1 2 3

---

 

Содержание

 

Введение
1 Влияние ветроэнергии на энергосистему
1.1 Особенности выработки ветроэнергии
1.2 Оценка влияния энергии ветра на энергосистему
2 Анализ существующих моделей и конструкций ветротурбин
2.1 Классификация ветротурбин
2.2 Обзор концепций контроля мощности
2.4 Обзор современных конфигураций ветротурбин
2.5 Асинхронный генератор двойного питания
3 Стандарты качества энергии ветровых турбин
4 Проблемы при интеграции ветровой энергии в сеть
4.1 Основные проблемы интеграции
4.2 Обеспечение баланса активной мощности в энергосистеме
4.3 Обеспечение баланса реактивной мощности в энергосистеме
5 Устойчивость энергосистем с ветрогенераторами
5.1 Режимы работы энергосистемы
5.2 Статическая устойчивость
5.3 Динамическая устойчивость
6 Анализ динамических нарушений устойчивости
6.1 Виды возмущений динамической устойчивости
6.2 Аггрегированное моделирование ветроферм для исследования устойчивости
6.3 Моделирование и анализ динамической устойчивости в программе PSS/E
7 Проверка динамической устойчивости синхронных генераторов, работающих параллельно с крупными ветрофермами
7.1 Модель энергосистемы
7.2 Исследование динамической устойчивости модели
8 Анализ влияния на динамическую устойчивость замены синхронного генератора на ветроферму
8.1 Анализ текущего состояния и перспектив развития ТЭЦ
8.2 Разработка конфигурации и выбор оборудования ветрофермы
8.3 Моделирование и анализ установившегося режима
8.4 Моделирование динамической симуляции
9 Моделирование энергетических характеристик ветра
Заключение
Список использованных источников

Введение

 

Известно, что основная часть электроэнергии в наше время вырабатывается с помощью трех основных видов электростанций: атомных, тепловых и гидравлических. На долю же всех альтернативных источников энергии приходится около двух процентов. Несмотря на это, нетрадиционная энергетика развивается и распространяется в мире. Одним из направлений альтернативной энергетики является ветровая энергетика. За последние годы ветроэнергетика начала бурно развиваться. Все из-за того, что энергия ветра является неисчерпаемой, а преобразование кинетической энергии ветра в электрическую является экологически чистой. Помимо этого, важную роль играет и то, что некоторые страны не имеют достаточно энергоресурсов для удовлетворения собственных энергетических потребностей, поэтому они зависят от импорта электроэнергии, а в связи с политической нестабильностью и вооружёнными конфликтами в странах поставщиках, создаются риски для стран-импортеров. Именно эти факторы подталкивают развитие ветроэнергетики. Ветровая электроэнергетика прошла долгий путь от 18-ого века до нашего времени. Сейчас для строительства ветровых электростанций используются дешёвые и эффективные материалы, а мощность электроустановок возрастает, это сокращает издержки и увеличивает конкурентоспособность. Конструкция электрогенератора такова: электроустановка состоит в первую очередь из ротора с лопастями, которые преобразовывают кинетическую энергию ветра о вращательную, дальше идёт редуктор, задача которого заключается в повышении скорости вала, потом следует генератор, преобразующий полученную энергию в электрическую. Так же в состав электроустановки входят флюгер и анемометр, их задача – собирать информацию о ветре, а также направлять лопасти в направлении максимальной силы ветра, башня, которая нужна что б поднять ветрогенератор, на достаточную высоту и трансформатор, преобразующий напряжение. Выделяют четыре вида ветровых электростанций, которые в основном основаны на их местоположении: прибрежные, наземные, плавающие и оффшорные. Прибрежные располагаются около прибрежной линии, такое расположение обуславливается бризами, которые дают некую постоянность в ветровом потоке. Наземные находятся на возвышенностях, самый распространенный вид. Оффшорные строятся в море, где постоянно дуют морские ветра. Плавающие, располагаются примерно на таком же расстоянии от берега, как и оффшорные, но на плавающей платформе. Отметим же теперь преимущества ветровых электростанций. Первое это же, конечно, неисчерпаемые ресурсы, на которых работает установка, второе – это чистота вырабатываемой энергии, нет ни парникового эффекта, ни вредных выбросов, третье – это малая площадь, занимаемая под электростанцию, так как она поднята на достаточное расстояние от земли, четвертое – это дешевизна получаемой энергии и пятое – это возможность установить электроустановку в любых местах, где дует ветер. Теперь перейдём к минусам: главный минус ветровых установок заключается в том, что сила ветра и его направление меняется, бывает и так, что ветра нет вообще, из-за чего происходит сбой в подаче электроэнергии. Для компенсации этого недостатка используют системы хранения большой емкости или комбинированную систему «ветро-дизель» в которой есть специальные устройства, распределяющие нагрузки между ветроэнергетической установкой и дизелем. Второй минус, это то, что стартовый этап строительства станции требует достаточно больших материальных вложений. Иногда привлекают инвестиции целой области. В среднем стоимость 1 кВт установленной мощности составляет $1000. К последним минусам относятся не такие значительные недостатки, такие как нарушение естественного вида ландшафта, шумы, вырабатываемые станцией, которые могут причинять неудобства людям, но это решается установкой электростанции на определённом расстоянии от жилья [17].

Значение ветроэнергетики растет во всем мире. Энергия ветра стала одной из основных альтернатив для производства чистой энергии, которая не загрязняет окружающую среду. В настоящее время доля электроэнергии, вырабатываемой ветряными турбинами, в энергетических системах многих стран увеличивается. Однако с теоретической точки зрения вопрос внедрения энергии ветра в энергетическую систему остается малоизученным. С технической точки зрения можно ввести в энергетическую систему очень большие объемы ветроэнергетической мощности. Поскольку внедрение энергии ветра в региональные энергосистемы изучалось только на теоретической основе, внедрение энергии ветра все еще ограничено во многих странах и энергосистемах. Ветроэнергетика вносит дополнительную изменчивость и неопределенность в управление энергетической системой. Это может повлиять на надежность и эффективность энергосистемы. Воздействие ветра может быть, как положительным, так и отрицательным, но даже положительное воздействие может иметь негативные последствия, когда стоимость интеграции ветра в энергетическую систему превышает приемлемую стоимость. Для урегулирования этой проблемы необходима огромная ловкость энергосистемы. С одной стороны, требуемая гибкость энергосистемы зависит от того, сколько энергии ветра вводится в энергосистему, с другой стороны, она зависит от гибкости, уже присутствующей в энергосистеме [6]. До недавнего времени вклад энергии ветра в стабильность энергосистемы был незначительным. Однако с повышением силы ветропарков стало очевидно, что выключение больших ветропарков от сети во время сетевых возмущений приведет к потере внушительной доли вырабатываемой энергии, что, в свою очередь, приведет к последующему нарушению устойчивости энергосистемы. Из-за увеличения доли энергии ветра ветряные турбины должны вырабатывать реактивную мощность в установившихся условиях и в переходных условиях. В странах со значительной долей ветроэнергетики в системе системные операторы придумали и добавили правила к правилам эксплуатации энергосистем, которые определяют правила и условия для ветроэлектростанций во время сетевых возмущений. Никаких попыток провести подобные исследования применительно к единой энергетической системе России и стран СНГ не предпринималось. Цель данной работы состоит в том, чтобы установить, какая доля энергии ветра может быть введена в определенную энергосистему без значительного сокращения производительности и надежности. Целью работы также является изучение динамической устойчивости таких энергосистем.

 

1 Влияние ветроэнергии на энергосистему

 

1.1 Особенности выработки ветроэнергии  

 

Многолетнее негативное воздействие традиционной энергетики на биосферу, отразившееся в экологически неблагоприятных условиях проживания на планете, глобальное потепление, ухудшение экологической обстановки и здоровья человечества привело к поиску другого источника получения электроэнергии, «чистого», не загрязняющего планету. Такой альтернативой стала энергия ветра. Ветроэнергетика сегодня развивается. В перспективе энергия ветра представляет огромный интерес, имеет безграничный ресурсный потенциал. Производство мировой электроэнергии, представляющей в основном гидро– и теплоэлектростанциями, является крупнейшим источником выбросов отравляющих веществ, первопричиной загрязнения воздуха. Горючий камень (уголь) является худшим нарушителем экологии планеты, «грязным» гейзером энергии, который производит чуть менее половины электроэнергии, но составляет почти 80 процентов всех выбросов углерода электростанциями. Революция в области «чистой» энергии происходит по всему миру, что подтверждается устойчивым расширением секторов возобновляемых ресурсов энергии. Выборочная совокупность источника энергии ветра будет иметь огромные положительные последствия на здоровье будущих поколений, климат планеты и экономику мира на десятилетия вперёд. Во всем мире энергия ветра набирает популярность на правах масштабного экоисточника, хотя по-прежнему обеспечивает лишь менее одного процента потребления энергии.

 

Успехи и достижения в отрасли ветроэнергетики

История ветровой энергии начинается с давних времен. Её применение имеет начало более 2500 лет назад с ветряных мельниц. С 1900 годов прошлой эры для производства электрической энергии практикуют ветряные турбины. Основным средством производства электрической энергии являются ветряные электростанции, «ветряные мельницы», которые превращают кинетическую энергию ветра в энергию механическую. Размещение ветровых турбин осуществляют, как на твердой и ровной поверхности, так и на дне океана. Предпосылками динамичного развития ветровой энергетики в мире послужили обострившиеся экологические проблемы в сочетании с ростом цен на нефть, нефтяной кризис (1973 – 1974г.г.). Ветер представляется как неисчерпаемый гейзер природной чистой энергии, не имеющий практически загрязняющих веществ или побочных эффектов. Усовершенствованная технология производства электроэнергии с помощью ресурса энергии ветра высокорентабельная. Собственник электростанции на Ямайке и производитель оборудования гибридных станций, работающих одновременно на энергии ветра и солнца, утверждает, что дорогое оборудование ветряной электрической станции окупается за четыре года, а потом за 25 лет рабочей деятельности обеспечит экономию в два миллиарда долларов.

Ветровая энергетика на современном этапе активно развивающаяся отрасль. По состоянию на 01.01.2018 года на планете в рабочем состоянии действовало 20 000 ветряных ферм. Доля производства энергии ветра с каждым годом увеличивается, данные подтверждаются таблицей 1.1.

 

Таблица 1.1 – Установленная мощность ветровых электростанций

 

Из таблицы 1.1 видим, что за десятилетний промежуток времени (2006-2016) все страны увеличили установочную мощность ветряных электростанций на довольно большую разницу. Цифры впечатляют. Увеличение производства ветровой электроэнергии предоставляет возможность уменьшить выбросы CO2, улучшив окружающую атмосферу и экологию.

В России ветроэнергетике уделяется слабое внимание. Для сравнения, ветряные фермы вырабатывают за год электрической энергии в России примерно столько, сколько за 2 часа производят в Китае.

 

Преимущества здорового, безопасного, будущего и недостатки ветроэнергетики

Возобновляемые источники энергии – неограниченные ресурсы планеты. Почти нулевое загрязнение. Ветряные электрические станции человеком ценятся по определённым причинам: экологически чистый объект и не вредит окружающей среде, не нарушает экосистему вселенной. Ветроэнергетика – это источник энергии неисчерпаемый, при транспортировке отсутствуют потери энергии. Наблюдается стабильность расходов, стоимость эксплуатации ветряного оборудования очень низкая, финансовый эффект максимальный, цена энергии в сравнении с другими видами энергии наиболее низкая.

Но существуют причины, которые разочаровывают человека: затраты по расчетам для оценки местности сооружения ни одной установки, а целой фермы (т.е. стоимость оборудования, сумма стоимости ветряных станций для фермы); действуют определённые риски (невозможность предугадать силу дуновения ветра и какое количество электроэнергии будет получено в конкретный промежуток времени), сильный шум (на расстоянии 30 метров), опасная обстановка для пернатых, летучих мышей и хищных птиц, иногда они погибают, «отблеск тени», возникающий при вращении лопастей в солнечный день.

 

Перспективы совершенствования, развития

Конкурентное участие ветроэнергетики на рынке электроэнергии в значительной степени зависит от точного прогнозирования ветрового потока, которое становится ключевой темой для электроэнергетики. Точность прогноза энергии ветра зависит от ряда факторов: рельефа местности и характеристики (шероховатость поверхности, препятствия), погодного режима, ветровой картины, горизонта прогноза, разработки инновационной методологии и технологии. Чистая энергетика генерирует множество видов экономической деятельности. В ближайшие годы рост будет продолжаться.

Таким образом, двигаясь вперёд, продолжая направлять стратегические инвестиции в ветроэнергетику, на переход к более «чистому» и безопасному энергетическому будущему, человечество берёт курс на оздоровление нации, увеличение экономических показателей всех государств мира, улучшение качества жизни и благосостояния людей.

Направление инвестиций в ветроэнергетику, совершенствование получения энергии ветра, разработка инновационных технологий, изменение в конструкции оборудования и ввод в эксплуатацию новых, оптимизированных ветровых парков в ближайшие годы позволит экоисточнику энергии повысить производительность и увеличить в несколько десятков раз получение электрической энергии.

Перспективы совершенствования, развитие использования источника ветровой энергии связано с природной, экологически чистотой, низкой стоимостью эксплуатации оборудования, ожидаемым топливным дефицитом традиционной энергетики.

Ветровая энергетика – самый быстрый, самый дешевый и чистый способ достичь целей в области нормализации климата вселенной. Следовательно, обеспечить планету, пригодную для жизни будущим поколениям. Потенциальные возможности ветровой энергетики в мире на современном этапе далеки от использования в полном объёме. В России, практически, отсутствует использование перспективного, природного, экологически чистого источника энергии. Следует заметить, что принцип получения ветровой энергии  в двадцать первом веке, эры цифровых технологий применяется древний («ветряные мельницы»), ветропарк территориально масштабный (установки энергии ветра высотой более 100 метров, диаметром более 60 метров, да ещё их несколько десятков в ветропарке, занимают большую территорию), ветряные установки выполняют одну задачу (получение электроэнергии быстрым, чистым способом), хотя существует возможность многозадачности, что удешевило бы применение энергии ветра.

Таким образом, рассмотрены достижения развития ветроэнергетики, преимущества и её недостатки, теоретически проведена оценка эффективности использования ветровой энергии, ветряных установок, продемонстрированы перспективы совершенствования и развития ветровой энергии и последствия её на климат вселенной, выявлена актуальность применения экоисточника, энергии ветра, в качестве получения электрической энергии. Внедрение большей энергии ветра в электрические системы требуют новых решений.

Энергия ветра привносит в сеть дополнительную изменчивость и неопределенность. Это может безгранично воздействовать на эффективность и надежность всей энергосистемы. Воздействие ветра может быть, как положительным, так и отрицательным, но даже положительное воздействие может иметь отрицательные последствия, если стоимость интеграции ветра в энергосистему превышает приемлемую стоимость.

Для работы энергосистемы с присутствием энергии ветра важны последующие характеристики: данные об изменчивости энергии ветра, данные о возможностях ветряных турбин, данные о намечаемом строительстве ветряных турбин для планирования работы ветряных турбин.

 

Изменчивость ветроэнергетики

При обследовании энергосистем очень важно учитывать изменчивость ветра. Изменчивость сглаживается большой площадью распределения ветряных турбин. Неожиданная потеря всей ветровой энергии в системе маловероятна. Неожиданную потерю большого количества энергии из-за более низких уровней напряжения в сети можно предотвратить за счет правильного использования реактивной мощности ветряных турбин.

В целом, изменчивость ветра уменьшается с увеличением количества ветряных турбин, распределенных по территории. Существенные площади также уменьшают количество часов с нулевой выходящей мощностью – одна ветряная станция может обладать нулевой мощностью больше 1000 часов в год, в то время как выходная мощность большой ветровой электростанции, размещенной на внушительной площади, постоянно больше нуля. Неопределенность еще убавляется с сокращением периода наблюдения – секундная и минутная изменчивость большой ветровой электростанции обычно невелика, в то время как изменчивость на часовом периоде высока даже на большой площади с распределенными по ней ветрогенераторами. Можно сделать вывод, что изменчивость энергии ветра большой ветряной электростанции зависит от площади и расположения ветряных генераторов. Ландшафт тоже имеет значение.

 

 

Прогноз ветроэнергетики

Известно, что выходящая мощность ветряной турбины зависит от скорости ветра, следовательно, мониторинг скорости ветра является первостепенной задачей.

Ветер характеризуется скоростью, которая является случайной величиной в пространстве и времени. Следовательно, на современном уровне исследований энергетические характеристики ветра презентованы как вероятностное представление случайного процесса изменения энергетического потенциала ветра. Случайный подход базируется на дискретизации временного процесса, что разрешает анализировать все определяемые характеристики на промежутке дискретизации как независимые и постоянные. Временные интервалы стационарности обычно составляют час, день, сезон или год.

Комплекс аэрологических и энергетических характеристик ветра сведен в кадастр ветроэнергетики региона. Ключевыми данными ветроэнергетического инвентаря являются:

•  среднегодовая скорость ветра;
•  регулярность скорости;
•  вертикальный профиль средней скорости ветра;
•  удельная мощность и удельная энергия ветра;
•  ветроэнергетические ресурсы региона;

Для получения надежных данных о средних скоростях ветра на территории надо использовать внушительные объемы измерений в течение довольно долгого времени. Особенно подходят десятилетние образцы наблюдений.

Краткосрочное прогнозирование ветроэнергетики – сравнительно свежий механизм по сравнению с прогнозированием нагрузки. Для ветроэнергетики уровень точности не такой высокий, как для нагрузки. Опыт показывает, что объем производства в основном временном промежутке предсказуем. Впрочем, внушительные отличия могут обнаруживаться как в определении скорости ветра, так и в определении длительности данных ветров. Для управления энергосистемой нечеткость мониторинга так же важна, как и уровень точности.

Уровень точности усиливается при прогнозировании добычи на больших площадях. Для одной ветряной турбины значимость погрешности составляет от 10% до 20%. Для прогнозирования оттока площади значимость погрешности менее 10% [1].

 

1.2 Оценка влияния энергии ветра на энергосистему 

 

Регулирование и обеспечение нагрузки

Последствия основательных сбоев системы могут быть весьма значительными и дорогостоящими. Следовательно, твердость энергосистемы нужно поддерживать на очень высоком уровне. Энергия ветра воздействует на надежность и результативность энергосистемы. Эти влияния могут быть как положительными, так и отрицательными.

Важно понимать, как изменчивость и неопределенность ветровой энергии воздействует на размещение и применение запасов системы. Погрешности в прогнозировании силы ветра на внушительной местности обязаны сочетаться с другими ошибками, такими как определение ошибки при расчете нагрузки. Совместные решения при прогнозировании интенсификации спроса для удовлетворения сбалансированного спроса будут зависеть от размера региона, легкодоступного для балансировки, изменений изначальной нагрузки и того, как распределена либо сосредоточена ветровая энергия. Стоимость будет обусловливаться уровнем предельных затрат на способы балансировки или смягчения, используемые в энергосистемах в случаях высокой волатильности и неопределенности. Рыночные правила вдобавок обладают влиянием, так как техническая стоимость возможно будет отличаться от рыночной.

 

Эффективность работы агрегатов

Проблема состоит в том, как традиционные установки будут работать в присутствии вариации и неопределенности в генерации ветровых турбин и как это изменит их режим работы. Анализ и разработка методов внедрения ветроэнергии в существующие инструменты планирования имеет решающее значение для решения этой проблемы. На электроэнергетических рынках ошибки в прогнозировании ветровой энергии могут привести к высокой стоимости небалансов. Также важен анализ того, как существующие механизмы рынка влияют на производство электрической энергии.

 

Достаточность генерации энергии

Данная проблема касается количества доступной энергии во время пиковых нагрузок. Оценка требуемых нужд генерации включает в себя спрос на энергию со стороны системы и энергию на собственные нужды установок. Критерии для оценки достаточности энергии включают в себя математическое ожидание потери нагрузки, вероятность потери нагрузки, математическое ожидание потери энергии. Проблема состоит в адекватной оценке общего запаса мощности ветротурбин во время пиковых нагрузок, принимая во внимание эффект географического распределения и объединения энергосистем. Локальные системы накопления энергии с большими объемами мощности начинают использоваться в некоторых энергосистемах и могут оказать сильное влияние на достаточность генерации, когда они экономически эффективны.

 

Эффективность передачи энергии

Влияние ветровой энергии на передачу зависит от расположения ветровых электростанций по отношению к нагрузке, корреляции между выработкой ветроэнергии и потреблением. Ветроэнергия влияет на перетоки мощности в сетях. Это может изменить направление потоков энергии, увеличить или уменьшить потери энергии. Есть несколько способов максимизировать использование существующих линий, такие как передача информации с помощью FACTS технологий и контроль выходной мощности ветротурбин. Однако усиление сети может быть необходимым для обеспечения передачи всей энергии. При определении необходимости усиления сети требуется анализ перетоков мощности в нормальном режиме и анализ динамической устойчивости в переходном режиме.

 

Стабильность системы

Всевозможные виды ветряных турбин обладают разными характеристиками управления и, следовательно, различными способностями для поддержания синхронизации в системе в обычных и аварийных режимах. Это относится к мониторингу напряжения и мощности, а еще к реакции ветряной турбины на всевозможные аварии и сбои. Дислокация ветряных электростанций касательно фокусов нагрузки также будет обладать некоторым воздействием. Для обеспечения устойчивости ветряной турбины потребуются те же инструменты, что и в энергосистемах с обычными генераторами. Необходимы последующие изучения для испытания и разработки стратегий управления для обеспеченья стабильности энергосистем с разнообразными видами ветряных турбин с использованием свежих компонентов в ветряных электростанциях или близлежащих шинах [2].

 

 

2 Анализ существующих моделей и конструкций ветротурбин 

 

2.1 Классификация ветротурбин 

 

Ветряные турбины с постоянной скоростью

В этой главе описываются классический и новые концепции генераторов, которые в настоящее время применяются в крупных энергосистемах. С начала 20-го столетия применяются генераторы с постоянной скоростью вращения, независимо от скорости ветра скорость ротора турбины остается непрерывной и обусловливается частотой сети, передаточным числом и системой генератора. Особенно распространены ветряные турбины с постоянной скоростью, оборудованные асинхронным генератором, присоединенным непосредственно к сети, а также устройством мягкого запуска и конденсаторной батареей для снижения потребления реактивной мощности. Эти генераторы существуют для достижения наибольшей производительности при установленной скорости ветра. Для увеличения выработки электроэнергии, некоторые генераторы с постоянной скоростью имеют два набора обмоток: один для низких скоростей ветра, а другой – для средних и высоких скоростей ветра. Ветрогенераторы непрерывной скорости располагают последующими преимуществами, такими как надежность, простота, функциональность, невысокая стоимость. Имеются и недостатки, к ним можно отнести неуправляемое использование реактивной мощности, ограниченное управление активной мощностью. Всевозможные изменения скорости ветра подаются как изменения скорости вращения ротора генератора и, как следствие, возбуждают колебания энергии в сети. В слабых сетях колебания мощности могут привести к колебаниям напряжения, что, по сути, возможно приведет к немалым потерям в линиях.

 

Ветряные турбины с регулируемой скоростью

В последнее время ветряные турбины с контролируемой скоростью доминируют во всех смонтированных ветряных турбинах. Ветровые турбины с регулируемой скоростью изобретены для максимального увеличения аэродинамической производительности в широком спектре скоростей ветра. В отличие от турбин с постоянной скоростью, конструкция неустойчивой скорости удерживает неизменчивый крутящий момент генератора, а изменения скорости ветра возмещаются преобразованиями скорости генератора.

Электрическая система ветряной турбины с регулируемой скоростью более сложна, чем у ветрогенератора с постоянной скоростью. Обычно они обустроены индукционным или синхронным генератором и включаются к сети посредством преобразователя мощности. Преобразователь регулирует скорость генератора для того чтоб удары ветра поглощались через изменения скорости ротора генератора и, следовательно, скорости ветряной турбины. Фактически, превосходствами ветряных турбин с регулируемой скоростью являются неплохой захват энергии, превосходное качество энергии и пониженное механическое давление на ветряную турбину. С другой стороны, к несовершенствам данной системы возможно отнести утечки энергии в преобразователе мощности, повышение числа компонентов, и вдобавок подорожание оборудования.

Применение ветряных турбин с контролируемой скоростью повышает число применимых видов генераторов и действительно выдает потенциал для комбинирования видов генераторов и видов преобразователей энергии.

 

2.2 Обзор концепций контроля мощности  

 

Все ветряные турбины обустроены устройствами регулирования мощности. Имеется порядочно методов управления аэродинамическими силами, действующими на турбину, и соответственного лимитирования мощности при больших скоростях ветра, чтобы исключить угрозу повреждения ветряной турбины.

Наипростейший практический и доступный метод управления – это контроль приостановки лопастей (пассивное управление), когда лопасти зафиксированы под неизменным углом. Аэродинамическая установка ротора принуждает ротор останавливаться (терять мощность), когда скорость ветра превосходит обусловленный уровень. Соответственно, аэродинамическая мощь лопастей ограничена. Эта медленная настройка аэродинамической мощности приводит к меньшим колебаниям мощности, чем регулировка мощности из-за стремительного изменения наклона. К недостаткам предоставленного метода можно отнести падение КПД при низких скоростях ветра, отсутствие пусковой системы и изменение огромной установленной мощности за счет изменения плотности воздуха и частоты сети.

Иной тип управления – это управление наклоном (активное управление), при котором лопасти возможно крутить против ветра или от ветра, при этом выходная мощность становится больше или ниже, соответственно. В целом, превосходства данного типа управления – качественный контроль выходной мощности, поддержка при запуске и аварийной остановке. С точки зрения электрической системы, хороший контроль мощности означает, что при высоких скоростях ветра средняя выходная мощность близка к номинальной мощности генератора. К недостаткам можно отнести ненужную сложность из-за механизма регулирования тока и большие колебания мощности при высоких скоростях ветра. Мгновенная мощность будет отклоняться от номинального среднего значения мощности.

Третий допустимый тип управления – это управление активной остановкой. Как следует из названия, приостановка лопастей контролируется наклоном лопастей. При низких скоростях ветра лопасти склоняются так же, как у ветряной турбины, с регулировкой угла наклона лопастей для наибольшей эффективности. Турбины с активным правлением остановки гарантируют более мягкое сдерживание мощности без значительных колебаний, как в случае ветряных турбин с регулированием наклона. Превосходство данного типа управления состоит в том, что он может компенсировать изменения плотности воздуха. Комбинация с механизмом наклона упрощает аварийную приостановку и включение ветряной турбины [3].

2.3 Обзор генераторов ветротурбин  

 

В целом, ветряная турбина может быть оборудована трехфазным генератором всякого типа. Сейчас нужда в электроэнергии необходимого качества может быть удовлетворена через включение преобразователей частоты, даже если генератор производит неустойчивое напряжение переменной частоты или систематическое напряжение. Далее приведены ключевые разновидности генераторов, какие применяются в ветряных турбинах.

Асинхронные (индукционные) генераторы:

• асинхронный генератор с закрытым ротором (SCIG)
• асинхронный генератор с фазным ротором (WRIG)
• индукционный генератор с оптическим правлением (OSIG)
• асинхронный генератор двойной мощности (DFIG)

Самый распространенный тип генератора в ветряных турбинах –индукционный. Он обладает такими достоинствами, как надежность и простота, невысокая стоимость, ключевым его несовершенством является необходимость наличия реактивного тока намагничивания. Асинхронный генератор не имеет постоянных магнитов и возбуждается отдельно. Следовательно, он вынужден брать ток возбуждения от другого источника и употреблять реактивную мощность. Магнитное поле генератора образовывается только тогда, когда он включен в сеть. Ротор асинхронного генератора может быть короткозамкнутым или синхронизированным по фазе.

Синхронные генераторы:

• синхронный генератор с фазным ротором (WRSG)
• синхронный генератор на постоянных магнитах (PMSG)

Синхронный генератор обладает более высокой стоимостью и более непростой конструкцией, чем индукционная машина той же мощности. Однако его бесспорное превосходство в том, что он не потребляет реактивную мощность из сети. В ветроэнергетике независимо применяются два обычных типа синхронных генераторов: синхронный генератор с фазным ротором и синхронный генератор с постоянными магнитами. Синхронный генератор с постоянными магнитами обширно применяется в ветряных турбинах из-за его способности к самовозбуждению, что дозволяет ему действовать с повышенным коэффициентом мощности и высоким КПД.

Далее приведены виды генераторов, какие могут быть использованы в будущих ветряных турбинах.

Некоторые виды генераторов:

• генератор высокого напряжения (HVG)
• переключаемый генератор магнитного сопротивления (SRG)
• генератор поперечного магнитного потока (TFG) [3].

 

2.4 Обзор современных конфигураций ветротурбин

 

Чаще всего используемые конфигурации ветряных турбин систематизируются по их способности управлять скоростью и по виду управления мощностью. Используя контроль скорости в качестве критерия, возможно отметить 4 всевозможных доминирующих типа ветряных турбин, как показано на рисунке 2.1.

 

Рисунок 2.1 – Типовые конструкции ветротурбин

 

Конфигурации ветряных турбин еще возможно систематизировать по типу управления мощностью: управление остановкой, управление наклоном, управление активной остановкой. В таблице 2.1 указаны различные виды ветряных турбин с учетом двух критериев (управление скоростью и управление мощностью). Любой комбинации этих двух критериев дается имя, сероватые зоны означают комбинации, которые в настоящее время не используются в отрасли ветряных турбин.

 

Таблица 2.1 – Концепции ветротурбин

 

Ветротурбина с постоянной скоростью вращения

В ветротурбине с постоянной скоростью вращения генератором является индукционный генератор с короткозамкнутым ротором, который прямо включен в сеть, как показано на рисунке 2.2.

 

Рисунок 2.2 – Ветротурбина с постоянной скоростью вращения

 

Ротор турбины вертится с постоянной скоростью, характеризуемой частотой сети, передаточным числом редуктора и количеством пар полюсов. Ветряк с непрерывной быстротой вращения подключается к сети посредством устройства мягкого пуска. Асинхронный генератор потребляет реактивную мощность из сети, и конденсаторные батареи необходимы для компенсации реактивной мощности. Коробка передач применяется для преобразования энергии малоскоростной ветряной турбины в энергию вращения ротора скоростного генератора. Напряжение генератора увеличивается с помощью увеличивающего трансформатора до напряжения в точке подключения к сети.

Превосходства данной конфигурации – простота, достоверность и меньшая стоимость по сравнению с прочими видами ветряных турбин. Однако применение реактивной мощности не контролируется, изменения скорости ветра приводят к изменениям вращающего момента и выходной мощности, которые подаются в сеть. Колебания мощности могут вызвать огромные колебания напряжения, если ветряная электростанция подключена к слабенькой сети.

Риск утраты синхронности из-за мощного ускорения в случае падения напряжения и увеличения потребляемой реактивной мощности, особенно в послеаварийном режиме, также представляются несовершенствами данной ветряной турбины. Динамические характеристики асинхронного генератора не могут быть существенно улучшены. Предупредительные или корректирующие меры, которые могут использоваться для ограничения ускорения ветряной турбины во время падения напряжения, содержатся в усовершенствовании контроля наклона и обеспечении поддержки реактивной мощности в послеаварийном режиме с применением устройств FACTS. Установка данных устройств повысит ценность ветряной турбины.

 

Ветротурбина с переменным сопротивлением ротора

В ветряной турбине с переменным сопротивлением ротора генератор представляет собой асинхронную машину с заведенным ротором, прямо присоединенным к сети. Как и в случае ветряной22 турбины с постоянной скоростью, конденсаторные батареи нужны для обеспечения реактивной мощности асинхронной машины. Более четкое сетевое соединение достигается с помощью устройства мягкого пуска. Оригинальной спецификой данной концепции является добавочное регулируемое сопротивление ротора, которое возможно менять с помощью преобразователя с оптическим управлением на валу турбины. Зрительный контроль избавляет от необходимости установки и обслуживания дорогостоящих контактных колец и щеток. Противодействие ротора меняется и регулирует скольжение. Так регулируется выходная мощность этой турбины. Поменяв сопротивление ротора, возможно регулировать скорость ротора в границах 10% от синхронной скорости. Установка данного типа ветряной турбины представлена на рисунке 2.3.

 

Рисунок 2.3 – Ветротурбина с переменной скоростью вращения и переменным сопротивлением ротора

 

 

Ветротурбина с неустойчивой скоростью вращения с полным преобразователем

В ветротурбинах с переменной скоростью вращения с полным преобразователем, генератором может быть короткозамкнутый индукционный или синхронный генератор, какой присоединен к сети через электросиловой преобразователь как показано на рисунке 2.4.

 

Рисунок 2.4 – Ветротурбина с полным преобразователем

 

Преобразователь мощности, присоединенный к статору, вынужден преобразовывать всю мощность генератора. Преобразователь частоты гарантирует компенсацию реактивной мощности и более мягкое подключение к сети. Возбуждение генератора может быть электрическим (синхронный генератор с возбужденным ротором) или с помощью постоянных магнитов (синхронный генератор с постоянными магнитами). Отдельные модели данного типа не имеют редуктора, однако применяют многополюсный генератор крупного диаметра. Ключевым превосходством данной установки является наиболее подходящее динамическое поведение при возмущениях с минимальными переходными процессами, а также право рационализировать регулирование активной и реактивной мощностью и соответствовать запросам сети.

 

Ветряная турбина с регулируемой скоростью и индукционным генератором двойной мощности

В ветряной турбине с регулируемой скоростью и индукционной машине с двойным питанием, показанной на рисунке 2.5, применяется преобразователь мощности.

 

Рисунок 2.5 – Ветротурбина с асинхронной машиной двойного питания

 

Преобразователь подключен к ротору генератора, статор генератора прямо включен в сеть. По сравнению с ветряной турбиной с преобразователем полной мощности, данный тип больше годится для ветряных турбин внушительной мощности, поскольку лишь незначительная доля (обычно 20-30 %) всеобщей энергии проходит сквозь преобразователь мощности. Это позволяет установить преобразователь меньшей мощности и, как следствие, приводит к снижению затрат и потерь энергии в преобразователе [4].

 

2.5 Асинхронный генератор двойного питания  

 

Асинхронный генератор двойной мощности имеет статор, аналогичный статору стандартного индукционного генератора, но вместо обычного ротора используется ротор с фазовой обмоткой. Фазовые обмотки ротора подсоединяются к распределительной коробке с помощью контактных колец ротора и угольных щеток.

Возникает вероятность использовать самостоятельный источник питания для обмоток ротора и статора (двойной источник питания). Ротор не включен прямо в сеть, он питается от инвертора. При использовании инвертора возможно управлять питанием ротора.

Ветряная турбина применяет принципы двойного индукционного генератора и системы переменной скорости. Это позволило употреблять специфические взгляды двухступенчатой асинхронной машины с раздельным питанием статора и ротора от двух независимых трехфазных систем.

При применении ключевого принципа работы асинхронных генераторов с прямым подключением к линейной части генерируемой мощности скользящая мощность не используется. Эта потраченная впустую мощность, генерируемая в роторе, но не передаваемая, становится легко доступной для использования в сети с помощью индукционного генератора двойной мощности. Ротор еще возможно запитать от сети через инвертор. Таким образом, инвертор будет управлять током в роторе, и можно будет координировать активную и реактивную мощность, а также, при желании, коэффициент мощности (cosϕ).

Коэффициент мощности регулируется путем наложения частоты ротора и рабочей частоты инвертора. Результирующая частота, обретенная в сети, остается постоянной относительно скорости ротора. Это означает, что частота вращения ротора сможет отклоняться на ± 30%. Таким образом, можно использовать скорость, которая всячески зависит от мощности ветряной турбины при изменении скорости ветра.

Инвертор находится между ротором и точкой включения в сеть. Статор напрямую подключен к сети. По этой причине через инвертор подается лишь доля мощности (около 35%), и незачем рассчитывать инвертор для всей мощности генератора. Это приводит к экономии затрат по сравнению с системами с прямым инвертором и синхронными генераторами.

Асинхронный генератор двойной мощности сочетает в себе превосходства синхронной и асинхронной машины:

— Работает с разной скоростью

— Раздельное управление активной и реактивной мощностью

Используя принцип двойной подачи, генератор может постоянно работать как на вспомогательной, так и на сверхсинхронной скорости.

Трехфазный асинхронный генератор из-за своей конструкции надежен и просит минимального обслуживания. Это большое превосходство данной технологии. Это также стандартный, доступный и дешевый двигатель или генератор.

Асинхронный генератор двойной мощности обладает множеством технических превосходств по сравнению со стандартной асинхронной машиной. Однако при планировании системы следует учитывать высокую стоимость генератора и инвертора.

Применение асинхронного генератора двойной мощности в ветряной турбине внушительной мощности является компромиссом с экономической и технической точек зрения. Асинхронные генераторы двойной мощности уже применялись в различных ветроэлектростанциях, и данный опыт может быть использован в иных проектах.

Машины с двойной подачей, работающие в энергосистемах в качестве генераторов, имеют определенные превосходства перед обычными синхронными генераторами: они более стабильно функционируют в режимах полного потребления реактивной мощности, располагают огромной динамической стабильностью, гарантируют компенсацию колебаний частоты и т.д.

---

1 2 3