Анализ системы комбинированной автономной установки

Аннотация

Мирный А.В., Калашников В.И. Анализ системы комбинированной автономной установки. 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.

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].

На рисунке 1 представлена структурная схема комбинированной установки.

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.

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)

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 делает возможным самозапуск установки, которого изначально лишен ротор Дарье.

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 [4].

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 [5]. 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[8]. В состав контроллера заряда входит система управления, реализованная на базе микроконтроллера и силовая часть в виде импульсного понижающего преобразователя постоянного напряжения (buck converter).

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 [9]. 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].

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 [9]. На рисунке 3 показана схема балансировка аккумуляторных ячеек с одним коммутируемым конденсатором.

Для того, чтобы энергия из аккумуляторов поступала на потребители переменного тока необходимо использовать инвертор. Ввиду того, что установка является автономной, т.е не синхронизирована с частотой сети, то инвертор необходим также автономный. Автономный инвертор напряжения выполняется на основе полностью управляемых силовых транзисторах, чаще всего на базе IGBT-модулях. Основная задача инвертора напряжения – преобразования постоянного тока в однофазный или трехфазный переменный ток. Функциональная схема автономного инвертора напряжения представлена на рисунке 4.

Вторая важная функция автономных инверторов – это осуществление стабилизации напряжения. Необходимость стабилизации выходного напряжения обусловлена следующими причинами: изменением величины и характера нагрузки, а также величины входного напряжения. В зависимости от силовой схемы инвертора и места размещения исполнительного органа различают три основных способа стабилизации напряжения автономных инверторов. (рисунок 11):

по входному напряжению;

по выходному напряжению;

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, рационально ли будет уменьшить или увеличить расходуемую мощность при условии восполнения электроэнергии в будущем. На рисунке 5 продемонстрирован алгоритм работы системы энергоменеджмента.

В начале алгоритма описываются все переменные, которые участвуют в его реализации. В число этих переменных входят:

Текущее значение напряжения на аккумуляторе

Прогнозируемая мощность

Так же предусмотрено ручное включение и отключение на случай кратковременного включения нескольких потребителей.

Прежде чем распределять энергию между потребителями требуется проверить наличие энергии в аккумуляторе. Если энергии недостаточно, то система подзаряжается от солнечных батарей. В случае, когда энергии в аккумуляторе достаточно для включения группы потребителей требуется проверить, будет ли дополнительная энергии или нет. Для этого текущее значение сравнивается со значение мощности из программы в Simulink. Сравнение данных происходит каждый 15 минут. Это время соответствует перемещению солнца.

После проверки, зная результирующую энергию, видно какую группу потребителей можно включить. Потребители разбиты на приоритеты. При полном заряде (100%–80%) можно включать все группы потребителей. При заряде аккумуляторов от 80% до 40% четвертая группа будет заблокирована для включения. При заряде аккумулятора от 20% до 30% разрешение работы только 1й и 2й группы потребителей. При достижении разряда аккумуляторов меньше 20% система отключает все группы потребителей кроме первой (т.к она отвечает за систему управления автономной установки) и заряжается. Так же в программе предусмотрено функция блокировки включения нескольких групп, которые содержат мощные потребители.

Алгоритм будет реализовываться в контроллере SIMATIC S7-1200. Входным сигналом для контроллера является сигнал с аккумуляторных батарей, который динамически изменяется с изменение уровня заряда. Физически включение и отключение групп потребителей реализовывается с помощью реле.

Перечень ссылок

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. Бабина Л.В. Анализа ветроустановок для электростанций малой мощности // Научный журнал КубГАУ – №78(04) – 2012.
8. 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
9. Cинь С. Математическая модель батареи литиево-ионных аккумуляторов // Выпускная квалификационная работа магистра. Санкт-Петербург 2016. с. 41