Рациональные режимы работы электрооборудования микро гидроэлектростанций на шлюзах мелиоративных систем
На правах рукописи
ПОТЕШИН Михаил Игоревич
РАЦИОНАЛЬНЫЕ РЕЖИМЫ РАБОТЫ ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ
МИКРО ГИДРОЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ НА ШЛЮЗАХ
МЕЛИОРАТИВНЫХ СИСТЕМ
Специальность: 05.20.02 – «Электротехнологии и электрооборудование
в сельском хозяйстве»
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Краснодар - 2013 2
Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Кубанский государственный аграрный университет»
(ФГБОУ ВПО Кубанский ГАУ)
Научный руководитель: Богатырев Николай Иванович кандидат технических наук, доцент
Официальные оппоненты: Амерханов Роберт Александрович доктор технических наук, профессор ФГБОУ ВПО «Кубанский государственный аграрный университет»
профессор кафедры «Электротехники, теплотехники и возобновляемых источников энергии»
Юндин Михаил Анатольевич кандидат технических наук, профессор ФГБОУ ВПО «Азово-Черноморская государствен ная агроинженерная академия»
профессор кафедры «Теоретические основы электротехники и электроснабжение сельского хозяйства»
Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное учрежде ние «Управление «Кубаньмелиоводхоз»
(г. Краснодар)
Защита состоится «25» декабря 2013 г. в 1000 часов на заседании диссерта ционного совета Д 220.038.08 при ФГБОУ ВПО «Кубанский государственный аграрный университет» по адресу: 350044, г. Краснодар, ул. Калинина 13, КубГАУ, ауд. 4 учебного корпуса факультета энергетики и электрификации.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Кубан ский государственный аграрный университет».
Автореферат разослан «23» ноября 2013 г. и размещен на официальном сайте ВАК при Министерстве образования и науки России http://vak2.ed.gov.ru/ и на сайте Кубанского ГАУ http://kubsau.ru/
Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук В. С. Курасов
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы исследований. В соответствии с концепцией соци ально-экономического развития Российской Федерации на период до 2020 года, в области энергетики стоит задача преодоления энергетических барьеров роста, в том числе за счет повышения энергоэффективности и расширения использо вания альтернативных видов энергии.
Для повышения конкурентоспособности российской сельскохозяйственной продукции на внутреннем и внешнем рынках, необходимо внедрять, в том числе энергосберегающие технологии и возобновляемые источники энергии. Наряду с этим существует необходимость поиска и оценки объемов энергетического по тенциала и возможность применения таких источников энергии.
С другой стороны, существуют способы воспроизводства и повышения эффективности использования в сельском хозяйстве земельных ресурсов, один из них – мелиорация земель, осуществляющаяся посредством рационализации водопользования мелиоративной системой.
Мелиоративная система представляет собой комплекс взаимосвязанных гидротехнических и других сооружений и устройств (каналы, коллекторы, тру бопроводы, водохранилища, плотины, дамбы, насосные станции, водозаборы и др.), обеспечивающий создание оптимальных водного, воздушного, теплового и питательного режимов почв на мелиорируемых землях. Движение воды в кана лах в течение года имеет неравномерный характер, связанный с сезонной нерав номерностью стока малых рек, а также с сезонностью работы предприятий АПК, связанных с производством риса.
Также существует определенная специфика сельскохозяйственного произ водства, связанная с территориальной распределенностью производственных цехов предприятий. Как следствие – удаленность таких цехов от центров пита ния централизованной системы электроснабжения.
Работа мелиоративной системы связана с перемещениями большой массы воды. С учетом расположения предприятий АПК вблизи гидротехнических со оружений мелиоративной системы, нехваткой мощности в периоды пиковых нагрузок, можно предположить, что экономически целесообразно использова ние гидросистемы как ресурса возобновляемой энергии, т. е. рассмотреть воз можности установки микро ГЭС на объектах мелиоративной системы.
Однако сезонная неравномерность работы мелиоративной системы, а также неравномерность нагрузки и потребления электроэнергии требуют научного анализа при оценке энергетического потенциала и согласования режимов выра ботки и потребления электроэнергии.
Работа выполнена в рамках плана НИР Кубанского ГАУ по госбюджетной тематике 2006 – 2010 гг. (ГР 01.2006.06851), 2011 – 2015 гг. (ГР 01.2011.53641).
Научная гипотеза – произвести оценку количества электроэнергии, полу чаемой от шлюза мелиоративной системы для электроснабжения сельскохозяй ственного потребителя, можно, если теоретически обосновать рациональные режимы работы электрооборудования микро гидроэлектростанции.
Цель работы – снижение энергопотребления от централизованных систем энергоснабжения сельскохозяйственными потребителями путем рационального использования энергии водных потоков в шлюзах мелиоративных систем и обоснование рациональных режимов работы электрооборудования микро гид роэлектростанции.
Задачи исследования:
1. На основе статистических данных об уровнях воды в точках учета уров ней мелиоративной системы установить критерии для выбора объекта, подхо дящего для внедрения средств малой гидроэнергетики и определить возможный энергетический потенциал.
2. Определить объем и период потребности в дополнительной электриче ской энергии, полученной на основе данных годовых графиков нагрузки под ключаемых потребителей.
3. На основе корреляционного анализа обосновать периоды подключения потребителей электроэнергии к микро ГЭС.
4. Разработать методику обоснования применения средств малой гидро энергетики в условиях мелиоративной системы Краснодарского края.
5. Провести на основе пакета MATLAB имитационное моделирование ре жимов работы системы, составной частью которой является микро ГЭС.
6. Разработать схему и изготовить экспериментальный образец стабилиза тора напряжения асинхронного генератора. Провести экспериментальные исследо вания опытного образца.
7. Рассчитать экономическую эффективность внедрения микро ГЭС на сбросном гидротехническом сооружении для электроснабжения сельскохозяй ственного предприятия.
Объект исследования – графики потока воды в шлюзах мелиоративной системы, графики нагрузки потребителей, электрооборудование микро ГЭС, стабилизатор выходного напряжения асинхронного генератора.
Предмет исследования – показатели графиков нагрузки, показатели каче ства электроэнергии, характеристики гидротехнических сооружений, компью терные модели микро ГЭС, режимы работы электрооборудования.
Методики исследования – теория движения воды в каналах и естествен ных руслах, статистические методы оценки данных, компьютерное моделирова ние в программных комплексах MathCAD, MATLAB. Экспериментальная часть выполнена на кафедре электрических машин и электропривода Кубанского ГАУ.
Научная новизна работы:
– обоснованы объемы выработки электроэнергии и периоды подключения потребителей электроэнергии к микро ГЭС, установленной на шлюзе мелиора тивной системы, с использованием метода корреляционного анализа на основе статистических данных о режимах работы объекта мелиоративной системы и потребителя электроэнергии;
– обоснованы критерии выбора потребителя, подключаемого к микро ГЭС мелиоративной системы, что позволяет сократить объем выборки потенциаль ных потребителей для дальнейшего анализа;
– разработана методика оценки энергетического потенциала объектов ма лой энергетики, позволяющая экономически и технически обосновать установку микро ГЭС и ее рациональных режимов работы для электроснабжения конкрет ного потребителя.
Практическая ценность результатов исследований:
– принципиальные схемы бесконтактных стабилизаторов напряжения (па тент РФ № 2373630), которые позволят повысить надежность работы асинхрон ного генератора и качество напряжения в реальных условиях эксплуатации;
– на основе полученной методики оценки энергетического потенциала шлюзов установлены периоды подключения и объемы электроэнергии, выраба тываемой на мелиоративной системе Краснодарского края, что позволит произ водить планирование режима работы микро ГЭС и режима потребления элек троэнергии предприятий АПК;
– изготовлен опытный образец блока управления стабилизатора выходного напряжения асинхронного генератора, прошедший испытания и показавший высокую надежность работы;
– разработана компьютерная модель системы «Микро ГЭС – Потребитель», которая дает наглядное представление о работе системы и возможность изуче ния ее работы в динамике.
На защиту выносятся следующие положения:
– оценка энергетического потенциала гидротехнического сооружения;
– рациональные режимы работы электрооборудования микро ГЭС, уста новленной на шлюзе мелиоративной системы;
– методика оценки энергетического потенциала объектов малой гидроэнер гетики и обоснования установки микро ГЭС для электроснабжения конкретного потребителя;
– компьютерная модель системы «микро ГЭС – потребитель», созданная в среде MATLAB, и позволяющая исследовать работу системы в динамике при изменении параметров турбины, генератора и нагрузки;
– схема стабилизации напряжения асинхронного генератора микро ГЭС;
– результаты испытания схемы стабилизации напряжения асинхронного генератора.
Реализация и внедрение результатов исследований. Разработанная ме тодика оценки эффективности использования возобновляемых источников энергии на мелиоративной системе Краснодарского края выполнена в соответ ствии с техническим заданием к государственному контракту № 31-2012 по те ме «Разработка научно обоснованных методов и программного комплекса оп тимизации режима работы электроустановок на сельскохозяйственных пред приятиях Краснодарского края». Результаты компьютерного моделирования ис пользуются в учебном процессе Кубанского ГАУ.
Апробация работы. Основные результаты исследований докладывались и обсуждались на научно-практических конференциях молодых ученых «Научное обеспечение агропромышленного комплекса» (Краснодар, 2009–2010 гг.), Меж дународном агропромышленном конгрессе (Санкт-Петербург, 2009 г.), 5-й международной научно-практической конференции «Технические и технологи ческие системы» (Краснодар, 2013 г.).
Публикации результатов работы. Основные результаты работы опубли кованы в 9 печатных работах, в том числе получены 3 патента РФ на изобрете ния, 1 работа опубликована в издании, рекомендованном ВАК. Общий объем опубликованных работ составляет 10,25 п. л. из них на долю автора приходится 3,43 п. л.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех разделов, общих выводов, списка использованных источников, включающего 130 наименований, в том числе 15 – на иностранном языке, и приложения. Дис сертация изложена на 160 страницах машинописного текста, включая 28 стра ниц приложения, содержит 54 рисунка, 21 таблицу.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность исследований, сформулированы цель работы, научная новизна, практическая значимость и основные положения, выносимые на защиту.
В первой главе рассмотрены необходимость и перспективы применения возобновляемых источников энергии для электроснабжения предприятий АПК Краснодарского края, существующие конструкции турбин и оборудования мик ро гидроэлектростанций, современные разработки систем стабилизации напря жения асинхронных генераторов.
По данным некоммерческого партнерства «Совет рынка», суммарный объ ем выработки электроэнергии генерирующими компаниями, представленными на рынке Краснодарского края, в 2011 г. составил 6512,5 тыс. МВтч (меньше, чем в предыдущем году, на 1,2 %), а объем потребленной энергии по региону составил 21960,9 тыс. МВтч (больше, чем в предыдущем году, на 6,2 %). Около 66 % электроэнергии поступает из соседних регионов – энергосистема Красно дарского края является одной их самых дефицитных по электрической энергии среди энергосистем Южного федерального округа Российской Федерации.
В условиях дефицита электрической мощности в Краснодарском крае име ет смысл обратиться к вопросу использования нетрадиционной энергетики и за ее счет «разгрузить» существующую энергосистему. Для повышения конкурен тоспособности российской сельскохозяйственной продукции одной из приори тетных задач отрасли должен быть анализ возможностей использования альтер нативных источников энергии.
В качестве источника возобновляемой энергии может выступать, в том числе, мелиоративная система Краснодарского края, включающая в себя более 14 тыс. гидросооружений. Одним из самых крупных гидросооружений является шлюз № 8 – концевое сооружение магистрального сброса.
На примере данного шлюза был рассмотрен вариант преобразования энер гии транзитного потока воды (метод транзитного потока) при поддержании в водохранилище нормального подпорного уровня. С помощью данного метода оценки был получен годовой объем энергии, который потенциально можно по лучить на данном объекте. Эта величина составила примерно 204 тыс. кВтч. На практике же невозможно использовать всю энергию. Для оценки эффективности производства энергии на водостоке, применяют коэффициент использования мощности, учитывающий КПД турбины и механической передачи, КПД элек трических преобразователей и генератора, расход на собственные нужды стан ции, а также полезную мощность потока воды. Кроме того, имеют место допол нительные расходы воды на нерегулируемые протечки через шлюз, в этом слу чае теряется около 20% энергии. Для ГЭС показатель, характеризующий техни чески возможный потенциал получения энергии, находится в пределах 0,2–0,45.
Таким образом, технически максимально возможный годовой объем энер гии, получаемый на шлюзе, составит около 75 тыс. кВтч.
Современный рынок предлагает большое количество гидроагрегатов, но параметры асинхронного генератора, использующегося в качестве силового аг регата, должны отвечать требованиям конкретного потребителя, и его работа должна быть согласована с сетью. Помимо этого, генерируемая электроэнергия должна отвечать требованиям ГОСТ Р 54149-2010, а наряду с очевидными пре имуществами (малая стоимость, простота конструкции, надежность и т. д.) асинхронные генераторы (АГ) имеют существенный недостаток, заключающий ся в том, что без дополнительных устройств, стабилизирующих напряжение, АГ имеют крутопадающую внешнюю характеристику. Поэтому для регулирования и стабилизации напряжения АГ необходимы дополнительные устройства.
Проблемы внедрения и использования возобновляемой энергетики в своих трудах рассматривали такие ученые, как О. В. Григораш, Н. И. Богатырев, С. Е.
Щеклеин, В. В. Елистратов, Е. А. Зайцев, Н. Д. Торопцев и др.
Наибольшее распространение получили системы стабилизации напряжения асинхронного генератора на основе балластного регулятора нагрузки, выпуска емые промышленностью. Принцип автоматического регулирования балластной нагрузки заключается в следующем: параллельно нагрузке потребителя станции через элемент регулирования подключается такая же по величине дополнитель ная (балластная) нагрузка. При изменении величины нагрузки потребителя ве личина балластной нагрузки изменяется при помощи элемента регулирования таким образом, чтобы суммарная нагрузка генератора микро ГЭС оставалась неизменной. В качестве балластной нагрузки обычно используют нагреватель ные элементы.
Недостатком данного способа является то, что до 80% электрической энер гии автономный потребитель тратит на получение тепла, выделяемое на бал ластных сопротивлениях. Не всегда существует возможность полезно использо вать отводимое от нагревательных элементов тепло.
Таким образом, для внедрения микро ГЭС на шлюзе мелиоративной систе мы необходимо разработать устройство по стабилизации напряжения асинхрон ного генератора.
В первой главе сформулирована цель работы и задачи исследований.
Во второй главе представлены графики изменения отбираемой мощности на шлюзе, полученные на основе анализа статистических данных (рисунок 1).
100, Мощность, кВт 90, 80, 70, 60, 50, 40, 30, 20, 10, 0, 1 51 101 151 201 251 301 Количество дней Рисунок 1 – График изменения отбираемой мощности на шлюзе Из анализа графиков изменения отбираемой мощности следует, что наибо лее интенсивное движение воды происходит в период с мая по август, т. е.
именно в этот период процесс генерации электроэнергии с помощью малой ГЭС будет стабильным.
Основываясь на данных графиков нагрузки отдельных участков электриче ской сети, можно определить параметры генерирующих электроустановок. При проектировании таких установок, работающих на ВИЭ, одной из главных задач является обоснование и выбор режима работы установки и определение ее но минальной мощности. Нагрузка различных категорий потребителей имеет сложный статистический характер в виду специфики производственных процес сов, поэтому рациональный путь – это классификация потребителей по функци ональному признаку и построение типовых графиков нагрузки для них.
На основе данных о режимных днях (суточные графики летнего и зимнего максимумов нагрузки) объектов электроснабжения были получены годовые графики нагрузки потребителя «по продолжительности». Такими графиками пользуются при проектировании систем электроснабжения. На основе графиков «по продолжительности» можно определить: расчетную нагрузку, число часов использования максимальной нагрузки (ЧЧИМ);
на основе ЧЧИМ и расчетной нагрузки можно также рассчитать количество электроэнергии, потребляемое объектом за год. Все эти параметры также необходимы для технико экономических расчетов.
На основе статистических данных построены графики режимного дня ООО «Хлебозавод» Приморско-Ахтарского участка районных электрических сетей (рисунок 2).
120 Нагрузка, кВт Нагрузка, кВт 20 0 4 8 10 15 18 20 22 4 8 10 15 18 20 Время, ч Время, ч а) б) а) – зимний максимум 2010 г.;
б) – летний максимум 2010 г.
Рисунок 2 – Графики нагрузки режимного дня ООО «Хлебозавод»
Ниже приведены сравнительные графики нагрузки ООО «Хлебозавод» и мощности, получаемой на шлюзе № 8 «по продолжительности» (рисунок 3).
Очевидно, что как расчетная нагрузка потребителя, так и годовая потребля емая мощность значительно превышает возможности шлюза. Тем не менее, на этих примерах можно показать, что на питание от микро ГЭС можно переклю чить часть электрооборудования предприятий.
Нагрузка, кВт Потребитель Шлюз 165 1485 2970 3960 4960 6360 Время, ч Рисунок 3 – График мощности «по продолжительности», 2010 г.
(ООО «Хлебозавод»;
гидротехническое сооружение шлюз № 8) Анализ данных графиков также не дает полной информации для обоснова ния использования микро ГЭС, установленной на данном шлюзе, так как речь идет о сезонном изменении расхода воды и реальном изменении графика нагрузки потребителя в течение года.
Для сравнения и сопоставления графиков нагрузок – годового потребления по приморско-ахтарскому участку и годового потребления ООО «Хлебозавод»
относительно потенциального источника мощности в виде малой ГЭС – был применен метод гармонического анализа – разложение в ряд Фурье.
В результате гармонического анализа графика нагрузки ООО «Хлебоза вод» было получено следующее выражение:
FХЗ x 210,4 109,6 sin t 92,9 25,1sin 2t 101, 36,9 sin 3t 234,1 8,1sin 4t 22,9 6,6 sin 5t 195, (1) 7,5 sin 6t 156,9 7,0 sin 7t 165,9 6,5 sin 8t 147, 2,0 sin 9t 164,5 6,1sin 10t 132,1 5,2 sin 11t 112, График функции, соответствующий разложению в ряд Фурье, приведен на рисунке 4 а. Построена амплитудно-частотная характеристика гармонической функции (рисунок 4 б).
350 300 Амплитуда, кВт Нагрузка, кВт 50 0 1 3 5 7 9 11 1 3 5 7 9 Время, месяц Гармоникафаза, рад/с а) б) а) кривая, характеризующая нагрузку (усредненное за три года 2008–2010 гг.) ООО «Хлебозавод»;
б) амплитудно-частотная характеристика гармонической функции потребления мощности ООО «Хлебозавод»
Рисунок 4 – Графики функций нагрузки потребителя На основании аналогичного анализа построены графики функции для вы рабатываемой мощности шлюза № 8 (рисунок 5).
60 Амплитуда, кВт Мощность, кВт 1 3 5 7 9 11 1 3 5 7 9 - Гармоникафаза, рад/с Время, месяц б) а) а) кривая, характеризующая потенциально вырабатываемую потоком воды мощность;
б) амплитудно-частотная характеристика гармонической функции, характеризующей потенциально вырабатываемую на шлюзе мощность Рисунок 5 – Графики функций вырабатываемой мощности на шлюзе № Для определения возможности дублирования (резервирования) системы энергоснабжения на приморско-ахтарском участке проведен корреляционный анализ полученных графиков потребителя – ООО «Хлебозавод» и источника – шлюза № 8.
Была получена взаимная корреляционная функция для конечного количе ства гармоник полученных графиков потребителя и источника:
U mх cos(1t1 1 ) R1 (t1 ;
t2 ) M X (t1 )Y (t2 ) M (3) U my cos(1t2 2 ) хy U mххU myi k cos( 2i 1i ) cos(t2 t1 ) Rхy (t1;
t2 ) (4) i где М – математическое ожидание двух случайных функций Х(t1) и Y(t2);
X(t1), Y(t2) – случайные функции;
t1, t2 – аргументы случайных функций X, Y соответственно;
Umx, Umy – амплитуда случайных функций X, Y соответственно;
– начальная фаза случайных функций;
– круговая частота.
Корреляционная функция для графика потребления мощности ООО «Хлебзавод» и графика потенциально вырабатываемой мощности на шлюзе принимает следующий вид:
( ) ( ) [ ( )] ( ) [ ( )] [ ( )] ( ) ( ) [ ( )] [ ( )] ( ) (5) [ ( )] [ ( )] ( ) ( ) ( ) [ ( )] [ ( )] ( ) ( ) [ ( )] ( ) [ ( )] В соответствии с уравнением (5) построена корреляционная функция для оценки возможности дублирования системы энергоснабжения приморско ахтарского участка с помощью АГ, установленного на шлюзе (рисунок 6).
Из анализа графика рисунка 6 следует, что корреляция приходится на пе риод с середины апреля до конца сентября, поэтому в этот период альтернатив ный источник энергии может скомпенсировать пиковые нагрузки, появляющие ся в графике нагрузок приморско-ахтарского участка. В указанный период, с учетом КПД микро ГЭС, можно получить энергию в количестве 62 тыс. кВтч.
Мощность, кВт 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 - - - Время, месяц Шлюз ООО "Хлебозавод" Корр. функция Рисунок 6 – Корреляционная функция для графиков мощности ООО «Хлебозавод» и шлюза № Разработана и запатентована (патент РФ № 2373630) бесконтактная схема устройства для регулирования и стабилизации напряжения автономного асин хронного генератора (рисунок 7).
Достоинство устройства заключается в следующем:
1. Батареи коммутируемых конденсаторов подключаются при переходе коммутирующего напряжения через ноль, поэтому отсутствуют гармонические составляющие тока и напряжения, а также коммутационные перенапряжения и помехи.
2. Диапазон (глубина) регулирования и стабилизации напряжения зависят от количества коммутируемых конденсаторов. Чем больше блоков конденсато ров, тем выше стабильность напряжения.
AG – асинхронный генератор на базе асинхронного двигателя АИР100L2, С1 – С3 – конденсаторы возбуждения генератора;
С4 – С12 – коммутируемые конденсаторы;
1 – 3 – твердотельные реле переменного тока с контролем фазы коммутируемого напряжения через «ноль» типа HT 2544ZD3;
БУ – блок управления.
Рисунок 7 – Блок-схема устройства стабилизации напряжения Третья глава посвящена компьютерному моделированию режима работы системы «Микро ГЭС – Потребитель» в динамике с учетом подключения нагрузки. Для создания системы использовалось приложение Simulink пакета MATLAB R2006a. В модель (рисунок 8) входят стандартные блоки, предлагае мые встроенной библиотекой MATLAB.
В основе предложенной системы лежит модель асинхронного генератора с короткозамкнутым ротором С. Г. Германа-Галкина. Модель состоит из следую щих частей: гидравлическая турбина, блоки, имитирующие возбуждение гене ратора, нагрузка, асинхронный генератор.
Рисунок 8 – Модель системы «Микро ГЭС – Потребитель»
В результате моделирования получены осциллограммы напряжения и тока асинхронного генератора (рисунок 9).
а) б) Рисунок 9 – Напряжение на нагрузке (а), ток нагрузки (б) Как следует из анализа осциллограммы, напряжение на зажимах генератора при изменении величины нагрузки изменяется в допустимом диапазоне. Пред ставленная модель позволяет отследить изменение параметров работы генера тора в динамическом режиме при ступенчатом изменении нагрузки.
Рисунок 10 – Испытательный стенд для определения внешних характеристик асинхронного генератора Были проведены испытания асинхронного генератора в различных режи мах работы. Стенд для испытания асинхронного генератора (рис. 10) включает в себя: приводной двигатель постоянного тока независимого возбуждения типа 2ПН132МУХЛ4, батареи конденсаторов Сvar с возможностью дискретного из менения емкости, комплект приборов типа К506, частотомер.
Цель испытаний асинхронного генератора в лабораторных условиях:
1. Получить внешние характеристики генератора при различной нагрузке;
2. Испытать предложенную схему стабилизатора напряжения.
Были получены внешние характеристики асинхронного генератора при различной величине емкости конденсаторов возбуждения. На рисунке 11 пред ставлено семейство нагрузочных характеристик генератора.
Результаты экспериментальных исследований показали, что для работы асинхронного генератора, с учетом изменения нагрузки в течение суток, необ ходимо использование системы стабилизации.
Была испытана предложенная система стабилизации напряжения асин хронного генератора. Результаты эксперимента приведены на рисунке 12.
U, В С 26 мкФ С 30 мкФ С 34 мкФ 220 С 38 мкФ 200 С 42 мкФ 180 С 46 мкФ 140 I, А 0 2 4 6 8 Рисунок 11 – Семейство нагрузочных характеристик генератора при различной величине емкости Напряжение, В С 26 мкФ С 30 мкФ С 34 мкФ С 38 мкФ 180 С 42 мкФ С 46 мкФ 0 2 4 6 8 Ток, А Рисунок 12 – График изменения напряжения на зажимах генератора с применением системы стабилизации напряжения Данные эксперимента показывают, что стабилизация напряжения осу ществляется в заданном режиме с отклонением значений в пределах ± 10 %.
В четвертой главе определены показатели экономической эффективно сти от внедрения микро ГЭС на шлюзе № 8 мелиоративной системы. Расчет экономической эффективности производился исходя из экономии электроэнер гии получаемой из сети за счет энергии шлюза. ЧДД составил 156 тыс. руб. при сроке окупаемости 7 лет.
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ 1. Определены закономерности движения воды в рисовой оросительной си стеме на основе регистрации уровней в канале Кирпильского лимана. По ре зультатам обработки статистических данных получены графики уровней воды и статического напора со среднесуточными значениями за 3 года, что привело к расчету графиков потенциально возможной отбираемой мощности. Установле но, что наиболее интенсивное движение воды происходит в период с мая по ав густ, т. е. именно в этот период процесс генерации электроэнергии с помощью микро ГЭС будет стабильным.
2. Исследованы данные по суточным нагрузкам летнего и зимнего макси мумов ряда потребителей в девятнадцати районах Краснодарского края. Данные были сгруппированы по шести категориям, и анализ графиков нагрузок показал:
– «водоснабжение» - равномерная нагрузка по времени суток, постоянная загруженность сети и не существенное отличие между летним и зимним перио дами;
– «тепловые сети» - самый низкий коэффициент формы, загрузка сети в летний период меньше, чем в зимний и существенное отличие между зимним и летним периодами;
– «переработка и хранение» - время максимальной загрузки генерирующих устройств составляет 70 %, равномерность нагрузки по времени суток;
– «транспорт» - время максимальной загрузки генерирующих устройств в летний период гораздо выше, чем в зимний;
– «коммунально-бытовые» - время максимальной загрузки генерирующих устройств составляет 70 %;
– «ИП и малые предприятия» – коэффициенты максимальной нагрузки, за полнения и формы в летний и зимний период близки друг к другу.
3. Получен годовой график потребления электрической энергии на примор ско-ахтарском участке за три года и установлено следующее: коэффициент формы графика примерно равен единице, что характеризует график как равно мерный, однако визуально можно определить, что на период с декабря по фев раль приходятся наибольшие значения потребленной электроэнергии. Еще один пик нагрузки приходится на летний период – июль – август.
4. С использованием метода корреляционного анализа на основе статисти ческих данных о режимах работы объекта мелиоративной системы и характере графика нагрузки потребителя электроэнергии обоснованы объемы ее выработ ки и периоды подключения потребителей к микро ГЭС. Для конкретного потре бителя – ООО «Хлебозавод», а также для концевого сооружения магистрально го сброса – шлюза № 8 на основании графика корреляционной функции сделано следующее заключение: положительная корреляция наблюдается в период с ап реля по октябрь – т. е. именно в этот период подключение потребителя к источ нику энергии, установленному на шлюзе, наиболее эффективно, что позволит сократить пиковую нагрузку на энергосистеме приморско-ахтарского участка в период летнего максимума. Коэффициент корреляции графиков генерации шлюза и потребления мощности ООО «Хлебозавод» составляет 0,95.
5. Разработана методика обоснования установки микро ГЭС на малых во дотоках с переменным водопоступлением, позволяющая оценить возможность подключения потребителей с различными параметрами и характером графика нагрузки, сократить объем выборки потенциальных потребителей для дальней шего анализа и рекомендовать периоды подключения в зависимости от катего рийности потребителя.
6. В среде Simulink пакета MATLAB R2006a разработана компьютерная модель системы «Микро ГЭС – Потребитель», позволяющая изучать работу си стемы при различных режимах: запуск турбины, подключение нагрузки, изме нение нагрузки в соответствии с графиком для конкретного потребителя.
7. Установлено, что при изменении нагрузки асинхронного генератора от холостого хода до двукратной перегрузки, выходное напряжение изменяется от 270 В до 140 В, что значительно превышает допустимые уровни, оговоренные в стандарте на качество электроэнергии. Изготовлен и испытан эксперименталь ный образец стабилизатора напряжения асинхронного генератора. В результате экспериментов получено следующее: при изменении нагрузки от холостого хо да до двукратных значений напряжение на выходе генератора изменялось в диапазоне 225 В – 216 В (при автоматическом переключение конденсаторов в три ступени), что соответствует требованиям к качеству напряжения.
8. Разработана схема устройства стабилизации выходного напряжения асинхронного генератора (патент РФ № 2373630), которая имеет следующие особенности: силовые элементы подключаются при переходе коммутирующего напряжения через ноль, поэтому отсутствуют гармонические составляющие то ка и напряжения;
диапазон (глубина) регулирования и стабилизации напряже ния зависит от количества коммутируемых конденсаторов.
9. Капитальные затраты на реализацию проекта по внедрению микро ГЭС на гидротехническом сооружении – шлюз № 8 – составили 2,15 млн руб. ЧДД составил 156453,18 руб. при сроке окупаемости 7 лет.
Основные положения диссертации опубликованы:
– в изданиях, рекомендованных ВАК:
1. Потешин М. И. Обоснование графиков нагрузки отдельных потребите лей в районах Краснодарского края / М.И. Потешин // Научный журнал КубГАУ [Электронный ресурс]. – Краснодар: КубГАУ, 2011. – № 05 (069).
С. 279–291. – Режим доступа: http://ej.kubagro.ru/2011/05/pdf/26.pdf.
- в прочих изданиях:
2. Богатырв Н. И. Новые схемы генераторов для ветро- и гидроэлектро станций малой мощности / Н.И. Богатырв, Н.С. Баракин, М.И. Потешин и др.:
Материалы Междунар. агропромышл. конгресса (21.08.2009 – 30.08.2009). – СПб.: Ленэкспо, 2009. – С. 78–79.
3. Потешин М. И. Микро ГЭС с асинхронным генератором для удаленных изолированных потребителей электроэнергии / М. И. Потешин // Научное обес печение агропромышленного комплекса: Материалы II-й Всеросс. науч.-практ.
конф. молодых ученых – Краснодар: КубГАУ, 2010. – С. 341–342.
4. Потешин М. И. Перспективы использования гидроэнергетических ресур сов в овцеводстве Северного Кавказа / М. И. Потешин // «Университет: наука, идеи и решения». – 2010. – № 2. – С. 165–166.
5. Потешин М. И. Обоснование генератора для системы автономного элек троснабжения [Текст] / Н.И. Богатырв, Н.С. Баракин, М.И. Потешин // Техни ческие и технологические системы: Материалы V Междунар. науч.- практ.
конф. (10 – 11 октября 2013 г.). – Краснодар: КубГАУ, 2013. – С. 21–25.
- патенты на изобретения и свидетельства:
6. Патент РФ 2316879, МПК H 02 K 17/14, H 02 K 3/28. Статорная обмотка асинхронного генератора / Богатырв Н. И., Ванурин В. Н., Потешин М. И. и др. (РФ) заявитель и патентообладатель КубГАУ. – № 2006113471/09 (014637);
заявл. 20.04.06;
опубл. 10.02.08;
бюл. № 4. – 5 c.
7. Патент РФ 2366073, МПК Н 02 P 9/46. Стабилизатор напряжения асин хронных генераторов для автономных источников, ветроэнергетических уста новок, малых гидростанций / Богатырв Н. И., Екименко П. П., Потешин М. И.
и др.;
заявитель и патентообладатель КубГАУ. – № 2007140615/09;
заявл.
01.11.07;
опубл. 27.08.09;
бюл. № 24. – 5 c.
8. Патент РФ 2373630, МПК Н 02 P 9/46, H 02 J 3/18. Устройство для регу лирования и стабилизации напряжения автономного асинхронного генератора / Богатырв Н. И., Баракин Н. С., Потешин М. И. и др. заявитель и патентообла датель КубГАУ. – № 2007140615/09;
заявл. 31.03.08;
опубл. 20.11.09;
бюл.
№ 32. – 7 c.
9. Расчет потерь в линиях 0,22 кВ, НН, СН1, СН2. / М.И. Потешин, В.А. Ди дыч, Я.А. Ильченко, С.М. Моргун, С.В. Оськин // Свидетельство РФ №2013616080 Роспатент, 2013.
Подписано в печать 20.11.13 Формат 60х84 1/ Бумага офсетная Офсетная печать Печ. л. 1 Заказ № Тираж 100 экз.
Отпечатано в типографии Кубанского ГАУ 350044, Краснодар, ул. Калинина,