Малая плотность населения и слабая хозяйственная деятельность на значительных территориях России определяют автономный характер энергообеспечения потребителей. Практически единственным способом построения децентрализованных систем электроснабжения является ис­пользование дизельных электростанций (ДЭС). В качестве наиболее яр­кого примера децентрализованного энергообеспечения потребителей на громадных территориях можно привести Якутию, где 2,2 млн. км2 тер­ритории с населением 150 тыс. человек обеспечивается электроэнергией и теплом от 129 автономных дизельных электростанций. Обслуживани­ем этой децентрализованной зоны энергообеспечения занимается ОАО «Сахаэнерго».

Анализ состояния автономных систем энергоснабжения показал, что наиболее актуальными проблемами, стоящими перед малой энерге­тикой, являются:

• ухудшение надежности функционирования автономных сис­тем энергоснабжения, вызванное высоким износом энергетического оборудования и перебоями в доставке ТЭР (усредненный износ парка ДВС-электростанций составляет более 75 %);

• ограниченное использование местных топливно­энергетических ресурсов, в том числе нетрадиционных;

• низкая эффективность производства, транспорта и потребле­ния топливно-энергетических ресурсов;

• высокая себестоимость вырабатываемой электрической энер­гии;

• кадровое обеспечение;

• защита окружающей среды при использовании энергетическо­го оборудования.

Необходимость повышения технико-экономических характери­стик децентрализованных систем электроснабжения определяет интерес к комбинированным, в частности ветро-дизельным энергоустановкам. Такие энергокомплексы универсальны в применении, имеют неплохие технико-экономические характеристики, обеспечивают надежное энер­госнабжение различных автономных потребителей.

Энергетическая эффективность работы ветродизельных систем зависит от ряда факторов: ветрового режима, графика нагрузки децен­трализованной системы электроснабжения, соотношения между уста­новленными мощностями ветроэлектростанции (ВЭС) и дизельной электростанции (ДЭС), степени совершенства структуры энергетиче­ских установок автономной системы электроснабжения (АСЭС) и зако­нов управления энергоисточниками, образующими энергокомплекс.

Очевидный вариант структурной схемы гибридного энергетиче­ского комплекса (ГЭК) показан на рис. 15.

Рис. 15. Структурная схема ветродизельной системы

На рисунке показаны дизельная ДЭС и ветровая ВЭС элек­тростанции, выпрямительно-инверторный преобразователь частоты (В - выпрямитель, И - автономный инвертор), распредустройство РУ и нагрузка Н. В зависимости от ветровых условий, ВЭС в энергокомплек­се может использоваться как вспомогательный энергоисточник, если ветровой потенциал не достаточен для эффективного энергоснабжения потребителя. В этом случае ВЭС и ДЭС работают параллельно на об­щую нагрузку за исключением периодов безветрия и ураганов, когда ВЭС отключается. В диапазоне рабочих скоростей ветра от минималь­ной пусковой до расчетной ВЭС работает с переменной частотой вра­щения и постоянном числе модулей ветродвигателя, что обеспечивает выработку максимальной мощности. При увеличении скорости ветра вплоть до максимального значения, ВЭС работает в режиме постоянст­ва мощности с переменным значением коэффициента использования ветра [27].

ДЭС, соответственно, дополняет недостающую часть мощности и энергии, необходимые для потребителя в соответствии с его графиком нагрузки и с конкретными ветровыми условиями. Соотношение мощно­стей ВЭС и ДЭС может быть различным при соблюдении очевидного условия: мощность ВЭС не должна превышать мощность ДЭС.

В зонах с большим ветровым потенциалом мощность ВЭС и ДЭС могут быть близки или равны. Кроме совместной работы на общую на­грузку, в этом режиме предусматривается возможность отключения ДЭС на периоды полного покрытия мощности нагрузки ветроэлектро­станцией.

Вариант гибридного энергетического комплекса (ГЭК) с основ­ным энергоисточником - ВЭС целесообразен для высокопотенциальных ветровых зон. Для этого варианта ГЭК мощность ДЭС может быть меньше чем ВЭС, а для создания запаса энергии целесообразно включе­ние в схему аккумуляторной батареи (АБ) (см. рис. 16). АБ может вхо­дить в состав собственно ВЭС, а дизельная электростанция, вместе с ВЭС, обеспечивает необходимый уровень мощности нагрузки.

Рис. 16. ГЭК с основным энергоисточником - ВЭС

В этом варианте ГЭК блок выпрямления переменного напряжения ветроэлектростанции приобретает дополнительные функции по обеспе­чению зарядки АБ, что отражено в его обозначении на схеме: В-З (вы­прямительно-зарядное устройство).

Развитием рассматриваемой структуры гибридного ветро­дизельного энергетического комплекса является вариант с использова­нием двигателя внутреннего сгорания для подзарядки аккумуляторной батареи в периоды безветрия. В этом случае схема принимает вид, пока­занный на рис. 17.

Рис. 17. Схема ГЭК с подзарядкой АБ от дизельной электростанции

Особенностью последнего варианта схемы является работа ДЭС на выпрямительную нагрузку, что позволяет отказаться от стабилизации частоты напряжения ДЭС. Использование статических преобразовате­лей частоты позволяет строить гибридные энергокомплексы, преду­сматривающие совместную работу ВЭС и ДЭС равной или близкой мощности (рис. 18).

Рис. 18. Вариант ГЭК, предусматривающий параллельную работу ВЭС и ДЭС

В данном варианте ГЭК ветровая и дизельная станции работают в режимах переменной частоты вращения и, соответственно, переменной генерируемой мощности. Для ВЭС это позволяет реализовать режим максимального использования энергии ветра. Для ДЭС - возможность

снижать частоту вращения агрегата с уменьшением необходимой гене­рируемой мощности, что позволяет снижать расход топлива.

Логика работы схемы строится на максимальном использовании энергии ветроэлектростанции с целью экономии топлива ДЭС, генери­рующей недостающую мощность для обеспечения потребителей. Режим работы ДЭС с переменными оборотами более эффективен, поскольку не требует расхода топлива на поддержание постоянной частоты вращения дизель-генератора. Кроме экономии топлива, режим двигателя обеспе­чивает увеличение его ресурса.

Универсальным критерием энергоэффективности автономной системы электроснабжения, объединяющим энергоисточники различ­ной физической природы, является полный КПД системы. КПД гибрид­ного энергокомплекса определяется коэффициентами полезного дейст­вия элементов каждого канала генерирования и преобразования элек­троэнергии, которые, в свою очередь, определяются многими режим­ными и конструктивными факторами.

Технологическая схема преобразования мощности и энергии в классической автономной системе электроснабжения на базе гибридно­го энергетического комплекса приведена на рис. 19. Энергопреобразо­вание осуществляется параллельно по двум каналам: канал ДЭС и канал ВЭС, объединенных распредустройством РУ, с которого по соответст­вующим линиям запитываются электрические нагрузки общей мощно­стью Рн.

Канал дизельной электростанции преобразует тепловую мощность Рт топлива и, с точки зрения процессов энергопреобразования, пред­ставлен двигателем внутреннего сгорания ДВС 1, электромашинным генератором 2, линией электропередачи до распределительного устрой­ства ЛЭП 3.

Канал ветроэлектростанции преобразует мощность ветра Рв, по­ступающую на ветротурбину 4, в механическую мощность и энергию ветродвигателя, частота вращения которого повышается редуктором 5. Далее электромашинный генератор 6 преобразует механическую энер­гию ветродвигателя в электрическую, которая по ЛЭП 7 поступает на выпрямитель 8, автономный инвертор 9 и в виде переменного тока ста­бильной частоты по ЛЭП 10 поступает на РУ.

Каждый из элементов технологический схемы энергопреобразо­вания характеризуется своим коэффициентом полезного действия Пг Тогда, энергетическая эффективность двухканальной системы может быть представлена интегральным коэффициентом полезного действия гибридного энергокомплекса

Рис. 19. Технологическая схема ГЭК на базе ВЭС и ДЭС, работающих на общую нагрузку

где Рз, Р10 - составляющие «полезной» мощности, получаемые в ре­зультате работы ДЭС и ВЭС; Рт, Рв - соответственно, мощность, выде­ляемая при сгорании топлива и мощность ветрового потока.

Результирующие коэффициенты полезного действия каналов ГЭК определяются как

ПДЭС = Пі П2 Пз; ПВЭС = П4 П5 Пб П 7 Лв П9 П10.

Следовательно, интегральный КПД двухканальной системы свя­зан с коэффициентами полезного действия элементов системы выраже­нием

Пі Пі Пі Рт + П4 П5 Пб П7 Пв П9 Піо Рв

Рв + Рт

Для исследования энергоэффективности гибридного энергоком­плекса необходимо проанализировать коэффициенты полезного дейст­вия элементов технологической схемы ГЭК.

На КПД двигателя внутреннего сгорания Пі оказывают влияние многие факторы: параметры окружающей среды, конструктивные осо­бенности и параметры собственно двигателя, характеристики топлива. Количественное влияние перечисленных факторов, особенно для кон­кретного двигателя, относительно невелико по сравнению с коэффици­ентом загрузки ДВС. Коэффициент загрузки ДВС, работающего в гиб­ридном ветро-дизельном энергокомплексе определяется графиком на­грузки автономной системы электроснабжения и ветровыми условиями.

Величина коэффициента полезного действия ДВС равна отноше­нию полезной мощности на выходном валу двигателя Рі к мощности, выделяющейся при сгорании соответствующего количества топлива Рт

= Рі

Рт

Зная теплоту сгорания дизельного топлива Н и часовой расход топлива станции G можно определить значение п для различных ко­эффициентов загрузки ДВС. В расчетах принят удельный расход то­плива 230...250 г/кВтч, соответствующий установленной мощности станций в диапазоне сотен кВт и учтены типичные расходные характе­ристики дизельного двигателя [27]. Результирующее выражение для КПД ДВС дизельной электростанции приближенно может быть пред­ставлено в виде

ін J

на рис. 20.

Коэффициент полезного действия электрической машины П2 в процессе ее эксплуатации зависит в основном от степени ее загрузки. Типичная зависимость n2 = f(K3) при неизменном напряжении, неиз­менной частоте вращения и неизменном коэффициенте мощности пока­зана на рис. 20 [28].

Потери электроэнергии в линиях электропередач определяются

2

величинами тока и сопротивления АР _ I R, где AP - мощность по­терь в линии; I - ток линии, R - активное сопротивление линии. Соот­ветственно, коэффициент полезного действия ЛЭП, в частности ЛЭП 3 равен

п _ Р2 - АР _ Р2 - (К з I н )2 R

П3-~Л~ _—Р2— ’

где Кз =--------------- коэффициент загрузки линии по току; I,1н - фактическое и

1 н

номинальное значение тока.

Принимая допустимые относительные значения потерь мощности в ЛЭП 5...7 %, получаем минимальный КПД ЛЭП около 0,93, соответ­ствующий ее номинальной загрузке.

Рис. 21. Зависимость коэффициента использования энергии ветра ВЭС от его скорости

Степень использования ветродвигателем энергии ветра определя­ется коэффициентом использования энергии ветра С, зависящего от ти­па ветродвигателя и режима его работы. Практически, для современных ветродвигателей величина С не превышает значений 0,45.0,5. Стрем­ление повысить энергоэффективность ветродвигателя приводит к тому, что в диапазоне скоростей ветра от пусковой до расчетной номинальной ветротурбина работает с максимальным значением коэффициента ис­пользования энергии ветра, а с дальнейшим ростом скорости ветра включается система аэродинамического регулирования и С уменьшает­ся в соответствии с типичной зависимостью, показанной на рис. 21. Ре­жим работы с переменным С обеспечивает постоянство генерируемой мощности ВЭС.

Таким образом, с достаточной степенью точности, пренебрегая трением, можно принять КПД ветротурбины П4 = С.

Вращающий момент ветротурбины передается на повышающий редуктор, коэффициент полезного действия которого зависит от переда­ваемого момента. Типовые зависимости КПД зубчатых передач от ко­эффициента загрузки при различных номинальных значениях КПД при­ведены на рис. 22 [29].

Особенностью режима работы генератора ВЭС является перемен­ная частота вращения и, соответственно, переменная величина разви­ваемой мощности в диапазоне скоростей ветра от минимальной до но­минальной. Учитывая результаты исследований [30] и закон управления ВЭС в системе электроснабжения, предусматривающий максимальное использование энергии ветра [33], можно считать, в первом приближе­нии, генератор ВЭС постоянно загруженным на номинальную габарит­ную мощность при соответствующей частоте вращения. Тогда, КПД ге­нератора ВЭС Пб можно считать близким к номинальному практически во всех режимах работы ВЭС.

Выпрямительно-инверторный преобразователь частоты характе­ризуется коэффициентом полезного действия, зависящим от схемных решений, параметров, законов регулирования вентильными блоками и режимов работы ВЭС. Коэффициент преобразования трехфазного мос­тового выпрямителя по мощности, при идеальных вентилях, определя­ется выражением:

где а - угол управления вентилями; у - угол коммутации.

Очевидно, в наибольшей степени Кр зависит от а. Следовательно, с точки зрения энергоэффективности выпрямления переменного тока, следует выбирать неуправляемые выпрямители с а = 0, а регулирование величины напряжения осуществлять по каналу возбуждения генератора ВЭС. Коэффициент преобразования по мощности в этом случае изме­нятся в пределах 0,95...0,93 для режима нормальных нагрузок, соответ­ствующих максимальному значению у < 20.. .30°.

Принимая примерно такое же значение коэффициента преобразо­вания по мощности для автономного инвертора, можно принять значение КПД статического преобразователя частоты п8П9 на уровне 0,87-0,89.

Анализ коэффициентов полезного действия каналов ГЭК показы­вает, что основным фактором, влияющим на КПД ДЭС ПдЭс является величина ее загрузки, а для ВЭС - скорость ветра. Графическая зависи­мость ПдЭС от К3 показана на рис. 23. Количественные характеристики КПД энергопреобразования ВЭС иллюстрируются зависимостью, при­веденной на рис. 24. Сравнивая зависимости КПД ДЭС и ВЭС в функ­ции от определяющих факторов: коэффициента загрузки и скорости

ветра, следует отметить меньшее максимальное значение Пвэс и зна­чительное его снижение при работе станции со скоростью ветра боль­шей номинальной расчетной.

Рис. 23. Зависимость Цдэс от К3

В результате значение ПгЭК уменьшается по сравнению с ПдЭС во всех режимах, а особенно значимо при скоростях ветра, превышающих номинальную расчетную. Соответственно, увеличение мощности ВЭС относительно ДЭС приводит к снижению результирующего коэффици­ента полезного действия гибридного энергетического комплекса, что иллюстрируется рис. 24: зависимости Пгэю при мощности ВЭС 20 % от ДЭС и ПГЭК2 при увеличении мощности ВЭС до 40 %. Вместе с тем, уве­личение доли ветроэлектростанции в суммарной мощности ГЭК позво­ляет экономить топливо. Так, для типичных характеристик ДЭС мощно­стью сотни кВт, уменьшение ее загрузки за счет ВЭС на 40 % относи­тельно номинальной приводит к экономии топлива на 30 % при сниже­нии КПД станции на 4.. .5 % и снижении результирующего КПД ГЭК на 6...7 % (см. рис. 23, рис. 24).

Рис. 24. Зависимости r/юо Цтю, ЦГЭК2 от скорости ветра

Увеличение энергоэффективности гибридных энергетических комплексов может осуществляться путем оптимизации сочетания ха­рактеристик электромашинного генератора ветроэлектростанции с ха­рактеристиками ветротурбины для конкретных ветровых условий, а также применением ДЭС с дизелем, работающим в режиме переменных оборотов со стабилизацией выходного напряжения статическим преоб­разователем частоты. Важнейшим достоинством таких электростанций является сокращение расхода топлива за счет снижения оборотов ДВС с уменьшением нагрузки станции.

Окончательное решение о применении гибридных энергетических комплексов, выборе их структуры и параметров следует принимать на основе сопоставления технико-экономических характеристик вариантов построения ГЭК.