Часть требований, на основе которых были спроектированы ветрогенераторы, заданы Центром NASA-LeRC в начале исследования, другие явились результатом знаний и опыта, приобретенных в процессе выполнения исследования. Требования к ветрогенераторам рассматриваются ниже.
Требования, связанные с подключением ВЭУ к энергосистеме. ВЭУ проектируются для присоединения к линии электропередачи энергосистемы. Предполагается, что это будут распределительные сети или сети с низшим классом напряжения. При специальном исследовании такого присоединения рассматривались следующие вопросы: флуктуация напряжения в сети, значение cos φ, релейная защита сети и АПВ, помехи телефонной связи, устойчивость работы ВЭУ.
Флуктуации напряжения в сети. Снижение напряжения в сети в связи с подключением к ней ВЭУ может возникнуть в процессе пуска и останова ветрогенератора и в результате колебаний их мощности из-за изменений скорости ветра. Для ВЭУ с синхронными генераторами снижение напряжения, происходящее при пуске, может быть полностью предотвращено в результате применения автоматической синхронизации, которая широко используется в энергосистемах. В случае ВЭУ с асинхронными генераторами причиной снижения напряжения в сети будет подключение к генераторам батарей-конденсаторов, используемых для улучшения cos φ.
Одновременные или независимые флуктуации частоты и большие флуктуации напряжения нежелательны для потребителей и должны быть предотвращены. Большие флуктуации напряжения, обусловленные работой ветрогенератора, можно допустить, если они случаются редко. Частые же флуктуации напряжения будут вызывать претензии со стороны потребителей энергосистемы, если колебания напряжения не будут соответствовать установленным требованиям.
Коэффициент мощности. Значение cos φ = 1,0 является оптимальным для энергосистем, так как в этом случае линии электропередачи имеют максимальную пропускную способность. Однако в результате наличия реактивной нагрузки cos φ всегда меньше 1, что увеличивает потребность энергосистем в оборудовании.
Поскольку реактивная мощность не может быть экономично передана на большие расстояния вследствие чрезмерных потерь, равных I2R, в энергосистемах будет использоваться значительная мощность для того, чтобы вырабатывать реактивную мощность вблизи мест, где энергия потребляется. В результате этого cos φ распределительных сетей приближается к единице и обычно равен; 0,98. При рассмотрении асинхронных генераторов, у которых cos φ « 0,8, в месте расположения ВЭУ необходима генерация реактивной мощности для максимально возможного увеличения; значения cos φ в энергосистеме.
Автоматическое повторное включение. Обычно в распределительной сети применяется АПВ линейного выключателя, для того> чтобы быстро восстановить подачу электроэнергии потребителям при к. з., например, при перекрытии, возникающем в результате удара молнии. Кроме того, на линиях низкого напряжения (24,9 кВ и ниже), как правило, также устанавливаются устройства: АПВ. Линейные выключатели и выключатель ветрогенератора должны иметь строго согласованные по максимальному току устройства АПВ: после того как генератор будет отключен, может быть повторно-включен линейный выключатель и при отсутствии к. з. генератор может быть вновь включен в систему.
Помехи телефонным линиям связи. Поскольку в выходном напряжении у всех генераторов возникают высшие гармоники, токи высших гармоник могут быть причиной помех в близко проходящих телефонных линиях. Это явление относительно редкое, и в большинстве случаев, когда возникает такая проблема, она решается путем установки незаземленных конденсаторных батарей, которые фильтруют гармоники определенной частоты, или, в некоторых случаях, путем перераспределения конденсаторных батарей.
Устойчивость. Потеря устойчивости (синхронизма) синхронным генератором, возникновение которой наиболее вероятно при порывистых ветрах, приводит к высоким пульсирующим токам в сетях и сопровождается флуктуациями напряжения. Работа асинхронного генератора за вершиной его моментно-скоростной характеристики приводит к чрезмерно большим значениям реактивных токов, приближающимся к значению тока при заторможенном роторе, что приводит к нежелательным последствиям. При этих условиях обычно требуется автоматическое отключение и повторное включение ветрогенератора после некоторого периода перебоя в работе.
Эксплуатационные требования. Основное требование состоит в том, чтобы стоимость вырабатываемой ветрогенератором электрической энергии позволяла ей конкурировать с обычно получаемой энергией.
В исследовании рассмотрен и ряд специфических требований к работе ветрогенератора, в частности в отношении сроков службы, воздействия окружающей среды и др.
Проектный срок службы. Все неподвижные компоненты ВЭУ включая башню, были спроектированы исходя из минимального срока службы 50 лет. Для динамических компонентов, которые могут подвергаться периодическому ремонту и замене, минимальный срок службы принят равным 30 годам.
Требования, связанные с воздействием на ВЭУ окружающей среды. ВЭУ должны быть спроектированы так, чтобы надежно противостоять воздействиям окружающей среды, характерным для любых районов США. Это означает, что ВЭУ должны быть способны работать в снег, дождь, грозу, град, в условиях обледенения, при песчаных и пылевых бурях. ВЭУ должны нормально работать во влажной соленой среде, а также в экстремальных температурных условиях от —50° до + 50°С.
Характеристики скоростей ветра и модель порывов ветра. Для того чтобы вычислить годовую выработку электроэнергии ВЭУ, Центр NASA-LeRC задал фирме GE кривые распределения скоростей ветра, графики которых для участков, имеющих среднегодовую скорость ветра от 3,6 до 10,7 м/с, представлены на рис. 8.
Рис. 8. Кривые продолжительности действия скорости ветра V, измеренной на высоте 9,1 м над поверхностью земли (числа на кривых обозначают среднегодовую скорость ветра VT).
Рис. 9. Модель порывов ветра: относительное изменение скорости ветра Va/Vo в зависимости от продолжительности порыва t.
К ВЭУ предъявляется требование, чтобы их можно было эксплуатировать в условиях обычных (характерных) порывов ветра и чтобы они выдерживали порывы, при которых скорость ветра превышает максимальную рабочую. Кроме того, ветрогенераторы должны быть спроектированы так, чтобы они не разрушались при максимальной устойчивой скорости ветра около 54 м/с на высоте 9,1 м над поверхностью земли.
Принятые зависимости относительного изменения скорости ветра при порывах от их продолжительности показаны на рис. 9. Максимальная амплитуда при любом отдельно взятом порыве приблизительно вдвое больше устойчивого уровня скорости ветра. Максимальное значение скорости ветра при порыве обычно наблюдается в середине периода порыва.
Важным является тот факт, что порывы ветра с меньшей продолжительностью имеют, как правило, меньшую амплитуду, но ее абсолютное значение тем больше, чем сильнее ветер.
Требования к стоимости. Цель исследования заключалась в том, чтобы разработать два предварительных проекта, которые обеспечивали бы минимальную стоимость вырабатываемой энергии при работе ВЭУ на участках с Vг = 5,4 и 8 м/с. Минимальная стоимость энергии, выражаемая в центах на киловатт-час, включает составляющие, связанные с капитальными вложениями, эксплатацией и техническим обслуживанием ветроустановки. Наряду с достижением минимальной стоимости усилия были направлены на то, чтобы добиться требуемой эстетичности сооружения и получить общественное одобрение ветроустановок.
Требования к надежности работы. Ветроустановки должны быть спроектированы так, чтобы они могли работать без обслуживающего персонала, при этом надежность работы в автоматическом режиме должна быть такой же, как и при ручном управлении. Должно выполняться условие получения минимум 90%-ной надежности работы ветроустановки при обеспечении нормальной эксплуатации и технического обслуживания наименее надежных узлов и механизмов.
Конструкторский риск. По замыслу исследования предварительные проекты ВЭУ могли выполняться до окончательного проекта и сооружения ВЭУ в пределах примерно двух лет. Таким образом, при проектировании должны использоваться самые последние апробированные решения, материалы и технология изготовления в той степени, в какой их использование минимизирует стоимость производимой электрической энергии. Предполагается, что при создании ВЭУ проектировщики будут использовать в качестве основы данные, апробированные экспериментально.
