В этом разделе описаны два предварительных проекта ВЭУ мощностью 500 и 1500 кВт, которые предназначены для использования на участках с Vг = 5,4 и 8 м/с.
Общая характеристика проектов. Подходы, реализованные в. предварительных проектах, имели ряд особенностей и выражались в том, что была принята постоянная частота вращения ветроколеса, снабженного системой регулирования мощности и частоты путем изменения угла установки лопастей.
Применяется одно двухлопастное ветроколесо, установленное на башне; его рабочее положение — за башней; лопасти типа самолетного винта. Система передачи вращающего момента имеет редуктор с постоянным передаточным отношением. Генератор синхронный. Башня бетонная или ферменной конструкции. Система управления основана на использовании ЭВМ.
На основе результатов исследования по выбору параметров были выданы рекомендации для Управления NASA сосредоточить усилия при разработке предварительных проектов на ВЭУ мощностью 500 кВт для работы на участках с Vг = 5,4 м/с и мощностью 1000—2000 кВт для работы на участках с Vr = 8 м/с. Управление NASA приняло эти рекомендации и решило приступить к разработкам ВЭУ мощностью 500 и 1500 кВт. Было установлено, что расстояние от поверхности земли до конца лопасти, находящейся в нижнем положении, должно быть принято равным 15,2 м вместо предварительно намеченного значения 6,1 м. Это изменение, которое показало экономическую целесообразность увеличения высоты расположения ветроколеса над поверхностью земли, вызвано данными исследования по выбору параметров ветроустановки. Кроме того, чем больше это расстояние, тем равномернее скорости в сечении ветрового потока, площадь которого равна ометаемой ветроколесом поверхности, в результате чего создаются потенциальные условия для уменьшения циклических нагрузок на лопасти ветроколеса. Первый шаг при разработке предварительного проекта состоял в использовании усовершенствованной версии оптимизационной программы для ЭВМ с целью получения рабочих условий для систем с минимальной стоимостью энергии для указанных выше уровней мощностей ВЭУ и ветровых зон. Результаты, полученные с помощью оптимизационной программы, показаны ниже; эти условия составляют основу для выполнения проектных работ:
Рабочие условия, определенные программой, были затем использованы при проектировании лопасти и втулки ветроколеса. Эта работа базировалась также на анализе динамического взаимодействия ветроколеса и башни. При составлении проекта генератора и редуктора системы передачи вращающего момента исходили непосредственно из результатов, полученных по машинной программе. Проектирование системы управления представляет собой непрерывный процесс, включающий согласование каждой из главных систем. Первоначально особое значение придавалось минимизации стоимости энергии, вырабатываемой ветрогенератором. Снижение этой стоимости включало в себя два аспекта — минимизацию капитальных вложений и эксплуатационных издержек и увеличение до максимума годовой выработки энергии.
Начальные стадии проектных разработок показали, что наиболее эффективным направлением минимизации капитальных вложений является уменьшение массы ВЭУ. Зависимость между массой и стоимостью очевидна для многих видов промышленной продукции, не содержащей сложных технических компонентов, требующих особой производственной технологии или дорогостоящих материалов. Для того чтобы уменьшить массу, необходимо снизить нагрузки на систему так, чтобы при этом не снижалась надежность ее работы.
Следовательно, экономически эффективный проект требует подхода, при котором удается избежать больших ветровых нагрузок, обычно имеющих место в результате резкого изменения направления ветра или его высоких скоростей. Это может быть достигнуто путем соответствующей разработки такой системы управления, которая поддерживает режимы ВЭУ, наименее опасные с точки зрения неблагоприятного воздействия внешней среды, в частности быстро изменяющегося направления ветра или его порывов, при которых скорость ветра превышает максимальную рабочую скорость.
Достижение максимума выработки энергии было осуществлено посредством установления наиболее благоприятного уровня мощности и оптимизации проектных рабочих условий, быстроходности Z и частоты вращения ветроколеса. Кроме того, нужно было обеспечить возможность работы ВЭУ в наиболее широком диапазоне изменения скорости ветра. Для этого необходима система управления, которая позволяет осуществлять синхронизацию с сетью энергосистемы при наименьших рабочих скоростях ветра, бесперебойную эксплуатацию при изменяющихся скоростях порывистого ветрового потока, управление ВЭУ до максимальной рабочей скорости ветра, синхронизацию при всех промежуточных ветровых условиях и в режимах с высокими скоростями ветра, необходимость в которой возникает для повторного пуска ВЭУ после ее останова по техническим причинам или из-за превышения максимальной рабочей скорости ветра.
Рис.10. Внешний вид ветроустановки мощностью 1500 кВт.
Рис.11. Предварительный проект компоновки оборудования ВЭУ:
1 — главный подшипник № 1; 2—главный вал; 3 — главный подшипник № 2; 4 — упругая муфта; 5 — редуктор; 6 — генератор; 7 — возбудитель (размеры показаны для установок мощностью 1500 и 500 кВт — последние даны в скобках).
Основное оборудование ветроустановки. Изображение верхней части ВЭУ мощностью 1500 кВт, полученное в результате выполнения предварительного проекта, представлено на рис. 10.
Втулка 3 ветроколеса составляет в диаметре около 7,6 м, а хорда лопасти 1 и толщина лонжерона в корневой части — соответственно 3,6 и 1,5 м. В центральной части ветроколеса смонтирован механизм 2 изменения угла установки лопастей. Система передачи вращающего момента и генератор расположены внутри головки 4. С правой стороны головки находится измерительная игла 5, которая ориентируется против направления ветра. Головка устанавливается на опорно-поворотный узел 6, оборудованный приводным механизмом азимутальной ориентации, т. е. ориентации в горизонтальной плоскости. Главный вал установлен под углом 6° к горизонту. Это сделано для того, чтобы обеспечить требуемый зазор между лопастью, находящейся в нижнем положении, и башней болтовыми, соединениями. В любом случае окончательный монтаж ветроколеса должен быть выполнен на строительной площадке внизу, а не на башне.
Предусматривается, что до отправки на строительную площадку весь комплекс узлов и механизмов ветроколеса должен быть проверен. Однако методы необходимой проверки при массовом выпуске ВЭУ еще не ясны. Предполагается, что функциональные испытания прогиба лопастей, деформации втулки и механизма-изменения угла установки лопастей должны быть выполнены, как минимум, выборочно.
Для строительства башни ферменной конструкции потребуется в среднем 6—8 нед. В связи с тем что масса такой башни составляет только 40—60 т, требования к фундаменту являются не такими жесткими, как в случае бетонной башни. К тому же для фундамента не будет требоваться полная выдержка в течение 28 дней до того, как на него могут быть установлены стальные секции башни. Стальные элементы, используемые в конструкции башни этого типа, могут быть легко доставлены на строительную площадку грузовым автотранспортом.
При сооружении бетонной башни с централизованного пункта на участок к субподрядчику, обеспечивающему материальное снабжение строительства, могут быть доставлены либо сразу сборные секции, либо строительное сырье для изготовления сборных секций на месте.
Масса бетонных башен оценивается в 225 и 325 т соответственно для ВЭУ мощностью 500 и 1500 кВт, и для этих конструкций потребуются большие фундаменты. Большая масса бетонной башни может привести к необходимости наблюдать за состоянием, фундамента в течение всех 28 дней выдерживания бетона перед непосредственным сооружением башни. В результате полное время строительства бетонной башни по оценке составляет 8—12 нед.
Оборудование может быть установлено на башне в один или два этапа. Предпочтительно, чтобы ветроколесо с механизмом регулирования было соединено с головкой на земле, а затем весь агрегат был поднят на башню. При альтернативном варианте сначала на башне должна быть установлена головка, после чего ветроколесо должно быть поднято и соединено с главным валом. Определяющими факторами для выбора монтажного варианта будут масса головки и ветроколеса, грузоподъемностью имеющегося в наличии подъемного крана и максимальная высота подъема груза краном.
После установки основных систем внутри головки должны быть выполнены окончательные электрические соединения. Кроме того, у основания башни будет установлено здание для вспомогательного оборудования, в котором расположатся микро-ЭВМ, различное электрическое оборудование и ячейка подсоединения ветроустановки к энергосистеме.
Заключительным этапом должны быть пусковые испытания ВЭУ. Они состоят в обеспечении исправности всех управляющих и силовых электрических цепей, позволяющей осуществить пуск ВЭУ при низкой скорости ветра на холостом ходу, а затем и работу под нагрузкой. Время, требуемое для пусковых испытаний ветрогенераторов при их промышленном выпуске, будет зависеть от накопления опыта с течением времени.
Режимы работы ВЭУ определяют основные требования к ней. ВЭУ должна быть спроектирована таким образом, чтобы было обеспечено устойчивое управление при различных предусмотренных режимах от ее пуска до аварийного останова. Работа ВЭУ может быть пояснена с помощью зависимости коэффициента использования энергии ветра g от быстроходности Z, представленной на рис. 12, для профиля лопасти серии 230ХХ.
Рис. 12. Зависимость коэффициента использования энергии ветра g от быстроходности 2 при различных углах установки лопастей <р (на радиусе *UR):
1 — ВЭУ мощностью 500 кВт; 2 — ВЭУ мощностью 1500 кВт; Z, — быстроходность при максимальной рабочей скорости ветра для ВЭУ мощностью 500 кВт; Z2 — то же для ВЭУ мощностью 1500 кВт.
Как указывалось выше, 1 определяется как отношение мощности, развиваемой ветроколесом, к мощности ветрового потока, приходящегося на площадь ометаемую ветроколесом. Максимальное значение теоретического коэффициента использования энергии "ветра для ВЭУ крыльчатого типа равно 0,593. Быстроходность Z есть отношение окружной скорости концов лопастей к скорости ветра. На рис. 12 показаны линии для постоянных значений углов φ установки лопастей; как видно из рисунка, оптимум характеристики достигается при Z= 10 и ср = —0,5°. При расчетной скорости ветра ВЭУ мощностью 500 и 1500 кВт работают с Z, равными соответственно 9,0 и 9,5. Уменьшение скорости ветра ниже расчетной приводит к увеличению Z, и поэтому имеет смысл при эксплуатации ветрогенератора работать по гребню кривой с φ = —0,5°. При скоростях ветра, больших, чем расчетная скорость, регулирование мощности осуществляется путем увеличения угла φ вплоть до достижения максимальной рабочей скорости ветра.
Система пуска ВЭУ обеспечивает ее запуск при низких, средних и высоких скоростях ветра. Предполагается, что пуск при низких скоростях ветра, который здесь рассматривается, будет наиболее общим случаем. Когда датчики скорости ветра покажут, что скорость ветра равна или больше минимальной рабочей скорости в течение приблизительно 5 мин, система управления с помощью индикатора горизонтальной ориентации получит информацию о степени рассогласования между осью ветроколеса и преобладающим направлением ветра и подаст команду на двигатель привода системы ориентации, обеспечивающий согласование направлений оси ветроколеса и ветрового потока. Одновременно будет пущен в работу двигатель, являющийся приводом механизма угла установки лопастей, для того чтобы изменить угол φ на радиусе 3/4 R (где R — радиус ветроколеса) с 90 до 72°, что соответствует положению лопастей с максимальным пусковым моментом ветроколеса.
Угол установки лопастей определяется по выходному сигналу линейного дифференциального трансформатора напряжения, управляемого путем его механического соединения с тягой исполнительного механизма изменения угла. При установке лопастей на необходимый угол и при наличии ветра с минимальной рабочей скоростью произойдет самостоятельное страгивание ветроколеса, как только направление его оси будет согласовано с направлением ветра. Когда датчик частоты вращения вала показывает, что главный вал ветроколеса вращается с частотой 0,5 об/мин, система управления подает команду на механизм изменения угла ср для того, чтобы уменьшить его с 72 до 2 ° (на радиусе 3/4 R), и ветроколесо будет ускоряться до частоты вращения, близкой к синхронной. При постоянной скорости ветра на это потребуется приблизительно 7 мин.
При частоте вращения ветроколеса на 10 % меньшей синхронной система управления начнет осуществлять регулирование частоты воздействием на механизм изменения угла ср, а путем изменения напряжения, фазы и частоты генератора производить его синхронизацию с сетью энергосистемы, используя трансформатор напряжения. Мощность, развиваемая ветроколесом в течение этого времени, должна быть достаточной для того, чтобы компенсировать потери мощности в генераторе на трение и сопротивление воздуха и потери в системе передачи вращающего момента.
Рис. 13. Изменение погрешности частоты вращения ветроколеса бп (а) и угла установки лопастей φ (б) при постоянной скорости ветра (в начальный момент времени ветроколесо неподвижно).
Подключение ВЭУ к сети осуществляется следующим образом. Когда частота вращения ветроколеса приближается к синхронной, доведение ее до синхронной частоты будет осуществлено путем Регулирования угла ср. На рис. 53 показаны требуемое изменение во времени угла φ и соответствующий этому изменению подход частоты вращения ветроколеса к положению механической стабильности в условиях стационарной скорости ветра. Требования по синхронизации включают согласование фазы и амплитуды напряжения и достижение постоянной частоты вращения генератора: 1800 об/мин (частота 60 Гц).
Как только требования по синхронизации будут выполнены, система управления сразу же подаст команду на включение главного сетевого выключателя и, таким образом, осуществится подключение ВЭУ к сети. Затем угол φ будет изменен от 2 до — 0,5 (на радиусе 3/4 R), при этом электрическая мощность, измеряемая с помощью трансформаторов тока и напряжения, будет равна приблизительно 5 кВт.
После подключения ветроустановки к электрической сети управление вращающим моментом при переходных процессах, являющихся следствием порывов ветра, будет осуществляться путем увеличения напряженности магнитного поля генератора при увеличении вращающего момента, который измеряется датчиком, расположенным на входном валу генератора. Система управления будет осуществлять регулирование поля генератора и, следовательно, его противодействующего момента по схеме с обратной связью для поддержания устойчивости системы.
Выход ВЭУ на установленную мощность приразных скоростях; ветра происходит при φ = —0,5°. При скоростях ветра, больших, чем минимальная рабочая скорость, и меньших или равных расчетной скорости, регулирование развиваемого момента осуществляется исключительно изменением напряженности магнитного поля генератора как реакций на изменение вращающего момента, определяемого датчиком момента на валу генератора. Следовательно, при скоростях ветра, меньших, чем расчетная скорость, система управления не будет выдавать команды на изменение угла установки лопастей с целью стабилизации мощности. Управление в указанном режиме основывается на информации о вращающем моменте вместо информации о скорости ветра.
При изменениях направления ветра на угол до 15°, происходящих при скоростях ветра, меньших, чем расчетная скорость, автоматическая ориентация оси ветроколеса не будет произведена, если изменения в направлении ветра не сохраняются дольше 6 мин. Если изменение направления ветра происходит более чем на ±15°, то ось ветроколеса с помощью механизма привода системы ориентации будет поворачиваться в горизонтальной плоскости в сторону изменения направления ветра. Устройство, соединяющее головку и башню, расположено на выходном валу понижающего редуктора привода механизма ориентации. Значение вращающего момента должно быть предварительно задано и регулироваться в процессе переориентации.
Для того чтобы управлять ветроустановкой при порывах ветра, используются системы изменения угла установки лопастей и магнитного поля генератора, которые будут работать по данным о значении момента, измеряемого на входном валу генератора. Система управления будет подавать команды одновременно на системы изменения угла φ и напряженности магнитного поля генератора или на одну из этих систем в зависимости от скорости ветра при порыве и ее производной, т. е. от ускорения воздушного потока.
Работа ВЭУ с установленной мощностью происходит при скоростях ветра, равных или больших расчетной скорости. При этом система управления на основе данных о сигналах от трансформаторов тока и напряжения, подключенных на выходе синхронного генератора, будет постоянно поддерживать установленную мощность. Как только мощность превысит установленную, система управления получит сигнал о повышенном значении тока и подаст команду на увеличение угла φ для того, чтобы поддержать условия выдачи в энергосистему установленной мощности. Если развиваемая мощность уменьшится, система управления ВЭУ будет автоматически вновь изменять угол φ до —0,5° и благодаря этому увеличивать выходную мощность. При скоростях ветра в диапазоне между расчетной и максимальной рабочей всегда будет существовать такой угол φ, при котором на выходе получается установленная мощность.
Управление при порывах ветра будет осуществляться на рассматриваемом режиме работы по данным об изменениях измеряемого вращающего момента путем соответствующих изменений либо напряженности магнитного поля генератора, либо угла установки лопастей.
Отключение ветрогенератора при высоких скоростях ветра. Для ветрогенераторов мощностью 500 и 1500 кВт максимальные рабочие скорости ветра были выбраны равными соответственно 17,9 и 22,3 м/с. Энергия, которая может быть получена в случае работы ветроустановок при скоростях ветра, больших, чем указанные, составляет на соответствующих этим установкам участках лишь небольшую часть общей выработки энергии.
Когда измеряемая скорость ветра превышает максимальную рабочую скорость ветра дольше 6 мин, система управления будет увеличивать угол ср, для того чтобы довести значение выходного тока генератора до 25 % его номинального значения приблизительно за 10 с. Когда это значение тока будет достигнуто, разомкнётся сетевой выключатель и угол ср увеличится, для того чтобы не допустить чрезмерного повышения частоты вращения ветроколеса. В течение всего времени, пока скорость ветра превосходит максимальную рабочую скорость, частота вращения ветроколеса будет поддерживаться несколько ниже ее синхронного значения.
Отключение ВЭУ при малых скоростях ветра происходит потому, что, когда скорость ветра становится ниже минимальной рабочей скорости, генератор переходит на работу в двигательном режиме, так как ветродвигатель не может развивать мощность, достаточную для того, чтобы компенсировать электрические и механические потери. Двигательный режим генератора будет фиксироваться с помощью трансформаторов тока и напряжения, и через 6 мин после его возникновения система управления подаст команду сетевому выключателю на размыкание, в результате чего произойдет отключение ВЭУ от сети. Система управления установит лопасти на угол 2°, чтобы начать повторный процесс синхронизации. Однако если в течение 6 мин скорость ветра вновь не повысится до минимальной рабочей скорости, лопасти будут установлены на угол 90°, или в полное флюгерное положение, соответствующее минимальному лобовому давлению (сопротивлению), при этом частота вращения ветроколеса будет медленно уменьшаться. Главный тормоз (расположенный на валу редуктора с большим числом оборотов) будет работать в циклическом режиме таким образом, чтобы остановить ветроколесо при расположении лопастей в горизонтальной плоскости.
Аварийный останов ВЭУ может потребоваться при различных обстоятельствах, поэтому ВЭУ спроектированы так, чтобы обеспечить его настолько быстро, насколько это возможно. Когда будет установлено, что требуется аварийный останов ВЭУ, включится главный тормоз, лопасти будут переведены в полное флюгерное положение и разомкнут сетевой выключатель.
