Стартовая >> Архив >> Генерация >> Роль ветрогенерации в энергосистемах

Роль ветрогенерации в энергосистемах

Подавляющее большинство ветрогенераторов, построенных в прошлом, имело мощность, не превышающую нескольких киловатт. С современной точки зрения с учетом перспективы использования энергии ветра в энергосистемах США необходимы ветрогенераторы более мощные, для того чтобы уменьшить общие затраты на выбор и подготовку строительных площадок, сооружение и эксплуатацию установок, созданием подъездных путей, линий электропередачи, распределительных) устройств, оборудования защиты и других компонентов ВЭУ. Известно много ветрогенераторов различного типа. Однако доказано, что только двигатели с крыльчатым ветроколесом перспективны для создания установок мощностью в несколько мегаватт.

Поэтому в ветрогенераторах, которые будут использованы энергосистемами в ближайшем будущем, и, в частности, в установках, которые должны быть сооружены Министерством энергетики США в различных энергосистемах, будет использована эта концепция. Они, вероятно, будут иметь двухлопастное ветроколесо диаметром 45— 90 м с системой регулирования поворотом лопастей, автоматически ориентирующееся относительно направления ветра, связанное с синхронным генератором мощностью 200—2000 кВт и вращающееся с постоянной частотой. Предполагается, что основным фактором, ограничивающим мощность этих ВЭУ, будут возможности технологии изготовления лопастей.

Даже самые крупные ветрогенераторы, которые можно сейчас себе представить, имеющие установленную мощность 2500—5000 кВт, еще несоизмеримо малы по современным понятиям для энергосистем. Так, новые энергоагрегаты, работающие на угле и ядерном топливе, имеют мощность 1000 МВт и более. По сравнению с этими агрегатами ветрогенераторы значительно проще по конструкции, однако их необходимо иметь в большом количестве: для того чтобы получить такую же годовую выработку энергии, как на электростанции указанной мощности, работающей на угле или ядерном топливе, требуется около 1500 ветрогенераторов единичной мощностью 1500 кВт, работающих с коэффициентом использования установленной мощности около 0,35.

К основной стоимости ветрогенераторов добавляются значительные затраты на оборудование, необходимое для обеспечения надежной работы энергосистемы. К этому следует добавить затраты на аренду или приобретение земли для такого большого количества ветрогенераторов. В одном недавно выполненном исследовании было показано, что стоимость линий электропередачи, распределительных устройств и оборудования защиты, необходимых для ветрогенераторов, находится в пределах от 100 до 300 долларов/кВт в зависимости от количества ветрогенераторов, входящих в ветроэнергетическую систему, интервала между ними и удаленности ветроэнергетической системы от сетей энергосистемы. Следует также учитывать, что перебои в выработке энергии на ветроэнергетической системе вследствие отсутствия ветра являются более частыми, чем на ТЭС вследствие аварий, поэтому при наличии ветроэнергетической системы потребуется, по всей вероятности, больший резерв.

Для использования в ветрогенераторах предложены различные схемы преобразования механической энергии в электрическую. В этих схемах предусмотрено использование синхронного и асинхронного генераторов, генераторов постоянного тока с инвертором и переменного тока, вырабатывающего напряжение постоянной частоты при переменной частоте вращения вала. Основное преимущество двух последних схем состоит в том, что они, в принципе, более эффективны, поскольку допускают изменение частоты вращения ветроколеса в широких пределах, что обеспечивает более высокий коэффициент использования энергии ветра. Однако эти схемы при их реализации имеют большую стоимость, чем схемы с асинхронным или синхронным генераторами, применение которых требует в первом случае поддержания частоты вращения, близкой к постоянной, а во втором — строго постоянной. Это и некоторые другие факторы снижают эффективность таких схем. Однако синхронным генераторам, требующим постоянную частоту вращения, отдается в настоящее время предпочтение вследствие присущей им совокупности следующих положительных качеств; вероятность возникновения резонансных вибраций конструкции меньше, из-за постоянной частоты вращения ветроколеса;

генератор не потребляет из сети реактивную мощность; технология производства генератора хорошо отработана, а его масса меньше, чем у других систем.

Ряд исследований и разработок сконцентрирован сейчас на создании таких узлов ветрогенераторов, которые минимизировали бы стоимость вырабатываемой электроэнергии. Задача осложняется в связи с трудностью оценки экономических и производственных характеристик компонентов ветрогенераторов, так как их стоимость изменяется в широких пределах в зависимости от объемов производства. Другими словами, стоимость компонентов ветрогенераторов существенно зависит от того, составляет ли суммарный выпуск 10 или 1000 установок.

Предпроектное исследование, выполненное по имеющимся данным, показало, что установка должна иметь энергетическую характеристику, представленную на рис. 1. При скорости ветра ниже минимальной рабочей Vm,n ВЭУ не работает. При скорости ветра больше расчетной Vp, соответствующей минимальной скорости, при которой развивается установленная мощность, угол поворота лопастей регулируется так, чтобы поддерживать постоянную мощность. Обычно Vmin выбирается равной приблизительно 0,5 Ур, а Vp — несколько большей Vr, для которой проектируется ВЭУ. Выше определенной скорости ветра, называемой максимальной рабочей скоростью Vmax, ветрогенератор останавливается, чтобы избежать повреждения от ветра, имеющего буревые скорости.

Хотя, как можно видеть из рис. 1, при высоких скоростях, ветра часть располагаемой энергии недоиспользуется вследствие того, что эксплуатационная характеристика имеет пологую форму, распределение вероятностей действия различных скоростей ветра таково, что ветры с большими скоростями наблюдаются редко и их энергия составляет относительно небольшую часть суммарной энергии.

эксплуатационная характеристика ветрогенератора

Рис. 1. Энергетические характеристики:

1 — располагаемая мощность ветрового потока, приходящаяся на площадь, ометаемую ветроколесом; 2 — мощность, развиваемая ветродвигателем; P - установленная мощность; Vmin — минимальная рабочая . скорость ветра; Vpрасчетная скорость ветра; Vmax — максимальная рабочая скорость ветра.

В качестве примера результатов выполненного исследования можно привести следующий: ВЭУ мощностью 1500 кВт, имеющая оптимальные параметры для работы при VT = 8 м/с, будет иметь коэффициент использования установленной мощности около 0,35 и вырабатывать в год около 7-106 кВт-ч энергии.

Изменение развиваемой ВЭУ мощности обусловливается атмосферными явлениями, и для энергосистем крайне важны их проявления за определенные характерные периоды времени. Кратковременные изменения скорости ветра, вызываемые порывами, могут влиять на мощность каждой конкретной ВЭУ, однако в этом случае изменения мощности осредняются по территории даже при относительно небольшом количестве установок.

Долговременные изменения скорости ветра вызываются различными факторами, суточными и сезонными циклами и будут влиять на суммарную мощность большой группы ВЭУ, расположенных в определенной зоне, в той же степени, что и на мощность каждой конкретной установки. Это затрудняет обеспечение эффективной эксплуатации ВЭУ в энергосистеме: изменения скорости ветра в пределах нескольких секунд порождают проблему создания условий устойчивой синхронной работы ВЭУ с сетью, а изменения скорости ветра в пределах примерно минуты могут привести к затруднению обеспечения надежности электроснабжения; изменения скорости ветра за более длительные периоды времени создают различные диспетчерские проблемы, в частности, связанные с планированием выработки энергии отдельными электростанциями, выбором рациональной структуры генерирующих мощностей, требуемых энергосистеме. Какой диапазон изменения значений мощности ВЭУ может вызывать указанные трудности, зависит от того, какая часть суммарной нагрузки энергосистемы покрывается за счет энергии ветра.

Различные аспекты перечисленных проблем находятся на стадии исследования, и их воздействие на технические и экономические показатели использования энергии ветра в энергосистемах еще не совсем ясно. Однако предварительные результаты одного из исследований, выполненного отделением фирмы General Electric Company (GE), показывают, что все указанные проблемы могут быть просто решены с помощью обычных систем управления и защиты, используемых в энергосистемах. Если считать, что проблемы, связанные с устойчивостью и надежностью, настолько серьезны, что заслуживают большого внимания, то возможное решение в области устойчивости системы может состоять, например, в том, чтобы при подключении ВЭУ к энергосистеме она получала всегда значительно большую мощность от тепловых электростанций, чем от ВЭС. Для решения проблемы обеспечения надежности энергоснабжения требуется изменение мощности вращающегося резерва.

Суточный цикл удельной располагаемой осредненной мощности ветрового потока

Рис. 2. Суточный цикл удельной располагаемой осредненной мощности ветрового потока при различных ветровых режимах:

1 — слабом; 2 — среднем; 3 — интенсивном.

На рис. 2 показаны характеристики изменения мощности ветрового потока за средний суточный цикл для слабых, умеренных и интенсивных ветровых режимов. Заметим, что при слабых и умеренных ветровых режимах, при которых вырабатывается основная часть энергии, пики осредненной характеристики приблизительно совпадают с пиками суточного графика нагрузки энергосистемы 1.

Наличие такого соответствия способствует увеличению ценности ветроэнергии для энергосистем, так как в период пиковой нагрузки обычно используются электроустановки, работающие на органическом топливе, эксплуатационные издержки которых велики.

1 Такое совпадение имеет место только в определенных зонах и не характеризует общую закономерность.

 
« Ресурс и надежность металла теплосилового оборудования ТЭС   Роль состава отложений в повреждении лопаток турбин »
электрические сети