В локальных электроэнергетических системах, удаленных от единой электроэнергетической системы страны, существует проблема непрерывного обеспечения потребителей напряжением высокого качества. В случае систем на основе возобновляемой энергетики вырабатываемая мощность существенным образом зависит от внешних условий (скорости ветра, количества солнечной радиации и т.д.). В случае невозобновляемых источников энергии, например, дизельных электростанций, параметры напряжения могут существенно меняться в процессе эксплуатации при подключении и отключении мощных нагрузок.
В таких условиях работают промышленные и нефте/горнодобывающие предприятия, инфраструктурные объекты связи и другие потребители электроэнергии, получающие питание от автономных источников электроэнергии. В этом случае задача обеспечения потребителей качественной электроэнергией существенно усложняется большим количеством динамического оборудования с резкопеременным потреблением электроэнергии.
В свою очередь, низкое качество электропитания автономных объектов может обернуться снижением уровня выпускаемой продукции, программными сбоями и даже аварийным выходом из строя оборудования, подключенного к энергосистеме, и, как следствие, грозит экономическими убытками и авариями. Одним из решений обеспечения гарантированного питания потребителей является применение систем накопления энергии и источников бесперебойного питания.
На территории РФ автономные энергетические объекты часто располагаются в экстремальных климатических условиях, удаленных от основных промышленных центров, в областях с высокой ресурсоемкостью и зависимостью хозяйственной деятельности и жизнеобеспечения населения от поставок топлива из других регионов страны. В качестве примера, в Арктическую зону Российской Федерации в настоящее время включены девять северных субъектов страны (четыре из них полностью).
В последние годы этот регион активно привлекает внимание государства и бизнеса: наибольший интерес к макрорегиону вызывают его нефтяные и газовые залежи, перспективная трансконтинентальная логистика (Северный морской путь) и туризм. Актуальность качественного бесперебойного электропитания в таких областях становится с каждым годом все больше.
Для обеспечения стабильного качества электроэнергии в локальных распределенных энергосистемах может использоваться множество источников бесперебойного питания с собственной системой управления. В таких условиях необходимо решать задачи синхронизации слабо связанных динамических систем с поддержанием показателей качества электроэнергии.
Мы разработали прототип источника бесперебойного питания. От существующих прототипов его отличает более высокие показатели энергоэффективности и КПД. Кроме того, скорость синхронизации устройства с сетью в случае отключения промышленных предприятий от энергоснабжения составляет менее 20 мсек, то есть одного периода напряжения сети. Этого удалось добиться благодаря использованию технологии «цифровых двойников», разработанных для данной системы на основе высокоточных численных схемотехнических моделей электротехнических преобразователей энергии.
- Юрий Перевалов, руководитель проекта, доцент кафедры электротехнологической и преобразовательной техники (ЭТПТ) СПбГЭТУ «ЛЭТИ»
В состав прототипа включена система накопления электроэнергии на основе литий-ионных аккумуляторов с интеллектуальной системой управления батареей. Силовая часть преобразователей электрической энергии прототипа выполнена на современной элементной базе карбида кремния (SIC), разрабатываемой в СПбГЭТУ «ЛЭТИ».
Однако «цифровые двойники» используются не только для создания источников бесперебойного питания с высокой скоростью синхронизации с системой энергоснабжения. В перспективе данная технология позволит ученым ЛЭТИ масштабировать свои источники питания в инфраструктуру из нескольких устройств с единым цифровым управлением процессами. Кроме того, численные модели и специальное ПО, разработанное в ЛЭТИ, поможет отслеживать электротепловые процессы внутри всей системы.
Наша разработка имеет большую востребованность на территориях, удаленных от крупных объектов генерации энергии в нашей стране, в частности, в Арктике. Сегодня расположенные там современные технологичные производства требуют высокого качества электрификации. Речь идет, например, о горнодобывающих комбинатах, об объектах газо- и нефтедобычи, автономных систем телекоммуникаций, таких как вышки связи и портовая инфраструктура.
- Юрий Перевалов
Сейчас ученые продолжают модернизацию системы чтобы еще больше повысить КПД бесперебойного источника питания. Разработка проводится в рамках программы развития СПбГЭТУ «ЛЭТИ» «Приоритет 2030».
Фото: пресс-служба СПбГЭТУ «ЛЭТИ»
