Содержание к диссертации
Введение
1 Современное состояние и перспективы автономных систем электроснабжения на базе ветро-дизельных электрических станций .12
1.1 Современные тенденции развития автономной энергетики 12
1.2 Аналитический обзор существующих схем гибридных электрических станций 19
1.3 Варианты электрического сопряжения ветровых и дизельных электрических станций 22
1.4 Выводы по главе 1 26
2 Моделирование элементов автономных ветро-дизельных электрических станций со звеном постоянного тока 28
2.1 Моделирование дизельной электрической станции 34
2.2 Моделирование ветровой электрической станции : 44
2.3 Моделирование электрической нагрузки потребителя 66
2.4 Выводы по главе 2 69
3 Разработка алгоритмов обеспечения динамической устойчивости и энергоэффективности ветро-дизельных электрических станций 71
3.1 Моделирование рабочих режимов ветроэлектростаиции и обоснование методов повышения ее энергоэффективности в автономных системах электроснабжения 71
3.2 Требования к формированию энергоэффективных и устойчивых режимов работы ветровых электрических станций 76
3.3 Разработка алгоритмов управления режимами работы ветро-дизелъной электрической станции 88
3.4 Выводы по главе 3 з
4 Статическая устойчивость параллельной работы каналов ветровой и дизельной генерации на шине постоянного тока
4.1 Режимы работы генерирующих и преобразовательных устройств на шине постоянного тока 99
4.2 Разработка систем автоматического регулирования и определение их параметров 105
4.3 Экспериментальное подтверждение основных результатов исследований 132
4.4 Выводы по главе 4 135
Заключение 136
Список сокращений и условных обозначений 138
Список литературы
- Аналитический обзор существующих схем гибридных электрических станций
- Моделирование ветровой электрической станции :
- Требования к формированию энергоэффективных и устойчивых режимов работы ветровых электрических станций
- Экспериментальное подтверждение основных результатов исследований
Введение к работе
Актуальность темы исследования. Подавляющее большинство (98%) существующих электрических станции малой энергетики России выполнено на базе дизельных электрических станини, средняя единичная мощность которых составляет 340 кВт.
В общей структуре затрат децентрализованных зон на производство электроэнергии основную долю {50-60%) составляют эксплуатаи ионные издержки на покупку и доставку топлива, что определяет относительно большую топливную составляющую в тарифах на электроэнергию.
Одним из способов повышения энергетической эффективности автономных систем электроснабжения является вовлечение в энергобаланс возобновляемы* источников энергии.
Для децентрализованныч зон России, расположенных преимущественно на территории Сибири, Дальнего Востока, Крайнего Севера, наиболее перспективными являются ветро-дизельные электрические станции (ВДЭС), так как ветроэнергетический потенциал этим регионов достаточно высокий. Например, по данным профессора ГМ1 Безруких, среднее значение экономического потенциала ветровой энергии для Сибирского федерального округа составляет 7,56 млрд. кВтч. для Дальневосточного федерального округа - 12,35 млрд. кВтч.
Крайне нестабильный график электрических нагрузок автономных систем электроснабжения и стохастический характер изменения скорости ветра, соизмеримость мошностей генерирующих и потребляющих энергоустановок определяют динамический характер работы автономной системы электроснабжения на базе ВДЭС сочетающей непрерывно протекающие и взаимосвязанные электрические, электромеханические и аэродинамические переходные процессы.
Исследование и оптимизация структуры и режимов работы автономных систем электроснабжения ветро-дизельных электрических станций является актуальной темой современных исследований. Заметный вклад в разработку этой темы внесли российские ученые Е.М. Фатеев. В.Н. Андрианов, Д.Н. Быстрицкин, Я.И. Шефтер. ГЛ. СипайлОв, B.IL Харитонов, А.В. Паздерин. ДА. Бут, Б.В. Лукутин, украинские ученые B.C. Кривцов, A.M. Олейников. А.И. Яковлев, ряд зарубежных ученых DJ. De Renzo, Ray Huntei, Geoige Elliot. Erich Hau, F. Iov, F. Blaabjerg, Bent Sorensen,
Однако, сложность ВДЭС и стремление максимально повысить энергоэффективность локальных систем электроснабжения на их основе, требуют проведеній новых исследований, особенно в направлении интеллектуальных технологий в электроэнергетике,
Обьеісгом исследования являются автономные ветро-дизельные электрические станции со эвеном постоянного тока.
Предметом исследования является устойчивость генерирую ших установок автономных ветро-дизельных электрических станций со эвеном постоянного тока при изменении скорости ветра и/или мощности нагрузки.
Цель диссертационной работы заключается в разработке алгоритмов управления ВДЭС со звеном постоянного тока, обеспечивающих устойчивые энергоэффективные режимы ее работы.
Для достижения поставленной цели решены следующие ЇЛДЛЧН
Проведен комплексный анализ вариантов сопряжения генерирующего оборудования ветро-дизельных электрических станций, в результате которого определены наиболее перспективные схемы подключения источников питания в системах распределенной генерации с возобновляемыми источниками энергии.
Разработаны оригинальные математические и компьютерные модели элементов ветро-дизельных электрических станций, позволяющие исследовать и формировать динамически устойчивые, энергоэффективные режимы работы ВДЭС.
Разработаны и реализованы в вше компьютерных программ алгоритмы формирования динамически устойчивых энергоэффективных режимов ветроэлектростанцни, входящей есостав ВДЭС.
- Разработаны системы автоматического регулирования h обеспечивающие
Статическую устойчивость на шине постоянного тона формируемых режимов работы ВДЭС,
определены их параметры и выполнено экспериментальное подтверждение предлагаемых решении.
Идея работы заключается в формировании устойчивых и энергоэффект! і вных режимов работы генерирующих установок ветровой и дизельной электрических станций в составе автономных систем электроснабжения.
Методы псследовавня. При выполнении работы использовались методы анализа и систематизаинн данных, фундаментальные законы электротехники, методы математического моделирования систем, методы физического моделирования, методы статистической обработки информации, теории вероятностей. При исследовании использовались прикладные пакеты программ MaiIabT MaihCAD.
Научная новизна работы.
Созданы оригинальные математические модели элементов ветро-дизел ьной электростанции, основанные на рациональном сочетании динамических и статическим характеристик основного силового оборудования ВДЭС.
Разработаны алгоритмы управлення силовым оборудованием ветроэлектростаниии,. обеспечиваю шиє устойчивый режим ее работы при максимальном использовании энергии ветра.
Разработаны системы регулирования для обеспечения статической устойчивости ВДЭС со звеном постол иного тока для режимов работы, формируемых алгоритмами динамической устойчивости при оптимальной загрузке каналов ветровой и дизельной генерации.
Практическая значимость работы.
Разработана методика расчета аэродинамических характеристик ветротурбин с горизонтальной осью вращении пропеллерного типа по каталожным данным.
Разработан пакет прикладных программ для исследования статических и динамических характеристик энергоустановок ВДЭС, позволяющих определить рациональный состав энергооборудоваши, исследовать его режимы, провести оптнмігзацию технических параметров и оценить экономическую эффективность ВДЭС как на заданных временных интервалах, так и в режиме реального времени,
Предложена структура ВДЭС С независимыми контурами регулирования напряжения и тока для обеспечения статической устойчивости и повышения энергетической эффективности при параллельной работе ветровой и дизельной электростанций.
Достоверность результатов работы.
В результате выполнения диссертационной" работы полученные научные результаты, выводы и рекомендации основываются на общепринятых фундаментальных положениях рассматриваемых областей наук, правильностью принятых допущений, адекватностью разработанных моделей, подтверждаемых результатами экспериментов.
Реал таи ня результатов работы- Результаты работы внедрены в образовательный пронесе по направлению подготовки «140400 - Электроэнергетика и электротехник а» при разработке методических пособий для курсовых и лабораторных работ и практических занятий по магистерским программам "Возобновляемые источники энергии», «Оптимизация развивающихся систем электроснабжения» и «Производство и транспортировка
Электрической энергии ».
Диссертационное исследование проводилось в рамках выполнения гос. контрактов по федеральным целевым программам чНаучные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2ОО9-2013 голы» и Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-теянологнческого комплекса России на 2007-2012 годы» по темам «Интеллектуальные автономные системы электроснабжения на базе гибридных, ветро-дизельных установок» (П627 от J8.052010 г.) и "Гибридные системы буферного накопления электроэнергии для автономных энергоустановок возобновляемой энергетики & (ГК. 16-516.11.6033 от 21-0^.2011 г.) соответственно. Диссертационнаи работа выполнена также в
рамка* государственного задания Министерства образования и науки РФ по приоритетным направлениям науки и техники (регистрационный номер НИР 7.5245.2011; номер государственной регистрации 01201254010 от 15,032012). Кроне того, результаты работы использовались при выполнении хоз. договорных работ с ФГАОУ ВПО Северо-Восточный федеральный университет им. М.К. Аммосова по темам *Обзор и классификация типовых схем автономный систем электроснабжения» (х/д № 2-403/12 от 29.06.2012 г.}н «Анализ эффективности объектов автономного электроснабжения северных территории Российской Федерации" (х/д Ла 2-404/12 от 29.06.2012 г,), «Влияние климатических условий на режимы автономньк систем электроснабжения» (х/д № 2-405/12 от 29.06.2012 г.), «Формирование критериев энергоэффективности автономных систем электроснабжения^ (х/д № 2-406/12 от 29.06.2012 г,), «Методы повышения энергоэффективности автономных систем электроснабжения в условиях Севера* (х/д № 2-407/12 от 29.06.2012 г.)ч хоз. договорная работа с ОАО «Сахазнерго» на тему «Разработка методов и средств повышения энергетической эффективности комплексов децентрализованного электроснабжения Республики Саха (Якутия)* (№2-402/12 от 01.07.2012 г.). Также результаты работы использовались при выполнении хоз. договорной работы с ООО «ЭЛЕМЕНТ» на тему ^Разработка долгосрочной целевой программы Сахалинской области «Развитие малой энергетики Сахалинской области на период до 2020 года*, а также создания условий для ее реализации» (х/д № 2-360/13 от 28.02.2013 г.).
Основные научные положення работы, выносимые на їящиту:
Математические и компьютерные модели элементов автономной системы электроснабжения на базе ветро-дизельной электростаниии для исследования ее статических и динамических режимов работы в условиях стохастического изменения ветрового потока и мощности изолированного потребителя.
Автоматизированный алгоритм управления ВДЭС. обеспечивающий устойчивость и энергоэффективность в динамических режимах работы при изменении мощности нагрузки и скорости ветра,
Система регулирования каналов ветровой и дизельной генерации на шине постоянного тока и параметры регулирующих устройств.
Апробация р л боты. Основные результаты диссертационного исследования
докладывались и обсуждались на международными всероссийских и региональных
конференциях и семинарах в России, Казахстане и Кыргызстане: X Межрегиональная
научно-практическая конференция молодых ученых, аспирантов и студентов, г, Нерюнгри,
2009 г.; Международная научная конференция молодых ученьге, студентов и школьников
IX Сатпаевские чтения», г, Павлодар. 2009 г.; IX Российская научная конференция
преподавателей, аспирантов, студентов вузов и учащихся старших классов альтернативных
учебных заведений «Мировая культура и язык: взгляд молодых исследователей», г. Томск,
2009 г.; V Международная молодежная научная конференция "Тин чур и не кие чтениям, г.
Казань. 2010 г,; Международная научно-техническая конференция «IV чтения Ш. Шокина»,
г. Павлодар. 2010 г.; XVI Международная научно-практическая конференция студентов,
аспирантов и молодых ученых ^Современные техника и технологии», г. Томск. 2010 г.;
Между народная научно-техническая конференция «Знергобезопасность и
энергоэффективность: состояние и проблемы», г. Бишкек. 2011 r.;XVI[[ Международная научно-практическая конференция студентов и молодых ученых «Современные техника и технологии», г. Тонек, 2012 г.; XII Международная научная конференция «Интеллект и наука*, г. Железногорск, 2012 г.; Международная научная конференция молодых ученых, студентов и школьников «XII Сатпаевские чтения», г. Павлодар, 2012 г.; Международная научно-техническая конференция *V Шокинские чтениям, г. Павлодар. 2012 r.;V Всероссийская научно-техническая конференция «Электроэнергия: от получения и распределения до эффективного использования», г. Томск. 2012 г.
Публикации. По теме диссертационного исследования опубликовано 19 работ, из них 5 в рецензируемых изданиях, рекомендованньк ВАК РФ.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав. заключения, приложений, содержащих 152 страницы основного текста. 5 таблиц, 99 рисунков и списка литературы из 111 наименований.
Аналитический обзор существующих схем гибридных электрических станций
Таким образом, по существующим прогнозам развития электроэнергетики наблюдается увеличение доли ВИЭ в общей структуре энергетических балансов как отдельных регионов, так и стран в мире. Среди известных источников возобновляемой энергетики наиболее динамично развивающимся источником является ветроэнергетика. Это подтверждается следующими фактами [28]: с 1995г. установленная мощность ветроэлектрических станций возросла более, чем в 12 раз (с 4,8 до 59 ГВт), при этом среднегодовой ее прирост составляет порядка 11-15 ГВт или 28-31%, а годовой объем инвестиций более 13 млрд. евро. Во многих государствах за последние 10-15 лет ветроэнергетика стала высокотехнологичной и экономически эффективной. Наибольшие успехи ветроэнергетика демонстрирует в странах Европы: Дания, Германия, Испания, Великобритания, Норвегия [29].
По оценке [29; 30], Россия обладает колоссальным ветроэнергетическим ресурсом, экономический потенциал которого по всей территории составляет 71,7 млрд. кВт-ч/год.
Ветровые зоны России, пригодные для нужд ветроэнергетики, расположены, в основном, на побережье и островах Северного Ледовитого океана от Кольского полуострова до Камчатки, в районах Нижней и Средней Волги и Каспийского моря, на побережье Охотского, Баренцева, Балтийского, Черного и Азовского морей. Отдельные ветровые зоны расположены в Карелии, на Алтае, в Туве, на Байкале [30].
Развитие «большой» ветроэнергетики в России сдерживается отсутствием инфраструктуры, необходимой для размещения крупных ВЭУ и чрезвычайно низкой плотностью населения децентрализованных зон, а соответственно, и небольшим уровнем энергопотребления.
С этой точки зрения, значительно больший интерес представляют ВЭС малой мощности, к которым традиционно относят электростанции, установленной мощностью до 100 кВт. Именно такие ВЭС необходимы в большинстве случаев для практического использования в составе локальных систем электроснабжения децентрализованных потребителей РФ [13].
Техническая и экономическая эффективность и конкурентноспособность с традиционной энергетикой возобновляемых источников энергии определяет рациональность и масштабы их .применения в системах электроснабжения. В сравнении с источниками энергии на органическом топливе неоспоримыми преимуществами ВИЭ являются их практически неисчерпаемость, повсеместное распространение многих из них, отсутствие топливной составляющей и вредных выбросов в окружающую среду. Однако, на сегодняшний день, ВИЭ более капиталоемкие, и имеют относительно малую долю в общем энергопроизводстве (кроме крупных гидроэлектростанций). Тем не менее во многих странах мира интерес к нетрадиционным и возобновляемым источникам энергии стабильно высокий и с каждым годом увеличивается. Это можно объяснить несколькими причинами.
1. При некоторых условиях уже в настоящее время возобновляемые источники энергии эффективны в АСЭС в сравнении с источниками энергии на привозном органическом топливе. 2. Несмотря на большую капиталоемкость энергоустановок ВИЭ по сравнению с традиционными технологиями производства электроэнергии, ВИЭ по неэкономическим (экологические и социальные) соображениям могут быть более конкурентноспособными.
3. В перспективе роль ВИЭ будет существенно расти как в отдельных странах, так и в глобальном масштабе. Учитывая определяющую роль энергетики в развитии экономики, негативное воздействие на окружающую среду традиционной энергетики, а также ограниченное количество запасов топливных ресурсов, повышение их стоимости разведки, добычи и транспортировки обуславливают повышенный интерес отраслевых международных организаций к поиску решений названных проблем.
Таким образом, в ближайшем будущем возможна существенное изменение структуры энергетики с уклоном в сторону экологически чистых и возобновляемых источников энергии. В мировом масштабе необходим переход к устойчивому развитию, который заключается в поиске стратегии обеспечения, с одной стороны - экономического роста и повышения уровня жизни людей\ особенно в развивающихся странах, с другой - снижения негативного антропогенного влияния на окружающую среду, позволяющего в долгосрочной перспективе избежать или снизить их уровень. Именно в этом видится значимая роль новых энергетических технологий и источников энергии, в том числе ВИЭ, которые позволят обеспечить энергетическую базу для перехода к устойчивому развитию.
Относительно низкая энергетическая плотность и крайняя изменчивость ВИЭ является основным недостатком, который сдерживает применение ВИЭ. Относительно малая удельная мощность возобновляемого энергоносителя приводит к увеличению массогабаритных показателей установок, а изменчивость первичного энергоресурса от нулевых до максимальных значений вызывает необходимость в устройствах аккумулирования энергии или резервных энергоисточниках. В результате чего, стоимость производимой энергии оказывается высока даже при отсутствии топливной составляющей в совокупной цене энергии.
Повышение энергетической эффективности установок, использующих ВИЭ, является весьма актуальной проблемой, которая решается различными путями, предусматривающими как улучшение технико-экономических характеристик собственно энергетического оборудования, так и оптимизацию его энергетических балансов и режимов с учетом изменяющейся нагрузки и энергии возобновляемого источника.
С точки зрения процесса энергопреобразования первичного энергоносителя в электроэнергию и ее потребления, возобновляемую энергетику следует разделять на автономную (малую) и связанную с электроэнергетической системой относительно большой мощности.
В первом случае энергобаланс автономной системы электроснабжения определяется соотношением графика электрических нагрузок системы и изменением энергетического потенциала возобновляемого энергоресурса [13].
Основным недостатком ВЭУ, используемых в качестве источников питания, является непостоянство вырабатываемой энергии, что приводит к необходимости их дублирования гарантированным энергоисточником, в качестве которого обычно используются аккумуляторные батареи или дизель-генераторные установки, образующие ветро-дизельные электрические станции [11].
Различная физическая природа источников возобновляемой энергетики, разнообразие их режимов работы и установленных мощностей формируют многообразие способов построения систем энергоснабжения. Поэтому значимой проблемой для определения объекта исследования является обзор существующих схем электрических станций на базе ВИЭ.
Моделирование ветровой электрической станции :
Расчет аэродинамических характеристик. Для анализа режимов работы ветротурбин5различной конструкции необходима разработка достоверных математических моделей, при соответствующих допущениях позволяющих полноценно исследовать режимы ВЭУ в целом. Данному направлению посвящено немало работ [79-82].
Однако для разработки математической модели ветротурбины в перечисленных работах требуется сложный математический аппарат, разрабатываемый согласно теории аэродинамики А. Бетца и Н.Е. Жуковского [9; 83] в то время как в данных технической спецификации существующих на рынке ветротурбин не приводятся подробная информация: аэродинамические характеристики, определяемые профилем лопастей и т.п. В результате чего значительно усложняется моделирование процессов преобразования кинетической энергии воздушных потоков в механическую (вращательную) энергию.
Также используется термин «ветродвигатель» В работах [84; 85] разработан оригинальный способ моделирования механических характеристик ветротурбин с горизонтальной осью вращения малой мощности, основа которого использована в настоящей работе.
Исходной информацией для моделирования является так называемая рабочая характеристика ветротурбины, в общем виде представляющая собой зависимость мощности ветротурбины от скорости ветра Рвт =/(!/). В качестве примера на рисунке 2.14 приведена рабочая характеристика для ВЭУ «Abatec». х Скорость ветра, м/с Рисунок 2.14 - Зависимость мощности ВЭУ «Abatec» и коэффициента использования энергии ветра от скорости ветра Мощность воздушного потока определяется по выражению P OJ-p-x-ff-V. (2.2) где р - плотность воздуха, в расчетах обычно принимая равной 1,225 кг/м3; R-радиус ветротурбины, м; 1/-скорость ветра, м/с. Мощность ветротурбины определяется по выражению PBX=0,5Cpp- R2V\ (2.3) где Ср - коэффициент использования энергии ветра. Выходная мощность ВЭУ определяется с учетом потерь в генераторе ijr и мультипликаторе TJM при его наличии РЮу=Рт-ПуГ1м- (2-4) Следует отметить, что в конструкции ветротурбин малой мощности с горизонтальной осью вращения пропеллерного типа зачастую не применяется мультипликатор, позволяющий увеличить частоту вращения, так как ВЭУ подобного типа используются синхронные генераторы с возбуждением от постоянных магнитов с относительно большим количеством пар полюсов.
На основании графических или табличных данных зависимости P=f(V) определяется зависимость коэффициента использования энергии ветра Ср (КИЭВ) от скорости набегающего на ветроколесо воздушного потока V, как показано на рисунке 2.14. Причем для меньшей погрешности и простоты аппроксимации, рассматриваются две зоны: первая - скорость ветра меньше номинальной скорости ВЭУ (V VH0M), вторая - скорость ветра больше номинальной, но меньше буреВОЙ (V„oM V V6yp), Значение действительного коэффициента использования энергии ветра (КИЭВ) с учетом выражений (2.2) - (2.4) определяется по формуле С = 2"Рвэу - г. (2.5) По построенному графику Cp=f{V) определяется максимальное значение коэффициента использования энергии ветра Сртах.
Аэродинамические параметры ветроколеса определяются, согласно [82] по результатам решения оптимизационной задачи, целевой функцией которой является максимальное значение коэффициента использования энергии ветра Ср, а искомыми переменными: коэффициент торможения воздушного потока е и нормальное число модулей Z„,, при зафиксированном значении обратного качества крыла/
С = f{e, Zn) = max, при ju = const. За исходные значения коэффициента торможения е и быстроходности Z„ принимаются идеальные значения. Обратное качество крыла принимаем равным д. = 0,01- 0,04. Причем меньшие значения соответствуют более быстроходным ветротурбинам.
По найденным численным значениям Сртях, ZQ И Zn, рассчитываются аэродинамические характеристики ветротурбины, которые представляют собой зависимости коэффициента использования энергии ветра Ср от быстроходности Z [84].
Аэродинамическая характеристика ветротурбины рассматриваемого типа, согласно теории профессора Г. X. Сабинина, определяется на основе идеальной аэродинамической характеристики, представленной на рисунке 2.15.
Данная характеристика по виду типична для всех ветротурбин пропеллерного типа с горизонтальной осью вращения.
Учитывая, что скорость ветра есть не стабильная во времени величина, для ВЭУ применяются устройства регулирования частоты вращения ветротурбины с целью стабилизации выходной мощности и частоты вращения, которое осуществляется с помощью изменения угла атаки лопастей у. Для предотвращения повреждений ветротурбины при буревых скоростях ветра используется специальные тормозные устройства механического или электромагнитного действия, а также так называемый «вывод из-под ветра», разворачиванием плоскости вращения лопастей вдоль воздушного потока.
При регулировании частоты вращения аэродинамические характеристики ветротурбины значительно изменяются.
Развиваемая мощность ветротурбины в этом случае определяется по выражению Кривая cos у практически совпадает с кривой зависимости синхронной быстроходности ветроколеса ZQ от угла у, то есть можно считать При постоянной скорости ветра быстроходность Z изменяется пропорционально угловой скорости ветроколеса П, соответственно Q. = Clncosy; n=nn-cosy. При расчетах задаются скоростью ветра Vn, при которой начинается регулирование, как правило, принимаемая равной номинальной рабочей скорости V„ - Vnom. В таком случае при скоростях ветра V Vn справедливо выражение I/3 Р -Р ВТ JBT,y-0 .гЗ г/ получается V cosr=y Мощностные и моментные характеристики ветротурбины Pm=f[V,n) и А/вт=ДКл) получают из его аэродинамической характеристики С =f{Z), задаваясь значениями быстроходности ZOT нуля до синхронной ZQ. Для примера на рисунке 2.16 приведены расчетные мощностные и моментные характеристики ветротурбины Abatec-2000. о :оо ji»o бСй goo moo 1:00 о :о ю 00 .so 100 1:0 ЧПСКІІІ араимы. ui»u MTO»J« tkopoi-іь p« t —Ома —lOsi.c —Цу/t - -!2wc !ж —OM/L —Юм с —Іім с - -Іїч/е -о-ІЗ е В качестве мощностных характеристик ветротурбины в ветроэнергетике принято использовать зависимость мощности [кВт] от частоты вращения [об/мин], в качестве моментных характеристик - зависимость момента [Нм] от угловой скорости [рад/с].
Реализация математической модели в программной среде. С целью исследования динамических режимов работы, когда скорость ветра изменяется в течение времени, характеристик в полученном виде не достаточно , поскольку они определены дискретным образом с фиксированным интервалом скорости ветра 1 м/с. Устранить данный недостаток возможно при построении модели, учитывающей плавный переход ВЭУ от одной скорости ветра к другой с минимальной погрешностью. Для интерполяции численных массивов предлагается использовать набор инструментальных средств Model Based Calibration Toolbox программного продукта Matlab, предназначенный для создания подобных моделей и обработки ошибок при моделировании.
Требования к формированию энергоэффективных и устойчивых режимов работы ветровых электрических станций
Момент инерции ветроколеса, представляющего собой пропеллер с горизонтальной осью вращения, определяется как сумма моментов инерции лопастей - ВК = 1 Люп где і - количество лопастей ветроколеса, шт. Так как диаметр ветроколеса значительно превышает диаметр ротора генератора, момент инерции лопастей является определяющим в суммарном моменте инерции вращающихся масс ВЭУ. Момент инерции лопасти определяется выражением: где т - масса лопасти, кг; Re - расстояние от оси вращения до центра тяжести лопасти, м. Лопасти большинства современных ВЭУ имеют специальный аэродинамический профиль, который обеспечивает наибольший коэффициент использования энергии ветра. При этом распространенной ситуацией для ВЭУ малых мощностей, как зарубежных, так и отечественных производителей является отсутствие справочной информации о применяемом профиле лопастей.
Очевидно, что масса лопасти зависит от ее длины, профиля и материала изготовления. Если лопасти ВЭУ изготовлены из однородного материала и известны их геометрические размеры, для определения момента инерции лопасти можно использовать аппроксимированные выражения, приведенные в [82]. Однако, в настоящее время все большее распространение получают полые лопасти из пластика, армированные стеклянным или углеродным волокном, определение массы и момента инерции которых является трудноразрешимой задачей. Для определения момента инерции полых лопастей ВЭУ большой мощности лучше использовать упрощенную формулу Jmn=kj-m-L\ где L - длина лопасти, м; kj- коэффициент, принимаемый в пределах 0,18-0,22. При этом массу лопасти приближенно определяют через ее длину, используя степенную аппроксимацию вида т-а-1?, значения коэффициентов которой рассчитывают путем статистической обработки известных каталожных данных ВЭУ [15]. Данный подход можно использовать и при определении момента инерции лопастей ВЭУ малой мощности.
На рисунке 2.23 приведены реальные соотношения между весом лопасти и ее длиной, характерные для ВЭУ малой мощности, выявленные авторами [85] из множества каталогов и научных публикаций, посвященных малой ветроэнергетике.
Обработка имеющихся статистических данных по 20 ВЭУ, мощностью от 0,3 до 20 кВт, позволила получить степенную аппроксимацию, связывающую массу и длину лопасти ВЭУ малой мощности (86): m=0.63-Z?,6Z В соответствии с указанной методикой определен момент инерции вращающихся масс ветротурбины Abatec, который составил 7Вк=1 кг-м2.
Длительность переходных процессов в механических системах обычно протекает гораздо дольше, чем электромагнитных в электрических машинах. Поэтому для описания полной картины процессов в системе «ветротурбина -генератор - нагрузка» рассматривается совокупность «медленных» динамических процессов механической части ветрогенератора и статических характеристик электрогенератора. Для оценки взаимовлияния характеристик ветротурбины и генератора используется векторная диаграмма синхронного генератора.
Наиболее распространенной конструкцией генераторов ВЭС малой мощности является электрическая машина с возбуждением от постоянных магнитов.
В модели рассматриваются такие выходные параметры генератора, как напряжение и частота генерируемого тока. Исходя из векторной диаграммы, представленной на рисунке 2.24, вектор напряжения определяется по выражению U = I-jxdL-jxq Iq-ra!, где Е - вектор ЭДС, создаваемой основным магнитным потоком возбуждения; xd Id - вектор ЭДС продольной реакции якоря; xq Iq - вектор ЭДС поперечной реакции якоря; га I - вектор активной потери напряжения в обмотках статора. -JXd
Средняя составляющая определяется величиной средней скорости ветра, а динамическая составляющая в поточной системе координат есть вектор по продольной, поперечной и вертикальным направлениям. Для исследования ветровых режимов и ветровых нагрузок на здания и сооружения, а также ветроэнергетических установок [91 ;Э2] принимается, что действующая ветровая нагрузка не зависит от поперечной и вертикальной компонент скорости ветра и связана с ее суммарной продольной компонентой. Для статистического описания турбулентной составляющей скорости ветра в ветроэнергетике преимущественно используют эмпирические модели спектральной плотности 5( /), наиболее известными из которых являются функции Давенпорта, Кармана и Каймала [91]. Для моделирования динамической составляющей скорости ветра в настоящей работе использовалась спектральная модель Каймана, рекомендованная международным стандартом [92].
В соответствии с моделью нормальной турбулентности, предполагается, что турбулентные флюктуации скорости ветра являются стационарным полем случайных векторов, составляющие которого имеют гауссово статистическое распределение с і гулевым математическим ожиданием. Спектральные плотности мощности составляющих в нормализованном виде для модели Каймала описываются уравнением fS{f) _ ifL/V ог (1 + QfL/vf 3 где/-частота, Гц; 5(/)- односторонний спектр продольной составляющей вектора скорости; а— среднеквадратичное отклонение продольной составляющей вектора скорое і и; L— интегральный масштабный параметр турбулентности. Спектральное разложение изображает стационарную случайную функцию разложенной на гармонические колебания различных частот fv f2,...fk при этом амплитуды і армоник являются случайными величинами. Согласно теореме Фурье любую функцию с периодом к можно представить в виде ряда р№ = А + Z A C0SH + 9k) k=\ где Ak- амплитуда k-то гармонического колебания; сок - круговая частотаА-го гармоническої о колебания; рк- начальная фаза А-ой гармоники; Д, - свободный член, представляющий собой математическое ожидание функции на интервале 0...27Г.
Экспериментальное подтверждение основных результатов исследований
Для обеспечения устойчивой работы ВЭС и возможного увеличения выработки электроэнергии разработаны адаптивные алгоритмы, оценивающие текущие параметры системы: угловую скорость ветрогенератора, ток генератора, ток нагрузки, ток балластной нагрузки, ток и напряжение аккумуляторных батарей.
На Рисунок 3.13 3.13 представлен алгоритм управления ВЭС по угловой скорости ветротурбины и развиваемой мощности.
Алгоритм управления ВЭС по угловой скорости включает в себя алгоритм обеспечения устойчивой работы на правых частях механических характеристик (рисунок 3.14) и алгоритм поиска точки оптимума (рисунок 3.15), при которой реализуется максимально возможная генерация электрической энергии.
Алгоритм управления ВЭС по угловой скорости измеряет текущее значение угловой скоросги и развиваемой мощности, затем по измеряемой скорости ветра рассчитываются координаты точки оптимума. Полученные измеряемые текущие и оптимальные значения параметров оцениваются, после чего делается вывод о возможности обеспечения устойчивой работы. Когда наблюдается переход рабочей точки на левую часть механической характеристики, в работу вводится алгоритм предотвращения полного останова ВЭС. Принцип действия алгоритма основан на разгрузке ВЭС путем первоочередного отключения балластной нагрузки или питания потребителей от аккумуляторных батарей при достаточном заряде последних. При недостаточном заряде аккумуляторных батарей и отсутствии балластной нагрузки в работу вводится дизельная электростанция.
В целях экономии дизельного топлива и повышения загрузки ДЭС при емкости накопителей электрической энергии меньше верхнего порогового уровня АБ переключаются в режим заряда. Рис) нок З 13 - Обший алгоритм управления режимами ВДЭС
Также в сисіеме управления ВЭС предполагается контроль входных параметров но минимальным и максимальным значениям. В первую очередь не допускается работа ВЭС при малом напряжении и большом токе генератора, что соответствует режиму перегрузки выше номинальной мощности. В данном алгоритме подобные функции не представлены, поскольку считаются стандартными.
В случае когда, необходимо повышение выработки электрической энергии, вводится в работу алгоритм поиска точки оптимума, который осуществляет дополнительную загрузку ВЭС. Развиваемая мощность ветротурбины кубически зависит от скорости ветра, которая крайне не стабильна во времени. Поэтому система «ВЭС - нагрузка» всегда работает в динамических режимах, при которых излишняя кинетическая энергия ветра при неизменной мощности нагрузки расходуется на увеличение угловой скорости (частоты вращения) вала ветрогенератора Порывистый характер ветра определяет задачу эффективного использования энергии порывов ветра. Алгоритм повышения выработки электростанции настроен таким образом, чтобы «дополнительной энергией» в первую очередь осуществлялся заряд АБ, затем подключение балластной нагрузки.
Заряд свипцово-кислотных аккумуляторов желательно осуществлять по методу «ток-напряжение», происходящий в две ступени [99]. Метод заряда АБ «ток-напряжение» возможен лишь при стабилизации тока в течение длительного времени, что не возможно обеспечить в условиях стохастического изменения скорости ветра и, соответственно, вырабатываемой энергии.
По этой причине заряд АБ осуществляется доступной мощностью ветротурбины, те. потенциально возможной выработкой электроэнергии при имеющейся скорое і и ветра. В качестве примера на рисунке 3.16 приведена работа алгоритма при включении и отключении балласгной нагрузки. Последовательность заключается в следующем. В момент запуска ВЭС работает без нагрузки, при этом рабочая точка ветротурбины по мощносіной характеристике Рвт выходит на участок устойчивой рабоїьі. В момент времени 10 с происходит включение полезной нагрузки Рн, поскольку оптимальная мощность Р0ПГ при данной скорости ветра больше текущей мощности ветротурбины, что означает ее возможную догрузку, то разработанный алгоритм постепенно и ступенчато включает балластную нагрузку БН. Затем в момент времени 30 с происходит наброс полезной нагрузки при максимально введенной балластной нагрузке, в результате чего угловая скорость ветротурбины QB. постепенно уменьшаясь, стала меньше оптимального значения, поэтому в целях предотвращения неустойчивого режима алгоритм отключил одну ступень балластной нагрузки.
В целом алгоритм управления ВЭС в динамических режимах можно охарактеризовать как поисковый, сущность которого заключается в определении оптимальных сосгава и параметров генерирующего и потребляющего оборудования по кригерию устойчивости и энергозффективности.
При поисковом методе задания режимов работы ВЭС возможны колебания переменных около оптимальной или критической точки. Однако подобный случай характерен лшнь для неизменной скорости ветра, что в природе маловероятно.
В большей степени обеспечение динамической устойчивости достигается регулированием потребляемой электрической энергии в системе ВДЭС.
Для разработанного алгоритма предложена общая структура системы управления ВДЭС, схема которой приведена на рисунке 3.17 [100; 101]. В базовой конфигурации структурная схема состоит из четырех каналов управления: 1. Канал управления дизельной электрической станцией. 2. Канал управления ветровой электрической станцией. 3. Канал управления балластной нагрузкой. 4. Канал управления накопителем энергии. Минимальная конфигурация соответствует системе электроснабжения, в состав которой входят по одной дизельной генераторной установки и ветроэнергетической установки. При подключении к системе дополнительных генерирующих установок число каналов управления необходимо соответственно увеличивать.
Канал управления ветровой электрической станцией. Основные энергетические параметры ВЭУ определяются из ее рабочей характеристики, которая устанавливает связь между скоростью набегающего на ветроколесо воздушного потока V и выходной электрической мощностью ВЭС Рпос- Рабочая характеристика ВЭУ приводится в технической спецификации на ветродвигатель.