ПРОИЗВОДСТВО ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ С ПОМОЩЬЮ ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕКИХ УСТАНОВОК
Электрооборудование ВЭУ должно удовлетворять таким требованиям: минимально возможные габаритные размеры и масса генераторов; обеспечение высокого КПД генераторов при нагрузках меньше номинальных; обеспечение работы на собственные нужды ветроэлектростанции, а также при необходимости управляемого пуска и торможения ветроагрегата с помощью электрической машины [40].
Опыт эксплуатации ВЭУ показывает, что генераторами могут служить как традиционные (синхронные и асинхронные), так и нетрадиционные (машино-вентильные) электрические машины [41].
Синхронные генераторы имеют следующие преимущества: высокие энергетические показатели; могут работать как при подключении в электрическую сеть, так и для питания автономных потребителей без применения дополнительных устройств; способны генерировать и регулировать реактивную мощность. Недостатки этих машин: необходимость обеспечивать постоянную частоту вращения ротора и синхронную работу с электрической сетью; необходимость принимать специальные меры для обеспечения устойчивости машин при возникновении колебаний момента и мощности; для пуска машины, работающей в режиме двигателя, необходимы специальные устройства.
К преимуществам асинхронных электромашин следует отнести: высокую эксплуатационную надежность; простоту конструкции; возможность работать с переменной частотой вращения без применения дополнительных устройств; низкую стоимость. Вместе с тем эти машины имеют и недостатки, среди которых следует выделить: необходимость применения дополнительных устройств для регулирования напряжения в электрической сети; более низкие энергетические показатели по сравнению с синхронными машинами; необходимость потребления реактивной мощности.
В последнее время в ветроэнергетических установках применяют машино-вентильные системы, выполненные на основе электрических машин (синхронных или асинхронных) и устройств силовой электроники (преобразователей частоты). Эти системы имеют следующие достоинства: эксплуатация частоты вращения ветроколеса; обеспечения синхронной работы агрегатов, сети и других источников энергии. Одно из направлений повышения эффективности машино-вентильных систем — применение запираемых тиристоров, силовых
транзисторов, микропроцессорных систем управления, что позволяет существенно повысить надежность преобразовательного оборудования. Однако машино-вентильные системы имеют более высокую стоимость, требуют специальных мер по обеспечению их надежности и сервисного обслуживания.
Для проектирования и последующего сооружения ветроэлектрической установки необходимо располагать надежными методами расчета с учетом нестационарное™ процессов. Для этого наиболее приемлемым является применение математического моделирования с численным решением моделей на ЭВМ.
Будем считать, что кинематическая схема ВЭУ представляет собой упругую двухмассовую систему. Между ветроколесом и мультипликатором помещен торсион. Предполагаем, что в торсионе нет диссипации энергии. Расчетная схема силовой трансмиссии приведена на рис. 3.12 [42], где приняты такие обозначения: ВК — ветроколесо, Т — торсион с жесткостью С , М — мультипликатор, Г — генератор, М и ω — момент и угловая скорость вращения ветроколеса, Мм и ω — момент и угловая скорость тихоходного вала мультипликатора, Мэм и ω — электромагнитный момент генератора и угловая скорость вращения ротора, Μ , Μ М — моменты потерь ветроколеса, мультипликатора и генератора.
При составлении математической модели следует учитывать следующее.
Уравнения движения механической системы ветроэлектрической установки записываются в соответствии с теорией устойчивости движения [43]. Изменения скорости ветра с течением времени имеют вероятностный характер и их рекомендуется рассчитывать по зависимостям, приведенным в работах [44, 46]. Функциональная зависимость момента вращения ветроколеса Мвк приведена в работе [17]. Регулирование М осуществляется стабилизацией частоты вращения ветроколеса либо генерируемой мощности.
Рис. 3.12. Расчетная схема трансмиссии
Кроме того, целесообразно использовать систему относительных единиц, применяемую для анализа электрических машин [45]. В итоге система дифференциальных уравнений механической части электромеханического устройства записывается следующим образом [42]
Система уравнений (3.54-3.58) дополнена приведенными ниже соотношениями.
Управляющее напряжение на выходе регулятора, подаваемое на якорную обмотку двигателя,
Функциональные зависимости для момента потерь ветроколеса, мультипликатора и генератора записываются в следующем виде [47]
При определении параметров механического движения электромеханической системы можно исходить из предложения о квазистационарности электромагнитных процессов в статорных и роторных короткозамкнутых контурах генератора. Подобное допущение обусловлено тем, что нестационарные процессы движения механической части системы, вызванные пульсациями скорости ветра, характеризуются постоянными времени 1...7 с [44]. Длительность порывов ветра, а также значения постоянной времени обмотки возбуждения генератора и ее переходная величина соизмеримы с механической постоянной электромеханической системы. Постоянные времени для апериодических составляющих в генераторах имеют существенно меньшие значения. Принятое допущение позволяет вычислять электромагнитный момент генератора с помощью эквивалентных схем замещения применительно к генератору конкретного типа.
Будем исходить из предположения, что генератором служит асинхронный двигатель. Учитывая, что в обмотке ротора проходит переменный ток, в эквивалентной электрической схеме следует предусмотреть добавочное сопротивление (рис. 3.13).
Расчетные уравнения в относительных единицах записываются так
Система уравнений (3.50)-(3.65) представляет собой математическую модель электромеханической системы ветроэлектрической установки в тех случаях, когда генератор асинхронного типа. Аналогичную математическую модель можно составить, если генератор синхронного типа [43].
Приведенную систему уравнений можно использовать для расчета электромеханических переходных процессов. Решение возможно численным методом при помощи ЭВМ.
При использовании ВЭУ для производства электрической энергии возможны несколько вариантов технических решений (рис. 3.14) [18].
Энергия ветра может быть использована для привода генератора переменного тока. Получаемая при этом электрическая энергия непосредственно подается в сеть энергосистемы через повышающий трансформатор.
Возможны случаи, когда энергия ветра используется для выработки электрической энергии в виде постоянного тока для нагревательных приборов. Возможно аккумулирование электроэнергии в батареях с последующим преобразованием и использование нагрузки переменного тока.
Рис. 3.14. Варианты использования и аккумулирования энергии, вырабатываемой ветроустановкой
Один из способов аккумулирования заключается в хранении водорода и кислорода, полученных при электролитическом разложении воды.
Структурная схема ВЭУ и ее схема подключения к сети приведены на рис. 3.15 [48]. При аварии и нарушении режимов работы ветродвигателя преобразователь частоты автоматически, с помощью соответствующих автоматов Вр В2 и В„ отключается от роторной цепи, а собственно машина переводится в короткозамкнутый режим или подключается к индукционному реостату.
Система автоматического регулирования асинхронного генератора представляет собой двухканальную систему, построенную по принципу подчиненного регулирования. В результате осуществляется раздельное управление частотой приращения генератора и напряжением U,· .
Рис. 3.15. Структурная схема ветроэнергетической установки:
AM — асинхронная машина с фазовым ротором; ПЧ — преобразователь частоты; САР ВЭУ — система автоматического регулирования ВЭУ; ТТ — измерительный трансформатор тока; TH — измерительный трансформатор напряжения; ВК — ветроколесо; х — сопротивление линии электропередачи, связывающей ВЭУ с энергосистемой; ИР — индукционный реостат (пусковое устройство); ДСВ — датчик скорости ветра; ДП — датчик углового положения ротора; ИМ — исполнительный механизм изменения угла поворота лопасти ветроколеса; В — выключатели; П — сигнал от ДП
В отдаленных районах сельской местности в качестве автономного источника электрической и тепловой энергии используются дизельные электростанции (ДЭС). Представляет интерес задача установки наряду с ДЭС дублирующего энергоисточника, не требующего органического топлива. Наиболее целесообразно сочетание дизельных агрегатов с ветроэнергетическими установками (ВЭУ). В таких случаях ДЭС может простаивать значительную часть времени или работать с неполной мощностью. При проектировании системы ВЭУ—ДЭС следует учитывать возможности обеспечения неизменности заданного уровня надежности электроснабжения. Такая задача рассматривалась в работе [49]. Однако, как обоснованно отмечают авторы работы [50], она анализируется вне общего вопроса оптимизации системы ВЭУ—ДЭС. Большего внимания заслуживает исследование, в котором дана оценка экономического эффекта, полученного от компенсации части мощности ДЭС при помощи ВЭУ, с учетом заданного уровня надежности электроснабжения, готовности дизельных агрегатов, мощности ветроэнергетических установок, скорости ветра.
Авторами работы [51] приведена схема установки (рис. 3.16), в которой параллельно работают мощная ветроустановка с переменной частотой вращения и дизельная электростанция соизмеримой мощности. В качестве ВЭУ предусмотрен ортогональный ветродвигатель единичной мощностью 1250 кВт разработки НПО «Южное» (Украина). Дизельная электростанция состоит из пяти дизельных установок мощностью 630 кВт каждая, работающих параллельно.
Рис. 3.16. Схема совместной работы ВЭУ и ДЭС:
Генератор ВЭУ представляет собой асинхронную машину Ml с фазовым ротором, к кольцам которого подключены либо пусковое устройство ПУ, либо преобразователь частоты ПЧ, получающий питание через силовой трансформатор Тр1 от той же сети, к которой подключена и стартовая обмотка Ml. За счет изменения углов открытия вентилей система автоматического регулирования САР1 обеспечивает регулирование амплитуды и частоты напряжения Ufl на выходе ПЧ. Для этого в САР1 поступают сигналы: измеряемого значения частоты вращения ω ВЭУ; от датчика ДП с учетом заданного значения частоты вращения; от функционального блока ФБ, на вход которого поступает сигнал, пропорциональный текущему значению средней скорости ветра ив от датчика скорости ветра ДВ.
Дизельная электростанция, состоящая из пяти двигателей, эквивалентируется дизелем Д с синхронным генератором м2. Напряжение возбуждения Uf., генератора м2 регулируется возбудителем В под действием САР2. При этом напряжение U т на шинах ДЭС поддерживается номинальным. С этой целью в САР2 поступает сигнал, пропорциональный напряжению Uг на шинах нагрузки.
В качестве потребителя нагрузки Н предусмотрен поселок Диксон Крайнего Севера России. Нагрузка эквивалентируется активной Рн и реактивной Q составляющими, которые в зависимости от сезона и времени суток колеблется в пределах от 300 до 3000 кВт при φ = 0,85.
Основные режимы работы ВЭУ следующие.
Пуск ВЭУ (желательно с помощью электрической машины от сети) от остановленного состояния до достижения требуемой частоты вращения. При этом разворот ветроколеса осуществляется с ускорением, не превышающим критического по условиям механической прочности.
Главный автоматический переход ВЭУ из пускового в рабочий (генераторный) режим.
Генераторный режим, в течение которого осуществляется автоматическое регулирования частоты вращения в функции скорости ветра.
Главный переход ВЭУ из генераторного режима в режим торможения, которое осуществляется с помощью электрической машины до частоты вращения ветроколеса 21 мин.
