Научная статья на тему 'Энергоэффективные управляемые генераторы для ветроэлектростанций'

Энергоэффективные управляемые генераторы для ветроэлектростанций Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

CC BY
882
155
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Аннотация научной статьи по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям, автор научной работы — Лукутин Б. В., Шандарова Е. Б., Муравлев А. И.

Выполнено исследование соответствия энергетических характеристик ветротурбины и генератора при переменной частоте вращения энергоблока, сформулированы рекомендации по выбору синхронных генераторов ветроэлектростанций. Учет данных рекомендаций позволит уменьшить массогабаритные показатели синхронных генераторов на 10...15 % и, соответственно, их стоимость.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

POWER EFFICIENT CONTROLLED GENERATORS FOR WIND-DRIVEN POWER PLANT

The research of conformity of power characteristics of the wind turbine and the generator at variable frequency of the power unit rotation is carried out. Recommendations on the choice of synchronous generators of the wind power installation are formulated. The account of the given recommendations will allow reducing mass/volume parameters of synchronous generators and their cost by 10...15 %.

Текст научной работы на тему «Энергоэффективные управляемые генераторы для ветроэлектростанций»

УДК 621.313

ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНЫЕ УПРАВЛЯЕМЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ ДЛЯ ВЕТРОЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ

Б.В. Лукутин, Е.Б. Шандарова, А.И. Муравлев

Томский политехнический университет E-mail: mai@tpu.ru

Выполнено исследование соответствия энергетических характеристик ветротурбины и генератора при переменной частоте вращения энергоблока, сформулированы рекомендации по выбору синхронных генераторов ветроэлектростанций. Учет данных рекомендаций позволит уменьшить массогабаритные показатели синхронных генераторов на 10...15 % и, соответственно, их стоимость.

Условия работы электромашинных аэрогенераторов определяются характеристиками ветротурбины с ее регулировочными устройствами и характеристиками нагрузки ветроэлектростанции (ВЭС).

С точки зрения полного использования доступной механической энергии и обеспечения максимальной энергоэффективности ВЭС в диапазоне скоростей вращения от минимальной до номинальной, следует использовать режим работы ве-тротурбины с максимальным постоянным значением коэффициента использования энергии ветра С [1]. Для современных трехлопастных ветродвигателей с горизонтальной осью вращения величина этого коэффициента обычно равна Спих=0,25...0,3 [2]. При этом частота вращения ветротурбины, изменяется в зависимости от скорости ветра в соответствии с выражением [1]:

"=пг (1)

где п - частота вращения, об/мин; Z- число модулей ветродвигателя; V - скорость ветра, м/с; Я -радиус ветродвигателя, м. Число модулей характеризует быстроходность ветродвигателя. При максимальном постоянном значении коэффициента использования энергии ветра, число модулей ветродвигателя также является максимальным и постоянным [1].

Мощность, развиваемая ветродвигателем, определяется выражением [1]:

ре = 0,000481Д V 3С,

(2)

где Рв - мощность ветродвигателя, кВт; Д=2Я - диаметр ветродвигателя, м.

Обеспечение работы ВЭС в режиме С= 0^=00^, вне зависимости от параметров нагрузки, достигается введением в состав автономной ВЭС автоматически регулируемой балластной нагрузки [3].

Ветроэлектростанция, при указанных условиях, обеспечивает преобразование в электроэнергию всей кинетической энергии рабочего потока воздуха, то есть работает с максимальной энергоэффективностью. Аэрогенератор работает в режиме переменных значений частоты вращения и мощности, причем большей частоте вращения соответствует и большая генерируемая мощность.

Когда скорость ветра превышает номинальное значение, аэродинамическая система переводит ВЭС в режим работы с постоянной мощностью и частотой вращения. Значения С и Z, при этом, становятся переменными, уменьшающимися с ростом скорости ветра V. Наконец, при превышении скорости ветра максимальных значений, ветротурбина выводится из под ветра и затормаживается.

Задачей данной работы является исследование соответствия характеристик ветротурбины и генератора при переменной частоте вращения энергоблока и формирование требований к выбору синхронных генераторов для указанного типа ветро-электростанций.

Соотношение между мощностью, развиваемой ветротурбиной, и частотой ее вращения определяется по выражениям (1, 2) и, для распространенных ВЭС мощностью 5...30 кВт [2], характеризуется следующими значениями: Z=5,5...9; С=0,25...0,3. Пусковые скорости ветра для указанного типа ВЭС равны 3...4 м/с. Следовательно, минимальная частота вращения ветротурбины находится в пределах 90...30 об/мин для диаметров ветроколес от 2,5 до 7,5 м. Максимальная частота вращения этих ветродвигателей изменяется, в зависимости от диаметра ветроколес, от 300 до 90 об/мин. Таким образом, диапазон изменения частот вращения ветродвигателя равен 1...3 отн. ед. Мощность ветротур-бины и соответственно, ветрогенератора изменяется при этом в 30...40 раз по отношению к мощности, развиваемой в пусковом режиме. Частота вращения автономного генератора является фактором, определяющим его мощностные и массо-габаритные показатели. С увеличением частоты происходит уменьшение относительного веса и габаритов электрооборудования, что удешевляет энергоустановку.

Известно, что в электрических машинах с переменной частотой вращения происходит перераспределение потерь, определяющих их тепловой режим. В частности, при повышении частоты вращения потери в меди сокращаются, а в стали возрастают. Одновременно усиливается эффективность охлаждения, особенно для генераторов со встроенным вентилятором на общем валу. Следовательно, электрическая мощность генератора зависит от частоты вращения.

Очевидным условием для определения мощности генератора с переменной частотой вращения является постоянство теплового режима статорной обмотки. Обмотка ротора с увеличением частоты не перегревается, т. к. ток возбуждения не возрастает, а интенсивность охлаждения повышается.

В работе [4] предложены выражения для расчета мощности явнополюсных синхронных генераторов на примере машин серии ЕСС.

В частности, мощность генератора Рг с регулируемым возбуждением, обеспечивающим постоянство выходного напряжения и=1 о. е., определяется как

Р = 1(1 /074-^/-04(1-/^)-(1 -а)Г(3)

г Т (в+ / )а

Для режима генератора напряжение и пропорционально частоте / например с возбуждением от постоянных магнитов, мощность равна

P = Л (1+ в)

f 0,74 +S(1 - f1. 6) - (1 -а)

(4)

значением коэффициента 8, который характеризует потери в стали. Это объясняется увеличением потерь на гистерезис с увеличением частоты при одновременном снижении потерь в меди. Промежуточные точки характеристики Рг=/(0) могут быть определены по выражению (4). Графически эта зависимость представлена кривой 2 на рис. 1, б. Сопоставление взаимного расположения кривых 1 и 2 показывает быстрое падение мощности ветродвигателя от частоты вращения (кривая 1), что определяет соответствующее снижение электромагнитных нагрузок аэрогенератора по сравнению с допустимыми по тепловым режимам (кривая 2).

(в + f 15)а

В выражениях (3), (4) коэффициенты а, в, Sдля синхронных явнополюсных генераторов нормального исполнения находятся в пределах [4]:

а = 0,45...0,25; в = 0 ,5...0,35; S= 0 ,4...0 ,15.

Таким образом, используя выражения (1)-(4) можно построить мощностные характеристики ветродвигателя и генератора и, на основании их сопоставления, сформулировать рекомендации к рациональному выбору типа, мощности и частоты вращения управляемого синхронного генератора для ВЭС.

Расчетная зависимость мощности ветродвигателя от скорости ветра приведена на рис. 1, а. Эта же зависимость в функции от частоты вращения, при полной утилизации вырабатываемой энергии, показана на рис. 1, б (кривая 1). В качестве примера, использованного в расчетах, взяты параметры ветроэлектростанции мощностью 30 кВт типа PW-30/14 совместной разработки Лианозовского электромеханического завода г. Москва и компании PITCH WIND, Швеция [2].

В соответствии с выражением (4), с увеличением в два раза частоты вращения синхронных генераторов и пропорциональном увеличении выходного напряжения, генерируемая мощность может быть увеличена до 70 %. Следовательно, если принять максимальное значение характеристики Pe(Q) за режим, соответствующий работе системы с повышенной частотой (точка «а»), то базовая частота вращения генератора может быть практически в два раза меньше. В зависимости от значений коэффициентов а, в, S базовая мощность синхронного генератора уменьшится: максимально на указанную величину 70 % (точка «b»). Следует отметить, что большая доступная мощность генератора на повышенной частоте соответствует машинам с меньшим

Рисунок. Расчетная зависимость мощности ветродвигателя от: а) скорости ветра; б) относительной частоты вращения при полном съеме вырабатываемой мощности

Таким образом, можно рекомендовать для ветро-электростанции мощностью 30 кВт синхронный генератор мощностью около 20 кВт, имеющий номинальную частоту вращения, меньшую в два раза расчетной частоты вращения ветротурбины (с учетом мультипликатора). В этом случае, при расчетной скорости ветра, ВЭС обеспечивает генерирование номинальной электрической мощности - 30 кВт при допустимом тепловом режиме генератора.

Сравнение массогабаритных показателей синхронных генераторов, например, ЕСС5-81-6 мощностью 20 кВт при частоте вращения 1000 об/мин и ЕСС5-82-4 мощностью 30 кВт при 1500 об/мин показывает, что генератор большей мощности весит 340 кг против 300 кг для генератора ЕСС5-81-6 [5].

Проведенные исследования показывают возможность выбора синхронного явнополюсного аэрогенератора для ВЭС на номинальную частоту

а

б

вращения в два раза меньшую частоты, соответствующей расчетному режиму ветродвигателя, и на номинальную мощность на 70 % меньшую расчетного номинального режима ВЭС. В результате снижения установленной мощности аэрогенератора по сравнению с расчетным режимом ВЭС его масса может быть снижена на величину до 10...15 %.

Недостатком режима работы синхронного генератора с выходным напряжением, пропорциональным частоте, является завышение напряжения по сравнению с номинальной величиной, определяемой соотношением мощностей ветродвигателя и генератора (рис. 1, б). Реализация оптимального закона изменения выходного напряжения генератора, при полном использовании мощности ветро-турбины, достаточно просто осуществляется в ве-троэлектростанции с регулированием мощности по цепи возбуждения генератора [6]. Отличительной особенностью предлагаемой ветроэлектро-станции является возможность регулирования мощности, рассеиваемой в балластной нагрузке, за счет регулирования величины генерируемого напряжения аэрогенератора.

Принимая условия полной утилизации мощности ветротурбины, можно представить баланс мощности ВЭС в виде

Р = Р = Р + Ро,

е г н о ’

где Pн и PH - мощность полезной и балластной нагрузки системы. Выражая мощность, рассеиваемую на активном балласте, через фазное напряжение генератора Uф и величину фазного сопротивления балластной нагрузки Rб, получаем уравнение баланса мощности станции

Ре = Р = Р +-

К6

Следовательно, оптимальный закон изменения фазного напряжения аэрогенератора может быть представлен выражением

иф =Л 1(Ре - Рн )^,

имеющим практическое значение при Pl>Pн, с учетом входных характеристик выпрямительно-зарядного устройства ветроэлектростанции.

Кроме уменьшения массогабаритных показателей синхронного генератора ВЭС, выбор аэрогенератора с номинальной частотой вращения, меньшей расчетных номинальных оборотов ветротур-бины, позволяет генерировать нормальное напряжение при скоростях ветра, значительно меньших расчетной величины. Тем самым достигается уменьшение диапазона изменения величины выходного напряжения аэрогенератора с регулируемым возбуждением. Последнее обстоятельство позволяет повысить КПД вторичных элементов преобразования энергии в ВЭС: выпрямительно-зарядного устройства и автономного инвертора.

Таким образом, выбор синхронного генератора для ветроэлектростанции в соответствии с приведенными в статье рекомендациями и построение электрической части ВЭС с автобалластной системой, регулируемой по цепи возбуждения генератора, позволяет улучшить массогабаритные и стоимостные характеристики электромашинной системы генерирования автономной энергоустановки и КПД ее преобразовательной части.

2

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Ветроэлектрические станции / Под ред. В.Н. Андрианова. -М.-Л.: ГЭИ, 1960. - 320 с.

2. Энергетическое оборудование для использования нетрадиционных возобновляемых источников энергии / Под ред.

В.И. Виссарионова. - М.: «ВИЭН», 2004. - 448 с.

3. Пат. на ПМ 45214 РФ. МПК7 Н02Р 9/04. Ветроэлектростанция с регулятором мощности балласта / Б.В. Лукутин, О.Б. Луку-тин, Е.Б. Шандарова. Заявлено 23.11.2004; Опубл. 27.04.2005, Бюл. № 12. - 5 с.: ил.

4. Радин В.И., Загорский А.Е., Манукян Л.А. Влияние повышения скорости вращения на мощность синхронного генератора

// Известия вузов. Электромеханика. - 1973. - № 1. -

С. 82-87.

5. Алиев И.И. Справочник по электротехнике и электрооборудованию. - Р.-н/Д.: Феникс, 2004. - 480 с.

6. Пат. на ПМ 39431 РФ. МПК7 Н02Р 9/04. Ветроэлектростанция с регулированием мощности по цепи возбуждения генератора / Б.В. Лукутин, О.Б. Лукутин, С.Г. Обухов, Е.Б. Шандарова. Заявлено 31.03.2004; Опубл. 27.07.2004, Бюл. № 21. - 7 с.: ил.

Поступила 10.12.2007г.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.