23 апреля 2016г.
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.
