка і Електромеханіка. 2010. №2