Проблема бесперебойного электроснабжения

Введение
Актуальность работы. Проблема бесперебойного электроснабжения в условиях сырьевой промышленности Российской Федерации, обусловленная удаленностью основных перспективных месторождений полезных ископаемых от централизованных энергосистем, в том числе за счет территориально распределенных ответственных потребителей электроэнергии и непрерывности важных технологических процессов, является весьма актуальной. Указанная проблема актуальна и для каждой страны, где перспективные месторождения полезных ископаемых также выделяются из централизованных энергосистем. В случае наличия централизованной энергосистемы возникает ряд жизненно важных проблем качества электроэнергии, связанных с передачей энергии, таких как падение напряжения, отклонения и гармонические искажения. Причины названных проблем могут быть разными, но их влияние на ответственных потребителей горнодобывающей промышленности всегда негативно. Таким образом, учитывая, что наиболее перспективные месторождения полезных ископаемых не охвачены централизованными системами электроснабжения, вероятно, с низким качеством электроэнергии, разработка и внедрение систем бесперебойного питания с использованием распределенной генерации на базе альтернативных и возобновляемых источников энергии становится актуальной задачей.Цель работы – рассмотреть источники гарантированного питания.Задачи:1. Охарактеризовать особенности питания;2. Дать оценку источникам гарантированного питания.1 Общие сведенияДолгое время главной заботой потребителей электроэнергии была бесперебойность подачи, то есть надежность. Сегодня потребители хотят не только надежности, но и качества. Качество электроэнергии определяется способностью оборудования заказчика работать должным образом. Причина, по которой нынешний интерес к качеству электроэнергии объясняется растущим экономическим воздействием на сетевых операторов (то есть коммунальные предприятия) и их клиентов. Затраты, связанные с «отсутствием качества», могут быть большими, особенно для промышленных потребителей [1]. Если, например, производственная линия остановится, перезапуск может занять несколько часов с серьезными финансовыми последствиями.Устройства и оборудование, применяемые на промышленных и коммерческих объектах, более чувствительны к нарушениям качества электроэнергии, чем оборудование, применяемое в прошлом. Оборудование, содержащее микропроцессорные устройства управления и силовые электронные устройства, компьютеры, системы автоматизации управления, регулируемые приводы, контакторы, помимо фактических прерываний, может быть чувствительным ко многим типам помех (см. Таблицу 1). Эти устройства и оборудование могут быть частью современных производственных или информационных процессов. Процессы и оборудование стали более взаимосвязанными и взаимосвязанными, что может сделать их более уязвимыми для отказа одного компонента. Вся система так же чувствительна, как и самое чувствительное оборудование [2]. Неисправность оборудования или неправильное функционирование важного процесса могут повлиять на непрерывность производства, что приведет к материальному ущербу (например, в промышленности), материальным потерям (например, в банковских системах) или другим потерям (например, в диспетчерских центрах, больницах, лабораториях).Проблемы с качеством электроэнергии не всегда возникают из-за коммунальных сетей. То же самое оборудование, которое чувствительно к сбоям напряжения, само часто вызывает сбои напряжения у других потребителей. Оборудование силовой электроники, такое как приводы с регулируемой скоростью, приводит к непрерывной цепочке переходных процессов (зазубрин), а также к установившимся гармоническим искажениям. С другой стороны, эти нарушения напряжения существенно влияют на работу оборудования силовой электроники.Качество поставляемой электроэнергии, как и качество других товаров и услуг, сложно определить и количественно оценить. Не существует единого общепринятого определения качественной электроэнергии. Качество в основном определяется качеством формы сигнала напряжения, так как невозможно контролировать токи, потребляемые потребителями. Качество напряжения является обязанностью не только оператора сети, но также, в некоторых отношениях, зависит от производителей и потребителей. Качество электроэнергии - это сочетание качества тока и качества напряжения, включая взаимодействие между системой и нагрузкой. Качество напряжения касается отклонения формы волны напряжения от идеального синусоидального напряжения постоянной величины и постоянной частоты. Качество тока - это дополнительный термин, который касается отклонения формы волны тока от идеального синусоидального тока постоянной величины и постоянной частоты. Качество напряжения включает в себя поведение энергосистемы по отношению к нагрузке, а качество тока включает поведение нагрузки по отношению к энергосистеме [3]. В любой практической энергосистеме всегда существует тесная взаимосвязь между напряжением и током. Хотя генераторы могут обеспечивать почти идеальное синусоидальное напряжение, ток, проходящий через полное сопротивление системы, может вызывать различные нарушения напряжения. Чтобы понять основу многих проблем качества электроэнергии, необходимо рассмотреть взаимодействие между нагрузкой и энергосистемой. Энергосистема может контролировать только качество питающего напряжения; он не контролирует токи, которые могут потреблять определенные нагрузки. Поэтому стандарты в области качества электроэнергии посвящены поддержанию напряжения питания в определенных пределах.Качество электроснабжения - это сочетание качества напряжения и нетехнических аспектов взаимодействия между коммунальным предприятием и его потребителями. Качество услуг в сфере электроснабжения имеет ряд различных параметров, которые можно сгруппировать под тремя общими заголовками: коммерческие отношения между поставщиком и конечным пользователем, непрерывность поставок и качество напряжения. • Непрерывность поставок (также называемая надежностью доставки) характеризуется количеством и продолжительностью перебоев. Для оценки непрерывности поставок в системах передачи и распределения используются несколько показателей (например, SAIDI, SAIFI). • Качество напряжения связано с отклонениями напряжения от идеального. Идеальное напряжение - это одночастотная синусоида постоянной частоты и постоянной величины. Качество напряжения описывается в соответствии с европейским стандартом EN 50160 характеристиками напряжения питания, касающимися: частоты, величины, формы волны и симметрии фаз. • Качество обслуживания (также называемое коммерческим качеством) касается качества взаимоотношений между поставщиком и покупателем. Он охватывает многие аспекты взаимоотношений (например, прозрачность тарифной структуры, предоставление информации, ответы на жалобы потребителей, измерение, снятие показаний и выставление счетов), но только некоторые из них можно измерить и регулировать с помощью стандартов или других инструментов [4].В большинстве стран потенциальное влияние «отсутствия качества» растет. Следовательно, вероятно, что больше измерительного оборудования будет размещено в сети и в точках подключения клиентов. Измерение характеристик напряжения можно разделить на три категории в зависимости от цели измерения: • постоянный мониторинг, например для проверки договорных обязательств - в точках передачи, точках подключения конечных потребителей ВН, подстанциях 110 кВ / МВ • временное обследование, например для проверки работы системы электроснабжения или проверки жалоб пользователей - в точках подключения конечных потребителей среднего и низкого напряжения • общие исследования. Измерения и оценка характеристик напряжения должны выполняться в соответствии со стандартами, например [5]. Эти стандарты также определяют требования к приборам измерения качества электроэнергии, гарантирующие сопоставимость и повторяемость измерений. Для проверки уровня качества электроэнергии коммунальные предприятия должны архивировать результаты измерений и оценки характеристик напряжения вместе с информацией о состоянии и параметрах энергосистемы во время измерения. Данные о качестве электроэнергии также используются для сравнительного анализа качества электроэнергии в европейских странах.2 Особенности источников гарантированного питанияТакже необходимо учитывать, что диаграмма энергопотребления для любого типа установки характеризуется постоянством в течение суток. Для обеспечения устойчивости электрооборудования необходимо поддерживать уровень качества электроэнергии и электромагнитной совместимости в соответствии с требованиями российского стандарта ГОСТ 32144-2013 и основных международных нормативных документов в этой области. Это условие должно быть обеспечено в случае кратковременного прерывания электроснабжения, а также при автоматическом переключении нагрузки или запуске генератора резервного источника питания для питания ответственных потребителей в случае длительных отключений. Пример электроцентробежных насосов с погружными двигателями в нефтедобыче выбран из-за его наибольшей чувствительности к перебоям в электроснабжении и серьезности проблем, которые могут возникнуть в случае отказа добычи нефти. Поэтому большая часть теоретических и экспериментальных исследований по созданию предлагаемой системы гарантированного электроснабжения проводится в системах электроснабжения нефтедобывающих предприятий с электроцентробежными установками на базе погружных асинхронных двигателей, которые используются для извлечения нефти на поверхность. а также комплексы с синхронными двигателями, которые используются для поддержания пластового давления. Кратковременное прерывание электроснабжения указанных установок может привести к выходу из строя электродвигателей и, как следствие, к отказу технологического процесса. На оживление и приведение технологического процесса к номинальной мощности требуется время от нескольких минут до нескольких часов. Это обстоятельство приводит к значительному экономическому ущербу из-за потерь при добыче нефти [6]. Поэтому с экономической точки зрения очень важно создать систему гарантированного электроснабжения на базе распределенной генерации с использованием альтернативных и возобновляемых источников энергии для ответственных технологических процессов не только для сырьевого комплекса, но и для всех отраслей промышленности и техники, особенно автоматизированных. цифровые системы ответственного управления и контроля процессов [7]. Таким образом, необходимость предлагаемой системы определяется двумя ключевыми факторами: удаленностью от централизованных энергосистем и наличием непрерывности технологических процессов. Разработка предлагаемой системы гарантированного электроснабжения с использованием распределенной генерации с альтернативными и возобновляемыми источниками энергии осуществляется на основе многочисленных теоретических и экспериментальных исследований, выполненных авторами на различных сырьевых предприятиях России.При разработке структуры предлагаемой системы гарантированного электроснабжения необходимо учитывать следующие режимы работы промышленных систем электроснабжения [3]: - Нормальный. - Пост авария. - Переходный. - Техническое обслуживание. Нормальный - это режим, связанный с установившимся состоянием системы электроснабжения. В этом режиме все элементы и подсистемы, которые были предусмотрены на стадии проектирования, работают нормально, без сбоев и сбоев, также в этом режиме все потребители запитаны в штатном состоянии без каких-либо ограничений. Поставарийный режим - это режим, относящийся к установившемуся состоянию после аварийного отключения поврежденного элемента системы электроснабжения. Этот режим длится до восстановления правильной схемы системы электроснабжения, рассчитанной на нормальный режим работы. Переходный - это режим, при котором скорость изменения параметров и условий системы электроснабжения очень высока. Поэтому это необходимо учитывать при проектировании предлагаемой системы гарантированного электроснабжения. Режим обслуживания - это режим, при котором могут быть выполнены все ремонтные работы. Также в этом режиме возможно обслуживание и регулировка всех узлов и устройств, входящих в предлагаемую систему гарантированного электроснабжения, без перебоев в электроснабжении потребителей [2]. На основе многочисленных теоретических и экспериментальных исследований определен и реализован следующий структурный базовый вариант предлагаемой системы гарантированного электроснабжения в соответствии с рассматриваемыми требованиями. Этот базовый вариант представлен на Рисунке 1. Базовая структура на Рисунке 1 показывает, что потребители получают питание от источника бесперебойного питания (ИБП), который состоит из выпрямителя 1, инвертора 2 и блока аккумуляторных батарей (RBB). Питание от аккумуляторной батареи осуществляется при отказе сетевого питания или постоянном снижении уровня напряжения ниже 0,8 Un (где Un - номинальное напряжение источника питания). Энергии, хранящейся в батареях, должно хватить на период запуска и на время, необходимое для приведения аварийного источника питания (ЭЭС) в нормальный режим. Величина энергии батареи зависит от следующих ключевых факторов: - Максимальное значение допустимой продолжительности прерывания электроснабжения потребителей. - Номинальная мощность подключенных потребителей. - Степень технологической ответственности подключенных потребителей. EPS может быть реализован с помощью ветряного генератора, солнечной электростанции, гибридной ветро-дизельной электростанции или силовой микротурбины, которая работает на следующем нефтяном газе. Тиристорный переключатель (TS) предотвращает перетекание энергии от инвертора 2 к электросети и активируется в послеаварийный период. Одновременно отправляется сигнал на запуск ЭПС. Затем переключатель 3QF включается, а переключатели 1QF и 2QF выключаются. Коммутатор 4QF используется для резервного TS в соединении EPS [1].В ходе теоретических и экспериментальных исследований было обнаружено, что существует риск увеличения угла рассогласования фаз между напряжениями ИБП и ЭПС в период пуска ЭПС и его подключения к нагрузке, питающейся от ИБП. Возможность подключения ЭПС к шине переменного тока без возникновения перегрузки по току существует, если угол рассогласования фаз не превышает 30 электрических градусов [6]. Тиристорный автоматический переключатель нагрузки (TALT) используется для подключения ЭЭС без рассогласования фаз на выходе ИБП. Кроме того, TALT быстрее обычного автоматического переключения нагрузки. TALT предназначен для поддержки ответственных потребителей электроэнергии при работе в аварийном режиме. При падении напряжения питания на одном из входов TALT включает исправный вход с максимальной скоростью без возникновения перегрузки по току. Оптимизация переходных процессов обеспечивается синхронизацией момента переключения TALT с углом рассогласования фаз напряжения между клеммами ЭПС и выходами ИБП. Этот угол фазового рассогласования находится в диапазоне от 0 до 30 электрических градусов. Логика работы TALT позволяет осуществлять синхронное переключение подключенных потребителей на ЭЭС с углом рассогласования фаз не более 30 электрических градусов. Также он позволяет контролировать восстановление уровня сетевого напряжения питания с автоматическим переключением на нормальную схему после восстановления недопустимого входного напряжения [5]. В большинстве сложных случаев RBB также может взимать плату из EPS. Частный случай базовой структуры показан на рисунке 2. Это более простой случай для малой мощности нагрузки, когда ответственные потребители в нормальном режиме получают питание от сети только через ИБП. В случае конструкции, показанной на рисунке 2, питание потребителя осуществляется непрерывно через выпрямитель 1 и инвертор 2, в которых реализовано двойное преобразование энергии. В случае неисправности или постоянно снижающегося уровня напряжения ниже 0,8 Un на входе сети бесперебойное питание потребителей реализуется посредством RBB. В момент пропадания питания система управления подает сигнал на запуск ЭЭС. Когда ЭЭС готова к питанию потребителей, включается выключатель 2QF. Выключатель 3QF обеспечивает защиту инвертора от перегрузок, сбоев, пиков нагрузки и разрядки аккумулятора. Кроме того, согласно ГОСТ 13109-97 и ГОСТ Р 54149-2010 в области качества электроэнергии, допустимый уровень гармонических искажений формы напряжения может контролироваться параллельным активным фильтром (ПАФ) в качестве опции [1].Должны быть предусмотрены следующие основные проблемы, связанные с организацией эксплуатации аккумуляторных батарей, которые необходимо решить для повышения эффективности функционирования и срока службы: - Обеспечение эффективности процесса зарядки. - Обеспечение ресурсосберегающей эксплуатации и хранения. - Выполнение необходимых профилактических мероприятий. Также для эффективного функционирования предлагаемой системы гарантированного электроснабжения в ИБП следует применять аккумуляторные батареи следующих типов: - Свинцово-кислотные эрмитовые батареи. - Свинцово-кислотные батареи с вентиляцией. - Никель-кадмиевые батареи с вентиляцией. Зарядка аккумуляторов должна осуществляться в режиме, обеспечивающем значительное снижение тока к окончанию процесса зарядки. Существует множество способов зарядки, которые требуют разной модификации и стоимости оборудования. Результаты теоретических и экспериментальных исследований показали, что зарядка должна производиться постоянным током, численное значение которого равно 0,1 номинального значения емкости аккумуляторной батареи, согласно уравнению (4). Большинство применяемых аккумуляторных батарей рекомендуется заряжать при постоянном напряжении величиной 2,4-2,45 В. Ускорение процесса зарядки может быть достигнуто за счет увеличения значения зарядного тока до 0,3 от номинального значения емкости аккумуляторной батареи. Следует отметить, что основной перспективной технологией оптимизации процесса зарядки и разрядки аккумуляторных батарей является применение суперконденсаторных элементов с двойным электрическим слоем. Помимо использования альтернативных и возобновляемых источников энергии в распределенной генерации, требуются накопительные элементы большой емкости, такие как элементы суперконденсатора. Традиционные методы выбора номинальной мощности ЭЭС основаны на предположении линейности подключаемых потребителей. Поэтому актуальна проблема учета влияния ИБП как нелинейной нагрузки с помощью гармонических составляющих на режим работы ЭЭС. Большинство выпускаемых генераторов на базе дизельных и газотурбинных двигателей различных типов рассчитаны на работу на активно-индуктивную нагрузку с малым значением коэффициента суммарных гармонических искажений. Согласно ГОСТ 23377 коэффициент суммарных гармонических искажений напряжения трехфазного генератора должен иметь значения 5, 10 и 16% для разных режимов работы. Одним из основных критериев работоспособности синхронного генератора является температура нагрева изоляции обмоток, т.е. рабочая температура ниже допустимого значения. В нормальном режиме работы максимально допустимая температура нагрева изоляции обмоток определяется специальным классом теплового сопротивления изоляции и рассчитывается с учетом линейного характера нагрузки. В предлагаемой системе гарантированного электроснабжения роль нагрузки для ЭЭС играет ИБП, который является классическим типом нелинейной нагрузки за счет наличия выпрямителя на входе ИБП. В выпрямителях ИБП на основе тиристоров выпрямленное напряжение нагрузки имеет пульсации и содержит прямые и альтернативные компоненты.
Заключение
Предлагаемая структура системы гарантированного электроснабжения в первую очередь предназначена для электроснабжения наиболее ответственных потребителей в условиях сырьевых предприятий. Такие потребители могут сохранить непрерывность и стабильность технологического процесса в случае перебоев в электроснабжении, длительность которых не превышает 0,15 с. В связи с этим все автоматические переключатели предлагаемой системы должны быть реализованы на базе быстродействующих тиристорных коммутаторов. Тип и способ внедрения ЭЭС определяется номинальной мощностью ответственных потребителей. По результатам исследований при номинальной мощности ответственных потребителей более 200 кВт целесообразно использовать микротурбину, работающую на следующем нефтяном газе. Для ответственных потребителей, номинальная мощность которых находится в диапазоне 3–200 кВт, целесообразно использовать ветроустановки. Для ответственных потребителей, номинальная мощность которых менее 3 кВт, например: системы технологической автоматизации, цифровые системы управления, целесообразно использование солнечных батарей. Минимальная емкость аккумуляторных батарей ИБП также определяется номинальной мощностью наиболее ответственных потребителей, например. системы технологической автоматизации и цифровые системы управления добычей нефти и газа, отключение которых недопустимо. Также для повышения эффективности предлагаемой системы целесообразно использовать быстрозаряжаемые конденсаторы.Обоснована необходимость создания предлагаемой системы гарантированного электроснабжения ответственных потребителей. В данном случае к ответственным потребителям относятся электроустановки, определяющие надежность и непрерывность различных технологических процессов. В ходе исследований разработана структура и методика выбора основных параметров предлагаемой системы гарантированного электроснабжения ответственных потребителей с использованием источников аварийного и бесперебойного питания. Аварийное электроснабжение функционирует на основе альтернативных и возобновляемых источников энергии, таких как ветрогенератор, солнечная электростанция, гибридная ветро-дизельная электростанция или силовая микротурбина, которая работает на следующем нефтяном газе. Каждый из этих источников позволяет избежать возникновения аварийных ситуаций и нарушения непрерывности технологического процесса. Приведены основные этапы выбора структуры, основных параметров и содержания предлагаемой системы гарантированного электроснабжения.
Список использованной литературы
Collins S. et al. Integrating short term variations of the power system into integrated energy system models: A methodological review //Renewable and Sustainable Energy Reviews. – 2017. – Т. 76. – С. 839-856.Mehigan L. et al. A review of the role of distributed generation (DG) in future electricity systems //Energy. – 2018. – Т. 163. – С. 822-836.Yue X. et al. Least cost energy system pathways towards 100% renewable energy in Ireland by 2050 //Energy. – 2020. – Т. 207. – С. 118264.Dujardin J. et al. Interplay between photovoltaic, wind energy and storage hydropower in a fully renewable Switzerland //Energy. – 2017. – Т. 135. – С. 513-525.Heard B. P. et al. Burden of proof: A comprehensive review of the feasibility of 100% renewable-electricity systems //Renewable and Sustainable Energy Reviews. – 2017. – Т. 76. – С. 1122-1133.Brown T. W. et al. Response to ‘Burden of proof: A comprehensive review of the feasibility of 100% renewable-electricity systems’ //Renewable and sustainable energy reviews. – 2018. – Т. 92. – С. 834-847.Crimmann M., Madlener R. Assessing Local Power Generation Potentials of Photovoltaics, Engine Cogeneration, and Heat Pumps: The Case of a Major Swiss City //Energies. – 2021. – Т. 14. – №. 17. – С. 5432.