Экспресс-оценка энергоэффективности системы автономного электроснабжения объекта

УДК 621.311.1

Экспресс-оценка энергоэффективности системы автономного электроснабжения объекта

В. Р. Берг,

ОАО «ГОКБ «Прожектор», генеральный директор, кандидат технических наук

А. А. Гуров,

МИЭЭ, профессор кафедры электроснабжения и диагностики электрооборудования,

доктор технических наук

Рассмотрены вопросы определения совокупности технических характеристик, обеспечивающих экспресс-оценку энергоэффективности при модернизации системы автономного электроснабжения объекта. Предложен упрощённый метод расчёта коэффициента полезного действия системы по параметрам схемы замещения системы автономного электроснабжения, не требующий составления и решения сложных математических моделей.

Ключевые слова: система автономного электроснабжения, потери мощности и электроэнергии, энергоэффективность, энергосбережение.

В настоящее время уделяется большое внимание вопросам внедрения энергосберегающих технологий и повышения энергетической эффективности на этапах разработки, модернизации, производства и эксплуатации средств электроэнергетики, включая системы автономного электроснабжения (САЭ) объектов специального назначения [1]. При выполнении работ на этих этапах, в первую очередь при модернизации САЭ, возникает необходимость в экспресс-оценке энергоэффективности системы для быстрого получения предварительного результата в задачах направлений поиска энергосберегающих технологий.

Правовой основой для их решения является Федеральный закон, регламентирующий отношения по энергоснабжению и энергетической эффективности [2]. Из этого документа следует, что повышение энергоэффективности технических средств достигается за счёт выбора соответствующих характеристик, отражающих отношение полезного эффекта от использования энергетических ресурсов к их затратам.

К числу таких характеристик относится коэффициент полезного действия (КПД) любого технического устройства, который зависит от ряда характеристик, определяющих его облик. Для сложных технических устройств (систем), состоящих из нескольких простых, обычно находят средневзвешенный КПД, позволяющий оценить совокупный полезный эффект от использования энергетических ресурсов на создание каждого технического устройства и системы в целом.

Сложными техническими устройствами являются рассматриваемые ниже системы автономного электроснабжения объектов специального назначения, обеспечивающие потребителей электроэнергией переменного и постоянного тока [3]. В этих системах, как и в любых подобных системах, имеются

потери мощности и электроэнергии, вырабатываемой источниками питания, в элементах электрической сети системы автономного электроснабжения. Они приводят к отрицательным последствиям электрического и технологического характера, в том числе и к снижению КПД системы.

Состояние вопроса

По результатам анализа технико-экономических характеристик, влияющих на эти потери, установлено, что в ранее разработанных образцах систем автономного электроснабжения существуют недостатки:

- неоправданные потери электроэнергии в ряде элементов сети (генераторы, трансформаторы, преобразователи, соединительные провода и т. п.);

- увеличенные потери активной и реактивной мощности в сети по сравнению с расчётными значениями;

- сокращённый срок службы функционально законченных устройств, блоков и модулей САЭ;

- значительные капитальные вложения и др.

Исключение или ограничение этих факторов при модернизации системы автономного электроснабжения - актуальная научно-техническая задача. На её решение оказывают влияние такие особенности САЭ, как:

- соизмеримость мощности источников питания с мощностью потребителей и связанные с этим более тяжёлые последствия для функционирования комплекса «источник-потребитель» при увеличении сверх нормы потерь мощности и электроэнергии;

- наличие относительно коротких линий между источником питания и электроприёмниками, что создаёт трудности (при проектировании систем) в выборе экономически оправданных сечений линий для сохранения баланса мощности в установившихся

режимах работы системы автономного электроснабжения.

Эти и другие особенности обусловливают специфику расчёта характеристик, пригодных для экспресс-оценки энергоэффективности при модернизации САЭ. Обычно для такой оценки используются достаточно сложные модели, описывающие функционирование системы в установившихся и переходных режимах [4, 5]. Однако на ранних этапах модернизации системы автономного электроснабжения, когда требуется выбрать облик энергоэффективной системы, т. е. предварительно определить параметры режима (S, Р, Q, ДР, AQ, cos ф, п, —) и параметры системы (r, x, z,...), зависимые от структуры того или иного облика, целесообразно применять более простые методы расчёта параметров и только для установившихся режимов, которые позволяли бы произвести экспресс-оценку энергоэффективности проектируемой САЭ.

Исходные положения

Рассмотрим упрощённую структурную схему системы автономного электроснабжения, вид которой для одного канала питания определяется некоторым составом электроприёмников (ЭП) переменного

ДРсЕ - суммарные потери активной мощности в сети.

Из выражения (1) следует: чем меньше суммарные потери активной мощности, а значит и электроэнергии в сети, тем выше КПД систем автономного электроснабжения.

Потери реактивной мощности (ДQс) в сети не принимаются во внимание при оценке КПД системы по известным специалистам причинам.

Стремление уменьшить потери активной мощности за счёт выбора рациональных характеристик источников питания, преобразовательных устройств, коммутационных и распределительных средств и т. д. - главная тенденция развития современных систем автономного электроснабжения. Она направлена на обоснование энергосберегающей технологии при модернизации по заданным ТТХ с целью уменьшения объёма используемых энергоресурсов для достижения требуемой энергоэффективности САЭ.

Постановка задачи

Задачу проводимых ниже исследований сформулируем следующим образом: за рассматриваемый период Т найти: максимальный ток сети /сЕ, суммар-

Рис. 1. Структурная схема САЭ

и постоянного тока, составляющих электрическую нагрузку объекта (рис. 1).

Для такой схемы питания потребителей может быть найден средневзвешенный КПД, зависимый от КПД соответствующих элементов сети переменного или постоянного тока. Примем его в качестве критерия экспресс-оценки энергоэффективности системы автономного электроснабжения.

В общем виде КПД системы представим как

где РэпЕ - суммарная мощность, потребляемая ЭП; РиЕ - суммарная активная мощность источников питания;

ные потери активной мощности ДРсЕ и электроэнергии ДАсЕ в сети модернизируемой системы автономного электроснабжения, обеспечивающие выполнение условия "Л^Лтах, полагая, что суммарная мощность потребителей известна.

Математическая постановка задачи:

Найти 4,APcX,A4i

при условии rjE = 77Е1ШХ и

ограничении

Д Р„у = const.

Предметом проведённых ниже исследований является определение совокупности перечисленных выше характеристик, выбираемых в процессе модернизации системы автономного электроснабжения и обеспечивающих решение системы уравнений (2).

Результаты исследования

Для определения номенклатуры характеристик системы автономного электроснабжения, влияющих на потери, составим схему замещения (рис. 2), представляющую некоторую модель рассматриваемой системы (рис. 1) в виде активных и реактивных сопротивлений нагрузки, которые легко определяются по паспортным данным электроприёмников.

Для простоты решения этой задачи, учитывая приведённые выше особенности САЭ, примем следующие допущения:

1. Напряжение в узле нагрузки равняется номинальному значению напряжения источника питания ввиду наличия относительно коротких линий между источником и ЭП.

2. Составляющие потерь активной мощности в сети отнесём к активным потерям мощности источника питания.

При таком подходе к разработке варианта энергоэффективной системы автономного электроснабжения на раннем этапе создания требуемые для расчёта результирующие параметры системы (грез, хрез, грез) определяются как результат расчёта схемы замещения (рис. 2), включающей схемы замещения элементов системы в виде активных и реактивных сопротивлений ЭП, подключённых к источнику питания с известным номинальным напряжением. Они отражают, в соответствии с допущениями 1 и 2, характеристики установившихся режимов работы САЭ [4].

Результирующие параметры схемы замещения системы автономного электроснабжения, как это принято при решении подобных задач, удобно находить из проводимостей вида

1 11 1 1 _ 1

Рис. 2. Схема замещения структуры

где п, т, к - число активных, реактивных и полных сопротивлений в схеме замещения.

Определив результирующие характеристики схемы замещения, найдём необходимые параметры режима: /сЕ, ДРсЕ, ДАсЕ.

Для их определения используем известные в электротехнике формулы (табл. 1), рекомендуемые для использования разработчиками в качестве справочных материалов при модернизации системы автономного электроснабжения.

Расчётные формулы

Таблица 1

№ п/п Параметр САЭ Обозначение Формулы Примечание

r рез

1 Сопротивление Хрез z ^рез t li - длина i-го участка цепи; roi, xoi - удельное сопротивление материала

2 Максимальный ток сети 'сЕ Трёхфазный Однофазный ток: ——

3 Потери активной мощности в сети ДРсЕ Трёхфазный ток: 312сЕГрез Однофазный ток: ^2сЕГрез

4 Потери электроэнергии в сети Д^сЕ ДРсеТ

5 Коэффициент мощности cos ф r рез z рез

3

Используя данные, полученные в результате решения схемы замещения и соответствующих расчётов характеристик системы автономного электроснабжения по формулам (табл. 1), легко найти потери мощности ДРсЕ в сети системы. Подставляя ДРсЕ в выражение (1) и учитывая, что мощность ЭП в процессе функционирования САЭ в установившемся режиме практически не меняется (РэпЕ=еоп81), можно найти максимальное значение КПД системы по выражению (2).

Энергосберегающие мероприятия в автономной электроэнергетике, обеспечивающие экономию энергоресурсов, разработанные и применяемые при модернизации системы автономного электроснабжения, будут рассмотрены в следующей статье.

Порядок выполнения экспресс-оценки энергоэффективности САЭ по выбранному критерию включает в себя:

1) цель исследования - дать предварительную оценку энергоэффективности модернизируемой САЭ;

2) выявление особенностей, влияющих на оценку функционирования эксплуатируемых САЭ;

3) сбор и анализ технических характеристик и потенциала энергосбережения САЭ;

4) выбор обобщённой структуры САЭ, отвечающей требованиям модернизации;

5) обоснования и расчёт схемы замещения структуры (Гре^ рез' рез/'

6) применение расчётных формул (табл. 1) для определения максимального тока и потерь мощности и электроэнергии в сети (/¿^ ДР^ ДАсЕ);

7) экспресс-оценку энергоэффективности САЭ по принятому критерию (Пх=Лтах).

Пример расчёта

Требуется найти потери мощности и электроэнергии в сети однофазного переменного тока системы автономного электроснабжения напряжением 230 В, предназначенной для питания потребителей технических систем мощностью 12,4 кВт и технологической нагрузки мощностью 7,2 кВт, подключённой через статические преобразователи.

Решение:

1. Произведём расчёт суммарной мощности потребителей (Рэп2) системы (рис. 1) и параметров схемы замещения элементов (рис. 2). Результаты расчёта сведены в табл. 2.

2. Решая схему замещения САЭ, определим: проводимости — = 0,115; ^- = 0,127; — = 0,13 и сопро-

^ /ч- Хч-

тивления сети грез=8,7 Ом; г =7,87 Ом; л: =7,7 Ом.

3. Пользуясь формулами табл. 1, произведём расчёт:

- тока источника питания /сЕ=29,22 А;

- суммарных потерь мощности в сети ДРс2= =0,67 кВт; с

- суммарных потерь электроэнергии за 1 год ДАсЕ=5869 кВт-ч;

- коэффициента полезного действия САЭ п^=0,97.

Выводы

1. Показаны необходимость и специфика предварительного расчёта характеристик, пригодных для экспресс-оценки энергоэффективности (средневзвешенного КПД) систем автономного электроснабжения, необходимой для последующего решения задач определения экономии энергоресурсов от внедрения энергосберегающих технологий в процессе модернизации системы.

Результаты расчёта

Таблица 2

№ п/п Электроприёмники Мощность, кВт Параметры схемы замещения, Ом Проводимость, 1/Ом П отн

Номинальное значение Расчётное значение 2г т

1 Средства освещения - 1,0 244 244 - 244 244 - 1

2 Электродвигатели вентиляторов 0,15 0,15х4=0,6 129 106 73 129 106 0,69

3 Статические преобразователи 1,8 1,8х4=7,2 - - - - -

4 Электродвигатели кондиционеров 1,2 1,2х4=4,8 16,6 14,2 8,6 16,6 14,2 8,6 0,76

5 Электронагреватели 1,0 1,0х6=6,0 23,2 23,2 - 23,2 23,2 - 1

2. Предложен упрощённый метод экспресс-оценки энергоэффективности системы автономного электроснабжения, не требующий составления и решения сложных математических моделей. Этот метод с математической точки зрения обеспечивает при учёте принятых допущений получение результата путём решения алгебраических уравнений с комплексны-

ми переменными для установившегося режима работы САЭ.

3. В качестве основы экспресс-оценки энергоэффективности системы автономного электроснабжения приняты результирующие расчётные параметры построенной для этих целей схемы замещения системы, а параметры режима находятся по известным в электротехнике формулам, приведёнными в статье.

Литература

1. Михайлов В. В., Поляков М. А. Потребление электрической энергии: надёжность и режимы. - М.: Высшая школа, 1989.

2. Об энергосбережении и повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации. Федеральный закон РФ от 23 ноября 2009 г., № 261-ФЗ.

3. Атрощенко В. А., Гречко Э. Н., Кулешов Ю. Е. Системы электроснабжения переменного тока с полупроводниковыми преобразователями. - Краснодар: Флёр-1, 1997.

4. Веретенников Л. П., Потапкин Ф. И., Раимов М. М. Моделирование, вычислительная техника и переходные процессы в судовых электроэнергетических системах. - Л.: Судостроение, 1964.

5. Берг В. Р., Гуров А. А. Интегрированный подход к разработке, модернизации и технологическому развитию производства систем автономного электроснабжения // Электротехника. - 2012. - № 1.

Rapid assessment of energy-efficiency systems of autonomous electric power supply of the object

V. R. Berg,

JSC «GOKB Projector», General director, Ph.D.

A. A. Gurov,

MIEE, Professor of Department of Electric power supply and electrical diagnostics, D.T.S.

The paper describes the problem of technical characteristics determining for a rapid assessment of energy-efficiency in the modernization of autonomous power systems. A simplified method for calculating the efficiency of the system parameters of the equivalent circuit of autonomous power systems, which does not require the complex of mathematical models.

Keywords: system of autonomous electric power supply, loss of power and electricity, energy-efficiency, energy-economy.