На главную страницу Rambler's Top100

О журнале

Архив

Разделы

Полезные ссылки

Rambler's Top100

Yandex.CN Сделано для России , тематический каталог отборных русских сайтов.

 

В. Р. Берг

ОАО «ГОКБ «Прожектор», генеральный директор, кандидат технических наук

 

А. А. Гуров

 

МИЭЭ, доктор технических наук, профессор

  • Энергобезопасность и энергосбережение №1, 2012

    Экспресс-оценка энергоэффективности системы автономного электроснабжения объекта

    Рассмотрены вопросы определения совокупности технических характеристик, обеспечивающих экспресс-оценку энергоэффективности при модернизации системы автономного электроснабжения объекта. Предложен упрощённый метод расчёта коэффициента полезного действия системы по параметрам схемы замещения системы автономного электроснабжения, не требующий составления и решения сложных математических моделей.

    Ключевые слова: система автономного электроснабжения, потери мощности и электроэнергии, энер- гоэффективность, энергосбережение.

    В настоящее время уделяется большое внимание вопросам внедрения энергосберегающих технологий и повышения энергетической эффективности на этапах разработки, модернизации, производства и эксплуатации средств электроэнергетики, включая системы автономного электроснабжения (САЭ) объектов специального назначения [1]. При выполнении работ на этих этапах, в первую очередь при модернизации САЭ, возникает необходимость в экспресс-оценке энергоэффективности системы для быстрого получения предварительного результата в задачах направлений поиска энергосберегающих технологий.

    Правовой основой для их решения является Федеральный закон, регламентирующий отношения по энергоснабжению и энергетической эффективности [2]. Из этого документа следует, что повышение энергоэффективности технических средств достигается за счёт выбора соответствующих характеристик, отражающих отношение полезного эффекта от использования энергетических ресурсов к их затратам.

    К числу таких характеристик относится коэффициент полезного действия (КПД) любого технического устройства, который зависит от ряда характеристик, определяющих его облик. Для сложных технических устройств (систем), состоящих из нескольких простых, обычно находят средневзвешенный КПД, позволяющий оценить совокупный полезный эффект от использования энергетических ресурсов на создание каждого технического устройства и системы в целом.

    Сложными техническими устройствами являются рассматриваемые ниже системы автономного электроснабжения объектов специального назначения, обеспечивающие потребителей электроэнергией переменного и постоянного тока [3]. В этих системах, как и в любых подобных системах, имеются потери мощности и электроэнергии, вырабатываемой источниками питания, в элементах электрической сети системы автономного электроснабжения. Они приводят к отрицательным последствиям электрического и технологического характера, в том числе и к снижению КПД системы.

    Состояние вопроса

    По результатам анализа технико-экономических характеристик, влияющих на эти потери, установлено, что в ранее разработанных образцах систем автономного электроснабжения существуют недостатки:

    – неоправданные потери электроэнергии в ряде элементов сети (генераторы, трансформаторы, преобразователи, соединительные провода и т. п.);

    – увеличенные потери активной и реактивной мощности в сети по сравнению с расчётными значениями;

    – сокращённый срок службы функционально законченных устройств, блоков и модулей САЭ;

    – значительные капитальные вложения и др.

    Исключение или ограничение этих факторов при модернизации системы автономного электроснабжения – актуальная научно-техническая задача. На её решение оказывают влияние такие особенности САЭ, как:

    – соизмеримость мощности источников питания с мощностью потребителей и связанные с этим более тяжёлые последствия для функционирования комплекса «источник-потребитель» при увеличении сверх нормы потерь мощности и электроэнергии;

    – наличие относительно коротких линий между источником питания и электроприёмниками, что создаёт трудности (при проектировании систем) в выборе экономически оправданных сечений линий для сохранения баланса мощности в установившихся режимах работы системы автономного электроснабжения.

    Эти и другие особенности обусловливают специфику расчёта характеристик, пригодных для экспресс-оценки энергоэффективности при модернизации САЭ. Обычно для такой оценки используются достаточно сложные модели, описывающие функционирование системы в установившихся и переходных режимах [4, 5]. Однако на ранних этапах модернизации системы автономного электроснабжения, когда требуется выбрать облик энергоэффективной системы, т. е. предварительно определить параметры режима (S, P, Q, ΔP, ΔQ, cos φ, η, ...) и параметры системы (r, x, z, ...), зависимые от структуры того или иного облика, целесообразно применять более простые методы расчёта параметров и только для установившихся режимов, которые позволяли бы произвести экспресс-оценку энергоэффективности проектируемой САЭ.

    Исходные положения

    Рассмотрим упрощённую структурную схему системы автономного электроснабжения, вид которой для одного канала питания определяется некоторым составом электроприёмников (ЭП) переменного и постоянного тока, составляющих электрическую нагрузку объекта (рис. 1).

    Для такой схемы питания потребителей может быть найден средневзвешенный КПД, зависимый от КПД соответствующих элементов сети переменного или постоянного тока. Примем его в качестве критерия экспресс-оценки энергоэффективности системы автономного электроснабжения.

    В общем виде КПД системы представим как

    где PэпΣ – суммарная мощность, потребляемая ЭП; PиΣ – суммарная активная мощность источников питания;
    ΔPсΣ – суммарные потери активной мощности в сети.

    Из выражения (1) следует: чем меньше суммарные потери активной мощности, а значит и электроэнергии в сети, тем выше КПД систем автономного электроснабжения.

    Потери реактивной мощности (ΔQc) в сети не принимаются во внимание при оценке КПД системы по известным специалистам причинам.

    Стремление уменьшить потери активной мощности за счёт выбора рациональных характеристик источников питания, преобразовательных устройств, коммутационных и распределительных средств и т. д. – главная тенденция развития современных систем автономного электроснабжения. Она направлена на обоснование энергосберегающей технологии при модернизации по заданным ТТХ с целью уменьшения объёма используемых энергоресурсов для достижения требуемой энергоэффективности САЭ.

    Постановка задачи

    Задачу проводимых ниже исследований сформулируем следующим образом: за рассматриваемый период Т найти: максимальный ток сети IсΣ, суммарные потери активной мощности ΔPсΣ и электроэнергии ΔAсΣ в сети модернизируемой системы автономного электроснабжения, обеспечивающие выполнение условия η->ηmax, полагая, что суммарная мощность потребителей известна.

    Предметом проведённых ниже исследований является определение совокупности перечисленных выше характеристик, выбираемых в процессе модернизации системы автономного электроснабжения и обеспечивающих решение системы уравнений (2).

    Результаты исследования

    Для определения номенклатуры характеристи системы автономного электроснабжения, влияющих на потери, составим схему замещения (рис. 2), представляющую некоторую модель рассматриваемой системы (рис. 1) в виде активных и реактивных сопротивлений нагрузки, которые легко определяются по паспортным данным электроприёмников.

    Для простоты решения этой задачи, учитывая приведённые выше особенности САЭ, примем следующие допущения:

    1. Напряжение в узле нагрузки равняется номинальному значению напряжения источника питания ввиду наличия относительно коротких линий между источником и ЭП.

    2. Составляющие потерь активной мощности в сети отнесём к активным потерям мощности источника питания.

    При таком подходе к разработке варианта энергоэффективной системы автономного электроснабжения на раннем этапе создания требуемые для расчёта результирующие параметры системы (rрез, хрез, zрез) определяются как результат расчёта схемы замещения (рис. 2), включающей схемы замещения элементов системы в виде активных и реактивных сопротивлений ЭП, подключённых к источнику питания с известным номинальным напряжением. Они отражают, в соответствии с допущениями 1 и 2, характеристики установившихся режимов работы САЭ [4].

    Результирующие параметры схемы замещения системы автономного электроснабжения, как это принято при решении подобных задач, удобно находить из проводимостей вида

    где n, m, k – число активных, реактивных и полных сопротивлений в схеме замещения.

    Определив результирующие характеристики схемы замещения, найдём необходимые параметры режима: IсΣ, ΔPсΣ, ΔAсΣ.

    Для их определения используем известные в электротехнике формулы (табл. 1), рекомендуемые для использования разработчиками в качестве справочных материалов при модернизации системы автономного электроснабжения.

    Используя данные, полученные в результате решения схемы замещения и соответствующих расчётов характеристик системы автономного электроснабжения по формулам (табл. 1), легко найти потери мощности ΔPсΣ в сети системы. Подставляя ΔPсΣ в выражение (1) и учитывая, что мощность ЭП в процессе функционирования САЭ в установившемся режиме практически не меняется (PэпΣ=const), можно найти максимальное значение КПД системы по выражению (2).

    Энергосберегающие мероприятия в автономной электроэнергетике, обеспечивающие экономию энергоресурсов, разработанные и применяемые при модернизации системы автономного электроснабжения, будут рассмотрены в следующей статье.

    Порядок выполнения экспресс-оценки энергоэффективности САЭ по выбранному критерию включает в себя:

    1) цель исследования – дать предварительную оценку энергоэффективности модернизируемой САЭ;

    2) выявление особенностей, влияющих на оценку функционирования эксплуатируемых САЭ;

    3) сбор и анализ технических характеристик и потенциала энергосбережения САЭ;

    4) выбор обобщённой структуры САЭ, отвечающей требованиям модернизации;

    5) обоснования и расчёт схемы замещения структуры (rрез, хрез, zрез);

    6) применение расчётных формул (табл. 1) для определения максимального тока и потерь мощности и электроэнергии в сети (IсΣ, ΔPсΣ, ΔAсΣ);

    7) экспресс-оценку энергоэффективности САЭ по принятому критерию (ηΣ=ηmax).

    Пример расчёта

    Требуется найти потери мощности и электроэнергии в сети однофазного переменного тока системы автономного электроснабжения напряжением 230 В, предназначенной для питания потребителей технических систем мощностью 12,4 кВт и технологической нагрузки мощностью 7,2 кВт, подключённой через статические преобразователи.

    Решение:

    1. Произведём расчёт суммарной мощности потребителей (PэпΣ) системы (рис. 1) и параметров схемы замещения элементов (рис. 2). Результаты расчёта сведены в табл. 2.

    2. Решая схему замещения САЭ, определим: проводимости и сопротивления сети zрез=8,7 Ом; rрез=7,87 Ом; xрез=7,7 Ом.

    3. Пользуясь формулами табл. 1, произведём расчёт:

    – тока источника питания IсΣ=29,22 А;

    – суммарных потерь мощности в сети ΔPсΣ==0,67 кВт;

    – суммарных потерь электроэнергии за 1 год ΔAсΣ=5869 кВт*ч;

    – коэффициента полезного действия САЭ ηΣ=0,97.

    Выводы

    1. Показаны необходимость и специфика предварительного расчёта характеристик, пригодных для экспресс-оценки энергоэффективности (средневзвешенного КПД) систем автономного электроснабжения, необходимой для последующего решения задач определения экономии энергоресурсов от внедрения энергосберегающих технологий в процессе модернизации системы.

    2. Предложен упрощённый метод экспресс-оценки энергоэффективности системы автономного электроснабжения, не требующий составления и решения сложных математических моделей. Этот метод с математической точки зрения обеспечивает при учёте принятых допущений получение результата путём решения алгебраических уравнений с комплексными переменными для установившегося режима работы САЭ.

    3. В качестве основы экспресс-оценки энергоэффективности системы автономного электроснабжения приняты результирующие расчётные параметры построенной для этих целей схемы замещения системы, а параметры режима находятся по известным в электротехнике формулам, приведёнными в статье.

    Литература

    1. Михайлов В. В., Поляков М. А. Потребление электрической энергии: надёжность и режимы. – М.: Высшая школа, 1989.

    2. Об энергосбережении и повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации. Федеральный закон РФ от 23 ноября 2009 г., No 261-ФЗ.

    3. Атрощенко В. А., Гречко Э. Н., Кулешов Ю. Е. Системы электроснабжения переменного тока с полупроводниковыми преобразователями. – Краснодар: Флёр-1, 1997.

    4. Веретенников Л. П., Потапкин Ф. И., Раимов М. М. Моделирование, вычислительная техника и переходные процессы в судовых электроэнергетических системах. – Л.: Судостроение, 1964.

    5. Берг В. Р., Гуров А. А. Интегрированный подход к разработке, модернизации и технологическому развитию производства систем автономного электроснабжения // Электротехника. – 2012. – No 1.

    References

    1. Mikhailov V. V., Polyakov M. A. Potreblenie elektricheskoj energii: nadyozhnost' i rezhimy [Power consumption: reliability and modes]. Moscow: Higher School, 1989.

    2. Ob energosberezhenii i povyshenii energeticheskoj effektivnosti i o vnesenii izmenenij v otdel'nye zakonodatel'nye akty Rossijskoj Federatsii [On energy-economy and energy-efficiency improvements and on amendments to certain legislative acts of the Russian Federation]. The Federal Law of November 23, 2009, № 261-FL.

    3. Atroschenko V. A., Grechko E. N. Kuleshov Yu. E. Sistemy elektrosnabzheniya peremennogo toka s poluprovodnikovymi preobrazovatelyami [Systems of electric supply with semiconductor converters]. Krasnodar: Fleur-1, 1997.

    4. Veretennikov L. P., Potapkin F. I., Raimov M. M. Modelirovanie, vychislitel'naya tekhnika i perekhodnye protsessy v sudovykh elektroenergeticheskikh sistemakh [Modeling, computer science and transient processes in marine power systems]. Leningrad: Shipbuilding, 1964.

    5. Berg V. R., Gurov A. A. (2012). Integrated approach to development, modernization and technological development of production of autonomous power supply systems. Elektrotekhnika, (1).



  • © «Московский институт энергобезопасности и энергосбережения»
    Полное или частичное использование материалов возможно только с разрешения редакции.
    Политика в отношении персональных данных
    Зарегистрирован в Федеральной службе по надзору в сфере массовых коммуникаций, связи и охраны культурного наследия. Свидетельство ПИ № ФС77-28742

    webmaster: webmaster@endf.ru