Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Современное состояние проблемы, связанное с электроснабжением потребителей от автономных источников питания 12
1.1 Электроснабжение объектов минерально-сырьевого комплекса отдаленных от централизованной энергосистемы 12
1.2 Анализ ветропотенциала России и повторяемости ветров в регионах 15
1.3 Устройство различных типов ВЭУ 22
1.4 Нормативно-техническая документация по ветроэлектрическим установкам и электротехническим комплексам на их основе 34
1.5 Обоснование необходимости создания автономного электротехнического комплекса с гибридной ветроэлектрической установкой 38
1.6 Выводы, цель и задачи диссертационной работы 40
ГЛАВА 2 Структура и параметры электротехнического комплекса с гибридной ветроэлектрической установкой гарантированного питания 43
2.1 Аналитические исследования энергетических характеристик ветроэлектрических установок 43
2.2. Экспериментальное исследование энергетических характеристик ветроэлектрических установок 54
2.3 Оценка объема среднегодовой выработки ветроэлектрической установки.. 62
2.4 Выбор промежуточного накопителя энергии 73
2.5 Выводы к главе 2 87
ГЛАВА 3 Электротехнический комплекс с использованием гибридной ветроэлектрической установки 88
3.1 Анализ схем электроснабжения потребителей от автономной ветроэлектрической установки гарантированного питания 88
3.2 Схемная реализация электротехнического комплекса 96
3.3 Математическое моделирование работы гибридной ветроэлектрической установки гарантированного питания 102
3.4 Имитационное компьютерное моделирование работы гибридной ветроэлектрической установки в среде MatLab \ 113
3.5 Экспериментальные исследования работы гибридной ветроэлектрической установки 125
3.6 Выводы к главе 3 127
ГЛАВА 4 Технико-экономическое описание гибридного электротехнического комплекса 129
4.1 Надежность электротехнического комплекса с гибридной ветроэлектрической установкой гарантированного электроснабжения 129
4.2 Экономическое обоснование использования ветроэлектрической установки в составе гибридного генерирующего комплекса 131
4.3 Экологическое воздействие ветроэлектрической установки на окружающую среду і 136
4.4 Выводы к главе 4 144
Заключение 146
Список литературы
- Анализ ветропотенциала России и повторяемости ветров в регионах
- Экспериментальное исследование энергетических характеристик ветроэлектрических установок
- Схемная реализация электротехнического комплекса
- Экономическое обоснование использования ветроэлектрической установки в составе гибридного генерирующего комплекса
Введение к работе
Актуальность работы.
В настоящее время на территории Центральной и Восточной Сибири, Дальнего Востока, Арктического побережья планируются и ведутся как геологоразведочные работы, так и эксплуатация новых нефтегазовых месторождений, происходит строительство протяженных трубопроводов для транспортировки углеводородов. Однако отсутствие и значительная удаленность мест проведения работ от централизованной энергосистемы замедляет и удорожает процесс освоения месторождений полезных ископаемых.
Для построения децентрализованных систем электроснабжения (СЭС) используются автономные источники электропитания, работающие на органическом топливе, наиболее распространёнными и универсальными из которых являются дизельные электростанции (ДЭС). Анализ карт ветров России показывает, что около половины территории страны, не охваченной централизованной СЭС, расположено в регионах с высоким ветропотенциалом.
Актуальность и необходимость использования ветровой энергии для экономии органического топлива в настоящее время отмечена отечественными и зарубежными специалистами в области энергоснабжения и нашла свое отражение в законодательной базе РФ, в частности в Федеральном законе РФ №42–ФЗ от 05.04.2003 г. «Об энергосбережении»; Распоряжениях Правительства РФ №1234–р от 28.08.2003 г. «Энергетическая стратегия России на период до 2020 года» и №1–р от 08.01.2009 г. «Основные направления государственной политики в сфере повышения энергетической эффективности электроэнергетики на основе использования возобновляемых источников энергии на период до 2020 года», а также в задачах НИОКР ОАО «Газпром» (разработка «Технологии получения энергии за счет использования энергоблоков малой мощности (110 кВт) на основе нетрадиционных и возобновляемых источников энергии для электроснабжения потребителей линейной части магистральных газопроводов») и ОАО «Газпром нефть» (разработка «Электротехнических комплексов на базе возобновляемых источников энергии для организации полностью автономного энергообеспечения объектов нефтедобычи в условиях Крайнего Севера»).
Научным исследованиям в области энергоснабжения потребителей с использование автономных гибридных ветродизельных комплексов посвящены работы ряда ученых, среди которых можно выделить: Аверин А.А., Вессарт В.В., Елистратов В.В., Ивченко В.А., Николаев В.Г., Сурков М.А., Хошнау Зана Пешанг Халил. Однако в данной области остались вопросы, требующие дальнейшей проработки: влияние номинальных параметров ветроэлектрической установки (ВЭУ) и промежуточного накопителя энергии постоянного тока на энергетическую характеристику ветроагрегата и ожидаемый объем годовой выработки электроэнергии ветроустановкой. Важной задачей является обоснование структуры и параметров электротехнических комплексов (ЭТК) с гибридными ВЭУ с целью повышения надежности и экономичности электроснабжения объектов минерально-сырьевого комплекса.
При этом на первоначальном этапе внедрения с учетом предполагаемого использования автономных ЭТК для гарантированного электроснабжения потребителей при выполнении поисково-разведочных и добычных работ на Севере и Северо-Востоке страны, в условиях экстремальных годовых перепадов температур от минус 60 0С до плюс 40 0С, наиболее перспективными благодаря своей простой конструкции и высокой надежности являются малые горизонтально-осевые ВЭУ (единичной мощностью до 100 кВт).
Целью работы является обоснование структуры и параметров автономных электротехнических комплексов на базе гибридных ветроэлектрических установок гарантированного электроснабжения, позволяющих повысить надежность и экономичность систем электроснабжения потребителей, удаленных от центральной энергосистемы.
Идея работы. Надёжность и экономичность системы электроснабжения с использованием электротехнического комплекса с гибридной ветроэлектрической установкой достигается рациональным выбором параметров ветроагрегата и накопителя энергии постоянного тока для обеспечения максимальной годовой выработки электроэнергии ветроустановкой.
Научная новизна работы:
1. Определена зависимость коэффициента использования установленной мощности ветроэлектрической установки от расчетной и среднегодовой скорости ветра, а также от выбранного способа регулирования и ограничения частоты вращения ветроколеса.
2. Установлено рациональное соотношение параметров цепей переменного и постоянного тока, обеспечивающее максимальную выработку электрической энергии ветроэлектрической установкой с синхронным генератором с постоянными магнитами в составе автономного электротехнического комплекса с учетом распределения скорости ветра по градациям и среднегодовой скорости.
Основные задачи исследования:
1. Выявить обобщенную энергетическую характеристику ВЭУ мощностью до 100 кВт без привязки к определенным моделям и фирмам-производителям с использованием статистической аппроксимации и последующей экспериментальной проверкой полученных результатов на действующих ветроустановках.
2. Обосновать выбор мощности ВЭУ в составе автономного ЭТК с учетом ветровых условий (среднегодовой скорости и распределения скоростей ветра по градациям).
3. Оценить влияние способа регулирования и ограничения частоты вращения ветроколеса, расчетной и максимальной рабочей скорости ветра на объем годовой выработки ВЭУ.
4. Обосновать структуру и параметры автономного ЭТК с гибридной ВЭУ для гарантированного электроснабжения потребителей.
5. Разработать компьютерную имитационную модель гибридной ВЭУ с синхронным генератором с постоянными магнитами, обеспечивающей заряд аккумуляторной батареи.
6. Выявить зависимость максимального годового количества электроэнергии, вырабатываемого ВЭУ с синхронным генератором с постоянными магнитами, от соотношения параметров цепей переменного и постоянного тока, среднегодовой скорости ветра и параметра распределения скоростей ветра по градациям.
7. Определить комплексный показатель надежности, коэффициент готовности гарантированного источника питания на базе ЭТК с гибридной ВЭУ.
8. Выполнить экономическое обоснование эффективности электроснабжения удаленных от централизованной энергосистемы потребителей с использование ЭТК с гибридной ВЭУ.
Методы исследований. В работе использованы методы теории электрических цепей, электрических машин, систем электроснабжения электротехнических комплексов, имитационного математического моделирования в системе MatLab Simulink, численного анализа с использованием пакета MathCAD, MS Excel, экспериментальных исследований электротехнических и электромеханических комплексов.
Достоверность выводов и рекомендаций, изложенных в диссертации, основывается на сходимости не менее 90 % результатов моделирования и экспериментальных исследований режимов электроснабжения потребителей с использованием автономных источников электропитания на базе гибридных ветроэлектрических установок.
Практическая ценность диссертации:
1. Определена структура и алгоритм управления автономного электротехнического комплекса с использованием ветроэлектрической установки, дизель-электрической станции (ДЭС) и общего накопителя энергии постоянного тока для ветроагрегата и ДЭС для осуществления гарантированного электроснабжения удаленных от централизованной энергосистемы потребителей минерально-сырьевого комплекса.
2. Определены допустимые уровни отношений напряжения цепей переменного и постоянного тока, обеспечивающие максимальную эффективность работы ветроэлектрической установки в составе автономного электротехнического комплекса.
Реализация выводов и рекомендаций работы.
Схема автономного электротехнического комплекса с ВЭУ, ДЭС и общим промежуточным накопителем энергии постоянного тока для осуществления гарантированного электроснабжения отдаленных от централизованной энергосистемы потребителей будет использоваться при электроснабжении газотранспортных систем ООО "Газпром Трансгаз Санкт-Петербург", о чем получен акт внедрения основных результатов работ.
Личный вклад автора.
Определены статистические и экспериментальные энергетические характеристики ветроэлектрических установок, а также зависимость коэффициента использования установленной мощности от вариации номинальных параметров ветроагрегата при различных среднегодовых скоростях ветра. Предложена схема электротехнического комплекса с гибридным источником электроэнергии для гарантированного электроснабжения потребителей при отсутствии сетевого электропитания. Установлено рациональное соотношение амплитуды линейного напряжения синхронного генератора с постоянными магнитами ветроагрегата при номинальной частоте вращения и напряжения промежуточного накопителя энергии постоянного тока, обеспечивающее максимальную выработку электроэнергии ВЭУ.
Апробация. Основные положения и результаты работы докладывались и получили положительную оценку на международном форуме-конкурсе молодых ученых «Проблемы недропользования» (Санкт-Петербург, СПГГИ (ТУ), 2010), на научно-практических семинарах с международным участием «Неделя науки в СПбГПУ XXXVIII, XXIX, XL, XLI» (Санкт-Петербург, СПбГПУ, 20092012), на 8 международной научной школе молодых ученых и специалистов (Москва, УРАН ИПКОН РАН, 2011), на 10-ой международной научно-практической конференции «Освоение минеральных ресурсов Севера: проблемы и решения» (Воркута, Воркутинский горный институт (филиал) ФГБ ОУ ВПО «Национальный минерально-сырьевой университет «Горный», 2012).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 печатных работ, в том числе 3 в научных изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, содержит 72 рисунка, 25 таблиц, список литературы из 99 наименований. Общий объем диссертации 156 страниц.
Анализ ветропотенциала России и повторяемости ветров в регионах
Поддержание и увеличение объемов добычи полезных ископаемых в России, особенно относящихся к группе углеводородов, планируется и происходит за счет открытия и освоения новых месторождений, расположенных на территории Восточной Сибири, Дальнего Востока и Арктического побережья с шельфом. Особенностью данных регионов являются низкая плотность населения, тяжелые климатические условия с большим перепадом температур в течение года, отсутствие развитой дорожной и железнодорожной транспортной сети, а самое главное отсутствие централизованного электроснабжения.
Выполнение геологоразведочных работ (ГРР) в данной местности практически полностью исключают возможность электроснабжения от генерирующих центров, в связи с этим в качестве автономных источников электропитания нашли широкое применение ДЭС, однако в этих условиях доля затрат на электроснабжение ГРР может достигать 20- 30 % от общего финансирования. Дальнейшая разработка месторождений связана с постройкой новых трубопроводов для транспортировки углеводородов, протяженность которых достигает нескольких тысяч километров, например магистральный нефтепровод «Восточная Сибирь — Тихий океан». Высокая протяженность трубопроводов, как магистральных так и локальных между населенными пунктами, определяет сложность осуществления централизованного электроснабжения перекачивающих станций, установок катодной защиты, систем и пунктов измерения и управления. Постройка новых протяженных линий электропередач (ЛЭП) напряжением 35, ПОкВ и выше сопряжена с высокими капитальными вложениями. При этом анализ опыта эксплуатации протяженных ЛЭП показал, что у них снижены показатели качества электроэнергии, в особенности это коснулось показателей отклонения и колебание напряжения в трехфазных системах [4], а также наблюдается учащение случаев внезапных перерывов в электроснабжении и увеличением времени на их устранение. В целом системы централизованного электроснабжения характеризуются ростом тарифов на электроэнергию и стоимость подключения к электросетям, повышением стоимости строительства ЛЭП, старением оборудования, ограниченным пропускной способностью линии резервом мощности. Вышеуказанные факты содействуют переходу предприятий минерально-сырьевого " комплекса задействованных в разведке, добыче, транспортировке и хранении полезных ископаемых на автономное электроснабжение своих объектов, при этом подключение к централизованным электросетям может полностью отсутствовать или выполнять роль резерва.
Таким образом, выработка электроэнергии в месте ее потребления, является альтернативой для создания и развития сетевой инфраструктуры централизованного снабжения. Однако использование местных автономных источников электроэнергии сопряжено с необходимость обеспечения их углеводородным топливом. В таком случае стоимость электроэнергии будет определятся, не только капитальными затратами на закупку генерирующего оборудования, но и затратами на закупку и доставку топлива, например в некоторых случаях стоимость доставки дизельного топлива достигает 200 % от его цены, возможны варианты работы комплексов на транспортируемом газе или нефти, но тогда стоимость электроэнергии будет определяться упущенной выгодой от продажи данных объемов на внутреннем или внешнем рынке. В таких условиях ВИЭ к которым относится ветровая энергия, солнечная инсоляция, гидроэнергетика, представляют собой достаточную базу для их эффективного использования, которое способно частично, а в некоторых случаях и полностью удовлетворить требованиям надежного энергообеспечения объектов минерально-сырьевого комплекса.
В настоящее время в России принят ряд законодательных норм стимулирующих и регулирующих использование ВИЭ, в частности Федеральный закон «Об электроэнергетике» (№42-ФЗ от 05.04.2003 г.), в котором обозначены: основные меры государственной поддержки развития электроэнергетики на ВИЭ; полномочия органов власти в части реализации механизмов господдержки энергетики на ВИЭ. В то же время Распоряжениями Правительства РФ утверждены «Энергетическая стратегия России на период до 2020 года» (№ 1234-р от 28.08.2003 г.) и «Основные направления государственной политики в сфере повышения энергетической эффективности электроэнергетики на основе использования возобновляемых источников энергии на период до 2020 года» (№ 1-р от 08.01.2009 г.) предусматривающие развитие ВИЭ в России, а также особо обозначена необходимость интенсивного использование ВИЭ для энергоснабжения объектов на Крайнем Севере и для замещения локальной дизельной генерации. При этом на период до 2020 года установлены значения целевых показателей объема производства и потребления электрической энергии с использованием ВИЭ в России (кроме гидроэлектростанций установленной мощностью более 25 МВт): к 2015 году — 2,5 %; к 2020 году — 4,5 % [64].
Вышеуказанные положения о необходимости развития использования ВИЭ находят свое подтверждение в ряде российских компаний занимающих лидирующие позиции в минерально-сырьевой отрасли. Например, ОАО «Газпром» в программе инновационного развития компании до 2020 года принял решение о разработке в рамках научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ «Технологии получения энергии за счет использования энергоблоков малой мощности (1-f-10 кВт) на основе нетрадиционных и возобновляемых источников энергии для электроснабжения потребителей линейной части магистральных газопроводов» [5]. Также в ГМК «Норильский никель» для обеспечения устойчивого и эффективного развития существующей производственной базы, сокращения затрат на приобретение топливно-энергетических ресурсов, повышения надежности и экономичности энергетического оборудования компании большое внимание уделяется инициативам по внедрению энергоэффективных или основанных на использовании возобновляемой энергии продуктов и услуг [69].
В мировой практике использование ВИЭ для генерации электроэнергии и теплогенерации для нужд минерально-сырьевых компаний также нашло свое широкое распространение. Показатели использования технологии «Использования возобновляемых источников энергии для генерации» в различных зарубежных нефтегазовых компаниях приведены в таблице 1.1, при этом присвоенные балы характеризуются следующими величинами: «О» — технология не разрабатывается и не используется; «0,5» — технология находится в разработке; «1» — технология разработана и используется [5].
Экспериментальное исследование энергетических характеристик ветроэлектрических установок
Энергетической (мощностной) характеристикой ВЭУ называется зависимость мощности развиваемой генератором ВЭУ Р от скорости незаторможенного потока воздуха (ветра) V перед ветроколесом.
Вид энергетической характеристики ВЭУ определяется типом используемой системы регулирования мощности (см. рисунок 2.1) и имеет ряд характерных точек свойственных всем ВЭУ: - при стартовой скорости ветра Vcm ветроколесо ВЭУ начинает вращаться, при этом генерация электроэнергии не происходит; - при минимальной скорости ветра VMUH ВЭУ начинает вырабатывать электроэнергию; - при расчетной (номинальной) скорости ветра Vpac4 ВЭУ развивает свою номинальную мощность Рном\ - при максимальной скорости ветра VMaKC ВЭУ перестает генерировать электроэнергию, генератор установки отключается; - при скорости ветра Vocm происходит полный останов вращения ветроколеса с целью снижения ветродинамических нагрузок на конструкцию ВЭУ; - буревая скорость ветра У&ур определяет максимальную скорость ветра выдерживаемую ВЭУ без повреждения конструкции и сохранением возможности последующей эксплуатации установки [17, 31, 32].
Таким образом, значение скоростей ветра в обозначенных характерных точках можно представить в виде неравенства Уст Умин Урасч Умакс Уост УбуР-При этом в диапазоне скоростей ветра от минимальной Умт до расчетной Vpac4 регулирование механической мощности развиваемой ветродвигателем (ветроколесом) не происходит. Регулирование ветродвигателя начинается после достижения потоком воздуха скорости выше расчетной Vpac4.
Анализ литературных источников показал, что в настоящее время для ВЭУ с регулированием мощности за счет вывода ветроколеса из-под ветра отсутствует обобщенная энергетическая характеристика. При этом использование данных ВЭУ, благодаря их простой конструкции, наиболее целесообразно в автономных гибридных электротехнических комплексах с установленной мощностью одной ВЭУ до 100 кВт.
Для построения среднестатистической энергетической характеристики малой ВЭУ (мощностью до 100 кВт) были рассмотрены параметры 28 серийно выпускающихся ветроагрегатов с системой регулирования мощности за счет вывода ветроколеса из-под ветра, 10 различных фирм и стран производителей. Паспортные параметры рассмотренных ВЭУ приведены в таблице 2.1. Таблица 2.1 — Паспортные параметры малых ВЭУ с выводом ветроколеса из под ветра
Подставляя начальные условия (2.4) в выражение (2.3), получаем базовые значение минимальной и расчетной (номинальной) скорости ветра для среднестатистической энергетической характеристики ВЭУ, при этом максимальная скорость ветра для ВЭУ с регулированием мощности за счет вывода ветроколеса из-под ветра была выбрана как наиболее повторяющаяся из таблицы 2.1:
Превышение развиваемой мощности ВЭУ своей номинальной (паспортной) мощности в некотором диапазоне скоростей превышающих расчетную объясняется тем, что система регулирования (ограничения) мощности с использованием вывода ветроколеса из-под ветра обладает наибольшей степенью запаздывания (временем реагирования на внешнее возмещение по скорости и направлению ветра) по сравнению с другими способами регулирования мощности — за счет поворота лопасти около оси маха и срывом части воздушного потока с поверхности лопасти, связанной с задачей минимизации излишних паразитных рысканий (поворота) гондолы и ветроколеса. Таким образом, происходит кратковременная перегрузка генератора ВЭУ, которая устраняется либо исчезновением внешнего возмущения приведшего к данной ситуации, либо последующим реагированием системы поворота ветроколеса с некотором запаздыванием по отношению к возмущающему воздействию. Поэтому учитывая кратковременность происходящих перегрузок генератора, энергетическая характеристика ВЭУ описываемая выражением (2.3), примет вид:
Учитывая то, что при скоростях ветра меньше расчетной регулирование мощности ВЭУ не происходит, то для систем ограничения мощности — за счет срыва части потока воздуха с профиля лопасти и с использованием поворота лопасти около оси маха — вид энергетической характеристики в диапазоне скоростей ветра от минимальной VMUH до расчетной Vpac4 будет также описываться зависимостью PU (V) из выражения (2.6). В свою очередь при скоростях ветра выше расчетного (номинального) значения, энергетическую характеристику вышеуказанных ВЭУ можно аппроксимировать линейной функцией с достаточной степенью точности [17, 31, 32].
Таким образом, энергетическая характеристика ВЭУ с регулированием мощности за счет срыва части потока воздуха с поверхности лопасти и за счет поворота лопасти около оси маха будет описываться выражениями (2.7) и (2.8) соответственно:
Выражение (2.13) справедливо при скоростях ветра У меньше расчетной Урасч, когда не происходит регулирование мощности ВЭУ.
Таким образом, учитывая выражение (2.6) и (2.13), семейство энергетических характеристик ВЭУ с регулированием мощности за счет вывода ветроколеса из-под ветра в о.е. с различными расчетными скоростями ветра будет описываться выражением (2.14) и изображено на рисунке 2.4.
Схемная реализация электротехнического комплекса
Ветроэлектрические системы представленные на рисунке 3.1 получили широкое распространение с начала 1980-х годов благодаря простой конструкции асинхронного генератора (АГ) и его значительной распространенности. Использование АГ с короткозамкнутым ротором (см. рисунок 3.1а) требует постоянной частоты вращения ветроколеса с погрешностью не более l-f-2 %. Для работы АГ требуется реактивная мощность, что обуславливает необходимость подключение данных ВЭУ к сети, которая может быть как централизованной, так и локальной, создаваемой местными источниками питания, например дизель-генераторными станциями, а также использование компенсаторов реактивной мощности (конденсаторных батарей).
Постоянная скорость вращения ветроколеса не позволяет ВЭУ эффективно работать во всем диапазоне рабочих скоростей. Частично данную проблему удается решить за счет использования двух асинхронных генераторов в одной ВЭУ соединённых клиноременной передачей, при этом на низких скоростях ветра работает малый генератор, а при высоких скоростях более мощный. Также находят свое применение генераторы с изменяемым количеством полюсов. Однако вышеуказанные варианты усложняет и удорожает конструкцию. Единственное основное их достоинство это отсутствие скользящих контактов и высокая надежность самих генераторов. Для расширения диапазона частот вращения ветроколеса существует схема (см. рисунок 3.16) с использование АГ с фазным ротором, где регулирование диапазона вращения ветроколеса в пределах 2-г5 % достигается за счет введения в цепь обмотки ротора дополнительных сопротивлений (R). Однако данная схема получила наименьшее распространение, поскольку включает в себя все вышеперечисленные недостатки использования АГКЗР, а также наличие скользящих контактов, которые снижают надежность электрической машины, при этом незначительно повышая эффективность работы ВЭУ [4].
Учитывая факт, что для работы ВЭУ по Схемам I и II, изображенных на рисунке 3.1 необходима сеть, обеспечение автономного электроснабжения потребителей возможно только при использовании ИБП, таким образом, данные схемы наименее всего подходят для автономного гарантированного питания потребителей от ВЭУ.
Возможность работы ВЭУ с переменной скоростью вращения ветроколеса позволяет оптимизировать рабочую точку и обеспечить генерацию большей мощности при тех же скоростях ветра. Повышение удельной выработки ВЭУ с переменной скоростью вращения ветроколеса может достигать 20ч-30 %.
Дополнительным преимуществом возможности изменения частоты вращения ветроколеса является поглощение толчков вращающего момента при порывах ветра, за счет чего снижаются усталостные явления, что повышает срок службы узлов установки, а также уменьшает передачу переходных процессов в сеть.
В качестве генераторов в ВЭУ с переменной частотой вращения ветроколеса в зависимости от необходимого и экономически обоснованного диапазона изменения частоты вращения, могут применяться асинхронизированные синхронные генераторы (АсГ) обеспечивающие обычно изменение частоты в диапазоне до ±50 % от синхронного (см. рисунок 3.2) и синхронные генераторы с ПЧ обеспечивающие изменение частоты в диапазоне от 10 до 100 % (см. рисунок 3.3 и 3.4).
При использовании АсГ преобразователь частоты устанавливается в цепи ротора, на мощность, сниженную кратно частоте скольжения относительно сети, что обеспечивает постоянство частоты и уровня напряжения на выходе не зависящие от скорости ветра и частоты вращения ветроколеса. Соответственно использования ПЧ с непосредственной связью (см. рисунок 3.2а) обеспечивает изменение частоты вращения в диапазоне ±25 %, для расширения возможного предела изменения частот до ±50-г70 % применяются ПЧ со звеном постоянного тока. Для регулирования возбуждения генератора используется векторное управление. В надсинхронной области работы выдаваемая мощность ВЭУ равна сумме мощностей от статора и от ротора. Соответственно, для генерирования той же мощности ВЭУ с АсГ требуется генератор меньшей номинальной мощности, благодаря чему размеры машины двойного питания могут быть оптимизированы.
Регулирование коэффициента мощности в сети производится управлением реактивной мощности машины, в результате чего отсутствует необходимость в компенсирующих конденсаторах.
К недостаткам АсГ можно отнести наличие скользящих контактов в цепи обмоток ротора, как у АГФР, а также учитывая, то, что с ростом радиуса ветроколеса его скорость вращения снижается появляется необходимость установки мультипликатора, коэффициент передачи которого может достигать 20- 40. Мультипликатор в свою очередь снижает КПД установки и удорожает ее стоимость. Стоимость мультипликатора может достигать 20 % от стоимости всей установки.
Для работы ВЭУ с переменной частотой вращения ветроколеса во всем диапазоне изменения частот вращения, преобразователь устанавливается в цепи статора генератора, на полную мощность агрегата (см. рисунки 3.3 и 3.4).
В данных системах используются асинхронные генераторы с ПЧ на входе которых установлены управляемые выпрямители (см. рисунок 3.3а), синхронные генераторы (см. рисунок З.Зб) и синхронные генераторы с постоянными магнитами (см. рисунок З.Зв) с неуправляемыми выпрямителями (диодными) и DC/DC конвекторами обеспечивающими работу ВЭУ с максимальной мощностью при заданной текущей скорости ветра. Однако присутствие в данных схемах мультипликатора значительно снижает эффективность системы генерирования, поэтому схемы с использованием многополюсных генераторов (см. рисунок 3.4) позволяют создавать системы прямой передачи момента от ветроколеса на вал генератора без промежуточных преобразователей механической энергии вращения ветроколеса.
Экономическое обоснование использования ветроэлектрической установки в составе гибридного генерирующего комплекса
Емкость аккумуляторов определяется исходя из условия обеспечения их нормального 8-ми часового заряда, когда мощность генерируемая ВЭУ будет максимальна. Таким образом, можно считать, что часть мощности генерируемой ВЭУ в это время, равная средней мощности нагрузки будет расходоваться на нужды потребителя, а остальная часть пойдет на заряд промежуточного 134 накопителя. При этом для упрощения расчетов затраты на закупку суперконденсаторов приняты равными 20% от затрат на АКБ. 1ш=12. -(Ывэу-Рсрн)кАКБ, (4.12) где Рср.н. — средняя мощность нагрузки, кВт; 1,2 — коэффициент учитывающий затраты на суперконденсаторы в составе промежуточного накопителя энергии; 8 — коэффициент учитывающий обеспечение нормального 8-ми часового заряда промежуточного накопителя при максимальной генерируемой мощности ВЭУ, ч; клкБ— удельные капиталовложения по АКБ, руб./кВт-ч. Определим показатели работы автономной ДЭС установленной мощностью 200 кВт (два агрегата по 100 кВт, работающие попеременно), число часов использования максимальной мощности в году /гшах=4000 ч; стоимость топлива с учетом доставки з7=22000руб./ту.т.; удельные капиталовложения &дэс=10000руб./кВт; удельный расход топлива g = 395-10"6ту.т./кВт-ч; штатный коэффициент рДэс=0,036 чел./кВт; годовая зарплата одного работника ПдЭС-300000 руб./чел.; прочие расходы - 20% от суммы расходов на зарплату и амортизацию [61].
Расчеты показали, что себестоимость электроэнергии, вырабатываемой такой ДЭС при условии использования дизельных агрегатов с максимальной наработкой в течение срока службы не менее 40 тыс. мото-часов, составит 12,7 руб./кВт-ч.
Использование ВЭУ совместно с промежуточным накопителем энергии в составе гибридного ЭТК позволит экономить дорогостоящее привозное топливо. Однако применение ВЭУ и АКБ требует значительного увеличения капитальных затрат, так удельная стоимость ВЭУ достигает 50000 руб./кВт, а аккумуляторов 7000 руб./кВт-ч.
Результаты расчета ЧДД для рассматриваемого примера гибридного ЭТК при различных КИУМ ВЭУ и различных отпускных тарифах на электроэнергию представлены на рисунке 4.2.
Из графиков представленных на рисунке 4.2 видно, что с ростом тарифа и с ростом КИУМ ВЭУ (за счет конструкции ветроагрегата и/или увеличения среднегодовой скорости ветра) формирование прибыли идет быстрее и при этом срок окупаемости инвестиций уменьшается. Использование ВЭУ позволяет не только экономить привозное топливо, а также позволяет снизить тариф на вырабатываемую электроэнергию. Величина снижения тарифа напрямую зависит от срока окупаемости комплекса. Однако, учитывая использование в составе ЭТК свинцово-кислотных АКБ, установление срока окупаемости свыше 10 лет не желательно. Учитывая данный факт, величина снижения тарифа на электроэнергию может составить до 13 % при сроке окупаемости инвестиций 8 лет. При сохранении тарифа на электроэнергию, срок окупаемости гибридного ЭТК сокращается до 5 лет.
Акустический шум Санитарными нормами СН 2.2.4/2.1.8.526-96 «Шум на рабочих местах, в помещениях жилых, общественных зданий и на территории жилой застройки» (далее по тексту - СН) являющимися обязательными для всех организаций и юридических лиц на территории Российской Федерации независимо от форм собственности, подчинения и принадлежности и физических лиц независимо от гражданства установлены допустимые уровни звукового давления, уровни звука, эквивалентные и максимальные уровни звука проникающего шума в помещениях жилых и общественных зданий и шума на территории жилой застройки, которые приведены в таблице 4.2 [68].
Вид трудовой деятельности, рабочее место Время суток Уровни звука иэквивалентныеуровни звукаЬАЭКВ ДБА Максимальные уровни звука ДБА
Территории, непосредственно прилегающие к жилым домам, зданиям поликлиник, зданиям амбулаторий, диспансеров, домов отдыха, пансионатов, домов-интернатов для престарелых и инвалидов, детских дошкольных учреждений, школ и других учебных заведений, библиотек с 7 до 23 ч. с 23 до 7 ч. 55 45 70 60
Согласно СН шум от ВЭУ можно классифицировать как широкополосный, непостоянный, колеблющийся шум.
Оценка непостоянного шума на соответствие допустимым уровням должна проводиться одновременно по эквивалентному и максимальному уровням звука. Превышение одного из показателей должно рассматриваться как несоответствие санитарным нормам [64]. Эквивалентный уровень звука с подветренной стороны LwA(DW) на приемнике рассчитывается для ВЭУ по следующей формуле: LwA(DW)=LwA+Dc-A, (4.13) где LwA — уровень звука широкополосного шума ВЭУ на высоте оси ветроколеса, дБА (из-за непостоянства ветра, оценить эквивалентный уровень шума ВЭУ на высоте оси ветроколеса, можно только приблизительно. Поэтому для расчетов необходимо принимать максимальный уровень звука широкополосного шума LwAMaKC_), Dc — поправка учитывающая направленность источника шума (ВЭУ является ненаправленным точечным источником шума, излучающим в свободное пространство, поэтому Dc=0);
