Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Анализ проблем в области подключения и совместной работы ветроэнергетических установок морского базирования в со ставе электроэнергетической системы 15
1.1 Анализ технических характеристик ветроэнергетических установок с горизонтальной осью вращения :.;. 15
1.2 Обор и анализ нормативных документов, определяющих требования к ветроэнергетическим установкам и ветроэлектростанциям... 25
1.2.1 Обзор международных и российских нормативных документов 25
1.2.2 Нормативные документы, регламентирующие условия подключения и работы ветроэнергетических установок и ветроэлектростан-ций в составе электроэнергетической системы 27
1.3 Анализ работ в области оценки возможности подключения и совместной работы ветроэнергетических установок в составе электроэнергетической системы - 36
1.4 Особенности ветроэнергетических установок и ветроэлектростан-ций морского базирования 47
1.5 Цели и задачи исследования 53
Глава 2 Исследования режимов работы ветропарка мощностью МВт в прибрежной зоне Балтийского моря Калининградской области 55
2.1 Анализ эксплуатационных режимов ветропарка в прибрежной зоне Балтийского моря Калининградской области 55
2.2 Экспериментальные исследования режимов работы ветроэнергетической установки «VESTAS V27-225»:/. 59
2.3 Методика расчета среднегодовой выработки электрической энергии ветроэнергетическими установками и её экспериментальная проверка на базе ветропарка мощностью
5.1 МВт в прибрежной зоне Балтийского моря Калининградской области 71
2.4 Выводы по второй главе 78
Глава 3 Разработка математических моделей для анализа режимов работы ветроэнергетических установок на базе асинхронных машин в составе электроэнергетической системы 80
3.1 Анализ режимов работы электроэнергетической системы с ветро-установками на базе асинхронного генератора с короткозамкнутым ротором с использованием математической модели 80
3.1.1 Математическое описание элементов модели 80
3.1.2 Оценка достоверности математической модели электроэнергетической системы с ветроэнергетическими установками на базе асинхронного генератора с короткозамкнутым ротором 90
3.1.3 Аналитические исследования режимов работы ветроэнергетической установки «Vestas V-27» мощностью 225 кВт ветропарка в прибрежной зоне Балтийского моря с использованием математической модели 98
3.2 Исследования режимов работы электроэнергетической системы с ветроустановками на базе асинхронного генератора двойного питания с использованием её математической модели 102
3.2.1 Математическое описание модели 102
3.2.2 Аналитические исследования режимов работы ветропарка морского базирования установленной мощностью 50 МВт в составе электроэнергетической системы Калининградской области 112
3.3 Выводы по третьей главе 119
Глава 4 Методика для оценки влияния распределенных источников электрической энергии на режимы работы электроэнергетиче ской системы 120
4.1 Разработка методики оценки влияния распределенных источников электрической энергии на режимы работы ЭЭС 120
4.2 Оценка влияния распределенных источников на режимы электроэнергетической системы Калининградской области 127
4.2.1 Получение исходных данных режимов электроэнергетической системы Калининградской области на базе её математической модели. 127
4.2.2 Оценка результатов расчетов по разработанной методике 130
4.3 Выводы по четвертой главе 135
Заключение 137
Список использованных источников
- Анализ технических характеристик ветроэнергетических установок с горизонтальной осью вращения
- Нормативные документы, регламентирующие условия подключения и работы ветроэнергетических установок и ветроэлектростан-ций в составе электроэнергетической системы
- Анализ эксплуатационных режимов ветропарка в прибрежной зоне Балтийского моря Калининградской области
- Оценка достоверности математической модели электроэнергетической системы с ветроэнергетическими установками на базе асинхронного генератора с короткозамкнутым ротором
Введение к работе
Актуальность темы. Ветроэнергетика - самая быстроразвивающаяся отрасль мировой электроэнергетики (ежегодный рост - 22,3%). Бурный росі отрасли обусловлен мировой тенденцией широкого использования возобновляемых, экологически чистых источников энергии, а іакже быстрым снижением удельной стоимости 1 кВт установленной мощности ВЭУ и себестоимости вырабатываемой ими электрической энергии с 20 сУкВт-ч в 1980 году, до 4-6 0/кВт-ч в 2008 году и до 3 0/кВт-ч в перспективе. По прогнозам специалистов выработка электрической энергии ВЭУ в мировом балансе электрической энергии к 2020 году может достигнуть 10%, половина из которой - за счсі ветроэлектростанций (ВЭС) морского базирования, обладающих рядом преимуществ перед береговыми ВЭС: па 25-40% более высокой выработкой из-за более сильных морских ветров, сохранением в пользовании земель.
Анализ современных проблем в области ветроэнергетики показывает наличие двух наиболее важных из них: оценка ветропотепциала и проблема подключения и совместной работы ВЭУ и ВЭС в составе ЭЭС, что подтверждается докладами специалистов на последних мировых конференциях (EWEC-2006, EWEC-2008). Вторая проблема особенно актуальна для ВЭС морского базирования, в связи с их удаленностью от подстанций береї овых ЭЭС, большой установленной мощностью и повышенными 'іребоваппями к надежности электрических связей ВЭС с ЭЭС. Оценка технических решений по вопросам подключения и совместной ВЭУ и ВЭС в составе ЭЭС (коммутационные режимы, колебания активной и реактивной мощностей ВЭУ в зависимости от скорости ветра и т.д.) возможна только с использованием математических моделей ЭЭС с ВЭУ. Единый подход к их созданию в мире еще не выработан, что обусловлено: непрерывным совершенствованием технических решений и ростом номинальных мощностей ВЭУ и ВЭС, мощность коюрых становится соизмерима с мощностью ЭЭС; недостаточностью статистического материала по режимам работы ВЭС морского базирования. Современные ВЭУ выполняются на базе синхронных и асинхронных машин, причем доля по-
- ВВЕДЕНИЕ
Актуальность темы. Ветроэнергетика - самая1 быстроразвивающаяся отрасль мировой электроэнергетики (ежегодный рост - 22,3%). Бурный рост отрасли обусловлен мировой тенденцией'широкого использования возобновляемых, экологически чистых источников энергии, а также быстрым снижени-ем удельной стоимости 1 кВт установленной мощности ВЭУ и себестоимости вырабатываемой ими электрической энергии с 20 с7кВт-ч в 1980 году,'до 4-6 0/кВт-ч в 2008 году и до 3 0/кВт-ч в перспективе. По прогнозам специалистов выработка электрической энергии ВЭУ в мировом балансе электрической энергии к 2020 году может достигнуть 10%, половина из которой- за счет ветроэлектростанций (ВЭС) морского базирования, обладающих рядом преимуществ перед береговыми ВЭС: на 25-40% более высокой выработкой из-за более сильных морских ветров, сохранением в пользовании земель.
Анализ современных проблем в области ветроэнергетики показывает наличие двух наиболее важных из них: оценка ветропотенциала и проблема подключения и совместной работы ВЭУ и ВЭС в составе ЭЭС, что подтверждается докладами специалистов на последних мировых конференциях (EWEC-2006, EWEC-2008). Вторая проблема особенно актуальна для ВЭС морского базирования, в связи с их удаленностью от подстанций береговых ЭЭС, большой установленной мощностью и повышенными требованиями к надежности электрических связей ВЭС с ЭЭС. Оценка технических решений
по вопросам подключения и совместной ВЭУ и ВЭС в:составе ЭЭС (коммута-
7 ционные режимы, колебания активной и реактивной мощностей ВЭУ в зависимости от скорости ветра и т.д.) возможна только с использованием матема-. тических моделей ЭЭС с ВЭУ. Единый подход/к их созданию в'мире-еще не выработан, что обусловлено: непрерывным совершенствованием технических решений и ростом номинальных мощностей ВЭУ и ВЭС, мощность которых становится соизмерима с мощностью ЭЭС; недостаточностью статистического материала по режимам работы ВЭС морского базирования. Современные ВЭУ выполняются на базе синхронных и асинхронных»машин,- причем» доля по-
следних превышает 80%. Таким образом, проведение исследований по разработке математических моделей ВЭУ морского базирования с асинхронными машинами для оценки возможности их подключения и совместной работы в составе ЭЭС является актуальным. Оценка достоверности разработанных моделей может быть проведена на базе экспериментальных исследований режимов работы ВЭУ с асинхронными машинами крупнейшего в РФ ветропарка в прибрежной зоне Балтийского моря Калининградской области.
Целью диссертационной работы является проведение комплекса теоретических и экспериментальных исследований по разработке математических моделей ветроэнергетических установок морского базирования с асинхронными машинами для оценки возможности их подключения и совместной работы в составе электроэнергетической системы.
Поставленная цель предусматривает решение следующих задач:
анализ международных, национальных и отечественных нормативных документов в области проектирования, подключения и совместной работы ВЭУ в составе ЭЭС, технических характеристик ВЭУ ведущих фирм мира;
разработка инженерной методики расчета выработки электрической энергии ВЭУ различных типов и проведение с её использованием оценки объемов возможной выработки электрической энергии потенциальными ВЭС морского базирования в акватории Балтийского моря Калининградской области;
проведение экспериментальных исследований и анализ эксплуатационных режимов ВЭУ "Vestas V-27" в составе ветропарка номинальной мощностью 5.1 МВт в прибрежной зоне Балтийского моря Калининградской области, с целью проверки достоверности математической модели ЭЭС с ВЭУ на базе асинхронных машин, а также разработки технических рекомендаций по повышению эффективности работы этого ветропарка;
разработка и экспериментальная проверка методики, позволяющей проводить оценку влияния распределенных источников электрической энергии, на рабочие и аварийные режимы ЭЭС на примере проектируемой в Калининградской области ВЭС морского базирования;
- разработка математических моделей ЭЭС с ВЭУ на базе асинхронных ге
нераторов различных типов для оценки возможности их подключения и со
вместной работы в составе ЭЭС в различных режимах.
Научная новизна работы состоит в следующем:
впервые предложенная и экспериментально подтвержденная методика оценки выработки электрической энергии ВЭУ, основанная на использовании энергетической характеристики ВЭУ и среднегодовой скорости ветра на высоте ступицы ветроколеса ВЭУ;
экспериментально подтвержденная математическая модель ЭЭС с ВЭУ на базе АГ с короткозамкнутым ротором отличительной особенностью которой является упрощенный учет пускового устройства ВЭУ и блок управления для подключения ВЭУ к сети с заданной скоростью вращения ротора;
математическая модель ЭЭС с ВЭУ на базе АГ двойного питания отличительной особенностью которой является учет пределов регулирования реактивной мощности ВЭУ в зависимости от выдаваемой ею активной мощности и блок, реализующий алгоритм управления напряжением в цепи ротора АГ;
методика, реализованная на базе математической модели ЭЭС и методов кластерного анализа, для оценки влияния распределенных источников электрической энергии, на её рабочие и аварийные режимы. Отличительной особенностью методики является то, что для оценки этих режимов впервые были введены коэффициенты: уровня напряжения, среднего уровня токов короткого замыкания режима ЭЭС и уровня нагрузки.
При выполнении диссертационной работы для решения поставленных задач использовались классические методы анализа электрических цепей, аналитические и численные методы решения уравнений электрических цепей и систем дифференциальных уравнений на ЭВМ в программных пакетах MathCad, Matlab и Excel.
Степень достоверности результатов проведенных исследований подтверждается инженерной точностью сходимости полученных аналитических результатов с данными проведенных экспериментальных исследований.
Практическая значимость работы.
рекомендации по использованию в составе ВЭС морского базирования ВЭУ различных типов;
рекомендации, по изменению момента времени подачи сигнала на подключение ВЭУ «Vestas V-27» к электрической сети, позволяющие более чем на 30%, снизить броски пускового тока и вызванные ими изменения напряжения на зажимах генераторов ВЭУ Калининградского ветропарка;
математические модели и методики, позволяющие провести оценку возможности подключения и совместной работы ВЭУ на базе асинхронных машин и ВЭС на их основе в составе ЭЭС и их годовую выработку;
оценка технико-экономических показателей применения ВЭС морского базирования с ВЭУ на базе асинхронных машин в акватории Балтийского моря Калининградской области.
Основные положения, выносимые на защиту.
методика оценки годовой выработки электрической энергии ВЭУ;
рекомендации по использованию ВЭУ различных типов для повышения годовой выработки ВЭС морского базирования;
рекомендации по снижению пусковых токов ВЭУ на базе АГ с коротко-замкнутым ротором;
результаты экспериментальных исследований эксплуатационных режимов ВЭУ «Vestas V-27» мощностью 225 кВт Калининградского ветропарка;
математические модели ВЭУ морского базирования на базе АГ с корот-козамкнутым ротором и АГ двойного питания; . .
методика оценки влияния распределенных источников электрической энергии на режимы работы ЭЭС реализованная на базе математической модели ЭЭС и методов кластерного анализа.
Основное содержание работы.
В первой главе обоснована актуальность темы диссертационной работы, проведен обзор и анализ международных, национальных и отечественных нормативных документов в области проектирования, подключения и совме-
стной работы ВЭУ и ВЭС на их основе в составе ЭЭС, технических характеристик ВЭУ ведущих фирм мира, рассмотрены особенности ВЭУ и ВЭС морского базирования. На основе выполненного анализа сформулированы цель и задачи исследования.
Во второй главе проведены экспериментальные исследования и дан анализ эксплуатационных режимов работы ВЭУ «Vestas V-27, 225 кВт» в составе ветропарка номинальной установленной мощностью 5.1 МВт в прибрежной зоне Балтийского моря Калининградской области, включая режимы пуска, останова, резкого изменения ветровой нагрузки, что позволило получить исходные данные для разработки и проверки достоверности математических моделей ВЭУ и ВЭС на базе асинхронных машин.
Данные о скорости ветра, регистрируемые с периодом в 0,5 ч расположенной на ветропарке метеостанцией, позволили разработать и провести оценку достоверности методики расчета среднегодовой выработки электрической энергии ВЭУ основанную на использовании энергетической кривой ВЭУ, средней скорости ветра на высоте ступицы ветроколеса ВЭУ и распределения скоростей ветра Рэйлиха. На основе предложенной методики были получены зависимости коэффициента использования установленной мощности ВЭУ различных типов от среднегодовой скорости ветра на высоте ступицы ветроколеса. Их анализ показывает, что ВЭУ с увеличенной максимальной рабочей скоростью ветра обеспечивают более высокую среднегодовую выработку электрической энергии благодаря росту максимума её выработки из-за его смещения в область более высоких значений среднегодовых скоростей ветра. В рамках международного проекта «Перспективы развития морской ветроэнергетики в акваториях Литвы, Польши и России» были определены оптимальные места расположения двух ВЭС морского базирования номинальной мощностью 130 МВт и 115 МВт в Калининградской области. Разработанная методика позволила провести оценку среднегодовой выработки этих ВЭС и проектируемой ранее в районе г. Балтийска ВЭС морского базирования номинальной установленной мощностью 50 МВт.
Третья глава посвящена аналитическим исследованиям режимов работы ВЭУ на базе асинхронных машин в составе ЭЭС, для чего разработана и экспериментально проверена соответствующая математическая модель ЭЭС с ВЭУ в состав которой входят математические модели её отдельных элементов: ЭЭС, трансформатора, ЛЭП, потребителя и ВЭУ. Для адекватного описания пускового режима ВЭУ на базе АГ с короткозамкнутым ротором в модель введен упрощенный учет работы пускового устройства ВЭУ в форме ограничения расчетных значений пускового тока на заданном уровне, в течение 0.6 с после коммутации ВЭУ выключателем. Для ВЭУ на базе АГ двойного питания был введен дополнительный учет преобразователя частоты ротора, моделируемого аналитически, без учета параметров его полупроводниковых элементов и конструкции, на основе реализуемых в.нем алгоритмов». управления напряжением в цепи ротора АГ.
Решение результирующей системы нелинейных дифференциальных уравнений разработанной модели в явном виде представляет значительные трудности, поэтому для её подготовки использовался пакет MatLab, который позволяет организовывать модели из блоков элементов и отображать её структуру графически. Для описания ветровой нагрузки, аэродинамики ротора и механического привода ВЭУ использовались блоки приложения Wind Turbine Blockset. Ряд блоков, описывающих например работу АГ и его систему компенсации реактивной мощности, был доработан. Созданы блок пускового устройства ВЭУ и блок управления, осуществляющий подключение ВЭУ к сети в момент с заданной скоростью вращения ротора. Оценка достоверности модели на базе экспериментальных данных режимов работы ВЭУ-225 показывает достаточную, с инженерной точностью, сходимость с расчетными данными во всех режимах работы.
На основе анализа результатов аналитических исследований пусковых режимов ВЭУ-225 Калининградского ветропарка с использованием разработанной модели было установлено, что подключение ВЭУ к сети целесообразно проводить не при достижении ротором скорости вращения 970 об/мин,
как это выполняется стандартно, а при синхронной скорости вращения 1000 об/мин. В этом случае броски пускового тока в и вызванные ими изменения напряжения на зажимах генератора снижаются на 25-30%.
Также были проведены аналитические исследования широкого спектра режимов работы проектируемой в Калининградской области ВЭС морского базирования мощностью 50 МВт которые показали, что при подключении ВЭС в выбранной точке (подстанция 60/15 кВ «Балтийск») обеспечивается её нормальная работа в пусковых, рабочих режимах, и при провалах напряжения в питающей сети до величины 85% от номинального.
Четвертая глава посвящена разработке методики оценки влияния распределенных источников электрической энергии, на рабочие и аварийные режимы ЭЭС на основе её математической модели и методов кластерного анализа. Положения методики проверены на примере проектируемой в Калининградской области ВЭС морского базирования мощностью 50 МВт. Для проведения такой оценки, впервые в качестве параметров, характеризующих состояние системы и в различных её режимах впервые были выбраны: надежность электроснабжения потребителей, Sa; суммарные потери электрической энергии в ЭЭС, ЕДР; коэффициент уровня напряжения Кпаіф; коэффициент среднего уровня токов к.з. режима ЭЭС Ккз; коэффициент уровня нагрузки Кн. В терминах кластерного анализа каждый из расчетных режимов является объектом, а параметры Sa, ЕДР, Кнапр, Кток и Кп - характеристиками объекта, формирующими характеристическую матрицу, с помощью которой методами кластерного анализа, проводится классификация объектов-режимов.
Для проведения исследований множества возможных режимов Калининградской ЭЭС с проектируемой ВЭС морского базирования мощностью 50 МВт в программе NEPLAN была реализована математическая модель этой ЭЭС, позволяющая рассчитать значения всех выбранных параметров состояния рабочих и аварийных режимов работы ЭЭС. Анализ показывает м ВЭС увеличивает надежность электроснабжения потребителей расширяя диапазон
рабочих режимов ЭЭС, снижает потери электрической энергии в ЭЭС разгружая ЛЭП от перетоков активной и реактивной мощности.
Результаты диссертационной работы использованы при выполнении работ в составе международных проектов: «Перспективы развития морской ветроэнергетики в акваториях Литвы, Польши и России. Проект 2005/214 POWER», «Sustainable development and spatial planning of rural areas in southeastern Sweden. Tempus Project Foresee», при проведении исследований в рамках государственной бюджетной темы 43.45.100.2 "Повышение эффективности функционирования систем энергообеспечения" ФГОУ ВПО КГТУ, в работе Атлантического отделения Института океанологии им. П.П. Ширшова РАН, при проведении занятий по дисциплине «Нетрадиционные возобновляемые источники энергии» в Калининградском Государственном Техническом Университете и в программе курса «Альтернативные источники энергии» в Высшей Школе города Штральзунда (Германия).
Основные результаты диссертационной работы доложены, обсуждены и одобрены на семи научных конференциях, в том числе: на международной научно-технической конференции «Энергосбережение. Энергооборудование. Энергопотребление 2006», г. Калининград, 2006 г.; на международных научно-технических конференциях «Балттехмаш - 2006», г. Калининград, 2006 г. и «Балттехмаш - 2008», г. Калининград, 2008 г.; на девятой российской научно-технической конференции «ЭМС технических средств и электромагнитная безопасность», г. Санкт- Петербург, 2006 г.; на международных научных конференциях «Инновации в науке и образовании - 2005», г. Калининград, 2005 г., «Инновации в науке и образовании - 2006», г. Калининград, 2006 г., «Инновации в науке и образовании - 2007», г. Калининград, 2007 г.
По теме диссертации опубликовано 17 печатных работ, в том числе восемь докладов и девять статей, одна из которых в ведущем рецензируемом научном журнале.
1 АНАЛИЗ ПРОБЛЕМ В ОБЛАСТИ ПОДКЛЮЧЕНИЯ И СОВМЕСТНОЙ РАБОТЫ ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК МОРСКОГО БАЗИРОВАНИЯ В СОСТАВЕ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ
Для выявления научной задачи, формирования цели и постановки задач исследования необходимо провести анализ технических характеристик ВЭУ ведущих фирм мира, международных, национальных и отечественных нормативных документов в области проектирования, подключения и совместной работы ВЭУ в составе ЭЭС, а также проанализировать работы по вопросам оценки возможности подключения и совместной работы ВЭУ в составе ЭЭС.
Анализ технических характеристик ветроэнергетических установок с горизонтальной осью вращения
Современные ВЭУ конструктивно можно разделить на две группы: с горизонтальной осью вращения и с вертикальной осью вращения. Первые обладают лучшими технико-экономическими показателями и получили в мире повсеместное распространение /55/.
Промышленная выработка электрической энергии для питания потребителей ЭЭС возможна с использованием ВЭУ предназначенных для совместной работы в составе ЭЭС. С середины 80-тых годов прошлого века по настоящее время в мире таких ВЭУ сменилось примерно 8 поколений /17/. На сегодняшний день отечественные ВЭУ выпускаются лишь малой мощности, поэтому в РФ принята ориентация на использование ВЭУ средней и большой мощности, производимых зарубежными фирмами /31, 18/. Таким образом, проведение исследований по вопросам подключения и совместной работы ВЭУ в составе ЭЭС РФ невозможно без наличия полных технических данных и характеристик этих ВЭУ. На рисунке 1.1 приведены данные о долях продаж ВЭУ десяти наиболее крупными фирмами производителями за 2006 г /81/. Лидеры Vestas, GE Wind, Enercon и Gamesa вместе занимают поч ти 75% рынка ВЭУ по состоянию на начало 2008 года, их технические характеристики приведены в таблицах 1.1-1.4/4/. Others 10.5% SINOva (PRC) 3.4%
Состояние рынка продаж ВЭУ на начало2008 года /81/ Технические характеристики ВЭУ в большой степени определяются её принципиальной схемой, которых на сегодняшний день в мире разработано множество (рисунок 1.2). Благодаря своим технико-экономическим характеристикам и показателям наибольшее распространение получили три из них, это ВЭУ на базе: - асинхронного генератора с короткозамкнутым ротором и редуктором («а» на рисунке 1.2); - асинхронного генератора двойного питания с полупроводниковым преобразователем и редуктором («е» на рисунке 1.2); - на основе многополюсного синхронного генератора без использования редуктора («к», «л», «м» на рисунке 1.2).
На сегодняшний день, более 95% выпускающихся для коммерческого использования ВЭУ, принадлежат к одному из этих типов. При этом компании Vestas, GE Wind, и Gamesa выпускают ВЭУ на базе асинхронных генераторов, а безредукторные ВЭУ на базе синхронного генератора компания Еп-егсоп. Преимущества и недостатки каждого из них сформировали соответствующие области применения и поэтому должны быть учтены при выборе
ВЭУ и оценке возможности её работы (таблица 1.5) /79/. 16
Исторически, с начала 80-х годов прошлого века наибольшее распро странение получила простейшая схема на базе асинхронного генератора с короткозамкнутым ротором (схема «а» на рисунке 1.2). Анализ её схемы показывает наличие ряда преимуществ, а именно: дешевизна, простота и надежность, малый вес и габариты асинхронного генератора. Недостатком является наличие редуктора и необходимость его технического обслуживания, и особенно то, что для таких ВЭУ мощностью 1,0 МВт и выше существенным является воздействие, которое они оказывают на электрическую сеть /120/. В основном оно связано с увеличением потребляемой генератором реактивной мощности с ростом нагрузки в рабочем режиме, так как конденсаторная установка ВЭУ компенсирует только реактивную мощность, потребляемую асинхронной машиной на холостом ходу (рисунок 1.3). Поэтому зависимость потребления реактивной мощности асинхронного генератора от выдаваемой им активной мощности является важной эксплуатационной характеристикой таких ВЭУ (рисунок 1.4). Таким образом, схема ВЭУ на базе асинхронного генератора с короткозамкнутым ротором наиболее проста, но является устаревшей. Доля таких ВЭУ неуклонно снижается, объем их продаж за 2004 был менее 15%, их номинальная мощность, как правило, не превышает 1,0 МВт.
Рост номинальных мощностей ВЭУ, повышение требований к качеству электрической энергии, необходимость регулирования реактивной мощности, привели к тому, что при больших единичных мощностях стали использоваться новые схемы ВЭУ. Это ВЭУ на базе асинхронного генератора двойного питания и безредукторные ВЭУ на базе синхронного генератора, в которых решены проблемы плавного пуска, потребления или выдачи реактивной мощности, стабилизации напряжения. В частности одна из наиболее по- # пулярных в мире ВЭУ VESTAS-V80 номинальной мощностью 2 МВт с технологией OptiSpeed, построенная на базе асинхронного генератора двойного питания обеспечивает возможность плавного регулирования выдачи и потребления реактивной мощности в зависимости от выдаваемой активной мощности (рисунок 1.5) в пределах cos((p) от 0.98 инд., до 0.96 емк. с ограничением в 1000 кВар, что с точки зрения производителя является достаточным. Благодаря переменной в широких пределах (±30% и больше) скорости вращения, современные ВЭУ имеют более высокие технико-экономические показатели, что обуславливает постоянный рост доли их продаж на рынке (более 80% за 2004 г.). Ими комплектуются все новые ВЭС в мире, кроме того, всё чаще на площадках с высоким ветропотенциалом они заменяют устаревшие ВЭУ на базе асинхронного генератора с короткозамкнутым ротором. Дальнейшее развитие ветроэнергетики в РФ по-видимому будет связано именно с ВЭУ этих типов.
Среди наиболее важных технических характеристик ВЭУ выделяют тип регулирования активной мощности ВЭУ. При стал (Stall) регулировании ограничение вращающего момента ротора обеспечивается использованием лопастей со специально рассчитанным профилем, создающим срыв потока воздуха в необходимом диапазоне скоростей ветра. При питч (Pitch) регулирование контроль выдачи активной мощности осуществляется поворотом лопастей ротора на некоторый угол, называемый углом питч регулирования. Оба метода имеют различные варианты реализации и получили примерно одинаковое распространение 111.
Нормативные документы, регламентирующие условия подключения и работы ветроэнергетических установок и ветроэлектростан-ций в составе электроэнергетической системы
Эффективная и безопасная работа энергосистем обеспечивается выполнением требований, регламентированных для всех подключенных к сети пользователей (потребители, генерирующие источники) соответствующей нормативной документацией /90/. В настоящее время в Европе функционируют несколько синхронно работающих ЭЭС (UCTE, Nordel, UK, Ireland, РАО ЕС России), они показаны на рисунке 1.8 /71/. Компании, управляющие работой этих ЭЭС, представили специальные требования по подключению ВЭУ и ВЭС к сети. Ряд компаний, таких как например National Grid (Ирландия), внесли соответствующие дополнения в существующие нормативные документы по подключению к электрической сети традиционных источников электрической энергии, другими за основу были взяты международные стандарты. Подобные нормативные документы рассматривались на национальном уровне, например в Германии и Дании уже с начала 90-х годов прошлого века /71/. Первоначально их требования основывались на существующей нормативной документации, разработанной для синхронных генераторов традиционных электростанций. Из-за особенностей ветра как источника энергии, они являются сложными для выполнения производителями ВЭУ. Это вынудило производителей разрабатывать новые технические решения, модернизировать системы контроля и управления ВЭУ. Внедрение этих разработок дает современным ВЭУ новые возможности, которые должны быть учтены в нормативных документах. Рост номинальных мощностей ВЭУ, также вызывает необходимость пересмотра существующих требований /89/.
На сегодняшний день в мире разработано несколько десятков различных нормативных документов касающихся вопросов подключения и параллельной работы ВЭУ и ВЭС в электрической сети. В таблице 1.8 приведен список нормативных документов получивших наиболее широкое распространение и применение в международной практике.
Все эти документы можно разбить на три большие группы /58/: - требования по подключению ВЭУ и ВЭС к распределительным сетям напряжением менее 100 кВ; - требования по подключению ВЭУ и ВЭС к магистральным сетям высокого и сверхвысокого напряжения, более 100 кВ; - требования по подключению ВЭУ и ВЭС к сетям всех уровней напряжений.
Их анализ показывает, что единый подход к выбору показателей, рас сматриваемых при оценке возможности подключения и параллельной работы ВЭУ и ВЭС в составе ЭЭС еще не выработан, однако, в общем случае, требо- . вания, приведенные в рассматриваемых документах можно структурировать в следующем виде: ... .. . ;.;.: - контроль активной мощности, диапазон изменения частоты и ее контроль; - контроль напряжения, компенсация реактивной мощности и качество электрической энергии; - защита и автоматика; - работа ВЭС при коротких замыканиях в сети; - требования к трансформаторам ВЭУ (с РПН); - моделирование и проверка адекватности модели; - мониторинг и связь. Требования по активной мощности и частоте
Как известно величина частоты в энергосистеме определяется балансом активной мощности (1.1). ИРГ = ИРИ + ZAP, (1.1) где 1РГ - генерируемая активная мощность электростанций, за вычетом мощности, расходуемой на собственные нужды; Т.РН - суммарная активная мощность нагрузки потребителей; SAP - суммарные потери активной мощности.
Требования по активной мощности и частоте к ВЭУ и ВЭС задаются, чтобы снизить их влияние на частоту в ЭЭС, предотвратить перегрузку ли ний электропередачи (ЛЭП), гарантировать выполнение требований стандар тов на качество электрической энергии, избежать больших скачков напряже ний и токов при включении и отключении ВЭС /90/. Требования по активной мощности (таблица 1.9) и частоте (рисунок 1.9) в рассматриваемых норма тивных документах существенно различаются.
При резких изменениях ветровой нагрузки, приводящих к изменению активной мощности, крупные ВЭС, мощность которых соизмерима с мощностью энергосистемы (более 5% мощности ЭЭС) могут оказывать влияние на частоту в ней. В соответствии с требованиями европейского стандарта EN 50160 частота напряжения в сетях среднего напряжения объединенной
ЭЭС должна находятся в диапазоне 50±0,5 Гц в течении 99,5% времени года и в диапазоне 50 +2/-3 Гц в течении всего года /70/. Для изолированный энер госистем эти требования несколько мягче: диапазоне 50±1,0 Гц в течении 99,5% времени года и в диапазоне 50±7,5 Гц в течении всего года. Eltra 100 кВ Elira 100 кВ SvK 20 Мет SvK 20 Мвт SPT&D E.ON Рисунок 1.9 - Требования национальных нормативных документов компаний, управляющих работой электрических сетей различных стран к изменению частоты для ВЭУ и ВЭС /90/
Из-за большого момента инерции ВЭУ не способны участвовать в первичном контроле частоты подобно традиционным генераторам. Однако ESBNG требует для ВЭС включения возможности первичного контроля (как и для тепловых электростанций) в 3-5% выдаваемой ВЭС мощности. ESBNG и ряд других документов требует возможности участия ВЭС во вторичном контроле частоты. При повышении частоты это может быть достигнуто отключением нескольких ВЭУ, входящих в состав ВЭС или питч регулирова-31
Анализ эксплуатационных режимов ветропарка в прибрежной зоне Балтийского моря Калининградской области
6 состав крупнейшего в России ветропарка, расположенного в прибрежной зоне Балтийского моря Калининградской области (рисунок 2.1), входят двадцать ВЭУ «VESTAS V27-225» номинальной единичной мощностью 225 кВт и одна ВЭУ «Wind World W-4200» номинальной единичной мощностью 600 кВт, выполненные на базе асинхронных генераторов с ко-роткозамкнутым ротором. Выдача мощности ветропарка осуществляется по двум воздушным линиям 15 кВ, связывающим его с подстанциями 110/15 кВ 0-9 «Зеленоградск» и О-10 «Светлогорск» (рисунок 2.2).
За время существования ветропарка был выполнен ряд исследований, посвященных его работе. В частности, в работах /8, 3, 5, 9, 6/ дан анализ эксплуатационных режимов ветропарка. В работе 151 показано, что для ВЭУ-600 среднегодовой коэффициент использования установленной мощности соста-вил 0,16, а коэффициент удельной выработки - 560 тыс. кВт-час/м". Для ВЭУ-225 за год эксплуатации удельная выработка электроэнергии по ВЭУ-225 составила 563,3 кВт-час/м", а коэффициент установленной мощности 0,185 /3/. При работе ВЭУ и ЛЭП, связывающей ВЭУ с энергосистемой, не исключены аварии и отказы, которые следует проанализировать и обосновать меры и технические решения по их предотвращению. Такой анализ проведен в 161. На рисунке 2.3 приведены количество отказов по каждой ВЭУ за сезон и их сезонность, что позволяет оценить существующие проблемы. Анализ отказов всех двадцати ВЭУ за сезон с 2002 по 2003 год, проведенный в работе /6/, показывает, что наиболее часто встречающиеся отказы - это выход напряжения на шинах генератора за нижнюю и верхнюю границу допустимого диапазона, который, согласно техническому проекту ВЭУ-225, составляет от -10% до +6% от его номинального напряжения.
Отключения ВЭУ-225 и ВЭУ-600 свидетельствуют о слабой электрической связи ветропарка с электроэнергетической системой. В такой сети потребление реактивной мощности асинхронными генераторами ВЭУ ветропарка в его эксплуатационных режимах будет оказывать существенное влияние на уровни напряжения в узлах электрической сети. Кроме того, несмотря на применение полупроводниковых пусковых устройств в схеме ВЭУ-225, отмечаются значительные изменения напряжения на зажимах ВЭУ в пусковых режимах. С ростом нагрузок потребителей электрической сети в данном районе ситуация с уровнями напряжения в точках подключения ветропарка будет ухудшаться. В связи с этим большой интерес представляет проведение экспериментальных исследований статических и динамических режимов ВЭУ ветропарка в прибрежной зоне Балтийского моря Калининградской области, включая вопросы влияния пусковых режимов этих ВЭУ на режимы работы электрической сети.
Использование источника реактивной мощности с возможностью плавной автоматической регулировки её выдачи, работающего с алгоритмом поддержания постоянного уровня напряжения в заданной точке сети, позволило бы обеспечить напряжение у потребителей и на зажимах ВЭУ в соответствии с требованиями российского стандарта на качество электрической энергии ГОСТ 13109-97. Необходимо отметить, что в ВЭУ последних поколений вопросы потребления реактивной мощности решены, в частности, ВЭУ на базе асинхронного генератора двойного питания благодаря использованию полупроводникового преобразователя в цепи ротора способны плавно регулировать выдачу и потребление реактивной мощности в широких пределах, до 20% от номинальной мощности ВЭУ. Благодаря этому ближайшие к таким ВЭУ потребители находятся даже в лучших условиях с точки зрения соответствия напряжения стандартам качества, чем остальные потребители распределительной сети.
Экспериментальные исследования проводились на ВЭУ «VESTAS V27-225 кВт» (приложение 2.1), с использованием трехфазного анализатора качества электрической энергии FLUKE 434. Прибор позволяет измерять показатели качества электрической энергии в соответствии с российскими и международными стандартами..С использованием прибора были получены экспериментальные данные для режимов пуска, останова ВЭУ-225, резкого изменения ветровой нагрузки, а также широкого диапазона рабочих режимов /42/. Экспериментальная установка показана на рисунке 2.4, схема подключения прибора FLUKE 434 на рисунке 2.5.
Режим пуска ВЭУ-225
За время проведения экспериментов были получены данные по пусковым режимам ВЭУ в диапазоне средних скоростей ветра на высоте ступицы ветроколеса от 6.2 до 9.2 м/с. Экспериментальные кривые изменения тока и напряжения в точке подключения ВЭУ-225, в режимах с максимальными и минимальными пусковым током и изменениями напряжения приведены на рисунках 2.6-2.9. Подключение ВЭУ-225 к сети осуществляется, через полупроводниковое пусковое устройство (софт-стартер), ограничивающее пусковой ток асинхронного генератора. При выходе на рабочий режим пусковое устройство шунтируется контактором, и генератор непосредственно подключается к сети. На полученных графиках видна работа пускового устройства ВЭУ-225. Соответствующая граница среза пускового тока генератора 1ср имеет продолжительность до 1,5 секунд и величину до 50% от номинального тока генератора. На всех полученных кривых в момент срабатывания контактора наблюдается кратковременный, длительностью до 80 мс, бросок тока 11ШК до величины 90% от номинального тока генератора.
Оценка достоверности математической модели электроэнергетической системы с ветроэнергетическими установками на базе асинхронного генератора с короткозамкнутым ротором
Анализ рынка ВЭУ и их технических характеристик, проведенный в первой главе показывает, что дальнейшее развитие ветроэнергетики в РФ будет, по-видимому, связано с использованием ВЭУ на базе асинхронного генератора двойного питания. В связи с этим необходима разработка математической модели для оценки статических и динамических режимов работы ЭЭС с такими ВЭУ. В РФ на сегодняшний день не эксплуатируется ни одной ВЭУ этого типа, что делает невозможным проведение экспериментальной оценки достоверности такой модели. Тем не менее, при её разработке могут быть взяты за основу исходные данные и положения, а также математическое описание экспериментально подтвержденной модели ЭЭС с ВЭУ на базе асинхронного генератора с короткозамкнутым ротором.
Структура модели остается прежней (рисунок 3.1), полностью сохраняется математическое описание следующих элементов: электроэнергетическая система, трансформатор, линия электропередачи, потребитель. В блоке ВЭУ изменяется математическое описание генератора, остальные блоки остаются без изменений. Для асинхронного генератора двойного питания, основу математического описания генератора составляет та же система дифференциальные уравнений Горева-Парка в системе координат d-q (3.4), необходим дополнительный учет работы полупроводникового преобразователя, который контролирует величину напряжения на обмотках ротора и его частоту.
Полупроводниковый преобразователь ротора моделируется аналитически, без учета его реальной конструкции и параметров применяемых полупроводниковых элементов, на основе реализуемых в нем алгоритмов управления величиной напряжения в цепи ротора по осям d и q. Такой подход значительно упрощает модель, делает её независимой от типа применяемого преобразователя и его конструкции, уменьшает затраты расчетного времени. При этом d-составляющая используется для контроля момента генератора, а значит и вырабатываемой им активной мощности, q-составляющая для контроля реактивной мощности, а значит и напряжения ВЭУ.
Управление реактивной мощностью ветроустановки на основе асинхронного генератора двойного питания
Реализованный в модели регулятор реактивной мощности, способен работать в трех режимах: - компенсация тока намагничивания асинхронного генератора (/„,); - обеспечение постоянства напряжения на зажимах ВЭУ (Vref); - обеспечение постоянства реактивной мощности ВЭУ (Qref).
Для первого типа регулирования управляющий сигнал напряжения ро- тора Vdr формируется на основе величины тока намагничивания генератора /98/, регулирование осуществляется в соответствии с выражением: Im=Vqs/(us-LJ, (3.14) где vqs - составляющая напряжения статора ВЭУ по оси q; оо s - частота вращения поля статора; Lm — взаимная индуктивность обмотки статора и ротора турбины. Схема регулятора второго типа реализована в модели как дополнительная к регулятору первого типа, сигнал напряжения Vjr формируется на основе разности заданного и действующего на данный момент времени напряжений AV = Vref- Vqs. Общая схема регулятора приведена на рисунке 3.18.
Третий тип регулирования, обеспечивающий постоянство выдачи или потребления реактивной мощности ВЭУ в эксплуатационных режимах ВЭУ используется редко, однако, как показал анализ технических характеристик современных ВЭУ, он реализуется практически во всех схемах управления поскольку позволяет организовать работу ВЭУ с нулевым балансом реактивной мощности, поэтому его учет необходим. Регулятор формирует сигнал напряжения У г на основе разности заданного Ij ref и действующего на данный
Рисунок 3.18 - Схема регулирования, обеспечивающая постоянство напряжения ВЭУ на базе асинхронного генератора двойного питания или режим компенсации его тока намагничивания, а также графики параметров ВЭУ этих режимах: поддержания напряжения на зажимах ВЭУ (а), компенсации тока холостого хода (б)
Во всех режимах работы и при любом способе регулирования реактивной мощности ВЭУ полная мощность генератора, не должна превышать номинального значения, поэтому в модель необходимо ввести учет предельных допустимых значений реактивной мощности генератора ВЭУ как функцию вырабатываемой ВЭУ активной мощности. В наиболее общем виде предельные значения могут быть определены по формуле:
Таким образом, с увеличением выдачи активной мощности ВЭУ, в соответствии с полученной зависимостью, снижаются возможности регулирования её реактивной мощности. Учет изменения пределов регулирования реактивной мощности в зависимости от вырабатываемой активной мощности ВЭУ для модели ЭЭС с ВЭУ на базе асинхронного генератора двойного питания, выполненный на основе выражения для определения граничных значений управляющего тока ротора был введен впервые.
