Суммарная потребляемая мощность 100 В·А обеспечит класс точности 0,5.

3. Проектирование электроснабжения аккумуляторной станции от ПС «Новоанниская» в Новоаннинском районе с использованием альтернативных источников электроэнергии.

3.1 Особенности автомобилей на основе электрического привода

Основная задача разработчиков электромобилей -- создать модель, конкурентоспособную автомобилю с ДВС. Модель имеет алюминиевый кузов с композитными внешними панелями. Батарея состоит из 26 12-вольтовых свинцово-кислотных аккумуляторов. Напряжение на зажимах батареи 312 В, запасаемая энергия 22 кВт-час, емкость 53 А-час. На аккумуляторную батарею приходится почти половина массы электромобиля.

Транзисторный инвертор преобразует постоянное напряжение 312 вольт в трехфазное переменное с управляемой частотой тока, подаваемое на электродвигатель мощностью 137 л. с. с оборотами 7000... 13500 в минуту. Двигатель подключен к передним колесам через односкоростную понижающую коробку передач. Аккумуляторная батарея может быть полностью заряжена за 6 часов от внешнего зарядного устройства, подключаемого через трансформатор к бытовой электросети 220 В/10 А. При торможении производится рекуперация энергии, имеется ABS, гидроусилитель руля, компьютерная система управления климатом салопа и т. п.

Эксплуатационные характеристики электромобилей, как правило, хуже, чем у автомобилей с ДВС. Основным ограничением при эксплуатации электромобилей является их малый радиус действия. Средний автомобиль с ДВС и полным баком горючего проходит 750...1100 км, бак может быть заправлен за 5...10 минут. Современный электромобиль проходит до перезарядки менее 180 км, заряд батареи занимает несколько часов.

Малый радиус действия электромобилей объясняется низкой плотностью запасаемой энергии в аккумуляторе. Для кислотно-свинцового аккумулятора этот показатель составляет 30...35 Вт-час/кг, что значительно меньше, чем для стандартного автомобильного топлива -- 12000 Вт-час/кг.

Скорость и ускорение электромобилей меньше, чем у автомобилей с ДВС. Для движения по шоссе это очень важно. Гоночные электромобили на короткое время способны развить скорость более 200 км/час. На серийных электромобилях производители ограничивают скорость до 120 км/час. В основном электромобили отвечают требованиям для вождения в черте города.

Ускорение при трогании с места у электромобилей такое же, как у автомобилей с ДВС. Ускорение у электромобилей на высоких скоростях (более 110 км/час) 100 км в городском цикле и движении в гору меньше, чем у автомобилей с ДВС. При движении по шоссе из-за этого могут возникать проблемы с безопасностью. Электромобили тяжелее аналогичных автомобилей с ДВС из-за низкой энергоемкости аккумуляторов.

В электромобилях приходится компенсировать большой вес аккумуляторов применением легких сплавов для кузовных и других компонентов. Электромобиль должен иметь низкое трение качения, малое аэродинамическое сопротивление, эффективные системы отопления/кондиционирования, при этом электромобиль должен отвечать требованиям безопасности при столкновениях и т.д.

Как следствие, в электромобиле имеется множество дорогостоящих электронных компонентов и микропроцессорных систем, цена при покупке электромобиля значительно выше, чем у обычного автомобиля с ДВС.

Применение литий-ионных аккумуляторов имеет также ряд особенностей:

Перед применением нового литий-ионного аккумулятора необходимо проверить уровень его заряда. Если аккумулятор заряжен только до половины, то его необходимо зарядить полностью. Использование аккумулятора первый раз без первоначальной подзарядки, может резко сократить доступную пользователю емкость.

Литий-ионные батареи нельзя заряжать при минусовой температуре, лучше всего если это будет комнатная температура около 20-25 градусов. Кроме того, эти батареи хуже работают при высоких и низких температурах.

Желательно не заряжать литий-ионные батареи полностью (обычно штатные зарядные устройства вовремя отключают зарядку), а также ставить аккумулятор на подзарядку раньше, чем уровень зарядки достигнет красного значения индикатора заряда (примерно 20% остаточной емкости). Связано это с тем, что ёмкость батареи в этих случаях может значительно уменьшиться.

Зарядные устройства используют различные методы для определения полной зарядки, и поэтому световой сигнал "готово" не всегда свидетельствует о действительно полном заряде батареи.

Нельзя допускать перегрева батареи во время зарядки, прекратите использование зарядного устройства и / или батареи, если батарея чрезмерно нагревается, становится горячей.

Нежелательно хранить батарею полностью заряженной или разряженной. Перед тем, как оставить батарею на длительное хранение, необходимо довести уровень зарядки примерно до половины.

3.2 Анализ мирового опыта использование городского транспорта на основе электрического привода

Революционную схему использования электромобилей была реализована американской компанией Better Place. Машины, которые предлагает данная компания клиентам, можно заряжать дома, у зарядных колонок и используя станцию горячей замены аккумуляторной батареи.

Также в Израиле была запущена крупная партия легковых автомобилей - на базе автомобиля Renault Fluence Z.E., чьи аккумуляторы предназначены для автоматизированного обмена. 225- килограммовая батарея ёмкостью 22 кВт-ч обеспечивает запас хода в 160 километров. Опытный образец станции горячей замены управляется с поставленной задачей за одну минуту.

В 2010 году на такую схему пополнения запасов энергии перешли небольшое количество токийских такси. Соответственно, японская столица обзавелась собственным пунктом горячей замены аккумуляторов.

Интересный способ рекуперации энергии при торможении был реализован на одной из коммерческих линий в Шанхае в суперконденсаторных автобусах (Ultracap Bus).

Комбинированное использование данных решений позволит более эффективно использовать закупленный транспорт, в связи с минимальным необходимым временем для зарядки автомобиля, и экономично использовать электроэнергию при динамичной езде, что свойственно маршрутным транспортам. В отличие от представленных ранее проектов, в своём проекте рассматриваю перевод на электричество именно маршрутное такси, в виде микроавтобусов. Источником энергии для заряда батарей на станциях замены батарей могут служить ветровые генераторы и солнечные батареи, что значительно снизит расходы при использовании.

3.3 Определение состава оборудования зарядной станции и определение пиковой потребляемой мощности.

Расчёт необходимого количества генераторов и аккумуляторов представляется следующим образом:

Необходимое количество автомобилей, при времени движения по маршруту Т ч. с интервалом t ч.:

(44)

Минимально необходимое количество аккумуляторов, при времени зарядки каждой Tз ч.:

(45)

Тогда необходимая мощность пунктов заряда и замены батарей, при мощности, потребляемой каждой батареей Pг кВт:

(46)

Для функционирования необходимо выполнение баланса мощности:

2

Где PB - мощность вырабатываемая одним ветрогенератором;

ХВ =X- количество ветрогенераторов;

PС- мощность вырабатываемая одной солнечной батареей;

ХВ =X•k - количество солнечных батарей;

PН - мощность стороннего источника, равна Рг.

Мощность стороннего источника необходимо использовать в качестве резерва мощности, а в ночное время, когда энергия солнца отсутствует, и сила ветра стихает, использование стороннего источника позволит снизить ночной избыток электроэнергии в сети.

k- количественный коэффициент использования генераторов, определяющийся опытным путём:

где Св- стоимость одного ветрогенератора,

Сс- стоимость одной солнечной батареи.

В качестве примера, рассмотрим 3 маршрута:

г.Новоаннинский - х.Краснокоротовский - х.Черкесовский: 46 км;

г.Новоаннинский - х.Староаннинский - х.Бачаровский: 50 км;

г.Новоаннинский - х.Панфилово - х.Тростянский: 47 км;

с интервалом следования 2 часа и временем пребывания в пути 2 часа:

- необходимое количество электромобилей,

- батареи, при времени заряда каждой 6 часов,

- необходимая мощность станции,

Рисунок 2. Карта России по среднегодовой скорости ветра.

Волгоградская область, куда входит Новоаннинский район, входит в область со среднегодовой скоростью ветра 5 метров в секунду.

Рисунок 3. Карта России по среднегодовому излучению солнечной энергии.

Ориентировочная мощность, получаемая с 1 м2 равна 250 Вт.

Площадь крыш зданий равна: 19 м2 - площадь крыши станции замены, 45 м2 - площадь гаражного помещения на 3 автомобиля.

Тогда общая площадь равна 64 м2, которую необходимо использовать для размещения солнечных батарей. Ориентировочная мощность, получаемая с 1 м2 равна 250 Вт, следовательно, суммарная мощность солнечных установок равна 16 кВт.

В качестве солнечных батарей предлагаю использовать батареи фирмы «Свет- ДВ». 9 батарей, состоящих из 72 элементов покрывают необходимую площадь и обеспечат выработку мощности в 16 кВт. Остаток необходимой мощности, равной 116 кВт восполним установками ветрогенераторов VAWT DPV HYBRID 1 A, обеспечивающими при скорости ветра 5 м/с 10 кВт каждая. Соответственно необходимо использование 12 ветрогенераторов.

Сстанции=17000 тыс.руб., на примере стоимости постройки станций Tesla

Св=666,4 тыс.руб.- полная комплектация VAWT DPV HYBRID 1 A

Сс=162,7 тыс.руб.

Са=6000 тыс.руб. - микроавтобус электрический, на базе PEUGEOT BOXER

Сб=500 тыс.руб.

Тогда:

К=666,4•12+162,7•9+6000•3+500•9+17000=48961,1 тыс.руб.

3.4 Разработка схемы электроснабжения аккумуляторной станции от альтернативных источников электроэнергии

Была разработана схема электроснабжения аккумуляторной станции, позволяющая одновременно получать энергию от источника солнечной энергии (солнечной батареи) и от ветровых электрогенераторов.

Особенностью разработанной схемы является возможность одновременного получения электрической энергии от нескольких источников. Система управления (СУ) контролирует потребление энергии от различных источников так, что максимально потребляется электрическая энергия от альтернативных источников, а в случае недостатка мощности на выходе, дополнительно использует энергию, получаемую от сети.

Регулировка потребления мощности происходит путём подачи сигналов на широтно-импульсные модуляторы (ШИМ), установленные в цепи питания от солнечной батареи и цепи ветрогенератора. ШИМ подаёт сигнал на управляющий электрод биполярного транзистора.

Транзистор используется для ограничения силы тока, поступающего в нагрузку, и включается в разрыв между источником питания и нагрузкой. То есть транзистор представляет собой некий вариант полупроводникового резистора, сопротивление которого можно очень быстро изменять.

Выходное сопротивление транзистора меняется в зависимости от напряжения на управляющем электроде. Важно то, что это напряжение, а также сила тока, потребляемая входной цепью транзистора, гораздо меньше напряжения и силы тока в выходной цепи. Таким образом, за счёт контролируемого управления источником питания достигается усиление сигнала.

В результате этого в первичной обмотке контролера заряда (КЗ) создаётся высокочастотный сигнал, который позволяет с большим коэффициентом полезного действия повысить напряжения до необходимого для заряда аккумуляторных батарей.

СУ настроена таким образом, что в случае, если мощность ветрогенераторов будет превышать мощность солнечных батарей, то коэффициент использования этой мощности будет выше и наоборот, с учётом выдаваемой мощности на вторичной обмотке. В случае же недостатка мощности даже при максимальном использовании энергии от альтернативных источников, недостаток мощности будет восполнен из сети, путём подачи импульсного воздействия на управляющий катод тиристоров, установленных в мостовой схеме ивертора. В случае избытка мощности будет производиться выдача мощности в сеть.

3.5 Проектирование электроснабжения аккумуляторной станции от ПС «Новоаннинская»

Силовая схема управляемого тиристорного преобразователя (ТП) используется в качестве выпрямителя или инвертора.

Однофазные схемы являются несиметричной нагрузкой трёхфазной цепи и создаёт большие, по сравнению с трёхфазными схемами пульсаций тока и напряжения нагрузки. Выбираем трёхфазную схему Ларионова (мостовая).

Рисунок 4. Принципиальная мостовая схема Ларионова

Трехфазная мостовая схема Ларионова (рис. 4), обладает достаточно жесткой внешней характеристикой. Она имеет достаточно высокий коэффициент использования типовой мощности трансформатора. По сравнению с трёхфазной нулевой схемой, она имеет большее количество вентилей, но она обеспечивает меньше пульсаций и меньшие обратные напряжения, меньше значения действующих анодных токов и обратных напряжений, имеет более высокий коэффициент мощности. Меньшую зону прерывистых токов.

Рисунок 5. Амплитуда на выходе мостовой схемы.

Выбор тиристоров производится по среднему значению тока и максимальному значению обратного напряжения.

Требуемое среднее значение тока IВ тиристора с воздушным охлаждением, с учетом пусковых токов и условий охлаждения, определяется по формуле

(49)

где KЗi = 2 2,5 - коэффициент запаса, учитывающий пусковые токи;

Kохл - коэффициент, учитывающий условия охлаждения.

При скорости охлаждающего воздуха V =12 м/с Kохл = 1; при V = 6 м/с Kохл = 1,4;

а при V = 0 Кохл = 2,5;

Idн - номинальный потребляемый ток;

m2 - число фаз вторичной обмотки трансформатора

Iр = 440 А

Iв = 293 А

Выбор номинального тока тиристора Iвн осуществляют по условию

(50)

Выбираем тиристор Т171-200 с Iнв = 500 А

Разрабатываемая аккумуляторная станция относится ко второй категории потребителей электрической энергии согласно ПУЭ, так как перерыв электроснабжения может вызвать массовый недоотпуск продукции. Для электроприемников II категории при нарушении электроснабжения от одного из источников питания допустимы перерывы электроснабжения на время, необходимое для включения резервного питания действиями дежурного персонала или выездной оперативной бригады.

Допускается питание электроприемников II категории по одной ВЛ, в том числе с кабельной вставкой, если обеспечена возможность проведения аварийного ремонта этой линии за время не более 1 сут. Кабельные вставки этой линии должны выполняться двумя кабелями, каждый из которых выбирается по наибольшему длительному току ВЛ. Допускается питание электроприемников II категории по одной кабельной линии, состоящей не менее чем из двух кабелей, присоединенных к одному общему аппарату.

При наличии централизованного резерва трансформаторов и возможности замены повредившегося трансформатора за время не более 1 сут. допускается питание электроприемников II категории от одного трансформатора.

Расчётная потребляемая мощность при приблизительном коэффициенте мощности равном 0,96 составляет 137,5 кВА, тогда, с учётом категории потребителя, выбираем два трансформатора с единичной мощностью 0,7S

Для питания аккумуляторной станции выбираем два трёхфазных двухобмоточных трансформатора ТМ-100/10.

Выбираем цеховую трансформаторную подстанцию типа КТП как наиболее прогрессивную на данном этапе развития электроснабжения промышленных предприятий.

Подстанции типа КТП комплектуются силовыми трансформаторами типа ТМЗ с герметичным баком повышенной прочности с азотной подушкой для безопасности так как устанавливаются в одном помещении с раздельным щитом 0,4 кВ.

Подбираем номинальную мощность трансформаторов подстанции SHT по условию

(51)

Аварийная допустимая нагрузка на трансформатор SАВ. ДОП, , в аварийном режиме составляет [3.c.83]

(52)

Выбираем шкаф ввода ВВ-1 10 кВ. Вводной шкаф высокого напряжения с глухим присоединением питающего кабеля к силовому трансформатору тип ВВ-1.

Так как II категория выбираем две (IСШ и IIСШ) секции шин щита 0,4 кВ ТП. При нормальной работе секционной аппаратуры отключен, чем уменьшаются токи К.З. кроме того секции , работающие в нормальных условиях раздельно, считаются независимыми источниками питания электроэнергии [2.c.13] ,что имеет существенное значение для потребителей II категории.

Для подстанции из сборных элементов щиты комплектуются шкафами типа ЩО-01 с автоматическим выключателем отходящих линий типа ВА

Iрв = Imaxв = ,

Iрв= Imaxв =

По току Iрв [7.c.48] подбираем вводный шкаф ЩО - 01 - 44, с автоматическим выключателем ВА 55- 43, с номинальным током ввода аппарата Iнавт=1500 А по условию

Iнавт ? Iрв

Iнавт = 1500 А > Iрв 212,71 А

Выбор марки секционного автомата и типа секционного шкафа

Imaxсв = = ,

По максимальному току Imaxaв подбираем тип секционного шкафа по условию

,

Устанавливаем секционный шкаф типа ЩО - 01 - 72 автоматическим выключателем ВА 53 - 41.

Т.к. количество отходящих электрических линий в цех n`=12, то на каждую секцию шин присоединяем 6шт. плюс по два на каждую сторону резервных . Линейный шкаф выбираем ЩО-01-12 с автоматическим выключателем ВА 57-35 по условию

,

Производим выбор трансформатора тока по условиям

UН.ТА ? UН.СЕТИ, (58)

UН.ТА = 10 кВ = UН.СЕТИ = 10 кВ

IН.ТА ? IРАСЧ, (59)

IН.ТА = 800 А > IРАСЧ = 213 А

Выбираем ТА типа ТЛК 10, I1 / I2 = 800 / 5 по литературе [10]

Выбираем трансформаторы напряжения по условию

UН.ТV ? UН.СЕТИ, (60)

Выбираем ТV типа ЗНИОЛ 10 по литературе [10]

UН.ТV = 10 кВ = UН.СЕТИ = 10 кВ

Выбираем предохранитель типа ПКН 001 - 10 по литературе [10]

Выбираем ограничитель перенапряжения ОПН-10.

Выбираем прокладку кабелей в траншеях в земле, как наиболее экономичный способ прокладки кабелей в городских условиях.

Для прокладки кабелей в земле выбираем кабель ААБ, как наиболее дешёвый вариант.

Экономически целесообразное сечение кабеля SЭК, мм2, определяется по формуле [7. с. 84-85]

Нормативную экономическую плотность тока принимаем, jЭК=1,4 А / мм2, по таблице 2.26 [7. с. 85], при Тmax=3200 ч

, (61)

По таблице 2.9 [7. с. 43] принимаем кабель ААБ - 6 (3 ? 120) мм2, с IД.Д = 260 А

Выбранный кабель должен удовлетворять следующим условиям [9. с. 241]

IДОП.ФАКТ ? IР, (62)

IДОП.ФАКТ = k · IД.Д, (63)

Поправочный коэффициент принимаем k = 0,9, по таблице П1 [7. с. 358].

IДОП.ФАКТ = 0,80 · 260 = 208 А

IДОП.ФАКТ = 208 А > IР = 154,5 А

IАВ = IМАХ = 618 А, по пункту 2.5.1 ПЗ

IДОП.АВ = 1,3 · IД.Д, (64)

При этом должно соблюдаться условие

, (65)

IДОП.АВ = 1,3 · 260 = 338 А

Наиболее простой формулой для определения потери напряжения ?U, %, является [7. с. 84]

, (66)

Удельное реактивное сопротивление одного километра линии принимаем, x0, = 0,08 Ом / км, [7. с. 229].

Активное удельное сопротивление одного километра линии r0, Ом / км, определяется по формуле [7. с. 229]

, (67)

Удельное сопротивление проводникового материала кабеля для алюминия принимаем, ? = 0,027 Ом · мм2 / м.

Должно соблюдаться условие

?UДОП ? ?U, (68)

Допустимое значение, ?UДОП, для сетей 10 кВ, принимаем 10 %.

?UДОП = 10 % > ?U = 2,2 %

Окончательно выбираем для вводных линий два кабеля ААБ - 6 (3 ? 120) мм2, с IД.Д = 260 А , которые удовлетворяют всем условиям проверки.

При выборе сечения кабеля по экономической плотности тока принимаем для двух трансформаторной ТП

, (69)

Окончательно выбираем кабель питающей линии проектируемой цеховой ТП ААБ - 6 (3 ? 50), c IД.Д = 150 А, который удовлетворяет всем условиям проверки.

Выполняем расчет цеховой ТП так как заземляющие устройства для сетей разного напряжения принимаем Rзу=4 Ом, ?'=0,5.

Выбираем конструкцию заземляющего устройства состоящего из вертикальных заземлителей в виде стержней диаметром 12мм и длиной l=5м. Расстояние между вертикальными заземлителями a=10м. Вертикальные заземлители располагаются по контуру подстанции. Подстанция расположена на грунте - суглинок, для которого удельное сопротивление =100 Ом·м.

для стержней диаметром 12мм и длиной 5м

RОЗ = 0,227·?·k , (77)

принимаем k=1,8 по таблице 16.2 [4.с.306]

RО З= 0,227·100·1,8 = 40,86 Ом

Предварительное число вертикальных заземлителей n', шт., определяется по формуле

(78)

принимаем коэффициент экранирования, ?'= 0,5.

, (79)

принимаем n = 20, ? = 0,60, a / l = 2 по таблице 7.1 [1.с.257] так как стержни расставлены по контуру

Определяем расчётного сопротивления заземления

(80)

Причем должно соблюдаться условие

RР ? RЗ.У, (81)

Условие выполнено a = 10 м, l= 5 м, n = 17 шт.

В качестве молниезащиты предусмотрены ветрогенераторные установки, конструкция которых рассчитана на отведение заряда молнии. Вывод для заземления ветрогенераторной установки электрически связывается с расчитанным заземлением.

Нормативной документацией на выдачу мощности является стандарт предварительных технических решений по выдачи мощности электростанции, разработанный ОАО «Системный оператор- Центральной диспетчерское управление Единой энергетической системы».

В соответствии с этим документом разработанная аккумуляторная станция относится к подстанции 35-750 кВ с напряжением 6,10 -750 кВ.

Спроектированная схема электроснабжения полностью удовлетворяет основным требованиям данного норматива.

Заключение

Произведён расчёт сети Новоаннинского района Волгоградской области, обеспечивающий потребителей электроэнергией в соответствии с категорией. Для выбора наиболее надёжной схемы электроснабжения было рассмотрено пять вариантов, три из которых, с наименьшей протяжённостью линий, были рассмотрены дальше. Из выбранных схем, исходя из технико-экономического расчёта, была выбрана одна, наиболее выгодная схема развития сети. По выбранной схеме был произведён расчёт токов короткого замыкания, на основе которого был произведён выбор коммутационной и измерительной аппаратуры.

В соответствии с особенностями эксплуатации электромобиля и литий- ионных аккумуляторных батарей, была разработана электрическая схема питания аккумуляторной станции, позволяющая питаться от альтернативных источников электрической энергии и сети одновременно. Произведён расчёт необходимого оборудования и расчётная потребляемая мощность аккумуляторной станции.

Данный расчёт является типовым и возможен для применения в любом районе или городе, где необходимо использование городского маршрутного транспорта на электрической тяге.

Использование автомобилей на электрической тяге при применении для их заряда альтернативных источников электрической энергии существенно улучшит экологическую обстановку.

Библиографический список