Помощь студентам в учебе
АВТОНОМНЫЕ МИКРОГИДРОЭЛЕКТРОСТАНЦИИ С УПРАВЛЯЕМЫМ БАЛАНСОМ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ
|
ВВЕДЕНИЕ 3
Глава 1 АКТУАЛЬНЫЕ ТРЕНДЫ РАЗВИТИЯ МИКРОГИДРОЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ КАК
ЭФФЕКТИВНОГО ИСТОЧНИКА ЭНЕРГИИ 10
1.1 Отечественный и зарубежный опыт применения микрогидроэнергетики 10
1.2 Современные тренды развития микрогидроэнергетики 18
1.3 Классификация деривационных микроГЭС по способам стабилизации выходного
напряжения 27
1.4 Выводы по первой главе 37
Глава 2 МОДЕЛИРОВАНИЕ И ИССЛЕДОВАНИЕ РЕЖИМОВ РАБОТЫ ИНВЕРТОРНОЙ МИКРОГЭС С УПРАВЛЕНИЕМ ГИДРОАГРЕГАТА ПО ЦЕПИ ЯКОРЯ ГИДРОГЕНЕРАТОРА 39
2.1 Задачи исследования и формулировка требований к математическому описанию процессов
энергопреобразования в микроГЭС 39
2.2 Моделирование гидроагрегата 40
2.3 Моделирование гидравлических потерь напорного трубопровода 47
2.4 Выбор типа и моделирование разрядно-зарядных характеристик аккумуляторной батареи.. 50
2.5 Выводы по второй главе 59
Глава 3 ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ РАБОЧЕГО ПОТОКА ВОДЫ ИНВЕРТОРНОЙ МИКРОГЭС С ПОМОЩЬЮ АККУМУЛЯТОРНЫХ НАКОПИТЕЛЕЙ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ 61
3.1 Разработка структуры и алгоритма работы микроГЭС с аккумуляторным балластом 61
3.2 Исследование режимов работы микроГЭС с балластом аккумуляторного типа 72
3.3 Экономические преимущества микроГЭС с аккумуляторным балластом 80
3.4 Выводы по третьей главе 86
ГЛАВА 4 ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНЫЕ ИНВЕРТОРНЫЕ МИКРОГЭС 88
4.1 Инверторные микроГЭС с управлением балласта по технологии поиска максимума мощности
гидротурбины. Алгоритм работы 88
4.2 Моделирование и оптимизация состава и режимов работы МРРТ-балласта при изменении
энергетических характеристик рабочего потока воды микроГЭС 100
4.3 Экономические характеристики и преимущества инверторных микроГЭС с МРРТ-балластом
106
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 119
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 122
Глава 1 АКТУАЛЬНЫЕ ТРЕНДЫ РАЗВИТИЯ МИКРОГИДРОЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ КАК
ЭФФЕКТИВНОГО ИСТОЧНИКА ЭНЕРГИИ 10
1.1 Отечественный и зарубежный опыт применения микрогидроэнергетики 10
1.2 Современные тренды развития микрогидроэнергетики 18
1.3 Классификация деривационных микроГЭС по способам стабилизации выходного
напряжения 27
1.4 Выводы по первой главе 37
Глава 2 МОДЕЛИРОВАНИЕ И ИССЛЕДОВАНИЕ РЕЖИМОВ РАБОТЫ ИНВЕРТОРНОЙ МИКРОГЭС С УПРАВЛЕНИЕМ ГИДРОАГРЕГАТА ПО ЦЕПИ ЯКОРЯ ГИДРОГЕНЕРАТОРА 39
2.1 Задачи исследования и формулировка требований к математическому описанию процессов
энергопреобразования в микроГЭС 39
2.2 Моделирование гидроагрегата 40
2.3 Моделирование гидравлических потерь напорного трубопровода 47
2.4 Выбор типа и моделирование разрядно-зарядных характеристик аккумуляторной батареи.. 50
2.5 Выводы по второй главе 59
Глава 3 ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ РАБОЧЕГО ПОТОКА ВОДЫ ИНВЕРТОРНОЙ МИКРОГЭС С ПОМОЩЬЮ АККУМУЛЯТОРНЫХ НАКОПИТЕЛЕЙ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ 61
3.1 Разработка структуры и алгоритма работы микроГЭС с аккумуляторным балластом 61
3.2 Исследование режимов работы микроГЭС с балластом аккумуляторного типа 72
3.3 Экономические преимущества микроГЭС с аккумуляторным балластом 80
3.4 Выводы по третьей главе 86
ГЛАВА 4 ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНЫЕ ИНВЕРТОРНЫЕ МИКРОГЭС 88
4.1 Инверторные микроГЭС с управлением балласта по технологии поиска максимума мощности
гидротурбины. Алгоритм работы 88
4.2 Моделирование и оптимизация состава и режимов работы МРРТ-балласта при изменении
энергетических характеристик рабочего потока воды микроГЭС 100
4.3 Экономические характеристики и преимущества инверторных микроГЭС с МРРТ-балластом
106
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 119
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 122
Актуальность темы исследования. Обеспечение гарантированного энергоснабжения автономных потребителей в регионах с дефицитом энергии может быть достигнуто за счет использования гидроэнергетического потенциала малых рек, с помощью создания высокоэффективного оборудования для микрогидроэлектростанций (микроГЭС).
На это указывают глобальные тенденции перехода к устойчивому и экологически чистому энергоснабжению, а также изменения в макроэкономической ситуации в России, связанные с существенным подорожанием энергоносителей. Это объективно приведет к необходимости развития возобновляемой энергетики (ВИЭ), в том числе малой гидроэнергетики.
Положительные примеры эффективного использования энергии малых рек и ручьев способствовали формированию понимания среди потенциальных потребителей, административных органов, министерств и ведомств необходимости и возможности применения малой гидроэнергетики для электрификации населенных пунктов, развития небольших производств и повышения качества жизни населения.
Однако в России этот процесс имеет свои особенности, связанные не только с большими запасами углеводородов, но и с разнообразием природно-климатических условий, включая зоны с экстремальными климатическими характеристиками, что усложняет задачи для разработчиков оборудования для малой энергетики.
Новые материалы и технологии позволяют создавать новое оборудование на базе более совершенных технологических схем и эффективнее использовать гидравлическую энергию. Однако этот процесс сдерживается высокой стоимостью гидравлического оборудования, не достаточной эффективностью процессов преобразования энергии потока воды в электрическую энергию.
Степень разработанности темы исследования. Среди отечественных исследовательских школ по тематике научно-технического обоснования практического применения ВИЭ необходимо отметить работы известных российских и зарубежных ученых, таких как: В.С. Квятковского, Н.И. Воропая, Ж.И. Алфёрова, В.И. Виссарионова, БВ. Лукутина, Н.Е. Жуковского, В.В. Елистратова, С.Г. Обухова и др. Также трудно не оценить весомый вклад работ Я.И. Бляшко в вопросах применения гидротурбин в составе автономных систем электроснабжения. Среди иностранных исследователей необходимо отметить A.T. Elsayed, A.A. Mohamed, O.A. Mohammed, D. Borkowski, E. Mudaheranwa, J. Lee,J-W. Jung и др. Тем не менее, не смотря на большое количество работ, ряд научных задач, связанных с оптимизацией структуры и состава оборудования микроГЭС и режимов ее работы, требует более глубокой проработки с использованием современных достижений в области электротехники и возобновляемой энергетики.
Количество энергии, вырабатываемой микроГЭС в единицу времени, носит стохастический характер из-за вариабельности расходов воды в реках. Поэтому целесообразно аккумулировать энергию для использования по мере необходимости, а не в момент ее выработки.
Комплекс решений рассматриваемой научно-технической задачи, должен быть обоснован разработкой энергоэффективных структур и алгоритмов управления систем электроснабжения на базе микроГЭС и основываться на интеллектуальных подходах по регулированию баланса генерируемой электроэнергии с использованием современных систем преобразования и накопления электроэнергии .
Объект исследования - автономный электротехнический комплекс на основе инверторной микроГЭС с аккумуляторными накопителями электроэнергии .
Предмет исследования - структурный синтез и оптимизация электротехнических комплексов на основе микроГЭС с силовыми преобразователями и накопителями электроэнергии, разработка алгоритмов эффективного управления.
Цель работы - повышение технико-экономической эффективности децентрализованных электротехнических комплексов электроснабжения на базе микроГЭС с помощью введения в их энергетический баланс управляемой величины электроэнергии накопительных устройств и интеллектуальных технологий управления резистивным балластом.
Основные задачи исследования:
1. Проанализировать факторы, влияющие на технико-экономические показатели работы микроГЭС, изучить структуры построения автономных комплексов электроснабжения, на базе микроГЭС, определить пути повышения их энергоэффективности.
2. Разработать структуры и математические модели энергопреобразования автономных микроГЭС с силовыми преобразователями и накопителями электроэнергии.
3. Разработать энергоэффективные алгоритмы функционирования микроГЭС с силовыми преобразователями и накопителями электрической энергии, используемыми в качестве управляемого балласта.
4. Разработать структуру и алгоритм функционирования микроГЭС с балластной нагрузкой, управляемой по технологии поиска точки максимальной мощности гидроагрегата.
5. Провести анализ технико-экономической эффективности предлагаемых инверторных микроГЭС с управляемым энергетическим балансом по сравнению с промышленными образцами.
Научная новизна:
1. Предложены структура и алгоритм функционирования системы управления микроГЭС с регулируемым балластом, содержащим резистивные и аккумуляторные элементы, что позволяет практически двукратно повысить электрический коэффициент использования установленной мощности гидроагрегата микроГЭС по сравнению с промышленными образцами с резистивным балластом.
2. Разработана математическая модель поиска точки максимума мощности гидроагрегата микроГЭС, отличающиеся от известных учётом энергетических характеристик гидроагрегатов и динамики изменения водности горных рек.
3. Предложена структура и алгоритм функционирования микроГЭС с МРРТ- контроллером управления балластом, обеспечивающая работу гидроагрегата в режиме максимальной мощности при изменении энергии рабочего потока воды, что позволяет увеличить выработку электроэнергии на величину до 10%.
Теоретическая значимость работы. Основные положения и выводы диссертационного исследования вносят определенный вклад в дальнейшее развитии теории электротехнических комплексов электроснабжения, на основе автономных микроГЭС, с управляемым энергетическим балансом.
1) Показаны преимущества микроГЭС с интеграцией силового
преобразующего оборудования и аккумуляторных накопителей электроэнергии.
2) Предложены математические и компьютерные модели
энергопреобразования в генерирующем, преобразующем и аккумулирующем оборудовании микроГЭС, позволяющее исследовать как статический, так и динамический режимы автономной системы электроснабжения с микроГЭС.
Практическая значимость работы. Разработанные и реализованные в программном комплексе MATLAB оригинальные компьютерные модели микроГЭС, а также алгоритмы взаимодействия, преобразовательного, аккумулирующего и генерирующего оборудования могут использоваться в учебном процессе образовательных учреждений, проектными и производственными организациями - разработчиками и поставщиками оборудования микроГЭС.
Методология и методы исследований. При выполнении исследования использовались методы инженерного анализа и обобщения результатов, метод математического и компьютерного моделирования, а также общенаучные методы познания.
Положения, выносимые на защиту:
1. Гибридная резистивно-электрохимическая система балластной стабилизации режимов работы гидроагрегата деривационной микроГЭС, управляемая по разработанному алгоритму, отличается от известных возможностями увеличивать пиковую нагрузку на микроГЭС выше номинальных значений для гидроагрегата или сокращать длину его напорного трубопровода.
2. Комплексная математическая модель работы инверторной микроГЭС деривационного типа с гибридной резистивной и электрохимической системой накопления электроэнергии, построенная на основе паспортных и экспериментальных данных промышленных гидроагрегатов с напорным трубопроводом и преобразующего электрооборудования, позволяет исследовать и оптимизировать по технико-экономическим критериям суточные энергетические балансы автономной системы электроснабжения на основе микроГЭС. Использование в комплексной модели соответствующих элементов библиотеки MATLAB, позволяет исследовать динамические процессы, вызванные переключениями элементов балластной нагрузки MPPT-контроллера.
3. Структура и алгоритм функционирования MPPT-контроллера управления мощностью балластной нагрузки гидроагрегата, отличающаяся от известных в возобновляемой энергетике, объектом управления и временными параметрами сканирования мощностной характеристики гидроагрегата, обеспечивают его работу с максимальным использованием энергии рабочего потока воды, независимо от внешних факторов, что позволяет увеличивать максимальную мощность, снимаемую с гидроагрегата на величину до 10%.
Степень достоверности и апробация результатов работы. Степень достоверности научных положений, выводов и рекомендаций обеспечена необходимым объемом исследований, включающих научный анализ и обобщение ранее опубликованных исследований, а также корректным применением известных теорий электротехники и методов математического и компьютерного моделирования электротехнических комплексов, результатами численных экспериментов с использованием общепризнанных программных комплексов.
Основные положения и результаты диссертации докладывались и обсуждались на X Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы науки и техники. Инноватика» (г. Уфа, 2023 г.), на Международной научно- практической конференции «Экологическая,
промышленная и энергетическая безопасность - 2023» (г. Севастополь, 2023 г.), на IX Всероссийской научно-технической конференции «Актуальные проблемы энергетики» (Нижний Новгород, 2023 г.), на II Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Потенциал и вызовы развития возобновляемой энергетики» (г. Невинномыск, 2024 г.), на
IV Всероссийской молодежной конференции с международным участием «Бутаковские чтения» (г. Томск, 2024 г.).
Личный вклад автора. Диссертационная работа является результатом самостоятельных исследований автора, где научные положения и результаты, определяющие научную новизну и практическую значимость работы, получены соискателем лично. Автором лично разработана модель для оптимизации микроГЭС и накопителей электроэнергии в составе электротехнического комплекса электроснабжения. Лично соискателем разработан алгоритм энергоэффективного управления элементами микроГЭС, использующий интеллектуальное управление поиска максимума отбора мощности. Личное участие автора подтвержденопатентом РФ, публикациями и выступлениями на конференциях. Автором разработана принципиальная схема и конструкция физической экспериментальной модели инверторного генератора, для верификации математической модели. В опубликованных в соавторстве печатных работах, автору принадлежит научное обоснование принятых технических решений, разработка имитационных математических моделей, методик и алгоритмов. Анализ и обобщение результатов теоретических и экспериментальных исследований, выполнен автором совместно с научным руководителем.
Публикации. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 4 печатных работах, в том числе в 1 статье в издании из Перечня ВАК: рецензируемых научных изданий, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертации на соискание ученой степени кандидата наук, а также в 3 статьях в изданиях, входящих в международную базуданных и систему цитирования Scopus, а также получен 1 патент на изобретение РФ и 1 свидетельство о регистрации ЭВМ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из оглавления, введения, четырех глав с выводами по каждой из них, заключения, списка литературы, включающего 75 наименований. Диссертация изложена на 128 страницах машинописного текста, содержит 49 рисунков и 6 таблиц.
На это указывают глобальные тенденции перехода к устойчивому и экологически чистому энергоснабжению, а также изменения в макроэкономической ситуации в России, связанные с существенным подорожанием энергоносителей. Это объективно приведет к необходимости развития возобновляемой энергетики (ВИЭ), в том числе малой гидроэнергетики.
Положительные примеры эффективного использования энергии малых рек и ручьев способствовали формированию понимания среди потенциальных потребителей, административных органов, министерств и ведомств необходимости и возможности применения малой гидроэнергетики для электрификации населенных пунктов, развития небольших производств и повышения качества жизни населения.
Однако в России этот процесс имеет свои особенности, связанные не только с большими запасами углеводородов, но и с разнообразием природно-климатических условий, включая зоны с экстремальными климатическими характеристиками, что усложняет задачи для разработчиков оборудования для малой энергетики.
Новые материалы и технологии позволяют создавать новое оборудование на базе более совершенных технологических схем и эффективнее использовать гидравлическую энергию. Однако этот процесс сдерживается высокой стоимостью гидравлического оборудования, не достаточной эффективностью процессов преобразования энергии потока воды в электрическую энергию.
Степень разработанности темы исследования. Среди отечественных исследовательских школ по тематике научно-технического обоснования практического применения ВИЭ необходимо отметить работы известных российских и зарубежных ученых, таких как: В.С. Квятковского, Н.И. Воропая, Ж.И. Алфёрова, В.И. Виссарионова, БВ. Лукутина, Н.Е. Жуковского, В.В. Елистратова, С.Г. Обухова и др. Также трудно не оценить весомый вклад работ Я.И. Бляшко в вопросах применения гидротурбин в составе автономных систем электроснабжения. Среди иностранных исследователей необходимо отметить A.T. Elsayed, A.A. Mohamed, O.A. Mohammed, D. Borkowski, E. Mudaheranwa, J. Lee,J-W. Jung и др. Тем не менее, не смотря на большое количество работ, ряд научных задач, связанных с оптимизацией структуры и состава оборудования микроГЭС и режимов ее работы, требует более глубокой проработки с использованием современных достижений в области электротехники и возобновляемой энергетики.
Количество энергии, вырабатываемой микроГЭС в единицу времени, носит стохастический характер из-за вариабельности расходов воды в реках. Поэтому целесообразно аккумулировать энергию для использования по мере необходимости, а не в момент ее выработки.
Комплекс решений рассматриваемой научно-технической задачи, должен быть обоснован разработкой энергоэффективных структур и алгоритмов управления систем электроснабжения на базе микроГЭС и основываться на интеллектуальных подходах по регулированию баланса генерируемой электроэнергии с использованием современных систем преобразования и накопления электроэнергии .
Объект исследования - автономный электротехнический комплекс на основе инверторной микроГЭС с аккумуляторными накопителями электроэнергии .
Предмет исследования - структурный синтез и оптимизация электротехнических комплексов на основе микроГЭС с силовыми преобразователями и накопителями электроэнергии, разработка алгоритмов эффективного управления.
Цель работы - повышение технико-экономической эффективности децентрализованных электротехнических комплексов электроснабжения на базе микроГЭС с помощью введения в их энергетический баланс управляемой величины электроэнергии накопительных устройств и интеллектуальных технологий управления резистивным балластом.
Основные задачи исследования:
1. Проанализировать факторы, влияющие на технико-экономические показатели работы микроГЭС, изучить структуры построения автономных комплексов электроснабжения, на базе микроГЭС, определить пути повышения их энергоэффективности.
2. Разработать структуры и математические модели энергопреобразования автономных микроГЭС с силовыми преобразователями и накопителями электроэнергии.
3. Разработать энергоэффективные алгоритмы функционирования микроГЭС с силовыми преобразователями и накопителями электрической энергии, используемыми в качестве управляемого балласта.
4. Разработать структуру и алгоритм функционирования микроГЭС с балластной нагрузкой, управляемой по технологии поиска точки максимальной мощности гидроагрегата.
5. Провести анализ технико-экономической эффективности предлагаемых инверторных микроГЭС с управляемым энергетическим балансом по сравнению с промышленными образцами.
Научная новизна:
1. Предложены структура и алгоритм функционирования системы управления микроГЭС с регулируемым балластом, содержащим резистивные и аккумуляторные элементы, что позволяет практически двукратно повысить электрический коэффициент использования установленной мощности гидроагрегата микроГЭС по сравнению с промышленными образцами с резистивным балластом.
2. Разработана математическая модель поиска точки максимума мощности гидроагрегата микроГЭС, отличающиеся от известных учётом энергетических характеристик гидроагрегатов и динамики изменения водности горных рек.
3. Предложена структура и алгоритм функционирования микроГЭС с МРРТ- контроллером управления балластом, обеспечивающая работу гидроагрегата в режиме максимальной мощности при изменении энергии рабочего потока воды, что позволяет увеличить выработку электроэнергии на величину до 10%.
Теоретическая значимость работы. Основные положения и выводы диссертационного исследования вносят определенный вклад в дальнейшее развитии теории электротехнических комплексов электроснабжения, на основе автономных микроГЭС, с управляемым энергетическим балансом.
1) Показаны преимущества микроГЭС с интеграцией силового
преобразующего оборудования и аккумуляторных накопителей электроэнергии.
2) Предложены математические и компьютерные модели
энергопреобразования в генерирующем, преобразующем и аккумулирующем оборудовании микроГЭС, позволяющее исследовать как статический, так и динамический режимы автономной системы электроснабжения с микроГЭС.
Практическая значимость работы. Разработанные и реализованные в программном комплексе MATLAB оригинальные компьютерные модели микроГЭС, а также алгоритмы взаимодействия, преобразовательного, аккумулирующего и генерирующего оборудования могут использоваться в учебном процессе образовательных учреждений, проектными и производственными организациями - разработчиками и поставщиками оборудования микроГЭС.
Методология и методы исследований. При выполнении исследования использовались методы инженерного анализа и обобщения результатов, метод математического и компьютерного моделирования, а также общенаучные методы познания.
Положения, выносимые на защиту:
1. Гибридная резистивно-электрохимическая система балластной стабилизации режимов работы гидроагрегата деривационной микроГЭС, управляемая по разработанному алгоритму, отличается от известных возможностями увеличивать пиковую нагрузку на микроГЭС выше номинальных значений для гидроагрегата или сокращать длину его напорного трубопровода.
2. Комплексная математическая модель работы инверторной микроГЭС деривационного типа с гибридной резистивной и электрохимической системой накопления электроэнергии, построенная на основе паспортных и экспериментальных данных промышленных гидроагрегатов с напорным трубопроводом и преобразующего электрооборудования, позволяет исследовать и оптимизировать по технико-экономическим критериям суточные энергетические балансы автономной системы электроснабжения на основе микроГЭС. Использование в комплексной модели соответствующих элементов библиотеки MATLAB, позволяет исследовать динамические процессы, вызванные переключениями элементов балластной нагрузки MPPT-контроллера.
3. Структура и алгоритм функционирования MPPT-контроллера управления мощностью балластной нагрузки гидроагрегата, отличающаяся от известных в возобновляемой энергетике, объектом управления и временными параметрами сканирования мощностной характеристики гидроагрегата, обеспечивают его работу с максимальным использованием энергии рабочего потока воды, независимо от внешних факторов, что позволяет увеличивать максимальную мощность, снимаемую с гидроагрегата на величину до 10%.
Степень достоверности и апробация результатов работы. Степень достоверности научных положений, выводов и рекомендаций обеспечена необходимым объемом исследований, включающих научный анализ и обобщение ранее опубликованных исследований, а также корректным применением известных теорий электротехники и методов математического и компьютерного моделирования электротехнических комплексов, результатами численных экспериментов с использованием общепризнанных программных комплексов.
Основные положения и результаты диссертации докладывались и обсуждались на X Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы науки и техники. Инноватика» (г. Уфа, 2023 г.), на Международной научно- практической конференции «Экологическая,
промышленная и энергетическая безопасность - 2023» (г. Севастополь, 2023 г.), на IX Всероссийской научно-технической конференции «Актуальные проблемы энергетики» (Нижний Новгород, 2023 г.), на II Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Потенциал и вызовы развития возобновляемой энергетики» (г. Невинномыск, 2024 г.), на
IV Всероссийской молодежной конференции с международным участием «Бутаковские чтения» (г. Томск, 2024 г.).
Личный вклад автора. Диссертационная работа является результатом самостоятельных исследований автора, где научные положения и результаты, определяющие научную новизну и практическую значимость работы, получены соискателем лично. Автором лично разработана модель для оптимизации микроГЭС и накопителей электроэнергии в составе электротехнического комплекса электроснабжения. Лично соискателем разработан алгоритм энергоэффективного управления элементами микроГЭС, использующий интеллектуальное управление поиска максимума отбора мощности. Личное участие автора подтвержденопатентом РФ, публикациями и выступлениями на конференциях. Автором разработана принципиальная схема и конструкция физической экспериментальной модели инверторного генератора, для верификации математической модели. В опубликованных в соавторстве печатных работах, автору принадлежит научное обоснование принятых технических решений, разработка имитационных математических моделей, методик и алгоритмов. Анализ и обобщение результатов теоретических и экспериментальных исследований, выполнен автором совместно с научным руководителем.
Публикации. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 4 печатных работах, в том числе в 1 статье в издании из Перечня ВАК: рецензируемых научных изданий, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертации на соискание ученой степени кандидата наук, а также в 3 статьях в изданиях, входящих в международную базуданных и систему цитирования Scopus, а также получен 1 патент на изобретение РФ и 1 свидетельство о регистрации ЭВМ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из оглавления, введения, четырех глав с выводами по каждой из них, заключения, списка литературы, включающего 75 наименований. Диссертация изложена на 128 страницах машинописного текста, содержит 49 рисунков и 6 таблиц.
В результате проведённого исследования были определены пути оптимизации технологий преобразования энергии водотока в электроэнергию с помощью микрогидроэлектростанций. Существенно повышена энергоэффективность инверторной микроГЭС, за счет применения комбинированного балласта, позволяющий экономить энергию, которая расходуется на балласт в классических микроГЭС. Сэкономленная энергия аккумулируется и возвращается в энергетический баланс потребителя, что позволяет повысить коэффициент использования установленной мощности, практически до 1, без учета потерь.
В рамках исследования влияния изменения нагрузки и компенсирующего действия контроллеров заряда-разряда аккумуляторных батарей на параметры гидромеханической системы микроГЭС, был проведен анализ переходных процессов. Результаты анализа показали, что при дискретизации 1 час на действующее значение напряжения гидрогенератора, влияние переходных процессов минимально. Это позволяет не учитывать их при анализе энергетических балансов микроГЭС. Одним из ключевых результатов исследования стало выявление возможности минимизации или исключения применения резистивного балласта при использовании накопителей электроэнергии в составе микроГЭС. Это позволяет увеличить коэффициент использования электрической мощности при неизменной установленной мощности гидроагрегата. Так же анализ показал, что действующее значение напряжения гидрогенератора изменяется в диапазоне от 1,4ином до 0,65Ином при увеличении мощности нагрузки от 0 до 1,3 номинальной. При этом угловая скорость гидрогенератора изменяется от 0,98шном до 0,52шном для того же диапазона изменения нагрузки при базовой частоте вращения ®ном, соответствующей оборотам холостого хода.
В результате предложенного алгоритма функционирования микроГЭС с инвертором и накопителем установлено, что при средней мощности 47% система способна обеспечивать паспортное значение выходной электроэнергии в менее благоприятных условиях ландшафта и водотока. Это позволяет сократить затраты на гидротехнические сооружения и повысить экономическую эффективность проекта. Проведенные автором расчеты показали, что снижение установленной мощности инверторной микроГЭС приводит к уменьшению стоимости оборудования и увеличению коэффициента использования установленной мощности (КИУМ) за счет использования аккумуляторного накопителя электроэнергии. Кроме того, предложен вариант использования базовой микроГЭС на полную номинальную мощность с внедрением аккумуляторных батарей для покрытия двухкратной нагрузки типового графика электропотребления. Этот метод позволяет удвоить электрический коэффициент использования установленной мощности микроГЭС и значительно снизить экономические и экологические издержки при строительстве или реконструкции новых микроГЭС.
В работе были проведены численные эксперименты, которые позволили установить временные параметры процесса поиска точки максимальной мощности генерации гидроагрегата. Также было определено количество дискретных элементов балласта и интервал дискретизации его ступеней. Для выбранной гидротурбины с максимальной мощностью 10 кВт процесс сканирования мощностной характеристики длится 0,4-0,5 секунды при подключении 14 дискретных элементов балласта.
Применение МРРТ-технологий позволяет повысить эффективность гидротурбины на 10% от её номинальной мощности. Это достигается за счёт более точного контроля и управления процессом генерации электроэнергии.
Особенностью реализации МРРТ-технологий в микрогидроэнергетике является большой удельный энергетический потенциал и стабильность рабочего потока воды гидроагрегата. Это позволяет проводить поиск точки максимальной генерации микроГЭС значительно реже (сутки и более) по сравнению с ветро- и фото-генерацией, а также использовать более простые МРРТ-алгоритмы.
Предлагаемые в исследовании структурные схемы и алгоритмы управления инверторными микроГЭС, реализующие МРРТ-технологию, обеспечивают максимально эффективное использование гидравлической энергии малого водотока.
Таким образом, проведенное исследование подтвердило возможность эффективного использования микроГЭС с накопителями электроэнергии без необходимости применения резистивного балласта. Это позволяет повысить энергетическую эффективность и надежность работы микроГЭС в условиях изменения нагрузки.
Дальнейшие исследования могут быть направлены на оптимизацию параметров МРРТ-регулятора балласта для различных типов микроГЭС и условий эксплуатации, а также на разработку более эффективных алгоритмов поиска точки максимальной мощности генерации. Это позволит ещё больше повысить эффективность использования энергии водотока и улучшить техникоэкономические показатели микроГЭС.
В рамках исследования влияния изменения нагрузки и компенсирующего действия контроллеров заряда-разряда аккумуляторных батарей на параметры гидромеханической системы микроГЭС, был проведен анализ переходных процессов. Результаты анализа показали, что при дискретизации 1 час на действующее значение напряжения гидрогенератора, влияние переходных процессов минимально. Это позволяет не учитывать их при анализе энергетических балансов микроГЭС. Одним из ключевых результатов исследования стало выявление возможности минимизации или исключения применения резистивного балласта при использовании накопителей электроэнергии в составе микроГЭС. Это позволяет увеличить коэффициент использования электрической мощности при неизменной установленной мощности гидроагрегата. Так же анализ показал, что действующее значение напряжения гидрогенератора изменяется в диапазоне от 1,4ином до 0,65Ином при увеличении мощности нагрузки от 0 до 1,3 номинальной. При этом угловая скорость гидрогенератора изменяется от 0,98шном до 0,52шном для того же диапазона изменения нагрузки при базовой частоте вращения ®ном, соответствующей оборотам холостого хода.
В результате предложенного алгоритма функционирования микроГЭС с инвертором и накопителем установлено, что при средней мощности 47% система способна обеспечивать паспортное значение выходной электроэнергии в менее благоприятных условиях ландшафта и водотока. Это позволяет сократить затраты на гидротехнические сооружения и повысить экономическую эффективность проекта. Проведенные автором расчеты показали, что снижение установленной мощности инверторной микроГЭС приводит к уменьшению стоимости оборудования и увеличению коэффициента использования установленной мощности (КИУМ) за счет использования аккумуляторного накопителя электроэнергии. Кроме того, предложен вариант использования базовой микроГЭС на полную номинальную мощность с внедрением аккумуляторных батарей для покрытия двухкратной нагрузки типового графика электропотребления. Этот метод позволяет удвоить электрический коэффициент использования установленной мощности микроГЭС и значительно снизить экономические и экологические издержки при строительстве или реконструкции новых микроГЭС.
В работе были проведены численные эксперименты, которые позволили установить временные параметры процесса поиска точки максимальной мощности генерации гидроагрегата. Также было определено количество дискретных элементов балласта и интервал дискретизации его ступеней. Для выбранной гидротурбины с максимальной мощностью 10 кВт процесс сканирования мощностной характеристики длится 0,4-0,5 секунды при подключении 14 дискретных элементов балласта.
Применение МРРТ-технологий позволяет повысить эффективность гидротурбины на 10% от её номинальной мощности. Это достигается за счёт более точного контроля и управления процессом генерации электроэнергии.
Особенностью реализации МРРТ-технологий в микрогидроэнергетике является большой удельный энергетический потенциал и стабильность рабочего потока воды гидроагрегата. Это позволяет проводить поиск точки максимальной генерации микроГЭС значительно реже (сутки и более) по сравнению с ветро- и фото-генерацией, а также использовать более простые МРРТ-алгоритмы.
Предлагаемые в исследовании структурные схемы и алгоритмы управления инверторными микроГЭС, реализующие МРРТ-технологию, обеспечивают максимально эффективное использование гидравлической энергии малого водотока.
Таким образом, проведенное исследование подтвердило возможность эффективного использования микроГЭС с накопителями электроэнергии без необходимости применения резистивного балласта. Это позволяет повысить энергетическую эффективность и надежность работы микроГЭС в условиях изменения нагрузки.
Дальнейшие исследования могут быть направлены на оптимизацию параметров МРРТ-регулятора балласта для различных типов микроГЭС и условий эксплуатации, а также на разработку более эффективных алгоритмов поиска точки максимальной мощности генерации. Это позволит ещё больше повысить эффективность использования энергии водотока и улучшить техникоэкономические показатели микроГЭС.
