Ветродизельная установка для электроснабжения фермерского хозяйства

УДК 621.311

ВЕТРОДИЗЕЛЬНАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ФЕРМЕРСКОГО ХОЗЯЙСТВА

© 2016 г. И.И. Артюхов, С.Ф. Степанов, С.В. Молот, Е.Т. Ербаев

Проведен анализ схем построения системы электроснабжения удаленных фермерских хозяйств на базе гибридных автономных установок - ветродизельных установок. Особенности электроприемников сельскохозяйственных объектов, их суточный график работы требует уточнения мощности выбираемых электрогенерирующих установок и более детального анализа их нормальной работы. Использование в хозяйствах двигателей достаточно большой мощности определил также необходимость проведения подробной оценки пусковых режимов и влияния этих режимов на функционирование генерирующего энергооборудования. В качестве предлагаемого источника электроснабжения для удаленных фермерских хозяйств рекомендуется применять комбинированную схему, в состав которой входит возобновляемый источник энергии (ветроэнергетическая установка с ветродвигателем и синхронным генератором на постоянных магнитах), а также дизельная электростанция с двигателем внутреннего сгорания и синхронным генератором с электромагнитным возбуждением и блоком управления. Предложенные технические решения позволяют улучшить технико-экономические показатели системы электроснабжения фермерского хозяйства на основе ветро-дизельных установок.

Ключевые слова: ветродизельная установка, электроснабжение, двигательная нагрузка.

There is conducted analysis of the designing schemes of the power supply systems of remote farms based on such hybrid autonomous units as wind-diesel plants. Features of agricultural facilities power consumers, their daily work schedule require clarification of electricity generating plants selectable power and a more detailed analysis of their normal work. The application of sufficiently heavy-duty engines on farms also identified the need for a detailed assessment of the starting modes, and the impact of these regimes on the operation of power generation equipment. As the proposed power source for remote farms there is recommended to apply combined scheme, which includes renewable energy source (wind power plant with a wind turbine and a synchronous generator with permanent magnets) and diesel power plant with internal combustion engine and a synchronous generator with electromagnetic excitation and control unit. The proposed technical solutions allow to improve the technical and economic indicators of farm power supply systems based on wind-diesel plants.

Keywords: wind-diesel plant, power supply, motor load.

Введение. В новых условиях рыночной экономики проводимая политика землепользования ориентирована на повсеместное развитие фермерских хозяйств с различной специализацией, создание арендных предприятий, расширение предприятий первичной обработки и хранения

сельскохозяйственной продукции. При этом существуют небольшие фермерские хозяйства, которые значительно удалены от централизованного электроснабжения. Для таких хозяйств может быть предложен вариант автономного электроснабжения от электростанций небольшой мощности, если при технико-экономическом обосновании он окажется оптимальным по сравнению с электроснабжением от системы централизованного питания, например, в случае значительного

расстояния до электросетевых объектов [1, 6, 7].

Целью статьи является обоснование структуры и описание особенностей функционирования ветродизельной

установки для электроснабжения удалённых фермерских хозяйств.

Обоснование структуры системы и обсуждение. Автономное

электроснабжение фермерских хозяйств может быть реализовано различными способами. Наиболее часто для этого используют дизельные электростанции (ДЭС) с номинальной мощностью 8-50 кВт, при этом для электроснабжения удаленных и сезонных объектов применяют также передвижные

электроагрегаты.

ДЭС обычно выбирают по суммарной присоединенной мощности одновременно работающих электроприемников, которая

определяется за получасовой максимум в интервале времени с наибольшей нагрузкой с учетом их среднего коэффициента мощности. При создании технологического графика сначала рассматривают процессы, которые необходимо обеспечить в полном объеме, затем те, которые могут обслуживаться в ограниченном диапазоне мощности. Следует также стремиться уменьшать расчетную нагрузку, снижая потребную мощность по некоторым процессам, переносить отдельные процессы на другое время суток и т.п.

Состав электропотребляющего

оборудования фермерского хозяйства отличается значительным разнообразием по мощности и времени использования. Электропотребление носит очень неравномерный характер в течение суток, месяца, сезона и года в целом. Если рассчитать средневзвешенную мощность, потребляемую хозяйством, то она окажется не очень высокой. Основное внимание следует уделить пиковой потребляемой мощности.

Пиковая мгновенная потребляемая мощность определяется суммарной мощностью всех электроприемников, которые могут быть включены одновременно.

Суточные пики потребления электроэнергии бывают обычно утром и вечером. Особенно это характерно для зимнего периода, когда к эксплуатации обычных приборов прибавляются электрические обогреватели.

Однако, несмотря на значительное количество электрооборудования в фермерском хозяйстве, ситуация, когда все оборудование или большая часть его включается одновременно, не возникает. Так, например, среднегодовая мощность для семьи из 4 человек составляет 0,7 кВт. При этом средний пик потребления небольшого дома составляет чуть больше 3 кВт.

Более сложная ситуация имеется в фермерском хозяйстве из-за наличия дополнительного специализированного электрооборудования: зернодробилки, электроплуг, установка приготовления кормов, насосы, ряд другого оборудования.

Например, электроплуг мощностью 10 кВт используется всего несколько раз в год. Некоторые из видов оборудования принципиально не будут работать одновременно (скажем, снегоуборщик и газонокосилка используются в разные сезоны).

Если потребитель не задумывается об экономии, то можно принять решение о приобретении оборудования максимальной мощности, которое будет иметь постоянную мощность 12-15 кВт (в соответствии с пиковым потреблением), и тогда вопрос - включать или не включать какое-либо оборудование - не возникает.

Однако это будет преждевременный, неоправданный шаг, приводящий к абсолютно лишним финансовым затратам.

Ведь на самом деле максимальная мощность будет использоваться только в течение одного-двух часов в день, причем не каждый день. При этом не следует забывать, что чем больше мощность электрогенерирующего оборудования, тем больше денег необходимо потратить на покупку, а затем на его дальнейшее обслуживание.

Немаловажным является также то обстоятельство, что использование ДЭС, мощность которой выбрана по суммарной присоединенной мощности одновременно работающих электроприемников, приводит к существенному увеличению расхода топлива на выработку 1 кВт-ч электрической энергии.

Одним из способов уменьшения эксплуатационных затрат на приобретение и доставку топлива для работы ДЭС является применение возобновляемых источников энергии (ВИЭ) для электроснабжения фермерского хозяйства. Причем одна и та же надежность поставки электроэнергии может быть обеспечена различными автономными системами электроснабжения на основе ВИЭ, отличающимися параметрами и составом. При этом стоимость электроэнергии зависит от параметров и состава этих систем, и функция этой зависимости имеет минимум [2].

Наличие в регионе такого энергоносителя, как ветер, делает

целесообразным применение гибридных электростанций, в которых дизельные генераторы дополняются

ветрогенераторами [3].

Для электроснабжения фермерских хозяйств могут быть предложены различные варианты построения ветродизельных установок (ВДУ), отличающихся не только составом

оборудования, но и организацией режимов работы [4].

Структурная схема ВДУ без накопителя энергии показана на рисунке 1. Суммирование мощности ДЭС и ветроэлектроустановки

осуществляется на шине переменного тока, к которой подключается нагрузка Н.

Рисунок 1 - Блок-схема ВДУ без накопителя энергии и с суммированием мощности

на шине переменного тока

Дизель в этой схеме работает с фиксированной частотой вращения выходного вала при любой нагрузке, что необходимо для получения заданной частоты 50 Гц. ВЭУ может работать с изменяемой частотой вращения вала, для чего ее выход подключен к шине переменного тока через выпрямитель В и инвертор И.

В период безветрия и ураганов ВЭУ отключается, и ДЭС берет на себя всю нагрузку. Соотношение мощностей ВЭУ и ДЭС может быть различным, однако мощность ВЭУ не должна превышать мощность ДЭС более чем на 20%.

На рисунках 2 и 3 представлены блок-схемы ВДУ с накопителями энергии в виде аккумуляторных батарей АБ, причем в первой из них суммирование мощностей ДЭС и ВЭУ осуществляется на шине переменного тока, а во второй - на шине постоянного тока. В схеме на рисунке 2 заряд-разряд АБ производится через двунаправленный преобразователь ДП, который подключен к выходу выпрямителя В. В схеме на рисунке 3 заряд АБ осуществляется через ДП от напряжения на шине постоянного тока при совместной или раздельной работе ДЭС и ВЭУ. В случае необходимости АБ отдает энергию в нагрузку через ДП и инвертор И.

Рисунок 2 - Блок-схема ВДУ с накопителем энергии и суммированием мощности

на шине переменного тока

Рисунок 3 - Блок-схема ВДУ с накопителем энергии и суммированием мощности

на шине постоянного тока

В схеме на рисунке 3 ДЭС и ВЭУ могут работать в режимах переменной частоты вращения вала и, следовательно, переменной генерируемой мощности. Для ДЭС такой режим позволяет уменьшать частоту вращения вала агрегата с уменьшением необходимой генерируемой мощности с целью снижения расхода топлива. Для ВЭУ появляется возможность реализовать режим максимального использования энергии ветра [5].

Схемы на рисунках 2 и 3 применимы для высокопотенциальных ветровых зон, когда ВЭУ может являться основным

РВЭУмакс. = 0,5

источником энергии. При этом мощность ДЭС может быть значительно меньше мощности ВЭУ, а для создания запаса энергии подключается АБ большой емкости. Однако такое техническое решение сопровождается увеличением стоимости системы и затрат на ее эксплуатацию.

Особенностью ВЭУ является крайне непостоянный характер выработки электроэнергии, который полностью зависит от скорости ветра. Максимальная мощность, выдаваемая ВЭУ, определяется выражением

Я2 • V3 -Р'Лред Пген ,

где ^ - коэффициент использования энергии ветра (в номинальном режиме для оптимальной быстроходности ВЭУ достигает максимума, равного 0,4^0,5), безмерная величина;

Я - радиус ротора, м;

V - скорость воздушного потока, м/с;

р- плотность воздуха, кг/м3;

Пред, Пееи - КПД рЗДукт°ра и

генератора соответственно, %.

При изменении скорости ветра в 2 раза мощность изменится в 8 раз. При этом очень значительно будут изменяться величина и частота генерируемого напряжения.

В технических условиях на ВЭУ указывается скорость ветра, при которой она будет выдавать номинальную мощность. Как правило, это скорость

ветрового потока, равная 10-12 м/с. Это достаточно сильный ветер, который бывает ограниченное количество дней в году. Например, ВЭУ-1, имеющая номинальную мощность 1 кВт, на самом деле при скорости ветра 6 м/сек развивает мощность всего 200 Вт. Среднегодовой коэффициент использования мощности ВЭУ составляет 10-15% при среднегодовой скорости ветра 4,5-5 м/с.

При определении необходимой мощности ВЭУ и ДЭС необходимо учитывать не только состав и режим работы электроприемников, но и их электромеханические характеристики. Так, если в составе электроприемников есть мощный асинхронный электродвигатель, то при его пуске возникают токи, в 5-7 раз превышающие номинальные значения.

Если ДЭС в процессе работы была уже загружена на 50-60%, и требуется произвести пуск мощного

электродвигателя, то следует учитывать, что его пуск приведет к сильной просадке напряжения и частоты. При этом сработает защита ДЭС и электроснабжение всех потребителей будет нарушено. В данной ситуации возможны поломки некоторого оборудования у потребителей.

Возможны следующие направления решения данной проблемы:

- увеличение мощности ДЭС;

- увеличение емкости АБ;

- применение устройств для плавного пуска двигателей.

Надо сразу отметить, что реализация технических мероприятий по указанным направлениям требует дополнительных материальных затрат. Поэтому для систем электроснабжения фермерского хозяйства более целесообразным может оказаться подход, который применен при построении схемы ВДУ на рисунке 4.

В состав установки входят два источника электроэнергии:

- ВЭУ с ветродвигателем ВД и синхронным генератором на постоянных магнитах;

- ДЭС с двигателем внутреннего сгорания ДВС и синхронным генератором с электромагнитным возбуждением и блоком управления.

Выходы ВЭУ и ДЭС через выпрямители В подключены к шине постоянного тока, от которой получает питание инвертор И. Накопитель энергии в рассматриваемой схеме ВДК отсутствует.

К выходу инвертора И могут быть подключены электроприемники ЭП1 -ЭПК через коммутаторы К1 - КК, которые имеют управляющие входы, соединенные с блоками разрешения включения.

ВЭУ оснащена блоком определения мощности ветрового потока, ДЭС -задатчиком номинальной мощности ДВС. На выходе инвертора И установлен блок измерения мощности с датчиками тока ТА и напряжения ТУ. Электроприемники ЭП1 - ЭПК снабжены задатчиками номинальной мощности Рном к .

Функционирование ВДУ

осуществляется следующим образом. Электрическая энергия, вырабатываемая ВЭУ и ДЭС, после преобразования выпрямителями В в энергию постоянного тока поступает на общую шину постоянного тока. Далее она с помощью инвертора И преобразуется в электроэнергию трехфазного переменного тока с частотой 50 Гц и напряжением 380 В.

Рисунок 4 - Схема ветродизельной установки для электроснабжения фермерского хозяйства

Для исключения аварийных ситуаций, обусловленных перегрузкой ВЭУ и ДЭС, подключение электроприемников ЭП1 - ЭПК к сборной шине производится только в том случае, когда в системе электроснабжения имеется определенный запас мощности, который определяется следующим образом:

¿р ~ рвп + рн. двс — рнагр. ,

где рвп - мощность ветрового потока;

рн.двс - номинальная мощность ДВС;

рнагр. - активная мощность нагрузки.

После нажатия кнопки «Пуск» блок разрешения включения выдает сигнал на запуск соответствующего

электроприемника, если выполняется условие

¿Р-Ртм.к > Р0,

где Р0 - некоторая наперед заданная величина.

Таким образом, исключаются ситуации, когда одновременно включаются мощные электроприемники, при которых происходит перегрузка ВДУ. При этом разделение во времени пусковых режимов мощных электроприемников позволяет уменьшить установленную мощность электрогенерирующего оборудования, что способствует снижению стоимости электрооборудования.

Вывод. В качестве источника электроснабжения удаленных фермерских хозяйств следует рекомендовать схему на возобновляемых источниках энергии -ВЭУ с ветродвигателем и синхронным генератором на постоянных магнитах, а также дизельную электростанцию с двигателем внутреннего сгорания и синхронным генератором с

электромагнитным возбуждением и блоком управления.

Литература

1. Воронин, С.М. Возобновляемые источники энергии в автономных системах энергоснабжения сельских объектов / С.М. Воронин. - Зерноград: ФГОУ ВПО АЧГАА, 2005. - 118 с.

2. Воронин, С.М. Повышение эффективности ветроэнергетических установок для автономного электроснабжения удаленных сельскохозяйственных потребителей / С.М. Воронин, А.П. Жогалев // Повышение надежности работы электрооборудования в сельском хозяйстве. - Зерноград: АЧГАА, 2001. - Вып. 1. - С. 56-59.

3. Лукутин, Б.В. Возобновляемая энергетика в децентрализованном электроснабжении / Б.В. Лукутин, О.А. Суржикова, Е.Б. Шандарова. - Москва: Энергоатомиздат, 2008. - 231 с.

4. Артюхов, И.И. Варианты построения схем автономных ветродизельных установок / И.И. Артюхов, Е.Т. Ербаев // Новые технологии и технические средства в АПК: материалы Междунар. конф., посвященной 105-летию со дня рождения профессора В.В. Красникова (Саратов, 23-24 мая 2013 г.). - Саратов: Изд-во «КУБиК», 2013. - С. 9-11.

5. Степанов, С.Ф. Обеспечение эффективной работы мультимодульной ветроэлектростанции при изменении скорости ветра и нагрузки / С.Ф. Степанов, И.М. Павленко, Е.Т. Ербаев // Современные проблемы науки и образования. - 2013. - № 6. (Электронный журнал) URL: www.science-education.ru / 113-11407.

6. Юдаев, И.В. Экономическая оценка применения автономной системы электроснабжения на базе ВИЭ крестьянских (фермерских) хозяйств Волгоградской области / И.В. Юдаев, С.А. Ракитов, Н.С. Филиппченкова // Пращ Тавришського державного агротехнолопчного ушверситету. -Мелггополь: ТДАТУ, 2013. - Том 4. - Вып. 13. - С. 78-83.

7. Юдаев, И.В. Использование автономного электроснабжения на базе

ВИЭ животноводческих стоянок в Заволжских районах Волгоградской области

/ И.В. Юдаев, С.А. Ракитов // X Междунар. ежегодная конф. «Возобновляемая и малая энергетика 2012»: сборник трудов. -Москва, 2013. - С. 317-321.

References

1. Voronin, S.M. Vozobnovljaemye istochniki jenergii v avtonomnyh sistemah jenergosnabzhenija sel'skih ob'ektov [Renewable energy sources in autonomous systems of power supply of rural facilities], Zernograd, FGOU VPO AChGAA, 2005, 118 p.

2. Voronin, S.M., Zhogalev A.P. Povyshenie jeffektivnosti vetrojenergeticheskih ustanovok dlja avtonomnogo jelektrosnabzhenija udalennyh sel'skohozjajstvennyh potrebitelej [Improving the efficiency of wind turbines for the autonomous power supply of remote agricultural consumers], Povyshenie nadezhnosti raboty jelektrooborudovanija v sel'skom hozjajstve, Zernograd, AChGAA, 2001, Issue 1, pp. 56-59.

3. Lukutin, B.V., Surzhikova O.A., Shandarova E.B. Vozobnovljaemaja jenerge-tika v decentralizovannom jelektrosnabzhenii [Renewable energy in decentralized power supply], Moscow, Jenergoatomizdat, 2008, 231 p.

4. Artjuhov, I.I., Erbaev E.T. Varianty postroenija shem avtonomnyh vetrodizel'nyh ustanovok [Options for the designing schemes of autonomous wind-diesel plants], Novye tehnologii i tehnicheskie sredstva v APK: materialy Mezhdunar. konf., posvjashhennoj 105-letiju so dnja rozhdenija professora V.V. Krasnikova (Saratov, 23-24 maja 2013 g.), Saratov, Izd-vo «KUBiK», 2013, pp. 9-11.

5. Stepanov, S.F. Pavlenko I.M., Erbaev E.T. Obespechenie jeffektivnoj raboty mul'timodul'noj vetrojelektrostancii pri izmenenii skorosti vetra i nagruzki [Ensuring efficient operation of multimodularity wind power plant at changing wind speed and load], Sovremennye problemy nauki i obrazovanija,

2013, No. 6. (Jelektronnyj zhurnal), available at: www.science-education.ru/113-11407.

6. Judaev, I.V., Rakitov S.A., Filipp-chenkova N.S. Jekonomicheskaja ocenka primenenija avtonomnoj sistemy jelektro-snabzhenija na baze VlJe krest'janskih (fermerskih) hozjajstv Volgogradskoj oblasti [Economic assessment of the application of the autonomous power supply system of farms (peasant facilities) based on renewable energy sources in the Volgograd Region], Praci Tavriijs'kogo derzhavnogo agrotehnolo-gichnogo universitetu, Issue 13, Vol. 4, Melitopol', TDATU, 2013, pp. 78-83.

7. Judaev, I.V., Rakitov S.A. Ispol'zovanie avtonomnogo jelektrosnab-zhenija na baze VIJe zhivotnovodcheskih stojanok v Zavolzhskih rajonah Volgogradskoj oblasti [The application of autonomous power supply systems based on renewable energy in the livestock parking of Zavolzhskie districts in the Volgograd Region], X Mezhdunar. ezhegodnaja konf. «Vozobnovljaemaja i malaja jenergetika 2012», sbornik trudov, Moscow, 2013, pp. 317-321.

Сведения об авторах

Артюхов Иван Иванович - доктор технических наук, профессор кафедры «Электроснабжение промышленных предприятий», Саратовский государственный технический университет имени Ю.А. Гагарина (Россия). Тел.: 8(8452)99-87-64.

Степанов Сергей Федорович - доктор технических наук, профессор кафедры «Электроснабжение промышленных предприятий», Саратовский государственный технический университет имени Ю.А. Гагарина (Россия). Тел.: 8(8452)99-87-64.

Молот Светлана Викторовна - аспирант кафедры «Электроснабжение промышленных предприятий», Саратовский государственный технический университет имени Ю.А. Гагарина (Россия). Тел.: 8(8452)99-87-64.

Ербаев Ербол Тулегенович - аспирант кафедры «Электроснабжение промышленных предприятий», Саратовский государственный технический университет имени Ю.А. Гагарина (Россия), старший преподаватель кафедры «Энергетика», Западно-Казахстанский аграрно-технический университет имени Жангир хана (г. Уральск, Казахстан). Тел.: 8(7112)50-10-85.

Information about the authors

Artyukhov Ivan Ivanovich - Doctor of Technical Sciences, professor of the Power supply of industrial enterprises department, Yuri Gagarin State Technical University of Saratov (Russia). Phone: 8(8452)99-87-64.

Stepanov Sergey Fedorovich - Doctor of Technical Sciences, professor of the Power supply of industrial enterprises department, Yuri Gagarin State Technical University of Saratov (Russia). Phone: 8(8452)99-87-64.

Molot Svetlana Victorovna - post-graduate student of the Power supply of industrial enterprises department, Yuri Gagarin State Technical University of Saratov (Russia). Phone: 8(8452)99-87-64.

Erbaev Erbol Tulegenovich - post-graduate student of the Power supply of industrial enterprises department, Yuri Gagarin State Technical University of Saratov (Russia), senior lecturer of the Power engineering department, Zhangir khan West Kazakhstan Agrarian-Technical University (Uralsk, Kazakhstan). Phone: 8(7112)50-10-85.