Системы электроснабжения с ветровыми и солнечными электростанциями

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ 

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования 

«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ 

ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Б.В. Лукутин, И.О. Муравлев, И.А. Плотников

СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ 
С ВЕТРОВЫМИ И СОЛНЕЧНЫМИ

ЭЛЕКТРОСТАНЦИЯМИ

Рекомендовано в качестве учебного пособия 

Редакционно-издательским советом

Томского политехнического университета 

Издательство

Томского политехнического университета 

2015

УДК 621.311.84+621.472(075.8)
ББК 31.62+31.27-01я73

Л84

Лукутин Б.В.

Л84
Системы электроснабжения с ветровыми и солнечными элек
тростанциями : учебное пособие / Б.В. Лукутин, И.О. Муравлев, 
И.А. Плотников ; Томский политехнический университет. – Томск : 
Изд-во Томского политехнического университета, 2015. – 120 с. 

В пособии рассмотрены вопросы проектирования систем электроснабже
ния автономных объектов с использованием возобновляемых энергоисточников. Основное внимание уделяется ветроэнергетическим и фотоэлектрическим 
установкам. Производится выбор оптимальной структуры автономной электростанции. Приведены методики расчета ветрового и солнечного потенциала региона. Материалы пособия могут быть использованы при выполнении студентами курсовых проектов.

Предназначено для студентов, обучающихся по направлению 13.04.02

«Электроэнергетика и электротехника» по профилям подготовки «Возобновляемые источники энергии» и «Оптимизация развивающихся систем электроснабжения».

УДК 621.311.84+621.472(075.8)
ББК  31.62+31.27-01я73

Рецензенты

Кандидат технических наук, доцент кафедры общей 

электротехники и автоматики ТГАСУ

В.М. Педиков

Доктор технических наук, профессор 

заведующий кафедрой теоретических основ электротехники ТУСУРа 

В.М. Дмитриев

© ФГАОУ ВО НИ ТПУ, 2015
© Лукутин Б.В., Муравлев И.О.,

Плотников И.А., 2015

© Оформление. Издательство Томского 

политехнического университета, 2015

ОГЛАВЛЕНИЕ 

Введение .......................................................................................................... 4 
1. Способы построения энергетических комплексов с участием  
ветровых и солнечных электростанций .................................................... 5 
1.1. Автономные системы электроснабжения   
на основе возобновляемых энергоисточников ................................. 5 
1.2. Гибридные системы электроснабжения с дублирующими  
дизельными электростанциями .......................................................... 6 
1.3. Гибридные системы электроснабжения с совместной   
ветро-солнечно-дизельной генерацией ............................................. 9 
2. Выбор состава и структуры энергетического комплекса ..................... 11 
2.1. Оценка энергетических потребностей объекта   
электроснабжения ............................................................................. 11 
2.2. Оценка ветроэнергетического потенциала ..................................... 15 
2.3. Оценка потенциала солнечного излучения .................................... 20 
2.4. Выбор типа возобновляемого энергокомплекса ............................ 30 
3. Технико-экономическое обоснование ветродизельной станции ......... 31 
3.1. Выбор ветрогенератора и составление   
энергетического баланса гибридной СЭС ...................................... 31 
3.2. Выбор структуры и оборудования ветродизельной станции ....... 35 
3.3. Выбор оборудования дэс .................................................................. 42 
3.4. Оценка экономических характеристик  ветродизельных 
электростанций .................................................................................. 43 
4. Структура и состав оборудования  фотоэлектростанций ..................... 45 
4.1. Варианты построения фотоэлектростанций. .................................. 45 
4.2. Пример выбора структуры и оборудования   
солнечно-дизельного энергетического комплекса ........................ 62 
Список литературы ....................................................................................... 69 
Приложение 1. Солнечные фотоэлектрические модули   
в алюминиевой рамке......................................................... 70 
Приложение 2. Аккумуляторные батареи .................................................. 77 
Приложение 3. Инверторы ........................................................................... 92 
Приложение 4. Приблизительное энергопотребление   
небольшого дома .............................................................. 103 
Приложение 5. Ветроэлектростанция «САПСАН – 1000» ..................... 104 
Приложение 6. Коммерческие предложения ........................................... 105 
Приложение 7. Выбор площадки для строительства   
ветросолнечных электростанций .................................... 113 
 
 

ВВЕДЕНИЕ 

Экологические проблемы планетарного масштаба и обозримая перспектива истощения топливно-энергетических ресурсов Земли вызывают во всем 
мире рост новой энергетики, основанной на широкомасштабном использовании возобновляемых энергоресурсов планеты: солнечного излучения, ветра, 
потоков воды, геотермальной энергии и энергии биомассы. 
Эти тенденции отражены и в «Энергетической стратегии России на период до 2030 года». В качестве стратегических целей использования возобновляемых источников энергии (ВИЭ) и местных видов топлива в этом документе определены: 
 снижение темпов роста антропогенной нагрузки на окружающую среду и противодействие климатическим изменениям при необходимости удовлетворения растущего потребления энергии; 
 рациональное использование и снижение темпов роста потребления 
имеющихся ресурсов ископаемого топлива в условиях неизбежного истощения его запасов; 
 сохранение здоровья населения и качества жизни путем снижения 
темпов роста загрязнения окружающей среды при использовании ископаемого топлива, снижение общегосударственных расходов на здравоохранение; 
 снижение темпов роста затрат на распределение и транспортировку 
электрической энергии и топлива и возникающих при этом потерь; 
 вовлечение в топливно-энергетический баланс дополнительных топливно-энергетических ресурсов; 
 повышение уровня энергетической безопасности и надежности энергоснабжения за счет увеличения уровня его децентрализации. 
По существующим оценкам технический ресурс возобновляемых источников энергии (преобладающую долю в котором имеет потенциал использования энергии солнца и энергии ветра) составляет не менее 4,5 млрд т у.т. в 
год, что более чем в четыре раза превышает объем потребления всех топливно-энергетических ресурсов России. Экономический потенциал ВИЭ зависит 
от существующих экономических условий; стоимости, наличия и качества 
запасов ископаемых топливно-энергетических ресурсов; региональных особенностей и т. д. Указанный потенциал меняется во времени и должен специально оцениваться в ходе подготовки и реализации конкретных программ и 
проектов по развитию ВИЭ (с учетом комплексной оценки их конкретного 
вклада в достижение указанных стратегических целей). 
Возобновляемая энергетика способна внести значительный вклад в решение важнейшей проблемы энергообеспечения децентрализованных районов России, на долю которых приходится до 70 % территории страны с населением до 20 млн человек. 
Наиболее перспективным вариантом построения автономных энергетических комплексов для таких объектов представляется интеграция в дизельную систему электроснабжения ветровых и фотоэлектрических станций. 

1. СПОСОБЫ ПОСТРОЕНИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ 
С УЧАСТИЕМ ВЕТРОВЫХ И СОЛНЕЧНЫХ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ 

Степень участия электроустановок возобновляемой энергетики в 
электрификации объекта зависит от многих факторов, среди которых 
важнейшими являются: энергетический потенциал ВИЭ и его изменение во времени, потребности объекта в мощности и энергии, требования 
к надежности электроснабжения, экономические показатели системы 
электроснабжения. В зависимости от этих и других факторов выбирается состав и структура энергетического комплекса. 
По составу современные энергоустановки для децентрализованного 
электроснабжения могут строиться на основе автономных ветровых и 
солнечных электростанций или на основе совместного использования 
электроустановок возобновляемой энергетики и дизельных электростанций. Вариант с дизельной генерацией может реализовываться с использованием ДЭС в качестве резервного источника электропитания 
либо для совместной работы с электроустановками возобновляемой 
энергетики на общую нагрузку. 

1.1. Автономные системы электроснабжения  
на основе возобновляемых энергоисточников 

Из-за переменного характера графиков электропотребления и энергетического потенциала возобновляемого источника в состав схемы 
энергосистемы должно входить устройство накопления электроэнергии. 
Обобщенная структура автономных ветровых и солнечных электростанций показана на рис. 1. 

 
Рис. 1. Автономная установка возобновляемой энергетики:  
ВИЭ – возобновляемый источник энергии; ППЭ – преобразователь первичного  
энергоресурса; В/П – выпрямитель или преобразователь электроэнергии;  
АБ – аккумуляторная батарея; АИ – автономный инвертор; Н – нагрузка;  
БН – балластная нагрузка 

В данной схеме нагрузка через автономный инвертор питается от 
аккумуляторной батареи. Пиковая мощность нагрузки определяется 
мощностью накопителя и инвертора. Средняя мощность нагрузки на 
конкретном временном интервале определяется положительным энергетическим балансом накопителя, когда его энергия, полученная от ВИЭ, 
превышает энергию, отданную в нагрузку (с учетом коэффициентов полезного действия и рациональных режимов работы энергетического 
оборудования, в первую очередь аккумуляторных батарей). Балластная 
нагрузка принимает возможные излишки электроэнергии, не востребованные в текущий временной интервал нагрузкой и аккумуляторной батареей. 
Очевидно, что для обеспечения энергоэффективного режима оборудования рассматриваемого энергетического комплекса необходима 
интеллектуальная система управления его элементами. 
В связи с существенными суточными изменениями потенциала 
ветра и солнечного излучения, которые обычно не соответствуют сезонным и суточным изменениям графиков энергопотребления, электроснабжение децентрализованных объектов только от возобновляемых 
энергоисточников практически невозможно. Область их применения, 
как правило, ограничена отдельными потребителями мощностью в пределах единиц кВт. 

1.2. Гибридные системы электроснабжения с дублирующими  
дизельными электростанциями 

Сочетание гарантированного энергоисточника – ДЭС и нестабильного возобновляемого позволяет построить универсальные энергокомплексы с неплохими технико-экономическими характеристиками, надежно обеспечивающими электроснабжение различных децентрализованных объектов. 
Вариант энергетического комплекса с двумя энергоисточниками, 
каждый из которых способен покрывать в определенные временные интервалы потребности электрической нагрузки, характеризуется максимумом возможностей по замещению дизельной генерации энергией возобновляемого источника. Сокращение времени работы дизельной части энергокомплекса обеспечивает максимум экономии дизельного топлива и увеличивает срок эксплуатации ДЭС. 
Возможность отключения ДЭС в периоды высоких значений потенциала возобновляемого энергоресурса достигается усложнением состава гибридного энергокомплекса и алгоритмов управления его элементами. 

Обобщенная схема гибридной системы электроснабжения рассматриваемого типа приведена на рис. 2. 

 
Рис. 2. Гибридный энергетический комплекс с дублирующей ДЭС: 
ДЭС – дизельная электростанция; ППЭ – преобразователь первичного энергоресурса; 
ПН – преобразователь напряжения; ИПБ – источник бесперебойного питания;  
Н – нагрузка; БН – балластная нагрузка 

Представленная схема гибридного энергетического комплекса предусматривает объединение различных источников электроэнергии на 
шине переменного тока. 
В период высокого потенциала возобновляемого энергоресурса 
ДЭС отключается. Колебания потребляемой и генерируемой от ВИЭ 
мощности демпфируется запасом энергии в аккумуляторах ИПБ, что 
позволяет уменьшить количество запусков ДЭС. 
В зависимости от соотношения установленных мощностей ДЭС и 
установок возобновляемой энергетики в гибридном комплексе может 
предусматриваться раздельная работа этих энергоисточников или режим их параллельной работы на общую нагрузку в определенных ситуациях. 
Очевидно, режим раздельной работы подразумевает относительно 
большую установленную мощность ППЭ возобновляемого энергоисточника. Соответственно, мгновенная мощность ветровой или солнечной электростанции может существенно превышать номинальную нагрузку. Для утилизации избыточной электроэнергии предусматривается 
балластная нагрузка БН. 
Доля «зеленой» электроэнергии в общем энергетическом балансе 
рассматриваемой системы электроснабжения обычно составляет не менее 50 %. 
При меньших установленных мощностях установок возобновляемой энергетики увеличивается нагрузка на дизельную генерацию. Рост 

относительной продолжительности режимов генерации ППЭ ВИЭ, не 
достаточной для текущего покрытия нагрузки, определяет целесообразность режимов параллельной работы топливного и возобновляемого 
компонента гибридной электростанции. Реализация такого рода режима 
требует дополнительного усложнения алгоритмов управления энергетического комплекса введением в его состав соответствующего оборудования: универсального инвертора, способного работать автономно и параллельно с электрической сетью, устройства синхронизации. 
Дальнейшим развитием интеллектуальных гибридных систем электроснабжения является использование в них инверторных ДЭС [4]. 
Структура таких комплексов показана на рис. 3. 
Преимуществом инверторной ДЭС является сокращение расхода 
топлива в режимах малых нагрузок за счет снижения частоты вращения 
дизель-генератора. 
Обычно в качестве преобразователя напряжения ПН в таких системах используются выпрямительно-инверторные преобразователи частоты (В-АИ). Такие же преобразователи входят в состав современных ветроэлектростанций. Это обстоятельство, а также генерация электроэнергии фотоэлектрическими модулями на постоянном токе определяют 
возможность объединения энергоисточников гибридной системы на 
шине постоянного тока с помощью выпрямителей или преобразователей напряжения (В/П). 
Шина постоянного тока является конкурентоспособным вариантом 
построения системы, объединяющей энергоисточники различной физической природы. 

 
Рис. 3. Гибридный энергетический комплекс с шиной переменного тока  
и инверторной ДЭС 

Рис. 4. Гибридный энергетический комплекс с шиной постоянного тока: 
В/П – выпрямитель или преобразователь напряжения; 
АУ – аккумулирующее устройство; АИ – автономный инвертор 

Преимущества шины переменного тока проявляются при построении системы распределенной генерации, обычно имеющей место при 
интеграции энергоустановок ВИЭ в существующие системы электроснабжения. 

1.3. Гибридные системы электроснабжения с совместной  
ветро‐солнечно‐дизельной генерацией 

Совместная работа в автономной системе электроснабжения ДЭС и 
установок возобновляемой энергетики наиболее рационально осуществляется как работа ветровой и фотоэлектрической станции на электрическую сеть, образованную дизельной электростанцией. ДЭС в этом 
случае рассматривается как основной источник электроэнергии, а участие в генерации возобновляемых источников электроэнергии позволяет 
экономить часть топлива. 
По условиям устойчивости системы электроснабжения, определяемым соотношением мощностей ДЭС и сетевых инверторов фото- или 
ветроэлектростанций, мгновенная мощность возобновляемой части 
энергетического комплекса не должна превышать 40–50 % мощности 
ДЭС. Соотношение средних значений мощностей возобновляемой и дизельной частей гибридного энергокомплекса ориентировочно составляет 1/5. 
Структура такого комплекса приведена на рис. 5. 
 

Рис. 5. Гибридный энергетический комплекс с постоянно работающей ДЭС 

Достоинством подобных комплексов является их простота, позволяющая снизить требования к системе управления и свести к минимуму 
состав оборудования. 
Недостатком подобных комплексов является сравнительно небольшой объем замещения дизельной генерации.