Русский   English
ДонНТУ   Портал магістрів

Реферат за темою випускної роботи

Зміст


Вступ

Зростання населення світу і розвиток промисловості, підвищення споживання електроенергії на душу населення, енергоємні промислові виробництва і при цьому обмежені джерела енергії – це одна з основних проблем, яка стоїть перед сучасною енергетикою. У світі вироблені дві концепції подолання даної проблеми – розвиток Smart Grids і Micro Grids. Кожна з них хороша і окремо, але їх ні в якому разі не можна протиставляти, оскільки спільне використання двох підходів дозволяє домогтися синергетичного ефекту. Що ж являє кожна з концепцій?

Smart Grid – вона ж концепція розумної/інтелектуальної енергетики. Їй приписують здатність до самовідновлення після збоїв, стійкість до фізичних і комп'ютерним атакам, забезпечення необхідних якісних характеристик в подачі електроенергії, взаємозвʼязок і синхронність роботи різних вузлів системи, використання сучасних високих технологій. Реалізація даної концепції має на увазі використання в електроенергетиці інноваційних технологій, розширення її сфери застосування на нові галузі, наприклад автотранспорт з електродвигунами, створення резервних каналів доставки електроенергії до споживача, введення в лад сучасних і різнопланових джерел виробництва енергії.

Micro Grid – концепція малої розподіленої енергетики. Вона передбачає створення на певних територіях окремих енергосетевих структур, що володіють власних джерелами енергії і здатних взяти на себе завдання задоволення попиту споживачів при максимумі пікових навантажень, коли центральна мережа не може його забезпечити. Окремою рисою цього напрямку є використання відновлюваних джерел енергії, які з кожним роком, у звʼязку з погіршенням екологічної ситуації, стають все більш і більш актуальними.


1. Актуальність теми

Найважливішою технічною проблемою створення таких енергосистем є підтримка заданих значень напруги і частоти струму для кожного із споживачів та безперебійне електропостачання цих споживачів. Рішення проблеми пов'язано із забезпеченням балансу потужностей: потужність генерації в кожен момент часу повинна дорівнювати сумі потужностей всіх споживачів, потужності втрат в мережах і обладнанні, потужності, що розвивається накопичувачами електроенергії в режимі споживання електроенергії. При цьому важливо враховувати, що накопичувачі можуть використовуватися і в режимі видачі електроенергії в мережу, і тоді сума потужностей генерації та накопичувачів в режимі видачі повинна дорівнювати сумі потужностей споживачів і потужності втрат. Забезпечення описаного балансу потужностей забезпечується в мікрогрід за рахунок того, що всі споживачі, все що генерує обладнання і все накопичувачі електроенергії обмінюються інформацією про себе і свій режим роботи один з одним і, реалізуючи автоматичний алгоритм оптимального управління, встановлюють значення своєї потужності.

Друга проблема, що виникає при проектуванні і створенні локальних енергосистем типу мікрогрід, це забезпечення економічності такої системи і вибір мінімально необхідного складу устаткування, необхідного для створення енергосистеми. Варіант створення локальної енергосистеми в цілому ряді випадків цілком може конкурувати з будівництвом або розширенням мережевої інфраструктури. Для цього повинна бути забезпечена оптимізація вартості будівництва локальної енергосистеми.


2. Мета і завдання дослідження

Мета і завдання дослідження: змоделювати автономну енергетичну систему, в якій необхідно досліджувати холостий хід генератора, коротке замикання на холостому ходу, регулятори збудження і частоти обертання генератора, підключення СГ до мережі, визначити величини ударних струмів при короткому замиканні на виводах генератора, посадку напруги при підключенні статичного навантаження. Також необхідно дослідити режим паралельної роботи двох СГ на навантаження.


3. Локальна система MicroGrid

Мікросетей (MicroGrid) називають групу взаємоповʼязаних навантажень клієнтів і розподілених енергетичних ресурсів в рамках чітко визначених кордонів, яка діє як єдиний керований обʼєкт, яку можна підключати і відключати від мережі.

Локальна система MicroGrid (мікросетей) включає в себе, як правило, одну або кілька розподільних підстанцій і комплекси зберігання енергії, що дозволяє їй як функціонувати автономно, так і бути повʼязаною з зовнішньої енергосистемою. Системи Microgrid можуть мати різні розміри: від невеликих мереж для забезпечення декількох житлових будинків до великих систем енергопостачання підприємств і ділових центрів. Зазвичай мікромережі будуються за короткий проміжок часу для забезпечення локальних потреб в електроенергії і не мають на увазі передачу електрики на далекі відстані.

Існують три типи енергетичних мікросетей:

Мережа першого типу забезпечує енергією один будинок, забезпечуючи його незалежність від централізованої мережі змінного струму. Але найчастіше зустрічається другий тип – кампусні мережі, що забезпечують енергією комплекс будівель на певній території. На цій території створюється внутрішня мережа розподілу і внутрішнє джерело енергії. Кампусна мережу, як і мережа першого типу, може працювати незалежно від централізованої енергомережі.Мережа третього типу працює за методом Інтернету, використовуючи топологію мережі розподілу. У міру збільшення надійності і стійкості мереж, інтеграції розподілених генеруючих потужностей і систем зберігання енергії, мережа розподілу починає перетворюватися в сукупність взаємно підключених мікросетей. Такі мережі можуть діяти абсолютно незалежно, а в екстрених випадках підключатися до зовнішніх мереж [1].

Переваги мережі MicroGrid:

Основні компоненти для побудови Microgrid:

Накопичувачі енергії:

Контрольовані споживачі:

У багатьох розвинених країнах, які проголосили курс на відновлювану енергетику, громадянам обіцяють викуповувати надлишки електрики, вироблені їх особистими джерелами енергії, такими як сонячні панелі або вітряні генератори. Однак на ділі реалізувати цю можливість не так просто, як здається. Найчастіше компанії які обслуговують такі мережі, пропонують не найвигідніший тарифний план, або приховують деякі підводні камені.

Їх позиція легко зʼясовна. Електричні компанії, націлені на отримання прибутку, зацікавлені в стабільних обʼємних постачання енергії. В умовах, коли кінцевий споживач може вибирати постачальника, операторів хвилює якість і стабільність енергії, одержуваної від дрібних виробників, найменше відхилення від стандартів загрожує їм втратою доходів. Проте, завдяки державним заходам регулювання, кількість дрібних виробників енергії зростає. Однак, крім адміністративного тиску, є й інші високотехнологічні методи підвищення привабливості дрібних поставок.

Проблема оптимізації підключення дрібних виробників енергії до загальної мережі – це проблема відсутності ефективних технологій. Працюючи автономно в режимі енергетичного острова, такі мікромережі ємністю менше 10 МВт здатні надійно забезпечувати енергією офісні центри, промислові обʼєкти, житлові квартали, університетські містечка і військові бази.

Більш того, мікромережі здатні повністю обійтися без підключення до загальної системи енергопостачання, легко інтегруючи місцеві відновлювані джерела енергії, такі як сонячні батареї і вітряні турбіни, згладжувати пікові навантаження. Протяжні лінії електропередач – основне джерело втрат енергії. Мікросетевие технології орієнтовані на використання місцевих поновлюваних джерел, в результаті немає необхідності транспортувати енергію на великі відстані, що й зменшує втрати. Генерація електроенергії зазвичай супроводжується виділенням значної кількості тепла, яке може бути використане тут же, на місці для опалення та охолодження будинків. Таке комбіноване виробництво збільшить ефективність джерел енергії з існуючих 35% до 85%, паралельно знижуючи рівень викидів вуглекислоти в атмосферу.

Мікромережі прекрасно справляються із завданням підвищення надійності енергопостачання за рахунок оперативного перемикання споживачів між загальною енергомережею і місцевими джерелами енергії в разі перевантажень і стрибків напруги.

Можливо, що в майбутньому основною перевагою мікросетевих технологій виявиться їх легка і швидка адаптація до споживачів на противагу централізованим системам енергопостачання. Будівництво великих енергетичних обʼєктів і протяжних розподільних мереж вимагає тривалого часу. Мікромережі здатні забезпечити поставку енергії значно швидше, орієнтуючись на малопотужні місцеві джерела.

В даний час існує два шляхи розвитку мікросетевих технологій. Основний, визнаний більшістю метод передбачає постійний дистанційний компʼютерний контроль всіх ділянок мікромережі. Його недоліки – надлишкова опора на обчислювальні ємності і канали звʼязку, що може знизити надійність системи в цілому.

Альтернативний підхід передбачає автоматичну зміну значущих параметрів мікромережі, грунтуючись на змінах частоти електричних коливань в ній. Така технологія отримала назву Consortium for Electric Reliability Technology Solutions (CERTS).

Як приклад на рисунку 1 представлена мережа мікрогрід, що включає в себе набір генеруючих джерел і набір споживачів. Генеруючі обʼєкти представлені комбінацією традиційних джерел, що працюють на дизелі (дизель-генератори) або газі (газо-поршневі двигуни), малими гидростанциями і ВДЕ (в основному вітроустановками і сонячними станціями). Можлива будь-яка комбінація зазначених джерел, і якщо основною причиною для використання ВДЕ є чисто економічний ефект (субсидії, гарантований тариф і т. д.) Або зниження витрат основного палива, то тип джерела електроенергії особливого значення не має. Варто відзначити, що заміщення традиційного джерела зеленим також позитивно відібʼється на екологічному аспекті. Якщо кінцевому споживачеві важливо знизити шкідливі викиди від традиційних джерел і поліпшити рівень життя, то для власників генерації застосування ВДЕ ще і знижує оподаткування за шкідливі викиди. У деяких країнах цей фактор став вирішальним для застосування ВДЕ в локальних мережах.

Сеть MicroGrid

Рисунок 1 – Мережа MicroGrid
(Анімація: 7 кадрів, 7 циклів повторення, 196 кілобайта)

Основні негативні фактори застосування ВДЕ і їх впливу на локальну мережу криються в самому принципі вироблення енергії, так як вона залежить від кліматичних умов. Наприклад, виключається чисто острівної режим роботи: ВДЕ відключаються оператором мережі при появі острівної режиму, в якому беруть участь або були б задіяні тільки альтернативні джерела. Другий важливий фактор – це висока мінливість при виробленні самої енергії. Також можна відзначити слабку прогнозованість обсягу виробленої енергії.

Наприклад, якщо розглядати роботу сонячної і вітрової станції, то в обох випадках особливу роль відіграють кліматичні умови та їх зміни протягом року. Саме в звʼязку з цим в острівних мережах, ізольованих від магістральних, неможливо виробляти якісну електроенергію без паралельного підключення традиційних джерел. Всі перераховані вище фактори формують основну задачу для мікрогрід – забезпечення збалансованої мережі.

В рамках застосування мікрогрід є великий потенціал у віддалених регіонах, на промислових підприємствах (видобуток, переробка), які або не отримують енергію від магістральних мереж, або зазнають труднощів з якістю продукції, що поставляється енергії (через коливання напруги і частоти, відключення живлення і т. д.).


4. Реалізація схеми автономної інтелектуальної системи в середовищі Simulink

Simulink – це графічне середовище імітаційного моделювання, що дозволяє за допомогою блок-діаграм у вигляді направлених графів, будувати динамічні моделі, включаючи дискретні, безперервні і гібридні, нелінійні і розривні системи [4].

Інтерактивне середовище Simulink, дозволяє використовувати готові бібліотеки блоків для моделювання електросилових, механічних і гідравлічних систем, а також застосовувати розвинений модельно-орієнтований підхід при розробці систем управління, засобів цифрового зв'язку і пристроїв реального часу.

Додаткові пакети розширення Simulink дозволяють вирішувати весь спектр завдань від розробки концепції моделі до тестування, перевірки, генерації коду і апаратної реалізації. Simulink інтегрований в середу MATLAB, що дозволять використовувати вбудовані математичні алгоритми, потужні засоби обробки даних і наукову графіком.

Simulink Library Browser (засіб перегляду бібліотеки Simulink) містить в собі бібліотеку блоків найбільш часто використовуваних для моделювання систем.

В цю бібліотеку входять:

Можна виконувати симуляцію динамічних властивостей системи і переглядати результати, як тільки симуляція почалася. Щоб гарантувати задану швидкість симуляції і точність, Simulink надає ODE вирішувачі з фіксованим і змінним кроком, графічний відладчик і підпрограму оцінки часу виконання окремих функцій моделі.

Вирішувачі – це числові алгоритми інтегрування, які обчислюють динаміку системи протягом певного проміжку часу, використовуючи інформацію, що міститься в моделі. Simulink надає вирішувачі для симуляції широкого діапазону типів систем, включаючи системи безперервного часу (аналогові), дискретного часу (цифрові), гібридні (змішаний сигнал) і системи з різними періодами дискретизації будь-якого розміру. За допомогою вирішувачів в Simulink можна виконувати симуляцію жорстких систем і систем з розривами. Можна задавати опції симуляції, включаючи тип і властивості решателя, час початку і кінця симуляції і виконувати завантаження або збереження даних симуляції. Можна також налаштовувати оптимізаційних і діагностичну інформацію. Разом з моделлю можна зберігати різні опціональні комбінації.

Ключові особливості Simulink

На рисунку 2 наведена схема автономної системи. Генератор, що працює на передувімкнене навантаження. Дана схема була побудована в Simulink і взята за основу в подальшому розгляді поставленої мети [5].

Модель пуска двигателя с предвключённой номинальной нагрузкой

Рисунок 2 – Модель пуску двигуна з передувімкненим номінальним навантаженням


Висновки

Результати дисертаційної роботи полягають в наступному:

  1. За допомогою аналізу систем мікрогрід були виявлені основні проблеми даних систем, розглянуті їх переваги, типологія і компоненти. На прикладах розглянуто роботу систем мікрогрід.
  2. Промоделювати і досліджувати такі режими як:
    • холостий хід генератора [6];
    • трифазне коротке замикання на холостому ходу СГ [7];
    • підключення номінального навантаження на генератор, що працює на холостому ходу;
    • включення двигуна на попередньо завантажений генератор в початковий момент.
  3. Змоделювати режим паралельної роботи двох СГ.

Перелік посилань

  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.