Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Узгодження потужностей вітродвигуна і генератора при змінній частоті обертання ВЕУ

При проектуванні ВЕУ необхідно забезпечити стійку роботу установки у всьому діапазоні розрахункових швидкостей вітру. У кожній точці механічної характеристики ВЕУ необхідно мати рівність потужностей вітродвигуна і генератора. Механічна потужність вітродвигуна певним чином залежить від швидкості вітру v і частоти обертання, причому кожній швидкості вітру при певній кутовий частоті обертання відповідає максимум розвинутої вітродвигуном механічної потужності. Електромагнітна потужність генератора в загальному випадку також є функцією частоти обертання ротора, а точка робочого режиму ВЕУ знаходиться на перетині двох характеристик. Цією точкою визначається вироблювана електромагнітна потужність за вирахуванням втрат в генераторі.

Реальна робота ВЕУ малої потужності при змінній частоті обертання і швидкості вітру представлена на рис., де побудовані у відносних одиницях механічні характеристики вітродвигуна - залежність потужності Р від кутової частоти обертання ротора щ при реальних швидкостях вітру v в діапазоні від 7 до 22 м/с.

Лінійна частина всіх характеристик (лінії а-а', в-в', с-с', і d-d') відповідає робочій (стійкої) частини механічних характеристик. Номінальному режиму роботи ВЕУ відповідає точка а'. При щ=const і змінної швидкості вітру всі робочі точки розташовуються на вертикальній пунктирною прямий a'-d'. При змінній частоті обертання () можна забезпечити роботу при всіх швидкостях вітру в точках, близько розташованих до максимальних (точки а, в, с і d). Як видно, при такій роботі збільшується в цілому потужність, що видається вітродвигуном, а значить, збільшується і вироблення електроенергії, що дозволяє більш ефективно використовувати вітропотенціал місцевості. Наприклад и м/с (точка d') потужність вже практично дорівнює нулю, так як приця потужність становить майже 23% від номінальної ВЕУ.

При зміні навантаження і v=const робота відбувається за однією з характеристик - а-а', в-в', с-с' або d-d'. При цьому із зменшенням Р зростає частота обертання щ. Для звичайного, наприклад, синхронного генератора з метою забезпечення підтримки частоти вихідної напруги в заданих межах потрібно досить складне регулювання кута повороту лопатей, так як притаке регулювання взагалі не потрібно або достатня грубе регулювання шляхом повороту лопатей щодо поздовжніх осей.

Механічні характеристики вітродвигуна при різноманітних швидкостях вітру

Таким чином, для установок невеликої потужності може бути досить перспективною система, що складається з електричних машин змінного струму і транзисторних або тиристорних перетворювачів частоти, що приводяться вітродвигуном, працюючим із змінною частотою обертання. Таке технічне рішення дає можливість значно знизити вартість ВЕУ в цілому.

Розвиваюча генератором електромагнітна потужність повинна збільшуватися із зростанням швидкості вітру v тільки до точок d, с, в, а, де він починає виробляти номінальну потужність, а вітродвигун розвиває механічну потужність, відповідну номінальній швидкості vном вітрового потоку. Оскільки допустима електромагнітна потужність генератора в загальному випадку конечна, при подальшому збільшенні швидкості вітрового потоку потужність вітродвигуна повинна бути обмежена рівнем Рном з кутовий швидкістю обертання з регулюванням кута установки лопатей. Для забезпечення стійкої роботи ВЕУ геометричне місце робочих точок має лежати на кривій d-c-в-a, що представляє собою геометричне місце максимумів сімейства механічних характеристик ВЕУ при різних швидкостях вітрового потоку. Якщо вибирати електричний генератор для роботи в точках d, с, в, а, тобто в точках характеристик, відповідно максимальної можливої механічної потужності вітродвигуна, що розвивається, то ясно, що в такому режимі вітродвигун буде працювати незначний час. В результаті електрична машина буде використовуватися неефективно в переважній частині всього терміну експлуатації ВЕУ через низькі значень коефіцієнта навантаження.

Кутові швидкості обертання вітродвигунів існуючих конструкцій ВЕУ лежать в діапазоні 25...300 об/хв, причому менші значення відповідають більш потужним установкам. Кутові швидкості обертання роторів сучасних електричних машин характеризуються діапазоном 750... 1500 об/хв. Отже, для узгодження потужностей вітродвигуна і електричного генератора насамперед необхідно використовувати мультиплікатор з передавальним відношенням порядку 5...30. Застосування на ВЕУ, насамперед великої потужності, тихохідних електричних генераторів зі швидкостями обертання того ж порядку, що і швидкості обертання вітродвигуна, недоцільно як з технічної, так і з економічної точки зору, а створення і експлуатація високошвидкісних конструкцій вітродвигунів, особливо для ВЕУ середньої і великої потужності, небезпечно з міркувань забезпечення жорсткості, міцності і запобігання можливих механічних резонансів. Тому правильний вибір оптимального передавального відношення мультиплікатора забезпечує більш ефективне узгодження потужних характеристик вітродвигуна і електричного генератора в широкому діапазоні швидкостей вітру.

З енергетичної точки зору для узгодження розглянутих потужностних характеристик необхідно відповідним чином регулювати або потужність збудження електричного генератора, або кути установки лопатей, або кути установки тиристорів випрямляча і інвертора. Іншими способами домогтися високої ефективності роботи ВЕУ складно.

Таким чином, на перетворення енергії вітру в електричну слід суворо погоджувати потужності характеристики вітродвигуна і електричного генератора, враховувати режими експлуатації ВЕУ і загальний ККД електричного генератора і трансмісії . При цьому, приймаючи, що оптимальний ККД може досягати величини

можна побудувати криві гарантованої електромагнітної потужності при досягненні генератором номінальної потужності при швидкості вітру . При цьому підтримується постійною при збільшенні швидкості шляхом регулювання режиму роботи за рахунок кута установки лопатей і управлінням тиристорів випрямляча і інвертора.

2. Режими роботи та схеми з'єднань вітроелектричних установок

Режими роботи вітроелектричних установок. У загальному випадку генеруючі установки традиційних електричних станцій можна розділити на три основні групи:

1) для покриття основного навантаження, характеризуються безперервним виробленням електричної енергії;

3) для покриття пікових навантажень, створення енергетичного резерву. вітродвигун генератор механічний

В зв'язку з цим принципово можливе використання ВЕУ в трьох основних режимах електропостачання: автономному, вибірковому і паралельному.

Автономний режим повинен передбачати повне забезпечення безперервного електропостачання споживача від вітроенергетичної установки впродовж встановленого терміну її експлуатації.

Вибірковий режим характеризується тим, що навантаження повинне відповідним чином розподілятися між енергосистемою і ВЕУ. При цьому електромагнітна потужність, що виробляється ВЕУ і перевищує потужність навантаження, подається безпосередньо в енергосистему, а її дефіцит для покриття графіку навантаження задовольняється за рахунок енергосистеми. Тому в періоди, коли швидкість вітрового потоку знаходиться поза інтервалом робочих швидкостей або дорівнює нулю, енергосистема повинна самостійно нести це навантаження.

Паралельний режим роботи з енергосистемою є роботою не на конкретного споживача, а має бути спрямований або на збільшення сумарного вироблення електричної енергії, або на часткове покриття сумарного графіку навантаження енергосистеми, забезпечуючи при цьому істотну економію органічного палива. Коливання потужності вітрового потоку призводитимуть до істотних коливань потужності, що виробляється, при цьому періоди, коли швидкості потоку знаходяться поза робочим інтервалом, можна передбачити лише з певною вірогідністю. Навіть у тих районах, де постійно є наявність енергії вітрового потоку, електромагнітна потужність ВЕУ, що виробляється, буде оптимальним чином підібрана для цього вітрового кадастру, оскільки він сам по собі випробовує годинні, добові і сезонні зміни. Внаслідок цього спроби безпосередньо узгодити електромагнітну потужність, що виробляється ВЕУ, з профілем графіку навантаження приведуть до втрат потужності, які можуть суттєво відобразитися як на роботі окремих споживачів, так і енергосистеми в цілому.

В загальному випадку вказані особливості роботи ВЕУ, графіків навантаження і енергосистеми роблять неможливим самостійне використання ВЕУ без відповідних систем резервування, оскільки таке використання не здатне буде забезпечувати надійне і безперебійне електропостачання споживачів. Залежно від типу використовуваної системи резервування ВЕУ слід розділити на ВЕУ з резервуванням від енергосистеми і ВЕУ з акумуляцією енергії.

У першому випадку повна утилізація енергії вітрового потоку вимагає від енергетичної системи прийняття перетвореної електричної енергії ВЕУ у будь-який час і у будь-якій кількості. При цьому традиційні електричні станції, за винятком атомних, повинні згладжувати випадкові коливання електромагнітної потужності, що виробляється ВЕУ, і відповідним чином погоджувати потужності генерації з сумарним графіком навантаження енергосистеми, що призводить до необхідності наявності резервних енергетичних установок, що знаходяться в постійній готовності.

У другому випадку, якщо електромагнітна потужність, що виробляється ВЕУ, перевищує споживання енергосистеми, її надлишок подається в накопичував. Якщо кількість ВЕУ досить велика, а система накопичення енергії побудована з урахуванням вітрового режиму, то це дозволить усереднити сумарне вироблення електричної енергії, і в енергосистему безперервно доступатиме постійна потужність. В результаті електрична енергія вироблятиметься у будь-яку пору року.

Режим роботи вітродвигуна повністю визначає для ВЕУ спосіб перетворення енергії вітрового потоку в електричну енергію. Тому, залежно від структурної побудови перетворювальної електричної частини, вітроелектричні установки поділяються на ВЕУ з безпосереднім перетворенням і з проміжним частотним перетворенням. До першого типу відносяться синхронні і асинхронні ВЕУ, до другого - ВЕУ з каскадним включенням електричних машин (генератора, випрямляча, інвертора, перетворювача).

Широкомасштабне використання ВЕУ для паралельної роботи з енергосистемою має бути створенням розгалуженої електричної мережі ВЕУ великої потужності, яка накладається на існуючу мережу електропостачання від традиційних електричних станцій.

Для того, щоб забезпечити динамічну стійкість і синхронність роботи ВЕУ з енергосистемою, необхідно використати режим фіксованої кутової частоти обертання вітродвигуна. При цьому добуток фіксованої номінальної частоти обертання валу вітродвигуна і передатного відношення мультиплікатора повинен відповідати частоті енергосистеми з урахуванням числа пар полюсів генераторів. Величина електромагнітної потужності, що виробляється синхронними ВЕУ і що віддається в енергосистему, визначається як

де сумарні втрати в генераторі, що представляють собою механічні втрати та втрати в сталі й міді статора; U - напруга у фазі статора; / - струм у фазі статора; - коефіцієнт потужності, визначається параметрами енергосистеми, в яку синхронна ВЕУ віддає електричну потужність.

При роботі синхронної ВЕУ паралельно з енергосистемою допускаються тільки слабкі за амплітудою коливання частоти обертання ротора синхронного генератора, що дорівнюють 1...2 % від номінальної, впродовж короткого проміжку часу (порядку часток секунди). Тому необхідно, щоб синхронна ВЕУ мала достатню динамічну електричну стійкість в періоди, коли вона піддається дії поривів вітрового потоку, що несподівано змінюються, бо вимушені коливання, викликані нерівномірністю обертання вітродвигуна, накладаються на вільні коливання, обумовлені властивостями самого синхронного генератора ВЕУ та енергосистеми, що може привести до резонансу струму або напруги. Так, раптова зміна швидкості вітрового потоку на 25 % при фіксованій швидкості обертання вітродвигуна збільшує величину крутного аеродинамічного моменту вітродвигуна, майже в два рази.

Таким чином, синхронна ВЕУ в режимі фіксованої кутової частоти обертання при постійному збудженні зі збільшенням швидкості вітрового потоку супроводжуватиметься зростанням частоти обертання валу вітродвигуна, збільшенням кута потужності і збільшенням електромагнітної потужності, що розвивається. Тому за певних умов синхронна ВЕУ може випасти з синхронної роботи з енергосистемою. Щоб уникнути цього вектор ЕРС при роботі синхронної ВЕУ завжди повинен випереджати вектор напруги в мережі. При цьому збільшення кута потужностіі електромагнітної потужності триватиме до тих пір, поки не настане рівновага крутного аеродинамічного моменту вітродвигуна, приведеного до валу синхронного генератора і моменту навантаження, що є сумою електромагнітного моменту, що розвивається і моменту втрат. В результаті синхронна ВЕУ продовжуватиме працювати вже з більшим навантаженням і, відповідно, з меншим запасом динамічної стійкості та питомої синхронізуючої потужності

Для того, щоб підвищити електромагнітну потужність, що розвивається, і тим самим забезпечити рівновагу на валу синхронного генератора ВЕУ, необхідно збільшити ЕРС. Збільшення ЕРС при цьому повинно досягатися швидким наростанням струму збудження. Тому слід використати незалежне збудження синхронного генератора, оскільки воно з цієї точки зору набагато прийнятніше за самозбудження.

При роботі асинхронної ВЕУ паралельно з енергосистемою, статор асинхронного генератора підключений до енергосистеми, а добуток частоти обертання валу вітродвигуна і передатного відношення мультиплікатора більше синхронної частоти. Для підтримки високого ККД в генераторному режимі абсолютні значення ковзання асинхронної машини мають бути того ж порядку, що і в руховому. Електромагнітна потужність, генерована асинхронною ВЕУ, також визначається частотою обертання вітродвигуна, як і у випадку синхронної ВЕУ. Тому для такої ВЕУ має бути забезпечений режим фіксованої кутової частоти обертання ротора асинхронного генератора по відношенню до вибраної номінальної частоти обертання. При цьому асинхронна ВЕУ матиме значний запас динамічної стійкості за моментом. Проте, незважаючи на це, асинхронна ВЕУ повинна мати захист від підвищення частоти обертання, оскільки сильний порив вітрового потоку може значно збільшити обертовий аеродинамічний момент, у результаті чого асинхронна ВЕУ може перейти на нестійку ділянку механічної характеристики. При цьому генерована електромагнітна потужність почне швидко знижуватися, а частота обертання продовжуватиме збільшуватися, що може призвести до аварійної ситуації.

Запуск асинхронної ВЕУ в роботу фактично є на певному етапі роботою асинхронного генератора в режимі двигуна на холостому ходу. Ця фаза роботи ВЕУ триває до тих пір, поки не буде досягнута підсинхронна частота обертання ротора, починаючи з якої підключається вітродвигун, що обертається, і переводить ВЕУ в генераторний режим.

Сумарний коефіцієнт використання енергії вітрового потоку асинхронної ВЕУ нижчий, ніж у синхронної ВЕУ; коефіцієнт потужності в результаті споживання реактивного струму від енергосистеми також знижується. Це пояснюється тим, що струм намагнічування асинхронної ВЕУ складає 20-25 % номінального струму, при цьому потужність збудження синхронної ВЕУ складає менш 1 % номінальної потужності синхронного генератора.

Якщо асинхронна ВЕУ повинна працювати паралельно з енергосистемою, то для коригування коефіцієнта потужності її генератор повинен самозбуджуватися від блоку статичних конденсаторів. Наявність такого самозбудження дає можливість асинхронної ВЕУ стійко працювати на навантаження будь-якого характеру.

Для режиму паралельної роботи з енергосистемою асинхронні ВЕУ з урахуванням спеціальних умов роботи прийнятніше за синхронні, оскільки вони відрізняються наступними перевагами:

- відсутністю необхідності точної синхронізації з енергосистемою, що допускає коливання аеродинамічного крутного моменту, які постійно мають місце із-за поривчастого характеру вітрового потоку;

- значним запасом стійкості електромагнітного моменту, що розвивається;

- наявністю незначного запасу за частотою обертання внаслідок частотного поділу між частотою обертання ротора асинхронного генератора і частотою енергосистеми;

- нижчою вартістю, надійністю і простотою в експлуатації, управлінні і обслуговуванні.

Каскадна ВЕУ здатна генерувати електромагнітну потужність трифазного змінного струму з постійною напругою і частотою в режимі змінюваної кутової частоти обертання, що забезпечує максимальний сумарний коефіцієнт використання енергії вітрового потоку. У каскадній ВЕУ принципово можливе використання наступних типів генераторів: синхронного; постійного струму; з постійними магнітами; асинхронного з фазним ротором. При роботі в режимі змінюваної кутової частоти обертання генератор каскадної ВЕУ вироблятиме напругу, пропорційну частоті обертання вітродвигуна. Тому для стабілізації генерованої напруги повинен використовуватися перетворювач тиристора. При цьому спочатку генерована напруга повинна стабілізуватися і випрямлятися, після чого отримана стабілізована напруга постійного струму перетворюється в змінну напругу постійної частоти і видається в енергосистему.

Використання синхронного генератора в каскадній ВЕУ недоцільне, оскільки ця електрична машина практично постійно працюватиме в перехідних режимах, що значно погіршує її експлуатаційні характеристики і, зрештою, призводить до зниження сумарного ККД.

Застосування генераторів постійного струму є неекономічним із- за великої вартості і створення додаткових складнощів електромеханічного характеру, оскільки в результаті засмічення електричної машини пилом, що утворюється при спрацьовуванні щіток, що також посилюється коливаннями крутного моменту і погіршенням умов комутації, необхідно частіше проводити технічне обслуговування.

Генератор з постійними магнітами має певну перевагу в порівнянні з попередніми в плані забезпечення відносно високого ККД, проте останній досягається при високій частоті обертання ротора і можливий тільки для малих потужностей.

Каскадна ВЕУ з асинхронним генератором з фазним ротором забезпечує відбір електромагнітної потужності, як з боку статора, так і з боку ротора та забезпечує високу швидкодію при регулюванні магнітної потужності, що виробляється, і значну гнучкість при узгодженні із заданим режимом експлуатації.

Размещено на Allbest.ru