CC BY
115
УДК 62-83-52
А.Б. Васенин, инженер, (831) 220-33-56, а1ехБЬоЬ@шаП.ги,
О.В. Крюков, канд. техн. наук, доц., гл. специалист, (831) 428-25-84,
o.kryukov@ggc.nnov.ru (Россия, Н. Новгород, ОАО «Гипрогазцентр»)
ПРОЕКТИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОЙ ЧАСТИ И СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК ГАЗОТРАНСПОРТНЫХ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ
Рассмотрены особенности построения автономных источников электроэнергии для линейных потребителей магистральных газопроводов. Предложены комбинированные схемы альтернативных генераторных комплексов с использованием традиционных и возобновляемых источников на базе ветроэнергетическихустановок.
Ключевые слова: автономные системы электроснабжения, линейные потребители магистральных газопроводов, ветроэнергетические установки, синхронный генератор, САР напряжения.
В настоящее время доля возобновляемых источников энергии в России составляет 0,6...0,8 % объема внутреннего энергопотребления, а в промышленно развитых странах достигает 5.30 % [1]. В то же время годовой ветроэнергетический потенциал России при скорости ветра 5.7 м/с в 2000 раз превышает ее сегодняшний объем производства [2]. Как правило, это те районы, где трудно решаются вопросы энергоснабжения: Крайний Север, побережья Северного Ледовитого и Тихого океанов, отдаленные сельские районы и т.д. Эти регионы характеризуются низкой плотностью энергетической нагрузки, большим количеством мелких и распределенных потребителей (включая объекты газодобычи и транспорта газа) [3], подключение которых к центральным сетям нерентабельно. Здесь целесообразно применение автономных ветроэнергетических установок (ВЭУ), которые позволяют сэкономить углеводородное топливо и улучшить экологическую обстановку. Одна ВЭУ мощностью 20 кВт экономит 6 т топлива при потребности их по стране до 50 тыс. шт. в год.
Перечисленные факторы играют решающую роль при принятии решений о развитии альтернативных источников электроэнергии систем электроснабжения вдоль трассовых потребителей магистральных газопроводов. Кроме того, фактором, играющим в пользу развития генерирующих мощностей на базе альтернативных источников, является ожидаемое повышение цен на природный газ. В этих условиях экономическая целесообразность использования природного газа в качестве топлива существенно снижается даже для газотранспортных предприятий.
В условиях разнообразия климатических особенностей территории России и в соответствии с разработанными отраслевыми техническими тре-
бованиями к автономным генераторным комплексам приоритетными являются следующие типы генерирующих установок: микротурбинные, паротурбогенераторные, ветроэнергетические, турбодетандерные, каталитические, на топливных и солнечных элементах, поршневые электростанции и др. Каждый из вышеперечисленных типов обладает достоинствами и недостатками, которые необходимо учитывать для реализации возможности использования этих источников в составе систем электроснабжения. Более предпочтительными, исходя из отечественного и мирового опыта разработок автономных систем электроснабжения, является использование ветроэнергетических установок с вариантами комбинированных схем с другими традиционными энергоисточниками.
Среди причин, препятствующих широкому внедрению ВЭУ в России, в том числе и в газовой промышленности, можно назвать следующие:
1. Отсутствие промышленных технологий серийного выпуска качественного оборудования (лопастей, мачт, преобразовательной техники, генераторов).
2. Отсутствие обученного персонала по наладке и эксплуатации
ВЭУ.
3. Отсутствие нормативно-правовой базы, позволяющей стимулировать внедрение ВЭУ.
Однако главными препятствиями для использования ВЭУ в газовой промышленности являются высокие требования, предъявляемые к надежности и энергоэффективности систем электроснабжения технологических объектов, которые могут быть обеспечены только с использованием автоматизированных систем регулирования выходными параметрами ВЭУ, а также правильно рассчитанными параметрами проектов и синтезированными алгоритмами работы каждой компоненты структуры ВЭУ.
Источники электроэнергии на основе ВЭУ не обеспечивают стабильно электроэнергией, так как зависят от природных факторов, носящих стохастический характер. Тем не менее, надежность и энергоэффективность при использовании энергии ветра можно обеспечить с помощью комбинированных схем электроснабжения, где наряду с ВЭУ работает традиционный источник энергии, представленный традиционными системами от высоковольтной линии электропередач, либо электростанцией на органическом топливе (чаще всего микротурбиной, дизель-генератором или газотурбогенераторами). Доля участия ВЭУ в таких системах может достигать 50.60 %, что позволяет экономить «топливные» ресурсы и обеспечивать требуемую категорию надежности электроснабжения. Повышение энергоэффективности комбинированных систем на базе ВЭУ может быть достигнуто за счет создания новых типов ветродвигателей с использованием современных конструкционных материалов и/или путем
разработки новых автоматизированных систем преобразования механической энергии в электрическую с использованием современной преобразовательной техники. Последнее может быть реализовано различными схемотехническими и алгоритмическими методами с различными типами структур гибридных ВЭУ.
Актуальными являются обоснование и выбор объектов газовой промышленности, для которых возможно применение гибридных ВЭУ или замена ныне используемых. Уже сейчас целесообразно применение комбинированных ВЭУ малой мощности для линейных объектов магистральных газопроводов, расположенных вдоль трассы. Основными линейными потребителями электроэнергии являются газоизмерительные станции, установки катодной защиты, дренажной защиты, контрольные пункты телемеханики, УКВ-радиостанции, радиорелейные станции, которые по надежности электроснабжения относятся к 1-11 категориям.
Работа электромеханической части ВЭУ характеризуется рядом специфических особенностей, наиболее существенные из которых [4]:
- широкий диапазон изменения частоты вращения вала и величины нагрузки из-за стохастического характера ветровой энергии и метеорологических условий, вплоть до критических значений;
- сложности регламентных работ и текущего технического обслуживания генератора на мачте ВЭУ;
- жесткие требования минимума массогабаритных показателей;
- преобладание динамических режимов работы генератора из-за непостоянного и порывистого воздействия ветрового потока, приводящего к вибрации (ВЧ-составляющая) и колебаний скорости (НЧ-составляющая);
- вопросы совместимости работы генератора с ветроколесом и редуктором, а также с преобразователями и накопителями электроэнергии;
- наличие широкого спектра возможных потребителей электроэнергии с различными требованиями качества напряжения и частоты, значительное колебание нагрузки при реальных условиях работы.
В состав ВЭУ входят ветродвигатель, преобразующий энергию ветра в механическую мощность агрегата; генератор, вырабатывающий электроэнергию стандартных параметров; накопители энергии и система регулируемого балласта; силовой преобразователь частоты (ПЧ), обеспечивающий стабилизацию напряжения и частоты на заданном уровне и бесперебойное питание потребителей электроэнергией; совокупность инженерно-технических сооружений для надёжной эксплуатации ВЭУ и высокий КПД генерирования электроэнергии.
В ВЭУ находят применение синхронные генераторы традиционного исполнения с электромагнитным возбуждением или с постоянными магнитами в роторе; общепромышленные асинхронные генераторы с коротко-
замкнутым или фазным ротором; генераторы постоянного тока и специальные генераторы, совмещенные с ветроколесом.
Синхронные генераторы используются, как правило, на высокую расчетную мощность ВЭУ, поскольку надёжны по конструкции, имеют высокий КПД, вырабатывают стабильное напряжение (в меньшей степени зависят от колебаний входного момента) и имеют возможность оптимизировать выходную мощность в функции скорости вала и времени за счет тока возбуждения. Среди недостатков можно отметить склонность к автоколебаниям в определенном диапазоне частот при параллельной работе и относительно высокую стоимость. Синхронные генераторы с постоянными магнитами в значительной степени снимают эти недостатки, но у них невозможно регулирование тока возбуждения. В настоящее время разрабатывается серия генераторов СГВ с частотой вращения юном=1500 об/мин на шкалу мощностей 1, 2, 4, 8, 16, 30 кВт [4]. Этот генератор представляет собой бесконтактную синхронную машину с когтеобразным ротором и внешним магнитопроводом.
Одним из важнейших технико-экономических и эксплуатационных показателей ВЭУ является внешняя характеристика генератора, представляющая зависимость выходного напряжения от тока нагрузки при постоянстве частоты вращения вала, тока возбуждения и коэффициента мощности нагрузки. Для стабилизации напряжения на выходе ВЭУ необходимо регулировать ток возбуждения генератора или параметры ПЧ в функции перечисленных выше факторов. Экспериментальные данные внешних и регулировочных характеристик показали, что при колебаниях нагрузки резко возрастают и колебания выходного напряжения.
Асинхронные генераторы отличаются от синхронных простотой и надежностью конструкции, а также низкой стоимостью. Однако для генератора с короткозамкнутым ротором для стабилизации выходного напряжения должны оснащаться ПЧ на полную мощность генерируемой электроэнергии. Для асинхронного генератора с фазным ротором из-за наличия дополнительного канала регулирования в роторе появляется возможность уменьшить габариты и установленную мощность ПЧ и сделать САР напряжения более надежной. Их рациональная область применения обусловлена диапазоном изменения ветровой нагрузки, а, значит и скорости вращения вала до ±30 % от юНОм.
В качестве САР напряжения наиболее целесообразно использовать регулируемые емкостные источники реактивной мощности (батареи конденсаторов с коммутаторами). САР частоты выполняется с помощью секционирования активно-балластной нагрузки с законом регулирования в функции стабилизации соотношения активной и реактивной мощностей.
При любом варианте электромеханической части ВЭУ необходимо регулировать активную и реактивную мощности на выходе.
В разработанной ВЭУ предусмотрены 3 группы потребителей:
- нагрузка 1-й категории (жизненно важные потребители) - аварийное освещение и теплоснабжение;
- нагрузка 2-й категории (штатное электроснабжение) - штатное освещение и теплоснабжение;
- нагрузка 3-й категории (полное электроснабжение) - подключение всех потребителей, включая двигательную нагрузку и бытовые приемники с электроникой.
Возможность работы в каждом режиме контролируется блоком разгрузки генератора ВЭУ, который по значениям мощности ветрового потока (момента и скорости вращения) и мощности нагрузки (напряжения, тока и соБф) обеспечивает стабильность параметров в каждом режиме.
Применение ПЧ в ВЭУ обеспечивает универсальность агрегатов, упрощение механической части, высокий КПД и качество вырабатываемой электроэнергии. Разработанные законы оптимального управления работой ВЭУ в статических и динамических режимах позволяют алгоритмически решать задачи энергоэффективной работы для газотранспортных объектов.
Список литературы
1. Дьяков А.Ф., Перминов Э.М., Шакарян Ю.Г. Ветроэнергетика России. М.: МЭИ, 1996. 220 с.
2. Бежан А.В. Перспективы развития мировой ветроэнергетики: прогноз до 2030 года// Промышленная энергетика. 2007. №11. С.45-48.
3. Кулаков А.В. «Новый ветер» в локальной энергетике// Energy Fresh. 2010. №2. С. 24-27.
4. Крюков О.В., Титов В.В. Разработка АСУ ветроэнергетическими установками // Автоматизация в промышленности. 2009. №4. С. 35-37.
A.B. Vasenin, O.V. Kryukov
DESIGNING OF THE ELECTROMECHANICAL PART AND CONTROL SYSTEMS OF WIND TURBINES OF GAS-TRANSPORT CONSUMERS
Features of construction of independent sources of the electric power for linear consumers of the main gas pipelines are considered. The combined schemes of alternative generating complexes with use of traditional and renewed sources on base of wind turbines are offered.
Key words: independent systems of an electrical supply, linear consumers of the main gas pipelines, wind turbines, the synchronous generator, automatic voltage regulation.
Получено 03.10.11
