Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ ІНСТИТУТ ВІДНОВЛЮВАНОЇ ЕНЕРГЕТИКИ

УДК 621.311.24: 621.548

Спеціальність 05.14.08 - перетворювання відновлюваних видів енергії

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

КОМПЕНСАЦІЯ РЕАКТИВНОЇ ПОТУЖНОСТІ ПРОМИСЛОВИХ ВІТРОЕЛЕКТРИЧНИХ СТАНЦІЙ З АСИНХРОННИМИ ГЕНЕРАТОРАМИ

Даниленко Олександр Іванович

Київ 2009

Дисертацією є рукопис.

Роботу виконано у відділі гідроенергетики Інституту відновлюваної енергетики Національної академії наук України, м. Київ.

Науковий керівник - доктор технічних наук, с.н.с. Васько Петро Федосійович, Інститут відновлюваної енергетики НАН України, провідний науковий співробітник відділу гідроенергетики.

Офіційні опоненти:

- доктор технічних наук, професор Кудря Степан Олександрович, Інститут відновлюваної енергетики НАН України, завідувач відділом вітроенергетики;

- кандидат технічних наук, доцент Омельчук Анатолій Олександрович, Національний університет біоресурсів і природокористування України, доцент кафедри електропостачання.

Захист дисертації відбудеться « 20 » січня 2010 р. о 11-00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.249.01 в Інституті відновлюваної енергетики НАН України за адресою: 02094, м. Київ-94, вул. Червоногвардійська, 20а. Тел. 537-26-57.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Інституту відновлюваної енергетики НАН України (02094, м. Київ-94, вул. Червоногвардійська, 20а).

Автореферат розіслано « 14 » грудня 2009 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Т.В. Суржик

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

генерування потужність реактивний

Актуальність теми. Початковий досвід експлуатації вітчизняних промислових вітроелектричних станцій (ВЕС) з асинхронними генераторами засвідчує значне споживання ними реактивної енергії з мережі, незважаючи на наявність штатних конденсаторних батарей у складі кожної вітроелектричної установки (ВЕУ). Проте існуючі нормативні вимоги до умов функціонування ВЕС у Енергоринку України і технічні умови на підключення станцій до електромережі потребують повної компенсації реактивної потужності у точці комерційного обліку електроенергії. Крім необхідності вирішення технічних питань з компенсації існує і економічний аспект цієї задачі, зумовлений необхідністю сплати за реактивну електроенергію, що зменшує економічну ефективність станцій. Задача компенсації реактивної електроенергії ВЕС важлива і для світової вітроенергетики. Цій тематиці присвячено декілька докладів сесії CIGRE-2008.

Сутність наукового завдання даної дисертаційної роботи полягає у визначенні основних закономірностей та характеристик стохастичних процесів споживання реактивної потужності промисловими багатоагрегатними ВЕС з асинхронними генераторами в умовах їх реальної експлуатації, що надає можливості для розроблення ефективного способу компенсації реактивної потужності на введених в дію вітчизняних ВЕС.

Актуальність теми дисертації обумовлена відсутністю на даний час науково-методичного вирішення на етапі проектування ВЕС задачі компенсації реактивної потужності з урахуванням збурень швидкості вітру та напруги електросистеми, а також параметрів внутрішньої мережі станції.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана у відповідності з планами наукових досліджень Інституту відновлюваної енергетики НАН України, що проводяться згідно Постанови бюро Відділення фізико-технічних проблем енергетики НАН України №5 від 8.04.2004. за темою "Розроблення ефективних методів і засобів перетворення, акумуляції та використання енергії вітру" (шифр "Вітер", №ДР 0104U003588); та Постанови №15 §80 від 20.11.2007. по темі "Розробити наукові засади методів ефективного перетворення та акумулювання енергії вітру з урахуванням кліматичних особливостей регіонів України" (шифр "Вітер-1", №ДР 0108U000501), планів НДР та НДКР Комплексної програми будівництва вітрових електростанцій в Україні, прийнятої Постановою Кабінету Міністрів України №137 від 03.02.97. в період 2004-2007 р.р: НДР: №ДР 0104U006746, №ДО 204U006925, 2004р.; НДКР: №ДР 0105U008675, №ДО 0206U000432, 2005р.; НДКР: №ДР 0106U007222, №ДО 0206U006554, 2006р.; НДР: №ДР 0105U008675, №ДО 0107U010541, 2007р.. В даних НДР автором визначені статистичні характеристики зміни напруги на складових частинах ВЕС з асинхронними генераторами та ємнісною компенсацією реактивної потужності, досліджені перетоки реактивної електроенергії на промисловій ВЕС та розроблено принципове схемотехнічне рішення модульного компенсатора реактивної потужності вітроелектричного модуля з асинхронними генераторами, розроблено принципове рішення експериментального зразку вимірювального комплексу на основі мікропроцесорних мультиметрів для автоматичного моніторингу параметрів електроенергії складових частин промислової ВЕС, визначені статистичні характеристики стохастич-них процесів генерування та споживання реактивної потужності ВЕУ з асинхронними генераторами в складі промислової багатоагрегатної вітростанції.

Мета і завдання дослідження. Мета дисертаційної роботи полягає у розробленні ефективного засобу компенсації реактивної потужності введених в експлуатацію вітчизняних промислових ВЕС шляхом визначення закономірностей стохастичних процесів споживання реактивної потужності багатоагрегатних станцій за різної кількості вітроустановок.

Досягнення зазначеної мети потребувало розв'язання наступних основних задач:

- проведення теоретичного аналізу детермінованих процесів генерування та споживання реактивної потужності вітчизняними ВЕС з асинхронними генераторами для визначення кількісної оцінки впливу експлуатаційних факторів;

- розробка математичної моделі процесу споживання реактивної потужності окремої ВЕУ з асинхронним генератором та ємнісною компенсацією у турбулізованому повітряному потоці;

- проведення експериментальних досліджень та визначення основних закономірностей стохастичного процесу споживання та генерування реактивної потужності розподіленої багатоагрегатної ВЕС за різної кількості ВЕУ в складі станції;

- розробка схемо-технічного рішення компенсації споживання реактивної потужності для введених в експлуатацію вітчизняних ВЕС;

- практична реалізація та апробація системи автоматичної компенсації реактивної потужності вітчизняної ВЕС в умовах експлуатації.

Об'єкт дослідження - електромеханічні процеси навантажувальних режимів роботи промислових багатоагрегатних ВЕС з асинхронними генераторами.

Предмет дослідження - параметри та характеристики стохастичних процесів споживання реактивної потужності багатоагрегатних ВЕС за різної кількості вітроустановок у складі станції.

Методи дослідження. Для розв'язання поставлених задач використовувались методи теоретичних основ електротехніки - виконання розрахунків параметрів електротехнічного обладнання та електроенергетичної системи; чисельні методи рішення систем нелінійних диференціальних рівнянь - рішення математичної моделі динаміки навантажувальних режимів роботи ВЕУ; методи математичної статистики - обробка результатів експериментальних досліджень стохастичних процесів споживання і генерування реактивної потужності багатоагрегатної ВЕС.

Наукова новизна одержаних автором результатів полягає в наступному:

1. Обґрунтована нова умова забезпечення електромагнітної сумісності обладнання серійних ВЕУ з асинхронними генераторами та ємнісною компенсацією реактивної потужності у складі промислової багатоагрегатної ВЕС, котра полягає в узгодженому застосуванні нестандартизованих значень коефіцієнта трансформації силових трансформаторів вітроелектричних модулів та уставок захисту по перенапрузі.

2. Розроблена нова математична модель процесів генерування та споживання реактивної потужності окремої ВЕУ з асинхронним генератором за паралельної роботи з електросистемою, яка, на відміну від існуючих моделей, дозволяє враховувати стохастичні зміни швидкості вітру та напруги мережі, нелінійність параметрів генератора та трансформатора, закон керування величиною компенсаційної ємності. Модель дозволяє визначити стохастичні характеристики динаміки споживання реактивної потужності у повному діапазоні змін робочих швидкостей вітру та необхідне значення компенсаційної ємності окремої ВЕУ.

3. Вперше визначені кількісні значення кореляційних зв'язків між реактивними потужностями складових частин багатоагрегатної ВЕС з асинхронними генераторами і ємнісною компенсацією, як розподіленого стохастичного джерела енергії. Встановлено, що величини коефіцієнтів кореляції реактивної потужності між однією ВЕУ та групами інших ВЕУ практично не залежать від кількості установок у групі та станції в цілому.

4. Вперше отримані функціональні залежності змін статистичних параметрів та характеристик реактивної потужності багатоагрегатної ВЕС з асинхронними генераторами за різної кількості установок у складі станції, які дозволяють визначати необхідні обсяги компенсації реактивної потужності на етапі проектування станції за результатами математичного моделювання або експериментального дослідження окремої вітроустановки.

Практичне значення одержаних результатів. Отримані закономірності динаміки стохастичних процесів зміни реактивної потужності багатоагрегатної ВЕС з асинхронними генераторами та ємнісною компенсацією дозволяють визначати необхідну ємність компенсації при проектуванні компенсаторів з урахуванням розподілу швидкостей вітру по території станції, взаємного аеродинамічного затінення установок на різних швидкостях вітру, зміни напруги мережі та уставок захисту по рівню перенапруги.

Розроблена методика обробки статистичних результатів вимірювань стохастичних процесів генерування електроенергії багатоагрегатної ВЕС з застосуванням матричного подання масивів даних великої розмірності.

Розроблені, випробувані та введені в експлуатацію на Мирнівській та Прісноводненській ВЕС дослідні зразки вимірювального комплексу для автоматичного моніторингу параметрів електроенергії багатоагрегатної вітростанції.

Розроблена, випробувана та введена в експлуатацію на Мирнівській та Прісноводненській ВЕС дослідна партія автоматичних компенсаторів реактивної потужності.

Результати досліджень автора використовувались при виконанні 5-ти НДКР по розробці та створенню компенсаторів реактивної потужності промислових ВЕС, що підтверджено 2-ма актами державних комісій по вводу в експлуатацію відповідного обладнання на вітростанціях Держводгоспу України, а також 10-ма актами впровадження результатів НДР.

Особистий внесок автора. Всі результати дисертаційної роботи отримані автором особисто. Роботи [1,2,3,7,10,12,13] написані самостійно.

В друкованих працях, опублікованих у співавторстві, дисертанту належить: в [4] - розробка схеми модульного компенсатора реактивної потужності; в [5] - визначення конструктивних та технологічних можливостей зміни коефіцієнта трансформації силових трансформаторів ВЕС для забезпечен-ня умов електромагнітної сумісності обладнання ВЕУ, проведення експериментальних досліджень зміни величини напруги ВЕС; в [6,15] - розробка структурної схеми системи автоматичного регулювання компенсацією реактивної потужності; в [8,16,18] - методика обробки статистичних даних результатів вимірювань параметрів електроенергії багатоагрегатної ВЕС; в [9,17,20] - розробка технічного рішення вимірювального комплексу для моніторингу параметрів електричної енергії промислових ВЕС з використанням мікропроцесорних мультиметрів; в [11] - розробка схеми побудови телеінформаційної мережі ВЕС; в [14] - розробка схемотехнічних рішень компенсації реактивної потужності ВЕС на основі модульних компенсаторів; в [19] - визначення періоду квантування вимірів потужності ВЕУ;

Апробація результатів дисертації. Основні положення та результати дисертаційної роботи доповідались та обговорювались на 9-ти конференціях: "Особливості будівництва та експлуатації ВЕС в умовах України" 22-24 квітня 2002 р., "Пуща Озерна", (м. Київ, Україна); IV і V міжнародні конференції "Нетрадиційна енергетика в ХХІ столітті” (2003, 2004 рр., АР Крим, Україна); VІ, VII, VIII, IX, X міжнародних конференціях "Відновлювана енергетика ХХІ століття» (2005, 2006, 2007, 2008, 2009 рр. АР Крим, Україна); міжнародній науково - технічній конференції "Проблеми підвищення ефективності електромеханічних перетворювачів в електроенергетичних системах" 19-23 вересня 2005 р., (Севастополь, Україна); науково - технічній конференції "Проблеми автоматизованого електроприводу. Теорія і практика" 17-22 вересня 2007 р. (пмт. Миколаївка, АР Крим, Україна).

Публікації результатів наукових досліджень. Основний зміст дисертаційної роботи відображено в 20 публікаціях (9 статей у фахових наукових виданнях, із них 4 без співавторів; 1 стаття в інших науково-технічних виданнях; 10 - у матеріалах та тезах доповідей на науково-технічних конференціях, із них 2 без співавторів; а також у 5-ти науково-технічних звітах про НДР, які мають номери державної реєстрації та обліку.

Структура та обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається зі вступу, чотирьох розділів, загальних висновків, додатків і переліку використаних джерел. Загальний обсяг дисертації складає 195 сторінок, у тому числі 144 сторінки основного тексту, 73 рисунків, 16 таблиць, два додатки і перелік використаних джерел (131 найменування).

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі подано загальну характеристику роботи, її зв`язок з науковими програмами. Показано актуальність роботи, сформульовано мету та основні задачі наукових досліджень, викладено наукову новизну отриманих результатів та їх практичне значення, наведено відомості про апробацію і публікації.

У першому розділі виконано аналіз експлуатаційних показників споживання та генерування реактивної електроенергії промислової ВЕС з асинхронними генераторами та економічних умов її функціонування в Енергоринку

України, сформульовані напрямки досліджень дисертаційної роботи.

За результатами вимірювання параметрів реактивної електроенергії ВЕС з асинхронними генераторами автоматизованою системою комерційного обліку на протязі декількох років було встановлено, що обсяги споживання реактивної електроенергії складають (40-90)% від обсягів генерування активної. Проведене осцилографування навантажувальних режимів роботи ВЕУ і ВЕС засвідчило стохастичний характер процесу споживання реактивної електроенергії, зумовлений наявністю пульсацій швидкості вітру та турбулізацією повітряного потоку ротором вітроустановки.

Розподілене розташування ВЕУ по території промислової ВЕС є причиною того, що кожна установка знаходиться в індивідуальних вітрових умовах у залежності від напрямку швидкості вітру, взаємного аеродинамічного затінення та впливу рельєфу місцевості. Оскільки аналітичного рішення задачі визначення пульсацій реактивної потужності багатоагрегатної ВЕС на сьогодні не існує, то основні напрямки наукових досліджень дисертаційної роботи були спрямовані на визначення статистичних параметрів пульсацій потужності окремої ВЕУ шляхом математичного моделювання, або експериментального дослідження з подальшою кореляцією отриманих результатів для станції з різною кількістю вітроустановок в її складі.

У другому розділі виконано теоретичний аналіз детермінованих процесів навантажувальних режимів роботи ВЕС з асинхронними генераторами з урахуванням впливу експлуатаційних факторів (зміни напруги електросистеми, алгоритму роботи системи захисту від перенапруги, розподілу напруги внутрішньої мережі станції, насичення магнітопроводів генераторів та трансформаторів).

Аналіз навантажувальних режимів роботи виконувався з використанням заступної схеми ВЕУ в складі багатоагрегатної ВЕС та результатів експериментального дослідження зміни напруги електросистеми та внутрішньої електромережі станції. Отримані результати засвідчили, що в залежності від місця розташування ВЕУ на території станції перенапруга на частині генераторів в номінальному режимі роботи досягає 15%, що перевищує норму електромагнітної сумісності. Підвищене значення рівня напруги сприяє збільшенню споживання реактивної потужності генераторів та трансформаторів станції через насичення магнітопроводів. Збільшення споживання реактивної потужності контуром намагнічування в результаті нелінійності параметрів магнітопроводу складає 44% для генераторів і 41% для трансформаторів у порівнянні з режимом номінальної напруги. Наявність перенапруги на ВЕУ в навантажувальних режимах викликає значно частіше спрацювання системи захисту, дія якої основана на відключенні штатних конденсаторних батарей, що в свою чергу збільшує споживання реактивної електроенергії.

Було встановлено, що узгодження умов електромагнітної сумісності і дії захисту від перенапруги при ємнісній компенсації асинхронного генератору серійних ВЕУ USW56-100 доцільно реалізувати шляхом застосування силових трансформаторів з нестандартним значенням коефіцієнта трансформації та відповідним вибором уставок захисту. Обґрунтовано виконувати модернізацію силового трансформатору шляхом збільшення кількості витків високовольтної обмотки на 5%.

Виявлені та досліджені причини і фактори значного споживання реактивної потужності серійних ВЕУ з асинхронним генератором надали можливість розробити математичну модель цього процесу з урахуванням збурень швидкості вітру та напруги електросистеми, нелінійності магнітопроводів генераторів та трансформаторів, параметрів внутрішньої електромережі станції та закону керування штатними конденсаторними батареями. Зміна швидкості вітру моделювалась з використанням генераторів псевдовипадкових чисел, а збурення напруги електросистеми - за допомогою асиметричних одиничних функцій. Розроблена математична модель має наступний вид:

; (1)

; (2)

; (3)

;

; (4)

; (5)

; (6)

;

, при , i=1,2,3,…,Y,

, при ,

де - сумарний момент інерції, приведений до вала ротора ВЕУ; - кутова швидкість обертання та момент ротора ВЕУ; - миттєві та середні швидкості вітру за 10-ти хвилинний інтервал часу Т; - пульсації швидкості вітру відносно ; - оптимальне значення кута повороту лопатей ротора ВЕУ для регулювання потужності; - передатне число мультиплікатора; - струм через опір генератора; - число пар полюсів обмотки генератора; , - частота та напруга електросистеми; , - залежність зміни опору холостого хода генератора і трансформатора від напруги; , - залежності зміни опору і реактивної потужності штатних компенсуючих конденсаторних батарей, зумовлені системою керування ВЕУ; - асиметрична одинична функція; - амплітуда i-й зміни ; - початкове значення напруги при t=0; , - реактивна потужність генератора і трансформатора; - ідентифікатор уявної частини комплексу повної потужності; - комплекс напруги на генераторі, - спряжений комплекс струму генератора; , - струм генератора і холостого хода трансформатора; , , - реактивний опір кабельної лінії, короткого замикання и холостого хода трансформатора; ,, - реактивна потужність компенсації, її середнє значення і середнє квадратичне відхилення на часовому інтервалі T для заданого значення швидкості вітра; - потрібне значення потужності компенсації.

Модель дозволяє визначати потрібне значення компенсаційної ємності окремої ВЕУ у повному діапазоні робочих швидкостей вітру. На рис.2 наведені результати моделювання процесу генерування активної потужності та споживання реактивної потужності з урахуванням стохастичного процесу зміни швидкості вітру і збурень напруги в електросистемі, закону керування штатною системою компенсації реактивної потужності ВЕУ.

У третьому розділі експериментально досліджувались статистичні характеристики стохастичного процесу споживання реактивної потужності ВЕС за різної кількості ВЕУ у складі станції. Вимірювання параметрів електроенергії здійснювалось в повному діапазоні зміни потужності ВЕС.

Отримана математична модель (1) - (6) процесу генерування та споживання реактивної потужності ВЕУ з асинхронним генератором за паралельної роботи з електросистемою дозволяє прогнозувати величину компенсаційної ємності для одної ВЕУ. Проте аналітичного визначення величини компенсаційної ємності для багатоагрегатної ВЕС з урахуванням просторового розподілення швидкостей вітру на території станції, рельєфу місцевості і взаємного аеродинамічного затінення ВЕУ на сьогодні не існує. Тому отримання основних закономірностей і характеристик стохастичного процесу споживання реактивної потужності промислової багатоагрегатної ВЕС з різною кількістю ВЕУ в її складі в умовах реальної експлуатації було здійснено шляхом експериментальних досліджень.

Оскільки проектні рішення введених в експлуатацію ВЕС не передбачають наявності системи вимірювання параметрів електроенергії складових частин ВЕС, то для реалізації експериментальних досліджень було розроблено відповідний комплекс автоматичного моніторингу Мирнівської ВЕС. Схемо-технічне рішення базується на застосуванні мікропроцесорних мультиметрів з передачею даних на сервер, де відбувається первинна обробка результатів вимірювання та їх накопичення і архівація. Вимірювання параметрів здійснювалось в 5 точках схеми ВЕС загальною потужністю 16,66 МВт - на двох окремих ВЕУ, на двох різних вітроелектричних модулях по 9 та 17 установок в кожному та на вході станції в складі 155 ВЕУ. Додатково здійснювалось вимірювання параметрів потужності ВЕУ нового покоління типу Т600-48.

Для проведення тривалих експериментальних досліджень було обґрунтовано необхідне значення періоду квантування вимірюваних сигналів генерованої потужності ВЕУ і ВЕС з метою отримання стійких статистичних характеристик імовірнісного процесу. Рекомендоване значення періоду квантування складає 1 секунду, що забезпечує вимірювання параметрів навантажувальних режимів роботи з приведеною похибкою г=0,025826±0,005578 при довірчій імовірності 0,95.

Вимірювання параметрів здійснювалось на протязі одного року в повному діапазоні зміни потужності станції, в результаті чого було отримано більш ніж 3 млн. одночасних вимірів напруги, активної і реактивної потужності.

Для розрахунку статистичних параметрів потужності ВЕУ та ВЕС була розроблена технологія автоматизованої обробки великих вибірок, що базується на матричному представленні результатів вимірювання. Первинні результати вимірів формуються у вигляді матриці з числом рядків, рівним кількості вимірів на 10-ти хвилинному інтервалі часу, якого достатньо для забезпечення статистичної сталості показників імовірнісного процесу генерування потужності. За прийнятого періоду квантування 1с кількість рядків дорівнює 600. Кількість стовпців матриці визначається об'ємом вибірки. На основі аналізу середніх значень активної потужності для кожного стовпця вихідної матриці формується нова блочна матриця для розрахунку статистичних характеристик у функції величини генеруємої активної потужності. Кількість стовпців блочної матриці відповідає необхідній кількості градацій активної потужності. Операції з матрицями та вирахування статистичних характеристик здійснюються по стандартним процедурам, наведеним у математичних пакетах прикладного програмного забезпечення.

За результатами синхронізованих вимірювань реактивної потужності в 5 характерних точках схеми ВЕС в об'ємі 1008060 значень визначені кількісні оцінки кореляційних зв'язків між потужностями складових часток станції, які наведені на діаграмі рис.4. Там показані середні і максимальні значення коефіцієнтів кореляції при довірчій імовірності Р=0,95 між двома окремими ВЕУ (№123, №125), а також між окремою ВЕУ та групами в складі 9 ВЕУ (ТП-11), 17 ВЕУ (ТП-6) та 155 ВЕУ (ВЕС). Отримані результати показують, що кореляційний зв'язок стохастичного процесу споживання реактивної потужності однієї ВЕУ по відношенню до другої ВЕУ, а також до груп ВЕУ з різною кількістю вітроустановок дуже слабкий і може вважатися практично відсутнім. Цей висновок надає можливість використовувати як синхронізовані, так і несинхронізовані виміри для визначення статистичних характеристик стохастичного процесу споживання реактивної потужності складовими частинами ВЕС.

За результатами математичної обробки синхронізованих і несинхронізованих вимірів реактивної потужності в об'ємі більш ніж 3 млн. вимірювань визначені кількісні оцінки статистичних характеристик вірогідного процесу споживання реактивної потужності за різної кількості установок у складі станції. Основні з яких, такі як середнє значення та середнє квадратичне відхилення, наведені на діаграмах рис.5,6 для окремої установки та станції в цілому. Отримані параметри реактивної потужності представлені у відносних одиницях до номінального значення активної потужності відповідної кількості установок. Аналогічні розподіли були отримані також для ВЕУ Т600-48.

Отримані результати показали, що найбільша недокомпенсація спостерігається в режимах близьких до номінального для різних типів ВЕУ. Питоме значення потужності компенсації реактивної енергії станції зменшується з ростом числа установок в її складі (рис.8). Так, питоме споживання реактивної потужності ВЕС в складі 160 ВЕУ зменшується по відношенню до одної ВЕУ майже в 2 рази, а для групи з 20 ВЕУ - зменшується в 1,4 рази. Це означає, що для вирішення питання компенсації реактивної потужності ВЕС, або групи ВЕУ, необхідно використовувати меншу ємність у порівнянні з варіантом компенсації реактивної потужності на кожній ВЕУ.

Фізична суть ефекту зменшення питомого значення потужності компенсації реактивної енергії станції при збільшені кількості установок полягає у зменшені впливу пульсуючої складової швидкості вітру в результаті розподілення установок на значній території.

Аналітична апроксимація залежності питомої потужності компенсації ВЕС від кількості ВЕУ в її складі отримана в наступному виді:

, (7)

де N - кількість ВЕУ у складі станції; , - середнє значення і середнє квадратичне відхилення споживаної реактивної потужності однієї ВЕУ у номінальному режимі роботи.

Потужність компенсації станції в іменованих одиницях визначається наступним чином:

, (8)

де (P_nom)_N=1 - номінальна потужність одної ВЕУ.

У четвертому розділі виконано аналіз існуючих схем компенсації реактивної потужності та обґрунтовано застосування на введених в експлуатацію вітчизняних ВЕС з асинхронними генераторами модульних компенсаторів реактивної потужності (МКРП) на основі дискретно комутованих конденсаторних батарей. Розроблено схемотехнічне рішення МКРП, що складається з регульованого та нерегульованого компенсаторів. Нерегульована частина слугує для компенсації реактивної потужності контуру намагнічування трансформатором на холостому ході.

Структурна схема регульованого компенсатора наведена на рис.9, де позначено: ЕС - електросистема; ЗП - зрівнювальний пристрій; Псзз - перетворювач сигналу зворотного зв'язку; Рег - регулятор; ВМ - виконуючий механізм; БК1, БКi - батареї конденсаторів; ВТ - вимірювальний трансформатор; y(t), g(t), x(t) - регулюєма та задаваєма величина і її відхилення.

Система керування МКРП реалізована на базі спеціалізованого мікроконтролера і може керувати роботою компенсатора як зі сторони 0,4кВ, так і зі сторони високої напруги (10, 35кВ), має інтерфейс обміну даними RS-485 з центральним пунктом керування ВЕС. Величина ємності компенсатора визначалась згідно отриманій функціональній залежності (8).

Дослідний зразок МКРП був введений в промислову експлуатацію на Мирнівській ВЕС на ТП-3.

Ефективність застосування компенсатора засвідчують синхронізовані осцилограми активної та реактивної потужності двох однакових вітроелектричних модулів на базі ТП-3 і ТП-11, що наведені на рис.10,11. Застосування МКРП на ТП-3 дозволило оперативно реагувати на зміни реактивної потужності і практично повністю її компенсувати. За рік експлуатації МКРП було досягнуто значення коефіцієнта потужності вітроелектричного модуля на рівні 0,999.

За результатами експлуатації дослідного зразка МКРП виготовлена дослідна партія компенсаторів, якими була укомплектована Прісноводненська ВЕС, що забезпечило повну компенсацію реактивної потужності станції. На рис.12,13 показані добові та місячні графіки навантаження активної та реактивної потужностей Прісноводненської ВЕС, записані системою комерційного обліку електроенергії. За рік експлуатації Прісноводненської ВЕС було досягнуто значення коефіцієнта потужності на рівні 0,9997.

Розроблене схемотехнічне рішення МКРП може бути використано на всіх існуючих базових вітроелектричних модулях потужністю 400, 630, 1000 і 1600 кВА, які складають основу введених в експлуатацію вітчизняних промислових ВЕС.

У додатку наведені акти використання результатів дисертаційної роботи та акти державних комісій по вводу в експлуатацію дослідних зразків модульного компенсатора реактивної потужності та вимірювального комплексу параметрів електроенергії ВЕС.

ВИСНОВКИ

В дисертаційній роботі вирішено важливу науково-прикладну задачу компенсації реактивної потужності введених в експлуатацію вітчизняних промислових ВЕС з асинхронними генераторами. Розроблено математичну модель процесу споживання реактивної потужності ВЕУ з урахуванням збурень швидкості вітру і напруги електросистеми, насичення магнітопроводу генератора; визначено закономірності стохастичного процесу споживання реактивної потужності багатоагрегатної ВЕС і технічне рішення пристроїв компенсації, які надають можливості для проектування вітростанцій без споживання реактивної електроенергії з електросистеми.

В роботі одержані наступні наукові та практичні результати:

1. Встановлено, що споживання реактивної потужності вітчизняними ВЕУ та ВЕС з асинхронними генераторами носить стохастичний характер, зумовлений пульсаціями вітру і змінами моменту на валу ротора. Надмірне споживання реактивної електроенергії зумовлено наявністю перенапруги величиною до 15% номінального значення на складових частинах ВЕУ у навантажувальних режимах роботи; насиченням магнітопроводу генераторів, що збільшує споживання реактивної потужності контуром намагнічування на 44% відносно номінального режиму; дією системи захисту ВЕУ по забезпеченню умов електромагнітної сумісності, основаної на відключенні штатних конденсаторів.

2. Обґрунтовано нову умову забезпечення електромагнітної сумісності обладнання серійних ВЕУ USW56-100 з асинхронними генераторами та ємнісною компенсацією реактивної потужності у складі промислової багатоагрегатної ВЕС, яка полягає у погодженому застосуванні нестандартизованих значень коефіцієнта трансформації силових трансформаторів і уставок захисту по перенапрузі. Рекомендовано здійснювати зміну коефіцієнта трансформації силового трансформатора вітроелектричного модуля шляхом збільшення кількості витків високовольтної обмотки на 5%.

3. Розроблено нову математичну модель процесу генерування і споживання реактивної потужності одиничної ВЕУ з асинхронним генератором і ємнісною компенсацією за паралельної роботи з електросистемою, яка, на відміну від відомих моделей, враховує стохастичні зміни швидкості вітру і напруги мережі, нелінійність параметрів генератора і трансформатора, закон керування величиною штатної компенсаційної ємності. Модель дозволяє визначати стохастичні характеристики динаміки процесу споживання реактивної потужності у повному діапазоні змін робочих швидкостей вітру і необхідне значення додаткової компенсаційної ємності одиничної ВЕУ.

4. Визначено величину періоду квантування вимірюваних сигналів потужності багатоагрегатної ВЕС для проведення тривалих експериментальних досліджень з метою отримання статистичних характеристик станції, як розподіленого джерела енергії. Рекомендоване значення періоду квантування складає 1 секунду, що забезпечує вимірювання миттєвих значень електричних параметрів у навантажувальних режимах роботи з похибкою менше 3,5%.

Розроблено, виготовлено та введено у промислову експлуатацію на Мирнівській ВЕС інформаційно-вимірювальну систему автоматичного моніторингу генерованої потужності ВЕС з періодом квантування вимірюваного сигналу 1 секунда. Система призначена для отримання статистичних характеристик потужності багатоагрегатної станції за результатами синхронних вимірів напруги, активної і реактивної потужності окремих ВЕУ, груп ВЕУ і всієї ВЕС. Система виконана на основі цифрових мікропроцесорних мультиметрів з інформаційними портами RS-485 і RS-232. Синхронізація вимірів, збір, первина обробка і зберігання інформації здійснюється системним сервером.

5. Розроблено основні положення автоматизованої технології обробки статистичних даних результатів тривалих вимірів реактивної потужності ВЕУ і ВЕС з великими об'ємами вибірок (більш ніж 1 млн. значень). Технологія базується на використовуванні матричного подання масивів даних. Первинні результати вимірів реактивної потужності формуються у вигляді набору матриць з числом рядків матриці 600, що при періоді квантування 1с відповідає 10-ти хвилинному інтервалу спостережень, який забезпечує статистичну сталість показників вірогідного процесу зміни швидкості вітру і генерування потужності ВЕУ. На основі отриманих наборів матриць реактивної потужності формується остаточна блочна матриця для розрахунку статистичних характеристик і емпіричної функції розподілу реактивної потужності в залежності від величини генерованої активної потужності.

6. В результаті виконаних експериментальних досліджень динаміки режимів споживання реактивної потужності ВЕС визначено кількісні значення кореляційних зв'язків між потужностями складових часток станції. Середні величини коефіцієнтів кореляції потужностей між однією ВЕУ та групами інших ВЕУ майже не залежать від кількості вітроустановок у групі. Отримано, що коефіцієнти кореляції реактивної потужності розподілені з імовірністю 0,95 в інтервалі 0-0,2, а середнє значення знаходиться на рівні 0,05.

7. Отримано емпіричну функціональну залежність реактивної потужності

компенсації ВЕС від кількості установок в її складі. Вона дозволяє визначати потрібну величину потужності компенсації станції за результатами математичного моделювання або експериментального дослідження одиничної ВЕУ. Встановлено, що для компенсації реактивної потужності ВЕС у цілому, або групи ВЕУ, необхідно використовувати меншу ємність у порівнянні з варіантом компенсації реактивної потужності на кожній ВЕУ. Так, питоме споживання реактивної потужності ВЕС із 160 ВЕУ по відношенню до одиничної ВЕУ зменшується майже у два рази, а для групи з 20-ти ВЕУ - зменшується у 1,4 рази.

8. Розроблено, виготовлено і введено в експлуатацію дослідну партію компенсаторів реактивної потужності для включення до складу вітроелектричних модулів вітчизняних ВЕС. Результати експлуатації модульних компенсаторів реактивної потужності на промислових ВЕС підтвердили їх енергетичну ефективність. Так, при оснащенні Прісноводненської ВЕС модульними компенсаторами було досягнуто значення коефіцієнта потужності станції за рік експлуатації на рівні 0,9997 за даними системи комерційного обліку електроенергії. Розроблене технічне рішення компенсатора реактивної потужності може використовуватись на усіх існуючих базових вітроелектричних модулях потужністю 400, 630, 1000 і 1600 кВА, що складають основу введених в експлуатацію вітчизняних промислових ВЕС.

9. Результати дисертаційної роботи рекомендуються для використання на підприємствах і в організаціях, які займаються проектуванням, будівництвом та експлуатацією ВЕУ і ВЕС (КБ "Південне", м. Дніпропетровськ; Інститути: "Укренергомережпроект", м. Харків та "Кримдіпроводгосп", м. Сімферополь; "Укренергомаш" м. Київ; промислові ВЕС).

ПУБЛІКАЦІЇ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Даниленко А. И. Проблемы эксплуатации промышленной ветроэлектрической станции / А. И. Даниленко // Энергетика и электрификация. - 2005. - № 10. - С. 37-40.

2. Даниленко А. И. Анализ перетоков реактивной электроэнергии на промышленной ветровой электростанции с асинхронными генераторами / А. И. Даниленко // Оптимизация производственных процессов: Сб. науч. тр. - Севастополь: СевНТУ, 2005. - № 8. - С. 58-64.

3. Даниленко А. И. Создание и ввод в эксплуатацию опытного образца модульного компенсатора реактивной мощности на Мирновской ВЭС / А. И. Даниленко // Відновлювана енергетика. - 2006. - № 1. - С. 51-55.

4. Даниленко А. И. Модульный компенсатор реактивной мощности для промышленных ветроэлектрических станций с асинхронными генераторами / А. И. Даниленко, П. Ф. Васько // Енергетика та електрифікація. - 2006. - № 10. - С. 14-17.

5. Васько П. Ф. Узгодження умов компенсації реактивної потужності та електромагнітної сумісності обладнання промислових вітроелектричних станцій з асинхронними генераторами / П. Ф. Васько, В. П. Васько, О. І. Даниленко // Відновлювана енергетика. - 2006. - № 4. - С. 56-62.

6. Даниленко А. И. Система автоматического управления модульным компенсатором реактивной мощности промышленной ВЭС / А. И. Даниленко, П. Ф. Васько // В сб. науч. трудов Днепродзержинского гостехуниверситета. Тематический выпуск «Проблемы автоматизированного электропривода. Теория и практика». - Днепродзержинск: ДГТУ, 2007. - С. 351-352.

7. Даниленко А. И. Результаты опытной эксплуатации модульного компенсатора реактивной мощности на Мирновской ВЭС / А. И. Даниленко // Енергетика та електрифікація. - 2007. - № 6. - С. 60-64.

8. Васько П. Ф. Експериментальні дослідження режимів генерування та споживання реактивної потужності серійною вітроелектричною установкою з асинхронним генератором / В. П. Васько, О. І. Даниленко, В. В. Долюк // Відновлювана енергетика. - 2008. - № 1. - С. 34-38.

9. Васько П. Ф. Інформаційно-вимірювальна система моніторингу параметрів електроенергії промислових ВЕС / П. Ф. Васько, Б. А. Кромпляс, А. І. Даниленко, В. В. Долюк, В. П. Карєв // Електроніка та системи управління. - 2009. - № 2. - С. 110-117.

10. Даниленко А. И. Компенсация потребляемой реактивной мощности ВЭС, усовершенствование шкафа управления ВЭУ / А. И. Даниленко // Вітроенергетика України. - 2002. - № 2. - С. 12-15.

11. Даниленко А. И. Концепция создания телеинформационной сети объектов ветроэнергетики Крыма / А.И. Даниленко, А.А. Чумак // Нетрадиционная энергетика XXI века: V междунар. конф., 23-27 сент. 2004 г.: тезисы докл. - Крым, 2004. - С. 157-161.

12. Даниленко А. И. Факторы повышения эффективности эксплуатации промышленных ветроэлектрических станций / А. И. Даниленко // Нетрадиционная энергетика XXI века: VI междунар. конф., 19-23 сент. 2005 г.: тезисы докл. - Крым, 2005. - С. 115-118.

13. Даниленко А. И. Оптимизация параметров и режимов работы ветроустановок промышленных ветроэлектрических станций / А. И. Даниленко // Проблемы повышения эффективности электромеханических преобразователей в электроэнергетических системах: междунар. науч. - техн. конф., 19-23 сент. 2005 г.: тезисы докл. - Севастополь: СНТУ, 2005. - С. 34-35.

14. Даниленко А. И. Проектные решения компенсации реактивной электроэнергии Пресноводненской ВЭС / А. И. Даниленко, Ф. М. Иоффе, В. П. Васько, П.Ф. Васько // Нетрадиционная энергетика XXI века: VII междунар. конф., 11-15 сент. 2006 г.: тезисы докл. - Крым, 2006. - С. 154-156.

15. Даниленко А. И. Система автоматического управления модульным компенсатором реактивной мощности промышленной ВЭС / А. И. Даниленко, П. Ф. Васько // Проблемы автоматизированного электропривода. Теория и практика: XIV междунар. науч. - техн. конф., 17-22 сент. 2007 г.: тезисы докл. - Днепродзержинск: ДГТУ, 2007. - С. 351-352.

16. Бриль А. О. Забезпечення умов електромагнітної сумісності по напрузі серійної вітроелектричної установки Т600-48 / А. О. Бриль, П. Ф. Васько, О. І. Даниленко, В. В. Долюк // Відновлювана енергетика XXI століття: IX міжнар. конф., 15-19 вересня 2008 р.: тези допов. - Крим, 2008. - С. 194-195.

17. Васько П. Ф. Організація збору даних з територіально віддалених об'єктів ВЕС / П. Ф. Васько, О. І. Даниленко, В. В. Долюк, Б. А. Кромпляс // Відновлювана енергетика XXI століття: IX міжнар. конф., 15-19 вересня 2008 р.: тези допов. - Крим, 2008. - С. 196-197.

18. Васько П. Ф. Визначення ємності компенсації реактивної потужності серійної вітроелектричної установки Т600 - 48 з асинхронним генератором / П.Ф. Васько, В.П. Васько, О.І. Даниленко, В.В. Долюк // Відновлювана енергетика XXI століття: IX міжнар. конф., 15-19 вересня 2008 р.: тези допов. - Крим, 2008. - С. 198-200.

19. Васько П. Ф. Обоснование периода квантования измерений мощности ветроэлектрической установки при параллельной работе с электросистемой / П. Ф. Васько, Б. А. Кромпляс, А. И. Даниленко, В. В. Долюк // Відновлювана енергетика XXI століття: X міжнар. конф., 14-18 вересня 2009 р.: тези допов. - Крим, 2009. - С. 218-220.

20. Васько П. Ф. Автоматическая система мониторинга параметров электроэнергии Мирновской ВЭС / П. Ф. Васько, Б. А. Кромпляс, А. И. Даниленко, В. В. Долюк // Відновлювана енергетика XXI століття: X міжнар. конф., 14-18 вересня 2009 р.: тези допов. - Крим, 2009. - С. 215-217.

АНОТАЦІЯ

Даниленко О.І. Компенсація реактивної потужності промислових вітроелектричних станцій з асинхронними генераторами. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.14.08 - перетворювання відновлюваних видів енергії. - Інститут відновлюваної енергетики НАН України, Київ, 2009.

Дисертація присвячена розробленню математичної моделі і отриманню статистичних характеристик стохастичного процесу споживання реактивної потужності ВЕУ і ВЕС з асинхронними генераторами з урахуванням пульсацій швидкості вітру і напруги електросистеми, а також технічних рішень обладнання компенсації реактивної потужності ВЕС. Розроблена нова математична модель процесу генерування і споживання реактивної потужності ВЕУ. Визначені кількісні значення кореляційних зв'язків між потужностями складових частин станції. Отримана емпірична функціональна залежність реактивної потужності компенсації ВЕС від кількості установок в її складі. Розроблена і виготовлена партія компенсаторів реактивної потужності для вітроелектричних модулів вітчизняних ВЕС. Основні результати роботи знайшли застосування у проектних і конструкторських організаціях при розробці і проектуванні вітчизняних ВЕС.

Ключові слова: вітроелектрична станція, генератор, реактивна потужність, напруга, математична модель, статистичні характеристики, функціональна залежність, компенсатор реактивної потужності.

ANNOTATION

Danylenko A. I. Jet power compensation of wind power stations with asynchronous generators. - Manuscript.

The dissertation for a Candidate of Engineering Sciences degree, speciality 05.14.08 - Renewable energy sources conversion. - The Institute of Renewable Energy of Ukrainian National Academy of Sciences, Kyiv, 2009.

The dissertation is dedicated to development of mathematical model and reception of statistical characteristics of stochastic process of jet power consumption of wind-driven plants and wind power station with asynchronous generators in view of pulsations of wind speed, a grid voltage and technical decisions of equalizer devices, which allow to project stations without consumption of the jet electric power from electric system. The new mathematical model of generating process and consumption of jet power wind-driven power plants was developed. The quantitative of correlation between powers of station components were defined. The empirical functional dependence of jet power compensation of wind power station from quantity of plants in its structure was received. The set of jet power equalizers for inclusion as a component of structure wind-driven power modules of domestic wind power station was developed and made. The basic results of investigative work have found an application in the rated and designed organizations in developing and designing of domestic wind power station.

Key words: wind power station, generator, jet power, voltage, mathematical model, statistical characteristics, functional dependence, jet power equalizer.

АННОТАЦИЯ

Даниленко А.И. Компенсация реактивной мощности промышленных ветроэлектрических станций с асинхронными генераторами. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.14.08 - преобразование возобновляемых видов энергии.- Институт возобновляемой энергетики НАН Украины, Киев, 2009.

Диссертация посвящена разработке математической модели и получению статистических характеристик стохастического процесса потребления реактивной мощности ВЭУ и многоагрегатной ВЭС с асинхронными генераторами с учетом пульсаций скорости ветра и напряжения сети, а также разработке технических решений устройств компенсации реактивной мощности ВЭС.

Установлено, что потребление реактивной мощности ВЭУ с асинхронными генераторами носит стохастический характер, обусловленный пульсациями скорости ветра и изменениями момента на валу ротора. Чрезмерное потребление реактивной электроэнергии из электросистемы отечественными ВЭС с асинхронными генераторами и штатными конденсаторными батареями обусловлено наличием перенапряжений величиной до 15% номинального значения на составных частях ВЭУ в нагрузочных режимах работы и насыщением магнитной цепи генератора, вызывающим увеличение потребляемой реактивной мощности на 44%.

Обосновано новое условие обеспечения электромагнитной совместимости оборудования серийных ВЭУ USW56-100 с асинхронными генераторами и емкостной компенсацией реактивной мощности в составе промышленной многоагрегатной ВЭС, которое заключается в согласованном применении нестандартизованных значений коэффициента трансформации силовых трансформаторов и уставок защиты по перенапряжению. Рекомендовано осуществлять изменение коэффициента трансформации силового трансформатора ветроэлектрического модуля путем увеличения количества витков высоковольтной обмотки на 5%.

Разработана новая математическая модель процесса генерирования и потребления реактивной мощности единичной ВЭУ с асинхронным генератором при параллельной работе с электросистемой, которая в отличие от известных моделей учитывает стохастические изменения скорости ветра и напряжения сети, нелинейность параметров генератора и трансформатора, закон управления величиной компенсационной емкости. Модель позволяет определять стохастические характеристики динамики процесса потребления реактивной мощности в полном диапазоне изменения рабочих скоростей ветра и требуемое значение компенсационной ёмкости единичной ВЭУ.

Определена величина периода квантования измеряемых сигналов мощности многоагрегатной ВЭС для проведения длительных экспериментальных исследований с целью получения статистических характеристик станции как распределенного источника энергии. Рекомендованное значение периода квантования составляет 1 секунду, что обеспечивает измерения значений электрических параметров в нагрузочных режимах работы с погрешностью не более 3,5%.

Разработаны основные положения автоматизированной тех-нологии обработки статистических данных результатов длительных измерений реактивной мощности ВЭУ и ВЭС с большими объёмами выборок (более 1 млн. значений). Технология базируется на использовании матричного представления массивов данных.

Определены количественные значения корреляционных связей между мощностями составных частей станции. Средние величины коэффициентов корреляции мощности между одной ВЭУ и группами других ВЭУ почти не зависят от количества ветроустановок в группе. Получено, что коэффициенты корреляции мощности распределены с вероятностью P=0,95 в интервале 0,0-0,2, а среднее значение находится на уровне 0,05.

Получена эмпирическая функциональная зависимость реактивной мощности компенсации ВЭС от количества установок в её составе. Она позволяет определять требуемую величину мощности компенсации станции по результатам математического моделирования или экспериментального исследования единичной ВЭУ. Установлено, что для компенсации реактивной мощности потребляемой ВЭС в целом, или группой ВЭУ, необходимо использовать меньшую ёмкость по сравнению с вариантом компенсации реактивной мощности на каждой ВЭУ. Так, удельное потребление реактивной мощности ВЭС из 160 ВЭУ по отношению к единичной ВЭУ уменьшается почти в два раза, а для групп ВЭУ из 20 шт. - уменьшается в 1,4 раза.

Разработана, изготовлена и введена в эксплуатацию опытная партия компенсаторов реактивной мощности для включения в состав ветроэлектрических модулей отечественных ВЭС. Результаты эксплуатации подтвердили энергетическую эффективность работы модульных компенсаторов реактивной мощности в составе промышленной станции. Разработанное техническое решение компенсатора реактивной мощности может использоваться на всех существующих базовых ветроэлектрических модулях мощностью 400кВА, 630кВА, 1000кВА, 1600кВА, составляющих основу введённых в эксплуатацию отечественных промышленных ВЭС.

Результаты диссертационной работы нашли применение в проектных и конструкторских организациях при разработке и проектировании отечественных ВЭС. Результаты работы рекомендуются для дальнейшего использования на предприятиях и организациях, занимающихся проектированием, строительством и эксплуатацией ветроэлектрических станций.

Ключевые слова: ветроэлектрическая станция, генератор, реактивная мощность, напряжение, математическая модель, статистические характеристики, функциональная зависимость, компенсатор реактивной мощности. Размещено на Allbest.ru