CC BY
122
УДК 621.548
ТИПОВАЯ ВЕТРОЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ ДЛЯ НИЖНЕГО ПОВОЛЖЬЯ
(на примере Камыши некой ВЭС)
© 2015 г, В. С Галущак, С В. Хавроничев, К.Н. Бахтиаров
Цель настоящей статьи - обобщение основных элементов предварительных расчетов и схем. достаточных для прсдпросктных предложений по строительству встроэлсктростанции установленной мощностью 10-50 МВт для территорий Нижнего Поволжья на примере Камышинской ВЭС.
Рассмотрен расчет мощности встрогенерирующего устройства, при котором изменения скорости ветрового потока в произвольной точке с достаточной точностью в местностях Нижнего Поволжья рассчитываются по модифицированной форму ле Вейбулла-Гуревича. где предлагается использовать отношение случайного значения скорости ветра к его среднем} значению
Использу я распределения скоростей ветра вблизи г. Камышина, получаем расчётную удельную мощность в точке строительства.
Показано, что используя двухроторный ветроагрегат ИнС-1000 производства ЗАО «ИнС ОКБМ» (г. Воронеж), получаем ожидаемую выработку электроэнергии одной ветроустановкой в точке строительства ВЭС 1 498 527 (кВт ч) и всей ветроэлектростанции 74 926 635 (кВт ч). Электрическая схема ВЭС построена следующим образом.
Для подтверждения предложенных методик разработана электрическая схема и генплан ВЭС. Вырабатываемая ветроэнергетическими установками электрическая энергия под напряжением 0.4 кВ преобразуется в напряжение 10 кВ при помощи энергосберегающих трансформаторов, устанавливаемых в комплектных трансформаторных подстанциях 10/0,4 кВ. Электроснабжение близлежащих потребителей и связь с энергосистемой осуществляется через повышающую трансформаторную подстанцию на напряжение 110/35/10 кВ.
Таким образом, можно сделать следующие выводы;
1. Расчёт энерговыработки ветроэлектростанции Нижнего Поволжья с достаточной точностью можно провести по среднегодовой скорости ветра в точке строительства,
2. Электрическая схема ветроэлектростанции формиру ется из серийного обору дования, пу тём постепенного повышения напряжения: 0,4. 10. 35, 110 кВ.
3. Ветроустановки располагаются рядами ортогонально линии преиму щественного направления ветра, показанного на «розе ветров». Расстояние между встроустановками — 75 м. расстояние между рядами — 250 м. Таким образом полная площадь, занимаемая промплощадкой ВЭС-50 Камышинская. составляет 72 гектара.
Ключевые слова: среднегодовая скорость ветра, функция распределения, мощность ветроу становки, выработка электроэнергии, трансформаторы, кабели, генплан.
The purpose of the real work w as basic elements generalization of predesigns and schemes sufficient for pre-design offers on a wind fann construction with a rated capacity of 10—50 MW for Lower Volga area territories on the example of the Kamyshin wind farm.
Calculation of wind device power at w hich wind stream speed changes in any point in Lower Volga area districts pay off with sufficient accuracy with on the modified Veybulla-Gurevich's formula is considered where it is offered to use the relation of wind speed casual value to its average value.
Using distribution of wind speeds near Kamyshin we receive specific calculated power in a construction
point.
It is shown that using two-rotor ветроагрегат INS-1000 of JSC INS OKBM production (Voronezh) we receive the expectcd power generation by one wind turbine in a point of construction of VES 1 498 527 (kW li) and all wind farm 74 926 635 (kW h). The electric circuit of VES is constructed by kW as follows.
To confirm the proposed methods there are developed electrical scheme and the general plan of wind farm. The electric energy of the 0.4 kV developed by wind power installations will be transformed to voltage of 10 kV by means of the energy saving transformers installed in complete transformer substations of 10/0.4 kV. Power supply of nearby consumers and communication with a pow er supply sy stem is carried out through the raising transformer substation on voltage of 110/35/10 kV.
Thus it is possible to draw the following conclusions:
1. Calculation of power development of a wind farm of Nizhnergo of the Volga region with a sufficient accuracy can be carried out on the average annual speed of a wind in a construction point.
2. The electric circuit of a w ind farm is formed of the serial equipment, by gradual increase of tension; 0.4, 10, 35, 110 kV.
3. Wind lurbincs settle down ranks orthogonally of the line of Ihc primary direction of the wind shown on "wind rose". Distance between wind turbines of 75 m. distance between ranks of 250 in. Thus the full space occupied by VES-50 industrial site Kamyshin makes 72 hectares.
Key words: average annual speed of a wind, distribution function, wind turbine power, power generation, transformers, cables, general plan.
Оценка ветроэнергетического потенциала на площадке строительства*
Мощность, которую развивает ветрогене-ратор, определяется скоростью ветра, а также площадью ометания (т.е. площадью геометрической фигуры, которую «описывают» вращающиеся лопасти ветроколеса).
Мощность идеального ветрогенера-тора вычисляется по формуле
Рв-0£-рЯол<*-Ср (1)
где р - плотность воздуха, кг/м";
Л^ - площадь ометания ветроколеса, м";
V - скорость ветра, м/сек;
Ср - безразмерный коэффициент использования энергии ветра (зависит от конструкции ветроустановки). У идеального ветряка Ср = 0,593 [1] в реальности при грамотном проектировании Ср может достигать 0,35-0,45, в частности, для двухро-торных ветроагрегатов изготовитель приводит даже более высокие значения.
Для расчёта мощности ветрогенерирующего устройства необходимо знание скорости ветропотока (г). Изменения скорости ветрового потока в произвольной точке с достаточной точностью могут быть описаны с помощью функции распределения Вейбулла - р(у), имеющей два параметра - формы к и единиц измерения с (рисунок 1) [2, 3].
Вероятность того, что скорость ветра в течение любого периода времени будет находиться на уровне V, представлена в виде следующего выражения:
Л*"1
е с ,0 < V < ос, (2)
нуля до оесконечности и в течении рассматриваемого периода равна 1:
где р - единица изменения параметра, в нашем случае в год;
V— величина скорости ветра м/сек; к - параметр распределения, с - параметр единиц измерения, равный среднегодовой скорости ветра.
Вероятность того, что величина скорости ветра будет находиться в пределах от
jp(v)äv = 1
(3)
При рассмотрении периода времени 1 год необходимо функцию вероятности выражать в часах. Единицей измерения параметра р будет являться час в год. В этом случае интеграл (3) принимает значение 8760 часов. При этом, значения среднемесячных скоростей ветра V для каждой территории хорошо известны за длительные (25-30 и более лет) периоды наблюдений, поскольку они являются нормативной величиной статистической отчётности метеостанций Роскомгидромета.
Особую привлекательность строительство ВЭС вдоль реки Волги имеет то обстоятельство, что она подобна оффшорным ветропаркам, массово сооружаемым в мире [6, 7, 8, 9]. Для оценки ветроэнергетического потенциала в точке строительства конкретной ВЭС, например, в регионе г. Камышина, Волгоградской области, приведём фактические значения скорости ветра по данным опорной метеостанции «Ка-мышинская» (таблица 1).
Из приведенных данных следует, что параметр с для точки строительства ВЭС составляет с = 4,6 м/сек.
Для расчётных оценок энерговыработки в местностях Нижнего Поволжья воспользуемся теоретической работой А.Б. Рыхлова [4].
В указанной работе приведены параметры распределения модифицированной формулы Вейбулла-Гуревича, где предлагается использовать отношение случайного значения скорости ветра V к его среднему значению V в виде закономерности:
p,(V>v) = e
(4)
Рисунок 1 - Функция распределения вероятностей Вейбулла при значении параметра распределения к 2 для различных с
Таблица 1 - Среднемесячная и среднегодовая скорость ветра по ОМС «Камышинская»
Скорость ветра, м/сек
Год Среднемесячная скорость ветра, м/сек Среднегодовая скорость ветра, V м/сек,
январь февраль март апрель ЭК сЗ июнь июль август сентябрь октябрь ноябрь декабрь
2006 4,4 4,7 3,8 2,9 4,7 4,0 3,9 4,4 4,4 5,6 5,4 5,1 4,44
2007 6,1 5,2 6,0 4,0 4,7 4,1 3,4 3,6 3,6 4,3 4,2 3,9 4,43
2008 5,2 4,5 3,8 4,3 3,9 4,7 2,8 3,7 5,1 3,8 3,8 4,4 4,17
2009 4,3 4,8 4,5 4.2 4,9 4,4 3,2 4,0 3,5 3,8 3,7 4,0 4,11
2010 4,7 6,5 6,7 5,4 4,8 3,8 4,2 4,7 4,8 5,7 5,6 6,1 5,25
2011 4,3 5,4 4,8 4,3 4,0 4,7 3,9 4,2 4,4 3,9 4,6 5,7 4,52
2012 6,7 6,2 5,7 6,2 5,2 4,9 4,2 5,1 5,3 5,2 4,8 5,5 5,42
2013 3,1 7,7 5,1 6,0 4,7 4,6 4,3 4,9 3,8 5,3 5,5 5,7 5,06
2014 4,7 5,6 4,4 5,1 4,0 3,6 3,2 3,7 3,5 3.5 5,0 4,4 4,22
Многолетние 4,85 5,54 4,92 4,63 4,55 4,31 3,65 4,2 4,3 4,55 4,69 4,9 4,6
Параметры распределений у и /3 мало изменяются от одной области Поволжья к другой. Для оценки достоверности аппроксимации использовался коэффици-
ент детерминированности К2 , позволяющий судить о близости теоретических и фактических значений распределения (таблица 2).
Таблица 2 - Параметры распределения^ и /? по областям Поволжья
Область Параметры распределения Я2
У Р
Астраханская 1,39 0,87 0,99
Волгоградская 1,38 0,88 0,99
Саратовская 1,34 0,89 0,98
Самарская 1,35 0,90 0,99
Татарстан 1,42 0,87 0.99
Тогда, используя (4), распределение скоростей ветра в зоне строительства ВЭС вблизи г. Камышина будет описываться выражением
г , У--58 0.88 1
р(у > V) = е . (5)
Подставив текущие значения скоростей ветра V, получим график повторяемости скоростей ветра р(у) (рисунок 2).
Исходя из приведённой таблицы, принимаем для расчёта среднегодовую скорость ветра у= 4,6 м/сек. Примем также расчётную плотность воздуха р=1,226 кг/м3 постоянной, так как отклонения плотности от указанного значения не превышают 3%, что достаточно для практических расчётов осветительного устройства.
Удельная мощность ветрового потока в зоне установки уличного фонаря составит:
Руд = р~£р)- (6)
Проинтегрировав уравнение (5) с учётом (6) получим выражение средней мощности ветрового потока:
Руд =0,5-1,226-3,176-у\ (7)
Подставив численное значение V, получим расчётную удельную мощность в точке строительства ВЭС «Камышинская»: Т\.0 = 0,5 • 1,226 • 3,176 ■ 4,б3 = 189,5 (Вт/м2).
Расчёт объёма выработки электроэнергии будущей ВЭС.
На следующем этапе требуется выбрать тип ветроустановки, которая будет установлена на строящейся ВЭС.
Функция распределения вероятностей Вейбулла для точки строительства ВЭС в регионе г. Камышин
Повторяемость, час/год Н-* Н1 I-1 I-1 м^спооо^^т оооооооо ооооооооо J_1_1_1_1_1_1_1_1
г
1
]
< ► 5 5
0 0,2 1 2 3 4 4,6 5,5 6,5 7,5 8,5 10 12 14 16 18 20 Скорость ветра, м/сек
Рисунок 2 - График повторяемости скоростей ветра р(у) для выбранной точки строительства ВЭС
В нашем примере мы используем двухроторный ветроагрегат ИнС-1000 производства ЗАО «ИнС ОКБМ» (г. Воронеж). Установленная мощность одного ветроаг-регата составляет 1000 кВт. Роторы имеют диаметр 55 м, оси роторов находятся на высоте 70 м. Скорость трогания ветроколе-са такого ветроагрегата — 2 м/сек. Поэтому диапазон рабочих скоростей - от 2 до 20 м/сек. При этом коэффициент использования энергии ветропотока СР может быть более 50% (примем Ср -0,5). Исходя из вышеприведённого, продолжительность диапазона рабочих скоростей т ветро-
генерации в точке строительства ВЭС для расчётного периода Т может быть рассчитана:
т -
ветр
(8)
Приняв за расчётный период один год (Т=8760 час) и используя выражение (5), получим:
-0.88 — 4.6
\ 0.381 [ у ]
■,1.38
2ИХ
- 6622 ч.
Используя (6) и (8) получим выражение для расчёта годовой выработки электроэнергии Э генерацией одной
ветроустановки:
Э =с -Г . - г (кВтч), (9)
ьетр р у о остр 1 V '' V >
где ^ - площадь ометания ротора ветровым потоком, Б = 2374 м".
С учётом Ср =0,5, используя получен-ное в (4) значение Руо = 189,5 Вт/м , рассчитаем ожидаемую выработку электроэнергии одной ветроу станов кой в точке строительства ВЭС:
Э -0.5-189.5• 6662• 2374 — 1498527 (кВт ч).
вймр ' V '
Так как нами обосновывается электростанция установленной мощностью 50 МВт, то количество ветроу ста но во к составит;
п - 50 000 1000 - 50 ед.
Используя выражение (2) и подставив значения п, получим полную выработку электроэнергии ВЭС «Камышинская» за год:
Эвэс = 1498527 • 50 - 74926635 (кВтч).
Полученное значение годовой выработки электроэнергии позволяет с использованием ценовых показателей изготовителей оборудования, региональных затрат на строительство и утверждённых Правительством РФ нормативов эксплуатационных расходов для ветровой генерации (118 тыс. руб./МВт в месяц) рассчитать все технико-экономические показатели будущей ВЭС
[5].
Электрическая схема и генплан ВЭС-50.
Предполагаемая схема включения ВЭС в энергосистему представлена на рисунке 3.
Вырабатываемая ветроэнергетическими установками (ВЭУ) ИнС-В-100 электрическая энергия напряжением 0,4 кВ преобразуется в напряжение 10 кВ при помощи энергосберегающих трансформаторов ТМГ 12 мощностью 1250 кВА, устанавливаемых в комплектных трансформаторных подстанциях (КТП) 10/0,4 кВ. Электроснабжение близлежащих потребителей и связь с энергосистемой осуществляется через повышающую трансформаторную подстанцию на напряжение 110/35/10 кВ. Подключение КТП 10/0,4 кВ к распределительному устройству 10 кВ подстанции 110/35/10 кВ предусматривается кабелями АПвБП-10 3x35 мм2, прокладываемыми в траншее и кабельных каналах.
План расположения ВЭУ, КТП и ПС, а также прокладки кабельных линий показаны на генплане ВЭС (рисунок 4).
Как следует из приведённого плана, ветроустановки располагаются рядами, ортогонально линии преимущественного направления ветра, показанного на «розе ветров». Расстояние между ветроустанов-ками 75 м выбрано из значения диаметра ротора 55 м плюс ремонтное пространство по 10 м с каждой стороны. Расстояние между рядами 250 м выбрано из условия восстановления воздушного потока, сработанного на предыдущем ряду.
Ветропарк (Рн=50 МВт)
Рисунок 3 - Схема включения ВЭС в энергосистему
О' о о 10
с
+ « с
250000
Н—I—I—I—К
№1 №6
№11 №16 №21
-НЧ—I—I—I—I—I—I—I—I—н
№2 №7
№12 №17 №22
1 ^
та
I 4
аа
№3 №8
№13 №18 №23
Н—I—I—I—I—н
№4 №5 №9 №10 С
№14 №15* №19 №20 с №24 №254
Т 0
*
№26 №31 №36
№41 №46
—Ь
30000
№27 №32 №37
№42 №47
I «I
I «I
00
№28 №33 №38 №43
ВЭУ
~кТгГ\
№29 ЛЙЗЪч
№34 №35в
№39 №40С
№44 №45 ®
0 №48
<* №49 №50 6
У
Ю-
АПВБП-ЗХ35 в кабельном
канале ПС 110/35/10 кВ
Пункт управления
АПВБП-Зх35 в кабельном канале
Н—\—\—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—Н
1060000
Рисунок 4 - План расположения электрооборудования и прокладки кабельных линий ВЭС-50
Территория ВЭС охвачена охранным периметром, на входе в который размещены ПС выдачи мощности в энергосистему и пункт управления. Таким образом, полная площадь, занимаемая промплощадкой ВЭС-50 "Камышинская", составляет 72 гектара. Площадь под ветроустановками может быть использована для сельхозпро-изводства в качестве пастбища.
Литература
1. Горелов, Д.Н. Аэродинамика вет-роколёс с вертикальной осью вращения / H Д. Горелов; Омский филиал института математики им. C.JI. Соболева СО РАН. -Омск: ПцКАН, 2012.-68 с.
2. Удалов, С.Н. Возобновляемые источники энергии / С.Н. Удалов. - Новосибирск: НГУ, 2007.-431 с.
3. РД 52.04.275-89 Методические указания. Проведение изыскательских работ по оценке ветроэнергетических ресурсов для обоснования размещения и проектирования ветроэнергетических установок / Госкомгидромет. - Москва, 1990. - 35 с.
4. Рыхлов, А.Б. Климатологическая оценка ветроэнегетического потенциала на различных высотах (на примере юго-востока Европейской территории России) / Б. А. Рыхлов. - Саратов: Изд-во Сарат. унта, 2012.-36 с.
5. Постановление Правительства РФ от 28 мая 2013 г. № 449 О механизме стимулирования использования возобновляемых источников энергии на оптовом рынке электрической энергии и мощности // Правительство РФ. - Москва, 2013. - 27 с.
6. Die Energiewinde in Deutsland/ BMWi, Bonifatis GmBH. Padrborn, 2012. -52 c.
7. Marketing and Projektmanagement. [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://Producti on. de.
8. Energy news. [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://RE-energy nevs.com.
9. Deutsche Windtechnic. [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://bewerbung-dwts@deutsche-windtechnik.de.
References
1. Gorelov, D.N. (2012), "Aerodynamics of wind wheel with vertical rotation axis" ["Ajerodinamika vetrokoljos s vertikal'noj os'ju vrashhenija"], PcKAN, Omsk, 68 p.
2. Udalov, S.N. (2007), "Renewable energy sources" ["Vozobnovljaemye istochni-ki jenergii"], NSU, Novosibirsk, 431 p.
3. (1990), "RD 52.04.275-89 Guidelines. Survey work carrying out on the assessment of wind energy resources to justify the siting and design of wind turbines" ["Metodicheskie ukazanija. Provedenie izyskatel'skih rabot po ocenke vetro-jenergeticheskih resursov dlja obosnovanija razmeshhenija i proektirovanija vetroj en erge-ticheskih ustanovok "], Goskomgidromet, Moscow, 35 p.
4. Ryhlov, A.B. (2012), "Climatologi-cal assessment of wind energy potential at different heights" ["Klimatologicheskaja ocenka vetroj enegeticheskogo potenciala na razlich-nyh vysotah (na primere jugo-vostoka Evrope-jskoj territorii Rossii)"], Sarat. Univ. Publishing House, Saratov, 36 p.
5. "Government Decree of May 28, 2013 № 449 On the mechanism of promoting the use of renewable energy in the wholesale market of electric energy and power" ["Pos-tanovlenie Pravitel'stva RF ot 28 maja 2013 g. № 449 O mehanizme stimulirovanija ispol'zovanija vozobnovljaemyh istochnikov jenergii na optovom rynke jelektricheskoj jenergii i moshhnosti"], Government, Moscow, 27 p.
6. Die Energiewinde in Deutsland/ BMWi., Bonifatis GmBH. Padrborn, 2012, 52 p.
7. Marketing and Projektmanagement, available at: http://Production.de.
8. Energy news, available at: http://RE-energynevs.com.
9. Deutsche Windtechnic, available at: http://bewerbung-dwts@deutsche-windtechnik.de.
Сведения об авторах Галущак Валерий Степанович - доцент кафедры электроснабжения промышленных предприятий, Камышинский технологический институт (филиал) ФГБОУ ВПО «Волгоградский государственный технический университет» (г. Камышин, Волгоградская область, Россия). Тел. 8-937-727-19-81. E-mail: lurisliiKamail.ni.
Хавроничев Сергей Викторович - доцент кафедры электроснабжения промышленных предприятий, Камышинский технологический институт (филиал) ФГБОУ ВПО «Волгоградский государственный технический университет» (г. Камышин, Волгоградская область, Россия). Тел. 8-927-515-04-24. E-mail: tnristul@mail.ru.
Бахтнаров Константин Николаевич - старший преподаватель кафедры электроснабжения промышленных предприятий, Камышинский технологический институт (филиал) ФГБОУ ВПО «Волгоградский государственный технический университет» (г. Камышин, Волгоградская область, Россия). Тел. 8-909-383-19-65.
Information about the authors Galushchak Valery Stepanovich - associate professor of Industrial enterprises power supply department, Kamyshin Technological Institute (branch), FSBEI HPE "Volgograd State Technical University" (Kamyshin, Volgograd region, Russia). Phone: 8-937-727-19-81. E-mail: luristu I a mail. ru.
Havronichev Sergey Viktorovich - associate professor of Industrial enterprises power supply department, Kamyshin Technological Institute (branch), FSBEI HPE "Volgograd State Technical University" (Kamyshin, Volgograd region, Russia). Phone: 8-927-515-04-24. E-mail: turistu 1 timail.ru.
Bakhtiarov Konstantin Nikolaevich - senior lecturer of Industrial enterprises power supply department, Kamyshin Technological Institute (branch), FSBEI HPE "Volgograd State Technical University" (Kamyshin, Volgograd region, Russia). Phone: 8-909-383-19-65.
