CC BY
205
УДК 621.313
И.М. Павленко, С.Ф. Степанов
ОСОБЕННОСТИ ЭЛЕКТРОГЕНЕРИРУЮЩИХ СИСТЕМ ВЕТРОЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ
Рассмотрены проблемы преобразования механической энергии ветроколе-са в электрическую. Приведены основные типы генераторов ветроэлектро-станций, работающих с переменной частотой вращения ветроколеса. Рассмотрены особенности тихоходных синхронных генераторов с возбуждением от высококоэрцитивных постоянных магнитов.
Ветроэлектростанция, скорость ветра, генератор, мощность, напряжение
I.M. Pavlenko, S.F. Stepanov
FEATURE OF ELECTRICAL GENERATION SYSTEM FOR WIND POWER
STATIONS
The paper considers the problem of converting mechanical energy of wind wheel into electrical energy. The main types of wind power generators, working with variable speed of wind wheel are considered. The features of low-speed synchronous generator with excitation from permanent magnets are considered.
Wind power plant, wind speed, generator, power, voltage
Ветер является возобновляемым и неисчерпаемым источником энергии. В сравнении с другими источниками он является одним из самых используемых в настоящее время. С ростом доли возобновляемых источников энергии важное значение приобретает качество энергии, которую они поставляют в сеть [3]. Эта проблема особенно актуальна для ветровых генераторов, поскольку скорость ветрового потока является очень нестабильной величиной, а следовательно, при отсутствии качественного регулирования нестабильными будут выходное напряжение, его частота и в конечном итоге мощность ветрогенератора.
Для того, чтобы оценить степень влияния скорости ветра на выходную мощность вет-рогенератора, достаточно привести формулу мощности, которую ветровой поток отдает вет-роколесу [3]:
P = 0,49• еа,£)• D2 • У
(1)
где Уц - скорость ветра, Б - диаметр ветроколеса, ср - коэффициент мощности ветроколеса, который зависит от быстроходности X и установочного угла Ь между плоскостью вращения ветроколеса и хордой крыла. В формуле (1) скорость ветра участвует в кубе, поэтому небольшие изменения скорости ветра будут приводить к существенным изменениям мощности ветрогенератора. Для стабилизации выходной мощности ветрогенератора можно использовать большой момент инерции ветроколеса. В этом случае ветроколесо может выступать в роли буфера-накопителя кинетической энергии.
Графики мощностных характеристик ветроэлектростанции в зависимости от скорости ветра имеют вид, представленный на рис. 1, где Уш1п - минимальная или пусковая скорость, Ун - номинальная или расчетная скорость ветра для ВЭС с аэродинамическим регулированием, Утах - максимальная буревая скорость
ветра. Аэродинамическое регулирование обеспечивает ограничение генерируемой мощности и частоты вращения ВЭС при скоростях ветра в диапазоне Ун - Ушах1, однако при этом уменьшается эффективность преобразования энергии ветра в электроэнергию [1]. Использование ВЭС с переменной частотой вращения позволяет максимально использовать энергию ветра
в диапазоне скоростей У
min 2
- У
max 2
и вырабатывать на 20-30 % больше электроэнергии.
Анализ режимов работы распространенных типов ВЭС мощностью 5-30 кВт позволил установить, что диапазон изменения частоты вращения ветродвигателя изменяется в 3 и более раз, а развиваемая им мощность в 30-40 раз [1]. Поэтому электрогенерирующий комплекс ветроэлектростанций должен выполнять функции по стабилизации и регулированию параметров, определяющих качество вырабатываемой электроэнергии. При этом электрические генераторы, применяемые на ветроэлектростанциях, должны удовлетворять определенным
145
Рис. 1. Мощностные характеристики ветроэлектростанции:
1 - с аэродинамическим регулированием,
2 - без аэродинамического регулирования
требованиям, важнейшими из которых являются: высокая надежность в работе при различных условиях эксплуатации, простота обслуживания, заданный срок службы [2].
Основными преобразователями механической энергии ветроколеса в электрическую являются генераторы постоянного тока, синхронные и асинхронные генераторы. Генераторы постоянного тока применимы на малых ВЭС мощностью не более 10 кВт и не требуют поддержания постоянной частоты вращения ветроколеса. Генераторы постоянного тока малой мощности, генерирующие постоянный ток напряжением 110 - 230 В, имеют КПД 0,79 - 0,87 при удельной массе 11 - 19 кг/кВт [2]. Основное достоинство этих генераторов - простота и гибкость регулирования напряжения, а главный недостаток - наличие щеточно-коллекторного узла, понижающего надежность работы генератора.
В современных ВЭС преобразование энергии ветра осуществляется в основном в системах с генерированием переменного тока. Применение асинхронных генераторов (АГ) в автономных ВЭС перспективно из-за простоты конструкции, высокой надежности в эксплуатации, достаточно простых схем включения на параллельную работу с сетью и другими источниками электроэнергии. Обычно асинхронные генераторы применяются в сетевых ВЭС мощностью до 3 МВт, выпускаемых компаниями ABB, Vestas и другими. Однако асинхронный генератор может работать и автономно, если подавать в обмотку статора реактивную мощность, например, от батареи конденсаторов. В этом случае к выходу АГ, приводимого во вращение ветродвигателем, параллельно нагрузке в каждую фазу подключают конденса-тор.[2] Недостатком ВЭС с асинхронным генератором является то, что при одном и том же ветровом режиме она вырабатывает меньше энергии, чем ВЭС с синхронным генератором, что связано с меньшим коэффициентом мощности, обусловленным большими токами намагничивания, которые приблизительно пропорциональны квадрату напряжения.
Альтернативой конденсаторному возбуждению асинхронного генератора ВЭУ является вентильное возбуждение. По данным исследований, асинхронный генератор с вентильным возбуждением может устойчиво работать под нагрузкой без присоединения конденсатора. [2] Однако в области малых нагрузок, близких к режиму холостого хода, на отдельных элементах схемы возникают перенапряжения, что приводит к необходимости включения на выходе выпрямителя конденсатора.
В современных ветроустановках получили синхронные генераторы (СГ) с обмоткой возбуждения на роторе, так как они не нуждаются в дополнительном источнике реактивной мощности для создания рабочего потока. Мощность возбуждения не превышает нескольких процентов мощности генератора, а частота генерирующего тока определяется только частотой вращения генератора. Синхронные генераторы обеспечивают генерирование переменного тока частотой 50 Гц и напряжением 220-380 В. Удельные массы этого типа генераторов мощностью до и выше 30 кВт составляют соответственно 11-20 и 7-12 кг/кВт, а КПД - 0,720,88 и 0,88-0,92. Недостатки СГ - невысокие показатели качества переходных процессов и надежность работы, относительно большие масса и габариты, сложность включения на параллельную работу. В настоящее время на некоторых ВЭС используются СГ традиционной конструкции серии ВЭГ на 2,5, 5, 7,5 и 10 кВт с частотой вращения ротора n=750 об/мин [2].
На ВЭС малой мощности целесообразно применять тихоходные бесконтактные генераторы, которые соединяются с ветроколесом непосредственно (без редуктора). К преимуществам этих генераторов относятся надежность, простота конструкции и обслуживания, удобство эксплуатации, автономность, меньший нагрев. Особенностью этих бесконтактных генераторов является отсутствие подвижных контактов, усложняющих конструкцию и снижающих надежность электрической машины. По имеющимся статистическим данным, щеточный контакт при нормальных условиях работы наряду с изоляцией и подшипниковыми узлами вызывает наибольшее число отказов электрических машин. Так, для коллекторных машин постоянного тока в среднем 25 % отказов происходит из-за выхода из строя щеточно-коллекторного узла. [2] Помимо этого, щеточный контакт создает дополнительные механи-
ческие и электрические потери, загрязняет внутренние полости машины графитовой пылью, снижающей электрическую прочность изоляции, значительно сокращает срок службы генератора. Перспективными бесконтактными источниками энергии являются СГ с вращающимися выпрямителями, СГ с постоянными магнитами, СГ с когтеобразными полюсами, индукторные генераторы, асинхронные генераторы с конденсаторным возбуждением и вентильные генераторы.
В большинстве современных конструкций ВЭС применяются синхронные генераторы с возбуждением от высококоэрцитивных постоянных магнитов, безобмоточная конструкция ротора которых более проста в изготовлении.
Увеличение числа полюсов СГ приводит к необходимости увеличения внутреннего диаметра расточки статора, что увеличивает момент инерции ротора и обеспечивает демпфирование динамических колебаний, связанных с порывами ветра. Особый интерес среди генераторов данного типа представляют машины с беспазовой обмоткой на статоре, не содержащем ферромагнитных материалов. В связи с отсутствием переменной составляющей поля в ферромагнитных частях двигателя потери в стали практически отсутствуют.
Особенностью синхронных генераторов на постоянных магнитах является зависимость мощности и выходного напряжения от частоты вращения ротора и нагрузки генератора. Мощность генератора на постоянных магнитах [1] определяется по формуле
P = f
(1+ß)f с:и:(1 ;, (2)
f 0,74 +¿(1 - f и*) - (i -a) (ß + f 1,5)a
где f - частота тока статора, a, ß,S - коэффициенты, величина которых находится в диапазоне« = 0,45...0,25, ß = 0,5...0,35 , S = 0,4...0,15 .
Синхронные генераторы на постоянных магнитах обладают рядом недостатков, наиболее существенными из которых являются сложность регулирования и стабилизации напряжения. Устранение этого недостатка осуществляется с помощью преобразователя частоты со звеном постоянного тока, который особенно удобен для подключения аккумуляторных батарей.
ЛИТЕРАТУРА
1. Лукутин Б.В. Возобновляемая энергетика в децентрализованном электроснабжении: монография / Б.В. Лукутин, О.А. Суржикова, Е.Б. Шандарова. - М.: Энергоатомиздат, 2008. - 231 с.
2. Электрические генераторы для ветроэлектростанций: состояние и перспективы развития / И.М. Павленко и др. // Инновационные технологии в обучении и производстве: материалы VII Всерос. науч.-практ. конф. - Камышин, 2010. - Т.4. - С. 77-80.
3. Franquesa M. Kleine Windräder: Berechnung und Konstruktion / M. Franquesa. - Weisbaden Berlin: Udo Pfriemer Buchverlag in der Bauverlag, 1989. - 175 s.
Павленко Ирина Михайловна -
ассистент кафедры «Электроснабжение промышленных предприятий» Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А.
Irina M. Pavlenko -
Assistant
Department of Power Supply of Industrial Enterprises,
Gagarin Saratov State Technical University
Степанов Сергей Федорович -
доктор технических наук, профессор кафедры «Электроснабжение промышленных предприятий» Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А.
Sergey F. Stepanov -
Dr. Sc., Professor
Department of Power Supply of Industrial Enterprises,
Gagarin Saratov State Technical University
Статья поступила в редакцию 16.05.12, принята к опубликованию 15.05.12
147
