CC BY
14
XVI Международного симпозиума по машинному доению 13. Богородский В.В., Гаврило В.П. Лед: Физиче-
сельскохозяйственных животных / НПЦ НАН Беларуси ские свойства. Современные методы гляциологии. Л.: по животноводству. Минск, 2012. С. 303 - 307. Гидрометеоиздат, 1980. 384 с.
Андрей Петрович Козловцев, доктор технических наук, профессор. ФГБОУ ВО «Оренбургский государственный аграрный университет». Россия, 460014, г. Оренбург, ул. Челюскинцев, 18, ap_kozlovcev@mail.ru
Владимир Александрович Шахов, доктор технических наук, профессор. ФГБОУ ВО «Оренбургский государственный аграрный университет». Россия, 460014, г. Оренбург, ул. Челюскинцев, 18, shahov-v@ya.ru
Максим Борисович Фомин, кандидат технических наук, доцент. ФГБОУ ВО «Оренбургский государственный аграрный университет». Россия, 460014, г. Оренбург, ул. Челюскинцев, 18, mbfom@mail.ru
Василий Иванович Квашенников, доктор технических наук, профессор. ФГБОУ ВО «Оренбургский государственный аграрный университет». Россия, 460014, г. Оренбург, ул. Челюскинцев, 18, kaf31@orensau.ru
Мария Игоревна Попова, кандидат технических наук. ФГБОУ ВО «Оренбургский государственный аграрный университет». Россия, 460014, г. Оренбург, ул. Челюскинцев, 18, kaf34@orensau.ru
Денис Викторович Портнов, аспирант. ФГБОУ ВО «Оренбургский государственный аграрный университет». Россия, 460014, г. Оренбург, ул. Челюскинцев, 18, kaf31@orensau.ru
Зоя Вячеславовна Макаровская, доктор технических наук, профессор. ФГБОУ ВО «Московский государственный университет пищевых производств». Россия, 125080, г. Москва, Волокаламское шоссе, 11, mgupp@mgupp.ru
Andrey P. Kozlovtsev, Doctor of Technical Sciences, Professor. Orenburg State Agrarian University. 18, Chelyuskintsev St., Orenburg, 460014, Russia, ap_kozlovcev@mail.ru
Vladimir A. Shakhov, Doctor of Technical Sciences, Professor. Orenburg State Agrarian University. 18, Chelyuskintsev St., Orenburg, 460014, Russia, shahov-v@ya.ru
Maxim B. Fomin, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor. Orenburg State Agrarian University. 18, Chelyuskintsev St., Orenburg, 460014, Russia, mbfom@mail.ru
Vasily I. Kvashennikov, Doctor of Technical Sciences, Professor. Orenburg State Agrarian University. 18, Chelyuskintsev St., Orenburg, 460014, Russia, kaf31@orensau.ru
Maria I. Popova, Candidate of Technical Sciences. Orenburg State Agrarian University. 18, Chelyuskintsev St., Orenburg, 460014, Russia, kaf34@orensau.ru
Denis V. Portnov, рostgraduate. Orenburg State Agrarian University. 18, Chelyuskintsev St., Orenburg, 460014, Russia, kaf31@orensau.ru
Zoya V. Makarovskaya, Doctor of Technical Science, Professor. Moscow State University of Food Production. Russia, 125080, Moscow, Volokalamskoe shosse, 11, mgupp@mgupp.ru
-Ф-
Научная статья УДК 621.3
doi: 10.37670/2073-0853-2021-89-3-181-186
Автономная ветроэнергетическая установка
Виктор Гаврилович Петько1, Ильмира Агзамовна Рахимжанова1,
Максим Борисович Фомин1, Александр Борисович Колесников2,
Александр Сергеевич Садчиков2, Сергей Александрович Соловьёв3
1 Оренбургский государственный аграрный университет
2 Тюльганский электромеханический завод
3 Российская академия наук, Президиум РАН
Аннотация. В работе рассмотрены ветроэнергетические установки, обеспечивающие бесперебойность энергоснабжения потребителей, удалённых от централизованных электрических сетей. В условиях непостоянства скорости ветра это достигается параллельной работой ветрогенератора и генератора автономной электростанции с тепловым двигателем. Отмечено, что наибольший эффект как в техническом, так и в экономическом плане может быть получен, если ветротурбина и тепловой двигатель нагружены на один и тот же генератор. Тепловой двигатель подсоединяется к валу генератора только в том случае, если мощность ветротурбины недостаточна для привода генератора. Предложена ветроэнергетическая установка, работающая по такому принципу. В ней предусмотрена также догрузка генератора вплоть до номинальной его мощности, когда мощность ветротурбины при увеличении скорости ветра начнёт превышать мощность потребителей генератора. Догрузка осуществляется подключением балластных резисторов, отдающих выделяемое в них тепло в систему водоснабжения или отопления. Предусмотрено ограничение мощности ветротурбины путём автоматического поворота лопастей. Выполнение вышеизложенных функций осуществляется системой управления по сигналам, поступающим от датчиков скорости и направления ветра, датчиков частоты вращения вала ветротурбины, датчика температуры воды в системе водоснабжения, датчиков тока и частоты напряжения генератора. В качестве исполнительных органов системы управления используются коммутаторы балластных резисторов, исполнительные электродвигатели в системе ориентации головки ветроустановки и в системе ограничения мощности.
Ключевые слова: ветроэнергетическая установка, синхронный генератор, обгонная муфта, двигатель внутреннего сгорания, ограничение мощности, устройство управления, балластный резистор.
Для цитирования: Автономная ветроэнергетическая установка / В.Г. Петько, И.А. Рахимжанова, М.Б. Фомин [и др.] // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2021. № 3 (89). С. 181 - 186. doi: 10.37670/2073-0853-2021-89-3-181-186.
Original аrticle
Autonomous wind power plant
Victor G. Petko1, Ilmira A. Rakhimzhanova1, Maxim B. Fomin1, Alexander B. Kolesnikov2,
Alexander S. Sadchikov2, Sergey A. Solovyov3
1 Orenburg State Agar University
2 Tyulgansky Electromechanical Plant
3 Russian Academy of Sciences, Presidium of RAS
Abstract. The paper considers wind power plants that ensure uninterrupted power supply to consumers remote from centralized electrical networks. In conditions of variability of wind speed, this is achieved by the parallel operation of a wind generator and a generator of an autonomous power plant with a heat engine. It is noted that the greatest effect, both in technical and economic terms, can be obtained if the wind turbine and the heat engine are loaded on the same generator. Moreover, the heat engine is connected to the generator shaft only if the power of the wind turbine is insufficient to drive the generator. The proposed wind power plant, operating on this principle. It also provides for additional loading of the generator up to its nominal power, when the power of the wind turbine, with increasing wind speed, begins to exceed the power of the generator consumers. Additional loading is carried out by connecting ballast resistors, which transfer the heat released in them to the water supply or heating system. In order to prevent the generator from overloading with an increase in wind speed and, as a result, an increase in the power of the wind turbine above the calculated one, the power of the wind turbine is limited by automatic rotation of the blades. The above functions are performed by the control system based on signals from wind speed and direction sensors, wind turbine shaft speed sensors, water temperature sensor in the water supply system, generator current and voltage frequency sensors. Ballast resistor switches, control motors in the orientation system of the wind turbine head and in the power limitation system are used as executive elements of the control system.
Keywords: wind turbine, synchronous generator, freewheel, combustion engine, power limitation, control device, ballast resistor.
For citation: Autonomous wind power plant / V.G. Petko, I.A. Rakhimzhanova, M.B. Fomin et al. Izvestia Orenburg State Agrarian University. 2021; 89(3): 181 - 186. (In Russ.). doi: 10.37670/2073-0853-2021-89-3-181-186.
Использование альтернативных источников энергии, таких, как ветроустановки, солнечные электростанции и в меньшей мере биогазовые установки, не может обеспечить бесперебойности энергоснабжения потребителей из-за непостоянства поступления энергии от этих источников. В любом случае их необходимо дополнять или средствами аккумулирования энергии, или независимыми от поступления солнечной или ветровой энергии источниками питания. Ниже приводится описание и техническая оценка ветроэнергетических установок (ВЭУ), предназначенных для энергоснабжения объектов, удалённых от централизованных систем энергоснабжения. В их основе лежит резервирование ВЭУ электрическим генератором с приводом от теплового двигателя.
Материал и методы. Традиционной, наиболее апробированной и поэтому просто реализуемой является система электроснабжения с ВЭУ на базе ветротурбины - асинхронный генератор, работающая параллельно централизованной сети переменного тока, а в данном случае - изолированной сети того или иного объекта электроснабжения. Одним из примеров таких ВЭУ является ветроустановка по авт. свид. № 1813918 [1].
На рисунке 1 представлена функциональная схема автономной ветродизельэлектрической установки по авт. свид. № 2139444 [2].
ВЭУ содержит асинхронную электрическую машину 1, соединённую с ветродвигателем 2 и подключенную к шинам 3 потребителей 4 с помощью автоматического выключателя 5. Для стабилизации частоты вращения вала она снабжена датчиком 6 частоты вращения и системой
Рис. 1 - Схема устройства ветродизельэлектрической установки
7 автоматического регулирования угла поворота лопастей ветротурбины. ВЭУ содержит также синхронную электрическую машину 8 с инерционным маховиком 9 на валу, соединённую с ДВС 10. Соединение осуществлено через управляемую разобщительную муфту 11. Разобщительная муфта снабжена реле 13 пуска и включения ДВС. Генератор с помощью автоматического выключателя 12 подключён к шинам 3. К шинам 3 подключено также реле 14 частоты, а между шинами и потребителями 4 подключён датчик 15 величины активной мощности нагрузки. Система автоматизации ВЭУ содержит также датчик 16 величины и направления потока активной мощности синхронной машины, компаратор 17 и таймер 18.
Установка работает следующим образом. При скорости ветра, достаточной для работы ВЭУ и электропитания потребителей, ДВС отключён. Генератор, потребляя активную мощность, вырабатывает реактивную мощность для питания потребителей и создания магнитного потока в асинхронной машине. В случаях уменьшения скорости ветра по сигналу реле 14 частоты с выдержкой времени с помощью таймера 18 подаётся сигнал на реле 13 пуска ДВС и включения разобщительной муфты. Таким образом, установка обеспечивает повышение эффективности за счёт включения в работу ДВС только в случаях, когда мощность ВЭУ недостаточна для питания потребителей.
Однако такая система наиболее устойчиво работает, если изолированная сеть, так же как и централизованная, играет доминирующую роль в балансе энергопотребления и не является дополняющей. Но в такой системе доля использования альтернативной энергии ограничена. Низка также и степень использования установленной мощности генерирующего оборудования.
Между тем для решения данной проблемы заманчиво выглядит идея подключения ветро-турбины к приводу синхронного генератора электростанции с тепловым двигателем, например, электростанции на базе дизель-генератора. Примером её реализации может служить комбинированная ветротеплоэлектростанция по авт. свид. № 104064 [3]. Её принципиальная схема приведена на рисунке 2.
Ветротеплоэлектростанция имеет ветротурби-ну 2 с центробежным стабилизатором частоты вращения, инерционный аккумулятор 3, а также электрический генератор 5 с приводом от ве-тротурбины и теплового двигателя 4, связанные между собой через трансмиссии 6 и 7. Причём мощности ветродвигателя генератора и теплового двигателя соизмеримы.
При скорости ветра меньше расчётной и приведённой к валу генератора частоте вращения ветротурбины ниже номинальной частоты вра-
щения теплового двигателя тепловой двигатель принимает всю нагрузку генератора на себя. Ветротурбина при этом отсоединена от генератора за счёт обгонной муфты. Как только при увеличении скорости ветра частота вращения холостого хода ветротурбины станет больше номинальной частоты вращения теплового двигателя, часть нагрузки генератора возьмёт на себя ветротурбина. В предельном случае при дальнейшем увеличении скорости ветра, когда номинальная частота вращения ветротурбины достигает частоты холостого хода теплового двигателя, нагрузка генератора полностью обеспечивается ветротурбиной. Тепловой двигатель работает вхолостую или при устойчивом ветре вообще выведен из работы. При этом потребление топлива сведено к минимуму или отсутствует, а вал двигателя отсоединён от вала генератора с помощью установленной в трансмиссии 6 разобщительной (обгонной) муфты.
Тем не менее, несмотря на то что в данной ветротеплоэлектростанции мощности ветротур-бины, генератора и теплового двигателя соизмеримы, а генератор используется с максимальным при существующем графике нагрузки коэффициентом использования установленной мощности, она не лишена и некоторых недостатков. В первую очередь это касается того, что ветротурбина в диапазоне рабочих скоростей ветра по коэффициенту использования мощности ветрового потока в основном работает не в оптимальном режиме. Усложнена также кинематическая схема установки.
Рис. 2 - Принципиальная схема
ветротеплоэлектростанции
В этом плане более благоприятно выглядит гибридная ветроэнергетическая установка по авт. свид. № 2430268 [4], предложенная на уровне функциональной схемы в Оренбургском аграрном университете. На рисунке 3 приведена усовершенствованная конструктивно-структурная схема ВЭУ такого типа.
В отличие от схемы по авт. свид. № 2430268, в ней детально представлены система стабилизации частоты вращения генератора, система догрузки генератора до номинальной мощности, а также кинематическая схема связи валов ветротурби-ны, генератора и теплового двигателя. Система оптимизации и ограничения частоты вращения
Рис. 3 - Конструктивная схема гибридной ветроэнергетической установки:
1 - поворотные лопасти; 2 - вал ветротурбины; 3 - штанга; 4 - крестовина (коромысло); 5 - тяги; 6 - винт; 7 - шкив; 8, 9 - исполнительные двигатели; 10 - датчик угла поворота и скорости поворота лопастей; 11 - верхний конический редуктор; 12 - нижний конический редуктор; 13, 14 - обгонные муфты; 15 - датчики тока; 16 - коммутаторы фазных нагрузок; 17 - балластные резисторы; 18 -цевочная шестерня; 19 - датчик температуры; 20 - маховик; 21 - выходной вал нижнего редуктора; 22 - вал генератора; 23 - датчик частоты вращения вала; 24 - электромагнитный тормоз; 25 - датчик направления и скорости ветра
ветротурбины выполнена по принципу, изложенному в описании системы в пат. № 2587022 [5]. Не исключено также её исполнение по принципам, изложенным в ранее опубликованных работах [6, 7 и 8].
В исходном состоянии ветротурбина сориентирована на ветер устройством управления путём воздействия на исполнительный электродвигатель 9. Штанга 3 находится в крайнем левом положении, что соответствует флюгерному положению лопастей. Вал 2 ветротурбины не вращается. Генератор при этом приводится во вращение тепловым двигателем с частотой вращения, соответствующей нагрузке генератора.
Запуск ветротурбины осуществляется по команде «пуск», поступающей на вход устройства управления от системы управления верхнего уровня или от оператора. Входящий в устройство управления микроконтроллер по заложенной в него программе обработки входных сигналов от датчиков скорости V ветра формирует сигнал, направленный на поворот лопастей на угол установки в, при котором при данной скорости ветра создаётся максимальный пусковой момент ветротурбины. Сигнал поступает с выхода микроконтроллера через биполярный усилитель на выход устройства управления и далее на исполнительный орган 8 (якорь электродвигателя), на регулирующий орган (шкив 7 - винт 6), штангу и лопасти. Требуемый угол установки лопастей контролируется устройством управления по сигналу обратной связи, поступающему на его вход с выхода датчика 10 угла установки лопастей.
При наличии ветра вал 2 набирает обороты. Устройство управления по достижении частоты вращения вала 2 ветроагрегата устойчивого значения (контроль её осуществляет подсоединённый к входу устройства управления датчик 23 частоты вращения вала 2 переводит штангу 3 в крайнее правое положение, при котором угол установки лопастей имеет номинальное значение.
Если скорость ветра значительно ниже расчётной, частота вращения выходного вала 21 редуктора 12 ниже скорости вращения вала генератора; валы за счёт установленной между ними обгонной муфты 13 рассоединены, ветротурбина работает вхолостую. По мере увеличения скорости ветра будет нарастать и частота вращения выходного вала редуктора 12, и как только она станет равна частоте вращения вала генератора, произойдёт соединение валов. С этого момента при дальнейшем увеличении скорости ветра ветротурбина, взяв часть нагрузки генератора на себя, несколько увеличит частоту вращения генератора. При этом в соответствии со статической характеристикой регулятора частоты вращения теплового двигателя мощность, передаваемая от него на вал генератора, уменьшится ровно настолько, насколько увеличилась мощность ве-
тротурбины. Её увеличение будет происходить не только за счёт увеличения скорости ветра, но и за счёт увеличения коэффициента использования мощности ветрового потока от нуля при скорости ветра, при которой произошло соединение валов, до максимального при скорости ветра в два раза выше. И когда мощность ветротурбины сравняется с активной мощностью нагрузки генератора в сумме с потерями в генераторе, частота вращения вала генератора станет равной частоте вращения холостого хода теплового двигателя, передача мощности с его вала на вал генератора прекратится, привод генератора при дальнейшем увеличении скорости ветра будет осуществляться ветротурбиной. Появляющийся при этом избыток мощности ветротурбины с тем, чтобы ограничить увеличение частоты вращения генератора и, как следствие, увеличение частоты вырабатываемого им напряжения, компенсируется мощностью балластных резисторов, подключаемых устройством управления по сигналам датчиков тока и частоты в первую очередь к менее загруженной фазе генератора. Энергия балластных резисторов отдаётся в этом случае в систему отопления объекта энергоснабжения.
При сильном ветре, когда мощность ветро-турбины станет превышать номинальную мощность генератора, устройство управления начнёт выдавать сигнал на исполнительный двигатель 8 системы ограничения мощности. Угол установки лопастей, увеличиваясь, будет отклоняться от расчётного, что и предотвратит увеличение мощности ветротурбины сверх установленной величины. При снижении скорости ветра все описанные выше процессы будут происходить в обратном порядке.
Вывод. Представленная ветроэнергетическая установка позволит обеспечить гарантированное энергоснабжение объекта при любых скоростях ветра и даже временном отказе ветротурбины, например, при обледенении лопастей в зимнее время года. При этом тепловой двигатель при наличии скорости ветра будет потреблять меньшее количество топлива или вовсе его не потреблять в случае его отключения при устойчивом ветре.
Литература
1. А. с. SU 1813918, F 03 D 9/00. Ветродизельэлек-трическая установка / Довганюк И.Я., Пиковский А.В. и др.; Заявит. Всесоюзный научно-исследовательский институт электроэнергетики; опубл. 07.05.93; Бюл. № 17.
2. А. с. RU 2139444 С1 F03D 9/00. Автономная ветродизельэлектрическая установка / Левин Г.Х. (ДЦ), Виксман А.С. (ДЦ) и др.; Заявит. и патентооблад. Открытое акционерное общество «Звезда» (ДЦ), Санкт-Петербург; опубл. 10.10.1999г.
3. А. с. СССР № 104064 Класс 88с, 309. Комбинированная ветротеплоэлектростанция / В.Н. Андрианов, Д.Н. Быстрицкий. Заявл. 7.04.1953 г за № 10450/453080 в Министерство сельского хозяйства СССР.
4. А.с. № 2430268 Гибридная ветроэнергетическая установка / Петько В.Г. (RU), Маловский Н.А. (RU), Пат-лахов Е.Н. (RU), Старожуков А.М. (RU), Колесников А.Б. (RU), Петров А.С. (RU), Пугачёв В.В. (RU); патентооблад. ФГБОУ ВО «Оренбургский государственный аграрный университет» (RU); опубл. 27.09.2011; Бюл. № 27.
5. Пат. № 2587022. Система ограничения частоты вращения и мощности ветроагрегата / Петько В.Г. (RU); патентообладат.: Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Оренбургский государственный аграрный университет (RU); зарег. в Государственном реестре изобретений Российской Федерации 20.05.2016.
6. Пат. № 2587028. Ветроагрегат с системой ограничения мощности и частоты вращения / Петько В.Г. (RU); патентооблад.: Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Оренбургский государственный
аграрный университет (ДИ); зарег. в Государственном реестре изобретений Российской Федерации 20.05.2016.
7. Пат. №2605490. Гидравлическая система регулирования угла установки лопастей ветротурбины / Петько В.Г. (ДИ); патентообладат.: Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Оренбургский государственный аграрный университет (ДИ); зарег. в Государственном реестре изобретений Российской Федерации 29.11.2016.
8. Пат. № 2643885. Гидравлическая система ограничения мощности и частоты вращения ветроагрегата / Петько В.Г (ДИ); патентообладат.: Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Оренбургский государственный аграрный университет (ДИ); зарег. в Государственном реестре изобретений Российской Федерации 06.02.2018.
Виктор Гаврилович Петько, доктор технических наук, профессор. ФГБОУ ВО «Оренбургский государственный аграрный университет». Россия, 460014, г. Оренбург, ул. Челюскинцев, 18, vgpetko@mail.ru
Ильмира Агзамовна Рахимжанова, доктор сельскохозяйственных наук, профессор. ФГБОУ ВО «Оренбургский государственный аграрный университет». Россия, 460014, г. Оренбург, ул. Челюскинцев, 18, kaf36@orensau.ru
Максим Борисович Фомин, кандидат технических наук, доцент. ФГБОУ ВО «Оренбургский государственный аграрный университет». Россия, 460014, г. Оренбург, ул. Челюскинцев, 18, mbfom@mail.ru
Александр Борисович Колесников, генеральный директор. ООО «Тюльганский электромеханический завод». Россия, 460512, г. Оренбург, пос. Каргала, ул. Заводская, 1, Kolesnikov.TEMZ@gmail.com
Александр Сергеевич Садчиков, директор по производству. ООО «Тюльганский электромеханический завод». ООО «Тюльганский электромеханический завод». Россия, 460512, г. Оренбург, пос. Каргала, ул. Заводская, 1, sk@temz.ru
Сергей Александрович Соловьёв, член-корреспондент РАН, доктор технических наук, профессор. Российская академия наук, Президиум РАН. Россия, 119991, г. Москва, Ленинский просп., 14, sasolovev@presidium.ras.ru
Victor G. Petko, Doctor of Technical Sciences, Professor. Orenburg State Agrarian University. 18, Chelyuskintsev St., Orenburg, 460014, Russia, vgpetko@mail.ru
Ilmira A. Rakhimzhanova, Doctor of Agricultural Sciences, Professor. Orenburg State Agrarian University. 18, Chelyuskintsev St., Orenburg, 460014, Russia, kaf36@orensau.ru
Maxim B. Fomin, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor. Orenburg State Agrarian University. 18, Chelyuskintsev St., Orenburg, 460014, Russia, mbfom@mail.ru
Alexander B. Kolesnikov, General Director. Tyulgansky Electromechanical Plant. 1, Factory St., pos. Kargala, Orenburg, 460512, Russia, Kolesnikov.TEMZ@gmail.com
Alexander S. Sadchikov, Production Director. Tyulgansky Electromechanical Plant. 1, Factory St., pos. Kargala, Orenburg, 460512, Russia, sk@temz.ru
Sergey A. Solovyov, Corresponding Member of the Russian Academy of Sciences, Doctor of Technical Sciences, Professor. Russian Academy of Sciences, Presidium of RAS. 14, Leninsky prospect, Moscow, 119991, Russia, sasolovev@presidium.ras.ru
-♦-
