ДИЗЕЛЬ-ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ АГРЕГАТ В ГИБРИДНОЙ СИСТЕМЕ C ВОЗОБНОВЛЯЕМЫМИ ИСТОЧНИКАМИ ЭНЕРГИИ
ДИЗЕЛЬ-ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ АГРЕГАТ В ГИБРИДНОЙ СИСТЕМЕ C ВОЗОБНОВЛЯЕМЫМИ ИСТОЧНИКАМИ ЭНЕРГИИ
В настоящее время традиционными источником электрической энергии для локальных потребителей, централизованное энергоснабжение которых невозможно или нерентабельно в силу удаленности, являются дизель электрические станции (ДЭС) на основе дизельных электроагрегатов (ДЭА). Типичными примерами таких систем электроснабжения (СЭС) являются островные системы небольшой мощности, составляющей, как правило, десятки киловатт. Локальные СЭС обеспечивают электроснабжение маячного оборудования, радиотехнических систем безопасности мореплавания и бытовые потребности немногочисленного персонала.
Специфика таких СЭС обусловлена их автономностью и высокими требованиями к надежности электроснабжения потребителей. Потребители электроэнергии островных СЭС относятся к особой группе первой категории, поэтому их ДЭС включают, как правило, три однотипных автоматизированных ДЭА, образующих кольцевую систему взаимного резервирования. При этом один из ДЭА постоянно находится в работе (функция основного источника электроэнергии), а два других – в горячем резерве. Один из резервных ДЭА может временно выводиться из эксплуатации для планового обслуживания. С целью обеспечения равномерной выработки технического ресурса дизелей и удобства организации технического обслуживания функции ДЭА в системе чередуют.
График энергопотребления в таких СЭС практически постоянный. Имеет место лишь небольшая сезонная вариация нагрузки (увеличение электропотребления зимой на 10-15 процентов). Исключение составляют периоды регламентированных технологических операций с короткими пиками максимальной нагрузки (перекачка топлива и включение грузоподъемных механизмов с прямым пуском асинхронных двигателей). Именно данные пики нагрузки предопределяют выбор переразмеренных ДЭА в СЭС. Систематическая недогрузка ДЭА приводит к снижению технического ресурса дизелей. По экспертной оценке потребность в среднем ремонте дизеля, работающего в таких условиях, может возникнуть через 8000 моточасов.
Для обеспечения высокой нагрузочной способности ДЭА комплектуются атмосферными (безнаддувными) дизелями, имеющими более высокий удельный расход топлива по сравнению с их наддувными аналогами. На номограмме (рис.1) приведены технико-экономические характеристики типового для островной СЭС дизельного электроагрегата Р40Р1.
Анализ характеристик силового синхронного генератора LL2014B показывает, что его использование на частичных нагрузках (12кВт выходной электрической мощности генератора соответствуют 37.5-процентному режиму нагружения) приводит к снижению КПД на 1.5 процента от оптимального значения. Оптимальной для упомянутого генератора является нагрузка от 16 до 24-27 кВт. Более существенно снижается на частичных нагрузках КПД дизеля. В результате этого удельный расход топлива для дизеля Рerkins 1004G увеличивается на 11 процентов. Таким образом удельная стоимость электроэнергии, вырабатываемой с помощью ДЭС в островной СЭС без учета затрат на обслуживание достигает 19,5 руб./кВт-ч.
В связи с дороговизной дизельного топлива в конкретных островных условиях очевидна потребность в использовании источников альтернативной возобновляемой энергии (ИВЭ) для модернизации существующих дизельных СЭС.
В конкретных природно-климатических условиях целесообразным может быть использование как ветроэнергетических установок (ВЭУ), так и фотоэлектрических преобразователей (ФЭП), объединяемых вместе с ДЭС в гибридную систему. Необходимость комплексирования ВИЭ и традиционных источников обусловлена вероятностным характером выработки энергии ВЭУ (прямая зависимость от скорости ветра) и суточной (и сезонной) вариацией освещенности, определяющей выработку электроэнергии ФЭП. При этом ДЭС в составе гибридной системы является фактором надежности и бесперебойности электроснабжения, а экономическая эффективность системы определяется экономией топлива и технического ресурса ДЭА за счет «бесплатной» энергии возобновляемых источников. Необходимыми элементами гибридной электростанции являются преобразователи и накопители энергии – аккумуляторные батареи (АКБ). Расчет емкости АКБ в системе с ВИЭ производится из соображений полного использования пиковой мощности ВИЭ и ограничений на величину допустимого зарядного тока аккумуляторов для обеспечения их долговечности.
ДЭА в гибридной схеме используется для заряда АКБ во время штиля (при включении в структуру гибридной системы ВЭУ) или в темное время суток (при использовании ФЭП). При этом минимально допустимую величину емкости аккумуляторов накопителя целесообразно определять из условия оптимального нагружения ДЭА, что позволит нормализовать его рабочий режим.
Расчетное значение энергетической емкости АКБ при постоянном энергопотреблении в СЭС на уровне 13 кВт для электроагрегата Р40Р1 составляет для различных типов аккумуляторов величину 150-200 кВт-ч. При этом во время длительного штиля (или темноты) ДЭА будет обеспечивать питание полезной нагрузки и заряд батарей в течение 5 часов непрерывной работы с полной нагрузкой. Последующие 3-4 часа питание нагрузки будет обеспечиваться только за счет энергии запасенной в АКБ. После чего такой цикл(5+3.5) будет повторяться.
Практика показывает [1], что при нормальном режиме нагрузки и правильной эксплуатации ДЭА назначенный производителем технический ресурс дизеля до переборки, как правило, перекрывается. Характерен пример электроагрегата MG 22SSL с дизелем LDW 2004 (резервный агрегат электропитания, синхронная скорость 3000об/мин), который эксплуатируется заказчиком в режиме постоянного источника по 8-10 часов ежедневно в течение двух лет и не имеет в настоящее время признаков необходимости в ремонте.
Для расчета эффективности работы ДЭА в гибридной системе должны учитываться дополнительные потери в преобразовательных трактах.
Источниками этих потерь являются выпрямитель, инвертор и АКБ. Числовыми характеристиками эффективности являются значения их КПД (η) и коэффициент использования (m) – для АКБ.
В соответствии с дифференцированным методом энергетической оценки [2] коэффициент полезного действия (η) модуля ДЭС в гибридной системе определяется соотношением
η= ηКИ e+(1-e) ηКЗ m, (1)
где: e - коэффициент, определяющий долю энергии ДЭА проходящей через инвертор.
Для конкретных условий гибридной системы, полезная нагрузка которой питается только через инвертор , e = 0.4.
При использовании технологий, принятых в современных источниках бесперебойного питания (например, Libert Nx) за счет применения биполярных транзисторов с изолированным затвором (IGBT) и высоковольтной шины постоянного тока (810 В) достижимы значения КПД каналов заряда (ηКЗ) и инвертора (ηКИ) приведенные в таблице 1.
| Канал заряда АКБ | Канал инвертора (ηКИ в функции от величины нагрузки) | ||
| ηКЗ 0.96-0.97 | 25% | 50% | 100% |
| 0.75 | 0.84 | 0.94 | |
Коэффициенты использования гелиевых аккумуляторов в зависимости от режима имеют значения m = 0.8-0.95. Большие значения характерны именно для буферного режима, используемого в СЭС.
Таким образом (1), в оптимальном случае КПД модуля ДЭС в гибридной системе составит
Анализ режимов и удельных расходов топлива (рис.1) показывает, что работа ДЭА на заряд АКБ приведет к снижение удельного расхода топлива на 12% за счет оптимального нагружения ДЭА.
Таким образом дополнительные затраты энергии в преобразовательных трактах гибридной системы практически полностью будут скомпенсированы, а эксплуатационный режим ДЭА существенно улучшен.
Возможно техническое решение, при котором во время штиля (или темного времени) ДЭС будет питать нагрузку СЭС непосредственно через байпас, минуя инвертор. Это увеличит КПД системы преобразования, но потребует синхронизации ДЭА с инвертором или повлечет разрыв питания потребителей на время переключения.
Антипов М. А., Белов В. Н., Михайлин А. Б.
http://www.powercity.ru/indexa.php?PAGE_CODE=NWS&news_id=72
Интересно почитать