Рассматривается структура аккумулирующей электронно-емкостной электростанции, в которой накопление электроэнергии осуществляется с помощью конденсаторов сверхвысокой емкости – ионисторов. .

Исследуется работа ключевого инвертора последовательного типа частотой 50 Гц . Делается заключение о необходимости широкого применения электростанций подобного типа.

Ключевые слова. электростанция, накопление энергии, ионистор, инвертор.

Сущность проблемы.

Особенностью работы любой энергетической системы является практически одномоментное производство и потребление электроэнергии и необходимость непрерывного поддержания равенства двух мощностей: генерируемой и потребляемой. Нарушение такого равенства приводит к изменению параметров

сети по напряжению и частоте, а при повышенном отклонении – к потере динамической устойчивости и нарушению нормального функционирования энергосистемы. Поскольку потребление электроэнергии носит хаотический характер, то поддержание указанного баланса осуществляется путем изменения мощности, генерируемой электростанциями, по указанию диспетчера с помощью программного комплекса автоматического регулирования активной и реактивной мощностей потоков электрической энергии, циркулирующих в системе. Изменение мощности электростанции есть по существу изменение мощности входящих в ее состав генераторов путем перехода из одного режима работы в другой. Однако такое частое регулирование мощности генераторов крайне неблагоприятно сказывается на их работе, вплоть до аварий [1].

Более совершенным способом поддержания баланса двух категорий мощностей является включение в энергетическую систему накопителей, аккумулирующих электроэнергию при ее пониженном потреблении и после преобразования питающими электросеть при возрастающем потреблении выше определенного уровня, что может быть выражено с помощью следующего уравнения:

где Pген.m – мощность m-го генератора, M - число таких генераторов , Pпотр.n - мощность, потребляемая n-ой нагрузкой с учетом потерь в сети, N- число таких нагрузок, Pнак.k - мощность k-го накопителя, K- число таких накопителей, сумма генерируемых мощностей постоянна.

В уравнении (1) знак «+» соответствует режиму накопления энергии, знак «-» - режиму отдачи накопленной энергии в сеть.

При данном способе выравнивания потоков генерируемой и потребляемой электрической энергии предполагается стабильная, практически неизменная работа всех генераторов, входящих в систему, что повышает их надежность, долговечность и безопасность. В этом случае мощность в энергетической системе управляется только за счет накопителей электроэнергии, которые работают в одном из трех режимов: накопления электроэнергии, ее хранения и после преобразования передачи в общую электрическую сеть.

Структура электронно-емкостной электростанции.

В такой электростанции накопление электрической энергии предлагается осуществлять с помощью электрохимических конденсаторов сверхвысокой емкости, называемых ионисторами. Последние на основе активированного угля имеют такие параметры: запасаемая энергия – до 50 МДж, напряжение –до 800 В, удельная отдаваемая энергия – до 36 кДж/кг, количество циклов заряд-разряд – более миллиона [2].

Электростанция включает определенное число модулей «накопитель-генератор электроэнергии» мощностью до 10-20 кВт, микропроцессорный блок управления параметрами электростанции в режимах накопления и генерации электрических колебаний частотой 50 Гц и блок трансформаторов,  суммирующих мощности всех модулей (Рисунок 1).

Мощность электростанции может варьироваться в широких пределах в зависимости от числа входящих в нее модулей. При переводе аккумулирующей электростанции в режим генерации и подключении к общей сети частота, фаза и напряжение колебаний должны соответствовать тем же параметрам электроэнергетической системы, в которую станция начинает отдавать мощность. Выполнение этого требования, а также всех других функций по управлению электростанцией, осуществляется с помощью микропроцессорного блока автоматического регулирования.

Управление рассматриваемой электростанцией может быть дистанционное по радиоканалу или волоконно-оптической линии связи, без постоянного присутствия на станции обслуживающего персонала. Электростанция требуемой мощности размещается в специальном ангаре в любом удобном для энергетической системы месте.

Электронно- емкостной накопитель-генератор

Центральным звеном накопительной электростанции является модуль «накопитель-генератор», работающий в двух режимах: накопления энергии величиной WН и генерации переменного тока частотой 50 Гц мощностью РГ .

Модуль включает пять  блоков: выпрямитель  с выходным напряжением U0 для заряда конденсаторов;

блок конденсаторов (ионисторов) - накопителей электроэнергии постоянного тока; транзисторный автогенератор частотой 50 Гц, управляемый по частоте и начальной фазе колебаний; полупроводниковый генератор мощных колебаний (инвертор) и микропроцессорный блок автоматического управления параметрами модуля.

Будем исходить из необходимости работы каждого модуля в режиме генерации колебаний в течение 3-х часов и допустимом разряде ионисторов до напряжения UP = 0,7 U0, где U0 есть напряжение заряда конденсатора. С учетом данных условий основные параметры модуля мощностью 2 и 10 кВт приведены в Табл.2

Таблица 1

 

№/№	Параметр	Величина	Величина
1	Мощность генератора частотой 50 Гц	2кВт	10 кВт
2	Накапливаемая энергия	43МДж	220МДж
3	Емкость супер-конденсаторов	140 ф	1200 ф
4	Напряжение заряда конденсатора	250в	600в
5	КПД генератора	85%	85%
6	Удельная энергоемкость	60 кдж/кг	60 кдж/кг
7	Масса модуля	800кг	4000кг

 

Электрическая схема инверторного генератора, входящего в состав модуля, приведена на Рисунке 2. В качестве ключей в ней используются биполярные транзисторы с изолированным затвором ( Insulated-gate bipolar transistor —IGBT), позволяющие коммутировать токи в сотни ампер. Так, например, транзистор IGBT-1214 допускает коммутацию тока до 300А при напряжении до 1200в [3]. Компьютерная модель приведенной семы инвертора основывается на двух нелинейных дифференциальных уравнениях .

где u - напряжение на конденсаторе, Т=0,02с – период генерируемых колебаний , Q - добротность контура , Ψ(u) –   нелинейная функция , описывающая свойства электронного ключа при его замыкании, Е – напряжение заряда конденсатора С ; ɷр1=2πfр1 , ɷр2=2πfр2 - резонансные частоты контура соответственно в режиме заряда и разряда конденсатора. Обе резонансные частоты fр1 и fр2 близки к 50 Гц.

Совместное решение уравнений (2) и (3) проводится по компьютерной программе с учетом сшивания значения функции и ее производных в момент переключения схемы при t0=0,5T. Пример графиков решения уравнений (3) и (4) для получения переменного напряжения промышленной частоты 50 Гц мощностью 10 кВт при напряжении питания Е=400 В, емкости С=0,005Ф приведены на Рисунке 3, где 1-график напряжения на конденсаторе С, 2 – график тока.

Созданный лабораторный макет инвертора последовательного типа согласно схеме Рисунок 1 подтвердил показатели, полученные при компьютерном моделировании.

Заключение

-   Современная электроэнергетическая система для повышения ее надежности и иных показателей должна включать в свой состав аккумулирующие (накопительные) электростанции.

-      Наиболее целесообразно в качестве последних применять электронно-емкостные, дистанционно управляемые электростанции, используя в качестве накопителей энергии конденсаторы сверхвысокой емкости – ионисторы, а ключевых элементов в инверторах – биполярные транзисторы с изолированным затвором.

-     Проведенные лабораторные исследования и разработанные компьютерные программы позволяют перейти к промышленной разработке подобной электростанции.

 

Список литературы

1.     Акт технического расследования причин аварии на Саяно-Шушенской ГЭС 17 августа 2009 г : Интернет: http://wiksource.org .

2.     Сошиrов А.Г., Угаров Г.Г. Накопители энергии в электроэнергетических системах. - Волгоград: РПК «Политехник», 2007.

3.     Супеконденсаторы. Интернет. www.electrosad.ru.