Накопители энергии

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ НАКОПИТЕЛЯХ ЭНЕРГИИ

Электромеханическим накопителем (ЭМН) называется устройство для запасания и хранения механической энергии с последующим ее преобразованием и отдачей в форме электрической энергии для дальнейшего использования.

Запасается, как правило, кинетическая энергия вращатель­ного движения маховика, который при заряде ЭМН рас - кручивается с помощью механического или электрического привода: пружины; турбины, использующей энергию сжатых газов, сгорания топлива или порохового заряда и т. п.; элек­трической машины (ЭМ), работающей в режиме двигателя - В устройствах ЭМН может отсутствовать маховик как самосто­ятельный элемент, соединенный посредством жесткой или упругой связи с ЭМ. В этом случае инерционным накопитель­ным элементом ЭМН служит ротор ЭМ (наряду со свойМ функциональным назначением в электромеханическом процесс машины). Ротор ЭМ в некоторых вариантах НЭ может быт^ конструктивно совмещен с дополнительным маховиком. Пр разряде ЭМН механическая энергия преобразуется в элект"

Рическую посредством ЭМ, работающей в режиме генератора. 0 качестве генератора применяется та же ЭМ, которая служит электродвигателем для разгона маховика, или другая ЭМ, также установленная на валу ЭМН [5.1].

Таким образом, ЭМН представляет собой конструктивно объединенные в одной установке механический инерционный накопитель и ЭМ (генератор, двигатель), причем при заряде й разряде ЭМ допускает работу как обратимый преобразова­тель. Для ЭМН справедливо уравнение энергетического баланса типа (В.1). Согласно (В.1) ЭМН можно рассматривать как усилитель электрической мощности. При заряде накопителя ЭМ (двигатель) потребляет относительно небольшую усред­ненную мощность Р, от источника питания в течение времени Tr В режиме разряда ЭМ (генератор) отдает усредненную мощность Рр>Р3 за время Tp<Tv

В зависимости от вида и назначения ЭМН в его состав входят различные ЭМ. Согласно общей классификации ЭМ можно выделить ЭМН на основе машин переменного тока (синхронных или асинхронных) и машин постоянного тока (МПТ), включая коллекторные или вентильные разноимен - нополюсиые МПТ и униполярные (одноименнополюсные) ма­шины. Общие принципы работы, конструкция, теория и расчет ЭМ, применяемых в промышленных и автономных (транспорт­ных) установках, изложены в соответствующих учебных ру­ководствах, например в [2.36, 5.2—5.6], а также в монографиях [5.7-5.9] и др.

Первые ЭМН для использования в электрофизических установках предложены академиками П. JT. Капицей иМ. П. Костенко. В зависимости от назначения ЭМН, разновид­ностей потребителей их энергии и устройств электропривода в состав ЭМН входит одна или несколько ЭМ постоянного и (или) переменного тока. Например, в промышленных установ­ках распространены ЭМН с асинхронными приводными двигате­лями и трех - или однофазными синхронными генераторами с демпферными обмотками [5.1]. При разряде ЭМН для их Операторов переменного или постоянного тока характерен кратковременный отбор электрической мощности в нагрузку. ° зависимости от значений t могут иметь место две основные Разновидности разрядного режима: относительно длительное (от 0,5-—1 до 10 с) динамическое торможение ротора электромагнит­ами силами в активной зоне ЭМ и кратковременный (от Ю-3

Ю-2 с) пиковый режим ударного разряда, также сопровожда­ющийся торможением ротора. В обоих случаях, с учетом потерь ПгРения агрегата, а также электрических и магнитных потерь 6 генераторе, преобразуется в электроэнергию часть запасенной Р°тором кинетической энергии, . которая составляет ^K = 0,5/(Q2 —Q2) (см. гл.4). При этом угловая скорость

279

Ротора генератора уменьшается на AQ = Q(— Q2. Допустимые начальное Q, и конечное Q, значения скорости определяют при проектировании ЭМН, исходя из системы технических ограниче­ний и заданных условий работы НЭ. Предельная длительность режима динамического торможения ЭМН определяется допусти­мым уровнем уменьшения Q и управляется посредством коммутатора в разрядной цепи.

При ударном разряде крупного ЭМН вследствие большого кинетического момента MKll„ = JQl снижение скорости AQ незначительно, однако из-за кратковременности разряда от­даваемая электрическая мощность достаточно высока. При торможении ротора генератора и наличии на валу ЭМН отдельного маховика последний практически не снижает со­бственную угловую скорость в ударном режиме разряда. Кинетическая энергия маховика частично переходит - в потен­циальную энергию упругой крутильной деформации вала. Во избежание разрушения вала возникающими касательными на­пряжениями предусматривают для ЭМН в необходимых случа­ях соединение валов маховика и ротора генератора посредством упругой муфты. В частности, если ЭМН работает в цикличес­ком режиме ударной нагрузки, то накопленная в маховике кинетическая энергия и энергия упругости муфты и вала препятствуют значительному торможению ротора ЭМН. В те­чение паузы упругая энергия преобразуется в кинетическую энергию разгона ротора [4.4].

Длительность ударного режима разряда ЭМН с генерато­рами переменного тока ограничена временем порядка одного периода F= 1 ;/ = 2tc//jQ, причем р — число пар полюсов гене­ратора. Для ЭМН с генераторами постоянного тока, в том числе вентильными, коллекторными и униполярными, длитель­ность ударного режима определяется временем замкнутого состояния коммутатора в разрядной цепи, задаваемым систе­мой управления. Это время существенно меньше, чем в режиме динамического торможения. Быстродействие коммутатора должно быть высоким: время его срабатывания /с«сГ.

При заряде ЭМН посредством относительно медленного разгона ротора с и потреблением «с Рр восполняется

Убыль кинетической энергии, обусловленная ударным разрядом ЭМН или динамическим торможением его ротора, для ко­торого в предельном случае возможна полная остановка.

Общая структурная схема электроэнергетической установки с ЭМН представлена на рис. 5.1. В режиме заряда электрически машина ЭМ работает как двигатель, получая электроэнерги ЭЭ от источника питания ИГ1 постоянного или переменно1" тока, и раскручивает маховик М. После достижения ротор0 агрегата заданной скорости Q = Qj ЭМИ может в режиме хранения энергии. По сигналу системы управл""

Рис. 5.1. Структурная схема электроэнергетиче­ской установки с ЭМН

СУ срабатывает переключатель режи­мов ПР и ЭМН переводится в раз­рядный режим, в котором ЭМ работа­ет как генератор и питает потребитель электроэнергии ГТЭЭ. Наличие обра­тимого коммутатора К характерно для ЭМН с ЭМ постоянного тока. В машинах классической конструкции К выполнен как электромеханический щеточно-коллекторный узел ЭМ, А в бесконтактных вентильных блок К - представляет собой управляемый полупроводниковый преобразователь. Последний действует как инвертор при работе ЭМ в режиме двигателя и как выпрямитель при генераторном режиме работы ЭМ. Если ЭМ используется в качестве двигателя или генератора переменного тока, то блок К может отсутствовать (этому случаю соответствует штриховая линия связи на схеме рис. 5.1). Для такого варианта характерен блок стабилизации частоты БСЧ, который исключается в установках постоянного тока и некоторых установках переменного тока (см. штриховую линию связи на рис. 5.1).

Конкретные установки с ЭМН могут содержать некоторые Дополнительные элементы, например пусковые устройства эле­ктродвигателей, блоки для стабилизации и регулирования частоты и напряжения генераторов и др. В целом выбор структуры ЭМН и типа ЭМ определяется техническими требованиями, предъявляемыми к установке в отношении номинальных параметров, быстродействия, показателей качест­ва электроэнергии, особенностей зарядно-разрядных режимов, Массогабаритных ограничений, ресурса, аппаратурной надеж­ности и т. д.

Рассмотрим кратко основные свойства ЭМ, входящих 8 состав ЭМН.

ЭМ постоянного тока. Достоинство коллекторных или Вентильных МПТ - простота и гибкость регулирования угловой скорости и вращающего момента двигателя или напряжения Оператора. Недостатки коллекторных МПТ — небольшая пре­дельная (габаритная) мощност ь при частоте вращения "^3000 об/мин (порядка 1 МВт в установившемся режиме) ij ограничения по току, снимаемому с коллектора (до 60 кА в крупных МПТ). Для тихоходных МПТ при "^750 об/мин предельная мощность единичной машины
двухъякорного исполнения с многоходовой обмоткой может достигать 25 МВт в повторно-кратковременном режиме работы [5.3]. Однако такие МПТ имеют удельную массу Мув> 10 кг/кВт. Недостатки вентильных МПТ—сравнительно большие габариты и масса полупроводникового коммутатора, сложность обеспече­ния совместной работы вентилей в многоэлементных преоб­разователях.

Достоинство униполярных машин (УМ) — отсутствие обмо­ток на якоре, малое его внутреннее сопротивление и низкая индуктивность, возможность существенного повышения уровня тока якоря и предельной мощности (но сравнению с анало­гичными параметрами разноименнополюсных МПТ), высокая окружная скорость, допускаемая но условиям прочности яко-- ря. Недостатки УМ-- относительно низкое напряжение якоря, принципиальная невозможность бесконтактного исполнения.

ЭМ переменного тока. Достоинством синхронных и асинх­ронных машин является возможность бесконтактного испол­нения ротора. Отсутствие щеточного токосъема обусловливает повышение ресурса ЭМ и упрощает их эксплуатационное обслуживание. Данные ЭМ могут также применяться в сочета­нии с управляемыми (тиристорными, транзисторными) и неуп­равляемыми (диодными) полупроводниковыми преобразова­телями.

Предельная мощность, получаемая в крупных единичных ЭМ переменного тока, достаточно высока. Например, в со­временных синхронных турбогенераторах она достигает 1200 MB-А в длительном режиме работы при частоте вращения ротора 3000 об/мин и удельной массе Муд%0,6 кг/(кВ • А) [5.3].

Недостаток ЭМ переменною тока состоит в сравнительно большом внутреннем индуктивном сопротивлении взаимной индукции обмоток возбуждения и якоря, что обусловливает существенное падение напряжения при питании активно-индук­тивных нагрузок в ударных режимах генераторов и режимах динамического торможения. Кроме того, в отсутствие полу­проводниковых преобразователей затрудняется регулирование синхронных ЭМ с постоянными магнитами и асинхронных ЭМ. Для самовозбуждения автономных асинхронных генера­торов требуется применение конденсаторов значительной ем­кости, увеличивающих габариты и массу установки ЭМН.

Управляемый коммутатор, применяемый в ряде установок с использованием синхронных или асинхронных ЭМ, пр0 разряде ударных ЭМН работает в режиме выпрямителя, а после достижения максимального ударного тока разряда переводится в инвергорный режим. Изменение полярности напряжения при нагрузке, имеющей в отдельных установках активно-индуктивный характер, приводит к уменьшению тока цепи якоря и переходу ЭМ к работе в режиме электродвигателя-

При этом ротору ЭМН возвращается значительная часть Кинетической энергии, т. е. осуществляется ее рекуперация.

Для ЭМН характерна специфика работы их синхронных или асинхронных ЭМ как генераторов ударного действия: отбор электрической мощности происходит в условиях, соответству­ющих переходному процессу внезапного несимметричного (для однофазных машин) либо симметричного (например, для трех­фазных машин) короткого замыкания (КЗ) генератора из предшествующего режима холостого хода. Под ударной мощ­ностью подразумевают максимум мгновенной мощности за время первой полуволны тока внезапного КЗ. Практически целесообразно использовать, как правило, первый максимум тока (пиковое значение) с учетом апериодической составляющей. При этом разряд генератора, рассчитанного на промышленную частоту /= 50 Гц, длится менее 0,02 с. За такое малое время возможен отбор от ЭМН и преобразование в электроэнергию сравнительно небольшой части запасенной кинетической энергии (менее 10—20%).

Для повышения эффективности ударных синхронных гене­раторов их активную зону следует проектировать так, чтобы якорная и мощная демпферная обмотки имели малые индук­тивные сопротивления рассеяния Ха, Хад. При этом увеличива­ется максимальное значение тока разряда.

В режиме заряда ЭМН (разгона ротора) оценочные показа­тели удельной энергии Wya получаются меньше значений, указанных для МН (см. гл. 4) на основе металлических маховиков. В состав ЭМН входят ЭМ, роторы которых в ряде случаев имеют зубцово-пазовую структуру с токо - проводящими обмотками. Эта конструктивная особенность приводит к ограничению допустимой окружной скорости ро­торов ЭМ, которая заметно меньше, чем у монолитных маховиков. Согласно различным оценкам, обобщенным в [5.1], Удельная кинетическая энергия ЭМ составляет: на единицу объема и массы ротора Wya0~2 • 104-н 5 • 105 кДж/м3 и ^уд=10-100 кДж/кг соответственно; на единицу массы ЭМ в целом 1¥уя = 2 - 20 кДж/кг. Удельные показат ели по энергии электромагнитного поля в рабочем зазоре между статором и ротором ЭМ при предельной оценке для ударного режима с форсировкой возбуждения в расчете на единицу активного объема и массы якоря ЭМ определяются значениями ЖуДо~ ^ 1,5 • 104 кДж/м3 и Жуд % 2 кДж/кг (средняя плотность матери­ков якоря принята равной уср = 8 • 10 кг/м3). Как указывалось, в Ударном режиме разряда в нагрузку передается электроэнергия,

Превышающая 10—20% запасенной ротором кинетической Сергии. В кратковременном разрядном режиме динамичес­кого торможения в нагрузку передается электроэнергия, до­жигающая 80% запасенной кинетической энергии.

[1] При самостоятельном крупномасштабном применении НТЭ на ТЭЦ заряд производится в ночное время с помощью электронагревателей, поТРе„0 ляющих энергию из энергосистемы. В качестве рабочего тела использовать воду (Г, «368 К); при разряде НТЭ работает совместно с ' как дополнительный источник тепла.

[2] - л 1017