95
I.
В
ВЕДЕНИЕ
Топливные элементы – одна из наиболее активно
развивающихся технологий производства электроэнергии.
Главные
преимущества
топливных
элементов
заключаются в высокой энергетической эффективности и
экологичности
[1].
Перспективы
применения
энергоустановок на основе топливных элементов связаны с
их интеграцией в системы электроснабжения удаленных от
централизованной электрической сети потребителей, в том
числе в системы электроснабжения сельскохозяйственных
предприятий.
Для
сельскохозяйственных
потребителей
перспективным видом топлива является биогаз, который
может производиться путем утилизации отходов
животноводческих и растениеводческих предприятий,
сточных вод и т.д [2]. Биогаз может использоваться в
качестве топлива для высокотемпературных топливных
элементов, наиболее эффективными из которых являются
твердооксидные топливные элементы (ТОТЭ) [3].
Высокая температура рабочих режимов ТОТЭ (от 650
до 1000 °С) обеспечивает прямое преобразование биогаза в
электроэнергию с высоким КПД (около 60 %). Однако
ТОТЭ характеризуются большой продолжительностью
выхода на оптимальный режим работы и низкой
маневренностью. Поэтому для обеспечения баланса
электрической мощности в автономных системах
электроснабжения требуется сочетание ТОТЭ с другими
источниками электроэнергии [4]. Актуальной задачей при
этом является оптимальное управление режимами работы
такой системы.
Вопросы
управления
режимами
работы
комбинированных
системам
электроснабжения
с
топливными элементами рассматриваются во многих
научных работах. При этом значительное внимание
уделяется вопросам регулирования производительности
топливного
элемента
(при
использовании
низкотемпературных топливных элементов), применения
водородных накопителей энергии (при использовании
водорода в качестве топлива), обмена электроэнергией с
централизованной
электрической
сетью
(для
централизованных систем электроснабжения).
В данной работе рассматривается автономная система
электроснабжения с ТОТЭ на биогазе удаленного
животноводческого
предприятия.
Статья
является
продолжением и развитием исследований [5].
Цель работы заключается в разработке алгоритма
управления и Simulink-модели автономной системы
электроснабжения с ТОТЭ на биогазе для исследования
энергетических параметров и показателей качества
электроэнергии в нормальных и аварийных режимах
работы.
II.
АВТОНОМНАЯ СИСТЕМА ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ С
ТОТЭ
НА БИОГАЗЕ
На рис. 1 представлена структурная схема
рассматриваемой автономной системы электроснабжения.
Основные ее блоки: энергоустановка на ТОТЭ,
работающая на биогазе; система накопления на основе
аккумуляторных батарей (АБ); резервная энергоустановка,
работающая на биогазе; балластная нагрузка.
Рис. 1 – Структурная схема автономной системы электроснабжения.
Энергоустановка на ТОТЭ является основным
источником
электроэнергии.
АБ
и
резервная
энергоустановка применяются для обеспечения баланса
электрической мощности при изменении нагрузки
потребителей в течение суток.
Сопряжение энергоустановки на ТОТЭ и АБ
осуществляется на шине постоянного тока с помощью
преобразователей DC/DC. Для питания потребителей
применяется инвертор DC/AC. Резервный маневренный
источник питания (ГПУ на биогазе) подключается к шине
переменного тока. Данная структура обеспечивает
высокую надежность электроснабжения потребителей за
счет применения двух независимых источников питания.
Принято, что энергоустановка на ТОТЭ работает в
постоянном режиме, обеспечивающем наибольшую
эффективность генерации электроэнергии:
P
ТОТЭ
(
t
) =
V
БГ
(
t
) / (24·
F
ТОТЭ
),
(1)
где
P
ТОТЭ
– генерируемая мощность ТОТЭ,
V
БГ
– суточный объем биогаза для работы ТОТЭ,
F
ТОТЭ
- удельный расход биогаза ТОТЭ для
производства 1 кВт∙ч электроэнергии.
Если генерируемая мощность ТОТЭ превышает
мощность нагрузки потребителя, то вся нагрузка
покрывается за счет генерации ТОТЭ. При этом, если
появляется избыток генерации ТОТЭ (при минимальных
нагрузках, как правило, в ночное время), то он поступает
на заряд АБ:
Р
АБ
(
t
) =
Р
ТОТЭ
(
t
) –
Р
Н
(
t
),
(2)
где
P
Н
– мощность нагрузки потребителя,
P
АБ
– входная мощность АБ,
t
– текущий момент времени.
Если при избытке генерации ТОТЭ заряд АБ достигает
максимального значения, то избыток генерации ТОТЭ
утилизируется на балластной нагрузке (например,
используется для нагрева воды):
P
БН
(
t
) =
Р
ТОТЭ
(
t
) –
Р
Н
(
t
),
(3)
Система накопления
на основе АБ
Энергоустановка
на ТОТЭ
=
=
=
=
=
~
Нагрузка
Балластная
нагрузка
ГПУ
на биогазе
Конвертер 1
Конвертер 2
Инвертер
Шина постоянного тока
Шина переменного тока
