MICROGRID BASED ON A GROUP OF AUTONOMOUS OPERATING SYNCHRONOUS GENERATORS

Full Text

Для современного этапа развития электроэнергетики характерным является интенсивный процесс создания и развития микросетей. Этим термином, автором которого считается профессор Роберт Х. Лассетер, принято называть интегрированную энергетическую систему небольшой мощности с распределенными генераторами и потребителями энергии [1]. Такая энергетическая система, как правило, располагается на небольшой площади. В настоящее время около 90 % существующих электрических микросетей занимает площадь до 1 км2, а суммарная мощность генераторов энергии в одной микросети не превышает 1 МВт [2]. Целесообразность использования микросетей определяется тем, что они имеют ряд преимуществ по сравнению с классическими способами генерирования, передачи и распределения энергии. В микросети выработанная энергия в основном используется местными потребителями, что обеспечивает снижение потерь, связанных с передачей и распределением энергии по электрическим сетям. Надежность снабжения электроэнергией в рамках микросети обеспечить существенно легче, чем в крупных энергетических системах. Потребители энергии в микросети могут участвовать в процессе балансирования мощности путем регулирования своих нагрузок, генерируя, накапливая и отдавая электроэнергию в микросеть [3]. Существуют различные варианты микросетей. Они могут работать автономно или быть соединены с Градостроительство и архитектура | 2017 | Т. 7, № 4 128 ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СТАНЦИИ И ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ электросетью энергосистемы. Объединение отдельных локальных сетей в микросеть может осуществляться по шинам как переменного, так и постоянного тока. При этом микросети постоянного напряжения имеют ряд преимуществ [4]. В настоящее время перспективы создания микросетей рассматривают в основном в связи с возможностью интеграции возобновляемых источников энергии, таких как солнечная и ветровая энергия [5]. Однако микросети могут быть построены также на базе широко распространенных источников энергии, таких как дизель-генераторы, газотурбинные генераторы и т.п. В качестве источников энергии наиболее часто применяют синхронные электрической машины (ЭМ), которые работают с фиксированной скоростью вращения вала для обеспечения стабильности частоты выходного напряжения. Однако работа ЭМ в таком режиме не всегда возможна, например, когда источником механической энергии является ветровая турбина. В других случаях стабилизация скорости вращения вала приводного двигателя снижает энергетическую эффективность системы генерации. В частности, при использовании дизеля в качестве первичного двигателя фактический расход топлива при работе такой системы на переменную нагрузку оказывается значительно выше заявленной величины. С развитием силовой электроники появились новые возможности совершенствования систем генерирования электроэнергии. Основным моментом является работа ЭМ с переменной частотой вращения, причем могут быть применены как синхронные, так и асинхронные машины. При этом частота вращения вала ЭМ может устанавливаться принудительно, в соответствии с заданными настройками регулятора подачи топлива в дизель-генераторных установках [6, 7] или определяться внешними условиями работы системы генерирования электроэнергии, например, при регулировании производительности газоперекачивающих агрегатов (ГПА) за счет изменения частоты вращения вала [8]. Функции обеспечения параметров вырабатываемой электроэнергии (действующего значения, частоты и формы кривой генерируемого напряжения) в соответствии с требованиями ГОСТ 32144-2013 «Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения» при переменных, в общем случае, скорости вращения вала ЭМ, а также величине и характере нагрузки переносятся на преобразовательные устройства [9]. На рис. 1 показана схема микросети, которая образована путем объединения по шине постоянного тока N автономно функционирующих модулей. Источником энергии в каждом модуле является синхронный генератор СГ с приводным двигателем ПД. Вал генератора k-го модуля вращается с частотой nk , напряжение и частота имеют значения Uk, fk. С помощью выпрямителя В, регулятора постоянного напряжения РПН и сглаживающего фильтра СФ осуществляется преобразование электрической энергии переменного тока на выходе СГ в электрическую энергию постоянного тока с требуемыми параметрами. В составе модулей имеются электроприемники как постоянного, так и переменного тока промышленной частоты. Последние получают энергию от шины постоянного тока через инвертор И и выходной фильтр ВФ, обеспечивающий заданную форму напряжения. Для анализа установившихся процессов в рассматриваемой микросети может быть использована схема замещения (рис. 2), которая изображена в предположении о бесконечно малом сопротивлении проводников, образующих шину постоянного тока. Источник энергии каждого модуля представлен в виде эквивалентного двухполюсника, имеющего ЭДС Edk и внутреннее сопротивление Rdk. Вентильный элемент Vk отражает однонаправленный характер тока Idk1. Нагрузка модуля по постоянному току представлена эквивалентным сопротивлением RЭk, по которому протекает ток Idk2. На основании приведенной схемы замещения выражение для напряжения на шине постоянного тока может быть записано в следующем виде:

About the authors

Ivan I. ARTYUKHOV

Yuri Gagarin State Technical University of Saratov

Email: vestniksgasu@yandex.ru

Sergey F. STEPANOV

Yuri Gagarin State Technical University of Saratov

Email: vestniksgasu@yandex.ru

Dmitriy A. BOCHKAREV

Yuri Gagarin State Technical University of Saratov

Email: vestniksgasu@yandex.ru

Gulsim N. TULEPOVA

Yuri Gagarin State Technical University of Saratov

Email: vestniksgasu@yandex.ru

Artem I. ZEMTSOV

Samara State Technical University

Email: vestniksgasu@yandex.ru

References

Supplementary files