CC BY
8
ISSN 1992-6502 (Print)_
2018. Т. 22, № 3 (81). С. 98-104
Вестник УГАТУ
ISSN 2225-2789 (ОпИпе) http://journal.ugatu.ac.ru
УДК 620.91
Исследование работы колебательной ветроэнергетической установки (ВЭУ) в составе электротехнического комплекса генерации и изолированно от него при разных скоростях ветра
1 2 3
ф. р. Исмагилов , и. х. Хайруллин , в. е. Вавилов , а. м. Якупов
.4
ismagilov137@gmail.com, irekkhayrullin@yandex.com, s2_88@mail.ru, aynurpov@mail.ru ФГБОУ ВО «Уфимский государственный авиационный технический университет» (УГАТУ)
Поступила в редакцию 06.08.2018
Аннотация. Авторами представлены результаты исследования колебательной ветро-установки в составе электротехнического комплекса генерации. Для этого была разработана аналитико-имитационная модель колебательной ветроустановки, а также аналитико-имитационная модель электротехнического комплекса генерации. Было выявлено, что колебательная ветроустановка создает значительную несинусоидальность. Для снижения влияния на синусоиду тока и напряжения электротехнического комплекса генерации было предложено применение аккумуляторных батарей и прогнозирования.
Ключевые слова: электротехнический комплекс генерации; колебательная ветроустановка; синусоидальность; прогнозирование.
ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время в мире очень активно развивается генерация, основанная на использовании возобновляемых источников энергии (ВИЭ), в том числе и ветроустано-вок (ВЭУ) [1, 2]. При этом разрабатывается огромное количество различных конструктивных схем ВЭУ. Одним из видов конструктивной схемы ВЭУ является колебательная ВЭУ, разработанная авторами данной статьи [3, 4]. Но на данный момент недостаточно изучена возможность ее работы в составе электротехнического комплекса генерации (ЭКГ) и ее влияние на синусоиду тока и напряжения. Поэтому целью данной статьи является изучение работы, разработанной колебательной ВЭУ в составе электротехнического комплекса.
СОСТАВЛЕНИЕ АНАЛИТИКО-ИМИТАЦИОННОЙ МОДЕЛИ
Для решения задачи влияния колебательной ВЭУ на работу электротехнического комплекса генерации необходима анали-
тико-имитационная модель, которая основывается на системе уравнений (1), описывающая процессы в колебательной ВЭУ:
Ьд +С1дх+1хг=их8тоХ
тд2х=АЕх- С11х- С2Х+
Уо ТС (ТУ8п2Кдх
Рх=их1хсо$§ Ьд +С1ду+гуг=иу%тШ
,(1)
тд2у=Ь¥х- С^у- С2У+
1о (Трп2К ду
Ру = иу1уС08ф
где Ь - индуктивность, Гн; г - сила тока, А; ДРХ, АРу- изменение силы воздействия на стержень соответственно по оси х и у, Н; ц = оператор дифференцирования, с-1; х - расстояние, пройденное активной частью трехкоординатного электромеханического преобразователя (ТКЭП) за период колебаний, м; Q - внешние силы, Н; г - со
противление обмотки, Ом; ит - напряжение на обмотках, В; С\=ку
пк^а
С2=к2
пк^ай
-конструктивные коэффициен-
ты, кг-м/с2/А и Н/с2; /т, й- геометрические параметры постоянного магнита, м;
а=-( —/М+25); С - постоянная Сазерлен-
п ц
да; Т0 - температура воздуха в воздушном зазоре в момент запуска, С; у0 - кинематическая вязкость воздуха в момент запуска, Па-с; Т - температура воздуха в момент времени I, С; у - кинематическая вязкость воздуха в момент времени t, Па-с.
На основе (1) разрабатывается аналити-ко-имитационная модель колебательной ВЭУ. Аналитико-имитационная модель колебательной ВЭУ заменяется блоком «ТКЭП» для дальнейшей разработки анали-тико-имитационной модели электротехнического комплекса с колебательным ВЭУ. Разработанная аналитико-имитационная модель состоит из следующих основных элементов (рис. 1): выпрямитель, инвертор, фильтр частоты, нагрузка, эквивалентный источник мощности, заменяющий остальные источники энергии электротехнического комплекса генерации (микротурбины или дизельного генератора).
Применение выпрямителя, инвертора, фильтра частоты обусловлено тем, что колебательная ВЭУ является источником генерации непостоянной частоты.
Применяемая преобразовательная техника может привести к отклонению параметров синусоиды напряжения и тока электротехнического комплекса генерации и снижению качества работы ЭКГ в зависимости от работы колебательной ВЭУ. Параметры синусоиды тока и напряжения ЭКГ, не соответствующие нормам (повышенное или пониженное напряжение, всплески и провалы напряжения, искажение синусоидальной формы напряжения и др.), воздействуя на нагрузку ЭКГ, могут нарушать их нормальную работу и даже выводить их из строя. Среди показателей качества электроэнергии в ЭКГ стандартом определены два параметра, характеризующие степень искажения формы синусоиды напряжения в ЭКГ:
- коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения;
- коэффициент п-й гармонической составляющей напряжения, где п - номер гармонической составляющей, кратной основной частоте, в спектре сетевого напряжения.
и,
и(п)
(п)
и1
100%.
(2)
Угол атаки Ветра
Скорость ветра
■"Ч
1-п
ТКЭП
А
Регулятор напряжения
В
Выпрямитель
Фильтр частоты
+ ПС + БС / А АС А А
/ / В / В В
/ / С / С С
/ БС АС АС
Инвертор
В
А
Измерительный
блок
С В А
Нагрузка
Система (Источник мощности)
С
Рис. 1. Аналитико-имитационная модель электротехнического комплекса
с колебательным ВЭУ
Таблица 1
Нормативное содержание высших гармоник
Порядок Нечетные гармоники не Нечетные гармоники кратные Четные гармоники
гармоники п кратные трем трем
НН СН СВН НН СН СВН НН СН СВН
2 - - - - - - 2 1,5 1,5
3 - - - 5 2,5 1,5 - - -
4 - - - - - - 1 1 1
5 6 6 2 - - - - - -
6 - - - - - - 0,5 0,5 0,5
7 5 5 2 - - - - - -
8 - - - - - - 0,5 0,5 0,2
9 1,5 1,5 1
10 - - - - - - 0,5 0,5 0,2
11 3,5 3,5 1,5 - - - - - -
>12 - - - - - - 0,2 0,2 0,2
13 3 3 1,5 - - - - - -
15 - - - 0,3 0,3 0,3 - - -
17 2 2 1 - - - - - -
19 1,5 1,5 1 - - - - - -
21> - - - 0,2 0,2 0,2 - - -
23 1,5 1 0,7 - - - - - -
25 1,5 1 0,7 - - - - - -
>25 0,2 0,2 0,1 - - - - - -
При этом степень искажения синусоиды сети зависит:
- от мощности источника несинусоидальности и его доли от общей генерации в составе ЭКГ;
- от параметров схемы замещения сети;
- от удаленности от источника несинусоидальности.
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЕ СКОРОСТИ ВЕТРА НА ИСКАЖЕНИЕ СИНУСОИДЫ ПРИ ИЗОЛИРОВАННОЙ И ИНТЕГРИРОВАННОЙ РАБОТЕ КОЛЕБАТЕЛЬНОЙ ВЭУ НА НАГРУЗКУ
Нормативные значения содержания высших гармоник ЭКГ согласно ГОСТ 32144-2013 представлены в табл. 1. По данным, приведенным в табл. 1, будет проводиться проверка соответствия содержания определенной гармоники.
Далее проведем исследование при различных уровнях скорости ветра при изолированной работе колебательной ВЭУ на нагрузку. Результаты расчетов представлены в табл. 2. Как видно из табл. 2, по некоторым гармоникам при всех скоростях ветра наблюдается нарушение допустимых пределов, приведенных в табл. 1.
Таблица 2
Величины гармоник в зависимости от скорости ветра при мощности эквивалентного источника мощности 0 ВА
№ гар-ки Скорость ветра м/с
1 5 10 15 20
1 100 100 100 100 100
2 1,94 0,06 0,01 0,06 0,09
3 0,72 0,06 0,13 0,06 0,09
4 0,94 0,04 0,07 0,10 0,03
5 0,40 0,17 0 0,09 0,07
6 0,26 0,17 0,11 0,27 0,15
7 0,19 0,10 0,06 0,06 0,05
8 0,09 0,08 0,13 0,15 0,06
9 0,07 013 0,07 0,10 0,25
10 0,09 0,15 0,20 0,07 0,28
11 0,15 0,14 0,05 0,23 0,14
12 0,06 0,24 0,16 0,23 0,16
13 0,07 0,33 0,30 0,15 0,32
14 0,02 0,12 0,08 0,20 0,03
15 0,04 0,21 0,15 0,23 0,37
16 0,04 0,08 0,18 0,10 0,22
17 0,04 0,07 0,23 0,13 0,23
18 0,04 0,09 0,32 0,13 0,23
19 0,03 0,06 0,14 0,23 0,07
20 0,04 0,02 0,11 0,07 0,51
21 0,03 0,14 0,28 0,37 0,53
22 0,02 0,03 0,28 0,32 0,23
23 0,04 0,08 0,32 0,33 0,30
24 0,01 0,02 0,21 0,16 0,27
25 0,02 0,02 0,01 0,60 0,09
ТИБ 1,08 1,97 2,43 2,96 16,22
Для выявления причин и получения зависимостей рассмотрим далее интегрированную работу колебательной ВЭУ.
Далее для исследования возможности параллельной работы совместно с другими источниками энергии используем энергосистему с различной мощностью. Для начала рассмотрим применение источника мощности с мощностью короткого замыкания (КЗ) 40 кВА при напряжении 400 В.
Таблица 3
Величины гармоник в зависимости от скорости ветра при мощности эквивалентного источника мощности 4*10л4 ВА
№ гар-ки Скорость ветра м/с
1 5 10 15 20
1 100 100 100 100 100
2 27,4 26,6 21,89 12,12 7,83
3 12,0 12,0 9,80 6,64 4,23
4 8,20 8,13 6,78 4,70 3,13
5 5,95 5,19 3,33 0,79 2,92
6 4,97 5,17 3,78 1,98 4,28
7 4,35 4,82 5,02 4,06 4,68
8 3,66 3,57 2,96 2,13 1,73
9 3,24 3,27 2,69 1,65 1,24
10 2,89 2,92 2,49 1,76 1,24
11 2,64 2,66 2,28 1,61 0,38
12 2,39 2,36 2,14 1,27 0,76
13 2,20 2,18 1,75 1,30 1,46
14 2,05 2,01 1,71 1,61 0,96
15 1,90 1,87 1,75 1,36 0,92
16 1,80 1,81 1,60 1,22 0,78
17 1,66 1,57 1,27 1,08 0,76
18 1,60 1,60 1,54 0,98 1,27
19 1,54 1,60 1,54 1,23 1,16
20 1,41 1,32 1,16 1,21 0,92
21 1,38 1,39 1,30 1,34 1,19
22 1,30 1,29 1,28 1,06 1,20
23 1,26 1,21 1,23 1,02 1,00
24 1,18 1,09 0,89 1,26 1,83
25 1,16 1,18 1,35 1,15 1,70
ТИБ 79,2 87,8 101,0 107,9 115,9
Далее рассмотрим применение источника мощности с мощностью КЗ 400 ВА при напряжении 400 В.
По полученным результатам, сведенным в табл. 2-4, видно, что большинство гармоник не соответствует допустимым величинам, указанным в табл. 1. Это обусловлено непостоянностью выработки колебательной ВЭУ и фактом затухания напряжения. Также видно по табл. 2, что при увеличении скорости ветра искажение синусоиды увеличивается.
Также проведем аналогичные расчеты, как в табл. 2-4, для мощности системы 4 кВА и 400 кВА.
Таблица 4
Величины гармоник в зависимости от скорости ветра при мощности эквивалентного источника мощности 4*10Л2 ВА
№ гар-ки Скорость ветра м/с
1 5 10 15 20
1 100 100 100 100 100
2 0,03 0,06 0,03 0,03 0,18
3 0,09 0,14 0,08 0,10 0,25
4 0,07 0,07 0,14 0,20 0,11
5 0,10 0,13 0,12 0,11 0,12
6 0,08 0,17 0,11 0,14 0,12
7 0,05 0,07 0,09 0,05 0,13
8 0,01 0,02 0,04 0,14 0,02
9 0,02 0,15 0,23 0,04 0,20
10 0,05 0,07 0,05 0,17 0,26
11 0,14 0,18 0,15 0,12 0,09
12 0,05 0,07 0,14 0,28 0,06
13 0,08 0,11 0,14 0,20 0,03
14 0,02 0,14 0,08 0,40 0,35
15 0,04 0,15 0,27 0,14 0,22
16 0,03 0,08 0,14 0,38 0,11
17 0,04 0,07 0,29 0,22 0,14
18 0,04 0,04 0,25 0,16 0,23
19 0,02 0,01 0,15 0,27 0,16
20 0,04 0,05 0,10 0,30 0,18
21 0,03 0,05 0,21 0,33 0,13
22 0,02 0,09 0,16 0,35 0,52
23 0,04 0,09 0,31 0,37 0,16
24 0,01 0,10 0,49 0,37 0,4
25 0,02 0,02 0,11 0,30 0,09
ТИБ 0,98 1,93 2,39 3,22 16,59
Таблица 5 Сводная таблица по параметру THD
Мощ-ть Скорость ветра, м/с
КЗ ЭС, ВА 1 5 10 15 20
0 1,08 1,97 2,43 2,96 16,22
400 0,98 1,93 2,39 3,22 16,59
4000 10,07 1,92 2,39 3,00 21,51
40000 21,61 2,16 2,51 3,23 23,80
400000 79,3 87,8 101,0 107,9 115,9
Сводная таблица ТНО исследования для различных случаев приведена в табл. 5, рис. 2. Видно, что несинусоидальность при увеличении мощности энергосистемы выше. Это вызвано отличием напряжения системы и колебательной ВЭУ, так, напряжение на выходе колебательной ВЭУ сильно
100
80
о 60
X
н
40
20
0
. I
II II
10
Скорость ветра, м/с
15
20
0 400 ■ 4000 ■ 40000 ■ 400000
Рис. 2. Результат анализа гармоник при различной мощности эквивалентного ЭДС
варьируется от скорости ветра и имеет затухающий характер, и это вносит сильные искажения при параллельной работе с колебательной ВЭУ. Поэтому наиболее целесообразным является изолированное использование колебательной ВЭУ или работы колебательной ВЭУ на аккумуляторные батареи (АКБ), и именно такой режим работу ЭКГ является наиболее эффективным.
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ВСТАВКИ АКБ ДЛЯ СНИЖЕНИЯ ИСКАЖЕНИЙ СИНУСОИДЫ
Как было написано выше, высокая доля искажений возникает из-за непостоянства напряжения колебательной ВЭУ при различных скоростях ветра. Эта проблема может быть решена частично с использованием АКБ, так как использование АКБ позволяет снизить флуктации напряжения колебательной ВЭУ. Поэтому в этом разделе рассмотрим применение АКБ для повышения качества синусоиды. Рассмотрим ЭДС с мощностью КЗ 400 ВА и свинцово-кислотные АКБ УаЛа с емкостью 60А*ч, с напряжением 400 В, табл. 6.
Таблица 6 Сводная таблица по параметру ТИБ
Мощ-ть КЗ Скорость ветра, м/с
ЭС, ВА 1 5 10 15 20
400 с АКБ 1,82 3,45 5,05 6,12 6,26
400 0,98 1,93 2,39 3,22 16,59
По табл. 6 видно, что применение АКБ ухудшает синусоиду напряжения при низких скоростях ветра и при слабых искажениях, но применение АКБ улучшает синусоидальность при высоких скоростях ветра, когда не синусоидальность очень высокая. Тем самым по полученным данным (табл. 6) видно, что применение АКБ сохраняет синусоиду в нужных пределах и позволяет сгладить несинусоидальность.
После того, как было выявлено, что применение АКБ оказывает хороший эффект, актуальной задачей является определение зависимости изменения ТНО от емкости АКБ (табл. 7).
Как видно из табл. 7, увеличение емкости не дает одинакового эффекта при различных скоростях ветра. Из этого можно сделать вывод, что емкость АКБ необходимо определять исходя из прогнозов средней скорости ветра для определенного региона.
Таблица 7 Сводная таблица по параметру THD в зависимости от емкости АКБ
Емкость Скорость ветра, м/с
АКБ, А*ч 1 5 10 15 20
0 0,98 1,93 2,39 3,22 16,59
15 1,20 2,34 3,06 3,95 14,01
30 1,43 2,79 3,73 4,68 11,42
45 1,75 3,05 4,40 5,41 8,83
60 1,82 3,45 5,05 6,12 6,26
1
5
20 18 16 14 12 10 8 6 4 2 0
I. I
10
Скорость ветра, м/с
15
20
400 с АКБ ■ 400 без АКБ
Рис. 3. Сравнение THD с АКБ и без
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В исследовании работы колебательной ВЭУ совместно с другими источниками в составе ЭКГ было выявлено, что колебательная ВЭУ значительно искажает синусоиду напряжения и тока, что является нежелательным фактором для нагрузки ЭКГ. Искажение возникает из непостоянства напряжения и частоты колебательной ВЭУ, которое зависит от скорости ветра, что при работе с другими источниками энергии является источником несинусоидальности. В исследовании были получены зависимости ТНО от различных мощностей источников ЭКГ (рис. 2).
Во второй части исследования был предложен способ сглаживания несинусоидальности путем использования вставки из АКБ. Применение АКБ позволяет снизить флуктуации напряжения и частоты. Были получены зависимости влияния АКБ при различных скоростях ветра (табл. 6). Также были получены зависимости ТНО от различных емкостей АКБ при различных скоростях ветра (табл. 7, рис. 3).
Данные исследования показывают, что при использовании колебательной ВЭУ совместно с другими источниками энергии необходимо учитывать ее влияние на несинусоидальность. Для учета данного фактора на стадии проектирования и прогнозирования мощности других элементов ЭКГ и емкости АКБ необходимо использование прогнозирования несинусоидальности. Это мо-
жет быть осуществлено с использованием методики долгосрочного прогнозирования с применением принципа максимальной энтропии.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Atia R., Yamada N. Distributed Renewable Generation and Storage System Sizing Based on Smart Dispatch of Mi-crogrids // Energies. 2016, № 9, p. 176. [ R. Atia, and N. Yamada, "Distributed Renewable Generation and Storage System Sizing Based on Smart Dispatch of Microgrids", in Energies, no. 9, p. 176, 2016. ]
2. Дрюпин П. В., Керученко Л. С. Актуальность применения возобновляемых источников энергии // Труды молодых ученых, аспирантов и студентов: межвуз. науч. сб., 2010. С. 46-49. [ P. V. Drypin, L. S. Keruchencko, "The relevance of renewable energy sources," (in Russian), in Trudy molodyh uchenyh aspirantov i studentov, p. 46-49, 2010. ]
3. Вавилов В. Е., Якупов А. М. Колебательная ветро-установка // междунар. науч. журнал Альтернативная энергетика и экология: 2013, № 6-2. С. 61-66. [ V. E. Vavilov, A. M. Yakupov, "Oscillating Wind turbine," (in Russian), in Alternativnaya ehnergetika i ehkologiya, no. 6-2, pp.61-66, 2013. ]
4. Колебательная ветроустановка Исмагилов Ф. Р. [и др.] // Возобновляемые источники энергии: мат. все-росс. науч. мол. школы с междунар. уч., 2014. С. 39-47. [ F. R. Ismagilov et.al., "Oscillating wind turbine", (in Russian), in Vozobnovlyaemye istochniki ehnergii, pp. 39-47, 2014. ]
ОБ АВТОРАХ
ИСМАГИЛОВ Флюр Рашитович, д-р техн. наук, проф., зав. каф.э/мех. УГАТУ. Дипл.инженер э/мех.(УАИ, 1973). Иссл.в обл. э/мех. преобразователей энергии.
ХАЙРУЛЛИН Ирек Ханифович, д-р техн. наук, проф. каф. э/мех. УГАТУ. Дипл.инженер э/мех.(ИЭИ, 1963). Иссл.в обл. э/мех. преобразователей энергии.
1
5
ВАВИЛОВ Вячеслав Евгеньевич, канд. техн. наук, доцент каф. э/мех. УГАТУ. Иссл. в обл. э/мех. преобразователей энергии.
ЯКУПОВ Айнур Махмутович, асп. каф. э/мех. УГАТУ. Дипл.инженер ЭСиC (УГАТУ, 2014). Иссл. в обл. возобновляемых источников энергии.
METADATA
Title: Investigation of work of a oscillating window in the composition of the electrotechnical complex of generation and isolated from it at the different wind speeds Authors: F. R. Ismagilov1, I. H. Hayrullin2, V. Е. Vavilov3,
А. M. Yakupov4 Affiliation:
Ufa State Aviation Technical University (UGATU), Russia. Email: 1ismagilov137@gmail.com,
2irekkhayruNin@yandex.com, 3s2_88@mail.ru, 4aynurpov@mail.ru Language: Russian.
Source: Vestnik UGATU (scientific journal of Ufa State Aviation Technical University), vol. 22, no. 3 (81), pp. 98-104, 2018. ISSN 2225-2789 (Online), ISSN 1992-6502 (Print). Abstract: In this article, the authors present an investigation of a oscillating wind turbine as part of an electrical generation complex. For this purpose, an analytical and simulation model of a oscillating wind turbine was developed, as well as an analytical and simulation model of an electrical generation complex. It was revealed that the oscillating wind turbine generates a significant non-sinusoidality. To reduce the effect on the sinusoidal current and voltage of the electrotechnical generation complex, it was proposed to use battery batteries and forecasting. Key words: electrotechnical generation complex; oscillating wind turbine; sinusoidal range; forecasting.
About authors:
ISMAGILOV, Flur Rashitovich, doctor of technical Sciences,
Professor, the head of dept. of electromechanics USATU. HAYRULLIN, Irek Khanifovich, doctor of technical Sciences,
Professor of dept. of electromechanics USATU. VAVILOV, Vacheslav Evgenievich, candidate of technical Sciences, Lecturer of dept. of electromechanics USATU. YAKUPOV, Aynur Machmutovich, post-graduate student of dept. of electromechanics USATU.
