Работа посвящена взаимодействию между генераторами и потребителями электрической энергии при использовании возобновляемых источников энергии. Актуальность ее обусловлена возможностью отказаться от использования нефти, газа, угля для выработки электричества и возможностью отказаться от централизованного электроснабжения объектов, удаленных от линий электропередач.
В настоящее время в мире развивается концепция Smart Grid [1], предполагающая переход от выработки электроэнергии централизовано на крупных электростанциях и передаче ее потребителям на расстояния десятки и сотни километров к выработке ее вблизи потребителей (ферм, жилых домов и т.п.) из возобновляемых источников (ветер, солнечная батарея). Государства Европейского Союза планируют к 2020 году довести часть производства электроэнергии из альтернативных источников энергии до 20%. В этих странах серьезно обсуждается вопрос отказа от ископаемых видов топлива к 2050 году и построения энергетического комплекса, исключительно на основе альтернативных, возобновляемых источников энергии.
Особенностью альтернативных источников [2] является неравномерная и неуправляемая интенсивность потока энергии во времени, как правило, не совпадающая с интенсивностью, необходимой потребителю. Для согласования генерируемого и потребляемого потоков энергии используется аккумулятор.
Очевидна необходимость управления потоками энергии между ветрогенератором, солнечной батареей, аккумулятором и потребителем, обеспечивающего надежное и бесперебойное электропотребление, независимое от состояния внешних потоков – ветра и солнца. Современная электроника способна обеспечить коммутацию и преобразование параметров электроэнергии, но для управления ею нужен алгоритм.
Цель работы
Предложить алгоритм управления потоками электроэнергии, учитывающий ее неравномерную генерацию из окружающей среды – в зависимости от скорости ветра и интенсивности солнечного излучения.
Материалы и результаты исследования
Схема исследуемого объекта изображена ниже (рис. 1).
Рисунок 1 – Объект с распределенной генерацией:
⇒ – энергия, → – информация и управление
Объект представляет собой локализованный в пространстве потребитель электроэнергии (ПЭ), соединенный электрически через ключи или преобразователи (К1÷К6) с солнечной батареей (СБ), ветрогенератором (ВГ), аккумулятором (АК) и резервным источником, которым может быть дизель-генератор или линия электропередачи от централизованного источника.
При работе системы распределенной генерации устройство управления сравнивает потоки энергии от внешних по отношению к потребителю источников с мощностью, необходимой потребителю. В зависимости от значений этих потоков потребитель подключается к тому или иному источнику энергии.
Ниже (рис. 2) представлена блок-схема, реализующая алгоритм работы устройства управления.
Рисунок 2 – Блок-схема устройства управления распределенной генерацией
На схеме обозначено: РВГ – мощность ВГ; РСБ – мощность СБ; РАБ – мощность АК; РП – мощность нагрузки.
Если нет ветра и солнца, но аккумулятор заряжен в достаточной степени, чтобы обеспечить необходимую потребителю мощность (ситуация 1 на блок-схеме), устройство управления дает команду на включение К4, которым потребителю подается энергия от аккумуляторной батареи.
К4 представляет собой инвертор, преобразующий напряжение постоянного тока в трехфазное напряжение стандартной частоты, если в составе потребителя есть асинхронные двигатели.
Если электроэнергия нужна потребителю только для обогрева, освещения и т.п., К4 представляет собой регулятор напряжения, согласующий параметры энергии аккумулятора с параметрами потребителя.
Если нет ветра и интенсивность солнечного излучения такова, что СБ не может обеспечить мощность, необходимую потребителю (ситуация 2 на блок-схеме), включаются К3 и К4, так чтобы потребитель питался от солнечной батареи и аккумулятора. Устройство К3 обеспечивает работу СБ при максимально возможном КПД.
Если нет солнца и скорость ветра такова, что ВГ не может обеспечить мощность, необходимую потребителю (ситуация 3 на блок-схеме), включаются К1 и К4, так чтобы потребитель питался от ветрогенератора и аккумулятора. Устройство К1 преобразует напряжение ветрогенератора к значению, необходимому потребителю.
Если скорость ветра и интенсивность солнечного излучения таковы, что ВГ и СБ каждый в отдельности не могут обеспечить мощность потребителя (ситуация 4 на блок-схеме), работают устройства К1 и К3, так что потребитель питается одновременно от обоих источников, К1 и К3 согласуют параллельную работу источников, так чтобы энергия не перетекала от одного к другому.
Если скорость ветра и интенсивность солнечного излучения таковы, что ВГ и СБ генерируют большую мощность, чем мощность потребителя (ситуация 5 на блок-схеме), включаются устройства К1, К2, К3 и К5, так чтобы обеспечить энергией потребителя, а избыток энергии идет на зарядку аккумуляторной батареи. Указанные устройства обеспечивают энергетически рациональный режим генераторов и аккумулятора.
Если скорость ветра и солнечное излучение не обеспечивают мощность потребителя, а аккумуляторная батарея разряжена (ситуация 6 на блок-схеме), дается команда на включение резервного источника устройством К6. Резервным источником может быть дизель-генератор или линия электропередачи.
При реализации описанного алгоритма необходимо сочетать динамические параметры генераторов электроэнергии с периодом работы устройства управления: если, например, снижение мощности солнечной батареи произойдет раньше, чем устройство управления его обнаружит и компенсирует, потребитель будет обесточен или вынужден снизить потребляемую мощность.
Вывод
При распределенной генерации возможно обеспечить потребителя необходимым потоком энергии при использовании предложенного выше алгоритма.
Устройство управления для реализации алгоритма должно иметь динамические параметры, соответствующие параметрам генераторов.
Непременное условие распределенной генерации – генерируемое за год количество энергии должно быть не меньше количества энергии, полученной потребителем за тот же период.
Перечень ссылок
- Распределенная генерация электроэнергии – важное условие развития альтернативной энергетики. http://www.alterenergy.info/interesting-facts/123-the-distributedgeneration
- Распределенная генерация. http://www.alterenergy.info