Разработки алгоритма выбора автономной системы электроснабжения на основе ветрогенераторных установок

АВТОНОМНЫЕ СИСТЕМЫ

УДК 621.3 DOI: 10.32464/2618-8716-2019-2-1-8-16

Разработки алгоритма выбора автономной системы электроснабжения на основе ветрогенераторных установок

П.А. Хлюпин, Г.Н. Испулаева

Уфимский государственный нефтяной технический университет (УГНТУ), 450062, г. Уфа, ул. Космонавтов, д. 1

Аннотация

Введение: рассмотрены основные виды ветряных турбин и электрических генераторов ветроэнергетических агрегатов, а также новые технические решения. Определены основные достоинства и недостатки существующих ветроустановок при их применении в качестве источника альтернативной энергии. Показана необходимость разработки алгоритма выбора автономной системы электроснабжения на основе ветрогенераторных установок при создании ветряных электростанций на территории России.

Методы: рассмотрены виды ветряных турбин и типы применяемых электрогенераторов.

Результаты и обсуждения: представлен алгоритм выбора автономной системы электроснабжения на основе ветрогенераторных установок в первом приближении.

Заключение: разрабатываемый алгоритм позволяет осуществить создание эффективной автономной системы электроснабжения на основе ветрогенераторных установок.

Ключевые слова: возобновляемые источники энергии, ветрогенераторная установка, энергия ветра, электрогенератор, автономная система электроснабжения

Для цитирования: Хлюпин П.А., Испулаева Г.Н. Разработки алгоритма выбора автономной системы электроснабжения на основе ветрогенераторных установок // Силовое и энергетическое оборудование. Автономные системы. 2019. Т. 2. Вып. 1. С. 8-16. URL: http://www.powerjournal.ru

Development of the algorithm

for the selection of a wind generator-based autonomous power supply system

P.A. Khlyupin, G.N. Ispulaeva

Ufa State Petroleum Technical University (USPTU), 1 Cosmonavtov st., Ufa, 450062, Russian Federation Abstract

Introduction: The co-authors provide an overview of the main types of wind turbines and power generators installed into wind energy devices, as well as advanced technological solutions. The co-authors have identified the principal strengths and weaknesses of existing wind power generators, if applied as alternative energy sources. The co-authors have proven the need to develop an algorithm for the selection of a wind generator-based autonomous power supply system in the course of designing windmill farms in Russia.

Methods: The co-authors have analyzed several types of wind turbines and power generators.

Results and discussions: The algorithm for the selection of a wind generator-based autonomous power supply system is presented as a first approximation.

Conclusion: The emerging algorithm enables designers to develop an effective wind generator-based autonomous power supply system.

Keywords: renewable power sources, wind power generator, wind energy, power generator, autonomous power supply system

For citation: Khlyupin P.A., Ispulaeva G.N. Razrabotki algoritma vybora avtonomnoy sistemy elektrosnabzheniya na osnove vetrogeneratornykh ustanovok [Development of the algorithm for the selection of a wind generator-based autonomous power supply system]. Silovoe i energeticheskoe oborudovanie. Avtonomnye sistemy [Power and Autonomous Equipment]. Vol. 2. Issue 1. Pp. 8-16. URL: http://www.powerjournal.ru

Адрес для переписки:

Хлюпин Павел Александрович

УГНТУ, 450062, г. Уфа, ул. Космонавтов, д. 1,

KhlupinPA@mail.ru

Address for correspondence: Pavel Alexandrovich Khlyupin

USPTU, 1 Cosmonavtov st., Ufa, 450062, Russian Federation, KhlupinPA@mail.ru

ВВЕДЕНИЕ

Ветер — это одна из доступных форм среди возобновляемых источников энергии. Направление потоков ветра изменчиво и полностью зависит от рельефа земной поверхности, присутствия водоемов, растительности. Человек сначала научился превращать энергию движения воздушных масс в механическую, а затем и в электрическую энергию.

В настоящее время во всем мире наблюдается повышенный интерес к использованию в различных отраслях экономики нетрадиционных возобновляемых источников энергии. Ведется бурная дискуссия о выборе путей развития энергетики. Это связано прежде всего с растущей необходимостью охраны окружающей среды и истощением ископаемых природных ресурсов, а также с необходимостью повышения энергоэффективности промышленных и бытовых комплексов.

Современная ветроэнергетика имеет ряд проблем, которые негативным образом влияют на повышение эффективности энергосбережения. Наиболее актуальные из них следующие:

• обеспечение продолжительного функционирования ветроэлектрических агрегатов;

• обеспечение эффективного использования энергии ветра;

• стабилизация частоты электроэнергии, которую вырабатывают ветроустановки.

В настоящей статье рассмотрен подход к процессу разработки алгоритма выбора максимально эффективной автономной системы электроснабжения на основе ветрогенераторных установок.

МЕТОДЫ

Для разработки алгоритма необходимо решить ряд задач, среди которых:

• анализ конструкций существующих ветрогенераторов;

• выбор и обоснование конструкции ветрогенератора для создания автономной системы электроснабжения;

• анализ существующих систем стабилизации частоты вращения вала электрогенератора;

• анализ применяемых электрогенераторов и обоснование их выбора.

Ветрогенераторы подразделяются по расположению оси вращения на конструкции с вертикальной осью (перпендикулярной земле) и горизонтальной осью (параллельной земле).

Механизмы с вертикальной осью наделены рядом существенных особенностей перед ветрогенера-торами с горизонтальной осью. Отсутствие узлов под ориентирование на ветровой поток заметно уменьшает все гидроскопические нагрузки. Из-за своего строения при абсолютно любом направлении ветра конструкция располагается в абсолютно произвольном положении, ввиду чего она более проста в своем исполнении. В подобных механизмах возникновение вращения создают подъемная сила лопастей, а также силы сопротивления. На рис. 1 представлены ветромеханизмы с вертикальной осью вращения.

3

Рис. 1. Ветромеханизмы с вертикальной осью вращения: 1 — ортогональная конструкция; 2 — механизм Дарье;

3 — механизм Савониуса; 4 — многолопастной ротор с направляющим аппаратом; 5 — механизм геликоидной конструкции

Fig. 1. Vertical axis wind actuators: 1 — orthogonal construction; 2 — Daria's mechanism; 3 — Savonius mechanism;

4 — multi-blade rotor with guide vane; 5 — mechanism helicoid structure

К преимуществам ветрогенераторов с вертикальной осью относятся:

• отсутствие направляющих потока воздуха;

• низкие затраты на ремонт ввиду малого количества подвижных деталей;

• конструктивно данный ротор может располагаться ниже аналогичного горизонтального, из-за чего отсутствует необходимость в специальных подъемных механизмах и подъема персонала на высоту;

• на высокую эффективность ротора не оказывают влияния ни угол, ни скорость направления потока ветра. К недостаткам ветрогенераторов с вертикальной осью относятся:

• большой объем лопастей системы;

• теоретически достижимый КПД не превышает 22 %.

Ветрогенераторы с вертикальным механизмом из-за сравнительно малого КПД и незначительной мощности часто применяются для потребностей небольших частных хозяйств.

Наибольшую популярность в промышленных масштабах при создании ветроэлектростанций получили механизмы с горизонтальной осью вращения (горизонтальные ветрогенераторы), ось вращения турбины которых расположена параллельно земле. Этот тип получил название «ветряной мельницы», лопасти которой вращаются против ветра. Конструкция горизонтальных ветрогенераторов предусматривает автоматический поворот головной части (в поисках ветра), а также поворот лопастей для использования ветра небольшой силы. Как и вертикальные механизмы, горизонтальные также могут быть одно-, двух- и многолопастными (рис. 2).

Рис. 2. Виды горизонтальных ветрогенераторов Fig. 2. Types of horizontal wind turbines

Однолопастные и двухлопастные горизонтальные механизмы отличаются высокими двигательными оборотами при сравнительно малых массогабаритных показателях. Большую часть производимых ветрогенераторов с горизонтальным механизмом занимают трехлопастные. Изготавливаются на мощности до 7 МВт. Многолопастные установки могут насчитывать от 4 до 50 лопастей, что сказывается на высокой инерции.

На современном рынке появляются ветрогенераторы, отличные от классических конструкций, например гибридные.

Теоретически достижимый КПД ветрогенератора с вертикальным механизмом не превышает 59 %.

Мощность и КПД ветрогенератора зависят не только от его конструктивных параметров, но и от ветровой нагрузки. На рис. 3 представлена карта ветровой нагрузки Российской Федерации [1].

20 40 60 80 100 120 140 160 180

Долгота, град.

Рис. 3. Карта ветровой нагрузки Российской Федерации Fig. 3. Map of the wind load of the Russian Federation

Для большинства регионов России характерны условия слабых и умеренных ветров, что приводит к необходимости применения дополнительного оборудования — редуктора. Он позволяет увеличивать скорость вращения вала генератора за счет падения мощности на валу пропорционально передаточному числу. Редукторы различаются по типу используемой передачи: цилиндрические, червячные, планетарные, конические, комбинированные. Перечисленные механические редукторы обладают достоинствами и недостатками, однако общим недостатком является низкая надежность.

Применение безредукторных ветряных электроустановок [2, 3] позволяют повысить надежность, снизить шум и вибрацию, увеличить срок эксплуатации [4]. Единственным недостатком остается высокая стоимость данных установок.

Еще одним устройством регулирования частоты вращения вала электрогенератора ветроэлектроуста-новки является магнитный редуктор, бесконтактная электромеханическая машина. По сути своей представляет собой две электрические машины, взаимодействие которых происходит путем изменения взаимодействующих электромагнитных индукций между двумя воздушными зазорами, что позволяет плавно регулировать трансмиссии угловых скоростей валов [5].

Разработкой и исследованием магнитных редукторов занимаются как за рубежом [6-9], так и на территории бывших советских республик [10, 11, 15]. Например, отечественный магнитный редуктор разработан и внедрен компанией АО «Чебоксарский электроаппаратный завод», г. Чебоксары, схематический вид которого представлен на рис. 4 [12].

Рис. 4. Магнитный редуктор разработки АО «Чебоксарский электроаппаратный завод» Fig. 4. Magnetic reducer developed by AO "Cheboksary Electrical Equipment Plant"

Эффективность ветроэнергетической установки зависит не только от турбины и передающего механизма, но и от типа генератора, преобразующего механическую энергию ветра в электрическую. В зависимости от расположения оси вращения турбины и мощности различают следующие типы генераторов: генератор постоянного тока, синхронный генератор (СГ), асинхронный генератор с короткозамкнутым ротором (АГ с к.з.), асинхронный генератор с фазным ротором (АГ с ф.р.), синхронные генераторы с магнитоэлектрическим возбуждением (СГ с м/э возб.), синхронные генераторы с электромагнитным возбуждением (СГ с э/м возб.), индукторные синхронные генераторы.

Электрический генератор не только выполняет функцию по преобразованию энергии, но должен стабилизировать и регулировать выходные параметры электрической энергии. Задачами совершенствования функционирования работы генератора занимаются во всем мире. Среди исследований можно выделить следующие: возможность использования асинхронизированного генератора двойного питания; коммутируемый реактивный синхронный генератор; управляемый реактивный синхронный генератор для безре-дукторной установки; работу асинхронного генератора с короткозамкнутым ротором, оснащенного системой тиристорного управления реактивной мощностью в цепи статора [13] и др.

В России разработка и исследование аналогичных генераторных установок находится в зачаточном состоянии, а новые разработки выпускаются производством малой мощности и в незначительных объемах. В условиях российского климата на данный момент наиболее эффективно использование традиционного или классического типа генератора.

Следует учитывать, что предполагается работа генераторов в параллельном режиме на одну сеть и нагрузку, а значит, необходимо сочетать выходные электрические параметры. Для этого на рис. 5 приведены некоторые важные факторы электрических генераторов [14].

АГ с к/з

> ДОСТОИНСТВА

• простота, надежность и низкая стоимость

• возможность регулирования напряжения и частоты в широких пределах

• высокий КПД

• НЕДОСТАТКИ

• необходимость установки редуктора

• высокий уровень шума

• необходим источник реактивной энергии

• искаженная форма выходного напряжения

АГ с ф/р

•ДОСТОИНСТВА

• применение в автономных системах в сочетаниис другими машинами

• простота в обслуживании •надежность

• НЕДОСТАТКИ

• необходимость установления редукторов

• высокий уровень шума

• невозможно управлять режимными параметрами, что бывает необходимо при порывистом ветре

• необходим источник реактивной мощности

• наличие скользящего контакта

•ДОСТОИНСТВА

г 1 •исключение скользящего контакта

СГ с м/э • высокая надежность работы

•высокое значение КПД

возб. •НЕДОСТАТКИ

L ' шш в • высокая стоимость

•невозможность обеспечения постоянства магнитного потока

•ДОСТОИНСТВА

• низкий состав гармоник в токе

г СГ с э/м •возможность управления реактивной мощностью со стороны

генератора

возб. •НЕДОСТАТКИ

• высокая стоимость, сложная конструкция

• наличие скользящего контакта и необходимость источника

постоянного тока для обмотки возбуждения

•жесткая зависимость частоты ЭДС от скорости вращения

Рис. 5. Факторы электрических генераторов Fig. 5. Factors electric generators

На инфографике (рис. 5) не представлена информация о вновь разрабатываемых генераторах, так как их массовое применение еще не началось и ведутся исследования.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЯ

Учитывая факты об электрических генераторах, не следует подходить к выбору генератора для ветро-установки статично, особенно при создании ветровых энергетических станций (ВЭС).

Авторы в первом приближении предлагают алгоритм создания ветрогенератора при создании ВЭС (рис. 6). При разработке учитывались следующие важные параметры и показатели:

• установленная электрическая мощность потребителя с запасом на перспективу увеличения;

• технико-экономическое обоснование применения возобновляемого источника энергии (ВИЭ) как основного относительно традиционных источников и анализ возможности использования типа ВИЭ;

• выбор составных элементов ветроустановки, исходя из принципов максимальной эффективности.

Рис. 6. Алгоритм выбора ветрогенератора для ВЭС в первом приближении Fig. 6. Selection algorithm for VES wind turbine in a first approximation

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

По результатам аналитического обзора можно сказать, что разработка алгоритма выбора ветрогене-ратора для ВЭС является актуальной и необходимой задачей для развития альтернативной энергетики в России. Алгоритм выбора ветрогенератора для ВЭС позволит максимально учитывать сильные стороны любого типа ветроустановки при групповой работе, стабилизировать частоту электрической энергии, вы-

рабатываемой электроустановкой, обеспечит эффективное использование энергии ветра, увеличит продолжительность функционирования ветроагрегатов.

Перед разработчиками стоит задача уточнения алгоритма с последующей разработкой программного продукта для анализа и подтверждения принятых проектных решений при создании ветряных электростанций на территории Российской Федерации. Алгоритм также будет позволять рассматривать установку ВЭС в сложных климатических условиях в важном стратегическом регионе страны — Арктике.

ЛИТЕРАТУРА

1. Попель О.С. Автономные энергоустановки на возобновляемых источниках энергии // Энергосбережение. 2006. № 3. URL: https://www.abok.ru/for_spec/articles.php?nid=3278 (дата обращения 26.02.2019).

2. Brian Wang. European EcoSwing builds full scale superconductor wind turbine. Nextbigfuture. November 21, 2018. URL: https://www.nextbigfuture.com/2018/11/european-ecoswing-builds-first-full-scale-superconductor-wind-turbine.html

3. Никишин А.Ю., Казаков В.П. Современные ветроэнергетические установки на базе асинхронных машин // Современные проблемы науки и образования. 2012. № 6. Ст. 122. URL: http://www.science-education.ru/ru/article/ view?id=7937 (дата обращения: 12.03.2019).

4. Манакова Е.А., Гаибов И.А., Бычков И.А., Черкасова Т.А., Бубенчиков А.А. Применение редукторов в ветроэнергетических установках // Молодой ученый. 2016. № 28.2. С. 86-87. URL: https://moluch.ru/archive/132/37229/ (дата обращения: 12.03.2019).

5. Афанасьев А.А., Генин В.С., Исломов И.И., Калинин А.Г., Токмаков Д.А. Регулируемый магнитный редуктор // Электротехника. 2017. № 7. С. 55-59.

6. Belkhir K.S., Khenfer N. Magnetic gear generator for wind energy // Przeglad elektrotechniczny. 2013. No. 7. Pp. 17-24. URL: http://www.red.pe.org.pl/articles/2013/5/15.pdf

7. Zhiyuan Qi, Eerduntaokesu Lin. Integrated power control for small wind power system // Journal of Power Sources. 2012. No. 217. Pp. 322-328. DOI: 10.1016/j.jpowsour.2012.06.039

8. Muyeen S.M., Ahmed Al-Durra, Tamura J. Variable speed wind turbine generator system with current controlled voltage source inverter // Energy Conversion and Management. 2011. No. 52. Pp. 2688-2694. DOI: 10.1016/j.enconman.2011.02.001

9. Ying-Yi Hong, Shiue-Der Lu, Ching-Sheng Chiou. MPPT for PM wind generator using gradient approx-imation // Energy Conversion and Management. 2009. No. 50 (1). Pp. 82-89. DOI: 10.1016/j.enconman.2008.08.035

10. Афанасьев А.А. Одноступенчатый магнитный редуктор с трехфазной обмоткой статора и внутренним ротором с короткозамкнутой обмоткой // Вестник Чувашского университета. 2015. № 1. C. 22-26.

11. Пат. 268811 СССР, МПК F16D 27/01 Бесконтактная магнитная муфта-редуктор / Л.А. Борисов, Л.М. Пери-ков, В.В. Яропольский. № 1285742/25-2, заявл. 29.11.1968; опубл. 10.04.1970. Бюл. № 14.

12. Токмаков Д.А. Лучше редуктора может быть только редуктор. Магнитный // Электрик. 2018. № 4 (5268). URL: http://www.cheaz.ru/press/newspaper/2018/ns4.pdf

13. Григораш О.В., Степура Ю.П., СулеймановР.А., Власенко Е.А., Власов А.Г. Возобновляемые источники электроэнергии. Краснодар : КубГАу 2012. 272 с.

14. Бубенчикова Т.В., Молодых В.О., Руденок А.И., Данилов Д.И., Шевченко Д.Ю. Выбор электрогенераторов для ВЭУ // Международный научно-исследовательский журнал. 2016. № 12 (54). Ч. 3. С. 43-50. URL: https:// research-journal.org/wp-content/uploads/2011/10/12-3-54.pdf#page=43 (дата обращения: 11.03.2019). DOI: 10.18454/ IRJ.2016.54.212

15. Афанасьев А.А. Расчет магнитного мультипликатора // Электричество. 2013. № 9. С. 42-48. REFERENCES

1. Popel O.S. Avtonomnye energoustanovki na vozobnovlyaemykh istochnikakh energii [Autonomous power plants on renewable energy sources]. Energosberezhenie [Energy Saving]. 2006. No. 3. URL: https://www.abok.ru/for_spec/articles. php?nid=3278

2. Brian Wang. European EcoSwing builds full scale superconductor wind turbine. Nextbigfuture. November 21, 2018. URL: https://www.nextbigfuture.com/2018/11/european-ecoswing-builds-first-full-scale-superconductor-wind-turbine.html

3. Nikishin A.Y., Kazakov VP. Sovremennye vetroenergeticheskie ustanovki na baze asinkhronnykh mashin [Modern wind power plants on the basis of induction machines]. Sovremennye problemy nauki i obrazovaniya [Modern problems of science and education]. 2012. No. 6. Paper 122. URL: http://www.science-education.ru/ru/article/view?id=7937

4. Manakova E.A., Gaibov I.A., Bichkov I.A., Cherkasova T.A., Bubenchikova A.A. Primenenie reduktorov v vet-roenergeticheskikh ustanovkakh [Application of gearboxes in wind turbines]. Molodoy uchenyy [Young Scientist]. 2016. No. 28.2. Pp. 86-87. URL: https://moluch.ru/archive/132/37229/

5. Afanasiev A.A., Genin V.S., Islomov I.I. , Kalinin A.G., Tokmakov D.A. Reguliruemyy magnitnyy reduktor [Regulated magnetic gearbox]. Elektrotekhnika [Electrical Engineering]. 2017. No. 7. Pp. 55-59.

6. Belkhir K.S., Khenfer N. Magnetic gear generator for wind energy. Przeglad elektrotechniczny. 2013. No. 7. Pp. 17-24. URL: http://www.red.pe.org.pl/articles/2013/5/15.pdf

7. Zhiyuan Qi, Eerduntaokesu Lin. Integrated power control for small wind power system. Journal of Power Sources. 2012. No. 217 (1). Pp. 322-328. DOI: 10.1016/j.jpowsour.2012.06.039

8. Muyeen S.M., Ahmed Al-Durra, Tamura J. Variable speed wind turbine generator system with current controlled voltage source inverter. Energy Conversion and Management. 2011. No. 52. Pp. 2688-2694. DOI: 10.1016/j.enconman.2011.02.00

9. Ying-Yi Hong, Shiue-Der Lu, Ching-Sheng Chiou. MPPT for PM wind generator using gradient approximation. Energy Conversion and Management. 2009. No. 50 (1). Pp. 82-89. DOI: 10.1016/j.enconman.2008.08.035

10. Afanasiev A.A. Odnostupenchatyy magnitnyy reduktor s trekhfaznoy obmotkoy statora i vnutrennim rotorom s ko-rotkozamknutoy obmotkoy [Single stage magnetic gear with three-phase stator winding and inner rotor with short-circuited winding]. Vestnik Chuvashskogo universiteta [Bulletin of the Chuvash University]. 2015. No. 1. Pp. 22-26.

11. Borisov L.A., Perikov L.M., Yaropolsky VV Beskontaktnaya magnitnaya mufta-reduktor [Non-contact magnetic coupling-reducer]. Pat. 268811 USSR, IPC F16D 27/01 ; No. 1285742/25-2, appl. 11/29/1968; publ. 04/10/1970. Bul. No. 14.

12. Tokmakov D.A. Luchshe reduktora mozhet byt' tol'ko reduktor. Magnitnyy [Better gear can only be gear. Magnetic]. Elektrik [Electric]. 2018. No. 4

13. Grigorash O.V., Stepura Yu.P., Suleymanov R.A., Vlasenko E.A., Vlasov A.G. Vozobnovlyaemye istochniki ele-ktroenergii [The renewal sources of electric power]. Krasnodar, Kubanskiy gosudarstvennyy agrarnyy universitet, 2012. 272 p.

14. Bubenchikova T.V., Molodykh VO., Rudenok A.I., Danilov D.I., Shevchenko D.Yu. Vybor elektrogenerato-rov dlya VEU [Selection of electrical generators for wind turbines]. Mezhdunarodnyy nauchno-issledovatel'skiy zhurnal [International Research Journal]. 2016. No. 12

15. Afanasiev A.A. Raschet magnitnogo mul'tiplikatora [Calculation of the magnetic multiplier]. Elektrichestvo [Electricity]. 2013. No 9. Pp. 42-48.

Поступила в редакцию 14 января 2019 г. Принята в доработанном виде 31 января 2019 г. Одобрена для публикации 26 февраля 2019 г.

Received January 14, 2019.

Adopted in final form on January 31, 2019.

Approved for publication February 26, 2019.

Об авторах: Хлюпин Павел Александрович — кандидат технических наук, доцент кафедры электротехники и электрооборудования предприятий, Уфимский государственный нефтяной технический университет (УГНТУ), 450062, г. Уфа, ул. Космонавтов, д. 1, KhlupinPA@mail.ru;

Испулаева Гульмира Наурзбаевна — студентка кафедры электротехники и электрооборудования предприятий, Уфимский государственный нефтяной технический университет (УГНТУ), 450062, г. Уфа, ул. Космонавтов, д. 1, ispulaeva96@mail.ru.

About the authors: Pavel Alexandrovich Khlyupin — candidate of Technical Sciences, associate professor at the department of electrical engineering and electrical equipment of enterprises, Ufa State Petroleum Technical University (USPTU), 1 Cosmonavtov st., Ufa, 450062, Russian Federation, KhlupinPA@mail.ru;

Gulmira Naurzbaevna Ispulaeva — student at the department of electrical engineering and electrical equipment of enterprises, Ufa State Petroleum Technical University (USPTU), 1 Cosmonavtov st., Ufa, 450062, Russian Federation, ispulaeva96@mail.ru.