Анализ негативных возмущений в автономных системах электроснабжения

ENSURING OF OPERATIONAL RELIABILITY OF POWER SYSTEMS WITH A COMBINED

CONNECTION OF THE ELEMENT

A.N. Shpiganovich, A.A. Shpiganovich, G. V. Kvashnina

The algorithm of analyzes the reliability of power supply systems with a combined connection was shown. The dependences of the MTBF determining for the star connection and delta connection of compounds were given.

Key words: power system, reliability, combined connection, star connection, delta connection, mean time between failures (MTBF), distribution law, probability of work.

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

Spiranovic Alla Aleksandrovna, doctor of technical science, professor, the head of chair, kaf-eo@,stu. lipetsk. ru, Russia, Lipetsk, Lipetsk State Technical University,

Kvashnina Galina Vladimirovna, postgraduate, g. v. kvashninaaya. ru, Russia, Lipetsk, Lipetsk State Technical University

УДК 621.3

АНАЛИЗ НЕГАТИВНЫХ ВОЗМУЩЕНИЙ В АВТОНОМНЫХ СИСТЕМАХ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ

А.Н. Шпиганович, С.В. Довженко

Приведен анализ возмущающих факторов, присутствующих в автономных системах электроснабжения, использующих в качестве источника энергии фотоэлектрические панели. Приведены закономерности, определяющие негативные воздействия на такие системы.

Ключевые слова: автономные системы электроснабжения, фотоэлектрические панели.

Стратегия энергосбережения, принятая в России и большинстве стран мира, предполагает использование, в том числе, и инноваций при производстве, распределении и потреблении электроэнергии. При этом масштабное развитие претерпевают альтернативные способы получения электроэнергии. Одной из популярных технологий, не требующих специальных сложных конструкционных элементов, а также характеризующихся отсутствием подвижных частей, является технология непосредственного использования лучистой энергии солнца путем ее прямого преобразования в электроэнергию на фотоэлектрических панелях (ФЭП) [1].

33

Несмотря на то, что эта технология еще не достигла пика развития, на сегодняшний день она обладает рядом существенных преимуществ относительно классических способов генерации, а именно:

- отсутствие любых видов топлива на всех этапах производства. При этом отпадает необходимость в его добыче и доставке, расходы на эти мероприятия также отсутствуют. Также такая технология генерации может быть использована в тех районах и хозяйствах, где затруднено подведение линий электропередач для централизованного электроснабжения от энергосистемы;

- минимальные расходы на эксплуатацию генерирующих установок, заключающиеся, в основном, в периодической проверке их состояния и очистке ФЭП от загрязнений;

- возможность установки таких систем в любой географической точке, которая находится в зоне прямого воздействия солнечного излучения.

Существующие на сегодняшний день ФЭП промышленного производства [2] имеют номинальную мощность до 350 Вт, с применением новых материалов и покрытий эта цифра будет возрастать. Теоретический предел кпд преобразования энергии на ФЭП составляет 33,7% [3]. Кроме того, увеличения эффективности выработки электроэнергии добиваются путем правильной ориентации панелей по сторонам горизонта, а также применением поворотных механизмов, ориентирующих ФЭП по направлению максимального использования солнечного излучения (перпендикулярно солнечным лучам). Такие механизмы обычно поворачивают панели только в вертикальной плоскости по заложенной программе (одноосевой вертикальный трекер).

По методике [4] проведен расчет параметров выработки электрической энергии для трех ФЭП суммарной мощностью 1 000 Вт для точки, находящейся в географических координатах г. Липецка (52,36,59 СШ; 39,33,2, высота над уровнем моря - 168 м). При этом учтены потери энергии на отражение - 2,9%; температурные - 12,6%; потери на преобразование и распределение электроэнергии - 14%.По результатам вычислений построены соответствующие графики выработки электроэнергии по месяцам для фиксированного угла наклона ФЭП в 37% (оптимальный) и при использовании одноосевого вертикального трекера (ориентация по сторонам света - на юг). График представлен на рис. 1. Конструкция ФЭП с одноосевым трекером представлена на рис. 2.

При этом получены следующие числовые данные: средняя годовая выработка электроэнергии без трекера составила 936 кВтч, с одноосевым трекером - 1220 кВтч, отличие более чем на 30,3 %

Автономные системы электроснабжения, также как и системы электроснабжения промышленных объектов, подвержены негативному воздействию. Оборудование может оказывать влияние друг на друга, это влияние обычно негативное.

Рис. 1. График средней суточной выработки электроэнергии

по месяцам

Современные системы электроснабжения спроектированы для действия синусоидально изменяющихся токов и напряжений. Любые отклонения от данных условий могут вызвать трудно предсказуемые последствия как для электроприемников, так и для элементов автономных электрических сетей (коммутационных аппаратов, изоляции линий электропередач и

др.).

Генераторы на электрических станциях, используемые в энергосистемах, всегда вырабатывают электроэнергию высокого качества в соответствии с действующими стандартами. При использовании же ФЭП такие требования могут не выполняться.

Во-первых, все фотоэлектрические панели вырабатывают постоянное напряжение от 5 до 18 В (в зависимости от числа элементов в панели и интенсивности солнечного излучения). Причем для обеспечения требуемого выходного напряжения для использования в сети и зарядки аккумуляторных батарей используется звено широтно-импульсной модуляции. Также, в виду того, что большинство применяемых электроприемников работает на переменном синусоидальном напряжении 380/220 В, обяза-

тельными элементом является однофазный или трехфазный инвертор. Совокупность таких элементов ведет к возникновению несинусоидальных режимов в сетях и снижает безотказность оборудования.

С другой стороны, ограниченность энергии, вырабатываемой ФЭП, предполагает использование энергосберегающего электрооборудования, такого как светодиодные источники света, электронной техники с импульсными блоками питания и др., что также усугубляет несинусоидальные режимы в автономных системах электроснабжения.

Особенностью таких автономных систем является также значительная зависимость параметров выработки электрической энергии от случайных факторов окружающей среды (интенсивности солнечного излучения), на которые внутренними средствами повлиять невозможно. Такие воздействия, наряду с перечисленными выше внутренними негативными возмущениями, можно считать случайными возмущающими факторами. Им присуща различная интенсивность, которая в данном случае будет соответствовать глубине снижения интенсивности солнечного излучения при прохождении облачности относительно его номинального значения в безоблачную погоду. При этом в условиях эксплуатации часто сложно провести границу, разделяющую причины возникновения отказов. В подавляющем большинстве случаев имеет место кумулятивное воздействие групп вышеперечисленных негативных возмущений. Можно только выделить причины воздействий, носящих катастрофический характер.

Анализ литературы [5] и данных экспериментальных исследований показывают, что в большинстве случаев внезапное изменение параметров функционирования автономных систем вызвано воздействием негативных возмущающих факторов, связанных с изменением интенсивности солнечного излучения. Такие воздействия наряду с прерывистостью во времени характеризуются переменной интенсивностью (рис 3,а). Такой реальный процесс можно представить эквивалентным потоком прямоугольных импульсов переменной высоты.

Длительность и высота импульсов случайны. Случайной является и продолжительность пауз, причем для большинства реально существующих автономных систем длительность пауз будет больше длительности импульсов. Для определения плотностей вероятностей и математического ожидания интенсивности воздействия данного типа возмущений целесообразно поступить следующим образом. Каждый импульс можно разбить на следующие непрерывно друг за другом элементарные прямоугольные импульсы длительностью Ах. Для негативных возмущающих факторов, связанных с изменением интенсивности излучения, интенсивность высот импульсов не зависит от их длительности. Если считать распределение изменения интенсивности воздействия подчиняющимся нормальному закону, а периоды их отсутствия - показательному, получим следующую зависимость

2о\

где шк? ак - параметры нормального закона распределения интенсивности воздействия негативных факторов; х - параметр показательного закона распределения продолжительности негативного воздействия.

Провал выработки энергии

График выработки энергии

и

Рис. 3. Реальный (а) и расчетный (б) поток, соответствующий снижению интенсивности солнечного излучения

Данное выражение также позволяет определять плотности вероятностей импульс и пауз расчетного эквивалентного потока по выражениям

<*(0= ] ЫМЖ;

кШп к1нп

р(1)= \ ^(к,оак,

где кнщ - предельно допустимый уровень снижения интенсивности излучения, вызывающий перевод автономной системы электроснабжения в неработоспособное состояние.

Для оценки влияния интенсивности «провалов» в солнечном излучении на конечную безотказность автономной системы электроснабжении необходимо проанализировать энергетические процессы, происходящие в такой системе.

Упрощенно энергетика происходящих процессов представлена на

рис. 4.

Линия «восход» соответствует не восходу солнца как таковому, а началу выработки электрической энергии ФЭП. Соответственно, штриховая линия «закат» соответствует окончанию выработки электроэнергии ФЭП. С ростом интенсивности солнечного излучения, вырабатываемая мощность панели выравнивается в точке «а» с потребляемой мощностью нагрузки автономной системы, прекращается разрядка аккумуляторных батарее (АКБ), питание потребителей начинает полностью осуществляться от ФЭП. Начинается процесс зарядки АКБ. По достижении 100% заряда на АКБ излишняя энергия, которую могут производить ФЭП, обычно не используется. Для выполнения условия устойчивости автономной системы необходимо чтобы площади под кривыми, соответствующими режимам зарядки и разряда АКБ были равны.

а Р, кВт

зарядка

Разряд АЙБ

Провал 1

Провал 2 | 1- го

Нагрузка объекта

Разряд АКБ

Рис. 4. Энергетические процессы, происходящие в автономной системе электроснабжения

При невыполнении данного равенства будет происходить процесс недозаряда АКБ, что через несколько суточных циклов переведет систему в неработоспособное состояние. Потребители будут обесточены. На рис.4 также указаны провалы в выработке электроэнергии, являющиеся источниками негативных возмущений в системе. Провал «1» является неглубоким, ведет только к снижению теоретического максимума выработки электроэнергии ФЭП. Провал «2» пересекает кривую графика нагрузок объекта, при этом вырабатываемой энергии становится недостаточно для покрытия мощности всей нагрузки и происходит разрядка АКБ. Если длительность провалов такого типа станет существенной (по погодным условиям), возможно невыполнение требования устойчивости системы и ее отказ.

Таким образом, автономные системы электроснабжения, с одной стороны, не подвержены негативным влияниям со стороны энергосистемы, но обладают при этом достаточно низкими пределами устойчивости и нуждаются в предварительном грамотном проектировании для минимизации вероятности отказов от негативных возмущающих воздействий.

Список литературы

1. Шпиганович А.Н. Энергосбережение с использованием автономных источников на базе технологий альтернативной энергетики / А.Н. Шпиганович, В.В. Телегин // Вести высших учебных заведений Черноземья, 2011. №4. С. 15 - 20.

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

3. PV potential estimation utility [Электронный ресурс]. URL://re. jrc.rc.europa.eu/pvgis/apps4/pvest.php (дата обращения 30.09.2016).

4. Новый рекорд эффективности для солнечных элементов [Электронный ресурс]. URL: //kildekode .ru/energy/13 84/novyj -rekord-effektivnosti-dlya-solnechnykh-elemen.htm (дата обращения 30.09.2016).

5. Шпиганович А.Н. Случайные потоки в решении вероятностных задач / А.Н. Шпиганович, А. А. Шпиганович, В.И. Бош. Липецк: ЛГТУ, 2003. 224 с.

Шпиганович Александр Николаевич, д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой, kaf-eoastu.lipetsk.ru, Россия, Липецк, Липецкий государственный технический университет,

Довженко Сергей Викторович, канд. техн. наук, доц., sergdov@inbox.ru, Россия, Липецк, Липецкий государственный технический университет

ANALYSIS OF THE NEGATIVE DISTURBANCES IN AUTONOMOUS POWER SYSTEMS

A.N. Shpiganovich, S. V. Dovzhenko

In article the analysis of disturbing factors present in Autonomous power systems that use as energy source photovoltaic panels. The regularities that determine a negative impact on such systems.

Key words: Autonomous power supply systems, photovoltaic panels.

Shpiganovich Alexander Nikolaevich, doctor of technical sciences, professor, the head of chair, kaf-eoastii. lipetsk. ru, Russia, Lipetsk, Lipetsk State Technical University,

Dovzhenko Sergei Viktorovich, candidate of technical sciences, docent, serg-dov@inbox.ru, Russia, Lipetsk, Lipetsk State Technical University