CC BY
194
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.
