68197
2658-4255
Российская Арктика
8
2020
1-73
4-4
MIS
Ри Хан Ву
Университет Дангук
Северная Корея
новый член редакционного совета
Rhee Han Woo
Приветственное слово
Арктика - важная часть огромной океанической конвейерной ленты водных течений, которые формируют климатические условия на всех континентах. Здесь находятся мировые запасы льда и биоресурсов. Арктика ожидает от нас серьезных экспертных исследований и устойчивых инвестиций. В наши дни запускается навигация по Северному морскому пути, новому маршруту между Европой и Северо-Восточной Азией, который ранее был заблокирован ледниками. Для России и Северной Кореи открываются новые возможности сотрудничества. Природный газ, нефть и золото, находящиеся глубоко под землей в Арктике, будут добываться экологически чистым способом. Это внесет вклад в устойчивое развитие приарктических стран. Для меня большая честь быть частью этого журнала, который публикует глубокие исследования и академические работы экспертов в сельскохозяйственных и биологических науках, физиологии (медицине), машиностроении, энергетике, науке о Земле. Эти исследования помогут нам лучше понять наше ближайшее будущее. Вот уже несколько лет я работаю над многосторонним международным сотрудничеством в Корейском энергетическом агентстве. И я пришел к заключению, что успешные партнерские отношения должны строиться на глубоком понимании сторон, где бизнес работает во благо продолжительного сотрудничества. Для меня как эксперта по международным отношениям важно понимать значение арктического региона для Южной Кореи и России: насколько эффективно наши страны могут взаимодействовать по этому вопросу, каким должно быть глобальное сотрудничество, и как бизнес может способствовать этому сотрудничеству. Я желаю журналу «Российская Арктика» плодотворного развития, а также успехов всем экспертам, которых объединяет тема исследования Арктики
The ocean currents heated at the equator cools in the Arctic and form currents that return to the equator, which control the climate of all continents. The Arctic, humanity's ice storage, is awaiting more expert research and more benign investors' sustainable investment. A new route between Europe and Northeast Asia, which has long been blocked by glaciers, is being opened in the Arctic, and South Korea and Russia are becoming countries that enjoy the benefits themselves. Natural gas, oil and gold buried in the Arctic will be developed in an environmentally friendly manner to contribute to the sustainable development of the countries involved. It is a great personal honor to be part of this journal, which shares the deep research and academic achievements of experts from Agricultural and Biological Sciences, Physiology (Medical), Mechanical Engineering, Energy, Earth and Planetary Sciences to realize this close future. I am working on bilateral multilateral international cooperation at my workplace, the Korea Energy Agency. The conclusion I have gained from doing this is that partners of cooperation need a deep understanding of each other and that business must be based in order for that cooperative relationship to continue. As an expert in international relations, I would like to study what the Arctic region means to South Korea and Russia, how effective it is for the two countries to cooperate, how global cooperation should be and what kind of business there should be to sustain that cooperation, a nd exchange views with other experts. Wishing for the development of the Russian Arctic, and the grace of God to all the experts who work together.
4-приветст_слово.pdf
5-14
RAR
Змиева
К.А.
Федеральное Государственное Бюджетное Образовательное Учреждение Высшего Образование «Московский государственный технологический Университет «СТАНКИН»
kirazmieva@mail.ru
г. Москва, Россия
Zmieva
K.A.
Moscow State University of Technology «STANKIN»
Moscow, Russia
ПРОБЛЕМЫ ЭНЕРГОСНАБЖЕНИЯ АРКТИЧЕСКИХ РЕГИОНОВ
PROBLEMS OF ENERGY SUPPLY IN THE ARCTIC REGIONS
В работе рассмотрены текущие проблемы энергоснабжения арктических регионов, проанализированы их основные причины. Представлен опыт стран ЕС, США и Японии по применению возобновляемых источников энергии. Показаны пути повышения эффективности энергоснабжения Арктики.
This paper examines the current problems of energy supply in the Arctic regions and analyzes their main causes. The experience of the EU, USA and Japan on the use of renewable energy sources is presented. Ways to improve the efficiency of energy supply in the Arctic are shown.
Введение Сегодня Арктика характеризуется, с одной стороны, огромным объемом разведанных запасов углеводородов (основных источников электроэнергии в мире), а с другой - серьезными проблемами с электроснабжением региона. Самые северные районы России не включены в систему централизованного электроснабжения (по высоковольтным линиям электропередач) и традиционно снабжаются электроэнергией от устаревших дизельных электрогенераторов и небольших угольных станций (рис. 1). Топливо поставляется в Арктику в рамках так называемого «северного завоза», и в связи с высокой удаленностью регионов севера, ограниченными летним периодом сроками доставки и устареванием существующих дизель-генераторов стоимость электроэнергии на них получается очень высокой [1]. Кроме того, в связи с частыми перебоями в поставках, местное население вынуждено обеспечивать запасы дизельного топлива в среднем на 1,52 года. Дизельные электростанции имеют низкий КПД и очень высокую себестоимость производства электроэнергии, которая доходит до 80-120 рублей за КВт/час. 1 Иллюстрации предоставлены кафедрой ВИЭГ СПбГПУ. По материалам Международного электроэнергетического форума UPGrid. Рис. 1. Централизованные и автономные системы электроснабжения на территории РФ Рисунок 1 - Схема электроснабжения РФ1 Тарифы на электроэнергию в изолированных системах электроснабжения регионов Крайнего Севера сегодня составляют 22-237 руб./кВт-ч, что в 5-55 раз выше средних по России. При этом, для сравнения, если взять среднюю цену электроэнергии в зоне централизованного энергоснабжения по стране - это 3-4 рубля за КВт/ час для конечного потребителя [2]. Включение арктических и прочих отдаленных малонаселенных территорий страны в систему централизованного энергоснабжения еще несколько десятков лет назад было признано неэффективным и слишком дорогостоящим проектом. В то же время высокая себестоимость производства электроэнергии влечет за собой необходимость бюджетных субсидий для сдерживания тарифов для населения (покрытие разницы между тарифом для населения и необходимой валовой выручки). Общий объем государственных субсидий исчисляется сотнями миллиардов рублей, а совокупный объем затрат на энергоснабжение всех потребителей 15 регионов Крайнего Севера сегодня равен 1,7 трлн руб. Дефицит электроэнергии и ее высокая стоимость сильнейшим образом сдерживают темпы развития арктического региона и делают его менее комфортным и привлекательным для населения. Оценка расходов на энергоснабжение в регионах Крайнего Севера РФ По официальным данным, число децентрализованных систем энергоснабжения в регионах Крайнего Севера с высокими затратами на электроэнергию превышает несколько тысяч, которые обслуживают более 11 млн чел. Всего от локальных систем энергоснабжения сегодня питается более 30 тысяч поселений. Из них более 6 000 имеют население свыше 500 чел., более 1 000 поселений имеют население свыше 2 000 чел., и 580 поселений имеют численность свыше 3 000 чел. [3]. При этом совокупный объем затрат на энергоснабжение всех потребителей 15 регионов Крайнего Севера равен 1,7 трлн руб. Значительная часть (две трети) расходов на энергоснабжение приходится на крупную промышленность и трубопроводные системы. Доходы коммунальных организаций от продажи электроэнергии, тепловой энергии и природного газа равны 464 млрд руб. Из них суммарные расходы бюджетов всех уровней на финансирование энергоснабжения регионов Крайнего Севера в 2016 году пришлось более 150 млрд руб. Доля расходов бюджета в оплате услуг энергоснабжающих организаций многих регионов Крайнего Севера превышает 30 %, а в ряде случаев -даже 60 % при среднем по России уровне около 20 %. Размеры перекрестного субсидирования и убытки компаний, снабжающих энергией потребителей Крайнего Севера, превышают 40 млрд руб. Примерно половина этой суммы приходится на субсидирование потребителей территорий с изолированными системами энергоснабжения. Практически во всех регионах Крайнего Севера (за исключением добывающих нефть и газ) доля расходов на энергоснабжение в ВРП составляет 20-37 % и кратно превышает пороги экономической доступности энергии, что не позволяет экономике динамично развиваться. Для населенных пунктов с изолированными системами энергоснабжения отношение расходов на энергоснабжение к муниципальному продукту часто превышает 40 %. [4]. Таким образом, можно сделать вывод, что регионы Крайнего Севера и Арктики особенно нуждаются во внедрении инновационных энергоэффективных решений, а также современных автономных электростанций, использующих гораздо более дешевые возобновляемые источники энергии. Именно здесь, в этих регионах, введение технологий альтернативной возобновляемой энергетики должно не только окупаться, но и в значительной степени сократить бюджетные расходы на субсидирование энергопотребления. И потенциал такой модернизации лежит как раз в существующих на сегодняшний день высоких бюджетных затратах на энергоснабжение арктических регионов. Мировой опыт внедрения возобновляемых источников энергии Развитие возобновляемой энергетики сегодня - глобальный тренд, обусловленный как необходимостью обеспечения энергетической независимости стран и регионов, так и заботой об окружающей природной среде. По итогам прошедшего 2019 года потребление электроэнергии в Европе снизилось на 2% (-56 ТВт*ч), вернув спрос к уровню 2015 года. При этом валовый внутренний продукт ЕС за прошедший год вырос на 1,4%. Доля возобновляемых источников энергии (ВИЭ) в производстве европейской электроэнергии достигла рекордных 34,6%. Солнечная и ветровая энергетика совместно выработали почти 18% электроэнергии (569 ТВт*ч), впервые обогнав уголь по выработке электроэнергии. Доля возобновляемых источников энергии в общем объеме потребления электроэнергии по странам ЕС приведена на рис. 2. Из рисунка видно, что многие страны уже достигли поставленной на 2020 год цели, хотя год еще далеко не завершен. Всего за один год производство электричества на основе угля в Европейском Союзе сократилось на 24%, и в 2019 году составило менее половины от уровня 2007 года. Выработка на основе каменного угля сократилась на 32%, на основе бурого угля - на 16%. В результате выбросы CO2 в энергетическом секторе Европы в 2019 году снизились на 12% - самое большое падение по крайней мере с 1990 года. Половина угольной генерации была заменена ветровой и солнечной энергией, а половина - природным газом. Доля ветровой и солнечной генерации выросла благодаря установке новых мощностей, а рост газовой генерации обусловлен более высокими ценами на CO2 и низкими ценами на газ, что повысило конкурентоспособность газовых электростанций по сравнению с угольными. Отметим, что в 2019 газовая генерация по объёмам выработки была на 8% ниже рекордного уровня 2010 года. Конечно, есть и особенности использования ВИЭ. Так, солнечные батареи бесполезны в пасмурную погоду и ночью, а ветряные электростанции простаивают в безветренную погоду. Но и в этих вопросах мировое энергетические сообщество находится в постоянном поиске решений. Так, для накопления выработанной электроэнергии разрабатываются все более совершенные аккумуляторные батареи, постоянно совершенствуются применяемые материалы и технологии, а для повышения эффективности генерации используются гибридные системы, объединяющие в себе ветряные турбины, солнечные батареи и, к примеру, дизель генератор. Такая система позволит нивелировать подъемы и спады энергии, получаемой на выходе от ветряных мельниц и солнечных батарей, и обеспечить общую надежность функционирования. 2 Рисунок 2 - Доля возобновляемых источников энергии в общем объеме потребления электроэнергии в ЕС: показатели на 2004г., 2015 г. и 2020г. (план и текущее значение)2 по данным ec.europa.eu/eurostat При этом не только Евросоюз демонстрирует высокий интерес к возобновляемым источникам энергии. По данным Bloomberg New Energy Finance тенденция повышения доли инвестиций в различного рода альтернативную энергетику наблюдается по всему миру. При этом, как видно из рисунка 3, постоянный и значительный рост демонстрирует ветроэнергетика - как один из наиболее эффективных и недорогих источников электроэнергии. Что немаловажно, и стоимость электроэнергии, полученной от ВИЭ, уже приблизилась, а во многих случаях ниже стоимости электроэнергии, полученной традиционными способами (при сжигании углеводородов). Показатель несубси-дированной нормированной стоимости ветровой и солнечной энергии составляет сейчас 30-60 долл. США за 1 мегаватт-час (МВт-ч), что ниже диапазона цен на самое дешевое ископаемое топливо - природный газ (42-78 долл. США за 1 МВт-ч) [5]. По информации того же Bloomberg New Energy Finance, стоимость генерации для наземных ветроэнергетических установок и фотоэлектрических солнечных электростанций в первой половине 2018 года уже упала на 18% [6]. Возобновляемые источники энергии для Арктики Возможности для развития ВИЭ в Арктике диктует сама природа. Так, в самых северных широтах есть потенциал для развития ветровой энергетики, а в ряде восточных приарктических регионов (например, в Якутии) - солнечной. Рисунок 3 - Доля мировых инвестиций в возобновляемую энергетику с 2004 по 2010 гг. в трл. долл. (ветер, солнце, биомасса и мусор, биотопливо, геотермальные источники, энергия приливов, малая гидроэнергетика)3- 3 По данным Bloomberg New Energy Finance за 2019 г. Ресурс ВИЭ в арктическом регионе значительный, и его реализация позволит уже в ближайшее время обеспечить 40-50% замену дизельного топлива, а в дальнейшем и больший объем. Важно заниматься изучением естественных и экономических возможностей для развития ВИЭ в каждом конкретном случае и принимать решение с учетом всех выявленных параметров и особенностей территории. В настоящее время состояние технологий возобновляемой энергетики в России характеризуется их слабой развитостью, в особенности в регионах Крайнего Севера и Арктики. Однако значимость ВИЭ в Арктике возрастает именно в настоящее время, и, как уже было сказано выше, связана с высокой себестоимостью традиционных источников энергии, а также необходимостью снижения нагрузки на окружающую среду - одним из важнейших мировых трендов современности. Для роста числа проектов в сфере возобновляемой энергетики в Арктической зоне Российской Федерации необходимы эффективная нормативно-правовая база, благоприятный инвестиционный и налоговый климат, а также высокий уровень государственной поддержки. Рассмотрим существующую систему выработки электроэнергии из ВИЭ в Арктике. Общей особенностью климата северных регионов является продолжительная зима (до 300 дней в году) с морозами, достигающими -35-50°С. В короткий (около 3 месяцев) летний период температура только иногда поднимается до +20°С. Устойчивые и сильные ветра наблюдаются здесь в большей степени зимой, а также в переходный период (весна и осень). А значит в северных регионах высок потенциал развития ветроэнергетики. Существует два основных направления развития ветроэнергетики в условиях Крайнего Севера: 1. Использование малых ветроэнергетических установок (ВЭУ) для децентрализованных потребителей энергии, как отдельно, так и в составе гибридных энергоустановок (совместно с солнечными батареями и дизельными генераторами). Наиболее серьезным препятствием на пути развития малой ветроэнергетики является достаточно высокая стоимость ветряных установок. Сегодня это порядка 2-3 тыс. долларов США за 1 кВт установленной мощности. Но, как уже упоминалось выше, по опыту развитых стран, срок окупаемости таких установок составляет в среднем 5-6 лет. Т.о., малая ветроэнергетика нуждается в точечном со финансировании или субсидировании государством. 2. Применение ВЭУ в составе действующей развитой электросети. Большой опыт в данном вопросе накопили США и ЕС. По данным Deloitte Center for Energy Solutions (США), если ранее не удавалось обеспечить стабильность работы общей энергосистемы с применением ВЭУ, то сегодня все проблемы решены и рост доли солнечно-ветровой энергии сопровождается ростом надежности и устойчивости энергосистем [8]. ВИЭ либо практически не влияют на работу энергосистемы, либо требуют внесения незначительных изменений в порядок эксплуатации и использования существующих энергоресурсов [9]. В условиях холодного климата применение энергии ветра имеет несколько положительных эффектов. Во-первых, холодный воздух обладает большей плотностью, чем теплый. В связи с этим энергоэффективность установки при одной и той же скорости ветра будет выше. Мощность ВЭУ (кВт) рассчитывается следующим образом: Р = 4.81 * Ю^Ес^рф^ где E - коэффициент использования ветровой энергии (характеризует эффективность ветрового колеса и является функцией скорости ветра, угла закрутки лопасти колеса и угловой скорости вращения колеса), d -диаметр ветрового колеса, Р'-плотность воздуха, ф - скорость ветра, *1 -КПД генератора ВЭУ. Из представленного уравнения следует, что мощность ветроэнергетической установки пропорциональна плотности воздуха Р'. Следовательно, при снижении температуры воздуха, например, с +15 до -15°С мощность установки возрастает на 11 %. В то же время при падении атмосферного давления мощность ВЭУ также снижается (например, при падении давления с 770 до 730 мм ртутного столба мощность ВЭУ снижается на 6%). Такие зависимости говорят о том, что получение дополнительной мощности ВЭУ при нестабильных погодных условиях Арктики представляется достаточно трудным. Во-вторых, северные регионы с холодным климатом и очень длинным отопительным периодом характеризуются высоким удельным потреблением электрической и тепловой энергии. В-третьих, как уже говорилось выше, в северных регионах цены на электроэнергию и тепло на порядок выше, за счет использования на электростанциях привозного дизельного топлива, мазута и угля. Все перечисленное должно стимулировать внедрение ВЭУ в локальные и централизованные системы энергоснабжения регионов Крайнего Севера. Следует особенно отметить, что в этих регионах улучшение комфорта и жизненных условий населения имеет гораздо большее значение, чем в других регионах страны. Очевидно, что для эффективной работы ветроэнергетических установок в условиях Севера требуется использование специальных материалов (хладостойкой стали, синтетической низкотемпературной смазки для подшипников, специальных жидкостей для гидравлических систем) и технологий эксплуатации (подогрева редуктора, лопастей и метеорологических датчиков для предотвращения оледенения и отложения изморози). Но даже эти необходимые действия не сделают себестоимость электроэнергии выше, чем при использовании традиционных источников ее выработки. Можно подумать, что использование фотоэлементов (солнечной энергии) в Арктическом регионе нереалистично, но на самом деле это не так. Необходимо учитывать существование в Арктике эффекта альбедо (или коэффициента диффузного отражения, который у белого снега на порядок выше, чем у темных поверхностей), а также тот факт, что в холодном климате увеличивается потенциал производства солнечной энергии. Известно, что чем ниже окружающая температура, тем эффективнее становятся солнечные фотоэлементы (эффективность увеличивается на 0,5% °с). Так, при 0°C КПД фотоэлемента на 10% выше, чем при 20°C. Рисунок 4 - Анадырская ветряная электростанция на мысе Обсервации Анадырского района (2 МВт)4 . 4 Фото https://www.drive2.ru/c/468787778692318135/ Однако в Полярную ночь (зимой) потенциал солнечной энергетики в арктическом регионе резко падает. Таким образом, энергетическая система Арктики, конечно, не может полностью зависеть от солнечной энергетики. Для наибольшей эффективности необходимо рассматривать гибридные системы (сочетание возобновляемых и традиционных источников энергии), о чем уже говорилось выше. В настоящее время в арктической зоне строительство электростанций на основе возобновляемых источников энергии ведется точечно, во многих случаях в формате некоего эксперимента. Вот несколько примеров реализуемых в настоящий момент проектов ВИЭ в Арктике: • Мебельная фабрика «Green House» (с 2015 г.) (г. Мурманск), мощность 500кВт. • Рыболовно-туристический комплекс о. Мудьюг, система освещения (с 2014 г.), Архангельская обл., мощность 1,5 кВт. • Проект «Полярис» (реализуется по международной программе Kolarctic), с 4-мя ветроэлектрическими установками (с 2016 г.), Ненецкий автономный округ, мощность 200кВт. • Анадырская ветряная электростанция на мысе Обсервации Анадырского района, 10 ветрогенераторов (с 2002 г.), Чукотский автономный округ, 2мВт (рис. 4). • Экспериментальная ветроэнергетическая станция в г. Лабытнанги (с 2014 г.), Ямало-Ненецкий автономный округ, мощность 250кВт. • Ветропарк в п. Тикси. Представляет собой технологический комплекс, где объединены ветроэнергетические установки, дизель-генераторы и система аккумулирования электроэнергии. В составе ветропарка 3 ветроустановки суммарной мощностью 900 кВт. Экономия дизельного топлива составляет 500 т в год [7]. • Ветроэлектрический парк «Заполярный», состоящий из 6 ветрогенера-торов (с 1993 по 2014 г.), республика Коми, мощность 1,5мВт. • Экспериментальная ветроэнергетическая станция «Быков мыс» в п. Тикси, республика Саха (Якутия), мощность 1,9 мВт. • Солнечные фотоэлектрические электростанции в с. Дулгалах и с. Куду-Кюэль (с 2013 г.), п. Батамай (с 2011 г.), п. Джаргалах, с. Тойон-Ары (с 2014 г.), с. Куберганя, с. Эйик, , с. Дельгей, п. Батагай, п. Бетенкес, с. Улуу, с. Юнкюр (рис. 5), с. Верхняя Амга, с. Столбы, с. Иннях (с 2015 г.), Ямало-Ненецкий автономный округ, суммарная мощность около 1,4 мВт. Рисунок 5 - Солнечная электростанция. Село Юнкюр, Верхоянский район, республика Саха (Якутия)5. Фото www.kemoblast.ru 5 Из приведенных данных видно, что в настоящий момент возобновляемая энергетика не обеспечивает и доли потребностей арктических регионов в электроэнергии. Несмотря на огромный потенциал возобновляемых источников энергии в Арктике, реализованных проектов все еще очень мало. По официальным данным, суммарные установленные мощности всех ветряных и солнечных электростанций Крайнего Севера не превышают 7-8 МВт, т.е. не сможет обеспечить электроэнергией даже одно из 1000 поселений с населением более 1 тыс. чел. Тем не менее, описанный выше положительный опыт стран ЕС, США и Японии говорит о том, что инвестирование в развитие ВИЭ является эффективным, а само развитие возобновляемой энергетики в Арктике приведет к экономическому росту региона, повышению привлекательности его для населения и снижению негативного воздействия на окружающую природную среду. К тому же, как следует из аналитики проф. И.А. Башмакова [3], при тарифах свыше 20 руб./кВт-ч практически все нынешние технологии возобновляемой энергетики конкурентоспособны, даже при дополнительных затратах на их северное исполнение. Столь стремительный рост производства электроэнергии из возобновляемых источников в развитых странах мира стал возможен во многом благодаря созданию эффективной нормативно-правовой базы для регулирования деятельности участников энергетического рынка, внедрению значимых мер финансовой поддержки, налоговых льгот, а также супер современных инновационных технологий умных малых сетей (smart grid), автоматизации и технологий блокчейна. Для достижения максимального эффекта при внедрении ВИЭ в Российской Арктике имеет смысл, основываясь на достижениях отечественной науки, воспользоваться положительным опытом стран, успешно реализующих подобные проекты. Выводы Реализация программ повышения энергоэффективности и внедрение локальных электростанций на основе ВИЭ на территории арктических регионов позволит: снизить затраты на завоз традиционного топлива (дизель, мазут, уголь), снизить негативное воздействие на хрупкую природную среду Арктики, снизить тарифы на электроэнергию для населения, промышленных и муниципальных объектов, снизить затраты государства на субсидирование высоких тарифов на электроэнергию для населения, промышленных и муниципальных объектов, повысить надежность и стабильность работы энергосистем, повысить конкурентоспособность предприятий за счет снижения их затрат на энергоснабжение, повысить привлекательность Арктики для населения за счет более комфортных условий жизни и труда, снизить зависимость Арктики от «северного завоза».
620.92
10.2441/2658-4255-2020-10086
возобновляемые источники энергии
альтернативная энергетика
Арктика
энергоснабжение
электроэнергия
ветровая энергетика
солнечная энергетика
атомная энергетика
биоэнергетика
renewable energy
alternative energy
Arctic
energy supply
electricity
wind energy
solar energy
nuclear energy
bioenergy
Змиева К.А. Энергосбережение в промышленности как ключевой механизм снижения энергоемкости ВВП России // Электротехнические комплексы и системы управления. 2013. № 3. С. 1-10.
Башмаков И.А. Повышение эффективности энергоснабжения в северных регионах России // Энергосбережение. 2017. № 3. С. 58-72.
Башмаков И.А., Дзедзичек М.Г Оценка расходов на энергоснабжение в регионах Крайнего Севера // Энергосбережение. 2017. № 4. С. 40-51.
Башмаков И.А. Повышение эффективности энергоснабжения в северных регионах России // Энергосбережение. 2017. № 2. С. 46-53.
Lazard, Levelized Cost of Energy Analysis, Version 11.0, 2017, p. 2, https://www.lazard.com/ media/450337/lazard-levelized-cost-of-energy-version-110.pdf
Bloomberg, "Fossil fuels squeezed by plunge in cost of renewables, BNEF says”, Jeremy Hodges, 28.03.2018, https://www.bloomberg.com/news/ articles/2018-03-28/fossil-fuels-squeezed-by-plunge-in-cost-of-renewables-bnef-says
Потравный И.М., Яшалова Н.Н., Бороухин Д.С., Толстоухова М.П. Использование возобновляемых источников энергии в Арктике: роль государственно-частного партнерства // Экономика природопользования. 2020. Том 13. №1. С. 144-159.
Motyka M., Slaughter A., Amon C. Report for Deloitte Center for Energy Solutions «Global renewable energy trends. Solar and wind move from mainstream to preferred» // https://www2. deloitte.com/us/en/insights/industry/power-and-utilities/global-renewable-energy-trends.html?id =gx:2el:3dc:4direnenergy:5awa:6di:09132018. 30p.
International Energy Agency, "Status of Power System Transformation 2018: Advanced Power Plant Transformation”, 2018, р. 21 https://doi. org/10.1787/9789264302006-en
05.04.2020
5-змиева_проблемы_электроснабж.pdf
15-22
RAR
Кувшинов
А.А.
ФГБОУ ВО «Тольяттинский государственный университет»
Ak2390@inbox.ru. AlekseiKuvshinov@yandex.ru
Тольятти, Россия
Kuvshinov
Aleksey A.
Togliatti State University
Togliatti, Russia
Вахнина
В.В.
ФГБОУ ВО «Тольяттинский государственный университет»
vvvahnina@yandex.ru
Тольятти, Россия
Vakhnina
Vera V.
Togliatti State University
Togliatti, Russia
Хренников
А.Ю.
АО «Научно-технический Центр Федеральной сетевой компании ЕЭС»
Khrennikov
Alexander Yu.
Research and Development Center at Federal Grid Company of United Energy System
Moscow, Russia
Черненко
А.Н.
ФГБОУ ВО «Тольяттинский государственный университет»
Тольятти, Россия
Chernenko
Aleksey N.
Togliatti State University
Togliatti, Russia
ВЛИЯНИЕ ГЕОМАГНИТНЫХ ВОЗМУЩЕНИЙ В ПРИПОЛЯРНЫХ РАЙОНАХ НА РЕЖИМ ПЕРЕДАЧИ РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ ПО ВОЗДУШНОЙ ЛИНИИ
INFLUENCE OF GEOMAGNETIC DISTURBANCES IN THE POLAR REGIONS ON THE REACTIVE POWER TRANSMISSION MODE ON THE AIRLINE
Получены аналитические выражения для определения реактивной мощности в начале и в конце межсистемной воздушной линии с учетом параметров ветвей намагничивания силовых трансформаторов, позволяющие учитывать интенсивность воздействия геомагнитных возмущений на режимы электропередачи. Показано, что увеличение интенсивности геоиндуцированных токов способно полностью нарушить транзит реактивной мощности из-за многократного увеличения мощности намагничивания силовых трансформаторов в результате одностороннего насыщения магнитных систем. Приведен численный пример, иллюстрирующий возможность прекращения транзита реактивной мощности при достаточно интенсивных геомагнитных возмущениях.
Analytical expressions are obtained for determining reactive power at the beginning and at the end of an intersystem overhead line, taking into account the parameters of the magnetization branches of power transformers, which allow one to take into account the intensity of the influence of geomagnetic disturbances on power transmission modes. It is shown that an increase in the intensity of geo-induced currents can completely disrupt the transit of reactive power due to the multiple increase in the magnetization power of power transformers as a result of one-sided saturation of magnetic systems. A numerical example is given illustrating the possibility of terminating the transit of reactive power with sufficiently intense geomagnetic disturbances.
Введение. Многолетние наблюдения отмечают около 2500 геомагнитных возмущений, идентифицируемых как «магнитная буря» и «сильная магнитная буря» в течение 11-летнего цикла солнечной активности [1-4]. Геомагнитные возмущения вызывают протекание геоиндуцированных токов (ГИТ) в заземленных обмотках высокого напряжения (ВН)силовых трансформаторов электрических сетей с номинальным напряжением 110 кВ и выше. Под воздействием ГИТ режим перемагничи-вания электротехнической стали силовых трансформаторов с бронестержневой и броневой конструкцией магнитной системы смещается в область технического насыщения [5,6]. Возникает одностороннее насыщение магнитной системы силового трансформатора. В результате ток намагничивания приобретает практически однополярную форму и многократно превышает номинальный ток холостого хода [7]. Мощность намагничивания силового трансформатора также многократно возрастает, оказывая существенное влияние на баланс реактивных мощностей в воздушных линиях электропередачи [8,9]. В частности, ГИТ, вызванные в электроэнергетической системе Hydro-Quebec Канады геомагнитной бурей 22 октября 1999 г., послужили причиной увеличения потерь реактивной мощности с последующим развитием лавины напряжений [10,11]. Таким образом,задача исследования механизмов влияния ГИТ, вызванных геомагнитными возмущениями, на режимы передачи реактивной мощности по воздушной линии является актуальной, причем особую актуальность данная задача приобретает для высокоширотных линий электропередачи. Расчетная схема межсистемной электропередачи. Расчетная схема (а) и схема замещения (б) межсистемной воздушной линии (ВЛ), связывающей две электроэнергетические системы ЭЭС1 и ЭЭС2, показаны на рис.1. Нейтрали обмоток высокого напряжения(ВН) силовых трансформаторов Т1 и Т2 заземлены. Геомагнитные возмущения инициируют возникновение на поверхности земли квазипостоянного ге-оэлектрического поля и соответственно разности потенциалов между заземляющими устройствами нейтралей обмоток ВН силовых трансформаторов Т1 и Т2, которая учитывается в расчетной схеме источником квазипостоянной ЭДС (еГИТ на рис.1,а). ЭЭСJ 0- U2 ЭЭС 1Л ЛТ 2 _ппп ппп_ хт х хт 0 -ГТГ\\. х б) Рисунок 1 - Расчетная схема (а) и схема замещения (б) межсистемной ВЛ. Под воздействием квазипостоянной ЭДС по обмоткам ВН силовых трансформаторов Т7 и Т2 и фазным проводам ВЛ протекают ГИТ по контуру, показанному на рис.1,а. На рис. 1,б представлена схема замещения, в которой силовые трансформаторы Т7 ,Т2 представлены упрощенной Г-образ-ной схемой замещения, для количественных оценок вариаций режима передачи реактивной мощности под воздействием ГИТ. На схеме замещения использованы следующие обозначения: Ji'tj - индуктивное сопротивление фазных проводов ВЛ; Х'Т1, .Х'Тп - индуктивная составляющая сопротивления короткого замыкания силовых трансформаторов Т7 ,Т2 соответственно; х и 1 - индуктивное со противление намагничивания силовых трансформаторов Т7, Т2 соответственно; Ulf Z71 - напряжения на шинах ЭЭС1 и ЭЭС2 соответственно. Потери активной мощности в фазных проводах ВЛ и силовых трансформаторах Т7, Т2 не учитываются. ГИТ, протекая по заземленным обмоткам ВН, вызывают одностороннее насыщение магнитных систем силовых трансформаторов Т7 и Т2. Дан ное обстоятельство обуславливает уязвимость рассматриваемой ВЛ к воздействию ГИТ, результатом которого является многократное уменьшение индуктивных сопротивлений х хм2 ветвей намагничивания силовых трансформаторов Т7 и Т2 из-за существенной нелинейности основной кривой намагничивания электротехнической стали магнитной системы [12]. Именно изменение индуктивных сопротивлений ветвей намагничивания силовых трансформаторов Т7 и Т2 является фактором, определяющим существенное влияние ГИТ на режимные параметры электропередачи. * _-j90 Yu = V Уп ■е а модули собственных и взаимной проводимостей - выражениями Потоки реактивной мощности по межсистемной воздушной линии. Комплексы токов электрических сетей ■ * ЭЭ(ф ( Д) ЭЭС2 (1д) определяются системой уравнений ri=Ui-Yn-LVYn 1 Ii=Ui-Yai-Ui-Yai где Yu - комплекс собственной проводимости ветви ЭЭ(ф при отсутствии источника напряжения; ■ ■ Ua; Y 22 - комплекс собственной проводимости ветви ЭЭС2 при отсутствии источника напряжения; Ui; Y12 комплекс взаимной прово димости ветвей ЭЭС1 и ЭЭС2. Комплексы собственных и взаимной проводимостей будут определяться выражениями где Анализ выражений (2) позволяет заключить, что собственные y11 , y22 и взаимная y12, проводимости межсистем-ной электропередачи также зависят от величины ГИТ. Поэтому в условиях геомагнитных возмущений поддержания неизменными напряжений Ц = const , U2 = const на шинах ЭЭС1, ЭЭС2 недостаточно, как показывает выражение (1), для сохранения неизменными комплексов то-■ * ков li f Гз и следовательно режима передачи активной и реактивной мощности по межсистемной электропередаче. На рис.2 представлены кривые, показывающие характер изменения эквивалентного индуктивного сопротивления ветвей намагничивания силовых трансформаторов Т1 и Т2 в зависимости от глубины насыщения магнитных систем под воздействием ГИТ, которая определяется величиной фазового угла насыщения. ■г/ 180 "/t (экв} 140 120 100 30 20 * V Д (э К0 * - JV <Рг гр. 20 40 во SO юо 120 140 160 1 ВО Рисунок 2 - Зависимость эквивалентного индуктивного сопротивления (X*^3KSy) ветви намагничивания одного силового трансформатора и двух однотипных силовых трансформаторов ) от фазового угла насыщения магнитной системы. В качестве количественного критерия глубины насыщения магнитной системы силового трансформатора использована величина фазового угла насыщения [(р ), определяющего продолжительность однополярных бросков тока намагничивания на периоде напряжения при воздействии ГИТ [8]. С помощью выражений (1) можно определить величину реактивной мощности, выдаваемой ЭЭС1 и величину реактивной мощности, поступающую в ЭЭС2 Q2 =Uj -U2 у12 -cos£-U2 ■у22,(4) где - угол между векторами напряжений ЭЭС1 и ЭЭС2. Сравнивая (3) и (4), видно, что ЭЭС1 выдает, а ЭЭС2 потребляет реактивную мощность, т.е. знаки Q1 и Q2 противоположны. Тогда потери реактивной мощности в индуктивных сопротивлениях электропередачи будут определяться алгебраической суммой (5) U1 'Ун > U2' У 22 потери по т.е. при крываются за счет реактивной мощности 2 2 ЭЭС1, а при Ut -у„ <и2 -у 22 потери покрываются за счет потребления реактивной мощности из ЭЭС2. Анализ полученных выражений позволяет отметить, что неизменные значения режимных параметров [U1 = const U2 = const, S = const) не обеспечат в условиях геомагнитных возмущений сохранение режима передачи реактивной мощности. На рис. 3 представлены энергетические диаграммы баланса реактивных мощностей электропередачи при отсутствии и при различных уровнях геомагнитных возмущений и соответственно ГИТ. Энергетические диаграммы построены для случая работы ВЛ в натуральном режиме, когда мощность магнитного поля линии равна мощности электрического поля [Qm - Q-эл), т-е- линия не потребляют и не генерируют реактивную мощность. При отсутствии геомагнитных возмущений /ГИТ = 0, реактивной мощности Q1 ЭЭС1, определяемой выражением (3), достаточно для создания мощности намагничивания силовых трансформаторов ТГТ2, Q/л ( *гит ) iгит) с о от в етст в е н н о и выдачи реактивной мощности Q2 в приемную ЭЭС2. По мере увеличения ГИТ возрастает мощность намагничивания силовых трансформаторов Т1, Т2 настолько, что наступает равенство т.е. вся реактивная мощность ЭЭС1 расходуется только на покрытие мощности намагничивания. В приемную ЭЭС2 реактивная мощность не отдается, т.е. Q2 - О (рис.3,6). и т ВЛ ЭЭСп ээсх а о. о.-о У, -CQ -Q \\Y2 1 -оэа 11 Q ul б'гнт ) а) .71 ■'Лй ВЛ ээсп ЭЭС! Ql-Q* 1 1 Qm - Q37! б) Qitl (Фит) Рисунок 3 -Энергетические диаграммы потоков реактивной мощности в электропередаче при: а)1ГИТ=_0; б)[гИТ~1ГИТ1 ' В)'1ГИТ~1 ГИТ2 ГИТ1 Qul О'гит) При дальнейшем увеличении ГИТ возможно увеличение мощности намагничивания силового трансформатора Т1 до уровня (рисДв) Q/л О гиг)= Q\\1 В этом случае для поддержания уровня напряжения U2 в конце линии мощность намагничивания силового трансформатора Т2 должна покрываться потреблением реактивной мощности из приемной ЭЭС, т.е. Qд2 (*гиг) ~ Ql t которая должна обладать соответствующим резервом реактивной мощности. На рис.4 представлены графики изменения суммарной мощности намагничивания силовых трансформаторов Т7 Т2 (кривая 1), реактивной мощности, выдаваемой ЭЭС1 (кривая 2) и потребляемой, а затем и выдаваемой ЭЭС2 (кривая 3) в зависимости от интенсивности геомагнитных возмущений, возрастание которой вызывает увеличение фазового угла насыщения m магнитных систем силовых трансформаторов Тг Т2. Зависимости построены с помощью выражений (3), (4) и (5) для слабо загруженной (P*2 = 0,1347) и сравнительно «короткой» линии электропередачи, которая имеет следующие параметры хл = хт2 = 0,08; = х*а = 174,64 ;_vj = 0;050б (50о.и). * Рисунок 4 - Энергетические характеристики электропередачи при воздействии ГИТ (1 - суммарная мощность намагничивания силовых трансформаторов; 2 - реактивная мощность, выдаваемая ЭЭС1; 3 - реактивная мощность, выдаваемая в (потребляемая из) ЭЭС2). Представленные численные значения приведены к номинальным параметрам силовых трансформаторов. Индуктивные сопротивления ветвей намагничивания , силовых трансформаторов Т7, Т2 указаны для режима нормального пе-ремагничивания магнитных систем при отсутствии геомагнитных возмущений (/'ГИТ = 0 ). Как видно, по мере увеличения гИт и соответственно фазового угла насыщения магнитной системы силовых трансформаторов Т7, Т2 многократно возрастает суммарная мощность намагничивания силовых трансформаторов 7ф 79, (кривая 1) от значения Q*T = 0,008 при <Р= ®гРдо значения = 1,0 при <р = 84гр., т.е. фактически до значения номинальной мощности силового трансформатора [13, 14]. Дальнейшее увеличение интенсивности ГИТ и фазового угла насыщения от значения (р = 84*?/?. до значения (р= 12 Од д. сопровождается еще более резким увеличением суммарной мощности намагничивания, вплоть до значения = 3,2 , т.е. почти трехкратного значения номинальной мощности силового трансформатора. При <р>120гр. суммарная мощность намагничивания силовых трансформаторов возрастает только на 6%. Увеличение суммарной мощности намагничивания силовых трансформаторов Т7, Т2 при возрастании интенсивности геомагнитных возмущений вызывает увеличение потребляемой из ЭЭС1 реактивной мощности (кривая 2) и уменьшение реактивной мощности, поступающей в ЭЭС2 (кривая 3). Наконец, при <р = 5Одр. выдача реактивной мощности в ЭЭС2 прекращается и практически вся реактивная мощность, выдаваемая ЭЭС1, расходуется на покрытие мощности намагничивания силовых трансформаторов Тт Т2 и только - 19% на покрытие потерь реактивной мощности в продольных индуктивных сопротивлениях меж-системной электропередачи. Данная ситуация соответствует энергетической диаграмме, изображенной на рис.3,6. При <р = 50?р. реактивная мощность начинает потребляться и из ЭЭС2. С этого момента возрастающая мощность намагничивания силовых трансформаторов Т7, Т2, а также и потери реактивной мощности в продольных индуктивных сопротивлениях электропередачи начинает покрываться за счет потребления реактивной мощности как из ЭЭС1, так и из ЭЭС2 (см. также энергетическую диаграмму на рис.3,в). В частности, при <р- 180гр. суммарная мощность намагничивания силовых трансформаторов Т7, Т2 на - 60% покрывается потреблением реактивной мощности из ЭЭС1 и на - 40% потреблением реактивной мощности из ЭЭС2. Однако это возможно только при наличии соответствующих резервов реактивной мощности. В противном случае геомагнитные возмущения при достаточной интенсивности способны инициировать развитие аварийной ситуации типа «лавина напряжения». Заключение. В неразветвленной схеме передачи электроэнергии поток реактивной мощности в приемную систему существенно зависит от интенсивности геомагнитных возмущений, поскольку увеличение ГИТ способно вызвать многократное увеличение мощности намагничивания силовых трансформаторов повышающей и понижающей подстанций до значений достигающих и даже превышающих собственную номинальную мощность. По мере увеличения ГИТ уменьшается пропускная способность воздушной линии, а поток реактивной мощности в приемную систему уменьшается вплоть до полного прекращения и последующей инверсии направления передачи.
621. 315.051.025: 621.316.1.016.025
10.24411/2658-4255-2020-10081
воздушная линия
силовой трансформатор
геоиндуцированные токи
реактивная мощность
overhead line
power transformer
geo-induced currents
reactive power
Заболотная Н.А. Индексы геомагнитной активности. - Справочное пособие. Изд. 2-е, перераб., М.: Издательство ЛКИ, 2007, 88с.
Тертышников А.В. Возможные коррективы опасных гелиогеофизических явлений. - Гелиогеофизические исследования, выпуск 5, 2013, с.34-42.
Messerotti M. The NOAA Space Weather Scale tables. -COST Action 724, Athens, 11 October, 2005, p.1-4.
NOAA Space Weather Scales [Электронный ресурс]. URL: http://www.swpc.noaa.gov/sites/ default/files/images/NOAAscales.pdf (дата обращения: 21.11.2016).
Coles R.L., Thompson K., Jansen van Beek G. A Comparison between the Rate of Change in the Geomagnetic Field and the Geomagnetically Induced Currents in a Power Transmission System. - Proceedings: Geomagnetically Induced Currents Conference, TR-100450, Electric Power Research Institute. Palo Alto. California, 1992.
Kappenman J.G., Albertson V.D. Bracing for the Geomagnetic Storm. - IEEE Spectrum, 1990, 28, №3.
Takasu N., Oshi T., Miyawaki F., Saito S., Fujiwara Y. An Experimental Analysis of Excitation of Transformers by Geomagnetically Induced Currents. - IEEE Transactions on Power Delivery, 1994, Vol. 9, №2.
Вахнина В.В., Кувшинов А.А., Черненко А.Н. Влияние геомагнитной активности на мощность намагничивания силовых трансформаторов электрических сетей. - Электро. Электротехника, электроэнергетика, электротехническая промышленность, 2016, №2.
Вахнина В.В. Компенсация реактивной мощности в системах электроснабжения промышленных предприятий : учебное пособие. - Тольятти, Изд-во ТГУ, 2011.
Kappenman J.G. Advanced Geomagnetic Storm Forecasting: A Risk Management Tool for Electric Power Operations. - IEEE Transactions on Plasma Science, Special Issue on Space Plasmas, 2000, Vol. 28, №6.
Boteller D.H. Effects of geomagnetically induced current in B. C. Hydro 500 kV - System. - IEEE Trans. On Power Delivery, 1989, 4, №1, р. 818-823.
Кувшинов А.А., Вахнина В.В., Селемир В.Д., Карелин В.И. Пропускная способность межсистемных электропередач в условиях геомагнитной активности. - Электричество, 2016, №9.
Хренников А.Ю. Высоковольтное электротехническое оборудование в электроэнергетических системах: диагностика, дефекты, повреждаемость, мониторинг. Учебное пособие, Магистратура - М. : ИНФРА-М, 2019- 186с., ил.
Khrennikov A.Yu., Kuvshinov A.A., Shkuropat I.A. Providing Reliable Operation of Electric Networks// Nova science publishers, New York, 2019, USA, p. 308, ISBN: 978-1-53615-422-1 https:// n ovapublishers.com/shop/providing-reliable-operation-of-electric-networks/
15-хренников_кувшинов.pdf
11.11.2019
23-36
RAR
Шульга
Р.Н.
Всероссийский электротехнический институт-филиал федерального государственного унитарного предприятия «Российский Федеральный Ядерный Центр- Всероссийский научно- исследовательский институт технической физики имени академика Е. И. Забабахина»
rnshulga@vei.ru
г. Москва
Shulga
R.N.
All-Russian Electrotechnical Institute-Branch of Federal State Unitary Enterprise «Russian Federal Nuclear Center - All-Russian Scientific Research Institute of Technical Physics named after Academician E. I. Zababakhin»
Moscow, Russia
Смирнова
Т. С.
Всероссийский электротехнический институт-филиал федерального государственного унитарного предприятия «Российский Федеральный Ядерный Центр- Всероссийский научно- исследовательский институт технической физики имени академика Е. И. Забабахина»
г. Москва
Smirnova
T. S.
All-Russian Electrotechnical Institute-Branch of Federal State Unitary Enterprise «Russian Federal Nuclear Center - All-Russian Scientific Research Institute of Technical Physics named after Academician E. I. Zababakhin»
Moscow, Russia
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ СУДОВОЙ ЭНЕРГЕТИКИ ДЛЯ ЖИЗНЕОБЕСПЕЧЕНИЯ АРКТИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ
USE OF SHIP POWER FOR LIFE SUPPORT OF ARCTIC FACILITIES
Рассмотренные характеристики Северного морского пути (СМП), атомных ледоколов и их судовой энергетики показывают целесообразность энергоснабжения береговых потребителей с использованием судовых реакторных устройств (РУ) типа атомных станций малой мощности (АСММ), что позволяет унифицировать и тиражировать энергоустановки. Для Арктики и СМП применение АСММ, дополненной шиной постоянного тока и наличием накопителей, является безальтернативным решением в части автономии, снижения выброса диоксидов углерода и азота, отсутствием обслуживания и дистанционным цифровым управлением. Рассмотренные альтернативные варианты энергообеспечения стационарных и мобильных установок наземного, надводного и подводного базирования на сжиженном природном газе (СПГ) предусматривают использование авиационных газовых турбин мощностью до 5 МВт, а для установок морского базирования корабельных газовых турбин мощностью от 30 МВт с применением накопителей электроэнергии, мощность которых зависит от пиковой мощности потребителей. Приведены структура и состав мобильного модульного комплекса жизнеобеспечения (ММКЖ) в составе подводного или надводного энергомодуля с управляемым выпрямителем, выход которого соединен биполярным подводным кабелем постоянного тока с береговыми модулями преобразования, накопления и распределения. Выходы последнего наземными биполярными кабелями связаны со входами модулей водоподготовки и воздухоподготовки, а также производственными и вспомогательными модулями. Комплекс напряжением от 1 до 10 кВ мощностью от 1 до 10 МВт создается с использованием преобразователей тока и напряжения, накопителей электроэнергии, выключателей и кабелей постоянного тока, оснащается цифровыми устройствами управления.
The considered characteristics of the Northern sea route (NSR), nuclear icebreakers and their ship power engineering show expediency of power supply of coastal consumers with use of ship reactor devices (RU) of type of nuclear power plants of small power (ASMM) that allows to unify and replicate power installations. For the Arctic and the NSR, the use of ASMM, supplemented by a DC bus and the presence of storage devices is an alternative solution in terms of autonomy, reducing the emission of carbon dioxide and nitrogen, lack of maintenance and remote digital control. The alternative options of energy supply stationary and mobile installations of ground, surface, and submarine-based liquefied natural gas (LNG) include the use of aviation gas turbines up to 5 MW, and for sea-based vehicular gas turbines of 30 MW using energy storage devices, the capacity of which depends on the peak power of the consumers. The structure and composition of a mobile modular life support complex (MMCF) as part of an underwater or surface power module with a controlled rectifier, the output of which is connected by a bipolar underwater DC cable to the shore conversion, accumulation and distribution modules, are presented. The outputs of the latter are connected by ground bipolar cables to the inputs of the water and air treatment modules, as well as production and auxiliary modules. The complex with voltage from 1 to 10 kV with power from 1 to 10 MW is created using current and voltage converters, energy storage, switches and DC cables, equipped with digital control devices.the possibility of terminating the transit of reactive power with sufficiently intense geomagnetic disturbances.
Характеристики северного морского пути и осваиваемых территорий Северный морской путь (СМП), так же, как и Арктика - это национальный и глобальный проект России в 21-ом веке, который требует мобилизации всех ресурсов страны,освоения новых технологий для достижения главной задачи: подъема экономики, повышения благосостояния народа и защиты северных рубежей протяженностью 23 тыс. км. Протяженность СМ П от проливов архипелага Новая Рисунок 1 - Схема СМП с обозначением основных портов и выгоды его использования [1]. Земля и бухтой Провидения (Тихий Океан) - 5600 км. Маршрут охватывает 5 морей и 10 портов от Мурманска до бухты Провидения с добавлением новых портов Сабетта, Хатанга и др. для вывоза нефти, сжиженного природного газа (СПГ), угля (антрацита) с Таймыра, руды и золота. Схема СМП, приведенная на (рис. 1), достаточно наглядно показывает направление потока грузов в обоих направлениях, что важно для круглогодичной эксплуатации СМП. Расстояние от Санкт-Петербурга до Владивостока через СМП - 14 тыс. км, а через южные моря и Суэцкий канал -23 тыс. км, и, соответственно, фрахт занимает 23 суток против 45 суток. Грузооборот СМП резко нарастает, и если в 2013 г. он составлял 2,8 млн. т, то в 2016 г. - 6,9 млн. т, а в 2020 г. составит 30 млн. т, причем из них 16 млн. т - вывоз из «Ямал-СПГ». К 2030 г. вывоз угля из Таймыра в Китай достигнет 30 млн. т. При круглогодичной навигации к 2021 г. ожидается перевозка до 40 млн. т, а к 2025 г- до 75 млн. т. [1] Сегодня, по словам генерального директора ФГУП «Атомфлот» В. Рукши, объем вывоза СПГ должен составить 40 млн. т, газового конденсата - 5 млн. т. Себестоимость доставки 1 т СПГ в порт Кобе (Япония) через Суэц - 96 долл., а по СМП - 58 долл.; в порт Яньтань (Китай) - 91 долл., а по СМП - 64 долл. Разница в 20-25 долл. за тонну позволяет нарастить парк ледоколов и инфраструктуру портов. [1] Богатства недр шельфа и арктической зоны Российской Федерации (АЗРФ) столь значительны, что возникает задача их освоения и защиты в условиях потепления климата [2]. Карта (рис. 2) показывает лицензионные участки (ЛУ) на шельфе АЗРФ и др. морях «ПАО «НК Роснефть», которые дают представление о перспективах освоения СМП только по нефти. Вывоз нефти из Карского моря через Хатангу на уровне 50 млн. требует использования танкеров водоизмещением по 100 тыс. тонн для прохода от Обской губы до Сабетты [2]. Рисунок 2 - Карта лицензионных участков «ПАО «НК Роснефть» на шельфе морей [1]. Западно-Приновоземельский ЛУ содержит 1,4 млрд. т нефти и 1,8 трлн. куб. м газа, Восточно-Приновоземельский ЛУ -130 млн. т нефти и 500 млрд. куб. м газа [2]. Штокмановское месторождение объемом 4 трлн. куб. м газа и 60 млн. т газового конденсата является крупнейшим в мире [2]. Павловское рудно-металлическое месторождение на острове Южный (архипелаг Новая Земля) входит в пятерку крупнейших в РФ, принадлежит «Атом-редметзолоту» и должно давать до 70 тыс. т цинкового концентрата в год. Предполагаемая смета горно-обогатительного комбината (ГОК) - 22 млрд. руб., порта -до 6 млрд. руб. Освоение предполагается к 2019-2021 гг., потребляемая мощность -до 40 МВт, персонал - 500 человек, работающих вахтовым методом [3]. Целью написания настоящей статьи является анализ потребностей инфраструктуры СМП и предложение по использованию атомных станций малой мощности (АСММ) для локальных систем энергоснабжения береговых потребителей, а также описание мобильного модульного комплекса жизнеобеспечения арктических объектов. Атомные ледоколы для СМП Освоение СМП без ледокольного флота нереально, и только атомные ледоколы могут обеспечить круглогодичную проводку судов, особенно в восточной зоне Арктики. Первый атомный ледокол «Ленин» был построен в 1959 г., прослужил 30 лет с непрерывной эксплуатацией в течение одного года, после чего впервые в нем была осуществлена замена реакторной установки (РУ) на другую установку. Затем последовало строительство 6 ледоколов типа «Арктика» (второе поколение), которые отличались двухкорпусным исполнением, между корпусами которых располагались цистерны для водобалан-сировки, с автономностью до 8 месяцев. Были реализованы два типа судов: «Россия» с двумя РУ, мощностью 75 тыс. л.с.; «Таймыр» и «Вайгач» с 1 РУ, мощностью 40 тыс. л.с., которые имели меньшую осадку для прохода через устья рек. В 90-х годах прошлого века как Военно-морской флот (ВМФ), так и ледокольный флот претерпели большой урон. Из 243 атомных подводных лодок (АПЛ) к началу века осталось 50 АПЛ, а 185 были выведены из состава ВМФ. 3 ледокола были выведены из эксплуатации в связи с сокращением северного завоза. В настоящее время ФГУП «Росатом-флот» располагает семью атомными судами и осуществляет следующие задачи: северный завоз; освоение новых проектов в интересах Минобороны, ГК Росатом в части Павловского месторождения, проектов нефтегазовых и угольных компаний по проводке их судов. Для реализации указанных задач по проекту 22220 строятся ледоколы ЛК-60 типа «Арктика» («Урал», «Сибирь») (третье поколение) мощностью 60 МВт, водоизмещением 33,5 тыс. т с системами электродвижения (СЭД), преодолевающие льды толщиной до 3 м. Следующее четвертое поколение будет реализовано на основе ледокола типа «Лидер». Технические характеристики ледокола «Лидер», (проект 10510) по данным центрального конструкторского бюро (ЦКБ) «Айсберг»: водоизмещение - 71380 т, длина - 209 м, ширина - 47,7 м, осадка - 13 м, РУ - РИТМ 400 тепловой мощностью - 315 МВт, мощность на винтах - 120 МВт, автономность (по провизии 8 месяцев), ледопроходимость -4,3 м на скорости 2 узла, 2,0 м на скорости 15 узлов. Концепция «открытой кормы» для подобных судов разных классов позволяет разместить на корме легкосъемные боевые модули разных типов. К 2035 году предусматривается использование 8 атомных ледоколов 4 поколения и свыше 100 танкеров и газовозов водоизмещением до 100 тыс. т. [1]. Реакторные установки малой мощности По терминологии Международного агентства по атомной энергии (МАГАТЭ) РУ мощностью до 300 МВт относятся к типу малой мощности, которые классифицируются как АСММ. В тоже время по типу нагрузок малыми считаются нагрузки до 30 МВт. Мировой интерес к АСММ обусловлен потребностями большинства стран в источниках малой мощности для выработки электричества, тепла и холода, опреснения воды на основе технологических решений без выброса диоксидов углерода, с быстрым вводом в эксплуатацию (1 год вместо 5 лет как для крупных атомных электростанций (АЭС) [4]. Большие массогабаритные показатели ранее разработанных в ГК Росатом сухопутных РУ были преодолены на судовых и подводных РУ. С 1959 по 2018 гг. преимущественно в ОКБМ Африкантова были разработаны 4 поколения РУ. 3 поколение на базе РУ КЛТ-40М и ОК-900А соответственно тепловой мощностью 135 и 170 МВт имели срок службы 25 лет, непрерывной работы - 8 тыс. час. 4 поколение РУ РИТМ-200 с мощностью блоков по 175 МВт должно иметь срок службы 40 лет, непрерывной работы - 26 тыс. час [4]. НИКИЭТ разработал РУ Шельф тепловой мощностью 6,4 МВт, непрерывной работой 5 тыс. час. в наземном и подводном варианте с ориентировочной стоимостью 10 руб./кВтч. ОКБМ Африкантова и ЦКБ Рубин еще до перестройки разработали подводный энергокомплекс РУ Айсберг тепловой мощностью 24 МВт, непрерывной работой 8 тыс. час. с подводными буровыми, сейсморазведкой, охраной и др. модулями. «Инжиниринговая компания инновационных проектов ИКИП» разработала АСММ мощностью от 0,1 до 1 МВт для обеспечения буровых станций связью, бытовыми условиями и др. нуждами [2]. Частно-государственная компания «АКМЭ-Инжиниринг» разработала и строит АСММ со свинцово-висмутовым теплоносителем на быстрых нейтронах СВБР-100 и СВБР-10, предназначенные для гражданского применения и для нужд Арктики, потенциальный объем мирового рынка которого оцениваются в 600 млрд. долл. Промышленное производство СПГ и морские терминалы погрузки СПГ также возможно питать АСММ надводного и подводного базирования. В результате, для энергообеспечения Арктики, уже сегодня можно использовать более 20 типов АСММ мощностью 0.1; 1; 10; 30 МВт, т.е. весь диапазон малой генерации и малых нагрузок, характерных для Арктики (в связи с малочисленностью населения). На (рис. 3) приведен схематический чертеж АСММ «Унитерм» разработки НИКИЭТ, которая может быть применена в вариантах морского, подводного и сухопутного базирования [4]. Предполагается, что РУ 4 поколения на быстрых нейтронах типа СВБР-100 и СВБР-10 с использованием МОКС топлива смогут закрыть проблему АСММ различного назначения и, несмотря на большую стоимость сравнительно с водо-водяны-ми РУ, стать базовыми за счёт их широкого тиражирования, безопасности эксплуатации и удешевления топлива за счёт работы по замкнутому циклу. На (рис. 4) приведён схематический чертёж реакторного моноблока СВБР-100 разработки «АКМЭ-Инжиниринг». Характеристики СВБР-100 приведены в (табл.1) [5]. Рисунок 3 - Схематический чертеж АСММ «Унитерм» разработки НИКИЭТ, где 1- Бак железоводной защиты 2- Баллоны хранения газообразных радиоактивных отходов 3- Система подачи жидкого поглотителя 4- Защитная оболочка 5- Оболочка противоударной защиты 6- Теплообменник системы расхолаживания 7- Парогенерирующий агрегат 8- Блоки радиационной защиты 9- Хранилище жидких и твердых радиоактивных отходов 10- Фундамент Рисунок 4 - Реакторный моноблок СВБР-100 [5], где ГЦН - главный циркуляционный насос, ПГ - парогенератор, СУЗ - система управления и защиты Таблица 1 Характеристика Единица измерения Значение Мощность РУ тепловая МВт 280 Мощность электрическая МВт 100 Давление генерируемого насыщенного пара МПа 7,0 Паропроизводительность т/ч 580 Теплоноситель 1 контура состав 44,5% Pb + 55,5% Bi: Температура теплоносителя 1 контура, вх/вых °С 340 / 490 Кампания активной зоны тыс. эфф.ч 50 Топливо: тип среднее обогащение по U-235 максимальное обогащение по U-235 по U02 % % % 20 16,3 Интервал времени между перегрузками лет (одномоментная перегрузка всего топлива) 7 - 8 Габариты МБР (диаметр/высота) м 4,53 / 7,86 Электрические суда и их энергетика Судовые электроустановки обладают высоким коэффициентом полезного действия (КПД), обеспечивают гибкость и повышенную надежность и, что еще более важно, снижают стоимость оборудования. Простота схемотехники, сокращение числа первичных источников энергии, интеграция, гибкость проектных решений и убедительные коммерческие преимущества делают их перспективными для решения предъявленных кораблестроителями требований. Системы судовых ходовых электроустановок по данным [6] разделяются на три основных направления, а именно: • гибридные, • интегрированные(1ЕР), • полностью интегрированные (IFEP). • гибридные установки - это корабельные установки, сходные с фрегатом серии Т23, где применение механического привода сочетается с электрическим приводом; • I EP-установки, где традиционные пользования всех возможностей источники энергии, используемые мощных систем энергоснабжения Потребители 360В 60Гц ло ГКО) Р1™'*"**0 v * Освещение Управление Сигнализация Мониторинг Шика САУК а L©_ и Гамеля турбина Г ТУ Г о Газовая <урбинл Г ТУ Г АБ Химический истздмк Дизель на корабле, заменяются на чисто электрические источники. В качестве примера можно привести эсминец серии T45, танкеры серии AO и десантные корабли LPD(R); • IFEP-установки, где концепция электрических источников энергии развивается дальше путем применения силовой электроники и элементов накопления электроэнергии, что дает дополнительные преимущества по стоимости и оперативным характеристикам; В настоящее время термины электрокорабль и военный электрокорабль обозначают отдельные категории: • электрокорабль - объединяет в себе усовершенствованные первичные источники энергии и развитую систему электрификации, встроенную в архитектуру IFEP; • военный электрокорабль - электрокорабль, в котором системы наведения и мощное вооружение объединены в единое целое для ис- Источтм эпектрмчеоюи энергии В В в [7,8, 9]. На (рис. 5) приведена структурная схема энергоснабжения корабля среднего класса типа эсминца или ледокола. Силовая установка (СУ) содержит 2 ГТУ каждый мощностью 36 МВт (для эсминца Zumwalt) или по 27 МВт для отечественного судна, два дизель-генератора каждый мощностью по 6 МВт, одна-две батареи накопителей энергии НЭЭ в виде конденсаторов, суперконденсаторов и аккумуляторных батарей АБ. Источники в виде синхронных генераторов Г с постоянными магнитами (возможны и сверхпроводящие двигатель-генераторы) через выпрямители В нагружены на униполярную или биполярную сеть постоянного тока высокого напряжения ВН - 6(10) кВ и могут работать с самой высокой частотой вращения. Система автоматического управления комплекса (САУК) осуществляет управление и мониторинг агрегатов по шине САУК. Цепи собственных нужд информационно-вычислительного комплекса могут содержать секционированную шину низкого напряжения НН - 0,22-0,4 кВ. С. ск Накопители Рисунок 5 - Структурная схема энергоснабжения корабля, где принимаются обозначения: ГТУ-газотурбинная установка, В-выпрямитель, И-инвертор, АБ-аккумуляторная батарея, С, СК-кон-денсаторы, суперконденсаторы, ЛО (КО)-лазерное (кинетическое оружие), САУК- система автоматического управления комплекса [9] Питание приводов и различных видов оружия осуществляется от шины ВН. Мощность накопителей электроэнергии (НЭЭ) и аккумуляторных батарей (АБ) выбирается как из условия резервирования СУ, так и с учетом энерговооруженности корабля. Автономность кораблей с ГТУ ограничена запасами топлива, в отличие от ледоколов СМП, где вместо газотурбинных установок (ГТУ) устанавливаются одна или две АСММ с турбогенератором и перегрузкой по топливу через 8 лет. НЭЭ позволяют кораблям осуществить форсировку движения, обеспечивают резервирование по мощности, а для ледоколов - надвижение на лед. Автономные локальные системы энергоснабжения могут применяться для надводного, подводного и наземного базирования, при этом мощность единичного модуля электропитания составляет 6 МВт при напряжении 6 кВ. Ниже приведены характеристики газотурбинного агрегата ГТА-6/8 РМ производства НПО «Сатурн» (г. Рыбинск) на базе авиационного двигателя Д30КУ/КП(табл.2) [11]. Указанные агрегаты имеют суммарную наработку 55 млн. час. при питании от газа или керосина. В качестве источника корабельной ГТУ может использоваться ГТУ мощностью 27 МВт, электрической мощностью 12,65 МВт, Таблица 2 Характеристика Единица измерения Значение Мощность на выходном валу МВт 6,5 Мощность электрическая МВт 6 Мощность тепловая Гкал/час 12,2 КПД (ISO 2314) % 25,7 Частота вращения об/мин 3000 Расход дизельного топлива кг/час 2263 Расход топливного газа кг/час 1950 Температура газа за турбиной °С 460 Расход газа на выходе кг/с 47,3 Габариты (L х B х H) м 3,4 х 2,3 х 2,5 Масса с рамой т 5,62 КПД 28,5%, коэффициентом давления 10,5, расходом выхлопа 124 кг/с, температурой выхлопа 487 °С, частотой вращения 5000 об/мин, весом 87 т, габаритами 11,6 х 3,2 х 3,7 м. Назначенный ресурс ГТУ составляет 120 тыс. часов, срок службы 20 лет. Удельная мощность авиационных газовых турбин составляет выше 1000 Вт/кг, корабельных - в 3 раза ниже, а дизель-генераторов - примерно в 5-7 раз ниже. В качестве источника ледокольной энергоустановки для питания береговых потребителей с помощью плавучего или подводного энергоблока могут использоваться РУ СВБР-100, РИТМ-200. Для Арктики и СМП применение АСММ с шиной постоянного тока и наличием накопителей является безальтернативным решением в части автономии, снижения выброса диоксидов углерода, отсутствием обслуживания и дистанционным цифровым управлением. Номинальная мощность АБ определяется резервированием энергоснабжения и форсировкой приводов собственных нужд и электродвижения, причем, в качестве основных типов АБ предполагается использование литиевых батарей для мобильных комплексов. Литиевые элементы самые легкие, имеют номинальное напряжение 3,6 В, удельную энергоемкость 240 Вт.ч/кг, число циклов заряд-разряд 600, диапазон температур -20^+60 °С. Для стационарных установок, по-прежнему, целесообразно применять никель-кадмиевые батареи. Никель-кадмиевые элементы имеют номинальное напряжение 1,35 В, удельную энергоемкость 45-60 Вт.ч/кг, число циклов заряд-разряд 1000-1500, диапазон температур -50^+40 °С, срок службы 20-25 лет и их можно хранить про запас. В качестве НЭЭ целесообразно использовать металло-пленочные импульсные конденсаторы КПИМ и ИКЧ с высокой удельной энергией - до 0,3 Дж/ч, собственной индуктивностью - примерно 10 нГн и внутренним сопротивлением 10 мОм [3]. Указанные конденсаторы разработаны на напряжение 5-100 кВ с максимальным током 100-300 кА с числом циклом 60-120 тыс. Наряду с конденсаторами возможно применение суперконденсаторов (СК), которые накапливают энергию в двойном электрическом слое на поверхности высокопористой наноструктуры. СК имеют емкости от 10 до 12000 Ф рабочим напряжением 1-15 В. Наиболее распространенными являются полимерные СК с напряжением 2,5-2,7 В, импульсным током 30 А, ёмкостью до 2600 Ф, диапазоном температур -30©+75 °С. Удельная энергоёмкость СК - до 10 кДж/кг, удельная мощность - 3 Вт/кг [10]. Структура и состав мобильного модульного комплекса жизнеобеспечения (ММКЖ). Технические решения по использованию модульных комплексов освещены в [11], а экологические аспекты в [12]. На арктических объектах необходимо использовать кабельные линии (КЛ) взамен прокладки воздушных линий (ВЛ) не только в силу большей пропускной способности и надёжности, но в силу большей стойкости к техногенным, природным воздействиям, улучшению экологии в условиях таяния вечной мерзлоты и др. факторам. Особенно это относится к подводной или надводной реализации комплекса. Разработанный в ВЭИ-филиал ФГУП «РФЯЦ-ВНИИТФ», г. Москва проект «Мобильный модульный комплекс жизнеобеспечения» ММКЖ [13] позволяет обеспечить потребителей не только электричеством, но, и, теплом, холодом, водой, (по потребности - воздухом). Структурная схема ММКЖ приведена на (рис.6). Сдвоенными линиями показаны водяные и воздушные трубопроводы. Управляемый выпрямитель 4 присоединяется к выходу турбогенератора либо водородного энергомодуля топливного элемента (ТЭ). Основными модулями ММКЖ являются управляемый выпрямитель 4 и модуль преобразования, накопления и распределения 2. На (рис. 7 и 8) соответственно приведены однолинейные принципиальные схемы модулей 4 и 2, причем модуль 4 встраивается в подводный или надводный энергомодуль 1, для передачи питания на модуль 2 биполярным силовым и оптическим кабелем 6. На (рис.8) принимаются те же обозначения, что и на (рис.7), но 1- НЭЭ типа 5 I -4: 2 1 4>- >- Е>электричество Воздух подготовленный вода подготовленная -<1 -<1 Рисунок 6 - Структурная схема ММКЖ [13], где 1- атомный энергетический модуль с турбогенератором либо водородный энергомодуль на основе тврдооксидных топливных элементов (ТЭ) 2- модуль преобразования, накопления и распределения электроэнергии 3- модуль водоподготовки 4- управляемый выпрямитель 5- модуль воздухоподготовки 6- биполярный кабель постоянного тока 7- трехфазный кабель переменного тока, либо биполярный кабель постоянного тока Рисунок 7 - Однолинейная принципиальная схема управляемого выпрямителя 4 (см. рис.6) [13], где 1- генератор атомного или водородного энергомодуля, 2- преобразователь тока на тиристорах (либо преобразователь напряжения на приборах IGBT или IGCT), 3- однополюсный выключатель постоянного тока, 4- трансформатор, 5- конденсатор, 6- реактор, 7- трехполюсный выключатель переменного тока ТЭ или аккумуляторная батарея АБ, а 8-технологический модуль водоподготовки или воздухоподготовки, либо другой по необходимости. На (рис.8) приведена однолинейная принципиальная схема модуля преобразования, накопления и распределения 2, указанного на (рис.6). На (рис.7, схема а) соответствуют некомпенсированному преобразователю тока (ПТ), которая наиболее употреби-ма для работы с синхронным генератором 1; схема б) соответствует компенсированному преобразователю тока (КПТ) и приспособлена для работы с генератором 1 на постоянных магнитах, с целью регулирования напряжения за счет преобразователя напряжения (ПН) на шинах генератора; схема в) соответствует ПН и позволяет работать с любым типом генератора 1. Наличие трансформатора позволяет осуществить гальваническую развязку и согласовать по напряжению генератор и преобразователь. Применение ПН позволяет отказаться от трансформатора, но примерно на 30 % дороже ПТ. Схемы (рис. 8) аналогичны (рис.7), но работают в инверторном режиме с большим потреблением реактивной мощности и отличаются желательной установкой накопителей 1 вместо генераторов 1 на (рис.7). Если потребители на берегу используют переменный ток (например, при модернизации электроснабжения), то применяются схемы (рис.8). Если система электроснабжения создаются вновь, то береговые потребители могут получать постоянный ток непосредственно от шин накопителей 1 при отказе от инверторов 2, показанных на (рис.8). При наличии возобновляемых источников энергии (ВИЭ) они могут подключаться к шинам накопителей 1 непосредственно через выключатели постоянного тока 3. в) Рисунок 8 - Однолинейная принципиальная схема модуля преобразования, накопления и распределения 2, указанного на (рис.6) [13]. Подводный биполярный кабель 6, который соединяет подводный энергомодуль 1 (с модулем 4) и береговой модуль 2 (см. рис. 6) может быть как двухпроводным с возвратом тока по морю, так и иметь третий провод (показан пунктиром), который существенно повышает надежность энергоснабжения и обеспечивает безопасность подводных обитателей. Наличие биполярного подводного кабеля постоянного тока 6 на выходе выпрямителя 4 позволяет минимизировать емкость конденсаторов на выходе выпрямителя и повысить надежность электроснабжения при аварии одного полюса выпрямителя или кабеля. Работа мобильного модульного комплекса жизнеобеспечения Мобильный модульный комплекс (ММКЖ) работает следующим образом. При доставке комплекса буксиром к месту дислокации (в составе трех-четырех модулей) осуществляется следующее размещение (см. рис.6): модуль 1(4) - на достаточной глубине от промерзания и волнения моря, либо наплаву - на якорях; модули 2,3,5 и др. - на берегу (вдали от линии прибоя и приливов). Затем, на случай дрейфа, с помощью буксира прокладываются подводные кабельные линии постоянного тока 6 между модулями 1 и 2 (см. рис.6). Модули 2,3,5 и выход к береговым потребителям связывают наземными кабельными линиями постоянного тока. После монтажа комплекса осуществляют запуск атомного реактора, либо водородного энергомодуля и вспомогательных устройств; подключение нагрузок; проводят автономные испытания модулей, пробный пуск и проверки комплекса. Нагрузки изменяют ступенями с выдержкой времени и фиксацией в протоколах испытаний. Модуль водоподготов-ки 3 в связи с большим электропотреблением подключают в последнюю очередь, причем возможна разновременная работа модулей 3 и 5: модуль 5 - днем, модуль 3 - ночью. Аналогично присоединение ВИЭ, например, солнечных батарей, ветровых генераторов и т.п., может происходить по мере необходимости: заряд НЭЭ в модуле 2 - ночью, разряд НЭЭ - днем в пике потребления. В установившемся режиме турбогенератор модуля 1 вырабатывает трёхфазный переменный ток, который выпрямляется управляемым полупроводниковым выпрямителем и по подводным кабельным линиям постоянного тока передается на берег к модулю 2. Модуль 2 передает электричество постоянным током береговым потребителям и, при необходимости, - на модуль 3 для водоподготовки и модуль 5 для воздухоподготовки. Модуль 3 осуществляет забор морской воды через прибрежные трубопроводы, осуществляет водоподготовку и накопление приготовленной воды, в береговых балластных цистернах, включая контроль количества и качества питьевой воды исходя из предполагаемых потребностей. Перед окончанием расхода топлива в модуле 1 и приходом другого заправленного модуля 1, осуществляется полная зарядка НЭЭ в модуле 2, а также присоединение ВИЭ для питания потребителей на время замены модуля 1. Отработавший модуль 1 с помощью буксира доставляется на централизованный пункт заправки топлива. В нормальных режимах значение передаваемой мощности от модуля 1 задается уставкой мощности от берегового диспетчерского пункта, которая по телеканалу (оптоволокну) передается на модуль 2 и на модуль 1 с разделением этой уставки на две составляющие, с приоритетом в части стабилизации предшествующего режима модуля 1. Изменение уставки мощности и режима модуля 1 сопровождается плавным изменением углов управления выпрямителя 4, который с помощью своего регулятора тока изменяет ток в подводном биполярном кабеле в сторону заданной уставки, одновременно изменяя уставку тока регулятора заряда или разряда накопителя модуля 2. Ток биполярного кабеля при симметрии напряжений полюсов выпрямителя модуля 4 в нейтральном кабеле, соединяющем средние точки выпрямителя 4 и модуля 2 отсутствует. При возникновении аварии в одном из полюсов подводного кабеля аварийный полюс мгновенно отключается с помощью его выключателей постоянного тока 3 (рис. 7,8), а уставка тока в регуляторе неповрежденного полюса выпрямителя 4 повышается вдвое, компенсируя снижение вдвое потока активной мощности для потребителей. При этом ток из неповрежденного полюса переходит в нейтральный кабель или при его отсутствии кратковременно протекает по морю. Наличие автоматики перевода в инверторный режим ПИР в управляемом выпрямителе 4 позволяет осуществить отключение поврежденного полюса даже при замене выключателей 3 на разъединители путем их отключения в бестоковую паузу, что сопровождалось бы кратковременным перерывом энергоснабжения потребителей при отсутствии накопителей. Наличие этих накопителей смягчает условия протекания рассматриваемого предельного аварийного режима. Восстановление исходного нормального режима сопровождается предварительным замыканием отключенных выключателей 3 с последующим плавным изменением углов управления аварийного полюса выпрямителя 4 и снижением уставки регулятора тока неповрежденного полюса до исходного значения. Выводы Рассмотренные характеристики СМП, атомных ледоколов и их судовой энергетики показывают целесообразность энергоснабжения береговых потребителей с использованием судовых РУ типа АСММ, что позволяет унифицировать и тиражировать энергоустановки. Для Арктики и СМП применение АСММ с шиной постоянного тока и наличием накопителей является безальтернативным решением в части автономии, снижения выброса диоксидов углерода и азота, отсутствием обслуживания и дистанционным цифровым управлением. Рассмотренные альтернативные варианты энергообеспечения стационарных и мобильных установок наземного, надводного и подводного базирования на СПГ предусматривают использование авиационных газовых турбин мощностью до 5 МВт, а для установок морского базирования - корабельных газовых турбин мощностью от 30 МВт с применением накопителей электроэнергии, мощность которых зависит от пиковой мощности потребителей.
621.313
10.24411/2658-4255-2020-10082
атомный ледокол
энергоснабжение
энергоустановка
шина постоянного тока
накопитель электроэнергии
жизнеобеспечение
nuclear icebreaker
power supply
power plant
DC bus
electricity storage
life support
Шульга Р.Н., Петров А.Ю., Завидей В.И. Судовая атомная энергетика, как основа постороения втономных систем энергоснабжения при освоении арктических территорий// Энергетика. 2019 2(69) С. 93-97
Почему Россия и Беларусь должны делать малые АЭС вместе, Малая энергетика для Арктики, СОНАР 2050
Марцинкевич Б. Мегапроекты в Арктике без прямого участия государства невозможны, https://www.geoenergetics.ru, 04.10.2017
Саркисов А.А. Атомные станции малой мощности: новое направление развития энергетики: Т. 2 М: Академ-Принт, 2015. 387 с.
Комлев О. Г, Тошинский Г И., Тормышев И. В. СВБР-100: Потенциальная энергия теплоносителя и безопасность АЭС// Безопасность ядерных технологий и окружающей среды. 2012. №1.
G.T. Little, S.S. Yong, J. M. Newell, Военно-морской корабль 7 поколения//пер. и ред. Местергази В. А. ВЭИ-Принт. 2017
Боровиков П. В., Шульга Р. Н. Энергообеспечение нетрадиционных направленных видов наступательного оружия//изд. РАРАН// 2017
Коул Дж. М. Пять видов оружия будущего, которое может изменить характер войны// The National Interest (дата обращения 16.02.2014)
Лазерное оружие - реалии настоящего времени. URL: www.arms-expo.ru (дата обращения 02.09.2009)
Каталог ООО «Русская технологическая группа 2». URL: http://www.rustechgroup.ru/rus/index. htm 2012. (дата обращения 02.09.2009)
Шульга Р. Н. , Путилова И. В. Мультиагентные системы постоянного тока с использованием ВИЭ и водородных топливных элементов// Альтернативная электроэнергетика и экология. (ISJAEE). 2019. 04-06. С. 65-82.
Шульга Р. Н., Путилова И. В., Петров А. Ю. Арктика: экология и водородная электроэнергетика// Альтернативная электроэнергетика и экология(ISJAЕЕ). 2019. 07-09. С.43-62.
Шульга Р. Н., Стальков П. М., Кокуркин М. П., Лавринович В. А. Мобильный модульный комплекс жизнеобеспечения. Заявка в Роспатент №2019101084 от10.01.2019
05.11.2019
23-шульга_смирнова.pdf
37-51
RAR
Змиева
К.А.
Федеральное Государственное Бюджетное Образовательное Учреждение Высшего Образование «Московский государственный технологический Университет «СТАНКИН»
г. Москва, Россия
kirazmieva@mail.ru
Zmieva
K.A.
Moscow State University of Technology «STANKIN»
Moscow, Russia
ИССЛЕДОВАНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК СИЛОВЫХ ВЫПРЯМИТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ ПРОМЫШЛЕННЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ СЕВЕРНЫХ РЕГИОНОВ
RESEARCH OF POWER CHARACTERISTICS OF POWER RECTIFIERS TECHNOLOGICAL EQUIPMENT FOR INDUSTRIAL ENTERPRISES OF THE NORTHERN REGIONS
В статье приведено описание качественных и количественных взаимосвязей между энергетическими характеристиками силовых выпрямительных устройств технологического оборудования и параметрами технологических процессов, реализуемых на этом оборудовании. Показана необходимость оптимизации энергопотребления промышленных предприятий, расположенных в северных регионах.
The article describes the qualitative and quantitative relationships between the energy characteristics of power rectifiers of technological equipment and the parameters of technological processes implemented on this equipment. The necessity of optimizing the energy consumption of industrial enterprises located in the Northern regions is shown.
Введение. Энергоэффективность промышленного предприятия в целом и отдельных технологических процессов в частности является одним из важнейших показателей качества как отдельного производства, так и отрасли в целом, и в значительной степени определяет его конкурентоспособность. Сегодня мы наблюдаем небывалый за последние десятилетия индустриальный рост в северных арктических регионах России. Это связано, в первую очередь, с поставленной руководством страны задачей развития Северного морского пути и многократного повышения реализуемого по нему грузопотока, а с другой стороны, ростом объемов нефте- и газодобычи в этом регионе. Около 20% продуктов добывающих отраслей производятся сегодня в Арктике. Также, около 2% продукции обрабатывающих отраслей производятся на территории рассматриваемого региона. Большая часть всей продукции производится на территории Ямало-Ненецкого АО, а около 10% на севере Красноярского края и в Ненецком АО. Почти 2% промышленных продуктов производятся именно в арктической части Якутии. В западной части отечественной Арктики находятся районы старого освоения - индустриализированные в начале 20 века. К примеру, наиболее диверсифицированной является именно Мурманская область со своей развитой горнодобывающей промышленностью, металлургией и электроэнергетикой. Ключевыми предприятиями Арктики являются: • Кольская горно-металлургическая компания («Норникель»), • Кандалакшский алюминиевый завод (ОАО «РУСАЛ»), • Оленегорский ГОК, • Ковдорский ГОК, • «Ковдорслюда», • ОАО «Апатит» и др. Основные производимые продукты: цветные металлы, стройматериалы, флогопит, алюминий, апатитонефелиновые руды, вермикулит, комплексные железные руды, ферритовые стронциевые порошки, эгириновый, сфеновый, титано-магнетитовый, железорудный, апатитовый и бадделеитовый концентраты и другие концентраты. Наиболее крупные предприятия инфраструктуры: • Кольская АЭС, • ГЭС Мурманской области и др. Число и номенклатура используемого в северных регионах технологического оборудования постоянно растет. В то же время, вопрос качественного и бесперебойного энергообеспечения Арктики является одним из ограничителей роста объема добычи и переработки полезных ископаемых в регионе. Расположенные здесь предприятия вынуждены использовать привозное органическое топливо, что в связи с высокой логистической составляющей стоимости и низкой надежностью выработавшего свой ресурс генерирующего оборудования приводит к значительному росту издержек и сниж ению экономических показателей. Присущие этим регионам природно-климатические условия делают затруднительным повсеместное внедрение альтернативных электрогенерирующих мощностей, основанных на преобразовании солнечной, ветровой или приливной энергии [1]. В связи с вышесказанным, задача рационального использования электроэнергии и применения энергоэффективных технологий является актуальной для промышленных предприятий, расположенных в северных регионах. Одной из характерных особенностей современного промышленного производства является наличие в нем автоматизированного технологичного оборудования различной номенклатуры. Значительная часть этого оборудования уже спроектирована на электропитание от сети постоянного тока. Это, прежде всего, оборудование гальванических цехов, электросварки, электротермической обработки, покраски и прочее. И поэтому для работы в сети переменного тока такое оборудование оснащается специальными выпрямительными устройствами. Выпрямительным устройством (ВУ) называется статическое устройство, обеспечивающее преобразование электрической энергии переменного тока в электрическую энергию постоянного тока. В качестве источника энергии u1(t) в основном используется однофазная или трехфазная сеть переменного тока промышленной частоты 50 Гц. ВУ преобразует знакопеременное напряжение источника энергии u1(t) в напряжение постоянного тока u0(t), содержащее, кроме полезного продукта преобразования - постоянной составляющей напряжения Uo, также переменную составляющую, называемую пульсацией @(t) = u0(t) - Uo. Допустимый уровень пульсации на выходе ВУ и критерии (параметры) её оценки определяются требованиями технологичного оборудования. Выпрямительные устройства могут быть выполнены по традиционной схеме или по схеме с двойным преобразованием энергии. В состав такого ВУ входит низкочастотный силовой трансформатор Т, работающий на частоте Д = 50 Гц источника энергии, вентильный блок (диодный блок) ВБ и сглаживающий фильтр СФ. Трансформатор обеспечивает преобразование уровня напряжения питающей сети (источника энергии) u1(t) до значений u2(t), при которых на выходе ВУ может быть получено требуемое значение постоянной составляющей напряжения Uo. Кроме того, трансформатор необходим для обеспечения гальванической развязки между источником энергии и выходными зажимами ВУ, что позволяет заземлять один из выходных полюсов (зажимов) ВУ. ВБ преобразует переменное напряжение u2(t) в знакопостоянное (однополярное) напряжение u01(t). В простейшем случае ВБ представляет собой набор неуправляемых вентилей (диодов), собранных по той или другой схеме выпрямления. В стабилизированных ВУ, выполненных по традиционной схеме, ВБ может быть также реализован полностью на полууправляемых приборах - тиристорах или в его состав могут входить как диоды, так и тиристоры. ВУ, в которых ВБ реализован с применением тиристоров, называются чаще управляемыми выпрямителями. После ВБ практически в любом выпрямительном устройстве, предназначенном для электропитания аппаратуры телекоммуникаций, следует сглаживающий фильтр СФ, представляющий собой фильтр нижних частот. СФ необходим для уменьшения уровня пульсации на выходе ВУ до значений, удовлетворяющих требованиям аппаратуры [3]. Другая же часть производственного оборудования на предприятиях, хотя и спроектирована на электропитание от сети переменного тока, но ее электротехническая система содержит в своем составе также выпрямительные устройства. К этому оборудованию относятся, в первую очередь, современные металлорежущие станки и комплексы. Одной из основных особенностей технологических процессов, реализуемых на этом оборудовании, являются переменные нагрузки на его электротехнические системы в целом и его выпрямительные устройства в частности. Такие режимы эксплуатации выпрямительных устройств технологического оборудования являются причиной изменения их энергоэффективности и стабильности выпрямленного напряжения. Все это требует вносить коррективы в работу выпрямительных устройств средствами автоматизации с учетом реальной нагрузки на них. Цель исследования состоит в выявлении необходимости автоматизации и управления силовыми выпрямительными устройствами промышленного оборудования для повышения их энергоэффективности при переменных нагрузках. Результаты исследования. Как следует из рис. 1, силовые выпрямительные устройства являются органической частью технологического процесса и их энергопотребление, а значит и влияние на энергоемкость машиностроительных технологических процессов с учетом изменяющихся величин их мощностей, требует дополнительных исследований. В этой связи следует также добавить, что пока применение частотно ре-гулиремых приводов (ЧРП) в машиностроении было относительно невелико, вклад в энергопотребление предприятия этих приводов был невелик. Однако, в настоящее время, по мере стремительного роста оборудования ЧРП их вклад, а значит и вклад выпрямителей частотных преобразователей, в энергопотребление существенно увеличивается [2]. Существует два класса силовых выпрямительных устройств: линейные регулируемые источники питания и импульсные источники питания. Для регулирования величины выходного напряжения в них используются принципиально разные методы. На рис. 2 изображена упрощённая схема линейного регулируемого источника питания. В источнике питания этого типа низкочастотный (50 или 60 Гц) трансформатор используется для понижения переменного напряжения из электрической сети при неизменной частоте. В свою очередь, это вторичное напряжение выпрямляется и фильтруется. Регулирование производится с помощью активного балласта, или переменного сопротивления, включаемого последовательно с нагрузкой. Обычно в качестве такого сопротивления используется биполярный или полевой транзистор в линейном режиме работы. Схема обратной связи, сравнивая величину выходного напряжения с величиной фиксированного опорного напряжения, устанавливает сопротивление балласта таким образом, чтобы поддерживать выходные параметры на заданном уровне. В таком режиме работы большое количество мощности рассеивается, переходя в теплоту, что приводит к снижению КПД. Из-за низкой эффективности работы источника приходится применять громоздкие радиаторы и охлаждающие вентиляторы. Линейные источники питания могут только понижать входное напряжение. Разница между входным и выходным V V I -w I_ й О. <?■ Ь5 О Й А Р СО Рисунок 1 - Примеры использования выпрямительных устройств. напряжением равна падению напряжения на транзисторах ипад. Следовательно, в стабилизирующей схеме происходит рассеяние мощности, равной произведению U I , где I - выходной ток, или ток пад наг ^ наг ^ ’ а их КПД составляет обычно от 85 до Ян нагрузки. Поскольку входной ток преобразователя равен 1наг, КПД такого преобразователя равно U /U . Таким образом, 1 1 вых вх 1 ’ в большинстве практических случаев КПД будет иметь недопустимо малое значение. Большие массогабаритные показатели, высокая стоимость и размеры радиатора приводят к тому, что линейные стабилизаторы в источниках питания редко применяются при мощностях свыше 10 Вт. Таким образом, этот тип источников питания может быть довольно громоздким, тяжёлым и практически не подходит для современных компактных электронных устройств. Импульсный стабилизатор лишён большинства указанных недостатков линейного преобразователя. Особенностью импульсных преобразователей является то, что выходное напряжение может быть выше или ниже входного, а также отличаться от него по знаку. Кроме того, поскольку входное напряжение преобразуется в импульсы и поступает на трансформатор, используя дополнительные обмотки, можно получить более одного выходного напряжения. Стоимость каждого дополнительного выхода очень мала по сравнению с полной стоимостью устройства. К другим преимуществам относятся приемлемые размеры и стоимость при больших значениях выходной мощности. Так как частота в импульсном режиме работы гораздо больше 50 Гц, импульсные источники питания значительно (в десятки раз) превосходят линейные, С одной стороны, уменьшение потерь достигается за счет применения современной элементной базы. Но, с другой стороны, более значительный эффект может быть достигнут благодаря использованию соответствующих, зачастую нестандартных схемотехнических решений и высокой степени оптимизации всех параметров преобразователя. В то же время, постоянное уменьшение размеров радиоэлектронных устройств, при одновременном росте потребляемой ими мощности, увеличение количества средств связи, внедрение новых энергоемких технологических процессов в производстве привели к тому, что компактность и эффективность стали едва ли не основными требованиями к современным преобразователям энергии. Одной из главных проблем при преобразовании переменного напряжения в постоянное является проблема стабилизации выходного напряжения. Для этих целей и линейные и импульсные источники питания оснащаются емкостными фильтрами. В конденсаторе фильтра: U = 1-fidt+VHll4 0) Для ограничения колебаний напряжения необходимо или увеличивать емкость конденсатора фильтра С или снижать время прохождения сигнала через конденсатор dt. Одним из главных достоинств импульсных источников питания является возможность использования очень малых dt (за счет повышения частоты коммутации ключей), благодаря чему емкость конденсатора фильтра в таких преобразователях может быть существенно снижена. Несомненным достоинством выпрямительных устройств импульсного типа является возможность преобразования электрической энергии практически любого вида. При работе от сети переменного тока входное переменное напряжение сначала выпрямляется, а затем преобразуется в емкостном фильтре, на выходе которого получаем постоянное напряжение, на фоне которого присутствуют пульсации. Следующим элементом преобразователя является высокочастотный силовой ключ. Он представляет собой полупроводниковое устройство, биполярный или полевой транзистор, который быстро открывается и закрывается, формируя импульсы напряжения, поступающие на первичную обмотку силового трансформатора. Управляющие импульсы имеют фиксированную частоту, которая для современных преобразователей обычно лежит в диапазоне от 10 до 500 кГц, а их скважность регулируется системой управления, отвечающей за стабилизацию выходных параметров. Таким образом, на вторичной обмотке трансформатора формируется последовательность импульсов напряжения требуемой амплитуды и длительности. После этого переменное напряжение в виде импульсов выпрямляется и сглаживается выходным фильтром, который представляет собой ёмкость или соединение ёмкостей и индуктивностей, в зависимости от типа схемы. Такое преобразование энергии происходит с наименьшими возможными потерями и обеспечивает максимальную эффективность работы источника. Таким образом, сетевой импульсный источник питания в общем случае должен выполнять следующие функции с высокой эффективностью и малыми потерями: 1. Выпрямление - преобразование входного переменного напряжения сети в постоянное. 2. Входная фильтрация - сглаживание пульсаций выпрямленного напряжения. 3. Трансформация и гальваническая развязка - получение напряжения нужной величины, гальванически развязанного относительно входных цепей. 4. Регулирование - поддержание постоянного уровня выходного напряжения независимо от изменений в сети, нагрузки и температуры. 5. Выпрямление и фильтрация выходная - преобразование переменного напряжения на выходе трансформатора в последовательность однополярных импульсов и выделение их постоянной составляющей. 6. Защита - предотвращение возникновения скачков напряжения на выходе, отключение при нарушении электроснабжения, превышении нагрузки или коротком замыкании. Регулирование выходного напряжения происходит благодаря тому, что изменение скважности импульсов на выходе ключей вызывает соответствующее изменение постоянной составляющей напряжения на нагрузке. В настоящее время существует большое количество схем построения импульсных источников питания, каждая из которых имеет свои достоинства и недостатки, что делает их применимыми для решения определённых классов задач [2,3]. Хорошо известны и описаны в литературе три базовые схемы импульсных выпрямительных устройств без гальванической развязки - понижающий, повышающий и инвертирующий преобразователи. Преобразование энергии в этих схемах производится при помощи индуктивностей и емкостей. Это наиболее простые устройства с минимальным количеством компонентов. На примере таких схем в полной мере могут быть исследованы закономерности работы и методы анализа более сложных типов преобразователей [4]. Структурная схема понижающего импульсного преобразователя изображена на рис. 3. Для облегчения анализа работы данной схемы и остальных базовых схем преобразователей примем некоторые допущения. Будем считать, что все компоненты идеальны. Конденсатор имеет бесконечную емкость, поэтому можно пренебречь пульсациями выходного тока. Рисунок 3 - Структурная схема понижающего импульсного преобразователя. Данная схема, как и все импульсные регуляторы напряжения, рассматриваемые далее, работает либо в двух-, либо в трех-интервальном режиме. В первом случае имеют место следующие интервалы работы схемы за период: 1. Импульс (транзистор открыт, диод закрыт); 2. Пауза (транзистор закрыт, диод открыт). Этот режим называют режимом непрерывного тока, так как ток через дроссель протекает постоянно. Во втором случае ток прерывистый: 1. Импульс (транзистор открыт, диод закрыт); 2. Пауза (транзистор закрыт, диод открыт); 3. Отсечка (оба ключа закрыты). Режим непрерывного тока является предпочтительным. Он обеспечивает снижение размеров дросселя и конденсатора. Ключи при этом также испытывают меньшие токовые нагрузки. Транзистор формирует импульсное напряжение, которое впоследствии сглаживается выходным фильтром. Через открытый ключ происходит запасание магнитной энергии дросселем и входное напряжения через индуктивность L подается на выход преобразователя. Когда транзистор закрывается, ток индуктивности меняется на противоположный, открывается диод, через который запасенная магнитная энергия передается в нагрузку. Вычислим параметры выходного напряжения для данного преобразовате- D = ля, для чего введем параметр называемый коэффициентом заполнения импульсов, характеризующий управляющий сигнал. Воспользуемся вторым законом Кирхгофа для постоянных значений напряжений. Рассмотрим контур: Udv, Т, L, R . (2) -+ ит + 11^ + ивьа = о Напряжение на транзисторе определим как среднее, используя временную диаграмму @л (рис. 4): ^ = £ £ КЖ = ф7' U*dt = UJ1 - D). (3) откуда (4) У™ = Таким образом, выходное напряжение понижающего регулятора всегда ниже, чем входное, т.к. D никогда не достигнет единицы. Регулировка выходного напряжения осуществляется путем изменения D. От понижающего преобразователя схема повышающего преобразователя без гальванической развязки отличается только порядком соединения элементов. t Рисунок 4 - Временные диаграммы работы понижающего импульсного преобразователя. Если ключ замкнут, диод D смещен в обратном направлении, и входное напряжение Ubx подключено только к L. Ток в индуктивности возрастает до максимального значения, либо от нуля, либо от определенного начального значения при непрерывном режиме работы. Когда ключ разомкнут, напряжение L меняет знак, в результате чего напряжение на диоде становится выше входного напряжения. Диод передает энергию, запасенную в индуктивности и энергию от входного источника на сглаживающую емкость и нагрузку. Таким образом, выходное напряжение бвых всегда больше, чем входное Ubx. Регулировочная характеристика повышающего преобразователя получается аналогичным способом и имеет следующий вид: U«K = L-D Как и ранее, для рассмотренного идеализированного случая выходное напряжение зависит только от входного напряжения и коэффициента заполнения. Таким образом, контролируя скважность, можно изменять выходное напряжение [5]. Временные диаграммы, иллюстрирующие работу повышающего регулятора, приведены на рис. 5. Видно, что ток, подаваемый на выходной сглаживающий конденсатор - это ток диода, который всегда будет прерывистым. Это означает, что выходной конденсатор должен иметь большую емкость, с низким эквивалентным последовательным сопротивлением для получения приемлемого уровня выходных пульсаций. В этом отличие требований для выходного конденсатора повышающего регулятора от требований для емкости понижающего регулятора, описанного ранее. С другой стороны, входной ток - это,как правило, непрерывный ток дросселя, что обеспечивает низкие входные пульсации. Рисунок 5 - Временные диаграммы повышающего импульсного преобразователя. t Третий базовый тип преобразователя без гальванической развязки - инвертирующий или обратноходовой преобразователь - может быть получен из тех же компонентов, что и предыдущие. Его схема представлена на рис. 6. Рисунок 6 - Схема инвертирующего импульсного преобразователя. Если ключ замкнут, диод смещен в обратном направлении и вход подключен через индуктивность, в которой запасена энергия, как описано ранее. При выключении, напряжение дросселя меняется на противоположное и запасенная энергия передается в конденсатор и нагрузку через открытый диод. Особенностью данного преобразователя является то, что выходное на-пряжение имеет обратную полярность относительно входного. Анализ показывает, что регулировочная характеристика инвертирующего преобразователя имеет вид: Ци* = 73 (б) В зависимости от коэффициента заполнения D выходное напряжение может быть как меньше, так и больше входного по амплитуде. Это делает данный преобразователь гибким решением для ряда задач, например, в качестве предварительного регулятора в системах двойного преобразования. При использовании данного преобразователя трудно добиться низкого уровня пульсаций. Обычно требуется очень большой выходной фильтрующий конденсатор. Транзистор также должен быть рассчитан на большие токи, а также поддерживать высокие напряжения. Транзистор в инвертирующем регуляторе испытывает большие нагрузки. Выпрямительный диод также испытывает большие пульсации тока, что приводит к увеличению динамических потерь. Рассмотренные преобразователи без гальванической развязки имеют ограниченную область применения. Развязка необходима практически всегда для источников питания, подключаемых к промышленной сети переменного тока. При ее отсутствии источники питания становятся небезопасными, поскольку даже при низком и безопасном выходном напряжении, разность потенциалов между выходными клеммами и землей достигает больших значений. Кроме того, из-за отсутствия трансформатора рассмотренные типы преобразователей не могут обеспечивать выходные напряжения, которые значительно отличаются от входных. Поэтому трансформаторные импульсные источники питания (ИИП), рассмотренные ниже, имеют значительно большую область применения. Высокочастотный трансформатор, включенный между входом и выходом преобразователя, позволяет преодолеть большинство из указанных выше ограничений и имеет следующие преимущества: • Гальваническое разделение входа и выхода, что необходимо для обеспечения безопасности выходов при питании от сетей 220 / 380 В. • Коэффициент трансформации может быть выбран так, что выходное напряжение будет сильно отличаться от входного. • Выбором правильного коэффициента трансформации можно также оптимизировать выбор скважности работы преобразователя, и минимизировать пиковые токи. • оличество выходов просто увеличивать, добавляя трансформатору вторичные обмотки. При этом можно обеспечить разную полярность выходных напряжений, просто изменяя полярность вторичных обмоток относительно первичной. У подобных ИИП также имеются недостатки, основные из которых обусловлены наличием трансформатора. Например, индуктивность рассеяния трансформатора в большинстве схем приводит к появлению выбросов напряжения при закрытии силового ключа. В то же время, ряд проблем обусловлен наличием индуктивности намагничивания, которая насыщается при превышении тока, что может стать причиной выхода из строя преобразователя. То есть, необходимо контролировать ток намагничивания и обеспечить цикл размагничивания или перемагничи-вания трансформатора. В зависимости от режима работы трансформатора, преобразователи делятся на однотактные и двухтактные. В однотактных преобразователях рабочая точка намагничивания сердечника трансформатора всегда находится в одном квадранте, т. е. напряженность и индукция магнитного поля не меняют знак, и используется только половина магнитного потока. Однотактные преобразователи принято разделять на обратноходовые и прямоходовые. В обратноходовых преобразователях передача энергии в нагрузку происходит в интервалы времени, когда ключ находится в закрытом состоянии. Таким образом, энергия не может непосредственно передаваться из первичных цепей в нагрузку, а должна накапливаться в реактивных элементах схемы (как правило, трансформаторе). Прямоходовые преобразователи более эффективно используют магнитные материалы сердечников, поскольку способны транслировать большую часть энергии из первичных цепей непосредственно в нагрузку. Двухтактные преобразователи обычно имеют четное число транзисторных ключей. Их преимущество перед однотакт-ными преобразователями обусловлено тем, что в каждом такте изменяется полярность напряжения, приложенного к первичной обмотке трансформатора. Тем самым, обеспечивается перемагничивание трансформатора. Таким образом, двухтактные преобразователи более эффективно используют магнитный материал, чем од-нотактные. Благодаря этому двухтактные преобразователи в целом обладают лучшими параметрами удельной мощности и повсеместно используются для создания ИИП средней и большой мощности. Следует отметить, что такие ИИП должны быть рассчитаны на подключение к промышленной сети переменного тока. Поэтому, наибольший интерес для дальнейшего исследования представляют именно преоб-разователи с гальванической развязкой [7, 8]. Физические принципы работы силового импульсного выпрямительного устройства технологического оборудования Рассмотрим принцип и особенности работы выпрямительного устройства технологического оборудования. В качестве выпрямительного устройства технологического оборудования, как указывалось выше, наиболее эффективно использовать силовой импульсный преобразователь, выполненный по симметричной однополупериодной схеме. КПД такого импульсного преобразователя определяется эффективностью преобразования переменного напряжения в постоянное напряжение, необходимое для питания нагрузки, а значит величиной электрических потерь. В типовом импульсном преобразователе общие потери энергии состоят из потерь проводимости P и коммутационных потерь P . пров. J ^ 1 комм. Потери проводимости, если не учитывать пульсацию токов, зависят от суммарного активного сопротивления. В этом случае эффективность преобразователя определяется выражением: n = U I / (U I + P + P ), (7) I н н v н н комм. пров/’ где ин - напряжение нагрузки 1н - ток нагрузки. Общие потери при токе нагрузки 1н и частоте коммутации fs составят: P + P = k I f + k 2f I + I 2 R , (8) комм. пров. sw1 Hfs sw2 s н н пр.’ где R - активное сопротивление элементов преобразователя (проводников, обмоток, каналов транзисторов); ksw1, ksw2 - коэффициенты, зависящие от используемого силового ключа. Следует отметить, что обычно, с увеличением размеров и максимально допустимых параметров транзистора, коэффициенты ksw также возрастают. На практике при параллельной работе ключей в чередующемся режиме увеличивается эффективность преобразователя при полной нагрузке, т.к. уменьшается величина R . В то же время, при малой пров нагрузке преобладают потери на коммутацию P .Значения КПД преобразовакомм теля в каждый момент времени при различных нагрузках могут быть определены на основе зависимости КПД от реальной нагрузки. Как показали исследования, импульсный преобразователь имеет высокие энергетические характеристики в диапазоне нагрузок от 50% до 90% от номинальной. При увеличении нагрузки до 100% энергетические характеристики незначительно снижаются, а при падении нагрузки до 20% резко падает КПД выпрямительного устройства. Работа устройства при нагрузках менее 20% сопровождается дальнейшим падением КПД, резким ростом пульсаций выходного напряжения и ухудшением стабильности работы. Кроме того, при работе в режиме низких нагрузок возрастает тепловыделение и перенапряжение на силовых элементах выпрямительного устройства, что приводит к резкому сокращению срока службы этих силовых элементов и следовательно выпрямительного устройства в целом. Эти явления связаны с так называемым переходом устройства в режим «разрывных» токов. Постоянное напряжение, снимаемое с выхода, получается из импульсного посредством фильтрации при помощи LC-фильтра. При малых токах потребления ток через индуктивность L (дроссель) становится «разрывным». В момент разрыва тока резко растёт нагрузка на ключевые элементы устройства и нарушается работа цепи обратной связи, назначение которой - стабилизировать выходное напряжение. Поэтому работа силового импульсного выпрямительного устройства при нагрузке менее 10% от номинальной считается аварийным режимом. Таким образом, в случае применения однополупериодных силовых импульсных выпрямительных устройств в электротехнических системах технологического оборудования возникают дополнительные потери при преобразовании переменного напряжения в постоянное ДР, связанные с низким КПД выпрямительного устройства при его эксплуатации в зоне низких нагрузок. ВцдряцЕтельдаи спитема Элиггр а гахвпчаская tlltTHii (ТДДО Техиалогическое воор>д|таЕЕа iP I Fn Рисунок 7 - Электротехническая система технологического оборудования с выделенным силовым выпрямительным устройством, где Рп - полная мощность, Рэтс - мощность, потребляемая электротехнической системой, АР - потери при преобразовании переменного напряжения в постоянное. На рис. 7 представлена упрощенная электротехническая система технологического оборудования с выделенным силовым выпрямительным устройством, иллюстрирующая вышеизложенное. Исследование влияния параметров технологических процессов на энергетические характеристики силовых выпрямительных устройств. Для экспериментального исследования зависимости коэффициента полезного действия существующих силовых выпрямительных устройств от текущей нагрузки была проведена серия экспериментальных исследований. Для этих целей был собран специализированный стенд, представляющий собой регулируемую нагрузку с программным управлением. Работа стенда с регулируемой нагрузкой построена на свойстве полевых транзисторов с изолированным затвором (MOSFET) ограничивать ток, протекающий через цепь, в зависимости от напряжения на затворе. На рис. 8 представлена схема установки для тестирования силовых выпрямительных устройств, работающая по следующему алгоритму: импульсный преобразователь с выходным напряжением +V подключается к стенду. При вращении Рисунок 8 - Электротехническая система технологического оборудования с выделенным силовым выпрямительным устройством, где Рп - полная мощность, Рэтс - мощность, потребляемая электротехнической системой, АР - потери при преобразовании переменного напряжения в постоянное. ручки переменного резистора R1, происходит изменение напряжения на затворе транзистора VT1, приводя к изменению протекающего через него тока I от нуля до максимального значения, определяемого характеристиками транзистора и/или тестируемого выпрямительного устройства. Для целей исследования характеристик силового выпрямительного устройства был выбран стандартный импульсный преобразователь (блок питания) мощностью до 2000 Вт. В ходе экспериментальных исследований производилось изменение нагрузки на блок от 50 Вт до максимально возможной с шагом 200 Вт. На каждом шаге производилось измерение мощности, потребляемой блоком от сети. Коэффициент полезного действия вычислялся как отношение мощности постоянного тока в нагрузке выпрямительного устройства, вычисляемой как произведение величины тока на значение напряжения, к потребляемой от сети переменного тока мощности. Потребляемая от сети мощность измерялась при помощи датчика мощности ДИМ, предназначенного для измерения активной составляющей полной мощности в промышленных сетях переменного тока промышленной частоты. Результаты экспериментальных исследований зависимости КПД импульсных силовых выпрямительных устройств от нагрузки представлены на рис. 9. Так нагрузки, 1н, А Рисунок 9 - Зависимость КПД импульсного выпрямительного блока от нагрузки. Так, КПД такого вида устройств быстро возрастает по мере увеличения нагрузки, достигает максимума при приближении к номинальной мощности и затем медленно снижается. Такая нелинейность характеристики приводит к некоторым особенностям эффективного применения импульсных выпрямительных устройств: паспортная мощность используемого преобразователя должна быть адекватна мощности нагрузки. При эксплуатации преобразователя с большим запасом мощности, низкая нагрузка на нем попадет в область графика, где КПД еще не достиг максимума. Так, например, при токе нагрузки 0,2А, КПД составит всего 70%, что недопустимо низко. Подобная ситуация может складываться не только по причине некорректного подбора мощности преобразователя, но и вследствие особенностей нагрузочных режимов потребителей. Еще одним важнейшим показателем эффективности работы преобразователя является стабильность выдаваемого выходного напряжения. Для исследуемого полумостового импульсного выпрямительного устройства были проведены соответствующие исследования. Преобразователь нагружался активной нагрузкой. При измерении стабильности выходного напряжения входное переменное напряжение изменялось посредством регулировочного автотрансформатора в пределах от -20% до +15% от номинального напряжения сети. Анализ проведенных экспериментальных исследований показал, что стабильность выходного напряжения силового импульсного выпрямительного устройства преобразователя изменяется до 7% в зоне низких (до 25%) нагрузок и до 3% в зоне высоких (более 90%) нагрузок (рис. 10). Таким образом, энергоэффективность и стабильность выходного напряжения импульсных силовых выпрямительных устройств существенно зависит от нагрузки, причем наибольшая зависимость возникает при малых нагрузках. В случае применения однополупери-одных силовых импульсных выпрямительных устройств в электротехнических системах технологического оборудования возникают дополнительные потери при преобразовании переменного напряжения в постоянное AP, связанные с низким КПД выпрямительного устройства при его эксплуатации в зоне низких нагрузок. Заключение. Т.о., проведенные исследования показали, что эксплуатация силовых импульсных выпрямительных устройств технологического оборудования в режиме низких нагрузок приводит к ухудшению их энергоэффективности и к снижению стабильности выходного напряжения за счет перехода в режим «разрывного» тока при недостаточности внутреннего энергопотребления. В связи с тем, что избежать функционирования выпрямительных устройств в режимах низких нагрузок не представляется возможным (это связано с особенностями технологических процессов, реализуемых на промышленном оборудовании), необходимо найти пути повышения энергоэффективности таких устройств аппаратными методами. Так, например, включение в конструкцию выпрямителей блоков пассивной подгрузки или устройств рекуперации энергии позволит в значительной степени улучшить их энергетические показатели. Следовательно, для оптимизации энергопотребления промышленных предприятий, в особенности в условиях северных регионов, необходимо еще на этапе проектирования производственных процессов закладывать возможность аппаратной оптимизации оборудования, оснащенного силовыми импульсными выпрямительными устройствами. 2за . 0123456733 Ток нагрузки, Пн, А Рисунок Ю - Зависимость величины выходного напряжения оттока нагрузки для силового импульсного выпрямительного устройства.
621.314.6
10.24411/2658-4255-2020-10083
постоянный ток
выпрямительное устройство
технологическое оборудование
промышленное предприятие
Арктика
direct current (DC)
rectifier device
manufacturing equipment
industrial enterprise
Arctic
А.О. Пименов, Д.П Куликов, Е.Н. Гольцов, ПИ. Гречко Энергообеспечение в Арктике. Нефтегаз.ру. №1, 2018, с. 24-29.
В. М. Бушуев, В. А. Демянский, Л. Ф. Захаров и др. Электропитание устройств и систем телекоммуникаций: Учебное пособие для вузов / М.: Горячая линия-Телеком, 2009. - 384 с.: ил.
Хайро Д.А. Автоматизация и управление силовыми выпрямительными устройствами для повышения энергоэффективности при переменных нагрузках. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук // ФГБОУ ВПО МГТУ «СТАНКИН». Москва, 2015.
Тукшаитов Р.Х. О коэффициенте мощности и Cos ф выпрямительного устройства при разных активно-емкостных нагрузках и уровне эмиссии в электросеть высших гармоник // Практическая силовая электроника. 2019. № 3 (75). С. 53-55.
Змиева К.А., Кузнецова Е.В., Углева Е.М. Моделирование сети электроснабжения промышленного предприятия с использованием постоянного тока. Вестник МГТУ «СТАНКИН». - №4, 2014, с. 154-160.
Бочаров В.В., Коняхин С.Ф., Резников С.Б. Двухуровненвая транспортно-бортовая система электроснабжения постоянного тока // Практическая силовая электроника. 2011. № 3 (43). С. 26-28.
Терешин М.В., Кулагин О.А. Оперативное регулирование процесса резания в технологических системах металлообработки. Вестник МГТУ «СТАНКИН», №2(25), 2013, с. 25-30
Змиева К.А., Козлов Д.В., Кузнецова Е.В., Должикова Е.Ю., Туманов Д.С. Разработка алгоритма функционирования автоматизированной системы контроля и управления потреблением ресурсов для административных зданий. Вестник МГТУ «СТАНКИН», №2(25), 2013, С. 68-73.
Хайро Д.А. Повышение энергоэффективности силовых импульсных преобразователей в режиме малых нагрузок // Вестник МГТУ «СТАНКИН». 2012. № 3. С. 83-88.
Змиева К.А., Кузнецова Е.В. Методика расчета коэффициента мощности электродвигателя в условиях несинусоидальности тока и напряжения // Вестник МГТУ «СТАНКИН», №4 (17), 2011, С. 39-42.
Александров Д.С., Калашников А.С. Структурный метод расчета токов замыкания в цепях выпрямительных установок // Вестник Ульяновского государственного технического университета. 2019. № 2 (86). С. 55-66.
Змиева К.А. Моделирование сети электроснабжения промышленного предприятия с использованием постоянного тока // Электротехника. 2015. № 5. С. 2-9.
27.03.2020
37-змиева_исследование_энергетических.pdf
52-64
RAR
Павлюк
Г.П.
Национальный исследовательский университет «МЭИ»
PavliukGP@mpei.ru
Москва, Россия
Pavliuk
G.P.
National Research University «Moscow Power Engineering Institute»
Moscow, Russia
Абд-Эльрахим
А.К.
Национальный исследовательский университет «МЭИ»
Aminkamal90@hotmail.com
Москва, Россия
Abd Elraheem
A.K.
National Research University «Moscow Power Engineering Institute»
Moscow, Russia
Шихин
В.А.
Национальный исследовательский университет «МЭИ»
ShikhinVA@mpei.ru
Москва, Россия
Shikhin
V.A.
National Research University «Moscow Power Engineering Institute»
Moscow, Russia
ФОРМУЛИРОВКА КОМПЛЕКСНОЙ ОПТИМИЗАЦИОННОЙ ЗАДАЧИ ПОСТРОЕНИЯ МИКРОГРИД АРКТИЧЕСКОГО АНКЛАВА В МУЛЬТИАГЕНТНОМ ПРЕДСТАВЛЕНИИ
FORMULATION OF COMPLEX OPTIMIZATION PROBLEM OF CONSTRUCTING MICROGRIDS IN THE ARCTIC ENCLAVE BASED ON MULTI-AGENT REPRESENTATION
Предлагается подход для формулировки задачи многокритериальной оптимизации при управлении генерацией в микро-энергосистеме (microgrid), представленной в виде мультиагентной системы (МАС). Предлагаемый в работе подход основан на схеме, разработанной для оценки эффективности функционирования как микрогрид в целом, так и отдельных её фрагментов (агентов-субъектов), что позволяет формализовать процесс интеграции разнородных целевых функций в единые критерии по определенным типовым индексам эффективности функционирования микроэнергосистемы: технические, экономические и экологические критерии. Схема алгоритма оценки эффективности функционирования микроэнергосистемы построена на примере проектирования гибридно-генерирующей и экологически безопасной тепло-электро-снабжающей системы арктического анклава.
In this paper, an approach for multi-objective optimization for agent-based microgrid energy production is proposed. The approach represented in this paper is based on analyzing microgrid objects as distributed agents forming a multi-agent system (MAS), which gives the possibility to evaluate the efficiency of microgrid as a whole, as well as the functioning efficiency of each separate agent. The elaborated scheme also gives the possibility to formalize the process of integrating heterogeneous objective functions into certain combined criteria. The construction of the algorithm for evaluating the efficiency of the micro-energy system is carried out in relation to the example of designing a hybrid-generating and environmentally safe heat-electric supply system of the Arctic enclave.
В настоящее время широко обсужда- микро-энергосистем ются перспективы развития энергетики Стратегии управления микроэнергоси-и возобновляемых источников энергии стемы могут существенно и даже концеп-(ВИЭ) в удаленных населенных пунктах, туально отличаться от стратегий управле-в том числе в арктических регионах. ния традиционными энергосистемами. На законодательном уровне предусмо- Основные причины заключаются в сле-трены меры по поддержке ВИЭ как дующем [2]: на оптовом, так и на розничном рынках. Вместе с тем, ведется работа по повышению энергетической эффективности хозяйствующих субъектов в Арктике в соответствии с Федеральным законом «Об энергосбережении и повышении энергетической эффективности». В удаленных регионах, таких как арктические, внедрение возобновляемых источников энергии (ВИЭ) является одним из применимых решений проблемы обеспечения энергии. Однако вопрос повышения эффективности локальных энергосистем, в том числе с ВИЭ, остаётся актуальным. Повышение эффективности связано не только с внедрением эффективных источников энергии, но и с совершенствованием способов и технологий работы и управления локальными микро-энергосистемами (микрогрид). Микрогрид [1] является разновидностью смарт грид, которой присущи следующие особенности: единое объединение разнородных распределенных и централизованных источников энергии, возобновляемых источников энергии, накопителей энергии и разнотипных потребителей. При этом микрогрид функционирует как при гибридном энергоснабжении, так и обеспечивается надёжное снабжение потребителей при условии полного отделения от централизованного источника, т.е. в изолированном режиме. Важно отметить, что микрогрид представляет собой комбинацию управляемых и неуправляемых источников энергии, что затрудняет достижение баланса мощности в микрогрид, повышает актуальность регулирования напряжения и соотношения активной и реактивной мощности в распределительной сети. стационарные и динамические характеристики субъектов микрогрид существенно отличаются от аналогичных характеристик мощных энергоустановок; микроэнергосистемы подвержены значительному дисбалансу из-за наличия однофазных нагрузок и / или нестабильности распределенной генерации; значительная часть выработки электроэнергии в микрогрид может поступать от «неуправляемых» источников (например, ветроэлектрические установки ВЭУ), когда для максимизации выходной мощности возобновляемого источника энергии используется стратегия управления на базе максимальной точки отслеживания мощности (MPPT) [2]; широко применяемые в микрогрид накопители энергии могут играть важную роль в реализации управления микроэнергосистемой и обеспечением ее устойчивой работы, однако следует учитывать то, что они являются частично-управляемыми источниками; субъекты микроэнергосистемы подвержены частым коммутациям и перекоммутациям по условиям обеспечения надежности энергоснабжения и качества электроэнергии; в дополнение к выработке и поставке электрической энергии, микро-энергосистема, как правило, отвечает за производство и подачу тепла ко всем или части потребителей; в рамках микрогрид предусматриваются более широкие возможности по децентрализации управления передачей и потреблением электроэнергии, однако сохраняется принцип сочетания централизованного и децентрализованного управления. • Существующие погрешности измерений и ошибки при передаче информации по линиям связи являются более чувствительными в мелкомасштабных локальных системах, каковыми являются микроэнергосистемы. • В рамках микрогрид, решения, принимаемые для какого-либо субъекта, оказывают, как правило, существенное влияние на принимаемые решения и управление процессами на других участках микроэнергосистемы. Таким образом, указанные специфические черты отдельных субъектов и микроэнергосистемы в целом приводят к тому, что данная динамическая система может быть охарактеризована как нелинейная непрерывно-дискретнособытийная система с переменными слабо-предсказуемыми параметрами и перекрестными связями. Проведение аналитических исследований таких систем крайне затруднительно и возможно только при существенных упрощениях, которые, как правило, не допустимы по соображениям потери важной информации. В связи с указанными выше характеристиками подобных систем, относящихся к рассматриваемому классу, задача нахождения эффективных, применимых подходов для решения задачи многокритериальной оптимизации микроэнергосистем в реальном времени является актуальной проблемой. Примером таких микро-энергосистем, автоматизация и оптимальное управление которыми на сегодня является актуальной задачей не только в России, но и за рубежом (используется термин «смарт-грид» или «микрогрид»), являются обособленные (автономные или частично автономные) системы генерации и энергоснабжения в труднодоступных районах (например, высокогорье), в районах Крайнего Севера и Арктики, островные системы, бортовые системы крупных судов [3] и т.д. В рамках указанных микро-энергосистем различные субъекты системы активно взаимодействуют в реальном времени в процессе функционирования единой технологически объединенной системы. Для целей повышения эффективности функционирования микроэнергосистемы в соответствии с устанавливаемыми применительно к конкретным условиям критериями, очевидна необходимость перехода к интеллектуальному автоматизированному управлению, гибко учитывающему множество факторов, разнопланово влияющих на протекающие процессы в единой системе. Важным фактором, определяющим формат решения задач оптимизации функционирования микро-энергосистем, является необходимость следования нормам международного стандарта по интеграции систем управления предприятием ГОСТ Р МЭК 62264-1-2010 «Интеграция систем управления предприятием» [4] как это показано в [5]. Применение МАС в задачах управления микрогрид В последние годы мультиагентная форма представления многокомпонентных динамических систем находит всё большее применение [6, 7], в том числе для исследования микро-энергосистем [8, 9], позволяя создавать иерархические системы управления на основе распределения функций управления между автономными и кооперативными агентами, реализуя такие важные характеристики, как модульность, гибкость, надёжность, реконфигурируемость и т. п. Применение МАС-технологии в приложении к рассмотрению микро-энергосистем позволяет по-новому подойти к решению задачи создания систем с комбинированным централизованным и децентрализованным управлением. Решение оптимизационных задач, связанных с многоцелевым управлением, при наличии противоречивых критериев и неравновесным распределением критериев между разнородными субъектами динамической системы можно связать с мультиагентным представлением исходной системы и предложить эффективные методы решения по оптимизации её функционирования. Как известно, решение задач управления в сложных динамических системах, под которыми обычно понимаются системы высокой размерности, с наличием разветвлённой структуры с перекрестными связями, наличием неопределён-ности различных типов, нелинейностей и др., связано с подходами на основе декомпозиции систем такого рода. В этом смысле МАС-технология предлагает именно такую декомпозицию на основе введения в рассмотрение взаимосвязанных агентов. Итак, применение мультиагентных подходов является перспективной технологией для управления и принятия решений в системах, где существуют распределённое управление и неопределённость, связанная как с реализуемым каждым агентом законом управления, слабопредсказуемым поведением внешней среды, возможными потерями в полной наблюдаемости и управляемости объектами. Следует отметить, что применение мультиагентного подхода позволяет более полно отразить наличие данных по отдельным субъектам (агентам) системы, что обусловливает возможность получения более обоснованных решений, что ведет к повышению эффективности функционирования как системы в целом, так и каждого агента в отдельности. На рис. 1 приведено формализованное представление агента, принятое в данной работе с учётом основных функциональных черт, присущих агенту: рассуждение, самонастройка, самооптимизация, коммуникабельность, активность. Предлагается набор агентов, отражающих основные субъекты микрогрид (Табл. 1). Однако перечень агентов может быть расширен для более подробного описания или в связи с конкретными специфическими чертами рассматриваемой системы. Например, для наногрид (малая микроэнергосистема) необходимо учитывать инвертеры в качестве отдельного субъекта системы, поскольку они оказывают более значимое влияние на устойчивость и качество процессов [10]. Рисунок 1 - Формализованное представление агента МАС: U i (t) - вектор входных ограничений и уставок, связанный с функциональной чертой «коммуникация», при этом U i (t) = [L i, DC, i, DR, i]T, где L - технологические ограничения агента; DC, i - вектор входных команд; DR, i - вектор входных рекомендаций; Z(t) - вектор выходных переменных, характеризующих протекание физических процессов во времени, по которым идентифицируется состояние агента; S(t) - вектор состояний агента, связанный с его функциональной чертой «активность», а также показатели качества его функционирования YAG; X(t) - вектор параметров и событийно-изменяющихся констант агента, связанный с его функциональными чертами «самонастройка» (в отношении параметров) и «рассуждение» (в отношении констант); W(t) - вектор внутренних генерируемых управлений агента, связанный с его функциональной чертой «самооптимизация» Таблица 1 Формализованные агенты и их функциональность в составе МАС-микрогрид Агент, Ai Функциональность, Fiji Агент, Ai Функциональность, Fj 1. Центр управления и связи (ЦУС) микрогрид, агент Л F11 - ответственность за управление микрогрид; F12 - отслеживание и планирование режимов распределенных и возоб 5. Возобновляемые источники энергии (ВИЭ): солнечная электростанция (СЭС), агент А5 F51 - ответственность за генерацию соответствующей СЭС новляемых источников энергии; F13 - прогнозирование генерируемой мощности соответствующего источника ВИЭ; F14 - прогнозирование состояния накопителей энергии; F15 - стабилизация частоты в микрогрид; F16 - обеспечение динамической устойчивости ми-крогрид 6. Возобновляемые источники энергии (ВИЭ): ветровая электростанция (ВЭС), агент А6 Fri - ответственность 6,1 за генерацию соответствующей ВЭС 7. Накопители энергии (НЭ), агент А7 F71 - участие в покрытии дефицита мощности; F72 - участие в поглощении избытка мощности; F73 - участие в регулировании частоты; F74 - повышение динамической устойчивости микрогрид 2. Распределительная электросеть (РЭС), включающая подстанцию, агент А2 F21 - ответственность за внешнее по отношению к микрогрид электроснабжение, F22 - прием излишков электроэнергии от микрогрид во внешнюю электросеть 8. Спрос потребителя (ПЭЭ), агент А8 F81 - целевое использование электроэнергии 9. Спрос ценозависимого потребителя (ЦЗП), агент А9 F91 - целевое использование электроэнергии; F92 - участие в регулировании мощности 3. Распределенные дизель-гене-раторные установки (ДГУ), агент А3 F31 - ответственность за генерируемую мощность соответствующего распределённого генератора или группы генераторов 10. База данных реального времени (БДРВ), агент А10 F101 -сбор, хранение, обмен данными и архивами 4. Распределенные газопоршневые установки (ГПУ), агент А4 F., - ответственность за ге- 4,1 нерируемую мощность соответствующего распределённого генератора или группы генераторов 11. Система имитационного моделирования (SIM), агент А11 F111 - моделирование, тестирование режимов функционирования микрогрид Рисунок 2 - Общая структура МАС микрогрид. На рис. 2 показаны основные агенты типовой микроэнергосистемы и их взаимосвязь в процессе функционирования системы. Термин «окружающая среда» при этом имеет расширенное толкование, включая взаимодействие микрогрид с внешними, в том числе техническими системами. Формулировка целевых функций эффективности функционирования микрогрид Хотя большинство известных из литературы [11 -13, 17] подходов к решению оптимизационных задач применительно к управлению микрогрид формулируется в рамках однокритериальной постановки, а именно на минимизацию общих эксплуатационных затрат или минимизацию потерь, имеются формулировки оптимизационных задач в многокритериальной постановке [14]. Однако во всех этих подходах осуществляется сведение многокритериальной задачи к скалярному случаю, включая формальное объединение технических и экономических показателей, что, по мнению большинства специалистов в области создания и эксплуатации микро-энергосистем, недопустимо [15]. Эффективность функционирования микроэнергосистемы не рекомендуется оценивать единым интегрированным показателем и, как минимум, следует подразделять на относительно обособленное рассмотрение технической и экономической эффективности с введением соответствующих целевых показателей и критериев. Соответственно, особенностью данной работы является то, что с учётом мнения отраслевых экспертов предлагается подход к формулированию оптимизационных задач, связанных с повышением эффективности микроэнергосистемы и введением раздельного рассмотрения отдельных групповых показателей эффективности. В то же время, предложенное в работе мультиагентное представление микроэнергосистемы позволяет перейти к совокупному учёту показателей эффективности как отдельных агентов, так и системы в целом. Основные критерии эффективности функционирования микроэнергосистемы представлены в табл. 2. На основе этих критериев были сформулированы целевые функции эффективности функционирования микроэнергосистемы (см. табл. 2). Рассмотрим подробнее приведённые в табл. 2 критерии эффективности. 1. Качество электроэнергии (КЭ). Качество производимой и отпускаемой потребителям электроэнергии является одним из основных критериев при оценке эффективности функционирования любой энергосистемы и регулируется в соответствии с ГОСТ 32144-2013 «Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения», где указаны более 10 показателей, из которых выберем два в качестве целевых функций (без потери общности математической постановки задачи): • отклонение основной частоты напряжения от номинального Af = f - fnom , которое связано прежде всего с дефицитом активной мощности и не должно превышать ± 0,2 Гц в течение 95 % времени; • отклонение напряжения AU. Величины провалов и перенапряжений связаны с множеством факторов, в том числе с их случайным характером, учесть которые в компактном математическом выражении в общем случае не представляется возможным, но в первую очередь они связаны с соотношением активной и реактивной мощности. Отклонение напряжения в сети определяется на основе сравнения значений напряжения общей шины U SYS и опорного напряжения Uref. Следовательно, AU = U .- USYS. Ге ref 2. Экономический критерий (ЭК). Экономический критерий Y2SYS формируется из трёх составляющих: стоимость генерируемой электроэнергии y3SYS - CEN, цена для потребителя y4SYS - PR, прибыль владельца микроэнергосистемы у 5 SYS - REV. 3. Надёжность процесса электроснабжения Y 3 SYS. Надежность процесса электроснабжения в микро-энергосистеме как и для больших электрических сетей оценивается с использованием нормативно установленных показателей. Возникновение технологических нарушений в элементах электрической сети и масштабы их последствий зависят от многих случайных факторов. Соответственно, исследование надёжности сетевых комплексов обосновано в рамках вероятностных категорий. Именно поэтому к настоящему времени накоплен отечественный и зарубежный опыт решения задач по оценке надёжности систем электроэнергетики со следующими тремя категориями, соответствующими международной классификации показателей надежности: CAIDI - индекс средней продолжительности перерыва в электроснабжении потребителей (время ремонта); SAIDI - индекс средней продолжительности перерыва в электроснабжении потребителей (продолжительность отказа); SAIFI - индекс средней частоты перерывов в электроснабжении потребителей (частота отказов) [16]. 4. Экологичность Y . SYS. 4 Экологичность функционирования микроэнергосистемы предлагается ограничить рассмотрением выброса парниковых газов (CO2, NOX и др.), хотя данные показатели не являются единственными. Пример оценки эффективности функционирования микроэнергосистемы для Арктического анклава На рис. 3 показана общая функциональная схема микро-энергосистемы, подготовленная в рамках НИОКР межведомственной комплексной целевой Таблица 2 Критерии и показатели эффективности функционирования микроэнергосистемы Критерий эффективности функционирова ния Целевая функция Оптимизационная задача на min или max Входные переменные и параметры Допустимый предел погрешности измерений 1. Качество электроэнергии (КЭ), YSYS ' 1 1.1. Отклонение частоты У SYS = Af Поддержание в заданных пределах Af +, Af - 1.1.1. fnom - номинальная частота; 1.1.2. f - текущее значение основной частоты напряжения; 1.1.3. Af +, A f -= ± 0,2 Гц ± 0,03 Гц 1.1. Отклонение напряжения, y2SYS - AU Min 1.2.1. U -номинальное напряжеnom 1 ние; 1.2.2. U - текущее значение напряжения; 1.2.3. AU +, AU - = ± 10 % Погрешность измерения длительности не должна превышать ±0,01 с 2. Экономический критерий (ЭК), Y2sys 2.1. Стоимость генерируемой электроэнергии y3SYS - CEN Min 2.1.1. стоимость топлива CF; 2.1.2. расходы на эксплуатацию и техническое обслуживание COM; 2.1.3. плата / штрафы за выброс загрязняющих веществ CPO 10 % 2.2. Цена для потребителя y4SYS - PR Min 2.2.1. Фиксированный многозонный тарифный график 1 % 2.3.Прибыль владельца микроэнергоси стемы - REV Max 2.3.1. цена продажи электроэнергии PrC; 2.3.2 объем проданной электроэнергии PMG 5 % 3. Надежность процесса электроснабжения Y3SYS 3.1. Индекс средней продолжительности перерыва в электроснабжении потребителей, умкз - CAID Min 3.1.1. суммарное время отключения потребителей, ТЕ; 3.1.2. общее число отключений, OUTE 1 % 3.2. Индекс средней продолжительности перерыва в электроснабжении потребителей, y7svs - CAID 1 Min 3.2.1. суммарное время отключения потребителей, ТЕ; 3.2.2. общее количество потребителей, Nz 1 % 3.3. Индекс средней частоты перерывов в электроснабжении потребителей, y/ys - SAIF Min 3.3.1. общее число отключений, OUTE; 3.3.2. общее количество потребителей, Nz 1 % 4. Экологичность Y SYS ' 1 4.1. Количество выбросов парниковых газов (углекислый газ) у/У5 = С02 Min 4.1.1. фактическое потребление топлива, М fuel; 4.1.2. Количество выбросов углекислого газа от источников энергии, POCO2 10 % 4.2. Количество выбросов парниковых газов (оксиды азота) у0^ - NOX Min 4.2.1. фактическое потребление топлива М fuel; 4.2.2. Количество выбросов оксидов азота от источников энергии, PONOX 10 % программы «Арктические технологии» по теме «Автоматизированный комплекс управления высоконадежной гибридно-генерирующей и экологически безопасной тепло-электро-снабжающей микро-энергосистемой с высокими техноэкономическими показателями». Представленное на рис. 3 разработанное техническое решение может рассматриваться как базовое при использовании в задачах обеспечения надёжного снабжения энергоресурсами объектов арктических регионов, включающих объекты как промышленного строительства, так и жилой инфраструктуры. Вместе с тем, предлагаемое решение с зависимой и независимой от поставок топлива генерацией тепла и электроэнергии применимо к любым труднодоступным зонам, и может быть реализовано также при полном отсутствии магистральных линий электропередач. Образец создаваемой пилотной микро-энергосистемы в Арктике представлен на рис. 3. в виде компактного анклава из следующих четырех относительно обособленных территориальных образований: - (I) Промышленная зона; - (II) Жилищно-коммунальный комплекс; - (III) Солнечная и ветровая электростанции; -(IV) Топливохранилище. Решение задачи оценки эффективности функционирования проектируемой пилотной микро-энергосистемы предлагается разбить на несколько этапов (рис.4) . На этапе 1 (см. рис. 4) решается задача выбора таких моделей описания агентов, которые адекватно соответствуют исследуемым целевым функциям (ЦФ) и отвечают ограничениям по точности (см. табл. 2) и информативности: £ На этапе 2 производится синтез имитационной мультиагентной модели исследуемой системы с учетом специфики каждой ЦФ yjSYS, j= 1, 10 из четырех групп критериев, указанных в табл. 2. Оценка показателей эффективности осуществляется параллельно с расчётом точности оценивания е, что является важной выходной информацией. В синтезированной мульти-агентной модели описания отдельные агенты функционируют в условиях взаимодействия соответствующих моделируемых общесистемных процессов, что позволяет произвести оценку их собственных ЦФyAG и решать задачи по самооптимизации и самонастройке (см. рис.1). Этап 3 соответствует решению задачи получения численной оценки эффективности функционирования микроэнергосистемы, сочетающей все четыре предложенных общесистемных критерия. По полученным оценкам показателей осуществляется расчёт оценки соответствующих критериев эффективности для системы в целом (см. табл. 2) YkSYS, k = 1, 4 а также значений индивидуальных показателей эффективности функционирования отдельных агентовyAG , приведённых в табл. 3. Представленная на рис. 4 схема отражает формализованный процесс интеграции разнотипных ЦФ в установленные критерии. Заключение Разработано унифицированное представление агента, применимое к микроэнергосистемам, представляющим собой композицию из субъектов, формализуемых в виде непрерывных, дискретных и дискретно-событийных моделей. Разработана схема решения задачи оценивания эффективности микрогрид. Представленная схема позволяет формализовать процесс интеграции разнородных ЦФ в единые критерии по определённым типам, а также с учётом оценок эффективности функционирования отдельных агентов в взаимосвязанной системе. Как показано в примере, предлагаемое решение оценивания эффективности функционирования микроэнергосистемы для Арктического анклава ведёт к решению многокритериальных оптимизационных задач, с учётом разнородных критериев. Микрогрид Рисунок 3 - Общая функциональная схема микроэнергосистемы для арктического анклава: (I) - промышленная зона; (II) - жилищно-коммунальный комплекс; (III) - солнечная и ветровая электростанции; (IV) - топливохранилище. [ • А ктивное о юр удов а ние | € Резерв ное ооорудев а нне ■ ПдйДд электропер ёд ачн' j -Линия коммуникации CrTL _ Др_1ЬШБ (ЩОБ од_ Территориальное подразделение: Промышленная юна вэс 500 кВт х 3 (ЦН Цифровая подстанция ГГ Территориальное подразделение: Т отппв озр анплшц е Ш Территориальное подразделение: ВИЭ Центр управления п Дизельная генераторная установка (40 0 кВт (Резерв)) Когенер аннон на ягазопор ншевая установка (350 кВт электр озндшш. 290 кВт тепло) Газ Дшмыше генератсрные ЗТТаНОВКН <400 кВг+1 Резерв) Когенера иконная газопоршн тая установка ' (350 кВт электр оэ нерт нл. 290 (Фг тепло) ИННОВАЦИОННАЯ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКА ДЛЯ АРКТИКИ СЭС J 300 кВт (2 ООО м2) Внешний источник (сеть) Рисунок 4 - Решение задачи оценивания эффективности функционирования микроэнергосистемы: РЭС-агент - агент распределительной электрической сети; ДГУ-агент - агент дизель-генераторной установки; ГПУ-агент - агент газопоршневой установки; СЭС-агент - агент солнечной электростанции; ВЭС-агент - агент ветровой электростанции; НЭ-агент - агент накопителей энергии; ПЭЭ-агент - агент спроса потребителя; ЦЗП-агент - агент спроса ценозависимого потребителя; si - точность модели агента A; 0/ - информативность модели агента A; ek - погрешность расчета показателя эффективности целевой функции YkSYS; cyk- весовой коэффициент показателя эффективности целевой функции YkSYS
621.311.001.57:681.51
10.24411/2658-4255-2020-10084
мультиагентная система
микрогрид
арктический анклав
эффективность микро-энергосистемы
multi-agent system
microgrid
arctic enclave
microgrid efficiency
Marnay C., Chatzivasileiadis S., Abbey C., Iravani R., Joos G., Lombardi P., Mancarella P., Appen J. Microgrid Evolution Roadmap: International Symposium on Smart Electric Distribution Systems and Technologies (EDST), 2015 P. 139-144.
Katiraei F., Iravani R., Hatziargyriou N., Dimeas A. "Microgrids management," IEEE Power Energy Mag., vol. 6, no. 3, pp. 54-65, May/Jun. 2008.
Guerrero J.M., Jin Z., Liu W., Othman M.B., Savaghebi M., Anvari-Moghaddam A., Meng L., Vasquez J.C. Shipboard Microgrids: Maritime Islanded Power Systems Technologies: Proceedings of the International Exhibition and Conference for Power Electronics, Intelligent Motion, Renewable Energy and Energy Management (PCIM Asia 2016), Shanghai, China, 28-30 June 2016. P. 1-8.
ГОСТ Р МЭК 62264-1-2014 «Интеграция систем управления предприятием. Часть 1. Модели и терминология». - М. : Стандартинформ, 2016.
Luis I. Minchala-Avila, Luis E. Garza-Castanon, Adriana Vargas-Martinez, and Youmin Zhangc, "Review of Optimal Control Techniques Applied to the Energy Management and Control of Microgrids," in: Procedia Computer Science 52 ( 2015 ) pp. 780 - 787.
Leitao P., Marik V., Vrba P. Past present and future of industrial agent applications // IEEE Trans. Ind. Inf. 2013. Vol. 9. No. 4, P. 2360-2372.
Metzger M., Polakow G. A survey on applications of agent technology in industrial process control // IEEE Trans. Ind. Inf. 2011. Vol. 7. No. 4. P. 570-570.
McArthur S., Davidson E., Catterson V., Dimeas A., Hatziargyriou N., Ponci, F., Funabashi T. Multi-agent systems for power engineering applications. P. 1 : Concepts, approaches and technical challenges // IEEE Transactions on Power Systems. 2007. Vol. 22. No. 4. P. 1743-1752.
Kantamneni A., Brown L., Parker G., Weaver W. Survey of multi-agent systems for microgrid control // Engineering applications of artificial intelligence. 2015. No. 45. P. 192-203.
Guarderas G., Frances A., Asensi R., Uceda J.
Dulau L.I., Bica, D. Optimization of Generation Cost in a Microgrid // Procedia Manufacturing. 2018. No. 22. P. 703-708.
Nafisi H., Agha M.M., Abyaneh H.A., Abedi M. Two-stage optimization method for energy loss minimization in microgrid based on smart power management scheme of phevs // IEEE Trans. Smart Grid. 2016. Vol. 7. No. 3. P. 1268-1276.
Wang Y., Huang Y., Wang Y., Li F., Zhang Y., Tian C. Operation Optimization in a Smart Micro-Grid in the Presence of Distributed Generation and Demand Response // Sustainability. 2018. No. 10, P. 847-872.
Dehghanpour K., Nehrir H. Real-Time Multiobjective Microgrid Power Management Using Distributed Optimization in an Agent-Based Bargaining Framework // IEEE Trans. Smart Grid. 2017. Vol. 9. No. 6. P. 6318-6327.
Постановление правительства РФ от 19 декабря 2016 г. № 1401. «О комплексном определении показателей технико-экономического состояния объектов электроэнергетики, в том числе показателей физического износа и энергетической эффективности объектов электросетевого хозяйства, и об осуществлении мониторинга таких показателей».
V. A. Shikhin, A. K. A. Elraheem, J. Ren, "Multi-agent approach for real-time optimal control of electro microgrid", 2018 International Multi-Conference on Industrial Engineering and Modern Technologies (FarEastCon), pp. 1-6, Oct 2018.
Shikhin V.A., Pavluk G. P. Sensitive boarder method for control performance indices adjustment: Industrial Engineering, Applications and Manufacturing (ICIEAM), 2017 International Conference, Saint Petersburg, Russia, 2017, DOI:10.1109/ICIEAM.2017.8076417.
14.11.2019
52-павлюк_шихин.pdf
65-68
RAR
Махнёв
Д.В.
Северо-Западный институт управления - филиал федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего образования «Российская академия народного хозяйства и государственной службы при Президенте Российской Федерации»
makhnev@gmail.com
г. Санкт-Петербург, Россия
Makhnev
D.V.
Russian Presidential Academy of National Economy and Public Administration
Saint Petersburg, Russia
Змиева
К.А.
Федеральное Государственное Бюджетное Образовательное Учреждение Высшего Образование «Московский государственный технологический университет «СТАНКИН»
kirazmieva@mail.ru
Zmieva
K.A.
Moscow State University of Technology «STANKIN»
Moscow, Russia
ОБ ИСПОЛЬЗОВАНИИ ЛЕНТЫ ИЗ АМОРФНОГО СПЛАВА В КАЧЕСТВЕ НАГРЕВАТЕЛЬНОГО ЭЛЕМЕНТА В СИСТЕМАХ ОБОГРЕВА И АНТИОБЛЕДЕНЕНИЯ ДЛЯ АРКТИЧЕСКИХ ТЕРРИТОРИЙ
USE OF AMORPHOUS ALLOY TAPE AS A HEATING ELEMENT IN HEATING AND DE-ICING SYSTEMS FOR ARCTIC TERRITORIES
В статье проведен анализ и рассмотрены преимущества использования ленты из аморфного сплава для применения в системах антиобледения и обогрева в условиях арктических территорий.
The article analyzes and considers the advantages of using amorphous alloy tape for use in de-icing and heating systems in the Arctic territories.
Сегодня северные арктические территории являются тем местом, где наиболее передовые и современные высокие технологии находят свое применение. В условиях развития полярных городов, расположенных вдоль северного морского пути, проблемы обеспечения грамотной эксплуатации жилых и промышленных зданий в условиях низких температур становятся особенно актуальными. Одной из задач, требующих решения, является задача разработки эффективных антиобле-денительных систем для кровель зданий, предотвращающих скопление снега и наледей как на самой кровле, так и на водоотводящих желобах. (Рис. 1). В стандартный состав антиобледени-тельной системы обычно входят: • Нагревательный кабель. Схема его укладки определяется типом кровельной конструкции и конфигурацией водостока. • Силовой электрический кабель (для соединения с сетью 220/380, 50Гц). • Устройства защиты (отключают контур целиком при утечках свыше 30 mA и при превышении токов нагрузки) [1]. • Устройство управления. Система, реагирующая на сигналы датчиков температуры и влажности и запускающая или приостанавливающая обогрев в рамках рабочих температур. Рисунок 1 - Система антиобледенения кровли (пример).. В производстве и домашних условиях используется широкое разнообразие нагревательных элементов. Изначально для производства таких элементов использовались металлы и металлические сплавы. Самой распространенной формой для нагревательного элемента считается кабель. За счет своих свойств и относительно низкой стоимости он является очень привлекательным для систем обогрева. Начиная с конца 20 века научно-техническое сообщество всерьез стало изучать возможность использования из инновационного аморфного металлического сплава в качестве нагревательного элемента для внутреннего и внешнего обогрева [2, 3]. Особенностью аморфных сплавов является отсутствие у них дальнего порядка в расположении атомов (трансляционная симметрия). Структура аморфных магнитомягких сплавов характеризуется отсутствием у них в строгой периодичности, присущей кристаллическому строению, в расположении атомов ионов молекул на протяжении сотен и тысяч периодов параметров кристаллической решетки. Считается, что отсутствие дальнего порядка в расположении атомов в аморфном состоянии приводит к изотропии магнитных свойств [1]. В аморфных сплавах отсутствуют такие специфические для кристаллических тел дефекты атомной структуры, как дислокации и вакансии, границы зерен и блоков, двойники и дефекты упаковки [4]. Всем аморфным сплавам, независимо от их состава, присущи высокие прочностные свойства, высокое удельное электросопротивление и повышенная стойкость к воздействию облучения (Табл. 1). В зависимости от природы компонентов аморфные сплавы могут обладать прекрасными функциональными свойствами, которыми определяется их практическое использование. Аморфные сплавы - это и магнитно-мягкие материалы, обладающие гистерезисными магнитными свойствами, уровень которых близок для лучших кристаллических магнитно-мягких материалов; это и материалы с высокой прочностью и коррозионной стойкостью; это и материалы с инварными и элинварными свойствами; это и материалы с особыми электрическими свойствами. Аморфные сплавы уже прочно заняли свою нишу и в производстве, и в применении. Основная масса производимых аморфных сплавов используется в качестве электротехнических материалов для различного рода трансформаторов и других устройств, где они применяются как магнитопроводы. Обладая почти идеальной фазовоструктурной однородностью и высоким удельным электрическим сопротивлением, аморфные сплавы имеют чрезвычайно низкие потери на перемаг-ничивание, что и предопределяет их применение как электротехнических материалов [4]. Таблица 1 Характеристики аморфной металлической ленты Параметры Значение Примечания Толщина ленты 18-25 ум Ширина ленты 4-25 мм Удельное электрическое сопротивление 1.3-1.5*10-6 Ом*м Рабочее напряжение 12- 600 В Коррозионная стойкость Высокая Благодаря особому составу сплава Пластичность и гибкость Высокая Благодаря особому составу сплава Площадь прогревания Высокая Благодаря широкой поверхности ленты Тепловая инерция Низкая Благодаря низкой массе ленты Время на разогрев до стабильного состояния Короткое Благодаря низкой тепловой инерции Применение Системы внутреннего и внешнего обогрева Сегодня нагревательные элементы на основе аморфной металлической ленты все более и более широко используются в системах обогрева и антиобледенения [5,6,7]. Низкая рабочая температура Теплопередача от любого нагревательного элемента находится в пропорциональной зависимости от площади поверхности и разницы температур между нагревателем и окружающей средой. Чем больше площадь поверхности, тем меньшая разница температур требуется для теплопередачи от нагревателя в окружающую среду. По сравнению с обычным кабелем, применяемым в большинстве нагревателей, лента, за счет относительно большой поверхности, отдает тепло в окружающую среду на низких температурах намного эффективнее. Например, если сравнить два нагревателя, из которых первый - кабельный элемент диаметром 0,5 мм, а второй - аморфная металлическая лента шириной 10 мм, с одинаковой тепловой мощностью, можно заметить, что рабочие температуры значительно разнятся. Температура ленты в 12 раз ниже температуры обычного кабельного элемента [4]. Таблица 2 Расчет коэффициента разницы температур нагревательного кабеля к ленте Поперечное сечение, м2-10"6 Диаметр кабеля, м-10"3 Ширина ленты, m-10"3 Поверхность теплопередачи на единицу длины, м2/м-10"6 Кабель Поверхность теплопередачи на единицу длины, м2/м-10"6 Ленты Коэффициент разницы температур кабеля к ленте5 0.0177 0.15 0.885 0.471 1.77 3.76 0.0310 0.20 1.550 0.625 3.10 4.89 0.0490 0.25 2.450 0.785 4.90 6.25 0.0710 0.30 3.550 0.942 7.10 7.54 0.0960 0.35 4.800 1.100 9.60 8.73 0.1260 0.40 6.300 1.260 12.60 10.00 0.1960 0.50 9.800 1.570 19.60 12.47 5 Под «разницей температур» понимается разница между температурой поверхности нагревателя и температурой воздуха. Фактически это означает, что большая площадь теплопередачи ленты позволяет достигать такой же тепловой мощности (как и у стандартного кабеля) при низких рабочих температурах нагревательного элемента. Эффективность теплопередачи Сравнение температур аморфной металлической ленты и обычного кабеля одинаковой тепловой мощности было произведено по следующим параметрам: 1. Длина ленты/кабеля = 1 метр. 2. Толщина ленты = 20 цм. 3. Сопротивление сравниваемых элементов = 1,4 x 10-6 Ом на метр. 4. Коэффициент теплопроводности сравниваемых элементов = = 5,6 Вт/м2°С. 5. Разница температур на поверхности ленты/кабеля и окружающего воздуха составляет 100°C. 6. Условия охлаждения - естественная конвекция. Итоги, полученные из вышеуказанной таблицы: 1. Большая площадь теплопередачи ленты производит такую же нагревательную мощность при более низкой температуре, чем кабель. 2. Эффективность нагревания ленты значительно больше, чем эффективность нагревания кабеля. Тепловая инерция Аморфная металлическая лента имеет очень низкую тепловую инерцию за счет низкой массы ленты. Благодаря такому свойству лента нагревается до 300C через 3 минуты после включения, в то время как кабель достигает той же температуры через 10 минут работы (что в три раза медленнее) (Рис. 2). Энергопотребление Распространение тепла от нагревательного элемента в окружающую среду производится по следующему алгоритму: поступающая энергия нагревает сам нагревательный элемент, а затем электрическую изоляцию, после чего нагревательный элемент греет окружающее пространство. В каждом случае масса нагреваемой поверхности значительно больше массы нагревательного элемента (ленты или кабеля). Время выхода на рабочую температуру зависит от массы поверхности и не зависит от массы нагревательного элемента. Это означает, что экономия энергопотребления имеет место быть только в процессе, пока нагревательный элемент достигает определенной температуры [8,9]. Благодаря тому, что аморфная металлическая лента очень тонкая, она обладает очень низкой массой. В результате нагревание до требуемой температуры проходит очень быстро, а потребление электроэнергии по сравнению с обычным кабелем меньше. Кроме того, фактическое электрическое сопротивление кабеля в большинстве случаев намного меньше, чем у аморфной ленты. В результате, требуется кабель большей массы для обеспечения такого же электрического сопротивления (одинаковое электрическое сопротивление обеспечивает одинаковую мощность для сравниваемых нагревательных элементов) [5]. Для того, чтобы понять, сколько требуется энергии для прогрева самого нагревательного элемента, давайте произведем расчет на 1 кВт электроэнергии для аморфной металлической ленты и кабеля по следующим геометрическим параметрам (мощность 220 В) (Табл. 3) 35 кабель т, °с 30 25 20 15 10 / / / / 1 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360 390 420 450 480 510 540 570 600 Время, с Рисунок 2 - Гоафик изменения температуры нагревательной ленты и кабеля после включения. Таблица 3 Параметры сравниваемых нагревательной ленты и кабеля Аморфная лента Кабель толщина 25 ум ширина 25 мм диаметр 1 мм длина 21.6 м длина 70 м электрическое сопротивление 1.4 x 10-6 Ом*м электрическое сопротивление 0.54 x 10-6 Ом*м Для увеличения температуры кабеля на 20С требуется электроэнергии в 0,00016 кВт-ч. Масса ленты в таком случае меньше в 4 раза. Это означает, что электроэнергии для нагрева ленты в таких же условиях понадобится 0,00004 кВт-ч (Рис. 3). Необходимо отметить, что у кабеля больше изолирующего материала, чем у ленты. Это еще больше увеличивает затраты на нагрев кабеля по сравнению с лентой. Исходя из вышеизложенного, нагревательная лента гораздо более эффективна, чем кабель. Потребление электроэнергии у ленты в 2-4 раза ниже, чем у кабеля. Это дает множество возможностей для экономии электроэнергии при работе нагревателей в цикличном режиме. кВтчас _I 0,00018 I- 0,00016 - 0,00014 - 0,00012 |- - 0,0001 ч- - 0,00008 - 0,00006 - 0,00004 - 0,00002 0 : - Кабель Лента Рисунок 3 - Количество электроэнергии, требуемое нагревательной ленте и кабелю для нагрева на 2 0С Экологичность Благодаря значительно более низкой рабочей температуре аморфной ленты, в сравнении с кабелем, системы на основе аморфной ленты гораздо более экологичны: пыль на поверхности нагревателей не сгорает, как это происходит с высокотемпературными нагревательными элементами. Более низкая температура означает более здоровое окружение, повышенную безопасность и продолжительную работоспособность. Измерения силы магнитного поля аморфной металлической ленты показали, что оно крайне низкое [7]. На расстоянии 10 мм от нагревательного элемента сила магнитного поля меньше трети магнитного поля Земли (которая составляет ~420 мГн) и практически полностью растворяется чуть выше. Безопасность Технология системы обогрева, в основе которых лежит аморфная металлическая лента, исключает риск каких-либо повреждений поверхностей, к которым или на которые они устанавливаются (в отличие от других систем, работающих на значительно более высоких температурах). Заключения: 1. Аморфная металлическая лента может быть использована как низкотемпературный нагревательный элемент. 2. Низкотемпературный нагревательный элемент на основе аморфной металлической ленты экологичный и безопасный. 3. Аморфная металлическая лента обладает очень низкой тепловой инерцией и достигает стабильного температурного состояния за относительно короткое время. 4. Тепловая эффективность ленты значительно выше, чем у кабеля. Большая площадь поверхности теплопередачи ленты позволяет достигать такой же тепловой мощности (как при использовании обычного 5. Ультратонкая лента с большой площадью поверхности предотвращает поглощение тепла металлом и делает теплопередачу эффективнее. 6. Существенная экономия энергии рассчитывается за счет низкой тепловой инерции и эффективной теплопередачи, особенно в режиме быстрого переключения (вкл/выкл). 7. Высокая механическая прочность, низкая температура нагрева и коррозионная устойчивость наделяют ленту высокой степенью надежности, что особенно важно при эксплуатации антиобледенительных систем в экстремальных условиях арктических территорий.
621.315
10.24411/2658-4255-2020-10085
аморфные сплавы
нагревательные элементы
системы обогрева
Арктика
системы антиобледенения
amorphous alloys
heating elements
heating systems
Arctic
de-icing systems
Павленко Т.П., Токарь М.Н. Анализ и исследование свойств аморфных сплавов // Электротехника и электромеханика. 2013. № 5. С. 45-47 Статья в журнале.
Patent № 5,641,421, Jun. 24, 1997 (United States Patent) «Amorphous metallic alloy electrical heater systems»: [https://patents.google.com/ patent/US5641421A/en]
Patent № EP 0 808 078 B1, 04.10.2001 (European Patent Office) «Amorphous metallic alloy electrical heater system»: [https://data.epo.org/ publication-server/document?cc=EP&pn=08080 78&ki=B1&lg=en]
Могильников П.С. Закономерности влияния процессов структурной релаксации на магнитные свойства и механическое поведение аморфных сплавов на основе кобальта с очень низкой магнитострикцией (λs № 10-7 ): диссертация канд. физико-математических наук. 01.04.07 / Павел Сергеевич Могильников. Москва, 2016. 202с.
Brook-Levinson E.T., Geller M.A Amorphous metallic alloy ribbons heating element // The optimization of composition, structure and properties of metals, oxides, composites, nano-and amorphous materials. 2003. p. 80-88.
Geller M. Electric wires and ribbon heating elements for under floor heating: [http://www. orionecotech.com/pdf/Wire-ribbon%20energy%20 consumption.pdf]
Test Report №: 221968 - EN 62233, Nemko testing laboratory. 2008: [http://2.ahtrussia.z8.ru/wp-content/uploads/2015/07/Nemko_2.png]
Измайлов С.В., Шульга А.Р., Шульга Р.Н., Змиева К.А. Новые подходы к созданию энергоинформационных распределительных сетей // Электротехника. № 2. 2014. С. 39-43.
Змиева К.А. Применение автоматических компенсаторов реактивной мощности для повышения энергоэффективности управления электроприводом металлообрабатывающих станков // Электротехника. 2009. № 11. С. 26-32.
65-махнев_змиева.pdf
27.03.2020