Энергетические потоки в замкнутой системе электроснабжения с аккумуляторами глубокого разряда

УДК 621.3

ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ПОТОКИ В ЗАМКНУТОЙ СИСТЕМЕ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ С АККУМУЛЯТОРАМИ ГЛУБОКОГО

РАЗРЯДА

А.Н. Шпиганович, В.В. Телегин

Представлен баланс мощности в энергетических системах на основе альтернативных источников энергии имеющих в своём составе ветроэнергетические установки, солнечные электростанции и малые гидроэлектростанции, а так же аккумулирующие устройства.

Ключевые слова: альтернативные источники энергии, ветрогенераторы, солнечные электростанции, малые ГЭС.

Эффективность электрогенерирующего комплекса, в общем случае, определяется целым набор показателей, характеризующих его работоспособность, надёжность и экономичность [1 - 4]. Полагая систему электроснабжения автономного потребителя, представленную на рис. 1 замкнутой, можно утверждать, что сумма мощностей источников электрической энергии должна быть равна сумме мощностей, расходуемых в приёмниках этой энергии за вычетом потерь вследствие её передачи и различного рода преобразований. Источниками энергии в данной системе являются устройства, использующие энергию ветра, солнечного излучения и водяного потока для генерации электрического тока. Приёмники - потребитель и балластное сопротивление.

Рис. 1. Энергетические потоки в системе электроснабжения

автономного потребителя

40

Система аккумулирования электроэнергии, в зависимости от количественного соотношения вырабатываемой и потребляемой энергии, может выступать как в роли её источника, так и приёмника. Соответственно на практике возможны следующие варианты движения энергетических потоков, определяющих баланс мощностей в рассматриваемой системе автономного электроснабжения потребителя [5, 6]:

1. Генерируемая мощность электроэнергии (Рг) в любой момент времени (1) из рассматриваемого временного отрезка (Т) с учётом потерь больше мощности, необходимой потребителю (Рп).

а

б

Рис. 2. Баланс мощностей в системе электроснабжения предприятия ограниченной мощности в режиме: а - заряда аккумуляторов;

б - разряда аккумуляторов

Количество энергии, возможное для сохранения в текущий момент времени (1) определяется двумя параметрами: "свободной" ёмкостью системы аккумулирования (Ба) и максимальным значением тока заряда (1з). Если значение ёмкости аккумулятора равно Са, то

Са •

где кр - коэффициент допустимого разряда аккумулятора. Обычно кр ~ 0.2.

Таким образом, математическое выражение для расчёта баланса

р

мощностей при Ра = Рг —п > 0 в соответствии с рис. 2, а, будет иметь вид

ки

Ра • * < Оа-Па • ка;

< I з

Ра

I = а

па иа

з-

— Р

Ва = Ва - ра-*к

иа

а

Рб = 0.

Ра * < Оа иа-ка;

1а =

Ра

па иа

> I з

Ва = В.

а

1 з • * • ка;

Рб Ра 1 з • Па .

а

Ра > О а П а •ка;

1а =

Ра

па Па

< I з

Ва = 0;

Рб = Р

а

ВаПа

ка •

Pa • t > Da Uа • ka;

I.

Pa

a

na Ua

> I з

Da = Dr.

I •tk •

1з 1 ла'

aa Рб =

В выражениях (3 - 6) па - количество аккумуляторных батарей, соединённых параллельно, иа, В и 1а, А - напряжение и ток заряда одной аккумуляторной батареи, ка< 1- к.п.д. аккумулятора, Ба и Ба, А-ч -начальное и конечное значения "свободной" ёмкости системы аккумулирования, Ра, Вт - излишек мощности, часть которой может быть аккумулирована или рассеяна балластной нагрузкой, Рб, Вт - мощность используемая баластной нагрузкой, ки< 1 - к.п.д. инвертора.

2. Генерируемая мощность электроэнергии (Рг) в любой момент времени (1;) из рассматриваемого временного отрезка (Т) с учётом потерь меньше мощности, необходимой потребителю (Рп). Недостаток мощности должен быть восполнен, если это возможно, из системы аккумулирования электроэнергии.

р

Математическое описание баланса мощностей при р = рг —^ < 0, в

к

и

соответствии с рис. 2, б:

О Pal •t £ [(1-k р )• Ca-Da ] U &;

L

_ Pa

na Ua

£ I

р

Da = Da +

Pa

Ca = (1-k р )• Ca

-Ap (I a); - Da > 0.

где 1р, А - максимально допустимый ток разряда аккумулятора, а Ар(1а) -некоторая корректирующая функция тока разряда в цепи системы аккумулирования, значение которой > 1, Са текущая ёмкость аккумулятора.

Значение параметров 1р и С а определяют работоспособность системы электроснабжения потребителя. Необходимо отметить, что аналогичные расчеты и можно применять при проектировании энергосистем, имеющих в своем составе, помимо вышеуказанных генерирующих установок, устройства по отбору атмосферного электричества [7].

Важнейшими характеристиками системы аккумулирования являются её ёмкость, скорость аккумулирования (заряда) и параметры отдачи электроэнергии (разряда). Последние с одной стороны ограничиваются предельно допустимые значения токов заряда (1з) и разряда (1р), с другой -зависимостью значения реальной ёмкости некоторых из систем аккумулирования от величины тока разряда.

В числе технических характеристик свинцово-кислотных аккумуляторов, наиболее широко используемых в энергетических комплексах автономного электроснабжения, присутствуют несколько значений ёмкостей, соответствующих различным значениям тока разряда. В таблице приведе-

<

ны некоторые из характеристик аккумуляторных батарей (АКБ) производства фирмы Delta, а также данные параметров предложенной автором корректирующей функции Ар (рис. 3) вида

A = a- e a + b при Ia > при la <

A р = В

A = 1

р

Qo. T1o'

C10 .

T

10

при C10 < Ia < C20

T

10

T

20

где

C,

a =

C10 - C5

C10C5 e(0.2C5)k _ e(0.1Cw)k

C

b = Cp

C5 e

C10C5

e(0.2C5)k _e(0.1C10)k

(1a ) =

T20 - (Cp _ C1) - 1a _ Cp + C1

(2C1 _ Cp ) C1 Характеристики АКБ фирмы Delta

Тип АКБ Ток заряда (max), А Ёмкость при продолжительности разряда в часах, А- ч Параметры функции Ар (1а): a, b, c

10 5 1

GX 12-100 30 100 87.5 66.2 a = 1.943974859 b = -4.808264988 k = 0.03923446619

GX 12-200 60 200 180 131 a = 0.09265992886 b = 0.4811063855 k = 0.1815680495

ST 12-100 30 100 89 66.6 a = 0.3264048220 b = -0.2256041466 k = 0.1215765153

ST 12-180 54 180 159.3 115.2 a = 0.1889333018 b = 0.1178542315 k = 0.1496028024

GL 12-100 30 93.2 84.5 67.3 a = 0.6329648249 b = -0.9814502005 k = 0.07313493767

GL 12-200 30 183 173.5 134 a = 0.01627005512 b = 0.9601567548 k = 0.2550793422

<

k

В выражении (8) Ср, Сю, С5, - ёмкость аккумулятора (А- ч) номинальная, при 10-ти и 5-ти часовом разряде, Тю, Т20 - время заряда (разряда) (ч), равное 10 и 20 часам, соответственно, 1а - ток разряда (А), к - безразмерный коэффициент. Функция В(1а) будет равна единице для большинства моделей аккумуляторов, для которых Ср = С10. Если номинальная ёмкость аккумулятора соответствует его двадцатичасовому разряду (С20), то предполагается что на отрезке [С20, С10] Ар = В. Значение коэффициента к для данного конкретного аккумулятора может быть получено из численного решения уравнения (9).

a  e

(^

Т

C

+ ь = Ср

с

1

где С1 и Т1 - ёмкость аккумулятора (А- ч) при часовом разряде и время часового разряда (ч).

30 50

вХ 12-100

30 50

вЬ 12-100

1а, А

Рис. 3. Вид корректирующих функций Л(1„) для некоторых моделей

аккумуляторов

Расчёт автономного комплекса энергоснабжения - это задача многокритериальной оптимизации. Оптимальным является решение задачи проектирования эффективной автономной системы электроснабжения, путём применения методов моделирования и оптимизации, опирающихся на современные компьютерные технологии [8-10].

Список литературы

1. Шпиганович А.Н., Телегин В.В. Энергосбережение с использованием автономных источников на базе технологий альтернативной энергетики // Вести высших учебных заведений Черноземья. 2011. №4 (26). С. 16 - 21.

2. Шпиганович А.Н., Качура Э.А., Зацепин Е.П. Проблемы и перспективы развития распределенной генерации //Вести высших учебных заведений Черноземья. 2011. № 1. С. 38 - 41.

3. Шпиганович А.А., Ляпин С. А., Квашнина Г.В. Формирование параметров элементов, определяющих функционирование технических систем// Вести высших учебных заведений Черноземья. 2012. №1 (27). С. 3 - 5.

4. Shpiganovich A.N., Dovzhenko S.V. Modeling of system of dynamic suppression amplitude and phase distortions of tension at the abruptly variable loadings// Вести высших учебных заведений Черноземья. 2014. № 2. С. 6 - 8.

5. Телегин В.В. Повышение эффективности функционирования систем электроснабжения предприятий ограниченной мощности с использованием альтернативных источников энергии: автореферат дис. ... канд. техн. наук. Липецк, 2014.

6. Телегин В.В., Шпиганович А.Н. Системы автономного энергоснабжения на базе технологий альтернативной энергетики // Электрика. 2012. № 2. С. 17 - 20.

7. Шпиганович А.Н., Шпиганович А. А., Пушница К. А., Медведев С.Е. Построение автономных систем электроснабжения на базе устройства отбора атмосферного электричества // Вести высших учебных заведений Черноземья. 2013. № 4. С. 20 - 24.

8. Телегин В.В. Компьютерное моделирование эффективности использования систем альтернативной энергетики // Естественные и технические науки. 2012, №5(61). С. 309 - 312.

9. Телегин В.В. Проектирование автономных систем электроснабжения потребителей// Теоретические и прикладные вопросы науки и образования: сборник научных трудов по материалам международной научно-практической конференции: в 16 частях. 2015. С. 124 - 125.

10. Телегин В.В. Оптимизация структуры и параметров автономных электрогенерирующих комплексов// Научный журнал «Фундаментальные исследования». Пенза: ИД «Академия Естествознания», 2013. № 8(2). С. 312-317.

Шпиганович Александр Николаевич, д-р техн. наук, проф., kaf-eo@stu.lipetsk.ru, Россия, Липецк, Липецкий государственный технический университет,

Телегин Валерий Викторович, канд. техн. наук, доц., TeleginV. V@yandex.ru, Россия, Липецк, Липецкий государственный технический университет

ENERGY FLOWS IN A CLOSED SYSTEM OF ELECTRIC POWER SUPPLY WITH

BA TTERY DEEP DISCHARGE

A.N. Shpiganovich, V.V. Telegin 45

The article presents the balance of power in power systems based on alternative energy sources in its composition having wind turbines, solar power plants and small hydropower plants, as well as accumulating device.

Key words: alternative sources of energy, wind turbines, solar power plants, small hydro power.

Shpiganovich Aleksandr Nikolaevich, doctor of technical science, professor, the head of chair, kaf-eoastu. lipetsk. ru, Russia, Lipetsk, Lipetsk State Technical University.

Telegin Valeriy Vicktorovich, candidate of technical science, docent Tele-ginV. V@vandex.ru, Russia, Lipetsk, Lipetsk State Technical University

Рассмотрены вопросы определения характеристик электрической мощности для реальных электроэнергетических систем в условиях неопределенности.

Ключевые слова: электроэнергетическая система, неопределенность, электрическая мощность, активная электрическая мощность, реактивная электрическая мощность.

При анализе различных процессов в электроэнергетических системах важное значение имеет понятие активной мощности, имеющее обоснованное и четкое определение и описывающее конкретные физические процессы. Кроме активной мощности обычно рассматривается так называемая неактивная мощность, под которой понимают "всё, кроме активной". Использование термина "неактивная мощность" оправдано тем, что обменные процессы, протекающие в энергосистемах в условиях неопределенности, например, при несинусоидальных режимах нельзя описать только реактивной мощностью, представляющей собой модуль вектора разности полной и активной мощностей.

Интерес к вопросам определения неактивной мощности объясняется, как ростом количества несинусоидальных нагрузок; так и созданием современных интеллектуальных измерительных электротехнических.

В общем случае активная электрическая мощность определяется

как

где Т - время, представляющее интерес, или время наблюдений или для периодического сигнала - период.

УДК 621.3

ХАРАКТЕРИСТИКИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ МОЩНОСТИ В УСЛОВИЯХ НЕОПРЕДЕЛЕННОСТИ

Ю.И. Горелов

T