CC BY
11
Научная статья
УДК 621.3
doi: 10.37670/2073-0853-2022-93-1-135-140
Обзор и оценка конструктивных схем ветродизельэлектрических установок
Виктор Гаврилович Петько1, Ильмира Агзамовна Рахимжанова1,
Максим Борисович Фомин1, Александр Борисович Колесников2,
Александр Сергеевич Садчиков2, Ирина Валерьевна Колесникова3
1 Оренбургский государственный аграрный университет, Оренбург, Россия
2 ООО «Тюльганский электромеханический завод», Оренбург, Россия
3 Оренбургский государственный университет, Оренбург, Россия
Аннотация. В статье представлены устройство, принцип действия, результаты оценки двух, отличных по структуре, схем автономных гибридных энергетических систем: установки с двумя двигатель-генераторными агрегатами, работающими на общие шины, и установки с одним общим генератором с приводом от ветродвигателя и теплового двигателя. Достоинство ветродизельэлектрической установки с двумя двигатель-генераторными установками, одной из которых является спарка «ветротурбина асинхронная машина», а другой - дизель-электрический агрегат, заключается в том, что она при необходимости может быть скомплектована из стандартных ветро- и дизельгенераторов. Кроме того, размещение входящих в эту систему агрегатов ввиду отсутствия механической связи между ними осуществляется более свободно без привязки друг к другу. По сравнению с одногенераторной ветродизельэлектрической установкой она имеет в два раза меньший коэффициент использования силового электроэнергетического оборудования, а для обеспечения устойчивой согласованной работы агрегатов нуждается в достаточно сложной системе автоматического управления и защиты от аварийных режимов. С учётом этого ветродизельэлектрическая система с приводом синхронного генератора и от ветротурбины, и от теплового двигателя, как более простая в конструктивном отношении, более дешёвая и надёжная в эксплуатации рекомендуется для бесперебойного электроснабжения удалённых объектов сельскохозяйственного назначения со средним уровнем электропотребления.
Ключевые слова: ветротурбина, трансмиссия, частота, коэффициент использования энергии ветра, вариатор.
Для цитирования: Обзор и оценка конструктивных схем ветродизельэлектрических установок / В.Г. Петько, И.А. Рахимжанова, М.Б. Фомин и др. // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2022. № 1 (93). С. 135 - 140. https://doi.org/10.37670/2073-0853-2022-93-1-135-140.
Original article
Review and evaluation of design schemes wind-diesel-electric installations
Viktor G. Petko1, Ilmira A. Rakhimzhanova1, Maxim B. Fomin1, Alexander B. Kolesnikov2,
Alexander S. Sadchikov2, Irina V. Kolesnikova3
1 Orenburg State Agrarian University, Orenburg, Russia
2 OOO "Tyulgansky Electromechanical Plant", Orenburg, Russia
3 Orenburg State University, Orenburg, Russia
Abstract. The article provides a description of the device, the principle of operation and an assessment of two autonomous hybrid power systems that are different in structure, namely: installations with two engine-generator units operating on common tires, and with one common generator driven by a wind turbine and a heat engine. The advantage of a predominantly common wind-diesel-electric plant with two engine-generator sets, one of which is a pair of "asynchronous wind turbines", and the other a diesel-electric unit, is that it can, if necessary, be completed from standard wind and diesel generators. In addition, the placement of the units included in this system, due to the lack of a mechanical connection between them, is carried out more freely without reference to each other. At the same time, compared with a single-generator wind-diesel-electric installation, it has a half the utilization rate of power electric power equipment, and to ensure stable coordinated operation of the units, it needs a rather complex system of automatic control and protection from emergency modes. With this in mind, a wind-diesel-electric system driven by a synchronous generator from both a wind turbine and a heat engine, as being structurally simpler, cheaper and more reliable in operation, is recommended for uninterrupted power supply to remote agricultural facilities with an average level of power consumption.
Keywords: wind turbine, transmission, frequency, wind power utilization factor, variator.
For citation: Review and evaluation of design schemes wind-diesel-electric installations / V.G. Petko, I.A. Rakhimzhanova, M.B. Fomin et al. Izvestia Orenburg State Agrarian University. 2022; 93(1): 135-140. (In Russ.). https://doi.org/10.37670/2073-0853-2022-93-1-135-140.
Основная проблема, с которой приходится сталкиваться при использовании энергии ветра для энергоснабжения потребителей, заключается
в непостоянстве скорости ветра. Особенно остро она ощущается для потребителей, удалённых от централизованных источников электроснабже-
ния. Если для потребителей, расположенных в зоне действия централизованной электрической сети, при недостаточной скорости ветра дефицит энергии можно покрывать потреблением её из электрической сети, как это реализуется в большинстве случаев на практике [1], то для автономных потребителей необходимо иметь резервные источники питания. Для потребителей со средним уровнем энергопотребления, к которым относятся объекты, расположенные в сельской местности, в качестве таких источников наиболее доступными являются дизель-электрические агрегаты (ДГА). Их комбинация с ветроэнергетической установкой (ВЭУ) образует гибридную энергетическую систему. Использование совместной работы ВЭУ и ДГА в большинстве случаев позволяет иметь долю участия ветроустановки в электроснабжении потребителя 50 - 60 % и более, и существенную в результате этого экономию расхода органического топлива.
Материал и методы. К одной из таких гибридных энергетических систем относится ветродизельэлектрическая установка [2]. Она включает ветротурбину, связанную через редуктор с асинхронной машиной. Машина работает в режиме асинхронного генератора, нагруженного на общие шины с синхронным генератором, приводной вал которого соединён через разъединительную муфту с валом дизеля. Для управления данной ветродизельэлектрической установкой (поддержание необходимых уровней напряжения, частоты тока и частоты вращения, защиту от перегрузки и распределение нагрузки между генераторами, потребителем и балластным резистором) имеется набор датчиков тока, напряжения и скорости ветра, логических элементов и исполнительных органов.
Однако ввиду того, что в качестве генератора использована относительно сложная асинхронная машина с фазным ротором, при достаточно
развёрнутой системе управления процессами и параметрами функционирования установки она обладает низкими надёжностью и энергетическими характеристиками, что отрицательно сказывается на её эффективности в целом.От этих недостатков в значительной степени свободна автономная ветродизельэлектрическая установка по патенту РФ № 2139444 [3]. На рисунке 1 приведена схема этой установки.
Установка содержит асинхронную электрическую машину 1 с короткозамкнутым ротором, соединённую с ветротурбиной 2. Машина подключена к шинам 3 потребителей 4 с помощью автоматического выключателя 5. Установка имеет датчик 6 частоты вращения и систему 7 автоматического регулирования угла поворота лопастей ветротурбины. Это необходимо для стабилизации частоты вращения вала ветротурбины. В устройство входит также дизель-генераторная установка (ДГУ), содержащая синхронную электрическую машину 8 с инерционным маховиком 9 на валу. Машина 8 соединена с поршневым двигателем внутреннего сгорания 10 с помощью управляемой разобщительной муфты 11 и с помощью автоматического выключателя 12 подключена к шинам 3. Двигатель внутреннего сгорания 10 и разобщительная муфта 11 имеют реле 13 пуска и отключения. Реле 14 частоты подключено к шинам 3 потребителей. Датчик 15 величины активной мощности нагрузки установлен между шинами 3 и потребителями 4, а между шинами 3 и синхронной машиной 8 подключён датчик 16. Выходы датчиков 15 и 16 подключены к первому и второму входам компаратора 17, выход которого непосредственно, а выход реле 14 частоты через таймер 18 подключены к входам реле 13 пуска двигателя внутреннего сгорания и включения разобщительной муфты. Подключение осуществлено по схеме «ИЛИ». Кроме того, выход компаратора 17 подключён также ко входу
Рис. 1 - Структурная схема ветродизельэлектрической установки
автоматического выключателя 5 отключения и включения асинхронной машины.
Установка работает следующим образом. При пуске ветроустановки включается разобщительная муфта 11, запускается ДВС и синхронная машина, вышедшая на номинальную частоту вращения, выключателем 12 подключается к шинам 3. Выключателем 5 подаётся напряжение на асинхронную машину 1, и она в режиме двигателя раскручивается до номинальной частоты вращения. Благодаря значительному запасу кинетической энергии в инерционном маховике 9, облегчаются условия запуска ветроустановки. Если скорость ветра достаточна для электропитания потребителей, отключается разобщительная муфта 11 и останавливается ДВС 10. При этом синхронная машина, потребляя активную мощность от ветроустановки, которая необходима для покрытия потерь в системе «синхронная машина — маховик», вырабатывает реактивную мощность для создания магнитного потока в асинхронной машине. Маховик облегчает стабилизацию в переходных режимах частоты тока и активной мощности на шинах 3.
Если при уменьшении скорости ветра вырабатываемая ветроустановкой активная мощность становится меньше потребляемой с шин мощности, частота тока становится меньше допустимой. Реле 14 частоты формирует сигнал на запуск ДВС и включения разобщительной муфты, который через таймер 18 с выдержкой времени подаётся на исполнительное реле 13. После запуска ДВС синхронный генератор наряду с реактивной мощностью отдаёт в сеть и недостающую активную. При резком уменьшении скорости ветра асинхронная машина переходит в режим двигателя. В этом случае с выхода компаратора 17 поступает сигнал на выключатель 5 и электродвигатель отключается. Питание потребителей происходит только за счёт дизель-генераторной установки.
Таким образом, рассмотренная ветродизель-электрическая установка обладает повышенной технико-экономической эффективностью. Но ей присущи и некоторые недостатки: во-первых,
сложность переключения энергии с ВЭУ на дизель-генератор, во-вторых, это наличие двух генераторов, что в итоге удорожает систему. В этой связи представляет интерес конструктивная схема гибридной ветроэнергетической установки с синхронным генератором, привод которого осуществляется одновременно и от ветротурбины и от двигателя внутреннего сгорания (преимущественно от дизеля).
Результаты и обсуждение. С учётом проведённых анализа и оценки достоинств и недостатков ветродизельэлектрической установки с отдельными ветро- и дизель-генераторами, работающими на общие шины, а также на базе результатов проведённых ранее исследований [4 - 9] нами разработана гибридная ветроэнергетическая установка [10], на вал генератора которой нагружены одновременно и ветротур-бина и дизель.
Структурная схема установки изображена на рисунке 2.
Тепловой двигатель 1 при слабом ветре или в штиль приводит во вращение генератор 5, полностью покрывая мощность потерь в генераторе и мощность потребителей электрической энергии с независимым графиком нагрузки. Автоматическим устройством 11 при слабом ветре потребители с регулируемым графиком нагрузки отключены. Частота вращения пг генератора в данном случае равна частоте вращения пд вала двигателя. Следовательно, частота вырабатываемого синхронным генератором тока поддерживается на заданном уровне регулятором 2 частоты вращения теплового двигателя. При слабом ветре частота вращения пт вала ветротурбины 8 чрезвычайно мала. Оптимизатор загрузки ветротурбины 10 стремится обеспечить частоту вращения пв на выходе вариатора, равную частоте вращения пг вала генератора. При этом он устанавливает максимально возможное для его технических данных передаточное отношение:
'max _ пв / пт. (1)
Но и в этом случае выходной вал вариатора вращается медленнее вала генератора. Поэтому в соответствии с принципом действия обгонной
с регулируемым с независимым
графиком нагрузки Фафик°м нагрузки
Рис. 2 - Структурная схема гибридной ветродизельэнергетической установки:
1 - тепловой двигатель; 2 - система автоматической стабилизации частоты; 3 - разобщительная муфта; 4 -маховик; 5 - синхронный генератор; 6 - обгонная муфта; 7 - вариатор; 8 - ветротурбина; 9 - ограничитель мощности ветротурбины; 10 - оптимизатор загрузки ветротурбины; 11 - автоматическое устройство
муфты 5 валы рассоединены, и ветротурбина вращается без нагрузки на частоте идеального (для данной скорости ветра) холостого хода.
По мере увеличения скорости ветра V пропорционально увеличивается и частота вращения вала ветротурбины:
пт.хх = КхУ, (2)
где ¿хх - коэффициент пропорциональности.
И когда она станет равной пг//тах, частоты вращения выходного вала вариатора и генератора сравняются, и обгонная муфта соединит эти валы. При дальнейшем увеличении скорости ветра, так как вал ветротурбины соединён теперь с валом генератора, рабочая частота вращения ветротурбины практически не увеличивается и становится меньше увеличивающейся частоты вращения холостого хода. При этом коэффициент использования ветротурбиной мощности ветрового потока становится больше нуля. Энергия ветротурбины начнёт передаваться на вал генератора, что приведёт к незначительному (в пределах статической характеристики стабилизатора частоты вращения теплового двигателя) увеличению частоты вращения всех валов устройства. В результате стабилизатор частоты вращения теплового двигателя снизит подачу топлива. Мощность теплового двигателя уменьшится ровно настолько, насколько увеличилась передаваемая на вал генератора мощность ветротурбины.
Увеличение коэффициента использования энергии ветра с увеличением его скорости будет происходить до тех пор, пока он не достигнет своего максимального значения. Для большинства типов ветротурбин это происходит в момент, когда частота холостого хода птхх ветротурбины, пропорциональная скорости ветра, превысит примерно в 2 раза рабочую частоту вращения пт. Для этого момента частота вращения турбины будет оптимальной по критерию максимума коэффициента использования энергии ветра:
пт.опт = 0,5пт.хх. (3)
С учётом выражения (2) получим:
"т.опт = 0,5 кххУ, (4)
откуда следует, что соотношение
Пт.опт / V = 0,5-£хх - (5)
постоянная для каждой конкретной ветротурбины величина.
Таким образом, для того чтобы ветротурбина работала при всех скоростях ветра в оптимальном режиме с максимальным коэффициентом использования энергии ветра, оптимизатор загрузки ветротурбины 9 должен поддерживать оптимальное соотношение скорости ветра и частоты вращения ветротурбины, равное 0,5-^хх. Отсюда следует, что при изменяющейся скорости ветра должна изменяться, оставаясь оптимальной, и частота вращения ветротурбины.
Для этого, как только скорость ветра несколько превысит величину, при которой коэффициент использования энергии ветра имеет максимальное значение, оптимизатор загрузки должен уменьшить передаточное отношение вариатора ровно настолько, чтобы соотношение скорости ветра и частоты вращения ветротурбины осталось на оптимальном уровне. Поэтому при дальнейшем увеличении скорости ветра ветротурбина будет работать в оптимальном режиме с максимальным использованием энергии ветра.
И как только мощность ветротурбины станет равной, а при дальнейшем увеличении скорости ветра и больше мощности потребителей со свободным графиком нагрузки, тепловой двигатель полностью сбросит нагрузку и перейдёт в режим холостого хода. В дальнейшем он будет оставаться в режиме «горячего» резерва. Излишняя же мощность ветротурбины будет сбрасываться на потребители с регулируемым графиком нагрузки или балластные резисторы. Подключением этих потребителей будет управлять автоматическое устройство 11, обеспечивая постоянство частоты вращения генератора и, следовательно, частоты вырабатываемого им тока.
Тепловой двигатель при устойчивом ветре, при котором мощность ветротурбины достаточна для покрытия мощности потребителей, может быть остановлен. Рассоединение валов двигателя и генератора при этом осуществляется управляемой разобщительной муфтой 3. В качестве такой муфты может быть использована и обычная обгонная муфта. Если же скорость ветра превысит расчётную для данного агрегата величину с тем, чтобы исключить перегрев генератора, ветротурбина должна иметь систему ограничения мощности. Она может быть реализована путём воздействия на воздушные тормоза, на поворот по отношению к направлению ветра плоскости лопастей или плоскости ветроколеса. Маховик 3 установлен на валу генератора для стабилизации частоты вращения его вала при резких изменениях нагрузки.
Кинематически соединение валов ветротур-бины, генератора и ДВС осуществить наиболее просто в случае размещения указанных силовых элементов гибридной ветродизельэнергетической установки на головке ветроагрегата. Однако такая компоновка допустима только при сравнительно малой (до 1.. .3 кВт) мощности ВЭУ. Для средних мощностей целесообразно размещение генератора и теплового двигателя на нулевом уровне с использованием для соединения ветротурбины и генератора вертикального трансмиссионного вала [9].
Вывод. Разработанная ветроэнергетическая установка способна обеспечивать надёжное электроснабжение потребителей при колебаниях нагрузки и скорости ветра. Это особенно важно
в районах с относительно малыми и неустойчивыми скоростями ветра, которые наблюдаются на большей территории РФ. По сравнению с существующими ветродизельэлектрическими установками она при максимальном использовании энергии ветра имеет минимальную величину установленной мощности силового оборудования.
Список источников
1. Оптимизация степени загрузки ветроагрегата при различных скоростях ветра / В.Г. Петько, И.А. Рахим-жанова, В.В. Пугачёв и др. // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2014. № 4 (48). С. 76 - 79.
2. А.С. SU № 1813918 F1 Ветродизельэлектри-ческая установка / Довганюк И.Я., Пиковский А.В., Плотникова Т.В. и др.; заявит.: Всесоюзный научно-исследовательский институт электроэнергетики; опубл. 07.05.1993. Бюл. № 17
3. Патент RU 2139444 С1 Автономная ветродизель-электрическая установка / Левин Г.Х., Виксман А.С., Радченко В.А., Аксельрод М.Л., Агафонов А.Н., Журавлёв
A.А., Толмачёв В.Н., Сайданов В.О., Пребен Маэгард (РК), Нильс Вильсбель (РК); патентооблад: Открытое акционерное общество «Звезда» (ДЦ). Опубл. 10.10.1999.
4. Петько В.Г., Рахимжанова И.А., Шахов В.А. Аппроксимация зависимости коэффициента использования энергии ветра от быстроходности ветротурбины ветроагрегатов сельскохозяйственного назначения // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2016. № 6 (62). С. 77 - 80.
5. Петько В.Г., Рахимжанова И.А. Переходные процессы при подключении ветроэнергетической установки сельскохозяйственного назначения к электрической сети несоизмеримо большей мощности назначения // Известия Оренбургского государственного аграрного университета.
2017. № 5 (67). С. 126 - 129.
6. Петько В.Г., Рахимжанова И.А. Оценка энергетического потенциала воздушного потока // Известия Оренбургского государственного аграрного университета.
2018. № 4 (72). С. 227 - 231.
7. Петько В.Г, Рахимжанова И.А., Фомин М.Б. Методика определения установленной мощности генератора и передаточного отношения редуктора для ветроагрегата // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2018. № 6 (74). С. 134 - 139.
8. Петько В.Г, Христиановская М.А., Кузьмин А.В. Приобъектный ветроэлектрический агрегат // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2020. № 6 (86). С. 156 - 160.
9. Автономная ветроэнергетическая установка /
B.Г. Петько, И.А. Рахимжанова, М.Б. Фомин и др. // Известия Оренбургского государственного аграрного
университета. 2021. № 3 (89). С. 181 - 186. https://doi. org/10.37670/2073-0853-2021-89-3-181-186.
10. Патент RU № 2430268 С1 Гибридная ветроэнергетическая установка / Петько В.Г., Пугачёв В.В., Маловский Н.А., Патлахов А.М., Старожуков А.М., Колесников А.Б., Петров А.С.; патентооблад. ФГБОУ ВПО «Оренбургский государственный аграрный университет»; опубл. 27.09.2011. Бюл. № 27.
References
1. Optimization of the wind aggregate loading at different wind speeds / V.G. Petko, I.A. Rakhimzhanova, V.V. Pugachev et al. Izvestia Orenburg State Agrarian University. 2014; 48(4): 76-79.
2. A.S. SU No. 1813918 F1 Wind-diesel-electric installation / Dovganyuk I.Ya., Pikovsky A.V., Plotnikova T.V. and etc.; Applicant: All-Union Research Institute of Electric Power Industry; publ. 05/07/1993. Bull. No. 17.
3. Patent RU 2139444 C1 Autonomous wind-diesel electric installation / Levin G.Kh., Viksman A.S., Radchenko V.A., Akselrod M.L., Agafonov A.N., Zhuravlev A.A., Tolmachev V.N., Saidanov V.O., Preben Maegard (DK), Nils Wilsbel (DK); patent holder: Zvezda Open Joint Stock Company (RU). Published 10/10/1999.
4. Petko V.G., Rakhimzhanova I.A., Shakhov V.A. Approximation of dependence of the wind energy utilization rate on the rapidity of wind turbines of farm wind aggregates. Izvestia Orenburg State Agrarian University. 2016; 62(6): 77-80.
5. Petko V.G., Rakhimzhanova I.A. Transitional processes taking place when connecting the farm wind-power installation to an electric network of incommensurably higher power. Izvestia Orenburg State Agrarian University. 2017; 67(5): 126-129.
6. Petko V.G., Rakhimzhanova I.A. Evaluation of energy potential of air flow. Izvestia Orenburg State Agrarian University. 2018; 72(4): 227-231.
7. Petko V.G., Rakhimzhanova I.A., Fomin M.B. Methods of determining the fixed generator power and the transmission gear ratio of the wind-aggregate. Izvestia Orenburg State Agrarian University. 2018; 74(6): 134-139.
8. Petko V.G., Khristianovskaya M.A., Kuzmin A.V. Onsite wind power unit. Izvestia Orenburg State Agrarian University. 2020; 86(6): 156-160.
9. Autonomous wind power plant / V.G. Petko, I.A. Ra-khimzhanova, M.B. Fomin et al. Izvestia Orenburg State Agrarian University. 2021; 89(3): 181-1186. https://doi. org/10.37670/2073-0853-2021-89-3-181-186.
10. Patent RU No. 2430268 С1 Hybrid wind power plant / Petko V.G., Pugachev V.V., Malovsky N.A., Patlakhov A.M., Starozhukov A.M., Kolesnikov A.B., Petrov A.; patented Orenburg State Agrarian University; publ. 09/27/2011. Bull. No. 27.
Виктор Гаврилович Петько, доктор технических наук, профессор, vgpetko@mail.ru, https://orcid.org/0000-0002-8214-8732
Ильмира Агзамовна Рахимжанова, доктор сельскохозяйственных наук, профессор, ahmetova_i@mail.ru, https://orcid.org/0000-0002-7771-7291
Максим Борисович Фомин, кандидат технических наук, доцент, mbfom@mail.ru, orcid.org/0000-0002-1190-7842
Александр Борисович Колесников, инженер, kolesnikov.temz@gmail.com, https://orcid.org/0000-0001-8248-1183
Александр Сергеевич Садчиков, инженер, sadchikov.temz@gmail.com, https://orcid.org/0000-0003-3818-0767
Ирина Валерьевна Колесникова, кандидат философских наук, доцент, ivk777@bk.ru, https://orcid.org/0000-0001-6341-2254
Victor G. Petko, Doctor of Technical Sciences, Professor, vgpetko@mail.ru, https://orcid.org/0000-0002-8214-8732
Ilmira A. Rakhimzhanova, Doctor of Agricultural Sciences, Professor, ahmetova_i@mail.ru, https://orcid.org/0000-0002-7771-7291
Maxim B. Fomin, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, mbfom@mail.ru, orcid.org/0000-0002-1190-7842
Alexander B. Kolesnikov, engineer, kolesnikov.temz@gmail.com, https://orcid.org/0000-0001-8248-1183
Alexander S. Sadchikov, engineer, sadchikov.temz@gmail.com, https://orcid.org/0000-0003-3818-0767
Irina V. Kolesnikova, Candidate of Philosophical Sciences, Associate Professor, ivk777@bk.ru, https://orcid.org/0000-0001-6341-2254
Вклад авторов: все авторы сделали эквивалентный вклад в подготовку публикации. Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
Contribution of the authors: the authors contributed equally to this article. The authors declare no conflicts of interests.
Статья поступила в редакцию 17.01.2022; одобрена после рецензирования 27.01.2022; принята к публикации 27.01.2022.
The article was submitted 17.01.2022; approved after reviewing 27.01.2022; accepted for publication 27.01.2022. -♦-
