АВТОНОМНАЯ ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ СТАНЦИЯ
AUTONOMOUS WIND-DRIVEN STATION

Предлагаемое техническое решение относится к области ветроэнергетики, конкретно - к автономным ветроэнергетическим станциям, содержащим несколько ветроэнергетических установок с генераторами переменного тока.
Ветроэнергетическая станция сооружается так, чтобы расстояние между ветроэнергетическими установками составляло примерно 6-18 диаметров ветроколеса. Это позволяет свести к минимуму взаимное влияние ветроэнергетических установок, устраняя снижение скорости ветра у стоящих во вторых эшелонах установок по направлению ветра. Но ветер имеет случайный характер. Поэтому скорости ветра перед ветроколесами всегда разнятся, а следовательно, разнятся и мощности ветроэнергетических установок. Например, при возрастании скорости ветра перед первой ветроэнергетической установкой ее мощность возрастет в кубической зависимости, а скорости перед последующими ветроэнергетическими установками имеют прежнее значение, пока фронт указанного возрастания скорости ветра не преодолеет указанное расстояния между ветроэнергетическими установками. В свою очередь, это вызывает взаимное влияние ветроэнергетических установок и в электрической части в виде колебаний мощности на шинах ветроэнергетической станции. При порывах ветра эти колебания мощности особо очевидны и зачастую приводят к нарушению устойчивости синхронной работы станции, т.к. устойчивость между ее синхронными генераторами обеспечивается по взаимному углу.
Известна ветроэнергетическая станция (аналог), содержащая несколько ветроэнергетических установок с синхронными генераторами переменного тока и электромеханический преобразователь из двух электрических машин. Статорная обмотка генератора переменного тока электромеханического преобразователя подключена к шинам переменного тока станции (Дьяков А.Ф., Пермппов Э.М., Шакарпн Ю.Г. Ветроэнергетика России. Состояние и перспективы развития. - М.: Издательство МЭИ, 1996, см. стр.81-84). При этом двигатель электромеханического преобразователя, выполненный как машина постоянного тока, подключен к шинам постоянного тока станции. К этим же шинам постоянного тока станции подключены каждый через свой полупроводниковый выпрямитель синхронные генераторы всех ветроэнергетических установок в параллель. Такая схема сохраняет взаимное влияние ветроэнергетических установок по шинам постоянного тока, но решает проблему устойчивости синхронной работы станции и снижает колебания мощности на шинах общей нагрузки станции за счет общей маховой массы роторов машин электромеханического преобразователя.
Устройство-аналог обладает следующими недостатками. Во-первых, схема станции содержит машину постоянного тока. Однако известно (Электротехнический справочник. 4 изд., т.1, кн.1, М., 1971), что наличие коллектора и щеточного устройства усложняет ее конструкцию, обусловливает высокую стоимость и сравнительно низкую эксплуатационную надежность. Во-вторых, схема станции содержит полупроводниковые выпрямители по числу ветроэнергетических установок. Эти моменты в целом усложняют схему ветроэнергетической станции.
Известно устройство-прототип (МПК F03D 7/02, Патент №2422674). Ветроэнергетическая станция, содержащая несколько ветроэнергетических установок с генераторами переменного тока и электромеханический преобразователь из двух электрических машин, статорная обмотка генератора переменного тока которого подключена к шинам переменного тока станции, согласно изобретению, двигатель электромеханического преобразователя выполнен как электрическая машина переменного тока с числом пар полюсов, равным числу ветроэнергетических установок станции, а статорные обмотки двигателя электромеханического преобразователя соединены со статорными обмотками генераторов ветроэнергетических установок, при этом обмотка одной пары полюсов статора двигателя соединена со статорной обмоткой генератора только одной из ветроэнергетических установок.
Недостаток устройства прототипа - сложность конструкции из-за наличия двух разнотипных электрических машин переменного тока в агрегате.
Техническая задача, решаемая предлагаемым устройством, состоит в упрощении ветроэнергетической станции. Технический эффект, благодаря которому решается техническая задача - расположение генераторных обмоток на дополнительных парах полюсов двигателя. Этим достигается упрощение ветроэнергетичекой станции.
Поставленная задача решается тем, что в ветроэнергетической станции с несколькими ветроэнергетическими установками с генераторами переменного тока и электромеханический преобразователь с двигателем переменного тока, содержащий число пар полюсов, равное числу ветроэнергетических установок станции, при этом обмотка одной пары полюсов статора двигателя соединена со статорной обмоткой генератора только одной из ветроэнергетических установок, а статорная обмотка генератора переменного тока электромеханического преобразователя подключена к шинам переменного тока станции, двигатель электромеханического преобразователя выполнен с дополнительными полюсами, обмотки пар которых образуют указанную статорную обмотку генератора переменного тока.
На чертеже представлен общий вид предлагаемой автономной ветроэнергетической станции с тремя ветроэнергетическими установками.
В автономной ветроэнергетической станции, согласно чертежу, в первой ветроэнергетической установке ветроколесо 1 через мультипликатор 2 соединено с генератором 3 переменного тока, а вторую и третью ветроэнергетические установки образуют соответствующие элементы 4, 5, 6 и 7, 8, 9. На чертеже показано, что при подключении к локальной энергосистеме в электромеханическом преобразователе 10 ротор 11 двигателя соединен посредством вала 12 через муфту 13 и редуктор 14 с дизелем 15. Обмотки 16, 17 и 18 являются обмотками соответственно первой, второй и третьей пары полюсов статора 19 двигателя электромеханического преобразователя 10. Обмотка 16 через цепь 20 соединена со статорной обмоткой генератора 3 первой ветроэнергетической установки. Обмотка 17 через цепь 21 соединена со статорной обмоткой генератора 6 второй ветроэнергетической установки. Обмотка 18 через цепь 22 соединена со статорной обмоткой генератора 9 третьей ветроэнергетической установки. Дополнительно расположенные на статоре 19, например, три обмотки 23, 24, 25 образуют генераторные обмотки электромеханического преобразователя 10. Они через цепь 26 соединены с шинами переменного тока 27 локальной энергосистемы.
При этом автономная ветроэнергетическая станция имеет два вида исполнения. Первый - электромеханический преобразователь 10 выполнен в виде одной многополюсной синхронной машины переменного тока, при этом генераторы 3, 6 и 9 ветроэнергетических установок выполнены в виде асинхронных машин переменного тока. Второй - электромеханический преобразователь 10 выполнен в виде многополюсной асинхронной машины переменного тока, при этом генераторы 3, 6 и 9 ветроэнергетических установок выполнены в виде синхронных машин переменного тока, а шины переменного тока 27 должны быть шинами мощной энергосистемы для компенсации реактивной мощности.
Обмотка каждой пары полюсов электромеханического преобразователя 10 может быть выполнена, например, по схеме трехфазной концентрической обмотки для разъемного статора (Вольдек А.И. Электрические машины. 2 изд., переработанное и дополненное, издательство "Энергия", ленинградское отделение, 1974 г., см. стр.416-419).
1
2
3
Автономная ветроэнергетическая станция при выполнении электромеханического преобразователя 10 в виде многополюсной синхронной машины переменного тока и генераторов 3, 6, 9 ветроэнергетических установок выполнены в виде асинхронных машин переменного тока, работает следующим образом. Как упоминалось, скорости ветра U, U, U, указанные на чертеже, всегда разнятся, а следовательно, разнятся и мощности ветроэнергетических установок. При этом ветроколеса 1, 4 и 7 вращаются с различающимися скоростями. Поэтому роторы асинхронных генераторов 3, 6, 9 также вращаются с различающимися скоростями со скольженьями, не превышающими критические значения. Так как электрической связи между цепями обмоток 16, 17 и 18 пар полюсов статора 19 синхронной машины и статорных обмоток асинхронных генераторов соответственно 3, 6 и 9 нет, то потоки активных мощностей последних направлены к электромеханическому преобразователю 10 и суммируются им в механическую мощность на самом роторе 11 электромеханического преобразователя 10. При этом общая маховая масса ротора 11, редуктора 14 и дизеля 15 снижает колебания мощности на шинах 27 общей нагрузки станции. Потоки реактивных мощностей, необходимые для нормальной работы асинхронных генераторов 3, 6 и 9 ветроэнергетических установок, генерируются синхронным электромеханическим преобразователем 10 и направлены от его обмоток 16, 17 и 18 к генераторам 3, 6 и 9, т.е. направлены против потоков активных мощностей.
Автономная ветроэнергетическая станция при выполнении электромеханического преобразователя 10 в виде асинхронной машины переменного тока, а генераторов 3, 6, 9 ветроэнергетических установок в виде синхронных машин переменного тока работает по активной мощности так же, как и в предыдущем случае. Т.е. потоки активных мощностей направлены от генераторов 3, 6 и 9 к преобразователю 10. Но так как каждая пара полюсов преобразователя 10 работает в режиме отдельной асинхронной машины, то реактивные мощности, необходимые для их нормальной работы, генерируются синхронными генераторами 3, 6 и 9. При этом потоки реактивных мощностей направлены также от генераторов 3, 6 и 9 к двигателю 12. Генераторные обмотки 23, 24, 25 электромеханического преобразователя 10 работают в режиме асинхронного генератора, для нормальной работы которого реактивная мощность потребляется из мощной энергосистемы. В этом и заключается режимное отличие от предыдущего случая.
Поставленная задача решена предлагаемым устройством. Автономная ветроэнергетическая станция упрощена, так как в ней нет двухмашинного электромеханического преобразователя. Кроме того, в ней могут использоваться ветроэнергетические установки как с синхронными генераторами, так и с асинхронными генераторами, что расширяет область ее применения. Предлагаемое устройство может быть применено и для работы параллельно с мощной энергосистемой подключением к ней шин переменного тока станции.