Система регенерации гибридных химических источников тока

УДК 621.311.6

И. М. Валеев, В. Г. Макаров, А. Д. Зиганшин СИСТЕМА РЕГЕНЕРАЦИИ ГИБРИДНЫХ ХИМИЧЕСКИХ ИСТОЧНИКОВ ТОКА

Ключевые слова: гибридный источник электрической энергии, аккумуляторная батарея, суперконденсатор.

Показана актуальность проблемы создания и исследования гибридных источников электрической энергии. В состав такого источника входят: аккумуляторная батарея, суперконденсаторы и электронный блок управления. Предложен способ заряда аккумуляторных батарей асимметричным током. Приведены результаты исследования процессов разряда и заряда гибридного источника электрической энергии. Разработаны функциональная схема и методика расчета основных параметров суперконденсаторов комбинированного источника. Предложено компоновочное решение гибридного источника.

Key words: hybrid source of electrical energy, accumulator battery, supercondenser.

Is shown relevance of a problem of creation and research of hybrid sources of electrical energy. Are a parts of such source: accumulator battery, supercondensers and electronic block of control. Is offered method of charging of accumulator battery by asymmetrical current. Results of research of processes of discharge and charge of a hybrid source of electrical energy are given. Is developed function chart of the combined source, a method of calculation of key parameters of superkondenser. Is proposed the arrangement solution of a hybrid source.

Введение

В решении основной задачи по обеспечению современного уровня качества энергоснабжения, при всех существующих факторах возмущения, имеет создание гибридных (комбинированных) источников электроэнергии, позволяющих решить ряд электроэнергетических задач [1, 2].

Известно что, современные энергоемкие электрические и электронные системы выдвигают жесткие требования к источникам питания. В частности, электроустановки постоянного тока системы собственных нужд электрических станций и подстанций являются важнейшей составной частью системы обеспечения управляемости и живучести, от которых зависит надежная работа цепей управления, защиты, контроля и регулирования основного оборудования электростанций и подстанций. Причем, эти установки нуждаются в наличии, как аккумулированной энергии, так и в кратковременной (импульсной) подаче необходимой энергии. Актуальность проблемы бесперебойного питания различных потребителей электрической энергии показана в [1 - 6].

Регенерация гибридных источников электрической энергии асимметричным током

В статье предлагается эффективный способ ускорения режима «подзарядки» как щелочных, так и свинцовых аккумуляторных батарей (АБ), являющихся составной частью гибридных источников. Показан вариант создания уникальных комбинированных источников с электронными системами управления в одном корпусе [7].

Для решения этой актуальной задачи современности необходимо, во-первых использовать АКБ, как основной источник питания, причем емкость батареи может быть намного меньше номинальной, и во-вторых, параллельно к ней, присоединить суперконденсатор (СК) расчетной емкости, назначением которого является «страховка» основного источника питания (в данном случае - АБ) на случай падения его напряжения. При падении напряжения

АБ или необходимости подачи большого импульса тока на нагрузку функцию источника питания выполняет СК. Это обусловлено тем, что общий уровень (плотность) энергии АБ высокий, а плотность их мощности мала, тогда как у СК, наоборот, плотность энергии мала, а плотность мощности велика.

На рис. 1 представлены результаты исследования кратковременных воздействий различных нагрузок на свинцово-кислотные АБ системы собственных нужд тепловой электростанции (ТЭС). Начальная стадия продолжительностью от нескольких секунд до 2 мин характеризуется наложением на продолжительный ток значительных кратковременных токов, обусловленных пуском электродвигателей и срабатыванием приводов выключателей. Под действием токов нагрузки происходит разряд АБ, сопровождающийся снижением ее напряжения.

I, А 10

Пар*)   л и ы м ¡ьежни-

1 .11 г

0 1 2 3 4 5

Рис. 1 - График кратковременных воздействий различных нагрузок на АБ тепловой электростанции

Известно, что важнейшей характеристикой АБ является ее напряжение во время разряда. Изменение напряжения в течение первых секунд разряда зависит от тока нагрузки. Чем больше ток, тем меньше время разряда. Из рис. 2 видно, что время разряда СК гр.с намного меньше времени разряда АБ

^р.АБ.

Рис. 2 - Временные диаграммы процессов разряда и заряда гибридного источника

Время полного восстановления в рабочее состояние обоих химических источников будет различаться, что не удовлетворяет потребителей электроэнергии. Как известно, «подзарядка» АБ, проводимая при постоянной силе тока или напряжении не является эффективным для гибридных источников. Проведенные исследования показывают, что совмещение во времени процессов заряда и разряда (их одновременно проведение), с применением определенных форм и режимов асимметричного тока позволяют ускорить готовность к работе гибридных источников.

На рис. 2 представлена динамика разрядных (при токе нагрузки 7 А) и зарядных процессов комбинированного источника в цепи оперативного тока (110 В), при котором оценивалась эффективность по восстановлению в рабочее состояние зарядных устройств в режимах постоянного и асимметричного токов.

Результаты испытаний различных СК, как накопителей электроэнергии, свидетельствуют о наличии разброса следующих параметров: внутреннее сопротивление, емкость, напряжение заряда и ток утечки. Поэтому в качестве эффективного устройства управления указанными параметрами была разработана электронная система на основе полевых транзисторов.

В связи с вышеизложенным актуальной является проблема создания интеллектуальных электроэнергетических систем на базе накопителей электроэнергии. Решение этой проблемы позволит реализовать концепцию решения основной задачи обеспечения современного уровня качества энергоснабжения при всех существующих возмущающих воздействиях, позволит снизить потери энергии и существенно повысить безопасность и устойчивость национальной системы электроснабжения.

На рис. 3 приведена функциональная электрическая схема гибридного источника на 110 В, проектируемого в одном корпусе [8, 9]. На схеме показано, что нагрузкой источника периодического тока является электропривод маслянного выключателя высокого напряжения (110 кВ). Параллельно источнику и нагрузке подключена АБ, а также

электронный блок разделения составляющих ассмметричного тока и управления параметрами разрядного и зарядного токов накопителей электроэнергии - суперконденсаторов С1, С2. Блок управления выполнен на полевых транзисторах УТ1 - УТ4.

Рис. 3 - Функциональная схема комбинированного источника электроэнергии системы собственных нужд ТЭС

В лабораториях кафедры «Электрических станций» Казанского государственного энергетического университета (был разработан и внедрен комплекс комбинированного источника электроэнергии для Казанской ТЭЦ-2, в состав которого входят: свин-цово-кислотные аккумуляторы (на 110 В), суперконденсатор (1101111-14/03), блок управления режимами «заряда» - «разряда» и зарядный источник асимметричного тока.

Методика выбора электрических параметров суперконденсаторов

для параллельной работы с аккумуляторными батареями

Процент энергии, выдаваемой СК за время провала, можно получить из соотношения ,2

Wu

СУ,

W,

отд

2

/С. 2

У2 - У

где Wнак - накопленная энергия, Дж; WоTд -

отдаваемая энергия, Дж; С - электрическая емкость СК, Ф; и2 - конечное напряжение разряда, В; У -номинальное (начальное) напряжение, В.

Например, при падении напряжения

можно получить: WнЯк

У2 = У1 2 2

С • у2 • 8

W,

отд 2 • 3С • У

Коэффициент 12 в (2) указывает на то, что конечное напряжение разряда соответствует 50 % начального напряжения. Данное соотношение является наиболее рациональным.

Таким образом, согласно (3) СК способен отдать около 75 % накопленной энергии при разряде до уровня 50% от начального напряжения.

Требуемая емкость СК для выдачи такого количества накопленной энергии при разряде до 50% начального напряжения определяется из выражения

С = 8 ^отд_

3 У1

Так как СК работает в составе электрической цепи, то необходимо учесть падение напряжения на них в момент потребления энергии:

ЛУ = IR в

I = P/U .

где I - ток в цепи, А; Рвн - внутреннее сопротивление СК, Ом; У - напряжение в цепи, В; Р - мощность, Вт.

Тогда выражение для конечного напряжения можно

записать в виде

U2 =

U1 - ЛУ 2

Компоновочное решение проектируемого комбинированного источника

Предлагаемый вариант конструктивного объединения проектируемого комбинированного источника электрической энергии показан на рис. 4.

Рис. 4 - Внешний вид проектируемого комбинированного источника

В соответствии с рис. 4 компоновочное решение комбинированного источника представляет собой объединение в одном корпусе следующих устройств: АБ, устройства управления и СК.

А. Ф. Герасимов, С. П. Сергиенков, С. Н. Барзуков, Д. А. Шиганов, И. Г. Полников, Научно-техническая и проектная документация по теме «Разработка гибридного накопителя электроэнергии для ЕНЭС на базе аккумуляторов и суперконденсаторов».

2. И. М. Валеев, И. П. Константинов, Возможность создания ёмкостно-аккумулирующей электростанции на базе суперконденсаторов повышенной энергоемкости, Ресурсоэффективность в Республике Татарстан. 4, (2005).

3. Е. В. Стрижакова, Н. И. Горбачевский, Математические модели стартерного и генераторного режимов работы асинхронной машины комбинированной электроустановки гибридного автомобиля, Вестник Казанского технологического университета. 17. 7, 97 - 100 (2014).

4. Е. В. Стрижакова, А. Г. Сорокин, Математические модели механической части комбинированной электроустановки гибридного автомобиля, Вестник Казанского технологического университета. 17. 7, 117 - 120 (2014).

5. В. И. Строганов, В. Н. Козловский, А. Г. Сорокин, Л. Н. Мифтахова, Математическое моделирование основных процессов электромобилей и автомобилей с комбинированной силовой установкой, Вестник Казанского технологического университета. 17. 7, 129 - 133 (2014).

6. В. Г. Макаров, Анализ современного состояния теории и практики асинхронного электропривода, Вестник Казанского технологического университета. 14. 6, 109 -120 (2011).

7. И. М. Валеев, Разработка источника периодического тока для нестационарного электролиза, Информационные технологии в электротехнике и электронике. III Всерос. науч.-техн. конференция. Чебоксары, 2000. С. 69 - 71.

8. Авт. свид. СССР 1.831.759 (1990).

9. Пат. РФ 110562 (2011).

Литература

1. В. Е. Фортов, Э. Е. Сон, А. З. Жук, К. К. Деньщиков, Ю. Г. Шакарян, Н. Л. Новиков, В. А. Колесников, А. Н. Ворошилов, Т. Ю. Жораев, М. В. Голиков,

© И. М. Валеев - д-р техн. наук, проф. кафедры электрические станции КГЭУ, ilgizvaleev@yandex.ru; В. Г. Макаров - д-р техн. наук, доц., зав. кафедрой электропривода и электротехники КНИТУ, electroprivod@list.ru; А. Д. Зиганшин - проректор КГЭУ по АХР.

© I. M. Valeev - Doctor of Technical Sciences, Proffessor , Kazan state energetic university, Electric plants Department; V. G. Makarov - Doctor of Technical Sciences, Assistant Proffessor, Kazan National Researh Technological University, Electric Drive and Electrotechnics Department, The Head of the Department, electroprivod@list.ru; A. D. Ziganshin - Kazan state energetic university, Vice rector for administrative-economic work.