Українська   English
ДонНТУ   Портал магистров ДонНТУ

Содержание


Введение

Рост населения мира и развитие промышленности, повышение потребления электроэнергии на душу населения, энергоемкие промышленные производства и при всем этом ограниченные источники энергии – это одна из основных проблем, которая стоит перед современной энергетикой. В мире выработаны две концепции преодоления данной проблемы – развитие Smart Grids и Micro Grids. Каждая из них хороша и по отдельности, но их ни в коем случае нельзя противопоставлять, поскольку совместное использование двух подходов позволяет добиться синергетического эффекта. Что же представляет каждая из концепций?

Smart Grid – она же концепция умной/интеллектуальной энергетики. Ей приписывают способность к самовосстановлению после сбоев, устойчивость к физическим и компьютерным атакам, обеспечение необходимых качественных характеристик в подаче электроэнергии, взаимосвязь и синхронность работы различных узлов системы, использование современных высоких технологий. Реализация данной концепции подразумевает использование в электроэнергетике инновационных технологий, расширение ее сферы применения на новые отрасли, например автотранспорт с электродвигателями, создание резервных каналов доставки электроэнергии до потребителя, ввод в строй современных и разноплановых источников производства энергии.

Micro Grid – концепция малой распределенной энергетики. Она предполагает создание на определенных территориях отдельных энергосетевых структур, обладающих собственных источниками энергии и способных взять на себя задачу удовлетворения спроса потребителей при максимуме пиковых нагрузок, когда центральная сеть не может его обеспечить. Отдельной чертой этого направления является использование возобновляемых источников энергии, которые с каждым годом, в связи с ухудшающейся экологической ситуацией, становятся все более и более актуальными.


1. Актуальность темы

Самой важной технической проблемой создания таких энергосистем является поддержание заданных значений напряжения и частоты тока для каждого из потребителей и бесперебойное электроснабжение этих потребителей. Решение проблемы связано с обеспечением баланса мощностей: мощность генерации в каждый момент времени должна равняться сумме мощностей всех потребителей, мощности потерь в сетях и оборудовании, мощности, развиваемой накопителями электроэнергии в режиме потребления электроэнергии. При этом важно учитывать, что накопители могут использоваться и в режиме выдачи электроэнергии в сеть, и тогда сумма мощностей генерации и накопителей в режиме выдачи должна равняться сумме мощностей потребителей и мощности потерь. Обеспечение описанного баланса мощностей обеспечивается в микрогрид за счет того, что все потребители, все генерирующее оборудование и все накопители электроэнергии обмениваются информацией о себе и своем режиме работы друг с другом и, реализуя автоматический алгоритм оптимального управления, устанавливают значение своей мощности.

Вторая проблема, возникающая при проектировании и создании локальных энергосистем типа микрогрид, это обеспечение экономичности такой системы и выбор минимально необходимого состава оборудования, необходимого для создания энергосистемы. Вариант создания локальной энергосистемы в целом ряде случаев вполне может конкурировать со строительством или расширением сетевой инфраструктуры. Для этого должна быть обеспечена оптимизация стоимости строительства локальной энергосистемы.


2. Цель исследования

Целью исследования является разработка модели автономной энергетической системы, в которой необходимо исследовать холостой ход генератора, короткое замыкание на холостом ходу, регуляторы возбуждения и частоты вращения генератора, подключение СГ к сети, определить величины ударных токов при коротком замыкании на выводах генератора, посадку напряжения при подключении статической нагрузки. Также необходимо исследовать режим параллельной работы двух СГ на нагрузку.


3. Локальная система MicroGrid

Микросетью (MicroGrid) называют группу взаимосвязанных нагрузок клиентов и распределенных энергетических ресурсов в рамках четко определенных границ, которая действует как единый управляемый объект, которую можно подключать и отключать от сети.

Локальная система MicroGrid (микросеть) включает в себя, как правило, одну или несколько распределительных подстанций и комплексы хранения энергии, что позволяет ей как функционировать автономно, так и быть связанной с внешней энергосистемой. Системы Microgrid могут иметь различные размеры: от небольших сетей для обеспечения нескольких жилых домов до крупных систем энергоснабжения предприятий и деловых центров. Обычно микросети строятся за короткий промежуток времени для обеспечения локальных потребностей в электроэнергии и не подразумевают передачу электричества на дальние расстояния.

Существуют три типа энергетических микросетей:

Сеть первого типа снабжает энергией одно здание, обеспечивая его независимость от централизованной сети переменного тока. Но чаще всего встречается второй тип – кампусные сети, обеспечивающие энергией комплекс зданий на определенной территории. На этой территории создается внутренняя сеть распределения и внутренний источник энергии. Кампусная сеть, как и сеть первого типа, может работать независимо от централизованной энергосети. Сеть третьего типа работает по методу Интернета, используя топологию сети распределения. По мере увеличения надежности и устойчивости сетей, интеграции распределенных генерирующих мощностей и систем хранения энергии, сеть распределения начинает превращаться в совокупность взаимно подключенных микросетей. Такие сети могут действовать совершенно независимо, а в экстренных случаях подключаться к внешним сетям [1].

Преимущества сети MicroGrid:

Основные компоненты для построения Microgrid:

Накопители энергии:

Контролируемые потребители:

Во многих развитых странах, провозгласивших курс на возобновляемую энергетику, гражданам обещают выкупать излишки электричества, выработанные их личными источниками энергии, такими как солнечные панели или ветряные генераторы. Однако на деле реализовать эту возможность не так просто, как кажется. Зачастую компании которые обслуживают такие сети, предлагают не самый выгодный тарифный план, либо скрывают некоторые подводные камни.

Их позиция легко объяснима. Электрические компании, нацеленные на получение прибыли, заинтересованы в стабильных объемных поставках энергии. В условиях, когда конечный потребитель может выбирать поставщика, операторов волнует качество и стабильность энергии, получаемой от мелких производителей, малейшее отклонение от стандартов грозит им потерей доходов. Тем не менее, благодаря государственным мерам регулирования, количество мелких производителей энергии растет. Однако, кроме административного нажима, есть и другие высокотехнологичные методы повышения привлекательности мелких поставок.

Проблема оптимизации подключения мелких производителей энергии к общей сети – это проблема отсутствия эффективных технологий. Работая автономно в режиме энергетического острова, такие микросети емкостью менее 10 МВт способны надежно обеспечивать энергией офисные центры, промышленные объекты, жилые кварталы, университетские городки и военные базы.

Более того, микросети способны полностью обойтись без подключения к общей системе энергоснабжения, легко интегрируя местные возобновляемые источники энергии, такие как солнечные батареи и ветряные турбины, сглаживать пиковые нагрузки.Протяженные линии электропередач – основной источник потерь энергии. Микросетевые технологии ориентированы на использование местных возобновляемых источников, в результате нет необходимости транспортировать энергию на большие расстояния, что и уменьшает потери.Генерация электроэнергии обычно сопровождается выделением значительного количества тепла, которое может быть использовано тут же, на месте для отопления и охлаждения зданий. Такое комбинированное производство увеличит эффективность источников энергии с существующих 35% до 85%, параллельно снижая уровень выбросов углекислоты в атмосферу.

Микросети прекрасно справляются с задачей повышения надежности энергоснабжения за счет оперативного переключения потребителей между общей энергосетью и местными источниками энергии в случае перегрузок и скачков напряжения.

Возможно, что в будущем основным преимуществом микросетевых технологий окажется их легкая и быстрая адаптация к потребителям в противовес централизованным системам энергоснабжения. Строительство крупных энергетических объектов и протяженных распределительных сетей требует длительного времени. Микросети способны обеспечить поставку энергии значительно быстрее, ориентируясь на маломощные местные источники.

В настоящее время существует два пути развития микросетевых технологий. Основной, признанный большинством метод предполагает постоянный дистанционный компьютерный контроль всех участков микросети. Его недостатки – избыточная опора на вычислительные емкости и каналы связи, что может снизить надежность системы в целом.

Альтернативный подход предполагает автоматическое изменение значимых параметров микросети, основываясь на изменениях частоты электрических колебаний в ней. Такая технология получила название Consortium for Electric Reliability Technology Solutions (CERTS).

В качестве примера на рисунке 1 представлена сеть микрогрид, включающая в себя набор генерирующих источников и набор потребителей. Генерирующие объекты представлены комбинацией традиционных источников, работающих на дизеле (дизель-генераторы) или газе (газо-поршневые двигатели), малыми гидростанциями и ВИЭ (в основном ветроустановками и солнечными станциями). Возможна любая комбинация указанных источников, и если основной причиной для использования ВИЭ является чисто экономический эффект (субсидии, гарантированный тариф и т. д.) или снижение расхода основного топлива, то тип источника электроэнергии особого значения не имеет. Стоит отметить, что замещение традиционного источника зеленым также позитивно отразится на экологическом аспекте. Если конечному потребителю важно снизить вредные выбросы от традиционных источников и улучшить уровень жизни, то для владельцев генерации применение ВИЭ еще и снижает налогообложение за вредные выбросы. В некоторых странах этот фактор стал решающим для применения ВИЭ в локальных сетях.

Сеть MicroGrid

Рисунок 1 – Сеть MicroGrid
(анимация: 7 кадров, 7 циклов повторения, 196 килобайт)

Основные негативные факторы применения ВИЭ и их воздействия на локальную сеть кроются в самом принципе выработки энергии, так как она зависит от климатических условий. К примеру, исключается чисто островной режим работы: ВИЭ отключаются оператором сети при появлении островного режима, в котором участвуют или участвовали бы только альтернативные источники. Второй важный фактор – это высокая изменчивость при выработке самой энергии. Также можно отметить слабую прогнозируемость объема выработанной энергии.

Например, если рассматривать работу солнечной и ветровой станции, то в обоих случаях особую роль играют климатические условия и их изменения на протяжении года. Именно в связи с этим в островных сетях, изолированных от магистральных, невозможно вырабатывать качественную электроэнергию без параллельного подключения традиционных источников. Все вышеперечисленные факторы формируют основную задачу для микрогрид – обеспечение сбалансированной сети.

В рамках применения микрогрид есть большой потенциал в удаленных регионах, на промышленных предприятиях (добыча, переработка), которые либо не получают энергию от магистральных сетей, либо испытывают трудности с качеством поставляемой энергии (из-за колебаний напряжения и частоты, отключения питания и т. д.).


4. Реализация схемы автономной интеллектуальной системы в среде Simulink

Simulink – это графическая среда имитационного моделирования, позволяющая при помощи блок–диаграмм в виде направленных графов, строить динамические модели, включая дискретные, непрерывные и гибридные, нелинейные и разрывные системы [4].

Интерактивная среда Simulink, позволяет использовать готовые библиотеки блоков для моделирования электросиловых, механических и гидравлических систем, а также применять развитый модельно-ориентированный подход при разработке систем управления, средств цифровой связи и устройств реального времени.

Дополнительные пакеты расширения Simulink позволяют решать весь спектр задач от разработки концепции модели до тестирования, проверки, генерации кода и аппаратной реализации. Simulink интегрирован в среду MATLAB, что позволят использовать встроенные математические алгоритмы, мощные средства обработки данных и научную графику.

Simulink Library Browser (cредство просмотра Библиотеки Simulink) содержит в себе библиотеку блоков наиболее часто используемых для моделирования систем.

В эту библиотеку входят:

Можно выполнять симуляцию динамических свойств системы и просматривать результаты, как только симуляция началась. Чтобы гарантировать заданную скорость симуляции и точность, Simulink предоставляет ODE решатели с фиксированным и переменным шагом, графический отладчик и подпрограмму оценки времени выполнения отдельных функций модели.

Решатели – это числовые алгоритмы интегрирования, которые вычисляют динамику системы в течение определенного промежутка времени, используя информацию, содержащуюся в модели. Simulink предоставляет решатели для симуляции широкого диапазона типов систем, включая системы непрерывного времени (аналоговые), дискретного времени (цифровые), гибридные (смешанный сигнал) и системы с различными периодами дискретизации любого размера. При помощи решателей в Simulink можно выполнять симуляцию жёстких систем и систем с разрывами. Можно задавать опции симуляции, включая тип и свойства решателя, время начала и конца симуляции и выполнять загрузку или сохранение данных симуляции. Можно также настраивать оптимизационную и диагностическую информацию. Вместе с моделью можно сохранять разные опциональные комбинации.

Ключевые особенности Simulink

На рисунке 2 приведена схема автономной системы. Генератор, работающий на предвключённую нагрузку. Данная схема была построена в Simulink и взята за основу в дальнейшем рассмотрении поставленной цели [5].

Модель пуска двигателя с предвключённой номинальной нагрузкой

Рисунок 2 – Модель пуска двигателя с предвключённой номинальной нагрузкой


Выводы

Результаты диссертационной работы заключаются в следующем:

  1. При помощи анализа систем микрогрид были выявлены основные проблемы данных систем, рассмотрены их преимущества, типология и компоненты. На примерах рассмотрена работа систем микрогрид.
  2. Промоделировать и исследовать такие режимы как:
    • холостой ход генератора [6];
    • трехфазное короткое замыкание на холостом ходу СГ [7];
    • подключение номинальной нагрузки на генератор, работающий на холостом ходу;
    • включение двигателя на предварительно загруженный генератор в начальный момент.
  3. Смоделировать режим параллельной работы двух СГ.

Список источников

  1. Черных И. В. Моделирование электротехнических устройств в MATLAB. SimPowerSystems и Simulink. – М.: ДМК Пресс, 2007. – 288с.
  2. Магомедов А. М Нетрадиционные возобновляемые источники энергии, Юпитер, 1996 год, 245 стр.
  3. Ульянов С. А., Электромагнитные переходные процессы в электрических системах, Энергия, 1964 год, 519 стр.
  4. Электронный источник MATLAB и Simulink центр компетенций компании Mathworks: http://matlab.ru.
  5. Справочник по электроснабжению и электрооборудованию: в 2 т. Под общ. ред. А. А. Федорова. Т 2 Электрооборудование. – М.: Энергоатомиздат, 1987. – 592 с.
  6. Крючков, И. П. Расчет коротких замыканий и выбор электрооборудования: учеб. пособие для студ. учеб. заведений / И. П. Крючков, Б. Н. Неклепаев, В. А. Старшинов и др.; под ред. И. П. Крючкова и В. А. Старшинова. – 2-е изд., стер. – М.: Издательский центр Академия, 2006 – 416 с.
  7. Электронный источник: http://lektsii.org.