Содержание к диссертации
Введение
1 Перспективы ветроэнергетических станций в Краснодарском крае, способы стабилизации параметров электроэнергии и задачи исследований 11
1.1 Перспективы автономных систем электроснабжения на возобновляемых источниках энергии в сельском хозяйстве 11
1.2 Обоснование целесообразности развития ветроэнергетики в Краснодарском крае 17
1.3 Основные требования к ветроэлектрическим установкам 21
1.4 Анализ современных способов стабилизации параметров электроэнергии ветроэлектрических установок 23
1.5 Задачи исследований и выводы по первой главе 27
2 Особенности работы, основные параметры и характеристики непосредственных преобразователей частоты 31
2.1 Преимущества непосредственных преобразователей частоты 31
2.2 Синтез кривой выходного напряжения 33
2.3 Искусственная коммутация в НПЧ 38
2.4 Параметры и характеристики преобразователя 43
2.5 Выводы по второй главе 48
3 Разработка источника электроэнергии ветроэлектрической установки на непосредственных преобразователях частоты 49
3.1 Обоснование выбора генератора электроэнергии для ветроэлектрической установки 49
3.2 Разработка структурных схем автономных источников электроэнергии на НПЧ 53
3.3 Функциональные схемы стабилизатора параметров электроэнергии ВЭУ на НПЧ 59
3.4 Выводы по третьей главе 66
4 Результаты исследований автономного источника электроэнергии на асинхронном генераторе и непосредственных преобразователей частоты 68
4.1 Расчёт основных критериев эффективности 68
4.2 Разработка и расчёт параметров принципиальной электрической схемы замещения автономного источника 80
4.3 Математический аппарат моделирования физических процессов 85
4.4 Результаты исследования математической модели 90
4.5 Выводы по четвёртой главе 95
5 Экономическая эффективности и структурные решения систем электроснабжения на ветроэлектрических установках 98
5.1 Расчёт экономической эффективности ветроэлектрических станций 98
5.2 Структурные решения автономных систем электроснабжения на ветроэлектрических установках 102
5.2.1 Ветрогазопоршневые электростанции 102
5.2.2 Ветросолнечные электростанции 106
5.2.3 Комбинированные электростанции 110
5.3 Синтез оптимальной структуры автономной системы электроснабжения 113
5.4 Выводы по пятой главе 115
Общие выводы 116
Список использованных источников 120
Приложение А 133
Приложение Б 134
- Обоснование целесообразности развития ветроэнергетики в Краснодарском крае
- Разработка структурных схем автономных источников электроэнергии на НПЧ
- Разработка и расчёт параметров принципиальной электрической схемы замещения автономного источника
- Ветрогазопоршневые электростанции
Введение к работе
Как известно, электроснабжение сельскохозяйственных потребителей имеет свои особенности, связанные со спецификой сельскохозяйственного производства, рассредоточенного по значительной территории с малыми удельными электрическими нагрузками, которые, к тому же, имеют сезонный характер. Эти обстоятельства определяют специфические требования к построению электроэнергетических систем сельского хозяйства в целом.
В тоже время высокие темпы развития сельскохозяйственного производства в настоящее время, ведут к непрерывному повышению потребления электроэнергии, а также к широкому внедрению автоматических систем управления технологическими процессами и производственными комплексами. Цена нарушений нормальных режимов работы таких систем, связанных с отклонением показателей качества электроэнергии, с внезапными перерывами электроснабжения, из-за аварийных ситуаций чрезвычайно высока.
Актуальным в настоящее время является направление разработки автономных систем электроснабжения (АСЭ) для сельскохозяйственных потребителей с использованием возобновляемых источников энергии (ВИЭ). Такие системы повышают надёжность электроснабжения потребителей. Кроме того, применение ВИЭ в качестве основных источников энергии уменьшит сроки их окупаемости, с учётом ежегодного повышения стоимости электроэнергии, получаемой от традиционных источников.
Применяемые в настоящее время стабилизаторы параметров электроэнергии ветроэлектрических установок (ВЭУ) имеют относительно низкие эксплуатационно-технические характеристики (ЭТХ) и, прежде всего из-за механических устройств, обеспечивающих стабилизацию частоты вращения ветроколеса и соответственно частоты тока, а также из-за относительной сложности системы стабилизации напряжения.
Диссертационная работа посвящена разработке стабилизатора напряжения и частоты тока генератора ВЭУ.
Диссертационная работа выполнена в соответствии с госбюджетной темой КубГАУ «Теоретическое обоснование и практическая реализация энергосберегающего оборудования, электротехнологий и систем автономного электро- и теплоснабжения сельскохозяйственных потребителей с использованием ВИЭ» на 2011 - 2015 гг. (№ ГР 01.2011.53641).
Научная гипотеза состоит в том, что разработка стабилизатора параметров электроэнергии генератора ВЭУ, обеспечивающего одновременно стабилизацию частоты тока и напряжения позволит улучшить ЭТХ автономного источника электроэнергии и ВЭУ в комплексе.
Цель работы - улучшение эксплуатационно-технических характеристик ВЭУ, за счёт использования бесконтактного асинхронного генератора (АГ) емкостного возбуждения и стабилизатора напряжения и частоты тока, выполненного на непосредственном преобразователе частоты.
Задачи исследования:
-
Раскрыть особенности работы и основные характеристики непосредственных преобразователей частоты.
-
Обосновать выбор автономного источника электроэнергии для ветроэлектрической установки.
-
Разработать функциональные схемы стабилизаторов напряжения и частоты тока на непосредственном преобразователе частоты (НПЧ) с естественной коммутацией (НПЧЕ) и НПЧ с регулируемым углом сдвига фаз (НПЧР).
-
Разработать математический аппарат для оценки эффективности автономных источников электроэнергии систем АГ-НПЧЕ и АГ-НПЧР.
-
Разработать математическую модель автономного источника электроэнергии системы АГ-НПЧ и провести её исследования.
6. Провести расчёт экономической эффективности ВЭУ и разработать комбинированные структурные схемы автономных систем электроснабжения с их использованием.
Объект исследования - стабилизаторы напряжения и частоты тока бесконтактного асинхронного генератора с емкостным возбуждением, выполненные на НПЧ.
Предмет исследования - критерии эффективности стабилизатора параметров электроэнергии, которыми являются качество напряжения, показатели надежности, массогабаритные показатели, электрические потери и КПД, а также математическая модель автономного источника электроэнергии системы АГ-НПЧЕ,
Методы исследования базируются на использовании теории электрических цепей, основ теории электрических машин, статических стабилизаторов и преобразователей электроэнергии, рядов Фурье, метода Рунге - Кутта, применяемого для решения системы дифференциальных и алгебраических уравнений.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций базируется на строго доказанных и корректно используемых выводах фундаментальных и прикладных наук, положения которых нашли применение в работе, а также разработанными автором новых теоретических положений по расчёту критериев эффективности и параметров стабилизатора согласованные с известными теоретическими положениями науки.
Научную новизну работы составляют:
-
-
Математический аппарат для оценки эффективности автономного источника электроэнергии системы АГ-НПЧ.
-
Методика расчета параметров схемы замещения автономной системы АГ-НПЧ.
-
Математическая модель автономной системы АГ-НПЧ.
Практическую значимость работы составляют:
-
-
-
Функциональные схемы стабилизаторов напряжения и частоты тока АГ, выполненные на НПЧЕ и НПЧР.
-
Результаты исследования математической модели автономной системы АГ-НПЧЕ.
-
Рекомендации по проектированию стабилизатора параметров электроэнергии для АГ на НПЧ.
-
Разработанные структурно-схемные решения автономных систем электроснабжения на ВЭУ.
-
Результаты расчёта экономической эффективности ВЭУ.
Основные положения, выносимые на защиту:
-
-
-
-
Функциональные схемы стабилизаторов напряжения и частоты тока АГ на НПЧЕ и НПЧР.
-
Математический аппарат для оценки эффективности автономного источника электроэнергии системы АГ-НПЧ.
-
Методика расчёта параметров схемы замещения автономной системы АГ-НПЧЕ.
-
Математическая модель автономного источника электроэнергии системы АГ-НПЧЕ и результаты её исследований.
-
Результаты расчёта экономической эффективности ВЭУ.
Реализация результатов работы:
-
-
-
-
-
Математический аппарат для оценки эффективности автономных источников электроэнергии ВЭУ передан в ООО «Энергосетевая компания» г. Краснодар.
-
Результаты научных исследований применяются в учебном процессе на кафедре «Электротехники, теплотехники и возобновляемых источников энергии» в Кубанском ГАУ (г. Краснодар) при изучении дисциплины «Возобновляемые и нетрадиционные источники энергии».
Личный вклад автора заключается в формулировке общей идеи и цели работы, предложении нового структурно-схемного решения стабилиза-
тора напряжения и частоты тока АГ ВЭУ, в разработке методики расчёта критериев эффективности автономного источника электроэнергии, методики расчёта параметров принципиальной схемы замещения и математической модели системы АГ-НПЧ.
Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на четырех научных и научно-практических конференциях, в том числе: на VII Всероссийской школе с международным участием в Московском ГУ (г. Москва, 2010 г.); на II международной НПК «Актуальные проблемы энергетики АПК» в Саратовском ГАУ (г. Саратов, 2011 г.); на VI Российской НПК «Физико-технические проблемы создания новых технологий в АПК» в Ставропольском ГАУ (г. Ставрополь, 2011 г.); на V международной НПК «Энергосберегающие технологии и проблемы их эффективного использования» в Волгоградской ГСХА (г. Волгоград, 2011 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано: 10 научных работ, включая монографию и 5 статьей в изданиях, рекомендованных ВАК. Общий объём публикаций составляет 19 п. л., из которых 5,8 п. л. принадлежит лично автору.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, общих выводов, списка использованных источников, включающего 118 наименований и приложения. Общий объем диссертации 134 страницы машинописного текста, включая 43 рисунка.
Обоснование целесообразности развития ветроэнергетики в Краснодарском крае
Потенциал и преимущества ветровой энергетики России раскрыты во многих научных работах [24, 30, 68, 70, 88, 89, 116].
Перспективным регионом для внедрения ветроэлектрических станций (ВЭС) является Краснодарский край. Анализ территориального распределения ветровых ресурсов по Краснодарскому краю показывает, что мощность ветрового потока растет по мере приближения к побережью Черного моря (рисунок 1.2). В прибрежных районах удельная мощность ветра на высоте 100 м составляет до 1100 Вт/м и более, что является перспективным для развития ветроэнергетики [8, 64, 66, 106].
Выбор на территории Краснодарского края перспективных пунктов для возможного возведения крупных ВЭС (порт Кавказ - коса Чушка, г. Анапа, г. Темрюк, г. Новороссийск - Геленджик, а также район г. Ейска см. рисунок ] .3) обусловлен тем, что в последние годы в районе этих пунктов рассматривались проекты крупных ВЭС разной мощности. В районе рассмотренных пунктов имеется достаточно развитая электросетевая структура с ЛЭП с напряжением 110 - 220 кВт, а также развитая дорожно-транспортная структура (автомобильная и железнодорожная), способная обеспечить достаточно быструю и недорогую доставку ветроэнергетического оборудования к месту монтажа ВЭС.
По данным Министерства топливно-энергетического комплекса с 2006 по 2012 г.г. потребляемая электрическая энергия в Краснодарском крае превысила 140 Млрд. кВт ч (рисунок 1.3) [65, 97].
Электрогенерирующими предприятиями, расположенными на территории Краснодарского края, вырабатывается примерно 50% электрической энергии от необходимого объёма потребления. Недостающая часть электроэнергии покупается энергосистемой на оптовом рынке электрической энергии.
Таким образом, Краснодарский край относится к энергодефицитным субъектам РФ, энергопотребление которого с годами будет нарастать высокими темпами в связи с ростом производства на территории края.
В соответствие с программами развития, принятых на заседаниях Правительства Краснодарского края, покрытие дополнительной потребности в электрической мощности существующих и перспективных потребителей планируется в основном за счёт теплоэлектростанций и частично ГЭС [66, 97].
Целесообразно рассмотреть тарифы на электрическую энергию для оценки экономических эффективности и перспектив ВИЗ в Краснодарском крае.
В настоящее время городское население с газовыми плитами за / кВт ч потребляемой электроэнергии но дневному тарифу оплачивает 3,24 руб, а по ночному - 1,80 руб. В домовладениях городского населения с электроплитами и сельского населения стоимость / кВт ч составляет 2,26 руб. Здесь нужно отметить, что за последних 5 лет цена за 1 кВт ч электроэнергии выросла более чем в 2 раза [66]. Кроме того, прогнозы говорят о том, что к 2020 г. стоимость / кВт ч электроэнергии превысит 10 руб. В то же время стоимость электроэнергии вырабатываемой ВЭУ к 2020 г. уменьшится примерно в 2 раза (рисунок 1.4).
Краснодарский край обладают огромными ресурсами ВИЭ. Эти ресурсы во много раз превышают ресурсные возможности невозобновляемых (ископаемых) источников энергии края. В таблице 1.1 приведён энергетический потенциал (ресурс) ветровой энергетики Краснодарского края.
Таким образом, с учётом нарастающей тенденции потребления электроэнергии (рисунок 1.3), увеличением тарифов на электроэнергию, вырабатываемую традиционными источниками и уменьшением тарифов на электроэнергию, вырабатываемую ВИЭ (рисунок 1.4), а также с учётом сведений о потенциале ветровой энергетики приведённой в таблице 1.1, перспективным является направление разработки и внедрения ВЭС в Краснодарском крае.
Исследования, проведенные в ряде стран, показали, что наиболее экономичными сейчас являются ВЭУ мощностью 100 - 300 кВт. Рентабельность ВЭУ средней мощности может быть обеспечена при разработке комбинированных СБЭ, в состав которых будут входить СФЭС или МГЭС, а в качестве резервного источника электроэнергии будут использоваться ДЭС или ГПЭ 2, 65, 66,76, 108].
Разработка структурных схем автономных источников электроэнергии на НПЧ
Один из вариантов структурной схемы ВЭУ, выполненной с использованием НПЧЕ показан на рисунке 3.2. Генератор, нормально работает в диапазоне частоты вращения 750 - 1500 об/мин, выдает мощность на преобразователь в диапазоне частот 300 - 400 Гц. При этом, повышение частоты генерируемого тока может осуществляться разными способами: за счёт увеличения передаточного числа механического редуктора ВЭУ; за счёт увеличения числа пар полюсов генератора; за счёт комбинации рассмотренных выше способов. НПЧ Г! преобразует эту мощность в выходную мощность с точно регулируемой фиксированной частотой 50 Гц. Г-образный LC-фильтр используется для обеспечения синусоидальности выходного напряжения.
Оригинальной системой генерирования мощности от ВЭУ является система, состоящая из АГ с короткозамкнутым ротором и НПЧР.
Если на статорные обмотки АГ подается реактивная мощность, то он может генерировать активную мощность к присоединенной к нему внешней нагрузке. Потребность в реактивной мощности нагрузки и электрической машины должны обеспечиваться от внешних источников (конденсаторы с постоянной ёмкостью, коммутируемые конденсаторы, синхронные компенсаторы и различные типы статических источников). Однако каждый из этих источников значительно ухудшает ЭТХ ВЭУ.
Особенность работы НПЧР, заключается в его способности изменять реактивную составляющую входного тока и, ее знак, представляет возможность использовать этот НПЧР в двух целях: во-первых, для преобразования мощности с повышенной и изменяющейся частотой, генерируемой АГ, в выходную мощность постоянной более низкой частоты и, во-вторых, для питания АГ регулируемой реактивной мощностью, т.е. для регулирования его возбуждения.
Важной особенностью работы НПЧР является то, что он всегда нагружен на фильтр. Ток фильтра емкостный, поэтому НПЧР будет потреблять соответствующий емкостный ток от генератора, т.е. выдавать соответствующий отстающий реактивный ток генератору. Однако в зависимости от конкретных параметров фильтра может случиться, что этот ток недостаточен для возбуждения АГ. Тогда задача может быть решена путем присоединения параллельно генератору конденсаторов обеспечивающих его возбуждение. Это обычно не означает добавление «лишних» элементов в систему, поскольку на практике конденсаторы на входе обычно нужны для НПЧР, в которых используются отключающие устройства или тиристоры с принудительной коммутацией; они нужны для подавления перенапряжений на входных выводах, которые при каждой коммутации образуются в результате быстрого изменения тока, проходящего через реактивное сопротивление рассеяния генератора. Конденсаторы на входе также могут иметь преимущества для НПЧЕ. Кроме подавления коммутационных перенапряжений эти конденсаторы уменьшают также искажение токов генератора и улучшают форму кривой напряжения на его выводах. Таким образом, эти конденсаторы косвенно влияют на уменьшение искажения формы кривой выходного напряжения, которая формируется из участков кривых входного напряжения.
Для обеспечения должного возбуждения без нагрузки необходимо, чтобы общий ток генератора, составленный из тока конденсатора на входе и максимально достигаемого емкостного входноголхжа НПЧР, благодаря току фильтра на выходе был бы равен или больше тока возбуждения ненагруженного АГ при минимальной рабочей скорости. На практике этот критерий обычно удовлетворяется сам собой, поэтому емкость конденсаторов фильтра не должна быть увеличена сверх той, которая требуется по другим причинам.
Важным вопросом является пуск АГ в работу. Поскольку до пуска к АГ не приложено напряжение, то его конденсаторы сами по себе не смогут обеспечить требуемое начальное возбуждение. Однако асинхронные машины имеют некоторую остаточную намагниченность и даже если не имеют ее, это легко сделать путем введения только одного импульса тока в обмотку сіатора. Зіа остаточная намагниченность обеспечивает начальное самовозбуждение ecieciвенным путем под действием положительной обратной связи. При вращении ротора в обмотке статора возникает небольшое напряжение благодаря остаточной намагниченности. Это напряжение создает некоторый ток через конденсаторы фильтров на входе, что в свою очередь увеличивает напряжение генератора. Когда напряжение на выводах генератора превысит какой-то установленный уровень, НПЧР включается в работу. Если желаемое напряжение генератора поддерживается замкнутой системой регулирования коэффициента сдвига НПЧР, то при пуске будет автоматически установлено наибольшее возможное опережающее значение коэффициента сдвига, обеспечивающее быстрое завершение начального возбуждения генератора. По достижении требуемого напряжения на выводах АГ замкнутая система регулирования НПЧР непрерывно регулирует реактивную составляющую входного тока так, чтобы поддержать это напряжение.
Структурная схема ВЭУ, в которой используются АГ и НПЧР приведена на рисунке 3.3.
Если не принимать во внимание вопрос возбуждения генератора, і о механизм управления этой системой оказывается идентичным тому, который используется для НПЧЕ. Возбуждение генератора и напряжение на входных выводах НПЧР регулируется путем сравнения фазных напряжений генератора с заданными и использования сигналов рассогласования для изменения фазы коммутирующих сигналов, обеспечивающих формирование кривых напряжений. Генератор коммутирующих сигналов является неотъемлемой часіью системы импульсно-фазового управления.
Основным достоинством НПЧЕ, применяемых в составе АИЭ ВЭУ является относительно не сложная силовая схема и система управления, а недостатком - на входе НПЧЕ угол сдвига фаз постоянно отстающий, т.е. преобразователь для АГ является активно-индуктивной нагрузкой, что требует повышенную ёмкость конденсаторов обеспечивающих его возбуждение.
Основным достоинством НГГЧР, применяемых в составе АИЭ ВЭУ является то, что на его входе ток опережает напряжение, а значит, преобразователь для АГ является активно-емкостной нагрузкой, что позволяет значительно уменьшить массу конденсаторов, применяемых для возбуждения генератора, и практически исключить из схемы блок конденсаторов компенсации БКК (рисунок 3.2). Основными недостатками НПЧР являются: сложная силовая часть, из-за применения блока искусственной коммутации БИК, в состав которого входят силовые полупроводниковые ключи и реактивные элементы, и соответственно усложнена система управления, обеспечивающая не только стабилизацию параметров электроэнергии, но и искусственную коммутацию силовых полупроводниковых приборов.
На рисунке 3.5 приведена принципиальная силовая электрическая схем НГГЧР. Отличием силовой схемы НПЧЕ является отсутствие блока БИК.
НПЧ потребляет несинусоидальный ток из сети, что приводит к искажению формы кривой питающего напряжения, в особенности при соизмеримой мощности источника питания и нагрузки. Поэтому на входе НПЧ необходим фильтр, обеспечивающий работу других потребителей, подключенных к этому же источнику питания. Однако, функцию входного фильтра НПЧ выполняют конденсаторы возбуждения АГ.
Обязательным условием является применение низкочастотных фильтров на выходе НПЧ для обеспечения непрерывности кривой выходного напряжения и требуемого его качества. При стабильной частоте выходного напряжения на выходе НПЧЕ необходимо применение Г-образного фильтра.
Разработка и расчёт параметров принципиальной электрической схемы замещения автономного источника
Как известно, исследование электромагнитных процессов, протекающих в силовых электрических цепях, на физических моделях связано с большими затратами и трудоемкостью проведения экспериментальных исследований на опытных образцах. Экспериментальные исследования устройств мощностью от 10 кВт, в особенности в аварийных режимах, практически невозможно. Поэтому актуальность математического моделирования в период проектных работ очевидна [13, 44, 74, 77].
Первым этапом математического моделирования является разработка принципиальной электрической схемы замещения электротехнического устройства и расчёт её параметров элементов. Схема замещения характеризуется двумя основными показателями: набором элементов (резисторов, конденсаторов, катушек индуктивности, источников напряжения и т.д.) и способом их соединения. Принципиальная электрическая схема замещения (схемная модель) позволяет свести огромное многообразие реальных магнитных и электрических цепей к сравнительно небольшому числу элементов, различные соединения которых отображают с необходимой степенью точности физические модели.
Система уравнений, описывающая схему замещения, получается известными классическими методами и является математической моделью, позволяющей с высокой точностью моделировать физические процессы, протекающие в силовых цепях [44].
Как известно, при разработке принципиальных электрических схем замещений исследуемого электротехнического устройства, для упрощения расчетов, принимают ряд допущений.
Основные допущения, принимаемые при математическом моделировании физических процессов в силовой схеме АИЭ, выполненного с использованием АГ и НПЧ: коммутация силовых полупроводниковых приборов происходи і мгновенно; фазная симметрия напряжения источника питания; линейность параметров реактивных элементов схемы замещения. Рассмотренные допущения позволяют с высокой степенью достоверности проводить исследования физических процессов в реальных силовых схемах электротехнических устройств, что подтверждается практикой совпадения результатов расчетов, теоретических и экспериментальных исследований [44].
При исследовании совместной работы автономной системы АГ-НПЧГ применялась трёхфазная схема замещения АГ, а для упрощения расчётов в схеме замещения были исключены элементы роторной цепи и цени намагничивания (рисунок 4.9).
Схема замещения (рисунок 4.9) содержит: трехфазную схему замещения статорных обмоток АГ, выполненную на резисторах Ri - R3. индуктивное іях Lt - L3 и источниках ЭДС Е4, Ев и Ес с подключенными к ним конденсаторами возбуждения и компенсации реактивной мощности нагрузки С/ - Су, трёхфазную схему замещения НПЧ, выполненную на трёх комплектах резисторов ВК1, ВК2 и ВКЗ (R4 - R21) , выходной фильтр Г-образный LC-фильір Ф, выполненный на элементах L4 - L6 и С4 - Се- На рисунке 4.9 показана также нагрузка Н, соединённая по схеме «звезда» и выполненная на элементах L//(, І,ШІ Le но Кил, RUB И RJ/C Следующим этапом математического моделирования является определение параметров схемы замещения. Ниже предлагается методика упрощенного расчета параметров схемы замещения АИЭ, приведённой на рисунке 4.9
Расчёт числа витков, средней длины витка и сечение провода обмотки проводится в следующей последовательности.
Для АГ мощностью до 50 кВА для плотности тока в фазовой обмотке j] х 8+12 А/мм , определяется линейная нагрузка значение которой находится в пределах А &(2+3) 10 А/м, а магнитная индукция в зазоре имеет характерные значения Bs 0,5+1 Тл, и не может быть существенно увеличена, из-за чрезмерного насыщения стали в зубцовой зоне статора [16, 17.
Ветрогазопоршневые электростанции
В настоящее одна из эффективных технологий, основанной на использовании газа для производства электрической энергии, являются электростанции на базе газопоршневых двигателей внутреннего сгорания. Газопоршневые электростанции (ГПЭ) имеют простую и надёжную. Электрический КПД ГПЭ считается высокий, в сравнении с ДЭС, и при работе на качественном природном газе составляет 39 - 44%.
Важной особенностью ГПС является то, что практически все их модели способны работать в режиме когенерации, то есть как тепловые электростанции. Температура выхлопных газов на выходе из силовой машины ГПЭ -390±10С. При этом, электроэнергию и тепловую энергию ГПЭ вырабатываю і одновременно, соотношение выдачи электрической и тепловой энергии / : /. Таким образом, применение ГПЭ в АСЭ расширяет их возможности и значительно повышает КПД системы.
Обычно ГПС используется в сочетании с ВЭУ в случае, когда целью использования последней является повышение надёжности электроснабжения оі-ветственных потребителей и экономия топлива, стоимость которого с учётом расходов на доставку может быть очень высокой. Соотношение мощности компонентов АСЭ зависит от схемы генерирования нагрузки и ресурса ветра.
Режим одновременной параллельной работы ГПС и ВЭУ оценивается как недостаточно эффективный способ использования ВИЭ, поскольку доля участия ВЭУ в системе по мощности не должна превышать 15 - 20% мощности ГПС. Такие режимы можно использовать в комбинированных установках большой мощности для экономии топлива.
Использование режима раздельной работы ГПС и ВЭУ позволяет поднять долю участия ВЭУ до 50 - 60% и более. Однако, в этом случае неизбежно усложнение АСЭ за счёт необходимости введения автоматической системы управления, автономных инверторов и аккумуляторных батарей, которые аккумулируют энергию, вырабатываемую ВЭУ при рабочих скоростях ветра для питания нагрузки в безветренную погоду или при небольших скоростях ветра.
Каждый раз, когда это возможно, электроэнергия вырабатывается за счёч ВЭУ, а АБ непрерывно подзаряжаются. В период ветрового затишья, когда заряд АБ падает ниже определённого уровня, для обеспечения потребителей электроэнергией автоматически запускается ГПЭ. Такой режим значительно снижает количество запусков ГПС и, следовательно, ведёт к сокращению затрат на обслуживание и топливные расходы.
Таким образом, перспективным является направление разработки ветро-газопоршневых электростанций. Один из вариантов АСЭ, выполненной на базе ВЭУ и ГПЭ приведена на рисунке 5.3, а. В схеме применяется ветроагрегат В А с асинхронным генератором АГ, который работает постоянно на шину потребителей Ш1. Автоматическая балластная нагрузка БН предотвращает перегрузку ВА при высоких скоростях ветра за счёт снижения частоты вращения до заданного расчётного уровня. Газопоршневая электростанция, содержащая газопоршневой двигатель ГПД и синхронный генератор СГ, который также подключён к шине Ш1 и работает постоянно, обеспечивая реактивной энергией асинхронный генератор АГ. Допускается полная {100%) доля нагрузки ветрога-зопоршневой электростанции.
Экономия топлива ГПЭ будет определяться степенью снижения потребления топлива при частичной загрузке ГПД. Экономия топлива будет небольшой, но имеет повышенную надёжность работы.
В рассмотренной АСЭ в конструкцию ГПЭ могут быть внесены изменения: между ГПД и СГ устанавливается соединительная муфта М и инерционный аккумулятор (механический маховик). Это нужно в том случае, когда ветер сильный и ВА один способен обеспечить требуемую потребителям мощность, ГПЭ прекращает работу и муфта М разъединяет инерционный аккумулятор ИЛ с синхронным генератором СГ от ГПД. Ротор синхронного генератора будет продолжать вращение, обеспечивая асинхронный генератор АГ реактивной энергией.
Когда развиваемая мощность ВА начинает превышать потребность потребителей энергии, автоматически включается регулируемая балластная нагрузка БН, обеспечивая снижение частоты тока {50Гц). Инерционный аккумулятор ИЛ обеспечивает некоторое сглаживание частоты тока и ускоряет процесс запуска ГПД при уменьшении скорости ветра, не допуская значительного снижения частоты тока в автономной сети. Как правило, инерционный аккумулятор И А обеспечивает расчётную мощность не более 3 секунд, т.е. только на период запуска ГПД.
Основным достоинством АСЭ (рисунок 5.3, а) является то, что система управления имеет минимум электронного оборудования. Экономия топлива здесь существенно возрастает благодаря тому, что при благоприятных ветровых потоках ГПЭ не работает и не расходует топливо.
Ветро-газопоршневая электростанция (рисунок 5.3, б) имеет в своём составе аккумуляторные батареи АБ. ВЭУ передаёт электроэнергию через выпрямитель В и автономный инвертор АН к потребителям электроэнергии (шина Ш2). Выпрямитель также выполняет функции зарядного устройства АБ. Ёмкость АБ может быть различной: в одних случаях емкость АБ рассчитывается исходя из условия обеспечения работоспособности АСЭ при перерывах в электроснабжении от ВЭУ в течение нескольких минут, а в других - считается не обходимым иметь АБ, обеспечивающие работоспособность системы в течение 2 - 3 часов.
В случае недостатка электроэнергии для обеспечения нужд поіреби іелей недостающая часть поступает от АБ. В случае избытка энергии производился питание потребителей и заряд АБ. При штилевой погоде и при слабом ветре работает ГПЭ в режиме обеспечения потребителей необходимой мощностью и заряда АБ.
АСЭ, выполненная по схеме, приведённой на рисунке 5.3, б, позволяем максимально экономить топливо. Значительно повышается надежность работы АСЭ при применении компьютеров и, соответственно, программного обеспечения в управлении системой, в том числе контролю её параметров.
Похожие диссертации на Стабилизатор напряжения и частоты тока повышающий эксплуатационные характеристики ветроэлектрических установок агропромышленного комплекса
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
