Для автономного электроснабжения в качестве основного источника энергии деривационные микроГЭС небольшой мощности подходят лучше по сравнению с солнечными и ветряными станциями, по причине прогнозируемости генерации в расчете на определенное потребление электроэнергии автономного объекта. Обычно микроГЭС подключают к аккумуляторным батареям в качестве зарядного устройства, а нагрузку подключают через инвертор. В этом случае небольшой мощности микроГЭС хватает для покрытия энергозатрат, например небольшой фермы или туристической базы. В такой системе коэффициент использования установленной мощности микроГЭС будет стремиться к единице, так как неиспользуемая мощность нагрузкой будет направляться для зарядки АКБ, а при ее недостаче мощность МикроГЭС будет объединятся с накопленной энергий из АКБ инверторов. Данный подход позволяет эффективно устанавливать микроГЭС небольшой мощности на фермах и туристических базах со сроком окупаемости как минимум в полтора-два раза быстрее СЭС. Однако микроГЭС внедряют очень редко по целому ряду причин, основные из которых заключаются в сложности проектирования и невозможности размещения ГЭС в конкретном месте объекта потребителя.
Сложность проектирования для обычных пользователей заключается в расчете оптимальной деривационной трубы и подбора оптимального гидроагрегата. Если расчет деривационной трубы можно свести к поиску места установки и геодезическим измерениям с использованием программного обеспеченья и применением определенных алгоритмов и правил, то подбор оптимального гидроагрегата в основном сводится к индивидуальному изготовлению, поскольку при использовании генераторов необходимо соблюсти баланс вращающего момента и скорости вращения турбины таким образом, чтобы частота, либо напряжение на выходе из генератора были стандартными на определенном напоре. Так как на низких напорах достаточно сложно спроектировать гидроагрегат с рабочей частотой вращения 1500 об/мин., то в основном применяют тихоходные синхронные генераторы с постоянными магнитами. Применение таких генераторов позволяет легко подключить микроГЭС к аккумуляторному ряду инвертора и сделать гидроагрегат одновальным, при использовании которого повышается надежность и эффективность за счет отсутствия трения механизмов, за исключением подшипников. При правильном расчете гидроколеса и генератора не потребуется дополнительных устройств, кроме выпрямительного диодного моста и переключателя балластной нагрузки для согласования с аккумуляторным рядом инвертора. В этом случае, конечно, следует указать, что зарядка АКБ будет не совсем корректная, поскольку такая схема реализует только стадию накопления, что может плохо сказаться на балансировке батарей при слишком большом токе заряда. Также следует отметить, что существует проблема отдаления, которая заключается в том, что удобное место (место с наибольшим перепадом на длину трубы) для строительства микроГЭС зачастую может находиться в нескольких сотен метрах от объекта электроснабжения и подключение к АКБ по шине постоянного тока 48 в связанна с большими потерями или вовсе не возможно пропускание мощности по длинному кабелю, даже при применении кабелей большого сечения.
Как было выше сказано, при использовании такой схемы микроГЭС необходимо индивидуально рассчитывать турбину под определенный тихоходный синхронный генератор с постоянными магнитами на определенное напряжение АКБ, так как напор для каждой микроГЭС разный и генераторы на постоянных магнитах могут тоже отличаться по характеристикам из-за свойств ниобивых магнитов ротора. Все это не дает возможности серийно выпускать универсальные гидроагрегаты для микроГЭС и поставлять их на рынок. Проблему согласования можно решить за счет контролера поиска максимальной мощности. При условии, если напряжение максимального КПД находится выше уровня напряжения АКБ инверторов, однако бывает что напряжения не хватает для зарядки АКБ инверторов даже в прямом режиме на точке максимальной мощности, из-за чего контролер поиска максимальной мощности необходимо делать с двойным преобразованием, который не только может преобразовать напряжение в более низкое, но и в более высокое стандартное, например в 48в напряжение АКБ инверторов.
Для проверки модели проектирования контролера микроГЭС были сняты вольтваттные характеристики с трех разных турбин турбины Банки, Пелтона и Тюрго с применением диодного моста. (см. График 1).
По вольтватной характеристике турбины Пелтона, создается ситуация когда рабочая скорость вращения согласована с генератором и напряжением АКБ, в таком случае применение контролера поиска максимальной мощности не имеет смысла, так как КПД преобразователей обычно равен 90% и в пересчете на кривую графика неприменение не выгодно, так как потери в MPPT контролере будут больше чем при подключении напрямую к АКБ. Для турбины Банки применение MPPT контролера весьма эффективно т.к. оптимальная точка на ВВХ будет находиться в районе 65 В и преобразовании энергии в напряжение 48 В даст дополнительно 400 Вт мощности что соответствует увеличению на 60% . Для турбины Тюрго складывается обратная ситуация при которой необходимо повышать напряжение MPPT контролером т.к. оптимальная точка находится ниже уровня номинального напряжения АКБ, а именно на уровне 32 В. При применении контролера с функцией повышения выходного напряжения можно достичь увеличения выходной мощности на 75 Вт, а это 18 % больше от номинала. Следует отметить, что приводимые характеристики имеют довольно частный характер, поскольку они могут зависеть от температурного размагничивания магнитов, которые тоже будут сказываться на снижении рабочего напряжения генератора в различных температурных режимах, в особенности при рабочем режиме. Также следует учесть изменение расхода воды в зимнее время, состояния водозабора и прочих факторов.
Для решения разработки универсального MPPT контролера для микроГЭС с применением синхронных генераторов на постоянных магнитах, по выше описанным проблемам можно составить ряд требований:
1. Контролер должен уметь искать точку максимального КПД как можно в широком диапазоне входных напряжений генератора от 15-150 В.
2. Контролер должен уметь как повышать рабочее оптимальное напряжение генератора, так и понижать.
3. Для обеспечения передачи энергии от места установки ГЭС до потребителя контролер должен быть разделен на два составляющих преобразователя, Повышающей, понижающей и соединяющей линией повышенного напряжения между ними (220-600в).
4. Понижающий контролер должен быть оборудован токовым датчиком инвертора напряжения для организации буферного режима АКБ (режим поддержания).
5. Повышаемый преобразователь должен быть оборудован балластной нагрузкой для исключения разгона турбины.
Из выше описанных требований предложена блок схема универсального контролера для микроГЭС на основе DCDC преобразователей на основе повышающего и понижающего импульсного трансформатора, управляемые двумя не зависимыми ШИМ контролерами.
Задача повышающего преобразователя повысить напряжение генератора до напряжения 310В и удерживать его на этом уровне до тех пор, пока забираемая мощность окажется равной максимальной мощности турбины и напряжение не начнет снижаться на выходе. Если мощность не расходуется полностью, то она направляется на баластную нагрузку. Алгоритм повышающего напряжения сводится к удержанию напряжения на выходной шине.
Задача понижающего преобразователя сводится к функции зарядного устройства с поиском максимальной мощности на входящей шине. Алгоритм его сводится к тому, что ток ЗУ повышается, пока напряжение не начнет уменьшаться до такого значения, при котором будет наблюдаться снижение мощности. При этом нужно учитывать особенность микроГЭС, а это медленное изменение мощности и ее инертность. Поиск максимальной мощности необходимо производить плавно, чтобы избежать перерегулирования с турбиной и повышающим преобразователем и недопуска автоколебаний частоты вращения турбины.
Вывод:
Предложенный универсальный MPPT контролер позволит оптимально адаптировать турбину с синхронным генератором на постоянных магнитах под любой напор, что позволит серийно изготавливать простые усредненные гидроагрегаты небольшой мощности, например на основе турбины Банки под небольшие напоры с возможностью установки микроГЭС на расстоянии до 1км от потребителя, что означает значительное расширение применимости микроГЭС. Из минусов следует отметить низкое КПД контролера в 80% из-за двойного преобразования энергии. Но, учитывая MPPT, режим и сокращение потерь в кабельной линии, применение такого контролера с изготовленной серийно гидроагрегатом в большинстве случаев будет экономически оправданно.
P.S. Предложенный в статье контроллер MPPT, я не могу сделать, так как не хватает знаний в силовой преобразовательной электроники. Но фактически, такой контролер необходим как для микроГЭС, так и для низковольтных ветрогенераторов малой мощности ведь всегда есть проблема оптимального размещения ветрогенератора и оптимизации его работы.
Автор статьи: Учайкин Евгений Олегович
Инженер Горно-Алтайского университета
Электромонтер ООО «Солнечная энергия+»