CC BY
62
Zatsepin Evgeniy Petrovich, candidate of technical science, docent, kaf-eoastu. lipetsk. ru, Russia, Lipetsk, Lipetsk State Technical University
УДК 621.313
СТРУКТУРНЫЕ СХЕМЫ ЭНЕРГОКОМПЛЕКСОВ НА БАЗЕ ВЕТРОГЕНЕРАТОРНЫХ УСТАНОВОК
С.В. Ершов, Г.А.Аббазов
Проанализированы основные крупные направления развития современной ветроэнергетики: применение отдельных ветроэлектрических установок (ВЭУ) малой мощности, предназначенных для обеспечения автономного электроснабжения изолированных объектов и объектов, которые значительно удалены от электрических сетей; внедрение крупные энергокомплексов на базе ветропарков (ВП) на основе ВЭУме-гаваттного класса, подсоединенные к объединённым энергосистемам.
Ключевые слова: автономные источники электроэнергии, ветроэнергетические установки, ветропарки, автономные потребители электроэнергии.
Принцип преобразования энергии ветра в механическую энергию в современных мощных ВЭУ основан на вращении трёхлопастных горизонтально-осевых ветродвигателей, которые имеют относительно высокий коэффициент использования энергии ветра. Кроме этого, в них предусмотрена возможность регулирования крутящего момента посредством изменения углов установки лопастей.
Из характерных особенностей крупных ВЭУ является можно выделить применение механической трансмиссии, повышающей до требуемой величины частоту вращения приводного вала. Такое решение дает возможность использовать в установках стандартные электрогенераторы. Применение стандартных агрегатов снижает затраты на выработку киловатт-часа электроэнергии. Низкооборотные генераторы особой конструкции для ВЭУ серийно производятся одной лишь компанией «Энеркон» [2].
Другой отличительной особенностью современных мощных ВЭУ является использование в большинстве установок (более 80 %) асинхронных генераторов, имеющих короткозамкнутый ротор. Несмотря на невысокие энергетические показатели, факторами, влияющими на выбор подобного решения, являются более высокая надёжность асинхронных машин, а также меньшие затраты на выработку единицы электрической энергии. Что объясняется их меньшей стоимостью. Синхронные генераторы, включаемые в сеть и не имеющие промежуточных преобразователей, применяются значительно реже.
Несмотря на относительную простоту и высокую надёжность установки на базе ВЭУ с синхронными генераторами или асинхронными генераторами с КЗ ротором обладают одним существенным недостатком - они способны нормально функционировать только при неизменной частоте вращения главного вала. Во многих случаях эта особенность приводит к недовыработке электроэнергии в переходных режимах в областях от минимальной рабочей скорости ветра до номинальной. Указанное обстоятельство вынудило проектировщиков конструировать ВЭУ на базе:
- асинхронного генератора, с возможностью переключения числа пар полюсов и двухскоростным мультипликатором [4, 5];
- асинхронного генератора, имеющего фазный ротор и возможность регулировать скольжение [3,4];
- асинхронизированного синхронного генератора, у которого обмотка ротора питается от статического преобразователя частоты [35, 36, 45];
В последнее время в конструкциях крупных ВЭУ началось более широкое использование статических преобразователей электрической энергии. В основном силовая электроника применяется при функционировании ВЭУ с переменной частотой вращения главного вала. Особенно в случаях укомплектования асинхронных генераторов с КЗ ротором, или синхронными генераторами, имеющими как электромагнитный, так и магнитоэлектрическое возбуждение.
Структура, характеристики и комплектующие схемы электрических соединений привода ветроустановки могут определяться множеством факторов: величиной единичной мощности, их количеством и их топологией на местности.
Можно утверждать, что энергокомлекс на базе ВЭУ представляет собой локальную электрическую сеть, имеющую обратно направленный поток энергии. С учетом перечисленных выше показателей электрические соединения в пределах энергокомплекса могут быть выполнены по магистральному, радиальному или смешанному принципу. Расположение установок относительно друг друга и расстояния между ними определяются в основном двумя факторами: величиной единичной мощности и формой розы ветров на рассматриваемой территории
При расположении установок в одну линию может применяться магистральная схема. Роза ветров в данном случае будет иметь устойчивую вытянутую форму, с характерными развитыми направлениями. А линия установок в этом случае будет расположена перпендикулярно биссектрисе сектора, который ограничивает эти направления. Расстояния между отдельно взятыми ВЭУ установленными в один ряд в этом случае будут составлять 3-4 диаметра ветротурбины (ВТ), поскольку турбулентные потоки от ВТ не оказывают существенного влияния на работу соседних установок. Диаметры современных трёхлопастных ВТ мегаваттного класса достигают 60...120 м. Таким образом, энергокомплекс на базе ВЭУ, состоящий, например, из 10 установок, расположенный в один ряд, может быть соединен магистральным кабелем протяжённостью от 1800 до 2400 метров.
В настоящее время в составе энергетических комплексов на базе ветроустано-вок наиболее широкое распространение получили ВЭУ с установленными мощностями от 1,5 до 3,5 МВт, имеющие номинальное напряжение на выходе генератора 660-690 В и диаметрами ветровой турбины от 60 до 90 метров.
Можно видеть, что при приведенных мощностях генераторов и указанных выше длинах соединительных кабельных линий энергоэффективная работа коллекторных сетей ВП возможна лишь в том случае, если в них будет применены повышенные рабочие напряжения.
Как правило, современная ВЭУ, входящая в ветроэнергетический комплекс, снабжается собственным повышающим трансформатором. Между собой установки соединяются на стороне среднего напряжения с величиной от 6 до 30 кВ.
Схемы энергокомплексов с небольшой мощностью. Энергокомплексы вет-роустановок с небольшой мощностью, введённые 15-20 лет назад и состоящие из ВЭУ, имеющих единичную мощность от 100 до 250 кВт, проектировались на рабочих генераторных напряжениях. На рис. 1 - 3 приведены варианты радиальных схем ВП на базе ВЭУ с различными типами электрогенераторов.
При отсутствии статических преобразователей и поддержании частоты вращения вала установки при работе стабильной и кратной частоте сети, энергокомплексы на базе ВЭУ с приводом от синхронных генераторов могут иметь несколько вариантов подключения:
- каждый генератор может быть снабжен собственным устройством синхронизации;
- конструкцией предусматриваются устройства автоматической синхронизации, которые предназначаются для синхронизации генераторов между собой в группах, а затем осуществляется синхронизация групп с сетью;
- предусмотренные конструкцией устройства автоматической синхронизации, выполняют функцию синхронизации генераторов между собой в группе, затем происходит синхронизация групп, а синхронизация с сетью осуществляется непосредственно на главной повышающей подстанции.
Рис. 1. Энергокомплекс небольшой мощности на базе ВЭУ, с приводом от синхронных генераторов
Основными недостатками перечисленных схем является частая синхронизация генераторов ВЭУ при подсоединении к сети, а также недовыработка электроэнергии.
Очевидно, что рассмотренный вариант номер один наиболее полно соответствует эксплуатационным требованиям. При его использовании возможно устанавливать минимальное количество синхронизирующих устройств. При такой схеме любой из генераторов может быть подключен к сети независимо от других. Кроме того, при запуске после аварии на одной из подстанций первой ступени синхронизации подвергается только одна из групп генераторов (рис. 1).
Аналогичные схемы подключения могут быть реализованы для ВЭУ, имеющие в основе конструкции двухскоростные асинхронные генераторы, а также асинхронные генераторы с фазным ротором и регулируемым скольжением. Тем не менее такие типы электрических машин чаще находят применение в составе более мощных ВЭУ, в схеме которых предусмотрено использование индивидуальных повышающих трансформаторов.
Радиальные схемы энергокомплексов на базе ветроэнергетических установок средней мощности имеют в схеме собственный повышающий трансформатор и преобразовательное устройство. Они объединяются общими шинами на стороне среднего напряжения (рис.2).
Рис. 2. Радиальная схема соединений энергокомплекса на базе ВЭУ с асинхронными генераторами с КЗ ротором
Наиболее перспективными тенденциями развития мировой ветроэнергетики является ввод в работу крупных оффшорных энергокомплексов, расположенных на континентальных шельфах. Количество ВЭУ в таких энергокомплексах колеблется от
134
10 до 80 единиц. При такой конструкции установки выстраиваются вдоль побережья в 2-4 ряда и связываются между собой и с главной повышающей подстанцией, кабелями, проложенными под водой.
При благоприятной геометрии розы ветров может быть применена схема подключения нескольких установок на один повышающий трансформатор среднего напряжения по сложной схеме (рис. 3).
Рис. 3. Вариант сложно разветвлённой радиальной схемы энергокомлекса
на базе ВУ
Применение установок, имеющих в конструкции различных по принципу действия электрических генераторов, используется в основном при модернизации или расширении действующих энергокомплексов. Во вновь проектируемых энергокомплексах по эксплуатационным соображениям применяются установки одинаковой конструкции и одного типоразмера (рис. 4).
I I
I I
Рис. 4. Магистральная (кольцевая) схема электрических соединений оффшорного энергокомплекса
Таким образом:
- мировая ветроэнергетика имеет устойчивую тенденцию роста единичной мощности ВЭУ и внедрения крупных энергетических комплексов на базе ВЭУ;
- ВЭУ, которые входят в состав энергокомплексов, как правило, снабжаются индивидуальными повышающими трансформаторами, имеющие напряжение на высокой стороне величиной от 6 до 30 кВ, что является причиной значительной территориальной протяжённостью энергетических комплексов на базе ВЭУ;
- топология схемы электрических соединений энергетических комплексов на базе ВЭУ и рабочее напряжение, применяемое в коллекторной сети определяются рядом факторов, основными из которых являются: единичная мощность рабочих ВЭУ, количество ВЭУ в энергокомплексе и роза ветров на рассматриваемой территории;
- наибольшее распространение для энергетических комплексов на базе ВЭУ небольшой мощности получили радиальные схемы питания потребителей, а для энергетических комплексов на базе ВЭУ средней и большой мощности - радиальные, магистральные и смешанные;
- распределительные сети энергетических комплексов на базе ВЭУ выполняются кабельными линиями среднего напряжения;
- намечающаяся тенденция в развитии крупных ВЭУ и энергетических комплексов на базе ВЭУ - это применение установок с регулируемой частотой вращения на базе синхронных генераторов с полным преобразованием вырабатываемой электроэнергии, на основе статических преобразователей частоты.
Список литературы
1. Демирчян К.С., Бутырин П. А. Моделирование и машинный расчет электрических цепей: учебное пособие для электр- и электроэнерг. спец. вузов. М.: Высш. шк., 1988. 335 с.
2. Креймер А.С, Зайцев Е.А. Электрификация удаленных объектов АПК с применением ветроэнергетических установок // Материалы Второй Всероссийской научной молодежной школы «Возобновляемые источники энергии». М., 2000. С. 41-43.
3. Григораш О.В., Богатырев Н.И., Курзин Н.Н. Системы автономного энергоснабжения; под ред. Н.И. Богатырева. Краснодар: Б/И, 2001. 333 с.
4. Преобразователи электрической энергии: основы теории, расчета и проектирования: учебное пособие для вузов. Богатырев Н.И., Григораш О.В., Курзин Н.Н., Стрелков Ю.И., Тельнов Г.В. Тропин В.В. / под ред. Н.И. Богатырева. Краснодар, Б/И, 2002. 358 с.
Ершов Сергей Викторович, кандидат технических наук, доцент, erschov. serrg@mail. ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Аббазов Григорий Альбертович, магистр, [email protected], Россия, Тула, Тульский государственный университет.
BLOCK DIAGRAM OF PO WER COMPLEXES ON THE BASIS WINDGENERA TORY
INSTALLATIONS
S. V. Ershov, G.A. Abbazov
The main major trends in the development of modern wind power engineering are analyzed: the use of separate wind power plants (WTs) of low power designed to provide autonomous power supply to isolated objects and facilities that are significantly removed from the power networks; the introduction of large power complexes based on wind farms (VP) based on megawatt-class wind turbines connected to unified power systems.
Key words: Autonomous sources of electricity, wind power plants, wind parks, Autonomous consumers of electricity.
Ershov Sergey Victorovich, candidate of technical science, docent, erschov. serrg@mail. ru, Russia, Tula, Tula State University,
136
Abbazov Grigory Albertovich, magister, [email protected], Russia, Tula, Tula State University
УДК 621.3
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПЕРИОДИЧНОСТИ ОБСЛУЖИВАНИЯ ОБОРУДОВАНИЯ СИСТЕМ ПРОМЫШЛЕННЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ
Е.П. Зацепин
Представлен анализ безотказности системы электроснабжения промышленного предприятия, позволяющий определить периодичность обслуживания оборудования систем промышленных предприятий. Приведен качественный график зависимости вероятности безотказной работы от наработки на отказ, который наглядно показывает, как можно найти требуемую периодичность обслуживания для заданной наработки на отказ.
Ключевые слова: система, электрооборудование, уровни, вероятность, наработка на отказ, надежность, обслуживание, функционирование, промышленное предприятие.
Рабочее состояние технологических машин, в основном на промышленных предприятиях, обеспечивается электрической энергией. Как правило, электрическую энергию получают от внешних электрических станций, хотя на мощных предприятиях для этой цели имеются и собственные электростанции. Оснащение электрической энергии приемников осуществляется системой электроснабжения. Система электроснабжения состоит из отдельных элементов (электрооборудования). Отказ отдельного элемента системы может вызвать прекращение подачи электрической энергии к отдельному или группе рабочих машин. В результате из-за нарушения технологического процесса сокращается выпуск продукции предприятием. Поэтому любое предприятие заинтересованно в том, что бы его оборудование в процессе эксплуатации находилось в рабочем состоянии, не отказывало. Решить эту проблему довольно сложно, практически обычными подходами невозможно. Предлагается для этих целей использовать управление безотказностью систем промышленного предприятия. Базируется этот подход на надежности оборудования.
Основной системой на промышленном предприятии служит технологическая система, образованная рабочими машинами. Системы электроснабжения, транспорта, связи, водоотлива и другие являются вспомогательными. От их надежности зависит безотказность основной системы, технологической. Решение этой проблемы предлагается осуществить путем анализа безотказности системы электроснабжения промышленного предприятия. Рассмотренный подход может быть распространен и на другие вспомогательные системы, в том числе и основную систему технологическую. При этом необходимо иметь в виду, что в практике наблюдаются случаи, когда из элементов менее надежных функционирование системы оказывается более безотказным, чем системы, состоящей из более надежного оборудования. Определяется это структурой системы, наличием ее избыточностей и периодичностью проведения ремонтно-профилактического обслуживания оборудования системы. Оценку осуществим на примере системы электроснабжения конкретного промышленного предприятия. В качестве такого предприятия предлагается рассмотреть систему «Комбината Панельного Домостроения».
