Содержание к диссертации
Введение
1 Исследование систем электроснабжения технологических процессов выращивания рыбы 13
1.1 Технологические особенности товарного рыбоводства в РФ 13
1.2 Электрооборудование технологического процесса выращивания рыбы в замкнутых системах водоснабжения 22
1.3 Обзор систем автономного электроснабжения рыбоводческих хозяйств 33
1.3.1 Системы автономного электроснабжения потребителей малой мощности 33
1.3.2 Системы стабилизации выходных параметров автономных систем электроснабжения, использующих энергию ветра 44
Выводы к первой главе 55
2 Обоснование параметров и режимов работы автономной системы электроснабжения с высокоскоростным регулятором стабилизации оборотов генератора 57
2.1 Методика определения параметров элементов системы автономного электроснабжения на основе ветроэнергетической установки 58
2.2 Структурная схема системы автономного электроснабжения на основе ветроэнергетической установки для рыбоводческого хозяйства 74
2.2.1 Методика выбора маховика для высокоскоростного регулятора стабилизации оборотов асинхронного генератора ветроэнергетической установки 79
2.2.2 Методика выбора параметров высокоскоростного регулятора стабилизации оборотов генератора системы автономного электроснабжения 88
2.3 Математическая модель работы системы автономного электроснабжения 93
Выводы ко второй главе 109
3 Программа и методика проведения экспериментальных исследований автономной системы электроснабжения на основе ветроэнергетической установки 112
3.1 Алгоритм экспериментальных исследований 112
3.2 Программа проведения эксперимента 113
3.3 Методика проведения экспериментальных исследований 118
3.3.1 Принципиальная схема экспериментальной установки 118
3.3.2 Электрические схемы управления электромагнитной муфтой и устройства отбора мощности 121
3.4 Методика проведения экспериментальных исследований 126
4 Экспериментальные исследования 128
4.1 Исследование работы системы автономного электроснабжения при провалах ветровой нагрузки 130
4.2 Исследование работы системы автономного электроснабжения при избытке ветровой нагрузки 138
Выводы к четвертой главе 140
5 Экономическое обоснование применения системы автономного электроснабжения на основе ветроэнергетической установки для потребителей рыбоводческого хозяйства 142
Выводы к пятой главе 148
Заключение 149
Список литературы 153
Приложение 179
- Электрооборудование технологического процесса выращивания рыбы в замкнутых системах водоснабжения
- Методика определения параметров элементов системы автономного электроснабжения на основе ветроэнергетической установки
- Математическая модель работы системы автономного электроснабжения
- Исследование работы системы автономного электроснабжения при провалах ветровой нагрузки
Введение к работе
Актуальность темы исследования. В соответствии с
представленной Министерством сельского хозяйства РФ
концепцией о развитии рыбоводства на период до 2020 года, следует интенсивно внедрять в рыбоводческие хозяйства установки замкнутого водоснабжения, характеризующиеся довольно высоким потреблением электрической энергии. Как правило, хозяйства, в которых они применяются для выращивания гидробионтов, удалены от централизованного электроснабжения.
В настоящее время наблюдается интенсивный рост и развитие
рыбоводческих хозяйств, их электрооснащенности, степени
автоматизации и компьютеризации, увеличение потребления
электроэнергии для технологического процесса выращивания
рыбы. Наибольшую степень автоматизации технологического
процесса получили системы установок замкнутого водоснабжения,
позволяющие увеличить интенсивность роста гидробионтов,
сопровождающиеся минимальной выработкой отходов
производства, повышением качества конечного продукта,
эффективности использования водных ресурсов.
Удаление рыбоводческих хозяйств с установками замкнутого
водоснабжения от линий электропередачи делает автономное
электроснабжение потребителей единственно приемлемым
вариантом. Использование альтернативных источников энергии для
автономного электроснабжения потребителей, удаленных от сетей
централизованного электроснабжения является наиболее
перспективным и экономически целесообразным вариантом.
Степень разработанности. Значимый вклад в развитие
ветроэнергетики, в усовершенствование ветроэнергетических
систем автономного электроснабжения внесли такие ученые, как
Р.А. Амерханов, Л.А. Саплин, С.М. Воронин, Г.В. Никитенко, Н.И.
Богатырев, О.В. Григораш, Е.М. Фатеев, И.Я. Шефтер, Е.В.
Коноплев и другие. Вопросами использования асинхронных генераторов с короткозамкнутым ротором в составе автономных систем электроснабжения занимались Н.Д. Торопцев, И.А. Будзко, В.Н. Ванурин, Г.В. Никитенко и другие.
Автономное электроснабжение сельскохозяйственных
потребителей, удаленных от электрических сетей, является весьма
актуальной задачей. Для ее решения возможно использование
энергии ветра, как наиболее распространенного и дешевого
источника энергии, но имеющего импульсный характер, в связи с
чем необходимо осуществлять стабилизацию выходных параметров
генератора автономной системы электроснабжения, на настоящий
момент задача стабилизации выходных параметров
ветроэнергетических установок остается открытой.
Цель исследования: обоснование ветроэнергетической
системы автономного электроснабжения с высокоскоростным регулятором стабилизации оборотов асинхронного генератора для рыбоводческих хозяйств с установками замкнутого водоснабжения.
Задачи исследования:
-
Разработать методику обоснования параметров системы автономного электроснабжения, заключающуюся в определении диаметра, высоты установки ветроколеса, мощности генератора, емкости аккумуляторных батарей в зависимости от суточных графиков ветровой нагрузки и потребления электроэнергии.
-
Обосновать структурную схему автономной ветроэнергетической системы электроснабжения рыбоводческого хозяйства с установками замкнутого водоснабжения с учетом характеристик ветроэнергетического потенциала потребителей электрической энергии.
-
Разработать методику обоснования характеристик высокоскоростного регулятора стабилизации оборотов асинхронного генератора, включающую определение мощности генератора, массы маховика, мощности двигателя постоянного тока и номинального момента электромагнитной муфты в зависимости от мощности потребителей электрической энергии.
-
Построить математическую модель, связывающую напряжение на фазах асинхронного генератора автономной системы электроснабжения с параметрами работы высокоскоростного регулятора оборотов асинхронного генератора в зависимости от скорости ветра и мощности нагрузки.
-
Получить графические зависимости напряжения на фазах асинхронного генератора в функции коэффициента сцепления электромагнитной муфты скольжения при провалах ветровой нагрузки и тока (мощности) аккумулирующей нагрузки элементов автоматического регулирования высокоскоростного регулятора стабилизации оборотов асинхронного генератора при избытке ветровой нагрузки.
-
Определить графики обеспечения энергией потребителей за счет работы высокоскоростного регулятора стабилизации оборотов асинхронного генератора при провалах ветровой нагрузки.
-
Оценить экономическую эффективность использования системы автономного электроснабжения для рыбоводческих хозяйств с установками замкнутого водоснабжения.
Объект исследования: устройство стабилизации выходных параметров асинхронного генератора с короткозамкнутым ротором в виде высокоскоростного регулятора оборотов генератора, состоящего из электромагнитной муфты скольжения, маховика, двигателя постоянного тока и элементов автоматического регулирования.
Предмет исследования: функциональные зависимости
параметров системы «ветродвигатель – асинхронный генератор – электромагнитная муфта скольжения – маховик – двигатель постоянного тока – элементы автоматического регулирования» от энергетических характеристик ветра и мощности потребителей электроэнергии.
Научная гипотеза: требуемые параметры напряжения и мощности системы автономного электроснабжения на основе асинхронного генератора могут быть обеспечены за счет стабилизации оборотов ротора генератора при изменяющейся ветровой нагрузке и мощности потребителей.
Рабочая гипотеза: стабилизация угловой скорости
асинхронного генератора ветроэнергетической установки при
изменении ветровой нагрузки может быть обеспечена
высокоскоростным регулятором стабилизации оборотов
асинхронного генератора, состоящим из электромагнитной муфты,
маховика, двигателя постоянного тока, элементов автоматического регулирования.
Научную новизну работы составляют:
– методика обоснования параметров системы автономного электроснабжения: диаметра ветродвигателя, высоты установки ветродвигателя, мощности генератора, емкости аккумулирующей системы в зависимости от суточных графиков ветровой нагрузки и потребления электроэнергии;
– система автономного электроснабжения на основе
ветроэнергетической установки с высокоскоростным регулятором
стабилизации оборотов асинхронного генератора для
рыбоводческих хозяйств с установками замкнутого водоснабжения;
– методика обоснования параметров высокоскоростного
регулятора стабилизации оборотов генератора: мощности
генератора, массы маховика, мощности двигателя постоянного
тока, номинального момента электромагнитной муфты в
зависимости от мощности нагрузки;
– математическая модель, связывающая напряжение на фазах асинхронного генератора с короткозамкнутым ротором в функции тока электромагнитной муфты, оборотов маховика, тока якоря машины постоянного тока, скорости ветра, мощности потребителей и аккумулирующей нагрузки;
– графики напряжения на фазах асинхронного генератора в
функции коэффициента сцепления электромагнитной муфты
скольжения при провалах ветровой нагрузки и тока
аккумулирующей нагрузки при избытке ветровой нагрузки;
– графические зависимости обеспечения энергией
потребителей за счет работы высокоскоростного регулятора стабилизации оборотов асинхронного генератора при провалах ветровой нагрузки.
Теоретическую и практическую значимость представляют:
– методика обоснования параметров элементов системы
автономного электроснабжения и параметров элементов
высокоскоростного регулятора стабилизации оборотов
асинхронного генератора в зависимости от энергетических
характеристик ветровой нагрузки и нагрузки потребителей электрической энергии;
– программа для ЭВМ по определению параметров элементов системы автономного электроснабжения;
– номограмма определения параметров элементов
высокоскоростного регулятора стабилизации оборотов
асинхронного генератора;
– структурная схема системы автономного электроснабжения,
использующей энергию ветра и бензогенератора, включающей в
себя высокоскоростной регулятор стабилизации оборотов
асинхронного генератора;
– высокоскоростной регулятор стабилизации оборотов
асинхронного генератора, состоящий из электромагнитной муфты,
маховика, двигателя постоянного тока и элементов
автоматического регулирования;
– математическая модель системы автономного
электроснабжения, связывающая режимы работы и параметры
высокоскоростного регулятора стабилизации оборотов
асинхронного генератора в зависимости от ветровой нагрузки и нагрузки потребителей электрической энергии.
Методология и методы исследований базировались на
аналитических и экспериментальных методах, аппарате
имитационного, математического и компьютерного моделирования, теории электропривода, автоматизированного электропривода, математической статистики, теории ветродвигателей.
На защиту выносятся следующие основные положения:
– Методика обоснования параметров элементов системы автономного электроснабжения, заключающаяся в определении диаметра ветродвигателя, высоты установки ветродвигателя, мощности генератора, емкости аккумуляторных батарей в зависимости от суточных графиков ветровой нагрузки и потребления электроэнергии.
– Структурная схема системы автономного электроснабжения на основе ветроэнергетической установки с высокоскоростным регулятором стабилизации оборотов асинхронного генератора.
– Методика обоснования параметров высокоскоростного регулятора стабилизации оборотов асинхронного генератора, включающая определение мощности генератора, массы маховика, мощности двигателя постоянного тока, номинального момента электромагнитной муфты в зависимости от мощности нагрузки.
– Математическая модель и полученные на ее основе
зависимости напряжения на фазах асинхронного генератора с
короткозамкнутым ротором от коэффициента сцепления
электромагнитной муфты, оборотов маховика, тока якоря машины постоянного тока, скорости ветра, тока нагрузки и тока (мощности) аккумулирующей нагрузки.
Реализация результатов исследования. Изготовленный
экспериментальный образец системы автономного
электроснабжения используется в учебном процессе по дисциплине
«Электропривод» в ФГБОУ ВО Ставропольском ГАУ, на кафедре
применения электроэнергии в сельском хозяйстве, имеется акт
внедрения конструкторской документации в К(Ф)Х «Полянский
А.В.», с. Новомихайловское Красногвардейского района
Ставропольского края, ООО «Аэростарт», г. Ставрополь.
Степень достоверности и апробация результатов.
Основные результаты работы представлены на международных научно-практических конференциях ФГБОУ ВО Ставропольского ГАУ в 2014 – 2017 гг., (г. Ставрополь), научно-практической конференции ФГБОУ ВО Саратовского ГАУ 2015, 2018 г.г. (г. Саратов), опубликованы в периодических изданиях в 2014 – 2018 гг., (г.г. Москва, Ставрополь), на 9–й Международной выставке «РосБиоТех – 2017» (г. Москва), разработка «Ветроэнергетическая установка автономного электроснабжения» награждена дипломом и золотой медалью, получена грамота за лучший доклад на конференции в 2016 г.
Публикации. Опубликовано 14 научных статей, 7 из которых в журналах, рекомендованных ВАК РФ, получен 1 патент на изобретение и 1 патент на полезную модель. Общий объем публикаций составляет 5,32 п.л., в том числе автора 2,77 п.л.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав основной части, общих выводов,
списка литературы из 238 наименований и приложения. Диссертация содержит 178 страниц основного текста, 68 рисунков, 15 таблиц и приложение на 10 страницах.
Электрооборудование технологического процесса выращивания рыбы в замкнутых системах водоснабжения
В системах замкнутого водоснабжения (рисунок 1.4), применяемых в рыбоводстве, для создания оптимальных условий используются различные технологические процессы и оборудование. Основная задача всей системы заключается в оборотном использовании одной и той же воды. Вода в УЗВ должна расходоваться только на слив отходов и испарение (до 3 % от всего объема). Но на практике при таких условиях водооборота остро стоят вопросы денитрификации, поэтому объемы подпитки свежей водой увеличиваются до 10 % и более [217].
Технология восстановления воды заключается в удалении взвешенных частиц и растворенных продуктов жизнедеятельности рыб, созданий оптимальных условий, таких как температура, насыщение воды кислородом, рН и др. [184, 185, 186, 187].
Очистка воды, как одно из главных условий регенерации, начинается с узла механической очистки. Механические фильтры должны задерживать рыбоводный осадок, который содержит в себе чешую, остатки корма, твердые продукты жизнедеятельности, активный ил и др. Задерживаемый осадок необходимо удалять из системы, так как сложные биохимические процессы, протекающие в нём, способствуют потреблению кислорода и изменяют рН воды.
Для отделения рыбоводного осадка не все виды фильтров используются. Основными показателями для оценки фильтров являются:
1) отношение объема фильтра к номинальной проточности;
2) потери напора в фильтре;
3) сложность обслуживания;
4) эффект очистки, в %,
5) затраты воды на обслуживание фильтра и др. [186, 187].
Фильтры, применяемые в УЗВ (рисунок 1.5) условно делятся на 4 группы. Каждая группа разбивается на подгруппы [186, 187].
На выпусках из бассейнов устанавливаются сетчатые фильтры, которые не позволяют крупному мусору, рыбе и другим предметам попадать в систему. Такие сетчатые фильтры нужно очищать [186, 187].
Радиальные сетчатые фильтры – барабанные фильтры. Внешний вид барабанного сетчатого фильтра представлен на рисунке 1.6. Они широко используются как для очистки природной воды перед подачей ее в УЗВ, так и для работы в составе установок замкнутого водоснабжения.
На практике в небольших установках применение нашли барабанные фильтры, которые имеют минимальные габариты, малые потери напора, просты в изготовлении и требуют минимального обслуживания. Эффективность очистки сетчатых барабанных фильтров составляет 30 %. К недостаткам можно отнести наличие электромеханического привода, насоса очистки и потери воды при промывке.
Электрооборудование барабанных сетчатых фильтров (рисунок 1.6) состоит из мотор-редуктора, вращающего сам барабан, и насоса высокого давления, подающего воду в промывочные форсунки. Для УЗВ «Осётр 400», производства компании «ЕйскПолимер», электропотребление мотор-редуктора – 0,09 кВт, а насоса промывочных форсунок – 0,75 кВт. Режим работы фильтра не постоянен и зависит от загрязненности воды. Суточное потребление (среднее) электроэнергии составляет 3,36 кВтч [217].
Главным элементом биофильтра является его загрузка. Бактерии, которые живут в загрузке биофильтра производят биологическую очистку воды.
Электрооборудование в биологических фильтрах небольших УЗВ обычно не используют, все процессы очистки обеспечивает существующий напор воды [25, 185, 186].
Накопительная емкость в составе УЗВ выполняет функцию смешивания воды из системы со свежей подпиточной водой. Так как объемы свежей воды, необходимой для подпитки системы, достигают 10 %, то при объеме воды в системе 13,5 м3 в сутки необходимо добавлять 1,5 м3. Для этих целей может использоваться как проточная, так и грунтовая или артезианская вода. Если проточную воду можно направить в систему с помощью гидросооружений, то грунтовую или артезианскую необходимо поднимать с помощью насосов. Для грунтовых вод возможно применение дренажного электронасоса Makita PF0300, мощность которого 0,3 кВт, пропускная способность 8,4 м3/ч.
Для необходимого объема свежей воды время работы дренажного электронасоса составляет 10–15 минут, а суточное потребление электроэнергии – 0,05 кВтч [217].
У установок «Осётр 400» использование накопительной емкости не предусмотрено конструкцией, но возможность применения как дополнительного оборудования имеется [217].
Одним из главных элементов установок замкнутого водоснабжения является водяной насос или группа водяных насосов. Так как перерывы в водоснабжении из-за внештатных ситуаций, таких как выход из строя основного водяного насоса, протечки и др., может привести к падежу рыбы и как следствие к экономическому ущербу, то для минимизации рисков применяют дублирующие водяные насосы [217].
В УЗВ применение нашли центробежные электронасосы (рисунок 1.7), в которых движение жидкости и необходимый напор создаются за счет центробежной силы, возникающей при воздействии лопастей рабочего колеса с помощью электромотора на жидкость. Данный вид насосов характеризуется конструктивной надежностью, бесшумной работой, а также отличается высокой производительностью и устойчивостью к длительным нагрузкам [217].
Электронасос Pedrollo CP имеет производительность 16 м3/ч, при напоре в 5 м, мощность 0,37 кВт, время работы 24 ч, суточное потребление электроэнергии составляет 8,88 кВтч [217].
Повышение производительности при выращивании рыбы возможно только при соответствующей коррекции температуры воды. [186].
Для рыбоводных установок могут быть использованы проточные водоподогреватели, электродные серии КЭВ, имеющие ряд мощностей. Питание осуществляется от трехфазной сети с глухо-заземленной нейтралью, напряжением 380/220 В, частотой 50 Гц.
Еще один способ температурной коррекции – нагрев теплоносителем. В данном случае необходимо использовать водо-водяные теплообменники [186].
Использование тепловых насосов для температурной коррекции эффективно (при потреблении 1 кВтч электроэнергии переносится 3–4 кВтч тепловой энергии), но применение в рыбоводстве ограниченно, так как оседание в теплообменнике ила и обрастание его внутренних поверхностей биопленкой снижает производительность и требует постоянной очистки.
На предприятиях небольшой мощности используются водогрейные котлы, рассчитанные на давление до 2 кг/см2 и температуру до 90С. Водогрейные котлы используют традиционные энергоносители на базе мазута, дров и других источников энергии.
Подогрев подпиточной воды обеспечивают нагреватели марок ВПГ-18 и ВПГ-20 [186, 187].
Воду можно нагреть нагревательными элементами которые потребляют электроэнергию. Электроподогрев требует больших электрических мощностей, что для некоторых хозяйств не представляется возможным, поэтому наиболее приемлемым вариантом является использование твердотопливного котла. В установке «Осётр 400» теплообменник не предусмотрен, но при необходимости температурной коррекции использование твердотопливного котла наиболее оправданно.
В установках замкнутого цикла для бактерицидной обработки применяются ультрафиолетовые (УФ) стерилизаторы. УФ-дезинфекция основана на применении света с длиной волны 254 нм, которая губительно действует на ДНК биологических организмов. В рыбоводстве бактерицидная обработка направлена против бактерий и одноклеточных организмов [25].
Преимуществом УФ-излучения являются отсутствие токсичных остатков и продуктов реакции, низкая себестоимость при обеззараживании, простота в эксплуатации и технического обслуживания.
Для максимальной эффективности УФ-освещение, используемое в рыбоводстве, должно работать под водой. На рисунке 1.8 показаны промышленные УФ-стерилизаторы для рыбоводных установок замкнутого цикла водоснабжения.
Методика определения параметров элементов системы автономного электроснабжения на основе ветроэнергетической установки
Автономное электроснабжение сельскохозяйственных потребителей, удаленных от электрических сетей, является одной из важнейших задач развития агропромышленного комплекса. Наиболее перспективным выглядит использование автономных источников энергии на основе ветра, как наиболее дешевого и распространенного источника энергии.
Правильный подбор и расчет параметров элементов ветроэнергетической установки является залогом надежного и бесперебойного электроснабжения потребителей.
Параметры элементов системы автономного электроснабжения (ветроколеса, генератора, емкости аккумуляторной батареи) на основе ветроэнергетической установки зависят от графика ветровой нагрузки, графика потребления электрической энергии и мощности потребителей. В случае автономного питания потребителей надежность электроснабжения должна быть не ниже, чем у традиционных систем электроснабжения, и обеспечивать бесперебойное электроснабжение потребителей в течение определенного времени [137, 138].
В схемах с использованием буферных аккумуляторных батарей энергия с ветродвигателя поступает на электрический генератор, с которого производится заряд аккумуляторных батарей. Накопленная энергия в дальнейшем используется для электроснабжения потребителей, из чего можно сделать предположение, что энергия ветродвигателя с учетом КПД и cos(cp) генератора должна быть больше или равна потребляемой энергии потребителей, а емкость аккумуляторных батарей должна обеспечивать бесперебойную работу системы автономного электроснабжения, т.е. , (2.1) где - энергия, вырабатываемая генератором, кВтч; – энергия, необходимая для электроснабжения потребителей, кВтч.
В последнее время наиболее распространенной является схема электроснабжения объектов с накопительной аккумулирующей системой.
В данном варианте электроснабжение потребителей энергии осуществляется напрямую от генератора ветроэнергетической установки, а излишки энергии накапливаются в аккумулирующей энергосистеме и могут быть использованы в случае отсутствия ветра [137, 138].
С учетом того, что энергию можно накапливать в аккумуляторной батарее и в дальнейшем использовать ее для автономного электроснабжения потребителей в единицу времени, выражение примет следующий вид: (2.2) где – энергия, накапливаемая в аккумулирующей системе (аккумуляторных батареях), кВтч.
Работа системы автономного электроснабжения должна обеспечивать энергией потребителей с определенной надежностью, вследствие чего с учетом графика нагрузки потребителей, представленного в первой главе, параметры ветродвигателя должны быть выбраны таким образом, чтобы обеспечить энергией потребителей за счет накопления излишков энергии в аккумуляторной батарее [145].
Энергия, передающаяся с ветроколеса, является случайной величиной и может быть определена с учетом закона распределения ветровой энергии. Произведем анализ наиболее подходящего распределения скорости ветрового потока на основе эмпирических данных.
Расчет ветровой нагрузки, как правило, ведется по среднему значению скорости ветра или нормальному закону распределения ветрового потока, однако распределение скорости ветра в пригодных для его использования районах России наиболее часто подчинено распределению Релея, поэтому необходимо произвести анализ точности вычисления ветровой нагрузки, используя эмпирические данные, распределение Релея, среднее значение скорости ветра и нормальное распределение [145].
На рисунке 2.2 показаны законы распределения скорости ветра, такие как, распределение Релея, нормальное распределение, среднее значение скорости ветра и эмпирические данные (данные Гидрометцентра Ставропольского края).
Ставрополя по нормальному закону (3), распределению Релея (2), эмпирические данные (1), средняя скорость ветра (4) Расчет произведем на примере получения энергии от ветроэнергетической установки.
Энергия, получаемая с ветродвигателя, прямо пропорциональна кубу скорости ветра, исходя их этого, приняв за 100 % энергию, получаемую при расчете по эмпирическим данным, при расчете по среднему значению скорости ветра получаем 60 % от расчета по эмпирическим данным, нормальному закону распределения ветрового потока – 77,2 %, по Релею – 96 %. Использование распределение Релея позволяет повысить точность вычисления на 18,8 % и 36 % по сравнению с нормальным распределением и расчетом по среднему значению скорости ветра соответственно [145].
Так как суточное потребление энергии сельскохозяйственными потребителями является неравномерным, то для определения параметров элементов ветроэнергетической установки целесообразно использование компьютерного моделирования.
За расчетный период моделируется ветровая нагрузка по закону распределения Релея, задаются параметры ветродвигателя, параметры генератора и аккумулирующей энергию системы. С учетом заданных параметров определяется время и количество электроэнергии, полученной и недополученной от ветроэнергетической установки, определяются параметры надежности электроснабжения. Изменяя параметры ветродвигателя, генератора и аккумулирующей системы, добиваемся необходимой надежности и бесперебойности электроснабжения сельскохозяйственных потребителей. Подбор параметров элементов ветроэнергетической установки производится при помощи компьютерной программы, целевой функцией является минимизация этих параметров при стремящемся уровне вырабатываемой энергии к потребляемой, то есть
При электроснабжении автономных потребителей энергии должен соблюдаться баланс поступления и потребления энергии, однако ветер является непостоянной величиной, вследствие чего будут возникать перерывы в электроснабжении объектов.
С учетом допустимого времени в перерывах электроснабжения, готовности и надежности системы, суммарного годового простоя и так далее разработана методика для определения параметров элементов ветроэнергетической установки.
Применяем распределение Релея, наилучшим образом подходящее для описания распределения скорости ветра в районах Ставропольского края [50, 145].
Математическая модель работы системы автономного электроснабжения
Для обоснования параметров и режимов работы системы автономного электроснабжения на рисунке 2.17 представлена электромеханическая схема ветроэнергетической установки.
При работе асинхронного генератора с короткозамкнутым ротором от ветроколеса и высокоскоростного регулятора стабилизации оборотов асинхронного генератора согласно предложенной на рисунке 2.17 схеме, приращение механического момента определяется из математического выражения электромагнитного момента асинхронного генератора и двигателя постоянного тока, а также формул моментов ветродвигателя и маховика в единицу времени.
Их алгебраическая сумма в единицу времени должна быть равна нулю (2.26) где - изменение момента электромеханической системы, Нм; - момент ветродвигателя, Нм;
- момент асинхронного генератора с короткозамкнутым ротором, Нм;
-передаточный коэффициент электромагнитной муфты;
- момент маховика, Нм;
- момент двигателя постоянного тока, Нм.
Момент на валу ветродвигателя определяется по формуле где R - радиус ветроколеса, м; V - скорость ветра, м/с; р - плотность воздуха, кг/м3;
- коэффициент использования ветрового потока ветродвигателем; Z - быстроходность ветроколеса.
Момент электродвигателя (двигателя постоянного тока) при реостатном пуске определяется по формуле где См - коэффициент момента машины постоянного тока, зависящий от конструктивных особенностей; Ф - магнитный поток; 1я - ток якоря машины постоянного тока, А.
В качестве генератора используется асинхронная машина с короткозамкнутым ротором, момент которой определяется как
(2.29) где L/ф - напряжение на статорных обмотках АГ, В; 1Н - ток нагрузки асинхронного генератора, А; - коэффициент мощности АГ; - КПД АГ;
со0 - частота идеального холостого хода, рад/с;
S - скольжение (для работы в генераторном режиме S 0).
Так как ток зарядки аккумуляторных батарей и ток нагрузки обеспечиваются за счет асинхронного генератора, то
Обозначив = и перейдя от угловой скорости маховика к оборотам, получим выражение для определения напряжения на фазах асинхронного генератора: (2.38)
В случае отсутствия ветра или при средней скорости ветра меньше рабочей электроснабжение потребителей осуществляется за счет энергии, вырабатываемой бензогенератором.
На рисунке 2.18 представлен график изменения напряжения на фазах асинхронного генератора от коэффициента сцепления электромагнитной муфты и тока заряда аккумуляторной батареи (балластной нагрузки) при средней мощности нагрузки 1200 Вт. коэффициента сцепления электромагнитной муфты и тока заряда аккумуляторной батареи (ток аккумулирующей нагрузки, балластной нагрузки 1 – 3 А; 2 – 6 А; 3 – 9 А; 4 – 12 А; 5 – 15 А)
Как видно из рисунка 2.18, увеличение коэффициента сцепления электромагнитной муфты ведет к увеличению напряжения на фазах асинхронного генератора, при увеличении тока аккумулирующей нагрузки (балластной нагрузки) напряжение на фазах асинхронного генератора уменьшается.
На рисунке 2.19 представлено напряжение на фазах асинхронного генератора в зависимости от коэффициента сцепления электромагнитной муфты и скорости ветра для ветродвигателя с аэродинамическим профилем от ветроустановки WE-3000. а б
На рисунке 2.19 видно, что напряжение на фазах асинхронного генератора в зависимости от коэффициента сцепления электромагнитной муфты и скорости ветра нелинейно и связано с нелинейностью коэффициента использования ветрового потока выбранного ветродвигателя.
На рисунке 2.20 представлена зависимость напряжения на фазах асинхронного генератора в зависимости от коэффициента сцепления электромагнитной муфты и массы маховика.
На рисунке 2.20 видно, что при увеличении массы маховика регулировочный диапазон увеличивается, что связано с количеством энергии, которую можно накопить на нем.
На рисунке 2.21 представлена зависимость напряжения на фазах асинхронного генератора от коэффициента сцепления электромагнитной муфты и оборотов маховика при массе 50 кг.
Исследование работы системы автономного электроснабжения при провалах ветровой нагрузки
В соответствии с алгоритмом работы системы автономного электроснабжения представлена осциллограмма для случая, когда скорость ветра меньше рабочей (рисунок 4.2).
На рисунке 4.2 показано напряжение на фазах асинхронного генератора при провале ветровой нагрузки. В первый промежуток времени происходит уменьшение оборотов ротора генератора, что приводит к уменьшению напряжения на его фазах до нижнего допустимого уровня, в этот момент на обмотку электромагнитной муфты подается напряжение и через муфту с маховика крутящий момент передается ротору генератора, в результате происходит увеличение напряжения до номинального значения, второй временной интервал. Энергия с маховика передается на ротор асинхронного генератора до тех пор, пока обороты ротора не сравняются с оборотами маховика, третий временной интервал. После передачи энергии с маховика происходит уменьшение напряжения до уровня, который обеспечивает крутящий момент с двигателя постоянного тока, четвертый временной интервал. Таким образом, определяется время обеспечения энергией потребителей при провалах ветровой нагрузки электрической энергии в зависимости от мощности потребителей, массы маховика и напряжения, поданного на обмотку электромагнитной муфты.
Напряжение на фазах асинхронного генератора в зависимости от мощности нагрузки и напряжения на обмотке электромагнитной муфты представлено на рисунке 4.3. Масса маховика 50 кг.
Как следует из рисунка 4.3, при падении напряжения на фазах асинхронного генератора меньше номинального значения увеличением подаваемого напряжения на обмотку электромагнитной муфты можно получить необходимое напряжение на фазах асинхронного генератора.
Полученные характеристики можно описать линейными уравнениями, которые представим в таблице 4.1. Проверку воспроизводимости полученных данных осуществляют по критерию Кохрена.
В таблице 4.1 показаны уравнения линейной регрессии, полученные при помощи MS Excel, достоверность аппроксимации и расчетные значения критерия Кохрена. Исходя из полученных результатов опыт можно считать воспроизводимым, а дисперсии однородными.
Адекватность полученных уравнений по критерию Фишера в соответствии с выражениями (4.2)-(4.4) представлена в таблице 4.2.
Исходя из результатов, полученные регрессионные модели по критерию Фишера адекватны.
При увеличении напряжения на обмотке электромагнитной муфты напряжение на фазах асинхронного генератора также увеличивается, что связано с передачей крутящего момента с маховика на ротор генератора. При увеличении мощности нагрузки напряжение на фазах асинхронного генератора уменьшается, так как в соответствии с выражением (2.38), ток нагрузки находится в знаменателе и его увеличение ведет к уменьшению напряжения.
Полученные данные хорошо согласуются с теоретическими предпосылками, представленными на рисунке 2.18. Следует отметить получение несколько меньших значений, так как в процессе теоретического обоснования учитывались не все факторы, влияющие на данный процесс.
В зависимости от массы маховика определим время обеспечения энергией потребителей за счет энергии, накопленной на маховике в зависимости от мощности потребителей, результаты представлены на рисунке 4.4.
Из рисунка 4.4 видно, что при массе маховика 50 кг время электроснабжения потребителей мощностью 1,2 кВт составит 10 с, что хорошо согласуется с теоретически полученными данными, представленными на рисунке 2.15. Экспериментально полученные данные должны быть выше полученных теоретически в связи с тем, что при электроснабжении потребителей использовалась энергия, передаваемая через электромагнитную муфту от маховика и двигателя постоянного тока, однако с учетом сопротивлений и потерь в подшипниках, трения об воздух маховика получены значения, представленные на рисунке 4.4.
На рисунке 4.5 представлены данные времени обеспечения энергией потребителей в зависимости от их мощности и массы маховика при провалах ветровой нагрузки.
Как видно из приведенного рисунка 4.5, с увеличением массы маховика время обеспечения энергией потребителей за счет энергии, накопленной на маховике увеличивается, при увеличении мощности нагрузки время обеспечения энергией потребителей уменьшается.
Определим достоверность полученных экспериментальных данных и выявим регрессионное уравнение для полученных экспериментальных значений с использованием таких факторов, как масса маховика и мощность нагрузки, оказывающих влияние на время обеспечения энергией потребителей, за счет энергии, накопленной на маховике при провале ветровой нагрузки.
Полученные результаты по критерию Кохрена сравниваются с табличными значениями при пяти повторностях. Таким образом, опыты можно считать воспроизводимыми, а оценки дисперсии однородными.
Графики на рисунках 4.4 и 4.5 можно представить в виде плоскости, показанной на рисунке 4.6.
Исходя из характера кривых, представленных на рисунках 4.4 – 4.6, можно сделать вывод, что регрессионное уравнение должно носить степенной характер.
Общий вид уравнения множественной степенной регрессии имеет вид (4.6)
где Y – время электроснабжения потребителей, с;
- коэффициенты степенного уравнения;
Х1 – масса маховика, кг;
Х2 – мощность нагрузки, Вт.
Определим коэффициенты уравнения регрессии встроенными средствами MS Excel. Для этого применим метод наименьших квадратов для нахождения неизвестных коэффициентов.
Преобразовав степенную регрессию к линейному виду путем логарифмирования замены переменных, используя натуральный логарифм, с учетом, что логарифм произведения равен сумме логарифмов, получим (4.7)
Выполнив замену переменных, получим следующее выражение: (4.8)
Коэффициент определяется по следующему выражению (4.9)
Используя метод наименьших квадратов для нахождения неизвестных коэффициентов полеченного линейного уравнения, используя встроенные средства программы MS Excel, получим уравнение степенной регрессии (4.10)
По критерию Фишера определим адекватность полученной модели (4.11)
При уровне значимости =0,05 при f1=2, f2=57 таб 3,15 0,004, следовательно уравнение регрессии адекватно экспериментальным данным.
Полученные экспериментальные данные хорошо согласуются с теоретическими результатами. Время электроснабжения потребителей мощностью 1,2 кВт за счет энергии, накопленной на маховике, составило 10 с, теоретически получено значение 12 с.