Українська   English
ДонНТУ   Портал магистров

Содержание


Введение

Системы автономного электроснабжения – это системы, которые обеспечивают электроснабжение участков, не имеющих возможности брать эту электроэнергию из близлежащих электростанций. В качестве источников электроэнонергии в таких системах могут выступать как традиционные так и возобновляемые источники энергии. Наиболее перспективными считаются комбинированные автономные системы на базе возобновляемых источников энергии таких как ветровая и солнечная. Основные проблемы таких систем сопряжены с необходимосью эффективного хранения энергии с учетом неравномерного поступления энергии ветра и солнца и изменения КПД её преборазования в течение суток и года.


1 Актуальность темы

В последние годы наметилась тенденция перехода с традиционных источников энергии на возобновляемые. Для реализации этого перехода необходимо развитие теории и практики применения автономных энергосистем. Объектом исследований данной работы является автономная система электроснабжения участка, базирующаяся на разных видах альтернативных источников энергии. Также рассмотрены элементы этой системы и методы её управления.

Последние исследования в области автономных энергосистем демонстрируют тенденцию перехода от систем с одним источником энергии (ветрогенератор или солнечная батарея) к гибридным системам, использующим сразу несколько источников энергии. Это позволяет сократить количество аккумуляторных батарей в 2 раза за счет уравновешивающего характера поступления энергии солнца и ветра на протяжении года. В комбинированных установках оборудуется дополнительный резервный источник энергии, на водороде, что позволяет уменьшить количество аккумуляторных батарей еще в 2 раза [1]. Становятся актуальными системы энергоменеджмента, использующие интеллектуальные алгоритмы управление, что позволяет рационализировать политику расхода энергии и прогнозировать её генерацию [2].


2 Цель и задачи исследования, планируемые результаты

Цели и задачи исследования:

  1. Анализ и описание общей схемы установки;
  2. Описание элементов комбинированной установки
  3. Описание алгоритма энергоменеджмента с учетом прогноза погоды;

3 Описание элементов системы


3.1 Источники энергии

Энергия, вырабатываемая ветроустановкой и солнечной батареей, а также энергия, аккумулируемая в водородной установке, поступает через гибридный контроллер заряда в аккумуляторную батарею. Водородная установка является накопителем электрической энергии и резервным источником питания. Система энергоменеджмента в зависимости от уровня заряда аккумуляторной батареи, даёт разрешение на включение потребителей 1–4 групп. Все потребители энергии в данной системе были разбиты по приоритету мощности и работы. Потребители первой группы управляют и следят за работой системы. Они работают круглосуточно. К потребителям первой группы относятся: зарядное устройство, инвертор, преобразователь постоянного тока, микроконтроллер, система управления и.т.д. К потребителям второй группы относят освещение, ноутбук, холодильник, спутниковая тарелка, радиочасы, принтер, блендер и TV/DVD–система. Они имеют малую номинальную мощность (до 300 Вт). Освещение и холодильник используются постоянно, а ноутбук является средством связи. К потребителям третей группы относят мини-стиральную машинку (13л.) и пылесос. Номинальная мощность 3-й группы до 700 Вт. К потребителям четвертой группы относят мощные приборы от 1000 до 2200 Вт и выше, такие как электрочайник, электроплита, бойлер, утюг. Для рационального распределения энергии было предложено решение избегать одновременной работы нескольких потребителей четвертой группы. То есть возможна одновременная работа потребителей первых трех групп с только одним прибором 4-й группы. Блок прогноза погоды осуществляет передачу системе энергоменеджмента информации о вероятной энергии, полученной в будущем. Этот блок может быть реализован благодаря метеорологическим станциям, данные с которых берутся из интернета. Сам блок аккумуляторных батарей в составе системы энергоснабжения эксплуатируется в двух режимах: буферном и циклическом «заряд-разряд»[3]. Питание потребителей обеспечивает автономный инвертор, подключенный к аккумуляторной батареи.

На рисунке 1 представлена структурная схема комбинированной установки.

Рис. 1 - Структурная схема автономной комбинированной установки

Рис. 1 – Структурная схема автономной комбинированной установки

Главными источниками энергии для автономной электростанции являются ветрогенератор и солнечная батарея. Для автономных установок малой мощности (до 10 кВт) рекомендуется использовать ветрогенераторы с вертикальной осью вращения (ротор Савониуса, ротор Масгроува, ротор Дарье). Они имеют ряд преимуществ [3]:

  1. Не требуют ориентации по направлению ветра
  2. Работают при любом направлении воздушного потока
  3. Не требуют редуктора
  4. Низкий уровень аэродинамического и инфразвукового шума
  5. Малые теле-и радиопомехи
  6. Малая начальная скорость ветра для начала работы (1 м/с)

На рисунке 2 показаны основные типы ветроустановок с вертикальной осью вращения.

Рис. 2 – Типы ветрогенераторов с вертикальной осью: а - ротор Савониуса, б – ротор Дарье, в – ротор Масгрова ( Н-Дарье)

Рис. 2 – Типы ветрогенераторов с вертикальной осью: а – ротор Савониуса, б – ротор Дарье, в – ротор Масгрова ( Н-Дарье)

В последнее время развитие получил комбинированный тип ветроколеса Дарье-Савониус. Данный тип ветроколеса благодаря объединению двух конструкций имеет два неоспоримых преимущества перед классическими типами: во-первых, данный ротор имеет большой коэффициент быстроходности благодаря наличию лопастей ротора Дарье, во-вторых, наличие лопастей Савониуса делаем возможным самозапуск установки, которого изначально лишен ротор Дарье. [4, 13] Данный ротор представлен на рисунках 3 и 4.

Рис. 3 – Схема ротора Дарье-Савониус

Рис. 3 – Схема ротора Дарье-Савониус

Рис. 4 – Комбинированный ротор Дарье-Савониуса

Рис. 4 – Комбинированный ротор Дарье-Савониуса

Солнечная батарея – это полупроводниковое устройство, прямо преобразующее солнечное излучение в постоянный ток. Наиболее распространены солнечные батареи на основе кристаллического кремния. На рисунке 5 показан принцип действия солнечной батареи. Кремниевые пластины фотоэлементов различаются по технологии изготовления на монокристалические и поликристалические. Первые имеют более высокий КПД, но и себестоимость их производства выше [5].

Рис. 5 – Строение и принцип действия солнечной батареи

Рис. 5 – Строение и принцип действия солнечной батареи

Как видно из рисунка 1 и солнечная батарея и ветроустановка подключены к контроллеру заряда. Контроллеры заряда преобразуют электроэнергию от ветрогенераторов и солнечных батарей в энергию, пригодную для заряда аккумуляторных батарей, обеспечивают разные зарядные токи аккумуляторной батареи в зависимости от уровня заряда и следят за температурой внутри аккумулятора. Контроллеры заряда в первую очередь необходимы для оптимизации и регулировки режимов заряда/разряда аккумуляторной батареи с целью продления их срока службы. Систематический перезаряд приводит к повышению температуры ячейки и впоследствии экзотермическием реакциям на отрицательном электроде, что приводит к разгерметизации и воспламенению аккумулятора [6]. Глубокий же разряд опасен для аккумуляторных батарей тем, что ведет к снижению емкости аккумуляторной батареи ввиду растворения твердого электролитного интерфейса в электролите. В последнее время в контроллерах заряда солнечный батарей была внедрена технология MPPT (Maximum Power Point Tracking), обеспечивающая возможность получать максимально возможную выходную мощность благодаря импульсным преобразователям постоянного тока[7]. В состав контроллера заряда входит система управления, реализованная на базе микроконтроллера и силовая часть в виде импульсного понижающего преобразователя постоянного напряжения (buck converter), упрощенная схема которого показана на рисунке 6

Рис. 6 – Типовая схема импульсного понижающего преобразователя

Рис. 6 – Типовая схема импульсного понижающего преобразователя

Рекомендуется применять контроллеры заряда с алгоритмом отслеживания ТММ для получения наибольшей мощности от солнечных батарей. Существует 2 основных алгоритма отслеживания TMM: возмущения и наблюдения (perturbation and observation) и возрастающей проводимости (incrementing conductance). На рисунке 7 продемонстрированы блок-схемы алгоритмов ТММ: возмущения и наблюдения и возрастающей проводимости [8].

Рис. 7 – Блок-схемы алгоритмов отслеживания точки максимальной мощности методом: а) возмущения и наблюдения; б) возрастающей проводимости

Рис. 7 – Блок-схемы алгоритмов отслеживания точки максимальной мощности методом: а) возмущения и наблюдения; б) возрастающей проводимости

Контроллер заряда с алгоритмом отслеживания ТММ позволяют заряжать аккумуляторную батарею с номинальным напряжением более низким, чем номинальное напряжение солнечной батареи. То есть несколько последовательно соединенных солнечных модулей с напряжением, превышающим номинальное напряжение аккумуляторной батареи, подключаются на вход ТММ-контроллера (диапазон входных напряжений в зависимости от модели составляет 75-150 В). Также появились контроллеры заряда с максимальным входным напряжением до 200В. Мощные контроллеры заряда рассчитаны на входной ток 60-80А (возможно подключение солнечных панелей мощностью до 4 кВт при системном напряжении 48В).

При использовании метода возмущения и наблюдения устройство на небольшую величину изменяет эквивалентное входное сопротивление преобразователя (путём варьирования скважности силового ключа или изменения задания на входные величины напряжения, тока или мощности), вследствие чего варьируется напряжение на солнечной панели и далее производится измерение её выходных параметров. Если мощность увеличивается – контроллер продолжает изменять задающий параметр в этом же направлении, пока мощность не перестанет возрастать. Данный метод является наиболе распространенным, несмотря на то,что он приводит к колебаниям мощности. Широкое применение этого метода обусловлено его простотой. В методе возрастающей проводимости преобразователь фиксирует увеличение тока и напряжения солнечной батареи, чтобы предсказать эффект от изменения напряжения. Он трубет увеличения вычислений микроконтроллером, но при этом отслеживает зименение окружающих условий с большей скоростью, чем метод возмущения и наблюдения. Этот способ так же приводит к колебаниям мощности. Рассматриваемый метод использует возрастающую проводимость 24dI/24dU солнечной батареи для вычисления знака изменения мощности по отношению к напряжению 24dP/dU. При этом вычисляется точка максимальной мощности и производится сравнение возрастающей проводимости с проводимостью солнечной батареи I/U. При выполнении условия I/U=I/U выходное напряжение равно напряжению, соответствующего наибольшему значению мощности. Рассмотренные алгоритмы нацелены в первую очередь на отыскание локальных максимумов мощности солнечной батареи. Все они предполагают колебания мощности, которые могут быть снижены с помощью введения алгоритмов изменения шага. Алгоритм возрастающей проводимости гораздо быстрее отрабатывает изменения освещённости, однако для корректной работы необходимо производить больше арифметических операций на каждом такте его работы. К недостаткам данного метода также можно отнести высокую чувствительность к помехам и изменению шага[9].


3.2 Накопители энергии

Несмотря на наличие аккумуляторов, могут возникнуть ситуации, когда ни солнечные батареи ни ветроустановка не смогут дать достаточно электроэнергии для снабжения потребителей ввиду плохим погодных условий. Для подобных случаев целесообразно ввести еще один накопитель энергии, который будет аккумулировать энергию в то время, когда аккумулятор полностью заряжен и на автономную сеть нет особой нагрузки, например, ночью. Наиболее перспективными считаются накопители на основа водородного цикла, состоящие из электролизера воды и аккумуляторов водорода (или кислорода) За счет электроэнергии от солнечной батареи и ветроустановки, в периоды низкого энергопотребления в результате электролиза воды может вырабатывается газообразный водород (или кислород). Накопленная в виде H2(O2) энергия может быть преобразована с помощью электрохимического генератора и отдана потребителю. Заряжать водородную установку планируется переменным током, поступающим от инвертора. На выходе же водородная установка будет выдавать постоянный ток на контроллер заряда .

Самым дорогим и самым «слабым» звеном в автономных электростанциях является аккумуляторная батарея. С точки зрения энергоёмкости наилучшими являются литий-ионные аккумуляторы (на основе оксида марганца MnO2/Mn2O4, оксида никеля NiO2 и оксида кобальта CoO2). В последние годы набирает тенденцию использование литий-полимерных аккумуляторов в связи с возможностью получения очень гибких форм аккумуляторных батарей [10]. Достоинствами литий-ионных аккумуляторов являются не только более высокая емкость, но и способность работать с большим током нагрузки. Кроме того, в отличие от никель-металлгидридных, у литий-ионных аккумуляторов отсутствует так называемый эффект памяти. Данные аккумуляторные батареи обычно соединяются последовательно и параллельно для обеспечения необходимой потребителю силы тока и напряжения. Однако температурный режим аккумуляторной батареи может быть разным в зависимости от их расположения в месте хранения. Из-за этого может произойти разброс характеристик, который существенно сказывается на срок их службы. Для минимизации разброса характеристик создаются системы энергоснабжения с интеллектуальными алгоритмами и устройством балансировки ячеек [6]. На рисунке 8 показан принцип работы и строение литий-ионной батареи.

Рис. 8 – Принцип работы и строение литий-ионной батареи

Рис. 8 – Принцип работы и строение литий-ионной батареи

Для выравнивания степени заряда и напряжений на отдельных аккумуляторах в АБ используются специальные устройства балансировки. Структурная схема этого устройства представлена на рисунке 8. На каждую пару последовательно соединенных аккумуляторов в АБ подключаются блоки “переноса заряда”, включающие в себя два коммутационных ключа и коммутируемый конденсатор. Конденсатор постоянно переключается между двух аккумуляторов, доставляя, таким образом, заряд от аккумуляторов с большим зарядом к аккумуляторам с меньшим зарядом, постепенно выравнивая на них заряд. При этом каждый такой блок нуждается в простом управлении коммутацией силовых ключей. Несколько блоков “переноса заряда” могут быть использованы для последовательной цепи аккумуляторов высоковольтной АБ. Т.к. аккумуляторы В2..Вn-1 делят свой блок “переноса заряда” с двумя соседними аккумуляторами, то заряд может путешествовать от одного конца последовательной цепи до другого. Недостатком этой схемы является потребность в большом периоде времени на транспортировку заряда, в том случае если аккумулятор с наибольшим зарядом и аккумулятор с наименьшим зарядом находятся с разных сторон последовательной цепи аккумуляторов. В этом случае заряд будет ”путешествовать” через каждый аккумулятор с затратой времени и эффективности [11]. На рисунке 9 показана схема балансировка аккумуляторных ячеек с одним коммутируемым конденсатором.

Рис. 9 – Структурная схема управления балансировки с одним коммутируемым конденсатором на каждую пару аккумуляторов

Рис. 9 – Структурная схема управления балансировки с одним коммутируемым конденсатором на каждую пару аккумуляторов


4 Расчет потребителей переменного тока.

В данной работе рассматривается автономная комбинированная установка, которая не имеет связи с сетью, за счет чего является идеальным решением проблемы энергоснабжения децентрализованных объектов. Автономные комбинированные системы могут иметь как стационарное исполнение, так и передвижное. В стационарных установках диапазон мощностей варьируется от 1 до 4.6 кВт, в передвижных от 7 до 10 кВт. Описываемая стационарная автономная комбинированная установка рассчитана на мощность 3 кВт и имеет литий-ионные аккумуляторные батареи на 24 В. Расчет выполняется с учетом условия, что аккумулятор должен обеспечивать бесперебойное питание потребителей переменного тока в течении 7 дней без подзарядки. Нагрузка определяется по мощности и времени работы за период в 7 дней.

Все потребители энергии в данной системе были разбиты по приоритету мощности и работы. Потребители первой группы управляют и следят за работой системы. Они работают круглосуточно. К потребителям первой группы относятся: зарядное устройство, инвертор, преобразователь постоянного тока, микроконтроллер, система управления и.т.д. К потребителям второй группы относят освещение, ноутбук, холодильник, спутниковая тарелка, радиочасы, принтер, блендер и TV/DVD-система. Они имеют малую номинальную мощность (до 300 Вт). Освещение и холодильник используются постоянно, а ноутбук является средством связи. К потребителям третей группы относят мини-стиральную машинку (13л.) и пылесос. Номинальная мощность 3-й группы до 700 Вт. К потребителям четвертой группы относят мощные приборы от 1000 до 2200 Вт и выше, такие как электрочайник, электроплита, бойлер, утюг. Для рационального распределения энергии было предложено решение избегать одновременной работы нескольких потребителей четвертой группы. То есть возможна одновременная работа потребителей первых трех групп с только одним прибором 4-й группы.

Таблица 1 – Потребители переменного тока

Табл. 1 – Потребители переменного тока

5 Разработка системы энергоменеджмента

За управление потребителями комбинированной автономной установки отвечает система энергоменеджмента. Её цель состоит в определении текущего уровня накопленной энергии и расчета прогнозируемой энергии, а также в отключении или включении определенных групп потребителей за счет алгоритма, который оценивает, рациона льно ли будет уменьшить или увеличить расходуемую мощность при условии восполнения электроэнергии в будущем [12]. На рисунке 10 продемонстрирован алгоритм работы системы энергоменеджмента.

Рис. 10 – Блок-схема системы энергоменеджмента системы управления

Рис. 10 – Блок-схема системы энергоменеджмента системы управления

В начале алгоритм системы управления объявляет начальные переменные такие как: Eakk, Eakk* – емкость на аккумуляторе, Епрогноз – прогнозируемая мощность, которая соберется за 15 минут, Егрупп1-4 – мощность 1–4 групп потребителей. Егрупп4(1) – разрешенная мощность для потребителей 4 группы (мощность самого мощного прибора 4 группы), выкл – команда на выключение, dE – значение ошибки, Етек – текущее значение мощности. После объявления переменных идет вычисление емкости аккумулятора Eakk* и суммы текущей и прогнозируемой Eakk. Для вычисления прогнозируемой мощности необходимы данные метеостанций, которые можно взять из интернета, а также данные многолетних наблюдений за погодой в области участка. После этого система управления запрашивает информацию о заряде аккумулятора и в зависимости от этого разрешает включение:

  1. Если энергии больше 20%, то разрешается включение 1 и 2 группы потребителей. Если меньше то:
    1. Если будущая прогнозируемая мощность способна покрыть мощность 1 группы, то идет разрешение на включение 1 группы.
    2. Если прогнозируемой мощности не хватает, то идет команда на выключение.
  2. Если энергии больше 40%, то разрешается включение 1, 2 и 3 групп потребителей, если меньше – идет сравнение с 20%.
  3. Если энергии больше 80%, то разрешается включение 1, 2, 3 групп и одного потребителя 4 группы, если меньше – идет сравнение с 40%.

После данных условий через 15 минут вычисляется ошибка dE, которая прибавляется или отнимается от Eakk и алгоритм повторяется. Также реализовано условие, при котором, если энергопотребление 4 группы больше, чем допустимое Eгрупп4(1), то идет отключение всех потребителей 4 группы и возвращение в условие сравнение емкости.


Выводы

В рамках проведенных исследований обосновано применение ккомбинированной автономной системы с использованием энергии солнцечных, ветровых и водородных компоненонтов, что позволяет существенно уменьшить необходимую емкость аккумуляторных батарей. Для оптимизации режимов работы автономной установки целеесообразно использовать системы энергоменеджмента с учетом прогноза погода. Также был проведен расчет энергопотребителей переменного тока необходимых для функционирования жилоко участка.


Список источников

  1. Лаошвили, Д. П. Разработка смешанной автономной энергосистемы на базе возобновляемых источников энергии / Д. П. Лаошвили, Г. К. Кохреидзе // Известия высших учебных заведений и энергетических объединений СНГ – Энергетика : научно-технический и производственный журнал. – 2010. – №3. – С. 10–15.
  2. В.И. Калашников Автономные микрогрид-системы с возобновляемыми источниками энергии, как элемент концепции smart grid. Перспективы развития / В.И Калашников, С.Н. Ткаченнко, П.А. Хижняк // ISSN 2079–3944. Вісник НТУ ХПІ, 2015. 12 (1121)
  3. Коберси И.С. Разработка контроллера заряда-разряда для ветроэнергетических систем / И. С Коберси, Н.А. Фиров, Д.А. Сахно// Известия ЮФУ. Технические науки. – 2013. – № 2 С. 248–253
  4. Свободная энциклопедия Википедия, статья Darrieus wind turbine [Электронный ресурс] / Режим доступа: https://en.wikipedia.org
  5. Принцип работы солнечной батареи: как устроена и работает солнечная панель [Электронный ресурс] / Режим доступа: http://sovet-ingenera.com
  6. Румянцев А.М. Поведение малогабаритных литий-ионных аккумуляторов в условиях перезаряда / А. М. Румянцев, Е. Г. Волжинская, В. В. Жданов. // Электрохимическая энергетика. 2007. – Т. 7 – № 2. – С. 73–77
  7. абина Л.В. Анализа ветроустановок для электростанций малой мощности // Научный журнал КубГАУ – №78(04) – 2012.
  8. Румянцев А.М. Поведение малогабаритных литий-ионных аккумуляторов в условиях перезаряда / А. М. Румянцев, Е. Г. Волжинская, В. В. Жданов. // Электрохимическая энергетика. 2007. – Т. 7 – № 2. – С. 73–77
  9. Русскин В.А. Исследование алгоритмов поиска точки максимальной мощности для повышающего преобразователя напряжения солнечного инвертора / В.А. Русскин, С.М. Семёнов, Р.К. Диксон // Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. 2016. Т. 327. № 4. 78–87
  10. Свободная энциклопедия Википедия, статья Литий-полимерный аккумулятор [Электронный ресурс] / Режим доступа: https://ru.wikipedia.org
  11. Cинь С. Математическая модель батареи литиево-ионных аккумуляторов // Выпускная квалификационная работа магистра. Санкт-Петербург 2016. с. 41
  12. Григораш О.В. Стабилизация напряжения автономных инверторов солнечных электростанций / О.В. Григораш, М.А Попучиева // Научный журнал КубГАУ – №130(06) – 2017.
  13. C. Srinivasan Design of Combined Savonius-Darrieus Wind Turbine / C.Srinivasan, G.Ajithkumar, S.Arul, G.Arulprasath, T.M.Dharunbabu // IOSR Journal of Mechanical and Civil Engineering (IOSR-JMCE) e–ISSN: 2278-1684,p-ISSN: 2320–334X, Volume 14, Issue 2 Ver. V (Mar.–Apr. 2017), PP 60–70
  14. Виссарионов В.И., Дерюгина Г.В., Кузнецова В.А., Малинин Н.К., Солнечная єнергетика: Учебное пособие для вузов / Под ред. В.И.Виссарионова. – М.: Издательский дом МЭИ, 2008. – 320 с
  15. Свободная энциклопедия Википедия, статья «Отслеживание точки максимальной мощности» [Электронный ресурс] / Режим доступа: https://en.wikipedia.org