№ 3
ИЗВЕСТИЯ АКАДЕМИИ НАУК ЭНЕРГЕТИКА
2013
УДК 621.313.32
© 2013 г. ЖЕЛОКОВА М.З., МАКСИМОВА И.Ф.1
МАХОВИЧНЫЕ АГРЕГАТЫ И ТЕНДЕНЦИИ ИХ СОВРЕМЕННОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ
Приведена информация о новейших разработках и серийно выпускаемых в настоящее время электромеханических накопителях энергии (ЭМН). Рассмотрены особенности условий работы и конструкции электрических машин ЭМН. Перечислены основные направления проводимых научных и опытно-конструкторских разработок.
Область применения электромеханических накопителей энергии (ЭМН) расширяется, что объясняется их положительными особенностями, низкими эксплуатационными расходами и экологическими преимуществами. Известны множество находящихся в эксплуатации ЭМН и большое число перспективных проектов [1, 2]. Проводятся интенсивные работы по созданию мощных (до 1012 Вт) энергоемких систем с высокими удельными параметрами единичного импульса энергии (до 100 Дж/г) и по обеспечению частотного режима работы. Уже созданы установки с КПД до 85% при мощности до 109 Дж [3].
Особой областью применения является возобновляемая энергетика (солнечная, ветровая и т.п.), которая принципиально не может обойтись без накопительных устройств. ЭМН позволяют также решить ряд экологических проблем.
ЭМН можно эффективно использовать в следующих случаях:
— в дизель-генераторных установках резервного питания. Оснащение их ЭМН позволяет этим установкам работать на потребителей, нуждающихся в бесперебойном энергообеспечении;
— для улучшения показателей работы установок гарантированного питания (UPS) и источников высококачественной энергии (PQ). Этому способствуют такие свойства ЭМН, как неограниченность числа циклов заряд-разряда, допустимость глубокого разряда, минимальное воздействие на окружающую среду;
— для сглаживания пиков нагрузки в газотурбинных установках (ГТУ), для повышения КПД которых следует исключать кратковременные мощные нагрузки на турбину.
Предлагается применять ЭМН в электроэнергетических системах для обеспечения их устойчивости при дефиците реактивной и активной мощности и для согласования параметров сети с параметрами импульсных потребителей и ослабления их негативного влияния на показатели качества электроэнергии [4]. Если устройство с неравномерным потреблением энергии размещается далеко от станции, а подводящие линии электропередачи не рассчитаны на большие мощности, то применение системы, сглаживающей нагрузку, окупается за несколько лет. Считается, что для стабилизации энергетических сетей необходимы компактные маховики в мегаваттном диапазоне мощностей с запасом энергии 500 МДж (~140 кВт • ч) [3].
1ИЭЭ РАН.
К достоинствам ЭМН относится относительная простота их монтажа и небольшие эксплуатационные расходы. Изготовители, как правило, агрегат поставляют в сборе его монтаж на месте не представляет особых проблем. Но при необходимости допустима отдельная поставка турбины и ЭМН с последующим монтажом. Эксплуатационное обслуживание ЭМН может проводиться без остановки оборудования (или остановки нужны очень редко, например, при необслуживаемых подшипниках) [3].
Для повышения безопасности в современных ЭМН используются системы контроля, которые непрерывно следят за наиболее важными параметрами и осуществляют безопасное отключение установки в случае возникновения критических ситуаций, а также дистанционно обеспечивают предупреждающую сигнализацию и подачу сигнала тревоги.
Схема ЭМН определяется многими факторами:
— мощностью и назначением установки;
— длительностью работы с заданной мощностью;
— типом электрических машин;
— возможностью и эффективностью использования генератора в режиме разгонного двигателя, то есть в качестве мотор-генератора (М-Г);
— требуемой скоростью вывода установки на режим генерирования.
В соответствии с этим в состав основного оборудования ЭМН, наряду с первичным источником энергии, входят маховики, электрические машины с системами управления и защиты, силовая электроника, пусковые устройства и другие дополнительные элементы.
Широкомасштабному внедрению ЭМН препятствует относительная дороговизна этих агрегатов. Расчетная стоимость энергии ЭМН, с учетом цен 2003 г., со временем сохранения энергии ~5 сек была порядка 200...500 долл/кВт [5]. В последнее время наблюдается ускоренное развитие мощного преобразовательного оборудования и IGBT устройств (полностью управляемых приборов силовой электроники), поэтому можно надеяться, что в ближайшем будущем эти цены будут снижаться.
При длительном времени сохранения (~1 час) стоимость энергии ЭМН может возрасти до 3000 долл/кВт, что слишком дорого. Системы с таким временем хранения в настоящее время не изготавливаются [3].
Основные мировые фирмы—производители ЭМН — это "Active Power" (и "Caterpill-er"), "Acumentrics Corporation", AFS "Trinity Power Corporation", "Beacon Power", "Flywheel Energy Sistems Inc.", "Pentadyne", "Piller", "Tribology Systems Inc." и "Urenco Power Technologies" [3]. В Европе лидером является компания "Piller". Предполагается, что европейский рынок энергонакопителей (суперконденсаторов и маховиков) будет расти с темпом прироста ~15% в год. Это обусловлено ожидаемым приростом утилизационной возобновляемой энергетики, повышением требований к бесперебойности электроснабжения, повышением требований к источникам гарантированного питания (UPS) и источникам качественной энергетики (PQ источникам).
В России создана серийно выпускаемая установка СГЭП-50 мощностью 500 кВт для потребителей, допускающих перерыв электроснабжения длительностью 0,2.0,3 сек [6].
Основные работы по совершенствованию ЭМН проводятся в США, где сосредоточена большая часть изготовителей [3]. Усилия разработчиков направлены на:
— совершенствование роторных материалов (повышение предела прочности на разрыв и стабильности параметров) и технологии изготовления;
— усовершенствование подшипников (повышение надежности, снижение потерь холостого хода);
— уменьшение стоимости изделий;
— совершенствование силовой электроники (снижение потерь, времени срабатывания; повышение импульсной мощности энергетического оборудования, накопительных модулей);
— расширение топологии гибридных накопителей;
— углубление стратегии контроля, что позволит расширить области их применения;
Анализ ЭМН основан на совместном исследовании электромеханических, прочностных и тепловых процессов в динамических режимах во всех элементах установки, и прежде всего, в электрических машинах. При их проектировании следует учитывать специфические условия их работы в составе ЭМН. Перечислим некоторые из них.
Прежде всего, из-за наличия больших маховых масс затягивается процесс запуска агрегата (например, до 5 мин у АГП-15 и до 12 мин у АГП-7,5 [6]). Это приводит к большим тепловым перегрузкам, которые, в отличие от стандартных графиков работы, уменьшаются при номинальной мощности, так как при запуске ЭМН длительно действуют увеличенные пусковые токи.
Значения начальной и конечной скоростей определяются при проектировании ЭМН с учетом технических ограничений и заданных условий работы. Минимальная скорость маховичного генератора при постоянстве энергии в каждом импульсе по условиям насыщения магнитной цепи генератора чаще всего ограничивается значением 0,7 от скорости холостого хода; при этом используется до 70% запасаемой кинетической энергии.
Различают два генераторных режима работы ЭМН: относительно длительный режим динамического торможения (0,5...10 сек) и кратковременный режим ударного разряда (0,001.0,01 сек). В обоих случаях за вычетом электромагнитных и механических потерь в электроэнергию преобразуется лишь часть запасенной ротором кинетической энергии, причем некоторая часть энергии маховика переходит в потенциальную энергию упругой крутильной деформации вала, которая за время паузы вновь преобразуется в кинетическую энергию и способствует разгону ротора.
В состав ЭМН могут входить несколько электрических машин с ферромагнитопро-водом и без него. Чаще используется первый тип, так как он основан на традиционной технологии электромашиностроения.
Перспективный тип без ферромагнитопровода предполагает использование сверхпроводников и криорезистивных обмоток, применимы многослойные обмотки, периодически экранируемые плоскими экранами. Для генерации серии импульсов тока можно эффективно использовать установки на основе генераторов с активным экраном, генераторов с совмещенными обмотками возбуждения и якоря.
Чаще всего в качестве М-Г используется высокооборотная электрическая машина переменного тока с постоянными магнитами (ПМ), интегрированная с маховиком. Для уменьшения механических потерь электрические машины можно устанавливать внутри вакуумированного корпуса, если отдельно решена проблема их охлаждения.
Основное достоинство машин переменного тока заключается в возможности бесконтактного исполнения ротора, что позволяет повысить ресурс, надежность работы и упрощает эксплуатационное обслуживание.
Генераторы переменного тока в ЭМН часто работают в ударных режимах (в режиме внезапного короткого замыкания из предшествующего холостого хода). В этом случае целесообразно использовать первый максимум тока (пиковое значение) за время первой полуволны тока. При этом разряд длится менее 0,02 сек (при 50 Гц), и удается отобрать и преобразовать в электроэнергию не более 20% запасенной кинетической энергии. Для увеличения максимального тока разряда ударные генераторы проектируют с минимальными индуктивными сопротивлениями рассеяния и мощной демпферной обмоткой.
Используются в ЭМН машины постоянного тока, подключаемые через коммутатор, однако масса и стоимость установки при этом увеличивается, а КПД уменьшается. Возникают и скоростные ограничения, так как при размещении в вакуумирован-ном корпусе усиливается искрение щеток. В ЭМН применяются машины постоянного тока (МПТ) различных типов: коллекторные, вентильные, униполярные.
Основное достоинство коллекторных и вентильных МПТ: простота и гибкость регулирования угловой скорости и вращающего момента двигателя или напряжения генератора. Недостатки коллекторных МПТ: ограничения по току (не выше 60 к
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.