Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние вопроса и задачи исследования 10
1.1 Возобновляемые источники энергии 10
1.2 Состояние и перспективы развития ветроэнергетики 13
1.3 Автономные источники питания и ВЭУ для АПК 17
1.4 Анализ систем генерирования энергии для ВЭУ 25
1.5 Обоснование использования асинхронного генератора в системе генерирования энергии для ВЭУ 32
1.6 Методы стабилизации напряжения и частоты автономного асинхронного генератора 37
1.8 Экологические аспекты ветроэнергетики 46
1.7 Краткие выводы и задачи исследования 48
2 Имитационное моделирование системы автономного электроснабжения 50
2.1 Принципы применения системного анализа для исследования систем автономного электроснабжения 50
2.2 Анализ системы автономного электроснабжения 52
2.2.1 Анализ с применением аппарата когнитивного моделирования 52
2.2.2 Анализ с применением аппарата теории игр 58
2.3 Аналитико-имитационное моделирование системы автономного электроснабжения 64
2.3.1 Моделирование нагрузки потребителя 67
2.3.2 Моделирование ветровой нагрузки на примере Краснодарского края 71
2.3.3 Моделирование ветроэнергетической установки 78
2.3.4 Аналитико-имитационная модель системы автономного энергоснабжения 88
2.4 Методика расчета средней вырабатываемой мощности ВЭУ 90
2.5 Выводы 99
3 Повышение эффективности системы генерирования энергии для ВЭУ 100
3.1 Пути повышения эффективности систем генерирования энергии для ВЭУ 100
3.2 Разработка алгоритма энергоэффективной системы генерирования энергии для ВЭУ на основе многоскоростного асинхронного генератора 102
3.3 Разработка обмотки многоскоростного асинхронного генератора 106
3.4 Расчет обмотки многоскоростного асинхронного генератора 116
3.5 Расчет емкости конденсаторов возбуждения 120
3.5.1 Расчёт параметров обмотки и ветви намагничивания для 2р ~ 8 124
3.5.2 Расчёт параметров обмотки и ветви намагничивания для 2р — А 125
3.6 Стабилизация частоты многоскоростного асинхронного генератора.. 126
3.7 Выводы 130
4 Результаты имитационного моделирования и испытаний многоскоростного асинхронного генератора 131
4.1 Методика и основные результаты имитационного моделирования 131
4.2 Методика и результаты испытаний многоскоростного асинхронного генератора 134
4.2.1 Исследование в режиме двигателя 134
4.2.2 Исследование в режиме генератора 139
4.3 Выводы 144
5 Экономическое обоснование примененрія вэу для электроснабжения объектов АПК 145
5.1 Экономические аспекты применения ветроэнергетики 145
5.2 Исследование экономической эффективности различных вариантов системы автономного электроснабжения 147
Общие выводы 155
Литература 157
Приложения 172
Приложение А 173
Приложение В 178-
ПриложениеС 188
Приложение D
- Состояние и перспективы развития ветроэнергетики
- Анализ системы автономного электроснабжения
- Разработка алгоритма энергоэффективной системы генерирования энергии для ВЭУ на основе многоскоростного асинхронного генератора
- Методика и результаты испытаний многоскоростного асинхронного генератора
Введение к работе
Развитие индивидуальных и фермерских хозяйств, возрастающий дефицит электроэнергии, повышение цен на традиционные энергоносители дали новый импульс исследованиям в области возобновляемых источников энергии. Подготовлен и находится на рассмотрении в Государственной Думе РФ Закон о развитии возобновляемой энергетики в России [106,107]. Исследования в области возобновляемых источников энергии финансируются по различным грантам и специальным инвестиционным программам.
Дефицит электроэнергии в Краснодарском крае, частично компенсируемый вводом новых энергоблоков Ростовской АЭС, влечет за собой веерные отключения электроэнергии. Такие отключения весьма негативно воспринимаются потребителями, своевременно оплачивающими электроэнергию.
Применение в системах автономного электроснабжения ветроэнергетических установок становится все более перспективным с развитием новых технологий.
Анализ существующих отечественных и зарубежных разработок в области ветроэнергетики показывает, что имеется ряд проблем, снижающих эффективность использования ветроэнергетических установок (ВЭУ) в системах автономного электроснабжения. При этом проблемы можно разделить на три группы: методические, технологические и финансовые. Методические связаны с недостаточностью проработки методик выбора структуры систем автономного электроснабжения, недостаточностью данных о ветровой нагрузке, нагрузке потребителя и других факторах, оказывающих влияние при принятии решения о структуре и месте размещения системы. Технологические проблемы связаны как с необходимостью повышения эффективности самой ВЭУ, так и систем генерирования энергии и устройств, обеспечивающих совместную работу компонентов системы автономного электроснабжения. Финансовые проблемы связаны прежде всего с низкой конкурентоспо-
собностью возобновляемой энергетики и низкими ценами на электроэнергию централизованного электроснабжения и сельскохозяйственную продукцию.
Работа отвечает Федеральному закону об энергосбережении и «Концепции развития механизации, электрификации и автоматизации сельскохозяйственного производства России на период до 2005 г.»
Настоящая работа выполнена в соответствии с планом научно-исследовательских работ КубГАУ по темам «Снижение энергозатрат и повышение эффективности электромагнитных аппаратов и источников питания для новых условий сельскохозяйственного производства», 1996-2000 гг., «Разработка и исследование энергосберегающих технологий, оборудования и источников электропитания для АПК», 2001-2005 гг.
Целью работы является разработка теоретических положений и средств создания систем автономного электроснабжения сельскохозяйственных потребителей, включающих ВЭУ малой мощности и обеспечивающих бесперебойное получение электроэнергии.
Объектом исследования является автономная система электроснабжения, включающая ветроэнергетическую установку с многоскоростным асинхронным генератором.
Предметом исследования является имитационная модель автономной системы электроснабжения и макетный образец многоскоростного асинхронного генератора.
Методика исследования включает аналитические и экспериментальные методы. Аналитические методы исследования базируются на современной теории работы асинхронных машин, аппарате имитационного моделирования, системного анализа и теории игр, а также методиках определения экономической эффективности результатов научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ. Экспериментальные исследования проводились с помощью специально разработанного стенда, на опытных образцах асинхронного генератора в лаборатории кафедры электрических машин и электропривода Кубанского государственного аграрного университета.
7 Научная новизна заключается
в разработке имитационной модели системы автономного электроснабжения сельскохозяйственного объекта, позволяющей установить соотношение количества электроэнергии, получаемой от ВЭУ и резервного источника;
в уточнении методики расчета средней вырабатываемой мощности ВЭУ, позволяющей определить среднегодовую вырабатываемую мощность ВЭУ для технико-экономических расчетов;
в разработке алгоритма энергоэффективной системы генерирования электроэнергии ВЭУ;
в разработке принципиальной схемы обмотки многоскоростного асинхронного генератора, обеспечивающей устойчивое возбуждение генератора на разных частотах вращения ротора.
На защиту выносятся следующие основные положения работы:
имитационная модель системы автономного электроснабжения, включающая модели ветровой нагрузки, потребителя, резервного источника питания и алгоритм системы управления;
уточненная методика расчета средней вырабатываемой мощности ВЭУ с горизонтальной осью вращения;
алгоритм системы генерирования энергии ВЭУ на основе многоскоростного асинхронного генератора;
технико-экономическое обоснование автономной системы электроснабжения.
Практическую ценность работы представляют разработанные имитационные модели компонентов системы автономного электроснабжения, позволяющие снизить расходы на НИОКР при разработке систем автономного электроснабжения, включающих ВЭУ малой мощности; уточненная методика расчета средней вырабатываемой мощности ВЭУ с горизонтальной осью вращения, позволяющая более точно проводить технико-экономические расчеты при принятии решения о структуре системы автономного электроснаб-
8 жения; принципиальная схема обмотки многоскоростного асинхронного генератора, обеспечивающая устойчивое возбуждение на разных частотах вращения ротора; алгоритм системы генерирования энергии ВЭУ, обеспечивающий эффективное использование энергии ветрового потока.
Реализация результатов исследования. Разработана имитационная модель системы автономного электроснабжения сельскохозяйственного объекта. Различные варианты ВЭУ с многоскоростными АГ предложены на инновационный конкурс проектов молодых ученых Департамента образования Краснодарского края. Методика имитационного моделирования принята ВНИПТИМЭСХ для использования при проектировании систем автономного электроснабжения на базе ВЭУ, АЧГАА и кафедрой ЭМиЭП КубГАУ для использования в учебном процессе; изготовление опытных образцов многоскоростных асинхронных генераторов производится в цехе по ремонту электрооборудования филиала «Нефтемашсервис» Северского района Краснодарского края.
По результатам исследований в 2001 г. был выигран двухгодичный грант первой степени в краевом конкурсе: «Лучшая научно-техническая и творческая работа среди студентов и аспирантов высших учебных заведений Краснодарского края» на тему: «Разработка ветроэлектростанции с резервным источником питания», получен диплом первой степени IV региональной научно-практической конференции молодых ученых «Научное обеспечение АПК».
Апробация работы. Основные положения и результаты исследований доложены и одобрены на ежегодных научных конференциях КубГАУ в 1997 - 2003 гг.; второй Всероссийской научно-молодежной школе в Москве «Возобновляемые источники энергии», 2000 г.; 1-й и 2-й Российской научно-практической конференции «Физико-технические проблемы создания новых технологий в агропромышленном комплексе» в Ставрополе в 2001 и 2003 г.; Всероссийской научно-технической конференции ВНИПТИМЭСХ в 2003 г. в Зернограде.
9 Публикации результатов работы. Основные положения диссертации
опубликованы в 16 печатных работах, в том числе 1 патенте Российской Федерации на изобретение и 2 положительных решениях о выдаче патента на изобретение. Результаты прикладных исследований и испытаний по теме представлены в 3 научных отчетах по госбюджетным темам.
Объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы и приложений. Содержит 156 страниц основного текста, включая 76 рисунков, 26 таблиц и 4 приложения.
Состояние и перспективы развития ветроэнергетики
«Европейская энергетическая хартия», принятая 17 декабря 1991 года как политическая декларация 53 государств во многом предопределила направление развития энергетики Европы и мира в целом. Так, одним из положений хартии является обеспечение экологически чистого производства электроэнергии, которое возможно только в случае применения возобновляемых источников энергии [99].
Одним из наиболее перспективных видов возобновляемой энергетики является ветроэнергетика. Во всем мире примерно с 1980 года наблюдается непрерывный рост установленной мощности ВЭУ. В таблице П В. 1 приведены данные об установленной мощности ВЭУ в различных странах мира [159].
По данным [159], каждый МВт установленной мощности обеспечивает работой от 15 до 19 человек. При этом число рабочих мест, создаваемых в отрасли по мере ввода новых мощностей, по прогнозам EWEA- Европейской ветроэнергетической ассоциации — к 2010 году составит порядка 512000. В таблице ПВ.2 приведены данные прогноза EWEA относительно числа рабочих мест в ветроэнергетике. Большинство стран Европы имеют четкую программу развития ветроэнергетики, которая, как правило, заключается в следующем. 1. Государственная поддержка отрасли, инвестиции в производство и научные исследования, связанные с возобновляемой энергетикой и ветроэнергетикой в частности. 2. Поддержка отрасли на законодательном уровне, предусматривающая принятие законов, связанных с возобновляемой энергетикой и ветроэнергетикой в частности. 3. Предоставление различных налоговых и других видов льгот компаниям, производящим оборудование для возобновляемой энергетики. Так, в Нидерландах освоение энергии ветра осуществляется под эгидой Национальной программы исследований и развития ветровой энергетики [132]. В рамках государственных субсидий, выплачиваемых владельцам ВЭУ, выделяется особая «экологическая премия». С другой стороны, при планировании строительства новых ВЭУ учитываются проблемы шумового загрязнения окружающей среды, изменения экологической ситуации в районе строительства, изменения эстетической ценности ландшафта и рационального использования земельных ресурсов.
В большинстве программ по развитию возобновляемых источников энергии ставится задача достичь определенного количества электроэнергии, получаемой от возобновляемых источников. Например, в США, Великобритании, Нидерландах, Дании, других странах Европейского Союза ставится задача достижения примерно 10 % от общего баланса выработки электроэнергии за счет энергии ветра [118].
Объем мирового производства энергетических средств для использования возобновляемых источников энергии оценивается примерно в 60 млрд. долларов с ростом примерно 10 % в год [86].
Из стран Европейского Союза наиболее развита ветроэнергетика в Германии и Дании. Установленная мощность ВЭУ в Германии составляла в конце 2001 года 8753 МВт, что составляет около 45 % общей установленной мощности ВЭУ в Европе. Кроме того, в Германии расположены крупные предприятия по производству ВЭУ, на долю которых в сумме приходится до 16 % процентов мирового производства ВЭУ - Enercon, Таске и другие. В таблице П В.З приведены данные роста установленной мощности ВЭУ в Германии.
В 80-х годах на долю Дании приходилось до 45 % мирового экспорта ВЭУ. Дания первой в Европе после нефтяного кризиса 1970-х годов приступила к широкомасштабному использованию энергии ветра с целью выработки электроэнергии. В Дании располагаются крупнейшие в мире производители ВЭУ, среди которых Westas, Mikon, Bonus, Nordtank и другие. На долю датских фирм приходится около 50 % мирового производства ВЭУ и оборудования для ветроэнергетики [130, 99]. В таблице П В.4 приведены данные об установленной мощности ВЭУ в Дании.
В настоящее время доля электроэнергии, получаемой от ВЭУ в Дании составляет примерно 13 % [160]. На рисунке 1.2 приведены показатели роста потребления электроэнергии от ВЭУ с 1983 года.
В США ветроэнергетика развивается достаточно интенсивно, хотя в последние годы рост установленной мощности несколько замедлился. Еще в 19 веке на многих американских фермах ветроустановки использовались для подъема воды, а в 20 веке и для генерации электрической энергии. В США, как ни в какой другой стране, распространены малые ВЭУ, мощностью до 10 кВт. Такие установки небольшой мощности выпускает множество компаний.
Второе направление развития ветроэнергетики США - строительство крупных ветропарков (wind farms). Только в штате Калифорния сосредоточено около 200 ветропарков, установленная мощность ВЭУ в этом штате превышает 2000 МВт. При этом темпы роста установленной мощности ВЭУ в США значительно ниже европейских. В первую очередь это связано с тем, что в штате Калифорния уже эксплуатируются многочисленные ВЭУ, работающие совместно с энергосистемой, а в других штатах развитие ветроэнергетики либо не предусматривается соответствующими энергетическими программами, либо нерентабельно с экономической точки зрения [51].
Развитие ветроэнергетики в России и странах бывшего СССР находится практически на начальном уровне. Весьма развитая в 40-50 годах ветроэнергетика с постепенной электрификацией удаленных районов утратила свое значение к 80 годам и лишь на рубеже 90-х к развитию ветроэнергетики вновь вернулись на правительственном уровне. Вопросы возобновляемой энергетики освещены в работах Шефтера Я.И., Виссарионова В.И., Стребко-ва Д.С., Саплина Л.А., Симанкова B.C., Харитонова В.П., Воронина СМ., Фомичева В.Т., Муругова В.П. и других.
Фундаментальные исследования аэродинамики ВЭУ, осуществленные в ЦАГИ, заложили основу современных ветротурбин с высоким коэффициентом использования энергии ветра. Однако жесткая ориентация на большую гидроэнергетику и угольно-ядерную стратегию и почти полное невнимание к новациям и экологическим проблемам надолго затормозило развитие ветроэнергетики.
Выпускаемые «Ветроэном» (в то время единственным предприятием, выпускающим ВЭУ) ветроустановки не отвечали современным требованиям и представлениям высоких технологий ветроэнергетической индустрии. Толчком для дальнейшего продвижения и создания современного ветроэнергетического оборудования стала федеральная научно-техническая программа «Экологически чистая энергетика». Для участия и получения финансирования были отобраны лучшие проекты ветроэнергетичесих установок различных классов по мощности. Были разработаны проекты ветроагрегатов мощностью до 30 кВт, 100 кВт, 250 кВт, 1250 кВт.
Анализ системы автономного электроснабжения
Для моделирования систем автономного электроснабжения использовались различные методы. Так, рассматривалась задача выбора соотношения мощностей ВЭУ, РИП и управляемого электроводонагревателя в качестве аккумулятора избытков ветровой энергии, при котором достигалась бы наибольшая экономия органического топлива в суточном интервале времени [73]. Решение поставленной задачи сводилось к нахождению максимума целевой функции при выполнении заранее определенных условий. Этот подход ограничен во-первых, невозможностью учета некоторых качественных факторов, во-вторых, сильной привязкой к конкретной системе (ВЭУ — РИП -электроводонагреватель - потребитель). Вообще, методы, аналогичные примененному в [73] весьма хорошо работают при следующих условиях: система устойчива и полностью определена количественно; есть статистические данные, позволяющие провести анализ численными методами. Функционирование любой сложной системы, ее взаимодействие с окружающей средой, как правило, невозможно представить в виде одних только количественных характеристик, зависимостей и пр. Такие системы характеризуются наличием неопределенностей, качественными параметрами, неоднозначностью последствий тех или иных решений. Применение системного анализа для исследования таких систем определяется, как правило, типом проблем, возникающих при анализе сложной системы. Все проблемы принято классифицировать [36, 125] как структурированные, слабоструктурированные и неструктурированные.
Структурированными считают проблемы, в которых существенные за висимости ясно выражены и могут быть представлены в числах или симво лах. Слабоструктурированные проблемы характеризуются наличием как ка чественных, так и количественных элементов. К этому классу проблем относится большинство задач технического, экономического, политического ха рактера. Неструктурированными проблемами считаются такие проблемы, выразить которые можно главным образом в качественных признаках и характеристиках, не поддающиеся количественному описанию и численным оценкам [36, 125].
При решении слабоструктурированных проблем необходима интуиция, опыт, ассоциативность мышления. Для этого необходимо привлечение зна-ний экспертов - специалистов высшей квалификации в данной области. Извлечение знаний экспертов, которые неструктурированны и неформализова-ны - отдельна задача, которая решалась в кибернетике, информатике, например, при построении предметных экспертных систем. На современном этапе развития науки одним из методов использования знаний экспертов при noli строении математических моделей является когнитивный анализ. Слабоструктурированная задача может быть структурирована (процесс концептуализации) в несколько этапов [36, 60]. 1. Разрабатывается структура полученных знаний о предметной области; определяется список основных понятий (концептов) о предметной облас-ти; 2. выявляются отношения между концептами; 3. определяются связи предметной области (системы) с окружающим миром; 4. разрабатывается неформальное описание знаний о предметной об ласти (системе), которую можно наглядно изобразить в виде графа, таблицы и т.д. таким образом, на этом этапе проблема структурирована, и к ней может быть применен известный математический аппарат. На основе исследования на четвертом этапе определяются стратегии принятия решений в предметной области. Рассматриваемая методология синтезирует системный и когнитивный подходы и является универсальным научным инструментарием понимания поведения сложных систем [25, 36].
В соответствии с предложенной методологией рассмотрим систему автономного электроснабжения объекта АПК (фермерского хозяйства, полевого стана и т.д.) в случае отсутствия или нарушения централизованного электроснабжения. Предложенная методика может быть эффективна на этапе предварительного планирования системы, когда необходимо принять решение о структуре системы в условиях частичной неопределенности.
Определим набор концептов для последующего анализа. 1. VI — количество электроэнергии, получаемой от ВЭУ (кВт ч); 2. V2 - количество электроэнергии, получаемой от РИП (кВт ч); 3. V3 — емкость аккумулирующих устройств (А ч); 4. V4 - кинетическая энергия ветра, с учетом неравномерности посту-пления; 5. V5 - коэффициент (функция, например, от времени года, суток и прочего), учитывающий вероятность совпадения графика нагрузок потребителя и графика поступления ветровой энергии. Сделаем следующее допущение. Максимальное совпадение графика нагрузки и графика поступления ветровой энергии достигается при коэффициенте Кс = 1, минимальное совпадение при Кс = 0; 6. V6— коэффициент, учитывающий желаемую потребителем надежность электроснабжения. Сделаем следующее допущение. Максимальная надежность электроснабжения достигается при коэффициенте Кн = 1, мини мальная надежность Кн = 0; 7. V7 — коэффициент, учитывающий экологичность получаемой электроэнергии. Сделаем следующее допущение. Максимальная экологичность (минимальный ущерб окружающей среде) достигается при коэффициенте Кн = 1, минимальная экологичность Кэ = 0; 8. V8 — срок возврата инвестиций 9. V9 — выработка электроэнергии Определенные выше концепты предназначены для построения когнитивной карты. Понятие когнитивной карты является исходным в когнитивном анализе и моделировании сложных ситуаций. Когнитивная карта представляет собой схему причинно-следственных связей объекта исследования. С математической точки зрения когнитивная карта представляет собой знаковый ориентированный граф [36, 60].
Когнитивная карта отображает только факт влияния факторов друг на друга. При этом в ней не отображается ни детальный характер этих влияний, ни динамика изменений влияний в зависимости от изменения ситуации, ни временные изменения этих факторов [36].
Для учета этих обстоятельств необходим переход на следующий уровень структуризации информации, представленной на когнитивной карте -переход к когнитивной модели. На этом уровне связь между концептами раскрывается до соответствующего уравнения, которое может содержать как количественные переменные (измеряемые), так и качественные (неизмеряе-мые). Количественные переменные входят в модель в виде численных значений; качественным переменным ставится в соответствие совокупность лингвистических переменных, отображающих различные состояния этих переменных на шкале [0,1].
Разработка алгоритма энергоэффективной системы генерирования энергии для ВЭУ на основе многоскоростного асинхронного генератора
Эффективность ВЭУ в районах с невысокими средними скоростями ветра может быть увеличена за счет следующих основных решений. 1. Повышение коэффициента использования энергии ветра. Может быть достигнуто за счет улучшения аэродинамики ветроколеса, лопастей и всей конструкции ВЭУ в целом. В настоящее время одним из основных направлений исследований здесь является применение новых синтетических материалов для лопастей [141, 143, 154]. 2. Расширение рабочего диапазона ВЭУ. Задача частично решается за счет улучшения конструкции ВЭУ и частично за счет повышения эффективности системы генерирования энергии [141,154]. 3. Повышение эффективности использования ветрового потока. Основным направлением здесь является (кроме описанных выше) исследование различных систем улавливания и концентрации ветрового потока [115,117]. 4. Применение различных систем аккумулирования энергии для питания потребителей в безветренные периоды и компенсации недостающего количества энергии при низких скоростях ветра.
Рассмотрим один из вариантов повышения эффективности системы генерирования за счет использования в ней многоскоростного асинхронного генератора. В гл. 2 были рассмотрены зависимости мощности на валу ветроколеса от угловой скорости его вращения и скорости ветра. Проанализируем их более подробно. На рис. 3.1 представлены зависимости мощности на валу ВЭУ от скорости вращения ветроколеса при различных скоростях ветра. Данные для зависимостей были получены на модели, аналогичной рассмотренной в [65].
Предположим, что при скорости ветра v=12 м/с ветроколесо вращается с угловой скоростью примерно 30 рад/с, рабочая точка А. Быстроходность при этом равна (2.26) Z = 6,25. При повышении скорости ветра до v = 15 м/с и поддержании системой регулирования угла установки лопасти постоянной угловой скорости ветроколеса, рабочая точка перемещается в точку В. При этом видно, что максимум отбора мощности может быть достигнут при перемещении в точку С, что может быть достигнуто повышением угловой скорости ветроколеса до примерно 50 рад/с, однако при этом нужно пропорционально увеличить скорость вращения вала генератора, что приведет к изменению характеристик генерируемого тока. Это не принципиально для систем, в которых используется схема генератор-выпрямитель-инвертор, однако для системы с асинхронным (синхронным) генератором такое изменение нежелательно. Одним из вариантов решения этой проблемы является использование многоскоростного АГ, что позволит при значительном изменении скорости вращения просто изменять число пар полюсов, максимально используя при этом генератор. При снижении скорости ветра до v=12 м/с рабочая точка переместится в точку D, дальше процесс изменения угловой скорости вращения аналогичен описанному выше. Таким образом, применение подобной схемы позволит повысить эффективность системы генерирования на 5-12 % в зависимости от средней скорости ветра.
Указанные выше недостатки известных схем генерирования потребовали разработки нового алгоритма функционирования системы генерирования электроэнергии для ВЭУ.
Наиболее существенной задачей при проектировании систем генериро-вания энергии для ВЭУ является задача максимального использования энергии ветра. Эту задачу можно условно разделить на две подзадачи. Первая из них предполагает максимальное использование энергии приходящего потока. Для этого используются различные устройства и методы - механизмы слежения за направлением ветра, аэродинамическое регулирование частоты вращения ветроколеса и другие. Вторая подзадача предполагает использование энергии ветра в максимально широком диапазоне скоростей. Одной из проблем при этом является поддержание стабильной частоты тока генератора.
Известные методы стабилизации частоты переменного тока при пере-меннои скорости вращения можно разделить на три группы: 1. Переменная скорость вращения ветроколеса преобразуется в постоянную скорость вращения генератора. Основным способом в этом случае является аэродинамическое регулирование скорости вращения ветроколеса. Недостатком этого метода является ограниченный диапазон регулирования. 2. Стабильная частота тока обеспечивается генератором определенной конструкции. Недостатком этого способа является необходимость применения дополнительных устройств и снижение общего КПД ВЭУ. 3. Для поддержания стабильной частоты тока используются статиче ские преобразователи частоты. Недостатком этого способа является относи тельная сложность и высокая стоимость дополнительных устройств.
Предлагаемое решение основывается на комбинированном использовании первого и второго методов. Для повышения эффективности системы генерирования энергии за счет расширения диапазона скоростей ветра и максимально эффективного использования мощности генератора предлагается использовать сочетание многоскоростного асинхронного генератора и электромагнитной порошковой муфты.
Система построена на основе многоскоростного асинхронного генератора. Структурная схема системы приведена на рис. 3.2, а. Примерный алгоритм системы генерирования приведен на рис. 3.2, б. Блоки А и С построены аналогично блоку В. В блоке А применяется только переключение числа пар полюсов, а в блоке С используется схема, обратная блоку В.
Система генерирования энергии при отсутствии нагрузки работает следующим образом. При вращении ветроколеса ВК вращающий момент передается на вал многоскоростного асинхронного генератора МАГ посредством мультипликатора МП и порошковой муфты ПМ. При превышении скорости вращения ротора МАГ номинальной скорости вращения nl (работает обмотка № 1, номинальная скорость, например, 3000 мин-1) частота тока растет, датчик ДЧ фиксирует превышение частоты тока и устройство управления УУ уменьшает электромагнитный момент в ПМ, скольжение в ней возрастает, скорость вращения ротора МАГ падает. Таким образом, достигается стабилизация скорости вращения «сверху», при скоростях выше номинальной (для работающей в данный момент обмотки).
Методика и результаты испытаний многоскоростного асинхронного генератора
Основными задачами исследования генератора в режиме двигателя являются следующие [46,101]. 1. Определение номинальных значений тока и мощности холостого хода; 2. Разделение потерь холостого хода на механические и потери в стали; 3. Определение степени насыщения стали двигателя; 4. Определение кратности начального пускового тока и начального пускового момента; 5. Определение данных, необходимых для построения рабочих диаграмм двигателя.
В качестве приводного двигателя использовалась двигатель постоянного тока и автотрансформатор АТМН с номинальным током 24-32 А. ДПТ через эластичную муфту соединяется с асинхронным генератором. Скорость АГ контролируется тахогенератором, сигнал с которого выводится на датчик скорости. АГ возбуждается от батареи конденсаторов емкостью, рассчитанной выше.
Емкость конденсаторов С1-СЗ составляет 40 мкФ, конденсаторы включены по схеме «звезда», емкость конденсаторов С4—С6 равна 36 мкФ.
Частота генератора контролируется цифровым частотомером. Для контроля тока, напряжения и мощности используется измерительный комплект К-506, заводской номер 227, 1985 г. Активная нагрузка имитируется жидкостным реостатом, а индуктивная нагрузка - индукционным регулятором на базе асинхронного двигателя с фазным ротором.
Для проверки схемы стабилизации емкость дополнительной батареи конденсаторов для компенсации реактивной составляющей нагрузки составила 36 мкФ.
На основании приведенного ранее анализа способов стабилизации напряжения АГ нами предлагается схема, состоящая из выпрямителя и регулирующего элемента, выполненного на транзисторе марки КТ839, выбранного по условию допустимого тока и напряжения. Перспективным способом регулирования напряжения является широтно-импульсная модуляция. Из существующих комплектующих [103] принимаем серийно выпускаемый отечественной промышленностью интегральный регулятор напряжения для бортовой сети автомобиля Я112А на номинальное напряжение 14 В. Этот регулятор может эксплуатироваться при перепадах температуры окружающей среды от - 60 до + 85 С, при вибрациях до 5000 Гц с ускорением до 400 м/с2, многократных ударах с ускорением до 750 м/с2 [151].
Падение напряжения в выходной цепи интегрального регулятора равно 1.7 В, а кратковременное допустимое напряжение 115 В. Допускается максимальное превышение температуры регулятора относительно окружающей среды на 25 С. Допустимая частота переключения у интегральных регуляторов лежит в пределах 25-800 Гц; рассеиваемая мощность 5.1 Вт, масса 50 г. Интегральный регулятор рассчитан на ток 3.3 А при температуре, не превышающей 25 С относительно окружающей среды. Поддерживаемое номинальное напряжение регулятора типа Я112А лежит в пределах 14.1±0.2 В [151].
Для создания напряжения стабилизации регулятора используется согласующий трансформатор из устройства управления комплектного «Клима-тика» ТСУ-3 КЛУЗ. Этот трансформатор имеет на вторичной обмотке несколько отпаек, позволяющих получить на выходе напряжение порядка 16 В. Сопротивлением резистора R1 подбирается жесткость внешней характеристики, а резистор R2 задает исходное напряжение управления.
Исследования проводились следующим образом. Для выбранной емкости снималась чисто активная нагрузка. После включения приводного двигателя скорость вращения доводилась до скорости, при которой частота выходного напряжения равнялась 50 Гц. Далее снималась внешняя характеристика при изменении сопротивления жидкостного реостата. Результаты исследования внешней характеристики приведены в таблице П D.l. Так как чисто активная нагрузка встречается редко, были проведены также исследования внешней характеристики при стандартном cos q = 0.8, принятом при стандартных испытаниях [45, 101]. Такой cos ф был получен с помощью индукционного регулятора. Значение определялось косинусометром (марка, номер). Результаты исследований приведены в таблице П D.2. На основании проведенных исследований был сделан следующий вывод: при включении нагрузки изменение напряжения не превышает 4 %. Согласно ГОСТ 13109-97 такое падение напряжения допустимо для автономных источников питания [37].
Результаты имитационного моделирования позволяют сделать следующие выводы. 1. Разработанные модели ветровой нагрузки для Краснодарского края, нагрузки потребителя и ВЭУ могут быть использованы для исследования систем автономного энергоснабжения в других районах и для учебно-методических целей, при этом параметры моделирования позволяют в широких пределах имитировать реальные условия. 2. Определенные в результате имитационного моделирования номинальные мощности ВЭУ, РИП и емкость АС составляют 3,5 кВт, 3,0 кВт и 970 А ч соответственно. Система с указанными параметрами позволяет обеспечить вероятность получения электроэнергии от ВЭУ и АС в осенне-зимний период 0,59, а в весенне-летний период 0,27. 4. Разработанная схема обмотки многоскоростного асинхронного генератора обеспечивает устойчивое возбуждение при изменении числа полюсов и высокие энергетические показатели. Полученное экспериментальное значение КПД отличается от расчетного не более чем на 4 %. Внешняя характеристика в режиме генератора жесткая.
Инвестирование в любую отрасль, том числе и в ветроэнергетику, требует прогноза динамики цен. Однако не существует простого и общедоступного метода прогнозирования. Единственным надёжным способом прогнозирования является изучение всей доступной информации, касающейся ветроэнергетики, за последние 10-15 лет. Анализ полученных данных дает наиболее правдоподобный прогноз развития отрасли. С небольшими ограничениями, инструмент который мы можем использовать для оценки будущих цен это "learning course theory" [145]. Использование данных и прогнозов из различных источников позволяет предположить, что себестоимость ветроэнер-гии будет составлять 64-74% в 2010 году и около 41-55% в 2020 году по сравнению с среднеотраслевой ценой ветровой электроэнергии в 2000 году. Ветровая электроэнергия станет дешевле электроэнергии получаемой на тепловых электростанциях, использующих ископаемое топливо, уже в 2006 году и это послужит одним из факторов ускоряющим падение себестоимости.
Уже в настоящее время ветровая энергетика близка к тому, чтобы стать конкурентной по ценам с традиционными отраслями энергетики. Особенный интерес в данном случае представляет настоящий снижающийся тренд себестоимости ветровой электроэнергии, который позволяет ценам на ветровую электроэнергию состязаться на равных и даже предлагать более выгодные условия по сравнению с ценами на электроэнергию получаемую из ископаемого топлива. Последние прогнозы, полученные из различных источников, предполагают падение капитальных (инсталляционных) расходов до $600-$990 за один киловатт установленной мощности в 2010 году и до $380-$940 в 2020 году.
