ДонНТУ   Портал магістрів

Реферат за темою випускної роботи

Зміст

(анімація: 7 кадрів, 5 циклів повторення, 76 кілобайт)

Рисунок 1. - Вітрові електрогенератори.

(анімація: 7 кадрів, 5 циклів повторення, 76 кілобайт)

Вступ.

Інтелектуальна мережа на технологічному рівні об'єднує електричні мережі, споживачів і виробників електроенергії в єдину автоматизовану систему, яка в реальному часі дозволяє відстежувати і контролювати режими роботи усіх учасників процесу вироблення, передачі і споживання електроенергії. Інтелектуальна мережа в автоматичному режимі оперативно реагує на зміни різних параметрів в енергосистемі і дозволяє здійснювати безперебійне електропостачання з максимальною економічною ефективністю при зниженні впливу людського чинника.
Інтелектуальна електрична мережа дозволяє використовувати енергію ветрогенераторов, сонячних батарей і інших поновлюваних джерел [1].

1. Електрична мережа MICROGRID, її структура, і зв’язок з електричної системою.

Новітнім напрямом розвитку в електроенергетиці є схема, яка дозволить групам людей жити в "енергетичній ізоляції" від решти світу, користуючись загальним джерелом енергії - наприклад, вітряним генератором (рис.1) або сонячними батареями. Ця схема називається "мікромережею" ("microgrid"). Це свого роду "натуральний обмін" різними видами енергії, який можна порівняти з роботою файлообмінних мереж Internet або розподіленими обчисленнями. При цьому надлишкову енергію пропонується "віддавати" тим, кому інакше довелося б брати її з загальної мережі. Такий принцип давно використовується в різних технологічних процесах, але не в побуті, і через це 60-70 відсотків енергії просто втрачається. Зайва електрика може також накопичуватись, що навряд чи зручно в централізованих мережах.
Тобто схема microgrid це об'єднання енерговласників малої потужності, що забезпечуються власною енергією і при цьому залишок генерується в загальну мережу, і, навпаки, недостача електроенергії компенсується з мережі.
         Так називають пристрої, які утворюють маленькі, розумні, автономні електричні мережі, що поєднують кілька локальних споживачів і джерел енергії [3].
В загальному випадку microgrid є структурною частиною інтелектуальних мереж за технологією SmartGrid і тому їй характерні всі властивості останніх.
Сучасна електрична мережа звичайно будується як система односторонньої передачі. Вона складається з однієї або декількох дуже потужних генеруючих станцій, пов'язаних із споживачами енергії. Перехід до поновлюваних джерел енергії і поява нових інтелектуальних пристроїв вимагають іншого підходу - будівництва інтелектуальної однорангової мережі. Приміром, сьогодні на дахах будинків часто встановлюються сонячні батареї, а багато домовласників користуються власними невеликими вітровим и електрогенераторами. Це означає, що енергія і інформація повинні йти не лише до споживачів, але і у зворотному напрямі.
Основними принципами, на яких базується технологія "Smart Grid" являються спостереження, автоматизація, контрольованість, інтеграція [6].
         Микромережі чудово справляються із завданням підвищення надійності енергопостачання за рахунок оперативного перемикання споживачів між загальною энергомережею і місцевими джерелами енергії у разі перевантажень і стрибків напруги.
Технології генерації вживані для Мікромережі можуть включати новітні технології (комбінованого виробництва тепла і електроенергії (мікроТЕЦ), паливні елементи, мінівітрові генератори, сонячні батареї., мікротурбіни), і деякі з існуючих технологій генерації (однофазні і трифазні асинхронні генератори, синхроні генератори, що приводяться в рух двигуном внутрішнього згорання або малими ГЕС).
У доповненні до технологій вироблення електроенергії MicroGrids також включають керовані навантаження і устаткування забезпечення теплом.
Поновлювані джерела можуть бути представлені в Мікромережах фотоелектричними системами або вітровими турбінами, пов'язаних між собою по засобах силових електронних пристроїв. Також можливі мікротурбіни на біопаливі. Екологічно, паливні елементи і більшість поновлюваних джерел є значним поліпшенням в порівнянні із звичайними двигунами внутрішнього згорання.
Майже в усіх великих інтегрованих енергетичних системах у світі покладаються на централізоване виробництво електроенергії, а саме великі гідроелектростанції, вугільні, працюючі на природному газі і атомні електростанцій. Живлення споживачів здійснюють за допомогою довгих, високовольтних ЛЕП з централізованої системи. Проте, зростання попиту на екологічно чисту, надійну і доступну електроенергію змінюється за існуючим сценарієм. З іншого боку, старіння централізованої енергетичної інфраструктури, яка стає більш уразлива із зростанням попиту на електроенергію, вимагає інноваційних і економічних рішень, таких як будівництво нових об'єктів передачі електроенергії, що дуже обмежено екологічними вимогами. Уряди багатьох країн у світі відреагували на ці вимоги з відповідними політичними законами, які підтримують розподілені і поновлювані джерела енергії. В результаті, доля поновлюваних і ефективно-розподілених джерел швидко росте. Мікромережа повинна підключатися до системи без втрати надійності мережі або алгоритму захисту і не викликати інші проблеми, відповідно до мінімальних вимог для усіх підключених пристроїв. Проте, Мікромережа може принести більше цінного для мережі, чим просте вимоги "неспричинення шкоди", тобто MicroGrids може бути "хорошим мешканцем" системи. MicroGrids вносить перевагу до мережі шляхом пониження перевантаженості або інших погроз системної адекватності, якщо вони застосовуються, як навантаження, що відключаються або контрольовані, які можуть бути частково відключені, якщо це необхідно при реагування на зміну параметрів мережі. Крім того, в MicroGrids може застосовуватися силова електроніка, яка сконструйована таким чином, що поводиться як постійний опір навантаження, модульоване навантаження або кероване навантаження. На додаток, MicroGrids може забезпечувати локальну надбавку потужності і допоміжний сервіс, такий як локальна підтримка напруги, не дивлячись на низьковольтні обмеження підживлення усередині мережі. Якщо Мікромережа має усі ці особливості її можна розглядати "зразковим громадянином" електричної системи [4].

Технології генерації вживані для Мікромережі можуть включати новітні технології (комбінованого виробництва тепла і електроенергії (мікроТЕЦ), паливні елементи, мінівітрові генератори, сонячні батареї., мікротурбіни), і деякі з існуючих технологій генерації (однофазні і трифазні асинхронні генератори, синхроні генератори, що приводяться в рух двигуном внутрішнього згорання або малими ГЕС [6].

Рисунок 2. – Структурна схема системи керування потоком електроенергії в MicroGrids.

2. Сполучення електричної мережі з віряним електрогенератором.

В основу принципів побудови системи керування покладено схему підключення вітроелектрогенераторів до мережі, вимоги, щодо надійності режимів електричної мережі і якості електроенергії, властивості енергоносиїв тощо.
Генератори, підключені до енергомережі - це найбільш поширений випадок роботи вітроелектро-генераторів будь-якої потужності в районах, де є комунальні або інші енергосистеми великої потужності (рис. 3). При цьому енергія вітроелектро-генераторів  використовується безпосередньо, а її надлишки подаються в енергосистему. При слабому вітрі і в безвітря споживачі забезпечуються електроенергією від енергосистеми.

1 – житлові приміщення і т.п.; 2 – лінія електропередачі

Рисунок 3. – Схема підключення енергетичної вітроустановки microgrid до мережі.

 

Мікромережа microgrids повинна підключатися до системи без втрати надійності мережі або алгоритму захисту і не викликати інші проблеми, відповідно до мінімальних вимог для усіх підключених пристроїв. Проте, мікромережа повинна принести більше цінного для загальної мережі, чим проста вимога "неспричинення шкоди". MicroGrids вносить перевагу до мережі шляхом пониження перевантаженості або інших погроз системної адекватності, якщо вони застосовуватися, як навантаження, що відключаються або контрольовані, які можуть бути частково відключені, якщо це необхідно при реагування на зміну параметрів мережі. Крім того, в Microgrid може застосовуватися силова електроніка, яка сконструйована таким чином, що поводиться як постійний опір навантаження, модульованого навантаження або кероване навантаження. На додаток, MicroGrids може забезпечувати локальну надбавку потужності і допоміжний сервіс, такий як локальна підтримка напруги, не дивлячись на низьковольтні обмеження підживлення усередині мережі.
У більшості областей України спостерігається значна зміна вітрових потоків. Причому в зимовий час швидкість вітру вища, ніж влітку. Денні зміни швидкості вітру спостерігаються, як правило, поблизу морів і великих озер. Уранці сонце нагріває землю швидше, ніж воду, тому вітер дме у напрямі узбережжя. Увечері ж земля остигає швидше, ніж вода, тому вітер дме від узбережжя [5].
Швидкість вітру залежить від висоти над рівнем землі. Близько до землі вітер сповільнюється за рахунок тертя об земну поверхню. Таким чином, вітри бувають сильніше на великих висотах по відношенню до землі. Для сільськогосподарських полів і пустинних територій при збільшенні висоти над поверхнею землі в два рази спостерігається збільшення швидкості вітру приблизно на 12%. Наприклад, площа, що охоплює вітроколесо діаметром 6 м, складає близько 28 м2, і з такої площі за теоратично ідеальних умов можна збирати більше 200 Вт. А навіть невелике підвищення швидкості вітру різко підвищує вироблення енергії. Теоретично ця залежність має кубічний характер, оскільки підвищення швидкості не лише в квадратичній залежності збільшує кінетичну енергію одиниці маси, але і на додаток в лінійній залежності збільшує об'єм повітря, що проходить через вибраний переріз за одиницю часу, тобто саму переміщувану масу. Наприклад, при збільшенні швидкості усього на 40% - до 3.5 м/с (відповідає оцінці усередненої швидкості вітру для України, що становить 3..4 м/с) - потужність повітряного потоку зростає майже в три рази, і з ідеального вітряка вже можна отримувати більше напівкіловата. А при 10 м/с (36 км/ч або майже 20 вузлів, - це дуже свіжий, але на відкритих просторах зовсім нерідкий вітер) з кожного квадратного метра перерізу повітряного потоку при повному використанні його кінетичної енергії можна знімати більше кіловата потужності, а із згаданого вище ідеального ветроколеса - приблизно 30 кВт. Звичайно, у реальному світі не вдасться відібрати у повітряного потоку абсолютно усю його енергію, проте приведені вище оцінки показують, що в багатьох місцях, де вітри сильніші за середні, навіть при коефіцієнті використання енергії вітру (КВЕВ), рівному 20..25%, використання вітроустановок цілком доцільно.

3. Система сполучення вітряного електрогенератора з мережею через магнітний підсилювач.

В основу роботи покладено концепцію мікромережі (MicroGrid). Ідея мікромережі принести еволюційні зміни в нормативну і оперативну базу традиційної електроенергетики і появу менших генеруючих систем, таких як вітроелектрогенератори відкрили нові можливості вироблення електроенергії за рахунок споживачів електроенергії, у зв'язку, з розподілом енергетичних ресурсів - невеликі генератори зазвичай розташовуються в місцях споживання  електричної і теплової енергії, де вони використовуються, як перспективний варіант для задоволення зростаючих потреб клієнтів в електроенергії з акцентом на надійність і якість [7].
Взагалі, концепція мікромережі - забезпечувати переваги поширення енергії. Це локалізована група виробництва, накопичення і розподілу електроенергії, яка зазвичай діє в зв'язці з традиційною централізованою мережею. Мікромережі також можуть працювати автономно. Генерація і розподіл в мікромережі, як правило, взаємозв'язані при низькій напрузі. Ресурси виробництва мікромережі можуть включати: традиційне паливо, вітер, сонце і інші енерго джерела.
Основне завдання полягає в розробці управління і комунікаційних стратегій, які підходять побудові стабільної і ефективної роботи мікромережі.
         У зв'язку з цим в роботі розглядається використання вітроелектрогенератора в побуті з середнім електричним навантаженням – 0,5 кВт. Пікове навантаження – до 5 кВт, коли ввімкнуто багато потужних побутових приладів. Припускається, що потужності вітрового електрогенератора недостатньо для покриття пікового навантаження, тому вітровий електрогенератор необхідно підключити до зовнішньої електричної мережі на постійну роботу. При цьому автоматичне регулювання потужності джерел живлення встановить необхідний баланс споживання електроенергії від вітроелектрогенератора і зовнішньої мережі MicroGrid.
         Остання вимога може бути реалізована системою сполучення вітроелектрогенератора з мережею MicroGrid на базі магнітного підсилювача, який має функцію регулювання і підсилення потужності з одночасним згладжуванням і стабілізацією напруги на навантажені споживача [2].
Для реалізації моделі системи MicroGrid вибрана, як орієнтир проблеми, динамічна модель даної системи здійснена за допомогою Matlab / Simulink і SimPowerSystems Toolbox.
Отримана S-модель використовується для дослідженя сталих режимів мережі.
         Блок-діаграма (схема) S-моделі (рис. 4) симетрична відносно елементу навантаження споживача (Parallel RLC Load). Представляє собою дві однакові підсистеми, що зв'язують джерела живлення (вітроелектрогенератор і мережа) зі споживачем.
         В основу кожної підсистеми покладено магнітний підсилювач, кожний з яких побудовано на двох тансформаторах.
         Напруга керування Uy магнітними підсилювачами задається джерелами постійної напруги (DC Voltage Source для гілки з вітроелектрогенератором і DC Voltage Source 1 для гілки зовнішньої мережі). Значення напруги керування приймається Uy = 12 В, це стандартна напруга акумуляторної батареї, що входить до складу системи управління вітроелектрогенератором. При моделюванні режимів системи сполучення вітроелектрогенератора з мережею уявляється, що напругу керування змінює автоматичний регулятор (в S-моделі не присутній). Регулювання напруги керування в обох гілках схеми (підсистемах) здійснюється шляхом завдання необхідного значення напруги у вікні параметрів блоків DC Voltage Source.

Аналогічно в S-моделі здійснюється регулювання напруги, що живить навантаження споживача (Parallel RLC Load) в вікнах завдання параметрів блоків типу АC Voltage Source. Для спрощення моделювання режимів навантаження споживача моделюється тільки активною складовою.

Рисунок 4. - Simulink -модель.

4. Моделювання SIMULINK-моделі магнітного підсилювача.

МП в схемі сполучення вітрового електрогенератору з мережею модельована двома блоками  Saturable Transformer (Нелінійний трансформатор) з бібліотеки SimPowerSystem. В якості основних параметрів цих блоків взяті параметри однофазного трансформатора, наведені до вимог MATLAB SIMULINK (активне і індуктивний опір обмоток, опір ланцюга намагнічування). Навантаження моделюється блоком Parallel RLC Load з потужністю, відповідної потужності трансформатора. Внутрішній опір джерел живлення моделюється блоками типу Parallel RLC Branch [1].

Рисунок 5. - Двотрансформаторна S-модель магнітного підсилювача.

 

При моделюванні в MATLAB SIMULINK використовуються розділи електротехнічної бібліотеки SimPowerSystem:

• Еlесtгісаl Sоurces - джерела електричної енергії. До складу розділу бібліотеки входять джерела постійного і змінного напруги і струму, джерела напруги та струму, які управляються, а також трифазні джерела змінної напруги;

• Меаsurements - вимірювальні і контрольні прилади. Розділ бібліотеки містить датчики струму і напруги, блок вимірювання для трифазних систем, мультиметр і вимірювач повного опору кола (імпедансу);

• Еlements - електротехнічні елементи. У розділі бібліотеки знаходиться великий набір моделей пасивних електротехнічних елементів: одно-і трьох-фазних RLC-ланцюга, трансформатори, взаемноіндуктівність, грозозахисний розрядник і т. п. [1]

Висновки

Дана магістерська робота являє собою дослідження по створенню моделі сполучення вітрового електрогенератору з мережою на основі магнітного підсилювача, яка може застосовуватися для дослідження режимів роботи ВЕС, як у складі єдиної електроенергетичної системи, так і в автономному режимі при різних погодних умовах.

На момент написання реферату магістерська робота ще не завершена. Остаточне завершення: грудень 2013 р. Після зазначеної дати повний текст роботи та матеріали по темі можуть бути отримані у керівника.

Перелік посилань

  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