Использование возобновляемых источников энергии для повышения надежности работы систем управления и защиты насосных станций

Проблема ложного срабатывания, связанная с искажениями формы кривой напряжения и тока в линиях, питающих системы управления и защиты, является достаточно актуальной. Материал статьи связан с решением проблемой повышения надежности работы систем управления магистральными насосами, используемыми в ирригационных системах Республики Узбекистан. На основе анализа данных наблюдений предлагается использовать в качестве резервного источника питания энергией систем управляющих работой магистральных насосных станций альтернативный источник — солнечную батарею с преобразователем постоянного тока в переменный.

Современные насосные станции, используемые в ирригационных системах Республики Узбекистан, оснащены двумя типами управляющих систем [2, 4]: 1 — системы, регулирующие режим работы двигателей насосных агрегатов; 2 — системы защиты электрических двигателей привода насосов от аварийных или ненормальных режимов работы. Учитывая категорию надежности работы насосных станций, схема электроснабжения систем управления и защиты насосных станций предполагает снабжение электрической энергией, помимо основного и от резервного источника. На сегодняшний день, это схема 2х стороннего питания, которая классически реализуется с использованием устройства Автоматического Включения Резерва (АВР). С другой стороны, независимость электроснабжения относительная, т. к. обе линии подключены к единой энергосистеме со всеми вытекающими отсюда последствиями. Имеется в виду, что качество электрической энергии в обеих линиях будет одним и тем же. Говоря о качестве, нас особенно интересует показатель несинусоидальности формы кривой напряжения и тока.

На рисунке представлены отклонения от формы кривой тока, часто встречающиеся в энергосистеме [1,6]. В основном, они являются следствием различных переходных процессов, происходящих в электрических сетях (пуск или аварийное отключение объектов соизмеримой с системой мощности, различного рода атмосферные явления) Очень часто эти отклонения могут стать причиной ложных сигналов срабатывания или отключения систем управления и защиты. Для уменьшения вероятности несанкционированного срабатывания систем защиты и управления насосным агрегатом, в статье предлагается использовать в качестве резервного, абсолютно независимый источник энергии для их электроснабжения. В реальных условиях таким источником может быть возобновляемый источник. Имеется в виду электроснабжение от нетрадиционного источника электрической энергии. Такими источниками могут быть солнечная батарея, ветрогенератор и т. д. [3]. С учетом климатических особенностей Узбекистана (большое количество солнечных дней в год), для питания систем управления и защиты насосной станции оптимально использовать систему солнечная батарея– аккумулятор- инвертор для преобразования постоянного тока с переменный частотой 50 Гц, а также контроллер для управления процессом распределения тока. Предполагается следующий режим работы системы: в дневное время система будет использоваться как основной источник питания, линия от энергосистемы как резервная, в ночные часы наоборот. Следует отметить, что по статистике чаще всего искажения формы кривой напряжения и тока чаще всего встречаются в дневное время.

Общий вид установки и ее принципиальная схема приведены на рис.1 «а» и «б»

Рис. 1. «а», «б»

На практике используются два варианта схемы рис1 «б»: с сетевым и автономными инверторами.

Сетевой инвертор работает без зарядного устройства и аккумулятора, поэтому схема рис 1б сильно упрощается и инвертор присоединяется непосредственно к солнечной батарее. Для варианта с Автономным инвертором схема не меняется. Мы предлагаем вариант с сетевым инвертором по двум причинам:

Он будет иметь высокую надежность (меньше элементов). Будет дешевле. В основном инверторы используются для снабжения потребителей 1 и 2 категорий надежности. Основной показатель работы инверторов — это форма кривой выходного напряжения и тока. В зависимости от формы кривой инверторы бывают: с «чистой синусоидой» на выходе и с «квазисинусоидой» на выходе. Инверторы с «чистой синусоидой» используются для питания измерительных приборов высокой точности, потому что форма кривой на выходе инвертора, намного чище чем в общей сети. У квазисинусоидальных инверторов форма кривой выходного напряжения — трапеция или прямоугольник [3]. По этой причине запрещается подключение к ним счетчиков. и измерительных приборов Показатель «чистая синусоида» для нас является основным и поэтому мы предлагаем использовать именно вариант с сетевым инвертором.

Основные рабочие параметры инверторa GW20K-DT

С учетом вышеизложенного для питания приборов контроля и защиты на крупных насосных станциях, мы предлагаем установить комплект Солнечная батарея- сетевой Инвертор GW20K-DT мощностью 20 кВт. В схеме инвертора не будут использованы зарядное устройство и аккумулятор, что повысит надежность работы инвертора.

Технико-экономические расчеты

1. По статистике на территории Узбекистана бывает 320–340 солнечных дней в год.
2. В среднем световой день составляет-11 часов в день.
3. Система мощностью 20кВт выработает в день:20кВт х11час= 220кВт*час
4. В год это составит: 220 кВт*час х 320 дней=70400 кВт.час

70400 кВт*час сэкономленной электроэнергии при цене за 1кВт*час= 250сум\кВт*час будет равно 17600000 сум в год. При курсе ЦБ 3500сум за 1$ это составит $5028. Стоимость всей системы GW20K-DT =$3800 за 1 комплект. При покупке партии из нескольких систем скидка обязательна. Таким образом, даже при максимальной цене, устройство окупается за 8.5 месяцев.

В статье мы предлагаем еще более удешевить установку за счет использования сетевого инвертора вместо автономного. В этом варианте, в схему не будет включены зарядное устройство и аккумулятор, а инвертор будет непосредственно соединен с солнечной батареей. Переменное напряжение от инвертора будет подключено через счетчик к питающей сети. Таким образом, компенсация расхода электрической энергии будет проходить непрерывно в объеме 2200кВт час ежедневно. Например, если предприятие в сутки потребляет 6000кВт часов электроэнергии, оплачиваться будут только (600–2200=3800) кВт часов.

Заключение

Использование в качестве независимого источника для питания систем управления работой насосных агрегатов солнечную батарею с необходимыми сопутствующими элементами, мы имеем:

1. Частичная независимость в снабжении электроэнергией от центральной энергосистемы.
2. С учетом 1, возможность получения идеальной синусоиды тока и напряжения и как следствие снижение вероятности ложных срабатываний
3. Возможность корректировки параметров электроэнергии,особенно частоты и амплитуды напряжения.
4. Повышение надежности.
5. Ощутимая экономия электроэнергии, позволяющая в короткий срок окупить затраты на приобретение и установку системы-«Солнечная батарея-Аккумулятор-Инвертор-Контроллер»

1. Б. М. Тешабаев и др. // Анализ работы предприятия ГАК Узбекэнерго Предложения по улучшению качества электрической энергии. Известия АН РУз, № 12, 2014 г.
2. http://www.schneider-electric.ru
3. http://solarcrown.ru/
4. http://www.a-electronica.ru/
5. Testsieger «BesteZinsenTagesgeld 2017" (tagesgeldvergleich.net)
6. Grid development in Uzbekistan: current status and planned tasks, proceedings of the XXII International Symposium on Nuclear Electronics &Computing, Berlin,Germany, September, 24–26,2011 (F. T. Adilova, Ya. T. Adilov, R. K. Bazarov, D. Akhmedov).