В статье рассматриваются вопросы повышения эффективности использования технологического оборудования и кабелей на внутренних линиях солнечной электростанции. Представлены результаты моделирования с трансформаторами различной мощности. Даны рекомендации по повышению эффективности и увеличению загрузки линий электропередач.
Развитие технологии фотоэлектрических генераторов, которые также называют солнечными панелями, позволило существенно снизить их цену и сделало доступными для широкого применения. Другое направление – силовая электроника, начало выпускать тиристоры на высокое напряжение с токами отключения до 100 А. На основе тиристоров построены инверторные преобразователи, которые значительно расширили область применения солнечных панелей. Солнечная энергетика получила возможность подключения к распределительным сетям и стала частью промышленной энергетики.
Проектирование солнечной электростанции (СЭС) выполняется с целью максимального использования потенциала солнечного излучения в регионе. При этом решается ряд задач – построение главной схемы, схемы собственных нужд, проектирование преобразовательных и трансформаторных подстанций, конструктивное исполнение солнечных панелей, размещение оборудования на территории СЭС, схему выдачи мощности во внешние сети. Решение отдельных задач должно быть взаимоувязанным, необходимо выполнить требования по надежности, безопасности и энергетической эффективности.
Одновременное выполнение всех требований невозможно, поэтому выбирается вариант проекта, при котором будет оптимальное сочетание капитальных вложений и эксплуатационных затрат. Основным критерием оптимизации при проектировании объектов электроэнергетики берутся минимизация приведенных затрат. Выбор силового оборудования и кабельной продукции необходимо провести с учетом экономических показателей – цены комплектующих и стоимости пусконаладочных работ. Главным критерием проекта будут выступать технико-экономические показатели, в том числе, себестоимость 1 МВт-ч произведенной электроэнергии.
Оптимизация параметров солнечной электростанции включает в выбор номинального напряжения, мощности технологического оборудования, схемы подключения и конструктивного исполнения линий электропередачи (ЛЭП), размещения на местности солнечных панелей, коммутационной аппаратуры, трансформаторных и преобразовательных подстанций.
Важная роль отводится проектированию ЛЭП, которые обеспечивают транзит мощности и оказывают влияние на показатели работы СЭС. На тепловых электростанциях генерирующее оборудование установлено в машинном зале и имеет несколько вариантов подключения. Протяженность ЛЭП не превышает сотен метров и их расчеты и строительство выполняются по классическим методикам. СЭС относится к распределенной генерации, солнечные панели размещаются на территории площадью в несколько сотен гектаров, протяженность ЛЭП достигает нескольких десятков км.
Разная длина ЛЭП от солнечных панелей до ТП приводит к разнице их полного сопротивления. При работе нескольких модулей за счет разного сопротивления ЛЭП их выдаваемая мощность будет отличаться. Большая протяженность увеличивает капитальные затраты на строительство СЭС. Разветвленная сеть на открытой местности подвержена внешним воздействиям, в распределительной сети в процессе эксплуатации возникают отказы, показатели надежности работы ЛЭП снижаются.
Задача повышения эффективности и оптимизации режимов работы СЭС является одной из главных как на этапе проектирования, так и в процессе эксплуатации. Характерной особенностью СЭС является зависимость выдаваемой мощности от погодных условий, географических особенностей, времени года и времени суток. На рисунке 1 представлены графики солнечной инсоляции для региона Поволжья в зависимости от погоды и времени года.
Максимальная мощность солнечного излучения наблюдается в полдень в апреле и мае месяце, для Поволжья она составляет 860 Вт/м2. Зимой и в пасмурную погоду летом мощность падает наполовину. Во время дождя или снегопада СЭС мощность не выдает. Зимой световой день сокращается и время работы СЭС также уменьшается.
В качестве основного генерирующего оборудования принимаем солнечные панели «Silasolar-400vt» производства Китая с напряжением 44 В [4]. Солнечные панели группируют в модули. Внутри модуля солнечные панели включают в цепи последовательно, при этом повышается напряжение на выводах линейки. В цепь каждой линейки включен выравнивающий резистор сопротивлением 0,1 – 0,03 Ом. Падение напряжения на резисторах выравнивает токи в соседних линейках и обеспечивает равномерную загрузку.
Основными способами повышения надежности электроснабжения потребителей в распределительных сетях является секционирование, резервирование и ранжирование шин по вертикали. На СЭС большой мощности выполняют группировку солнечных панелей в модули и модулей на кластеры. Каждый кластер имеет трансформаторную подстанцию (ТП), к входам которой подключены несколько инверторов. Для снижения количества инверторных преобразователей их мощность повышается до значений, ограниченных максимальными токами тиристорных ключей.
При выборе схем соединения панелей необходимо задавать величину напряжения и отдаваемого тока на входных шинах ТП. При низком значении напряжения будут большие потери электрической мощности на внутри станционных линиях электропередач (ЛЭП). Для снижения тока в ЛЭП необходимо повысить напряжение транзита. С этой целью на трансформаторной подстанции установлен повышающий трансформатор 0,4/10 кВ (ТП). Применение серийных трансформаторов 0,4\10 кВ позволяет решить проблемы с поставками комплектующих на этапе строительства и проблемы запасных частей в процессе эксплуатации.
При работе с высоким напряжением в режиме номинальной мощности токи падают, и потери снижаются. Для получения высокого напряжения в линейку включено большое число солнечных панелей. При отказе любой из них выходит из строя вся цепочка, мощность генерации падает. В итоге снижается надежность отдельных модулей СЭС.
Выбор напряжения, на котором ведется выдача мощности, выполняется по традиционным методикам. Номинальное напряжение зависит от мощности транзита и длины ЛЭП. Как правило, выдача мощности до 1 МВт ведется на напряжении 10 кВ, расстояние передачи – несколько километров [7]. Мощность транзита до 10 МВт ведется на напряжении 35 кВ, расстояние – десятки километров. Передача большей мощности на расстояние до 100 км требует напряжения 110 кВ. Выбор напряжения также определяется характеристиками силового оборудования, поставляемого производителями на рынок.
Исходными данными проекта СЭС будет установленная мощность энергоблока – 10 МВт, размещение в Европейской части нашей страны на широте 40 – 45 0 СШ. Выдача мощности в магистральные сети напряжением 110 кВ. Для ГПП можно применить один трансформатор 10/110 кВ мощность 10 МВА или два трансформатора мощностью по 6,3 МВА.
Каждый модуль имеет свой инвертор, работа которого синхронизирована с шинами 110 кВ ГПП[. На выходе инвертора получаем переменный ток напряжением 0,4 кВ. В каждом кластере имеется одно-трансформаторная ТП 0,4/10 кВ. В зависимости от мощности трансформаторов в состав одного кластера будет включено разное число модулей.
В распределительных сетях стандартом предусмотрено действующее линейное напряжение 0,4 кВ. Для преобразования постоянного тока в переменный требуется получить напряжение на шинах постоянного тока, равное амплитуде фазного напряжения 364 В. Солнечные панели «Silasolar-400vt» работают с номинальным напряжением 44 В, максимальный ток составляет 10 А, напряжение холостого хода 48 В. В линейку включают 8 панелей, что обеспечивает напряжение на выводах 354 В. В одном модуле смонтировано 12 линеек, максимальный ток на выходе составляет 100 А.
Ночью СЭС не работает, утром и вечером мощность генерации солнечных панелей невысока. СЭС способна выдавать расчетную мощность только в течение 6-8 ч светового дня. На рисунке 2 представлены графики мощности солнечной панели для региона Поволжья.
Выполним моделирование режимов работы модулей и ТП для разных климатических условий. По архивным данным ГисМетео получены значения солнечной инсоляции в мае 2020 г. На рисунке 3 представлен график времени работы (ч) в течение месяца солнечной панели с заданным током.
При составлении главной схемы необходимо решить оптимизационную задачу выбора мощности и числа повышающих трансформаторов и преобразовательных подстанций. Передача мощности на генераторном напряжении ведется линиями постоянного тока. Величина тока достигает нескольких сотен ампер и сопровождается значительными потерями.
Для решения оптимизационной задачи выполнены расчеты на модели для четырех вариантов ТП мощностью 160, 240, 400 и 630 кВт. Выдача мощности одного модуля ведется на постоянном токе, при напряжении 360 В. Инвертор подключен к шинам постоянного тока. На один инвертор мощностью 80 кВт работают три модуля средней расчетной мощностью 26 кВт. Повышающий трансформатор подключен к общим шинам 0,4 кВ, на которые работают несколько инверторов. По территории СЭС транзит ведется кабельными линиями (КЛ) на напряжении 10 кВ. Результаты расчета мощности потерь и расхода кабелей на монтаж ЛЭП представлены в таблице 1.
АННОТАЦИЯ
научной статьи по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям, автор научной работы —
Татьяна Юрьевна Бростилова, Сергей Владимирович Голобоков, Мария Михайловна Чукарева
