Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Особенности электроснабжения сельскохозяйственных потребителей с использованием ВЭУ 8
1.1 Состояние и особенности развития сельской электроэнергетики 8
1.2 Особенности развития ветроэнергетики 13
1.3 Основные технико-экономические показатели ВЭУ
1.3.1 Классификация ВЭУ. Основные технические показатели 21
1.3.2 Основные экономические показатели ВЭУ 27
1.4 Возможности использования ВЭС в Челябинской области 30
Глава 2 Теоретическое исследование показателей ВП 35
2.1 Характеристики ветрового потока в условиях Челябинской области 35
2.2 Исследование основных показателей ВЭУ в зависимости от местных условий 42
2.3 Исследование показателей ВЭС в зависимости от местных условий 53
Выводы 63
Глава 3 Экспериментальное исследование элементов существующих схем ВЭУ и режима поступления ветровой энергии 65
3.1 Экспериментальное исследование выходных характеристик генератора ВЭУ в условиях Южного Урала 66
3.1.1 Задачи экспериментальных исследований 66
3.1.2 Измерительные приборы 71
3.1.3 Результаты экспериментальных исследований BWC
3 3.2 Исследование режимов поступления ветровой энергии и потребления электроэнергии сельскохозяйственными потребителями 77
3.3 Исследование элементов существующих схем ВЭУ на основе эксперимента
3.3.1 Параметры генератора 82
3.3.2 Параметры выпрямителя з
3.3.3 Параметры сглаживающего фильтра 83
3.3.4 Параметры инвертора 84
Выводы 86
Глава 4 Разработка технических решений по эффективному использованию ВЭУ. Имитационное моделирование схемы ВП 88
4.1 Разработка схемы параллельной работы ВЭУ с энергосистемой 88
4.2 Разработка схемы использования ВЭУ в системе автономного электроснабжения 92
4.3 Имитационное моделирование параллельного включения генераторов ВЭУ в составе ВП 96
4.4 Разработка схемы включения ВЭУ в составе ВП. Компоновка схемы электроснабжения потребителей с использованием ВЭУ 102
Выводы 109
Глава 5 Технико-экономическое обоснование параметров ВЭС 111
5.1 Исследование технико-экономических показателей ВП на примере Челябинской области 111
5.2 Исследование стоимости электроэнергии, вырабатываемой ВЭУ 112
5.3 Исследование стоимости передачи электроэнергии, вырабатываемой ВЭУ в составе ВП 118
5.4 Рекомендации по выбору ВЭС иВП 129
Выводы 130
Основные выводы 132
Список литературы
- Основные технико-экономические показатели ВЭУ
- Исследование показателей ВЭС в зависимости от местных условий
- Исследование режимов поступления ветровой энергии и потребления электроэнергии сельскохозяйственными потребителями
- Имитационное моделирование параллельного включения генераторов ВЭУ в составе ВП
Основные технико-экономические показатели ВЭУ
Освоение энергии ветрового потока началось еще в древности. Ветер использовался с помощью двух технических приспособлений: паруса и ветрового колеса. Ветровое колесо было изобретено и применялось уже во II веке до н. э. для размола зерна. Преобразование энергии ветрового потока в механическую энергию мельничного жернова оказалось столь оправданным, что распространилось повсеместно [20].
В Российской империи накануне революции 1917 г. насчитывалось до 200 тыс. мельниц, где перемалывалось 34 млн тонн зерна. Помимо мукомольной промышленности сила ветроколеса использовалась для дробления горной породы, откачки воды [19].
На рубеже XIX-XX вв. изготовление ветродвигателей перешло на научную индустриальную основу. Диаметр ветроколеса достигал 24 м, для усиления конструкции использовались металлические детали. Были разработаны механизмы регулирования скорости вращения колеса и автоматического его направления на ветер [92].
В СССР изучение проблем хозяйственного использования энергии ветрового потока было сосредоточено в Центральном аэрогидродинамическом институте (ЦАГИ), основанном Н. Е. Жуковским. В результате его ученики В. П. Ветчинкин, Г. X. Сабинин, Г. Ф. Проскура создали советскую научную школу ветротехники. Была разработана теория идеального и реального ветрового двигателя, проводились экспериментальные исследования оптимальной формы ветрового колеса, в том числе в аэродинамической трубе [76].
В 1920-1930 гг. выделились два направления развития ветродвигателей: традиционное, связанное с совершенствованием механических приводов, и альтернативное - строительство первых ветроэлектрических агрегатов. Установки обоих направлений роднило преобладание агрегатов малой мощности, быстрый ход ветроколеса, цельнометаллические конструкции [93, 94].
В рассматриваемый период еще отсутствовала единая система электроснабжения народного хозяйства, поэтому мощные ВЭУ могли усиливать надежность электроснабжения отдельных промышленных районов. В 1931 г. была построена крупнейшая в мире Балаклавская ВЭС с диаметром ветроколеса в 30 м для работы параллельно с сетью. Однако количество вырабатываемой энергии не вязалось с масштабами установки. Мощность станции была 100 кВт, а годовая выработка составляла 270 МВт-ч.
В стремлении добиться максимальной эффективности ВЭУ конструкторами Центрального ветроэнергетического института (ЦВЭИ), выделенного из ЦАГИ, разрабатывались установки с ветродвигателем диаметром в 50 метров, совмещенные с тепло- или гидроэлектростанцией с годовой выработкой 2200 МВт-ч. Однако они не были построены.
Большим техническим достижением советской энергетики стало внедрение в массовое производство ВЭУ малой мощности (в основном до 30 кВт). Окончательно обозначилось магистральное направление развития ВЭУ для сельского хозяйства. Научно-техническая мысль концентрировалась в 1940-1960-е гг. вокруг проблем создания ВЭУ с насосами для подъема воды, установками для бурения скважин.
Дешевизна энергоресурсов в СССР и их многообразие позволили использовать ВЭУ лишь там, где источники электроснабжения отсутствовали. В результате наметилось отставание советской ветроэнергетики в получении качественной электроэнергии, а также в строительстве ВЭУ большой мощности.
В мире вплоть до середины 50-х годов, наряду с расширением масштабов производства и применения ветродвигателей небольшой и средней мощности, большое внимание начали уделять созданию и строительству крупных ВЭС. Так, в начале 1941 г. в США была построена станция 1,25 МВт с двухлопастным вет-роколесом. После войны датчане создали три типа ВЭС мощностью 12, 45 и 200 кВт для работы на электрическую сеть. Великобритания построила для испытаний несколько демонстрационных 100-киловаттных ветроэлектростанций, в том числе одну установку принципиально нового типа системы «Андро» с пневматической передачей мощности от ветроколеса генератору, установленному вместе с воздушной турбиной в нижней части машины [48].
Под руководством профессора У. Хюттера в Германии был осуществлен ряд усовершенствований ВЭС. Самая крупная из них имела расчетную мощность 100 кВт. Французские ученые и конструкторы создали несколько ветроэлектрических станций мощностью от 130 до 800 кВт с синхронным и асинхронным генераторами. Они работали на электрические сети совместно с другими, в основном тепловыми электростанциями. В этот же период велись работы в области ветроэнергетики в Швеции, Австралии, Канаде, Нидерландах, Аргентине, Мексике и в ряде других стран [10, 48].
Мировой энергетический кризис в Европе и Америке стимулировал строительство мощных ВЭУ для параллельной работы в сеть. Технические идеи советских исследователей о совмещении ВЭУ с тепловым электрогенератором, о возможностях параллельной работы ВЭУ в сеть были воплощены западными фирмами [119]. На территории Европейского союза и в США сформировалась мощная отрасль, связанная с производством и эксплуатацией ВЭУ, которая опирается на национальные научные школы, скоординированные с компаниями-производителями.
В начале 90-х годов прошлого столетия в России действовали около 2 тыс. ветроагрегатов. Все они были малой мощности. Проекты новых ВЭУ разрабатывались в НПО «Ветроэн».
Лишь в 1990-е годы значительно позже, чем в других странах, в РФ вернулись к вопросу строительства ВЭУ большой мощности. К работам были привлечены МКБ «Радуга» и НПО «Южное», которые организовали производство ВЭУ мощностью 200, 250 и 1000 кВт. Проектные институты приступили к созданию первых крупных системных ветроэлектростанций: Восточно-Крымской, Ленинградской, Калмыцкой, Магаданской и Заполярной (в Воркуте).
В России сложились территориальные центры изучения ветрового потенциала отдельных местностей, апробации различных моделей ВЭУ, поиска способов оптимизации конструкции, наиболее эффективного размещения на местности. При этом важную роль играют конкретные исследования в регионах. В условиях Челябинской области ученые ЧГАА Л. А. Саплин, С. К. Шерьязов, В. Л. Орлов, Р. А. Ахметжанов, А. А. Аверин и другие определили ветроэнергетические ресурсы, условия выбора ВЭУ с учетом сочетания ее с другими видами энергоустановок, разработаны схемные и технические решения электро- и теплоснабжения сельскохозяйственных потребителей на базе ВЭУ [2, 7,102].
В соседних с Челябинской областях со схожим ветровым режимом также ведется обобщение опыта использования ВЭУ [47]. Ведется строительство ВЭУ в казахстанских степях [87], в Сибири [9]. Активная работа по энергосбережению, исследованию возобновляемых источников энергии ведется в Свердловской, Оренбургской и Курганской областях. Ряд исследователей из южных регионов страны продолжают изучение традиционного направления использования ВЭУ для водоснабжения сельскохозяйственных потребителей [6, 38, 40, 120].
Исследование показателей ВЭС в зависимости от местных условий
Ветер характеризуется скоростью и направлением. Важнейшей характеристикой, оценивающей кинетическую энергию ветра, является его скорость. Скорость ветра можно измерить, а ее изменчивость - прогнозировать с вероятностью той или иной степени достоверности [3].
Скорость и направление ветра измеряют на метеорологических станциях, данные публикуются в специальных ежемесячниках. На большинстве метеостанций показания приборов, измеряющих скорость ветра, регистрируют восемь раз в сутки с интервалом в три часа или шесть раз через четыре часа. Эти показания дают возможность получить достаточно полные сведения о средней скорости ветра и его направлении [122]. В Челябинской области замеры проводятся на 14 метеостанциях, охватывающих все четыре ветроэнергетических района [77].
Направление ветрового потока для работы ВЭУ является менее значительной характеристикой. Но при расположении нескольких установок разумно рассмотреть влияние ВЭУ друг на друга с учетом розы ветров. Следовательно, основным статистическим параметром ветра является средняя скорость [122].
На сегодняшний день накоплены обширные сведения о характере ветровых потоков. Так как скорость ветра возрастает с высотой, замеры выполняются на высоте 10 метров. При необходимости определения скорости ветра на различных высотах применяется выражение [15, 52, 72, 122]: соответственно скорости ветра на высоте АиЯ, м/с; т - показатель.
Для оценки и прогнозирования поступающей ветровой энергии используется ветроэнергетический кадастр, представляющий собой процентное соотношение повторяемостей скорости ветра за рассматриваемый промежуток времени [52, 84].
Для наиболее полного описания вариаций скорости ветра во времени используют математическую модель случайного процесса. Одной из наиболее распространенных функций описания эмпирического распределения скорости ветра является двухпараметрическое уравнение В. Вейбулла [4, 5, 72, 86]:
Указанное уравнение соответствует требованиям по удовлетворительной сходимости теоретических данных, небольшой трудоемкости расчетов и дает возможность многократного дифференцирования в связи с постановкой новых задач [3]. Для Челябинской области установлены значения параметров уравнения с учетом условий районирования по статистическим характеристикам скорости ветра (таблица 2.1) [100].
Таблица 2.1- Параметры функции среднегодового распределения скорости ветра в различных пунктах наблюдения и критерий согласия Район Параметры уравнения Р(Х2Т Х2Х% Потенциальная мощность ветровой энергии (на единицу площади, перпендикулярной ветровому потоку) характеризуется средним кубом скорости ветра за определенный период времени (сутки, месяц и т. д.) [77]: где PQ - потенциальная мощность ветровой энергии, кВт; р - плотность воздуха, кг/м ; v - скорость ветра, м/с. При известной эмпирической повторяемости скорости ветра t (v,) можно определить ожидаемую с единицы площади среднюю мощность ветрового потока за рассматриваемый риод [101]:
Для оценки по эмпирической повторяемости скоростей ветра необходимо проведение сбора данных о скорости ветра за большой промежуток времени, про 38 ведение расчетов, так как такие данные имеются в наличии только для части территории Челябинской области.
При наличии информации о теоретической дифференциальной функции распределения скорости ветра fly) можно оценить потенциальные ветроэнергетические ресурсы через удельную мощность ветрового потока [101]:
Анализ выражений 2.5 и 2.6 показывает, что для оценки средней мощности ветрового потока недостаточно сведений о средней скорости ветра, так как данная величина не может в полной мере оценить ветроэнергетический потенциал. Необходимо знать скорость ветра, соответствующую средней мощности ветра.
В работе [3] для оценки ветроэнергетического потенциала определено значение скорости ветра (vcpM), позволяющее оценить среднесуточную мощность ветрового потока:
Величина vcp.M рассматривается как энергетическая характеристика ветрового потока. Эта величина отличается от средней скорости ветра. Исследование связи между vCp.M и средней скоростью ветра позволило установить зависимость, которая приведена на рисунке 2.1 [3].
Анализ расчетов удельной мощности ветровых районов по среднесуточной мощности и эмпирической повторяемости скорости ветра, приведенный в таблице 2.2, показывает сходимость результатов оценки ветрового энергетического ресурса [ПО].
Для оценки работы ВЭУ практическое значение имеет формирование годовой суммы удельной энергии ветра. В работе [100] при помощи двухпараметриче-ского уравнения Вейбулла определен «вклад» каждой скорости ветра в суммарную энергию, поступающую за год, при вероятности поступления заданной v:
По приведенному выражению в условиях Южного Урала нами определены рекомендуемые значения скорости ветра, когда ожидается максимальное поступление энергии ветра (vMB). Для трех ветроэнергетических районов они приведены в таблице 2.3 [107].
Удельные энергетические показатели потенциальных ветроэнергетических ресурсов за год в условиях Южного Урала согласно вероятности поступления скорости ветра
Величина vMB позволяет согласовать параметры ВЭУ с энергетическими ресурсами рассматриваемой территории. При этом важно установить связь между скоростями ветра, отражающими среднесуточную и максимальную мощности ветрового потока. Исследование указанных скоростей ветра позволило автору установить зависимость vMB от vcpM (рисунок 2.2).
Таким образом, на основе многолетней базы данных о поступлении ветрового потока установлена скорость ветра, при которой ожидается максимум выработки электроэнергии. Установлена связь между скоростью ветра, при которой ожидается максимум вырабатываемой энергии, и энергетической характеристикой ветрового потока. Существующая ветроэнергетическая карта Челябинской области позволяет оценить энергетический ресурс. Однако для достижения максимальной выработки и минимальной потери электроэнергии необходимо согласование показателей ВЭУ (мощность генератора, рабочая скорость и диаметр ВК), влияющих на показатели ВП (количество ВЭУ и суммарная длина ЛЭП) с ветроэнергетическими ресурсами рассматриваемой территории. Также необходимо дополнительное исследование режима поступления ветровой энергии и потребления электроэнергии СХП.
Исследование режимов поступления ветровой энергии и потребления электроэнергии сельскохозяйственными потребителями
Анализ приведенных данных позволяет сделать вывод, что с ростом соотношения dBK к рабочей скорости ВЭУ число оборотов снижается. Использование тихоходных генераторов требует регулирования оборотов ротора генератора, что приводит к росту затрат.
Анализ существующих ВЭУ (таблица 2.4) показывает, что для ВЭУ очень малых мощностей соотношение dBK/vpa6 0,5, для ВЭУ малых мощностей 0,5 dBK/vpa6 1 и для ВЭУ средних и больших мощностей 1 dBK/vpa6 10. Данные соотношения подтверждают необходимость регулирования скорости вращения генератора для ВЭУ малой мощности, а для больших ВЭУ необходимость использования более сложных устройств регулирования.
Таким образом, результаты проведенных исследований показывают необходимость регулирования числа оборотов генератора ВЭУ в районах с низкой скоростью ветра и технико-экономического обоснования таких параметров ВЭУ, как dBK и рабочая скорость для ВЭУ, позволяющих выработать максимальное количество электроэнергии с минимальными затратами. Для преобразования некачественной электроэнергии необходимо разработать схемные решения после исследования режима работы генератора ВЭУ в опытах. Рассмотренные технические характеристики ВЭУ должны быть выбраны с учетом возможности использования нескольких установок в составе ВЭС. При использовании нескольких ВЭУ возможно их взаимное влияние на работу ветроколес, генераторов и количества вырабатываемой электроэнергии. Следовательно, необходимо рассмотреть технические параметры ветропарка, представляющего собой две и более ВЭУ, работающих на общую нагрузку.
ВЭС представляет собой совокупность нескольких ВЭУ. На выбор ВЭС влияют площадь имеющейся территории, количество вырабатываемой электроэнергии, а также издержки на обслуживание и ремонт. Рассмотренные показатели обуславливают выработку электроэнергии.
Для снижения затрат на передачу электрической энергии предлагается разделить ВЭС на несколько ВП, представляющих собой совокупность группы ВЭУ, устройств преобразования и ЛЭП. На выбор ВП влияют количество ВЭУ в группе, подключаемых к одному преобразовательному устройству, суммарная длина и напряжение линий электропередач, сечение проводов, издержки на обслуживание и ремонт.
Строительство ВЭС позволяет увеличить суммарную установленную мощность и выработку электроэнергии путем установки нескольких ВЭУ, а использование ВП снизить количество оборудования, которое может быть общим для нескольких установок, и затраты на передачу электроэнергии. При работе такой ВЭС возможен поэтапный ремонт отдельных ВЭУ, ЛЭП и преобразовательных устройств одного ВП, обеспечивая работу остальных ВЭУ.
В условиях, когда ВЭС работает в системе электроснабжения, можно предположить, что вся вырабатываемая качественная электроэнергия передается по электрической сети и используется потребителями. Это возможно, если ВЭС покрывает определенную долю потребной электроэнергии, равную минимальной электрической нагрузке потребителя.
Критерием выбора ВЭС для электроснабжения являются затраты, а себестоимость электроэнергии - важнейший и наиболее совершенный показатель эффективности производства [46]. При этом для эффективной работы ВЭУ необходимо выполнение условий: где Свэс и СТР - стоимости энергии от ВЭС и традиционного источника соответственно.
Для ВЭС из нескольких ВЭУ суммарная вырабатываемая мощность ограничивается минимальной нагрузкой потребителя (Лютр min)- Тогда при заданном х количестве ВЭУ вырабатываемая мощность должна соответствовать условию:
Строительство ВЭС требует наличия территории с заданной площадью. При этом необходимая территория может быть пригодной для сельскохозяйственных угодий, что делает возможным строительство ВЭС для электроснабжения сельскохозяйственных потребителей.
Необходимая площадь территории, где предполагается размещение ВЭУ, зависит от их количества. Каждая ВЭУ занимает определенную площадь территории с учетом того, что расстояние между ВЭУ должно быть не менее 10 диаметров ветроколеса (10dBK) относительно друг друга [72]. Тогда площадь, занимаемая одной ВЭУ, будет составлять \00d2 (рисунок 2.9).
Таким образом, на территории с заданной площадью S можно установить определенное количество ВЭУ с выбранным dBK. Тогда количество ВЭУ с соответствующим диаметром ограничивается, исходя из условия:
Суммарная вырабатываемая электроэнергия от ВЭС ограничивается потребляемой электроэнергией. Объем потребления электроэнергии можно установить на основе графика электрических нагрузок. Несовпадение режимов поступления ветровой энергии с графиком нагрузки влияет на эффективность использования ВЭУ. Поэтому необходимо согласовывать режимы выработки и потребления энергии от ВЭУ.
Вырабатываемая электроэнергия от ВЭС зависит от заданных показателей: количества ВЭУ и поступающей энергии ветрового потока. Ожидаемая выработка энергии ограничена ветроэнергетическими ресурсами на заданной территории. Тогда возможная выработка электроэнергии ВЭС с учетом 2.36 может быть определена как: Жуд - удельная энергия ветра, ожидаемая на заданной территории, кВтч/м . Ветроэнергетический ресурс рассматриваемой территории зависит от характеристики ветрового потока. Для ее оценки воспользуемся энергетической характеристикой ветрового потока vcp м. Тогда ветроэнергетический ресурс с удельной площади территории определяется как:
Приведенная математическая модель (2.42, 2.43) позволяет определить показатели z2, влияющие на выработку электроэнергии в зависимости от показателей электроснабжения z\ и местных ветроэнергетических ресурсов [113].
Решение поставленной задачи возможно после обоснования величины УД.ВЭУ, для чего необходимо исследовать существующие схемы использования ВЭУ малой мощности, преобразующие электроэнергию низкого качества, и определить капитальные затраты, при необходимости разработать технические решения для обеспечения качества электроэнергии на базе экспериментальных исследований генератора ВЭУ.
Для ВП, представляющего собой несколько ВЭУ, объединенных в единую сеть, также необходимо обосновать электрическую схему для передачи и распределения заданной мощности; выявить взаимосвязь между показателями выработки электроэнергии z2 и показателями ее передачи z3. При этом необходимо определить себестоимость передачи электроэнергии от ВП [22]: а-К
Имитационное моделирование параллельного включения генераторов ВЭУ в составе ВП
Инвертор является ключевым звеном в схемах преобразования электроэнергии ВЭУ малой мощности и предназначен для преобразования постоянного тока в переменный с заданной частотой. В настоящее время разработаны и внедряются инверторы на базе IGBT-транзисторов, позволяющих получить на выходе синусоидальное напряжение.
Выходная мощность инверторов составляет от 300 до 80 000 кВА. Работать инверторы могут при коэффициенте мощности сети от 0,7 и более [25]. В противном случае необходимо выполнение компенсации реактивной мощности (таблица 3.4). Таблица 3.4 - Зависимость коэффициента снижения мощности инвертора от коэффициента мощности нагрузки
Анализ данных таблицы 3.4 показывает необходимость компенсации реактивной мощности при электроснабжении электроприемников с низким коэффициентом мощности. В противном случае будут наблюдаться потери мощности в инверторе.
В настоящее время наиболее востребованными являются ВЭУ для автономного электроснабжения, работающие совместно как с электростанциями, так и с аккумуляторными батареями GB\ (АБ), подключаемыми к G\ через трансформатор 71 и управляемый выпрямитель VS\ (рисунок 3.17).
Структурная схема установки, работающей параллельно с автономным источником электроснабжения Для совместной работы автономного источника электроснабжения (АИЛ) и ВЭУ разработан ряд схем, предусматривающих параллельную работу двух источников питания, которые позволяют полнее использовать энергию ветра. Для бесперебойного электроснабжения потребителей, а также с целью накопления излишков энергии, вырабатываемых ВЭУ, используются АБ [32, 58].
Однако предлагаемые схемы имеют ряд недостатков, а именно: - при скорости ветра ниже расчетной снижается не только амплитуда, но и частота напряжения, вырабатываемая генератором. Это приводит к увеличению потерь мощности и дополнительному нагреву сердечника трансформатора при его работе; - заряд АБ выпрямленным пульсирующим напряжением и нерегулируемой величиной зарядного тока снижает срок ее службы [39]; - питание инвертора выпрямленным пульсирующим напряжением приводит к получению на его выходе искаженной формы напряжения и, соответственно, некачественной электроэнергии.
Таким образом, не все существующие схемы преобразования некачественной электроэнергии, вырабатываемой генератором ВЭУ при низких скоростях ветра, могут обеспечить потребителя качественной электроэнергией. Исследования основных элементов схем на базе экспериментальных исследований показывают вероятность потерь электроэнергии при низких скоростях ветра.
1. Наблюдения за скоростью ветра позволили выявить колебания с периодом от 15 до 60 секунд. Исследования выходных характеристик генератора ВЭУ BWC-3 в условиях Южного Урала подтверждают выработку некачественной электроэнергии при низких скоростях ветра.
2. В ходе эксперимента установлены зависимости вырабатываемого напряжения, частоты тока генератора, работающего без нагрузки, от скорости ветра, необходимые для исследования существующих схем ВЭУ и разработки схемы ВП. 3. Исследование режимов поступления ветровой энергии позволило установить, что ВЭУ, работающие в системе электроснабжения СХП, способствуют снижению максимальных нагрузок, при которых наблюдается максимум потерь электроэнергии при передаче.
4. По результатам экспериментальных исследований работы генератора ВЭУ BWC-3 выявлены недостатки существующих схем преобразования некачественной электроэнергии. Так, применение сглаживающих фильтров либо использование генераторов с низким коэффициентом мощности приводит к дополнительным потерям мощности. Применение управляемых выпрямителей снижает срок службы аккумуляторных батарей.
5. Результаты исследований показывают необходимость разработки оптимальной схемы для обеспечения потребителей качественной электроэнергией с минимальными потерями при преобразовании. Глава 4 Разработка технических решений по эффективному использованию ВЭУ.
Как известно, ВЭУ, работающие параллельно с энергосистемой, подразделяются на ВЭУ большой мощности с постоянной скоростью вращения ВК и малой мощности со скоростью вращения ВК, зависящего от скорости ветра.
Генератор ВЭУ большой мощности вырабатывает качественную электроэнергию. Поддерживать скорость вращения генератора постоянной (синхронизированной с энергосистемой) на ВЭУ большой мощности позволяет мультипликатор, представляющий собой четырехступенчатую коробку передач. При колебании скорости ветра ниже расчетной скорости ВЭУ для поддержания постоянства вращения ВК генератор работает в двигательном режиме, что уменьшает количество полезно выработанной энергии.
ВЭУ малой мощности энергию ветра используют максимально. Недостатком данных ВЭУ является выработка некачественной энергии генератором по величине отклонения напряжения и частоты тока при скорости ветра ниже рабочей скорости.
Анализ существующих схем ВЭУ позволил установить, что основным элементом преобразования некачественной электроэнергии является инвертор. В настоящее время применение мощных транзисторов позволило выполнить инверторы, поддерживающие номинальные параметры напряжения на выходе при входном напряжении от 15 до ПО % от номинального (производитель ООО «Микро-Арт»). Согласно экспериментальным исследованиям работы генератора под нагрузкой, величина выходного напряжения может изменяться от 18 до 100 % от паспортной величины [3]. Экспериментальные исследования, проведенные автором, позволили установить диапазон выходного напряжения генератора, работающего без нагрузки. В данном случае величина выходного напряжения колеблется с 25 до 104 % от номинальной величины. Сравнение рассматриваемых выходных характеристик генератора с входными показателями инвертора указывает на возможность подключения генератора к инвертору через неуправляемый мостовой выпрямитель.
Питание инвертора необходимо производить постоянным напряжением. Так как управляемые выпрямители имеют систему управления, требуют применения аккумуляторных батарей, а также являются источником высших гармонических составляющих тока, предлагается использовать неуправляемый выпрямитель. Для снижения пульсаций напряжения на выходе выпрямителя распространены сглаживающие фильтры. Экспериментальные исследования показали неэффективное применение таких фильтров при изменяющейся нагрузке и частоте тока. Для получения на выходе инвертора синусоидального напряжения предлагается использовать сглаживающее устройство.
Согласование величин напряжений ВЭУ и традиционного источника питания предлагается осуществить при помощи стабилизатора напряжения.
Таким образом, для преобразования энергии ветра в электроэнергию, соответствующую требованиям ГОСТ, автором предлагается схема использования ВЭУ в системе электроснабжения. Схема включает в себя силовую цепь и управляющие цепи обратных связей инвертора, стабилизатора напряжения. К силовой цепи относятся синхронный генератор, осуществляющий питание инвертора через неуправляемый выпрямитель. Инвертор, ведомый сетью, подключен к шинам потребителя через стабилизатор напряжения и реле обратного тока.
В управляющей цепи инвертора находится сглаживающее устройство, которое дополнительно подключено к выходу неуправляемого выпрямителя и шинам потребителя.
К управляющей сети стабилизатора напряжения подключено устройство согласования величин напряжения на шинах потребителя и напряжения на выходе установки, осуществляющее управление работой стабилизатора напряжения (рисунок 4.1) [62].