Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА. 1. Состояние и тенденции построения генераторных установок возобновляемых источников энергии - ГУВИЭ 23
1.1. Использование возобновляемых источников механической энергии в мире 23
1.2. Ветровая энергия 23
1.2.1. Запасы энергии ветра 23
1.2.2. Принцип использования ветровой энергии 24
1.2.3. Состояние и тенденции построение ветровых установок 25
1.3. Гидравлическая энергия 29
ГЛАВА 2. Генераторнные установки для возобно вляемых источников механической энергии 32
2.1. Общее положение 32
2.2. Типы систем стабилизации частоты напряжения 33
2.3. Типы генераторных установок для возобновляемых источников 33
2.3.1. Схема генераторной установки для микро и миниэлектростанций мощностью до 750 кВт 33
2.3.2. Схема генераторной установки для микро и миниэлектростанций мощностью до 2500 кВт 37
2.3.3. Схема генераторной установки для электростанций на базе асинхронного генератора с фазной роторной обмоткой возбуждения 39
2.3.4. Схема генераторной установки для электростанций на базе асинхронного генератора с двумя соосными вращающимся сердечниками 41
2.3.5. Генераторная установка для автономных микро и мини электростанций 44
2.3.6. Генераторная установка для автономных электростанций средних мощностей 46
2.3.7. Сетевая генераторная установка 48
ГЛАВА 3. Описание конструктивных схем разработанных генераторных установок и принципы их действия 49
3.1. Общее описание энергетических станций возобновляемых источников механической энергии - ЭСВИМЭ 49
3.2. Бесилотинные гидроэлектростанции 49
3.2.1. Наплавные гидроэлектростанции 49
3.2.2. Деривационные гидроэлектростанции 52
3.3. Ветровые электростанции 55
3.4. Разработанные генераторные установки для возобновляемых источников механической энергии - ГУВЭС 56
3.4.1. Сетевая генераторная установка возобновляемых источников энергии — СГУВИЭ 56
3.4.2. Автономная генераторная установка возобновляемых источников энергии - АГУВИЭ 57
ГЛАВА 4. Математическое описание агувиэ и модель в среде SIMULINK 59
4.1. Система дифференциальных уравнений напряжений обмоток установки по рис. 7 в обобщенной форме 59
4.1.1. Система дифференциальных уравнений напряжений обмоток установки по рис. 7 в преобразованной системе осей координат условна вращающиеся с частотой вращения полей роторов б)п2 59
4.2. Преобразование осей координат при моделировании каскадных генераторных установок 61
4.3. Определение частот вращения полей установки относительно частоты вращения вала 62
4.4. Соотношения полей установки для их условной неподвижности при разных преобразованных системах осей координат 64
4.4.1. Система осей координат условно вращающихся с частотой вращения поля статора возбудителя 64
4.4.2. Система осей координат условно вращающихся с частотой вращения поля ротора возбудителя 66
4.4.3. Система осей координат условно вращающихся с частотой вращения поля ротора главного генератора 67
4.4.4. Система осей координат условно вращающихся с частотой вращения поля ротора главного генератора 68
4.4.5. Система осей координат условно вращающихся с частотой вращения вала установки 70
ГЛАВА 5. Расчет статических характеристик 74
5.1. Расчет параметров схемы замещения генераторной установки СГУВИЭ 76
5.1.1. Возбудитель — асинхронный преобразователь частоты 76
5.1.2. Главный генератор - асинхронизированный синхронный генератор 77
5.2. Приведение параметров статоров установки к роторным цепям 78
5.2.1. Параметры статора возбудителя приведенные к цепи ротора 78
5.2.2. Параметры статора ГТ приведенные к цепи ротора 79
5.3. Параметры схемы замещения установки СГУВИЭ в относительных единицах 81
5.4. Действительные токи и напряжения установки СГУВИЭ 81
5.5. Уравнения напряжений установки по одной фазе 82
5.6. Фазное напряжение образуемой замкнутой цепи роторных обмоток установки 82
Программа расчета статических характеристик в среде Matlab 84
Аналитический метод прогнозирования вибраций 93
Обозначения 108
Заключение по
Литература 113
Приложение 121
- Состояние и тенденции построение ветровых установок
- Схема генераторной установки для электростанций на базе асинхронного генератора с фазной роторной обмоткой возбуждения
- Автономная генераторная установка возобновляемых источников энергии - АГУВИЭ
- Определение частот вращения полей установки относительно частоты вращения вала
Введение к работе
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы.
В связи с медленным, но неизбежным исчерпанием ресурсов основных энергоносителей, в первую очередь, нефти и газа, а также ограниченностью перспектив развития гидро- и атомной энергетики, во многих странах мира ведутся исследования по расширению использования альтернативных энергоносителей: торфа, горючих сланцев,. битумов, нетрадиционных газов, энергии тепла земли, солнца, ветра, океана, биосинтеза и др. В ряде стран в этом направлении достигнуты определенные успехи: из угольных пластов добывается метан, работают солнечные, ветровые и геотермальные электростанции, из отходов вырабатывается биогаз, из биомассы получают моторное топливо и т.д. Работы по использованию альтернативных энергоносителей ведутся и в России.
По оценкам специалистов, технический потенциал возобновляемых источников энергии составляет порядка 4,6 млрд. т. у. т. в год, то есть в пять раз превышает объем потребления всех топливно-энергетических ресурсов России, а экономический потенциал определен в 270 млн. т. у. т. в год, что немногим более 25 процентов от годового внутреннего потребления, энергоресурсов в России. В настоящее время экономически целесообразный потенциал возобновляемых источников энергии существенно увеличился в связи с подорожанием традиционного топлива. Но пока использование альтернативных энергоносителей в основном сопровождается рядом трудностей, в том числе подорожанием киловатт-часа, загрязнением окружающей среды и т. п.
В настоящее время мировая проблема производства электроэнергии лежит в использовании возобновляемых источников энергии, в снижении себестоимости киловатт-часа, полученного на базе возобновляемых
источников, в увеличении мотивации энергетиков использовать возобновляемые источники, в снижении загрязнения окружающей среды при производстве и при потреблении электроэнергии.
Перспективы развития современного экономичного использования энергетических ресурсов и экологически чистого производства электроэнергии во многом определяются успехами в области разработки и создания бесплотинных гидроэлектрических станций (ГЭС) и ветроэлектрических станций (ВЭС), которые являются более подходящими для достижения указанной цели.
Существуют многообразные конструкции ГЭС и ВЭС. Бесплотинные наплавные и погружные ГЭС, работающие на свободном течении воды, и деривационные ГЭС, преобразующие кинетическую и потенциальную энергию воды в электрическую. ВЭС, преобразующие энергию ветра в электрическую.
К сожалению, эти станции не получили распространения из-за их относительно высокой капитальной стоимости, так как включают сравнительно большое количество оборудования и из-за проблемы с их серийным производством. Нередко они выполняются по индивидуальным проектам в зависимости от географических параметров места проектируемой электрической станции (ЭС).
Эффективность работы, надежность, гибкость, уменьшение массогабаритных показателей, получение максимального КПД, простота эксплуатации и уменьшение стоимости таких ЭС во многом зависят от используемого типа генераторных установок. В связи с этим энергетики активно предпринимают поиски и исследования в области создания новых видов электрических станций на основе нетрадиционных возобновляемых источников, которые не загрязняют атмосферу и позволяют избежать санкций международной организации энергетики против производства энергии на базе исчерпанных и загрязняющих источников энергии. Бесплотинная гидроэнергетика и ветроэнергетика среди нетрадиционных возобновляемых источников являются наиболее используемыми и наиболее перспективными.
Этой области посвящено множество работ, которые базируются на общем принципе: преобразование механической энергии ветра и воды в электрическую энергию. Использование механической энергии воды для получения электроэнергии только с помощью плотинных ГЭС не всегда целесообразно из-за их высокой стоимости и бывает технически трудно реализуемо. Например, преобразование механической энергии озер, океанов, морей и широких рек (река Конго, Амазонка ...) в электрическую энергию традиционными методами построения ГЭС с плотинами является слишком дорогостоящим и технически почти нереализуемым.
Актуальной является задача разработки генераторных установок, имеющих преимущества асинхронных и синхронных генераторов. Достаточно простые установки, спроектированные в расчете на продолжительный режим работы, имеющие улучшенные массогабаритные показатели с усиленным охлаждением, могут быть конкурентно способны с традиционными электростанциями в зависимости от географического положения, плотности населения, климатических факторов, наличия инфраструктуры.
Создание и внедрение автономных генераторов должно сопровождаться целым рядом изменений в подходе к конструированию и эксплуатации элементов этих установок. Нежелательным будет применение промежуточных устройств с переменным передаточным отношением для стабилизации частоты вращения вала установки, мультипликаторов скорости вращения для увеличения скорости вращения вала установки, дополнительных механических решений, а также наличие скользящих контактов в электрических машинах.
Устойчивость и эффективность работы, обеспечение нужных выходных электрических параметров на меняющихся скоростях, также при малых скоростях вращении вала установки без электронных преобразователей частоты, расширяет диапазон единично установленной мощности установки и диапазон рабочих скоростей, что позволяет осуществлять серийное производство.
Уменьшение количества оборудования в составе установки, отсутствие электронных приборов, в том числе инверторов в силовых цепях (только лишь для защиты и дистанционного управления через понижающий трансформатор), подключение простых неуправляемых электронных приборов с использованием транзисторов вместо управляемых тиристоров на стороне возбуждения —все это повышает мощность и срок службы станции, уменьшает возможные аварии, связанные с выходом из строя электронных приборов, так как эти приборы быстрее выходят из строя*по сравнению с электрическими машинами. Промежуточные отключения станции с целью преодоления аварий тоже сокращаются, сроки промежуточных и капитальных планированных ремонтов увеличиваются. Станции, спроектированные с такими генераторными установками, имеют повышенную надежность.
Указанным условиям удовлетворяют предлагаемые в данной работе генераторные установки.
Цель и задачи работы. Задачей настоящей диссертационной работы является разработка генераторной установки, позволяющей уменьшить себестоимость киловатт-часа электроэнергии возобновляемых источников с целью формирования мотивации использования возобновляемых источников энергии, позволяющих выработать чистую электроэнергию, которая носит название «зеленая» электроэнергия.
Для достижения указанной цели в диссертации были рассмотрены и решены следующие вопросы:
Теоретическое рассмотрение малой электрической станции как необходимый элемента энергосистемы;
«Зеленая» электроэнергия и введение «зеленого» сертификата в производстве электроэнергии;
Разработка генераторных установок стабильной частоты генерируемого напряжения без электронных преобразователей частоты при переменных частотах вращения вала;
Повышение установленной мощности генераторной установки для
' 10
11 возобновляемых источников энергии;
Разработка требований к построению генераторных установок для осуществления их серийного производства;
Расширение диапазона рабочих скоростей электрических станций возобновляемых источников.
Научная новизна диссертационной работы состоит в следующем:
Сформулированы принципы создания генераторных установок, обеспечивающие расширение диапазона регулирования частоты выходного напряжения при переменных частотах вращения вала;
Разработаны схемы генераторных установок для работы асинхронных машин при повышенных скольжениях;
Предложены матрицы, описывающие зависимости частот вращений
магнитных полей обмоток машин каскада по схемам:, синхронная —
асинхронная электрические машины и асинхронная - асинхронная
электрические машины, подходящие для любой комбинации чисел пар
полюсов. А также матрица, описывающая зависимость частот вращения
магнитных полей обмоток обобщенного каскада электрических машин при
любом соотношении чисел пар полюсов, при любой частоте питаемого тока
(постоянный ток или переменный);
разработаны математические модели в среде Simulink, позволяющие исследовать динамические процессы различных каскадов электрических машин, в том числе, синхронно-асинхронный и при двух асинхронных машинах;
выполнены аналитические описания, математическое и физическое моделирование электромеханических преобразователей механической энергии созданных возобновляемых источников при стабильной и при переменной частоте их движения.
предложены схемы замещения каскада асинхронных машин, позволяющие эффективно рассчитывать характеристики установки в установившихся режимах.
Практическую ценность представляет следующее:
Сформулированы принципы реализации схем и ограничений при создании автономных электрических установок для определенного класса возобновляемых источников энергии.
Анализ работы разработанной установки при пониженном напряжении возбуждения.
Анализ зависимости электрических потерь в роторе разработанной установки при больших скольжениях.
Проведено исследование физических моделей генераторных установок на базе синхронного генератора и на базе каскада двух асинхронных машин.
Методы исследований. При математическом описании процессов в рассматриваемой электромеханической системе использовалась вращающаяся система координат со скоростью вращения, совпадающей со скоростью вращения одного из магнитных полей. В работе созданы математические модели разработанных установок на базе схем замещений и систем уравнений асинхронной машины, трансформатора и синхронной машины. Для облегчения задачи решения дифференциальных уравнений была составлена система с минимальным количеством дифференциальных уравнений, а также преобразующая дифференциальные уравнения установки с периодическими параметрами в дифференциальные уравнения с постоянными параметрами с помощью предложенной для этой цели матрицы преобразования систем осей координат обмоток каскадных электрических машин. Была разработана математическая модель с помощью среды Simulink и программного пакета Matlab. Экспериментальным методом на базе трехкаскадного соединения асинхронных машин, в котором одна машина выполняет роль турбины, было подтверждено функционирование разработанной схемы стабилизации частоты выходного напряжения без применения электронных приборов при переменных частотах вращения вала установки и питании обмотки возбуждения возбудителя напряжением и током сетевой частоты. Была построена и введена
в эксплуатацию бесплотинная наплавная микро ГЭС на свободном течении воды на реке Конго.
Достоверность полученных результатов следует из адекватности и корректности примененных теоретических и вычислительных методов. Она подтверждается результатами экспериментальных измерений опытного образца на базе двух асинхронных машин. Подтверждение результатов позволяет сделать вывод о работоспособности схемы генераторной установки» объединяющей синхронный генератор и электромеханический преобразователь частоты, содержащий асинхронизированную синхронную машину, асинхронный преобразователь частоты и инвертор со звеном постоянного тока на входе обмотки возбуждения возбудителя.
Реализация результатов работы. Разработанные установки позволяют создать надежные электрические станции, не требующие постоянного обслуживания. Срок их службы определяется сроками службы используемых электрических машин. В отличие от традиционных установок, которые, как правило, устанавливаются в помещениях, разработанные в данной диссертации установки могут работать в погружных и наплавных условиях, а также на высоте до сотен метров, где их обслуживание затруднено. Затруднения в обслуживании являются крупным недостатком, как для производителя энергии, который должен работать в трудных условиях, так и для потребителей (клиентов), которым на длительное время могут отключать энергию. Это часто встречается при использовании синхронных генераторов с контактными кольцами, которые требуют специального обслуживания.
В научном плане предложенные математические модели в среде Matlab и Simulink позволяют исследовать каскадные соединения электрических машин.
Электростанции на основе данных генераторных установок позволяют экономично и экологически чисто вырабатывать электроэнергию там, где традиционными методами это практически
14 мало реально. Трудности объясняются техническими и технологическими особенностями в их реализации и эксплуатации из-за необходимости больших денежных вложений. К таким местам относятся океаны, моря, широкие и мощные реки, озера, так как построение плотин в этих условиях практически невозможно.
На сегодняшний день по требованиям международной организации электроэнергии энергетики обязаны перейти на использование возобновляемых источников энергии. По разработанным ею правилам, производителей «зеленой» энергии (чистой энергии) награждают «зелеными» сертификатами (ценная бумага), стоимость которых зависит от количества произведенной энергии, а производителей энергии с помощью атомных электростанций, ядерных электростанций, топливных электростанций, плотинных гидроэлектростанций и т. п., которые вредны для окружающей среды, наказывают штрафами. Введенные штрафы рентабельно платить «зелеными» сертификатами, которые можно приобрести только у производителей «зеленой» электроэнергии. В итоге часть денежных эквивалентов, полученных штрафами, выдается производителям зеленой энергии с целью приближения себестоимости киловатт-часа «зеленой» электроэнергии к себестоимости киловатт-часа электроэнергии, полученной традиционными методами.
Разработанные генераторные установки с равным успехом могут быть использованы для ветро- и гидроустановок с повышенной единичной мощностью, а также на транспорте, морской и авиационной технике. Установки могут быть успешно применены для стран центральной Африки, которые имеют колоссальные неиспользуемые водные энергоресурсы из-за отсутствия финансов и неэксплуатируемьге из-за технических и технологических трудностей, переживаемых этими странами.
Что касается республики Конго, разработанные установки откроют путь к решению проблем электрификации страны при условии согласия
15 властей государства. Традиционными способами неразумно вырабатывать энергию на реке Конго, средняя ширина которой составляет 5 км. и средний дебит 50000 м/с. Аналогичная ситуация встречается и в некоторых странах Центральной Африки, таких как Камерун, Ангола, Демократическая Республика Конго, Габон и Центральноафриканская Республика, а также в странах Южной Америки и некоторых Азиатских странах.
Основные результаты и выводы
1. Предложенные и созданные установки существенно расширяют
диапазон мощностей электромеханических преобразователей энергии и
повышают их надежность.
Разработанные установки позволяют создать отдельную сеть при их параллельном подключении, так как обладают строгой идентичностью в частоте выходных параметров при больших и малых скоростях вращения без применения мультипликаторов, а также при любых переменных скоростях вращения.
Установки могут экономично и экологически чисто эксплуатировать энергию различных видов водных источников энергии, так как они работают и в погружном виде в отличие от обычных неспециализированных установок для погружной работы.
Генераторные установки унифицированы.
Установки работают без обслуживающего персонала.
Апробация работы. Результаты работы докладывались на седьмой и восьмой международных научно-технических конференциях студентов и аспирантов г. Москвы в 2001-2002 годах, рассматривались на кафедре электромеханики МЭИ (ТУ), обсуждались на заседаниях лаборатории силовой электроники и электротехники Высшей Центральной Школы в городе Лилле во Франции в 2002-2004 г. По работе была подана заявка на получение патента изобретения. Использованная схема с двумя асинхронными
16 машинами была защищена официальным решением бюро охраны изобретений во Франции. Проведены испытания бесплотинной, наплавной микроГЭС на свободном течении воды на реке Конго и на физической модели, выполненной из двух каскадно-соединенных асинхронных машин.
Публикации. Результаты работы опубликованы в сборниках материалов седьмой и восьмой международных научно-технических конференциях студентов и аспирантов в г. Москве, в 2001, 2002 годах, а также опубликованы две печатные работы.
Основные положения, выносимые на защиту: 1.Сравнение различных схем генераторных установок, используемых на электростанциях для возобновляемых источников, выбор базисной схемы, содержащей каскадные асинхронные машины.
Требования к выбранным схемам генераторных установок для достижения преобразования энергии и стабилизации частоты электрических параметров на выходе установок.
Общие правила определения соотношений частот вращения полей статоров и роторов машин в каскадах, содержащих синхронные и асинхронные машины при любых соотношениях чисел их полюсов.
Принципы действия, конструктивные и математические описания установок, содержащих каскады асинхронных и синхронных машин.
5. Математическое описание и модели установки каскадных асинхронных
и синхронных машин в среде Simulink,
6. Схемы замещения каскада асинхронных машин, позволяющие
эффективно рассчитывать характеристики установки в установившихся
режимах. Алгоритм приведения параметров и расчета приведенных параметров
схемы замещения в относительных единицах.
Структура и состав диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, библиографического списка использованных источников из 102 наименований и трех приложений.
17 Она содержит 120 страниц основного текста, 14 таблиц и 17 иллюстраций.
В первой главе диссертации дан обзор состояния и тенденций построения генераторных установок возобновляемых источников энергии (ГУВИЭ) для ветровых электростанций (ВЭУ) и бесплотинных ГЭС (БПГЭС), их характеристик, экспериментальных и эксплуатационных данных, зарубежных и отечественных достижений в этой области.
Во второй главе предлагаются различные варианты ГУВИЭ на базе синхронных машин, асинхронных машин и на базе каскада этих машин.
В третьей главе описаны конструктивные схемы разработанных генераторных установок, принципы их работы. Составлены системы дифференциальных уравнений, описывающие процессы в этих установках.
В четвертой главе представлено математическое описание установок АГУВИЭ, а также математические модели в среде Siraulink, позволяющие воспроизводить работу данных установок.
В пятой главе изложены методика расчета параметров схемы замещения и полученные результаты расчета характеристик установки в статических режимах.
Применение малых ЭС в энергосистеме
При составлении архитектурной схемы современной системы сети целесообразно обсудить место для малых-, мини- и микро ЭС, без которых система окажется неполноценной. Дискуссия о замене традиционных мощных электростанций маломощными оказывается неправомерной, так как себестоимость киловатт-часа, произведенного от системы с одними маломощными электростанциями, очень велика.
Необходимо изучить вопрос о важности включения малых ЭС в энергосистемы, учитывая при этом выплачиваемую цену в случае производства «чистой» электроэнергии. Это анализ реальной ситуации в области энергетики, который требует хотя бы на первом этапе теоретически ответить на вопросы: возможно и рентабельно ли удовлетворять потребности населения
18 (потребителей) электрической сетью на базе лишь параллельно подключенных мини-, микро- и малых электростанций; есть ли смысл увеличивать долю микро-, мини- и малой ЭС в энергосистемах; каковы их преимущества по сравнению с большими электростанциями.
Традиционная энергетическая система на базе ГЭС обеспечивает электроэнергетические потребности и нужды определенного общественного поселения.
В простой форме традиционная энергетическая система на базе ГЭС включает в себя одну (или несколько) большую электростанцию, электрическая часть которой оборудована мощными повышающими трансформаторами, включая все дополнительные аксессуары и необходимое оборудование для надежности работы станции.
Для правильной оценки необходимо учитывать наличие: плотины, водохранилища и все здания; расходы на переселение населения при создании водохранилища; линий электропередач высокого, среднего и низкого напряжения; распределительных подстанций (подстанции среднего напряжения.) и подстанций собственных нужд (подстанции низкого напряжения).
Кроме известных вредных влияний на экологию, есть множество не учитываемых, так как их проявление не очень ощутимо и незначительно по сравнению с вышеперечисленными воздействиями на окружающую среду. Например, во Франции экологи доказали в 2003 году, что сброшенная в реки горячая вода, используемая для охлаждения ядерных станций, нарушает биологическое состояние среды, губит подводную фауну и флору, приводит к нарушению водного баланса рек.
Приобретение и установка оборудования электрической части станции, в том числе генераторных установок и трансформаторов с аксессуарами, турбин, трансформаторов, построение плотины, водохранилища и все здания; расходы на переселение населения при создании водохранилища; построение линий
электропередач высокого, среднего и низкого напряжения; установка распределительных подстанций (подстанции среднего напряжений) и подстанций собственных нужд (подстанции низкого напряжения), электрическая часть которых оборудована мощными повышающими трансформаторами, включая все дополнительные аксессуары и необходимое оборудование для надежности работы станций, создают значительные экономические затраты и огромный ущерб окружающей среде, представляют собой огромные препятствия при выполнении проектов электрификации.
Плотины ГЭС создают препятствия водному транспорту. Гидроэлектрическая плотина - это заграждение, предназначенное для контроля уровня воды, для стабилизации и создания резерва потенциальной энергии. По своей геометрической форме плотина препятствует свободной навигации всех видов водного транспорта и обитателей водной фауны, нарушает свободное течение воды.
Загрязняя и разрушая биологическую структуру воды, ГЭС с плотиной нуждается в создании резерва воды (водохранилища) для стабилизации необходимого потока воды. Для этого в резерве должен иметься некоторый не изменяющийся объем воды, позволяющий регулировать дебит воды на камере установленной турбины. Это означает, что на определенной глубине резерва вода застаивается. Застоявшаяся вода: резерва создает изменения в биологической структуре застойной воды, препятствуя нормальному развитию подводной жизни. Она заражает подводную флору и фауну, находясь в резерве, так как в ней образуются разновидности вредных бактерий. С другой стороны огромная, созданная водой поверхность, находясь под солнечными излучениями, усиливает теплоту атмосферы, особенно в странах с потенциально высокой годовой солнечной энергией.
Водохранилище занимает наземное пространство, которое могло бы быть использовано для других целей [56], [58], [67]: оно занимает некоторую площадь, которая могла быть занята, например, растительностью,
20 уничтожаемой во время строительства водохранилища. Это наземное пространство могло бы служить для других целей, таких как сельское хозяйство, создания инфраструктуры, одним словом, выпадает из хозяйственного оборота.
Несмотря на уровень, достигнутый в области построения мощных ГЭС, их строительство требует вложения колоссальных денежных средств из-за высокой стоимости выполняемых работ при строительстве станции (плотина и водохранилище), оплаты обслуживающего персонала гидроэлектростанции, стоимость выполняемых ремонтных работ. К этому следует добавить длинный строительный период, который создает большую задержку при исполнении проектов, начало которых невозможно без электроэнергии, производимой строящейся ГЭС.
При проведении сравнительных экономических расчетов системы сети большой мощности с сетью малой мощности, нужно учитывать для мощных систем следующие расходы:
на переселение населения при создании водохранилища;
на содержание системы, изучение и составление проекта осуществляемой системы сети;
на незапланированные (в случае аварии) и планируемые ремонты;
на содержание, в том числе оплату труда обслуживающего персонала на протяжении всего периода существования системы;
- на оборудование и материалы линий электропередач, в том числе медь,
алюминий, сталь, которые становятся дефицитными, что увеличивает их
стоимость. Часто эти линии электропередач тянутся на протяжении сотен и
иногда тысяч километров в тех необитаемых районах, где линии
электропередач соединяют удаленные населенные пункты;
- на затраты и ущерб в аварийных ситуациях на линиях электропередач.
Ущерб возрастает в случае, когда населенные пункты на долгое время могут
оставаться без электроэнергии, что в индустриальных странах наносит
21
огромный ущерб не только энергетическим компаниям, но и предприятиям,
заводам, которые не могут осуществлять свое производство без
электроэнергии, в том числе больницы и т. д. Причины длительного времени отсутствия электроэнергии в случае аварий на линиях не только в отсутствии денежных средств для проведения ремонта, которые являются важным фактором, но также из-за трудной доступности к местам аварии, так как место прохождения линий электропередач со времени ее создания до момента аварии (5-15 лет, иногда и более) очень часто подвергается географическим изменениям из-за климатических явлений, таких как: дожди, наводнения, таяние льдов, ураганы, землетрясения и т.п., вследствие чего они становятся недоступными.
- на затраты на строительство резервных линий электропередачи.
- время на выполнение работ по осуществлению проекта составления
системы сети;
Рентабельность традиционной плотинной ГЭС зависит от следующих жестко-связанных критериев:
дебит реки на месте строительства гидростанции;
поперечное сечение места строительства плотины;
генерируемая мощность ГЭС;
необходимая потребителям мощность, которая в основном уступает генерируемой мощности станции;
если дебит относительно малый по сравнению с поперечным сечением реки на месте расположения плотины, то инвестируемые денежные средства для строительства необходимых сооружений гидростанции становятся слишком значительными относительно энергопотенциала реки, в таком случае срок окупаемости гидростанции становится очень длительным и соответственно станция не рентабельна;
в случае, когда дебит велик по сравнению с геометрией реки, но
22 энергопотенциал реки намного выше необходимой потребителям энергии, то либо станцию строят с запасом энергии, когда не включают все турбины, а лишь столько, сколько надо для производства необходимой потребителям энергии. Такая станция имеет длительный срок окупаемости и она нерентабельна, пока не появятся новые потребители для включения запасных турбин. В таком случае лучше всего создать бесплотинную ГЭС или ВЭС требуемой мощности.
Только учитывая все эти факторы можно дать оценку, какую ГЭС выгодно строить в каждом отдельном случае, учитывая при этом расстояние между рекой и местом нахождения населенного пункта.
Величина необходимой мощности строящейся МГЭС не учитывает возможности будущего повышения потребностей энергопотребления населенного пункта.
Состояние и тенденции построение ветровых установок
Кроме известных вредных влияний на экологию, есть множество не учитываемых, так как их проявление не очень ощутимо и незначительно по сравнению с вышеперечисленными воздействиями на окружающую среду. Например, во Франции экологи доказали в 2003 году, что сброшенная в реки горячая вода, используемая для охлаждения ядерных станций, нарушает биологическое состояние среды, губит подводную фауну и флору, приводит к нарушению водного баланса рек.
Приобретение и установка оборудования электрической части станции, в том числе генераторных установок и трансформаторов с аксессуарами, турбин, трансформаторов, построение плотины, водохранилища и все здания; расходы на переселение населения при создании водохранилища; построение линий электропередач высокого, среднего и низкого напряжения; установка распределительных подстанций (подстанции среднего напряжений) и подстанций собственных нужд (подстанции низкого напряжения), электрическая часть которых оборудована мощными повышающими трансформаторами, включая все дополнительные аксессуары и необходимое оборудование для надежности работы станций, создают значительные экономические затраты и огромный ущерб окружающей среде, представляют собой огромные препятствия при выполнении проектов электрификации.
Плотины ГЭС создают препятствия водному транспорту. Гидроэлектрическая плотина - это заграждение, предназначенное для контроля уровня воды, для стабилизации и создания резерва потенциальной энергии. По своей геометрической форме плотина препятствует свободной навигации всех видов водного транспорта и обитателей водной фауны, нарушает свободное течение воды.
Загрязняя и разрушая биологическую структуру воды, ГЭС с плотиной нуждается в создании резерва воды (водохранилища) для стабилизации необходимого потока воды. Для этого в резерве должен иметься некоторый не изменяющийся объем воды, позволяющий регулировать дебит воды на камере установленной турбины. Это означает, что на определенной глубине резерва вода застаивается. Застоявшаяся вода: резерва создает изменения в биологической структуре застойной воды, препятствуя нормальному развитию подводной жизни. Она заражает подводную флору и фауну, находясь в резерве, так как в ней образуются разновидности вредных бактерий. С другой стороны огромная, созданная водой поверхность, находясь под солнечными излучениями, усиливает теплоту атмосферы, особенно в странах с потенциально высокой годовой солнечной энергией.
Водохранилище занимает наземное пространство, которое могло бы быть использовано для других целей [56], [58], [67]: оно занимает некоторую площадь, которая могла быть занята, например, растительностью, уничтожаемой во время строительства водохранилища. Это наземное пространство могло бы служить для других целей, таких как сельское хозяйство, создания инфраструктуры, одним словом, выпадает из хозяйственного оборота.
Несмотря на уровень, достигнутый в области построения мощных ГЭС, их строительство требует вложения колоссальных денежных средств из-за высокой стоимости выполняемых работ при строительстве станции (плотина и водохранилище), оплаты обслуживающего персонала гидроэлектростанции, стоимость выполняемых ремонтных работ. К этому следует добавить длинный строительный период, который создает большую задержку при исполнении проектов, начало которых невозможно без электроэнергии, производимой строящейся ГЭС.
При проведении сравнительных экономических расчетов системы сети большой мощности с сетью малой мощности, нужно учитывать для мощных систем следующие расходы: - на переселение населения при создании водохранилища; - на содержание системы, изучение и составление проекта осуществляемой системы сети; - на незапланированные (в случае аварии) и планируемые ремонты; - на содержание, в том числе оплату труда обслуживающего персонала на протяжении всего периода существования системы; - на оборудование и материалы линий электропередач, в том числе медь, алюминий, сталь, которые становятся дефицитными, что увеличивает их стоимость. Часто эти линии электропередач тянутся на протяжении сотен и иногда тысяч километров в тех необитаемых районах, где линии электропередач соединяют удаленные населенные пункты; - на затраты и ущерб в аварийных ситуациях на линиях электропередач. Ущерб возрастает в случае, когда населенные пункты на долгое время могут оставаться без электроэнергии, что в индустриальных странах наносит огромный ущерб не только энергетическим компаниям, но и предприятиям, заводам, которые не могут осуществлять свое производство без электроэнергии, в том числе больницы и т. д. Причины длительного времени отсутствия электроэнергии в случае аварий на линиях не только в отсутствии денежных средств для проведения ремонта, которые являются важным фактором, но также из-за трудной доступности к местам аварии, так как место прохождения линий электропередач со времени ее создания до момента аварии (5-15 лет, иногда и более) очень часто подвергается географическим изменениям из-за климатических явлений, таких как: дожди, наводнения, таяние льдов, ураганы, землетрясения и т.п., вследствие чего они становятся недоступными.
Схема генераторной установки для электростанций на базе асинхронного генератора с фазной роторной обмоткой возбуждения
В основном генераторные установки возобновляемых источников энергии (ГУВИЭ) реализованы на базе синхронных машин, асинхронных машин, каскада синхронной-асинхронной машины и каскада двух асинхронных машин.
В ВЭУ и БПГЭС нашли широкое применение синхронные генераторы (СГ) относительно большой мощности, а в автономных ВЭУ и БПГЭС - в основном СГ малой мощности, с возбуждением от постоянных магнитов.
Асинхронные генераторы (АГ) оказались весьма эффективными с технической и экономической точек зрения и широко применяются в ВЭУ и в БПГЭС. Диапазон мощностей АГ, используемых в современных нетрадиционных источниках энергии равен десяткам кВт до 2500 кВт.
Машино-вентильные системы генерирования электроэнергии нашли широкое применение в ВЭУ и в БПГЭС. Они обеспечивают наиболее высокие технические и энергетические характеристики ВЭУ и БПГЭС и выполняются в трех вариантах: синхронный генератор - транзисторный преобразователь частоты (СГ-ТПЧ); асинхронный генератор — транзисторный преобразователь частоты (АГ-ТПЧ); транзисторный преобразователь частоты - асинхронный генератор с фазным ротором, в цепи ротора которого подключается 1114 (ТПЧ-АГ). Система СГ-ТПЧ находит применение в установках любого класса мощности в диапазоне от десятков ватт до 750 кВт, Система ТПЧ-АГ имеет высокие технико-экономические и эксплуатационные показатели, находит применение в установках любого класса мощности в диапазоне от десятков кВт до 2500 кВт.
Система стабилизации частоты напряжения нетрадиционных источников энергии классифицирована на три группы.
К первой группе стабилизации частоты относятся механические решения поддержания постоянной частоты вращения, как то: регуляторы угла атаки лопастей, мультипликаторы с автоматическим ступенчатым регулированием коэффициента редукции, мультипликаторы с плавным коэффициентом редукции.
Ко второй группе стабилизации частоты можно причислить электрические решения поддержания постоянной частоты выходного напряжения. Переменное напряжение нестабильной частоты генератора с помощью ТПЧ со звеном постоянного тока преобразуется в постоянное напряжение, а постоянное - в переменное стабильной частоты. Существуют, в основном, два конструктивных варианта; СГ-ТПЧ и АГ-ТПЧ. К третьей группе стабилизации частоты следует отнести электромеханические решения поддержания постоянной частоты выходного напряжения, здесь используют возможности асинхронных машин с фазным ротором и ТПЧ, включенного в цепь ротора этих машин, а также электромагнитных и механических регуляторов частоты вращения- Система стабилизации частоты, относящаяся к третьей группе, позволяет различные виды энергии нетрадиционных источников с плавающей частотой объединять в малую автономную энергосистему. Схема генераторной установки для микро- и мини-электростанций мощностью до 750 кВт Конструкция: На рис.1 показана структурная схема ГУВИЭ на базе синхронного генератора, где на выходе синхронного генератора установлен ТПЧ со звеном постоянного тока. Генерируемый ток переменной частоты выпрямляется в постоянный, затем инвертируется в переменный ток требуемой частоты. Синхронная частота вращения ротора достигается за счет установки мультипликатора между валом турбины и валом синхронного генератора. Принцип работы: При вращении ротора синхронного генератора с переменными скоростями поле ротора, созданное постоянными магнитами, индуктирует в обмотке статора ЭДС переменной частоты. При подключении нагрузки к обмотке статора по ней протекает ток. Если нагрузка подключена к обмотке статора без преобразователя частоты, то ток нагрузки имеет переменную частоту из-за изменения скорости вращения вала ротора. Если нагрузка подключена по рис.1, то установленный преобразователь частоты со звеном постоянного тока выпрямляет ток статора переменной частоты в постоянный ток, а потом инвертирует его в переменный необходимой частоты. У генераторной установки такого типа есть преимущество в виде простоты и наличия всего двух элементов оборудования: синхронного генератора и инвертора, работающего без блока управления. При мощности до 750 кВт в качестве генератора используют синхронный генератор с постоянными магнитами без контактных колец (рис.1), а при мощности выше указанной, необходимо использовать другие типы генераторов, позволяющих создать сильные магнитные поля. К таким генераторам относятся синхронные генераторы с комбинированным возбуждением и асинхронные генераторы.
Кроме этих общих недостатков, рассмотренных по отдельности, такие установки имеют дополнительные недостатки, главные из которых: отсутствие регулируемой обмотки, что затрудняет регулирование напряжения нагрузки, так как эта операция выполняется на стороне статора, (например, подключением автотрансформатора); магнитное поле и требования к эксплуатации постоянных магнитов ограничивают мощности установки; наличие мультипликатора ухудшает коэффициент полезного действия установки; наличие автотрансформатора для стабилизации напряжения усложняет конструкцию преобразователя частоты со звеном постоянного тока; наличие сложного преобразователя частоты на стороне нагрузки ограничивает мощность установки, ухудшает её надежность и повышает её стоимость.
Автономная генераторная установка возобновляемых источников энергии - АГУВИЭ
Также как гидроэлектростанции, ветровые электростанции преобразуют механическую энергию ветра в электрическую, они состоят из ветроколеса предназначенного для преобразования разно направленной механической энергии ветра во вращательную механическую энергию. Полученная вращательная механическая энергия преобразуется в электрическую за счет механически связанной с валом ветроколеса генераторной установки.
Разработанные генераторные установки - ГУВЭС позволяют выполнить эту задачу. Они проектируются в двух типах: автономные - АГУВИЭ и сетевые -СГУВИЭ. Разработанные генераторные установки — ГУВЭС выполняются в двух типах: автономные - АГУВИЭ и сетевые - СГУВИЭ. Конструкция: СГУВИЭ (Рис. 7) состоит из двух асинхронных машин с трехфазными обмотками на роторах, с равным числом пар полюсов. Одна машина- асинхронный преобразователь частоты, является возбудителем (В) и возбуждается со стороны статора от источника требуемой для станции частоты, а вторая- асинхронизируемая синхронная машина, является главным генератором (Г) и возбуждается со стороны ротора. Роторы машин насажены на общем валу и их обмотки последовательно соединены с соблюдением чередования фаз. Роторная обмотка возбудителя питает роторную обмотку (возбуждения) главного генератора. В обмотках роторов машин протекает общий ток, а созданные им поля вращаются в одном направлении при соблюдении чередования их фаз. Принцип работы: при питании статорной обмотки возбудителя напряжением частоты сети f по ней протекает ток, который создает магнитный поток частоты вращения О с. Чередование фаз обмотки статора выбрано таким образом, чтобы направление вращения поля статора совпадало с направлением вращения вала установки С0В. Возбудитель рассчитан так, чтобы его критический момент был меньше механического момента, приложенного к валу установки турбиной. Направление и скорость вращения вала установки во всех режимах работы определяются направлением и скоростью вращения турбины. Число пар полюсов возбудителя выбрано так, чтобы частота вращения поля статора возбудителя всегда превышала частоту вращения вала установки. В итоге, в обмотке ротора возбудителя индуктируется ЭДС частоты скольжения fp. Обмотка ротора возбудителя последовательно соединена с роторной обмоткой главного генератора. Конструкция: АГУВИЭ содержит сетевую генераторную установку возобновляемых источников энергии, к которой подключены синхронный подвозбудитель с роторным комбинированным возбуждением рис.б.а. Ротор подвозбудителя насажен на одном валу с роторами асинхронных машин. Обмотка возбуждения ИРЭ обтекается постоянным током от роторной обмотки асинхронного возбудителя АВ через вращающийся выпрямитель. Роторные постоянные магниты ИРЭ служат для гарантии существования остаточного потока магнитного поля в машине (рис.66). Между якорной обмоткой подвозбудителя ИРЭ и статорной обмоткой асинхронного возбудителя АВ подключен шкаф управления, выполняющий дополнительную роль стабилизатора частоты. Принцип работы: при переменных частотах вращения вала вращающее магнитное поле, созданное вращающимися постоянными магнитами! ротора синхронного подвозбудителя ИРЭ, индуктирует в обмотке статора ЭДС переменную частоту. Ток статора переменной частоты выпрямляется с помощью мостового полупроводникового выпрямителя инвертора, далее инвертируется в переменный ток с требуемой частотой. Полученный переменный ток стабильной частоты питает обмотку статора возбудителя АВ. Далее установка АГУВИЭ работает аналогично сетевой установке СГУВИЭ, за исключением того, что роторная обмотка подвозбудителя ИРЭ подключена к роторной обмотке возбудителя АВ через вращающиеся полупроводниковые выпрямители. В такой схеме достигается полная автономность и бесконтактность.
Шкаф управления: В СГУВИЭ шкаф управления содержит защитные устройства, устройства автоматического регулирования напряжения и подключается через понижающий трансформатор. В АГУВИЭ шкаф управления содержит дополнительно к предыдущему неуправляемый инвертор, так как частота тока на выходе инвертора устанавливается соответственно требуемой на выходе станции (задатчик частоты), то такой инвертор не нуждается в управлении. Он содержит мостовой полупроводниковый выпрямитель со стороны якоря синхронного подвозбудителя и инвертор стабильной выходной частоты со стороны питания статорной обмотки возбудителя. Инвертор позволяет питать обмотку возбуждения возбудителя током стабильной требуемой частоты без управляющего блока.
Определение частот вращения полей установки относительно частоты вращения вала
Система стабилизации частоты напряжения нетрадиционных источников энергии классифицирована на три группы. К первой группе стабилизации частоты относятся механические решения поддержания постоянной частоты вращения, как то: регуляторы угла атаки лопастей, мультипликаторы с автоматическим ступенчатым регулированием коэффициента редукции, мультипликаторы с плавным коэффициентом редукции. Ко второй группе стабилизации частоты можно причислить электрические решения поддержания постоянной частоты выходного напряжения. Переменное напряжение нестабильной частоты генератора с помощью ТПЧ со звеном постоянного тока преобразуется в постоянное напряжение, а постоянное - в переменное стабильной частоты. Существуют, в основном, два конструктивных варианта; СГ-ТПЧ и АГ-ТПЧ. К третьей группе стабилизации частоты следует отнести электромеханические решения поддержания постоянной частоты выходного напряжения, здесь используют возможности асинхронных машин с фазным ротором и ТПЧ, включенного в цепь ротора этих машин, а также электромагнитных и механических регуляторов частоты вращения-
Система стабилизации частоты, относящаяся к третьей группе, позволяет различные виды энергии нетрадиционных источников с плавающей частотой объединять в малую автономную энергосистему. синхронного генератора, где на выходе синхронного генератора установлен ТПЧ со звеном постоянного тока. Генерируемый ток переменной частоты выпрямляется в постоянный, затем инвертируется в переменный ток требуемой частоты. Синхронная частота вращения ротора достигается за счет установки мультипликатора между валом турбины и валом синхронного генератора. При вращении ротора синхронного генератора с переменными скоростями поле ротора, созданное постоянными магнитами, индуктирует в обмотке статора ЭДС переменной частоты. При подключении нагрузки к обмотке статора по ней протекает ток. Если нагрузка подключена к обмотке статора без преобразователя частоты, то ток нагрузки имеет переменную частоту из-за изменения скорости вращения вала ротора. Если нагрузка подключена по рис.1, то установленный преобразователь частоты со звеном постоянного тока выпрямляет ток статора переменной частоты в постоянный ток, а потом инвертирует его в переменный необходимой частоты.
У генераторной установки такого типа есть преимущество в виде простоты и наличия всего двух элементов оборудования: синхронного генератора и инвертора, работающего без блока управления. При мощности до 750 кВт в качестве генератора используют синхронный генератор с постоянными магнитами без контактных колец (рис.1), а при мощности выше указанной, необходимо использовать другие типы генераторов, позволяющих создать сильные магнитные поля. К таким генераторам относятся синхронные генераторы с комбинированным возбуждением и асинхронные генераторы. Кроме этих общих недостатков, рассмотренных по отдельности, такие установки имеют дополнительные недостатки, главные из которых: отсутствие регулируемой обмотки, что затрудняет регулирование напряжения нагрузки, так как эта операция выполняется на стороне статора, (например, подключением автотрансформатора); магнитное поле и требования к эксплуатации постоянных магнитов ограничивают мощности установки; наличие мультипликатора ухудшает коэффициент полезного действия установки; наличие автотрансформатора для стабилизации напряжения усложняет конструкцию преобразователя частоты со звеном постоянного тока; наличие сложного преобразователя частоты на стороне нагрузки ограничивает мощность установки, ухудшает её надежность и повышает её стоимость.
