Алгоритм выбора ветроэлектрической установки для автономной системы электроснабжения

ОБЩАЯ ЭНЕРГЕТИКА

УДК 621.3 DOI: 10.32464/2618-8716-2019-2-3-152-165

Алгоритм выбора ветроэлектрической установки для автономной системы электроснабжения

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 для ветроэлектрических установок (ВЭУ), а также новые технические решения. Определены основные достоинства и недостатки существующих ВЭУ при их применении в качестве источника альтернативной энергии. Показана необходимость разработки алгоритма выбора автономной системы электроснабжения на основе ВЭУ при создании ветряных электростанций на территории России.

Предмет исследования: повышение эффективности проектирования и создания ветряных электростанций за счет системного подхода с учетом климатического и географического расположения, параметров устанавливаемых ВЭУ

цель: определение требований и параметров для создания алгоритма выбора автономной системы электроснабжения на основе ВЭУ

Методы: сравнительный анализ видов ветряных турбин и типов применяемых электрогенераторов.

Результаты и обсуждение: представлен алгоритм выбора автономной системы электроснабжения на основе ВЭУ

Заключение: разрабатываемый алгоритм позволяет осуществить создание эффективной автономной системы электроснабжения на основе ВЭУ

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

Для цитирования: Хлюпин П.А., Испулаева Г.Н. Алгоритм выбора ветроэлектрической установки для автономной системы электроснабжения // Силовое и энергетическое оборудование. Автономные системы. 2019. Т. 2. Вып. 3. С. 152-165. DOI: 10.32464/2618-8716-2019-2-3-152-165

An algorithm for selection of a wind-driven power plant for a standalone power facility

P.A. Khlyupin, G.N. Ispulaeva

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

Introduction: the article reviews the main types of wind turbines and electric power generators designated for wind-driven power plants, as well as new technological solutions. The co-authors have identified the main strengths and weaknesses of wind-driven power plants used as a source of alternative energy. The co-authors have developed an algorithm for selection of a standalone power supply system using a wind-driven power plant.

Subject of research: using a comprehensive approach to efficiently design and develop wind-driven power plants with account for climatic and geographic conditions, specifications of wind-driven power plants to be installed.

© АПСЭО, 2019. Статья распространяется в открытом доступе на условиях лицензии Creative Commons 4.0 CC BY-NC

Objective: identification of requirements and specifications needed to develop an algorithm for selection of a standalone power supply system using a wind power plant.

Methods: the co-authors have analyzed different types of wind turbines and power generators which are currently in use.

Results and discussion: the co-authors present the algorithm for selection of a standalone power supply system using a wind-driven power plant.

Conclusion: the algorithm, which is being developed by the co-authors, helps to design an efficient standalone power supply system having a wind-driven power plant.

Keywords: renewable energy sources, wind-driven power plant, wind energy, power generator, a standalone power supply facility

For citation: Khlyupin P.A., Ispulaeva G.N. An algorithm for selection of a wind-driven power plant for a standalone power facility. Power and Autonomous Equipment. 2019; 2:3:152-165. DOI: 10.32464/2618-8716-2019-2-3-152-165

Адрес для переписки:

Хлюпин Павел Александрович

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

KhlupinPA@mail.ru

Address for correspondence: Pavel Alexandrovich Khlyupin

uSPTu, 14 Kosmonavtov st., Ufa, 50062, Russian Federation, KhlupinPA@mail.ru

введение

Переменчивая градация скорости ветра создает проблемы не только со стабильностью выходных электрических параметров генератора ветроэлектрической установки (ВЭУ), но и затрудняет выбор основного оборудования ВЭУ, таких как лопасть, редуктор и генератор.

Для оптимального выбора основного оборудования ВЭУ необходимо измерять скорость ветра в течение нескольких лет, рассчитать среднюю и среднеквадратичную скорость градации ветра [1, 2]. Наиболее важным вопросом при проектировании ВЭУ является точное определение энергетического потенциала скорости ветра в местах установки ВЭУ. При неправильном прогнозировании и расчете предварительной мощности ветрового потока строительство ВЭУ с высокотехнологичными оборудованиями может стать нерентабельным. Правильный выбор основного оборудований ВЭУ и точное определение диапазона скорости ветра значительно влияет на технико-экономические показатели, срок окупаемости, энергетические характеристики и число часов выработки электроэнергии в год.

методы

Проведя анализ существующих видов турбин, редукторов и генераторов, оценив их параметры, режимы работы, а также преимущества и недостатки можно сделать вывод, что существует необходимость создания четкого алгоритма выбора основных структурных звеньев для энергоэффективной конструкции с заданными параметрами [3, 4].

Предположим, что перед нами стоит задача создания электрогенерирующего объекта. При этом следует учесть, что рационально спроектированная современная система электроснабжения должна удовлетворять экономическим и техническим требованиям, а именно:

• безопасность жизнедеятельности;

• надежность электроснабжения;

• качество электроэнергии, удовлетворяющее требованиям ГОСТ 13109-97 «Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения»;

• отсутствие негативного влияния на окружающую среду.

Учитывая эти требования, был разработан алгоритм для проведения выбора оборудования ВЭУ (рис. 1). Алгоритм состоит из нескольких основных блоков.

© PGSMA, 2019. This is an open access article distributed under the terms

of the Creative Commons License 4.0 CC BY-NC

- определение потребности в электроэнергии (произвести расчет потребления электроэнергии);

- определение параметров электросети

- анализ способов генерации эл/энергии (традиционные источники, ВИЭ или их совместное применение);

- расчет и обоснование выбора

На этом этапе осуществляется вывод выходных характеристик:

- анализ необходимости применения мультипликатора;

- условия эксплуатации и обслуживания;

- определение необходимости установки инвертора выпрямителя-АКБ.

На этом этапе производится:

- выбор схемы размещения установок в зависимости от топографии местности (радиальные/магистральные/ смешанные);

- выбор места установки необходимого э/о

Характерна для горных перевалов, побережий морей или крупных озер, оффшорных парков на морской косе или искусственном море

Расположение ВП на материке в степной зоне, где роза ветров более равномерна, может быть применена радиальная схема с ГПП в геометрическом центре парка

Рис. 1. Алгоритм выбора оборудования ВЭУ

Блок «Определение нагрузки»

Определить потребность в электроэнергии можно расчетом электрических нагрузок с применением требований научно-технической документации (НТД)1, 2 3 4. Для вычисления потребности в электроэнергии суммируют расход электроприемников и параметры электрической сети потребителя.

1 РД 34.20.541-92. Методические указания по расчету нормативной рабочей мощности электростанций. М.: СПО ОРГРЭС, 1992.

2 Правила устройства электроустановок : 7-е изд. М. : Энергосервис, 2007.

3 СП 31-110-2003. Проектирование и монтаж электроустановок жилых и общественных зданий. М. : Госстрой России, ФГУП ЦПП, 2004.

4 РД 34.20.185-94. Инструкция по проектированию городских электрических сетей. М. : Энергоатомиздат, 1995.

Fig. 1. An algorithm for selection of the wind-driven power plant equipment

При проектировании электростанций потребителей электроэнергии в основном разделяют по надежности электроснабжения, режимам работы, мощности, напряжению и роду тока.

Большое количество электроприемников промышленных организаций работают на переменном трехфазном токе частотой 50 Гц. Повышенная частота обычно применяются для установок нагрева под закалку, штамповку, ковку металлов и для их плавки. В деревообрабатывающей и текстильной промышленности и других отраслях для снабжения высокоскоростных двигателей используются токи частотой 130...400 Гц. В транспорте (16,6 Гц) и нагревательных индуктивных установках применяются коллекторные двигатели пониженной частоты.

Блок «Анализ возможных решений»

На этом этапе производится анализ видов генерации электроэнергии (традиционные/возобновляемые источники энергии (ВИЭ) или их совместное использование), а также применимость того или иного способа в зависимости от исходных данный, локации и финансовых возможностей.

Выполняются сметные расчеты, приблизительные расчеты выработки электрической энергии, расчет основных экономических показателей, таких как чистая приведенная стоимость (NPV — net present value), внутренняя норма доходности IRR (Iinternal Rate of Return), срок окупаемости и т.п., сравниваются технико-экономические показатели разных способов5 [5].

Если после сравнения и анализа технико-экономических показателей способов генерации посредством использования традиционных источников электроэнергии, ВИЭ и совместного использования ВИЭ с традиционными, технико-экономические показатели возобновляемых источников электроэнергии занимают лидирующую позицию, переходят к блоку «ВИЭ».

Блок «ВИЭ»

Известно, что к ВИЭ относятся энергия солнца, воды, приливов и отливов, волн, температурного градиента морской воды, биоэнергия и др.

На данном этапе производится повторный анализ местности и возможности применения того или иного ВИЭ.

Блок «ВЭУ»

Если использование ветрогенерации в данном случае на первый взгляд оправдано и рентабельно, то для принятия решения «Да» нужно произвести:

• описание площадки (топография, землепользование и растительность, климат);

• ветромониторинг (карта ветропотенциала, обработка метеоданных за период n лет, средние скорости ветра и распределение по направлениям, годовой и суточный ход ветра, вертикальный профиль ветра, турбулентность, примерное расположение ветроизмерительного комплекса);

• предварительный экономический расчет для выявления таких показателей эффективности, как NPV, IRR, срок окупаемости и т.п.

В случае, если становится известно, что использование ветроэнергетики является нерентабельным, то предпочтение отдается другому виду производства электроэнергии, и алгоритм выводит пользователя либо на функцию «Конец», так как данный алгоритм предназначен для рассмотрения применимости только ветроэнергетических установок, либо в случае некой ошибки при анализе — на возврат к блоку «Анализ возможных решений».

Блок-условие «Р < 100 кВт»

J уст

Так как в блоке «Определение нагрузки» пользователь установил для себя необходимую мощность (Руст), то в зависимости от потребности будет произведен выбор электрогенерирующего объекта: ВЭУ мощностью до 100 кВт или ветряная электростанция (ВЭС) (ветропарк (ВП)) на основе ВЭУ мощностью от 100 кВт.

Блок «ВЭУ малой/средней мощности (30.. .100 кВт)»

В случае, если должен проектироваться электрогенерирующий объект мощностью до 100 кВт, то для обеспечения его нужд вполне хватит единичной ВЭУ малой/средней мощности (30...100 кВт) при III категории электроснабжения3 и двух идентичных ВЭУ или же одной ВЭУ с применением дизельной электростанции при I и II категории электроснабжения3 (см. подраздел «Блок "I, II категории электроснабжения"»).

Установки малой (30.5000 Вт) и средней (5.100 кВт) мощности применяются для заряда аккумуляторной батареи (АКБ) и создания систем энергоснабжения изолированных хозяйственных объектов, например, таких как автозаправки, придорожные гостиницы и кафе, отдельно стоящие дома или травм-пункты и т.п.

Блоки «Выбор элементов механической части» подразумевают два отдельных алгоритма выбора турбины ВЭУ (вертикальная и горизонтальная) и, если этого требует конструкция генератора и турбины, а также запрашиваемое потребителем качество электроэнергии, выбор мультипликатора (механического, магнитного или же электрического).

5 МДС 81-35.2004. Методика определения стоимости строительной продукции на территории Российской Федерации. М., 2004. 72 с.

Блоки «Выбор элементов электромеханической части» представляют собой отдельный алгоритм выбора генератора. В зависимости от его качеств зависит эффективность работы ВЭУ.

Блоки «Определение выходных параметров ВЭУ»

На этом этапе осуществляется:

• вывод выходных характеристик, на основе анализа которых выясняется необходимость применения мультипликатора;

• разработка условий эксплуатации и обслуживания;

• определения необходимости установки инвертора/выпрямителя, АКБ.

Блоки «Выбор электрической части», «Выбор электрической части и автоматики»

На данном этапе производится подбор электрооборудования, необходимого для функционирования ВЭУ, ВЭС (контроллеры, инверторы, выпрямители, АКБ, главная понизительная подстанция (ГПП), дизельная электростанция, устройства релейной защиты и автоматики) [6].

Блоки «Выбор завершен»

Если все задаваемые проектом параметры соответствуют требованиям пользователя, потребителей и НТД, то алгоритм выводит пользователя на функцию «Конец». При отсутствии соответствия желаемым параметрам пользователь может запустить алгоритм выбора оборудования заново, чтобы в последующем исключить данную ошибку.

Блок «ВЭУ большой мощности (ВЭС/ВП)»

Данный блок подразумевает выбор установок большой (100кВт.. .5 МВт) и гигантской мощности (более 5 МВт), чаще в виде ВП на базе ВЭУ мегаваттного класса, которые используются для коммерческого производства электроэнергии с поставкой ее в энергосистему.

Блок «Определение Рном единичной ВЭУ» предполагает приблизительный расчет номинальной мощности для определения числа (п) ВЭУ. Далее, следуя алгоритму, производится уточненный расчет числа установок и их установленной мощности (блоки «Количество ВЭУ» и «Определение Руст ВЭС/ВП»).

Блок «Выбор схемы расположения ВЭУ»

На этом этапе производится выбор схемы размещения установок в зависимости от типографии местности (радиальные/магистральные/смешанные) [7] и места установки необходимого электрооборудования (ГПП, устройства релейной защиты и автоматики и т.д.).

Алгоритм выбора турбины для ВЭУ

На основе рассмотренных в [8] данных составляется алгоритм выбора турбины для ВЭУ с учетом недостатков и достоинств каждой из них (рис. 2).

По сравнению с требованиями к ВЭУ мощностью до 1 МВт требования к ветроустановкам мегаваттно-го класса более высокие, в первую очередь в части таких свойств, как надежность, экологическая чистота, удобство обслуживания и ремонта, простота конструкции, срок эксплуатации. Учитываются также и такие важные свойства, как экономическая эффективность, затраты на строительство и эксплуатацию, срок окупаемости и др. Этим требованиям в наибольшей степени удовлетворяют вертикально-осевые ВЭУ, не уступающие горизонтально-осевым пропеллерным ВЭУ по энергетическим характеристикам, но отличающиеся более низкой себестоимостью электроэнергии в районах с повышенным ветровым потенциалом.

Блок «Выбор турбины для ВЭУ»

Если рассматривать выбор турбины для ВЭУ обобщенно, необходимо провести:

• ветромониторинг (карта ветропотенциала, обработка метеоданных за период п лет, средние скорости ветра и их распределение по направлениям и высоте, годовой и суточный ход ветра, вертикальный профиль ветра, турбулентность примерное расположение ветроизмерительного комплекса);

• определение высоты установки турбины, а затем выбор мачты. От правильного выбора типа опоры, ее высоты зависит как производительность всей ветроустановки, так и собственная безопасность при эксплуатации. Для этого необходимо рассчитать минимальную высоту, на которую нужно будет поднять генератор, чтобы он выдавал номинальное напряжение. Посредством климатических наблюдений, а именно измерением силы ветра на различных высотах от поверхности земли, установлено, что от нижнего края лопастей до верхушек деревьев, крыш домов и других препятствий должно быть 10 м или более;

• анализ производителей турбин, сравнение технико-экономических показателей;

Хлюпин П.А., Испулаева Г.Н.

ОБЩАЯ ЭНЕРГЕТИКА Алгоритм выбора ветроэлектрической установки для

автономной системы электроснабжения

Рис. 2. Алгоритм выбора турбины для ВЭУ

Fig. 2. An algorithm of turbine selection for a wind-driven power plant

Khlyupin P.A., Ispulaeva G.N. GENERAL POWER

An algorithm for selection of a wind-driven power plant ENGINEERING

for a standalone power facility

• проверку потребительских свойств (надежность, экологическая чистота, удобство обслуживания и ремонта, простота конструкции, срок эксплуатации).

Блок «1) Краб > 15 м/с; 2) переменчивый угол атаки ветра»

В данном блоке указаны два фундаментальных условия (различия) между вертикально-осевыми и горизонтально-осевыми ВЭУ.

Блок «Вертикально-осевые ВЭУ»

На данном этапе рассматриваются основные достоинства и недостатки вертикально-осевых ВЭУ.

К вертикально-осевым турбинам можно отнести: ветроустановку Савониуса с полукруглыми лопастями; ортогональную ветроустановку, или ротор Дарье; геликоидный ротор; многолопастной ветряк.

Из преимуществ вертикально-осевых ВЭУ следует выделить:

• работу при любом направлении ветра, т.е. не требуется установка контроллера, что снижает затраты;

• всего одну ось вращения, следовательно, большая надежность;

• возможность сооружения установки на высоте от 1,5 м в зависимости от модели;

• возможность разместить редуктор и генератор на фундаменте, а значит, этот вид ВЭУ проще в обслуживании, из чего следуют меньшие эксплуатационные затраты;

• диапазон рабочей скорости ветра для тихоходных ВЭУ повышается от 20 до 25 м/с, а это очень нужное качество для местности с резко переменной ветровой нагрузкой;

• возможность создания собственной циркуляции воздуха, за счет чего образуется быстроходный эффект, когда линейная скорость лопастей в 20 раз и более превышает скорость ветра.

Из недостатков следует отметить:

• КПД составляет 20.30 %;

• громоздкость конструкции (масса самых легких вертикальных ветряков составляет вместе со стойкой не менее 300 кг).

Вывод: вертикально-осевые конструкции отличает отсутствие мультипликатора, низкий уровень шума и вибраций сбалансированного ротора. Нижнее положение генератора с приводным валом от ротора снижает установочные и эксплуатационные затраты.

Блок «Горизонтально-осевые ВЭУ»

Горизонтально-осевые установки, как правило, используют редуктор [9], который служит для увеличения скорости вращения ротора генератора. Это приводит к выработке большего удельного объема энергии, но и привносит потери и шумы при работе установки, что, конечно же, ведет к снижению времени эксплуатации и сложности обслуживания и ремонта.

Из достоинств горизонтально-осевых ВЭУ следует выделить:

• малые массогабаритные параметры;

• КПД обычно составляет 25.35 %;

• мощность до 7 МВт.

Из недостатков следует отметить:

• диапазон рабочей скорости ветра 12.15 м/с;

• необходимость ориентации ротора на ветер, что требует внедрения дополнительных механизмов и полупроводниковых устройств, что снижает надежность всей системы;

• наличие низкочастотных вибраций, возникающих за счет дисбаланса ротора.

Блок «Выбор завершен»

Если все задаваемые проектом параметры турбины соответствуют требованиям пользователя и НТД, то алгоритм выводит пользователя на функцию «Конец». Если же находится несоответствие желаемым параметрам, то пользователь может запустить алгоритм выбора оборудования заново, чтобы в последующем исключить данную ошибку.

Рекомендация к алгоритму: при сочетании множества свойств качественная оценка работы каждого из типов ВЭУ является сложной задачей. Необходим также количественный анализ всего комплекса характеристик ВЭУ на основе теоретических и экспериментальных исследований с получением данных об эффективности установок обоих типов в экономической и метеорологической обстановке конкретного региона и для конкретного потребителя.

Алгоритм выбора генератора для ВЭУ

Для обеспечения автономных потребителей качественной электроэнергией от ВЭУ их трехфазные генераторы электрической энергии должны обеспечить стабильный уровень как напряжения, так и частоты, при этом необходимо учесть параметры и режимы работы сети потребителя. Для этого следует провести тщательный анализ существующих конструкций генераторов, которые можно применять при производстве электроэнергии ветра [10].

Описание алгоритма. Блок «Выбор генератора переменного тока»

В алгоритме рассматривается выбор генераторов переменного тока, так как использование генератора постоянного тока в данном случае нецелесообразно из-за наличия щеточно-коллекторного узла, понижающего надежность и срок работы генератора. В случае, если потребитель будет нуждаться в постоянном токе, использование выпрямителя исключит проблему.

Блок «Анализ ветра»

Общеизвестно, что природа ветра переменчива, существуют местности, в которых скорость ветра может резко изменяться, поэтому необходимо изучить вопрос работы генератора при таких условиях.

^ Начало ^

Необходимость установления полупроводникового показателя частоты

Генератор переменного тока не рассматривается из-за его низкой надежности, в случае необходимости тока применяется выпрямитель

Анализ метеоданных на выявление резко переменной скорости ветра

Да

Возможность работы

без полупроводникового показателя частоты

+ возможность управления реакт. мощностью с генераторной стороны;

- выше стоимость, сложнее конструкция, надежность;

- необходимость источника постоянного тока;

- жесткая зависимость частоты электродвижущей силы от скорости вращения

стоимость, надежность, простота в обслуживании; малые колебания генерируемой мощности, электромагнитного момента и тока при параллельной работе при переменной V, м/с; необходим источник реактивной мощности

Подбор показателя частоты к синхронному генератору

^Конец ^

+ исключение скользящего контакта; + высокая надежность и КПД; дороговизна постоянного магнита; сложность регулирования магнитного потока; отсутствие отечественной базы производства

+ возможность устойчивой работы во всех требуемых по условиям эксплуатации режимах, в том числе при переменных V, м/с;

- искаженность формы кривой и вых;

- большая установленная масса;

- сложность системы управления

Нет

Рис. 3. Алгоритм выбора генератора для ВЭУ

Beginning

An alternate current generator is not considered due to its low reliability

in case that current is needed, a rectifier is applied

Analysis of meteorological data to identify variable wind velocity

The need to identify the semiconductor's frequency value

Operability without a semiconductor used as a frequency identifier

Synchronous generator with electromagnetic excitation

+ reactive power control by the generator;

- higher cost, more complex construction, reliability;

- need for a direct current source;

- immediate dependence of the electromotive force's frequency on rotation velocity (a synchronous generator cannot be integrated into the circuit without

the frequency value of the semiconductor)

Asynchronous generator

low cost, reliability, ease of operation; small oscillation of generated capacity, electromagnetic torque and current in case of parallel operation and variable velocity, m\sec; a source of reactive power is needed

Asynchronous generator with a short circuit rotor

Identification of the frequency

value to fit the synchronous generator

i

[ End )

+ prevention of any sliding contact; + high reliability and efficiency rate;

- permanent magnet expensiveness;

- complexity of magnetic flow regulation;

- unavailability of any domestic production

1 1 Synchronous generator with permanent magnet excitation Synchronous generator

+ sustainable operation in each operating mode, even in case of variable wind speed values, m\sec;

- distorted shape of the output U curve;

- bg nominal mass;

- complexity of the system control

No

Fig. 3. An algorithm of generator selection for a wind-driven power plant

Графический блок А (см. рис. 3) учитывает процесс резкого изменения скорости ветра во времени:

• «Да» — если место установки ВЭУ характеризуется такими изменениями, то следует рассмотреть в первую очередь генераторы, у которых имеется конструктивные особенности для работы в таких условиях (асинхронные (АГ), синхронные с постоянными магнитами (СГ с ПМ), асинхронизированные синхронные (АСГ).

• «Нет» — если место установки характеризуется стабильными показателями ветровой нагрузки на протяжении многих лет, то имеет смысл рассмотреть СГ с электромагнитным возбуждением (независимое возбуждение и самовозбуждение), но для исключения форс-мажорных обстоятельств рекомендуется установить между генератором и потребителем/сетью полупроводниковый преобразователь частоты.

Каждый из указанных типов генераторов имеет преимущества и недостатки, которые необходимо учесть при использовании алгоритма [8].

Алгоритм выбора систем стабилизации частоты вращения вала генератора ВЭУ

В блоке «Анализ выходных параметров ВЭУ» производится анализ выходных параметров ВЭУ и их зависимость от скорости ветра и выбранного ранее оборудования.

Рис. 4. Алгоритм выбора системы стабилизации частоты вращения вала генератора ВЭУ

Analysis of output parameters of a wind-driven power generator

Only a small-size wind-driven power generator can have such a connection

Output parameters of a wind-driven power generator and their dependence on wind velocity and pre-selected equipment are analyzed. The need to apply systems designated for stabilization of these parameters is analyzed

Selection of the output parameters stabilization system

Output parameters of a wind-driven power unit depend on the generator's rotation frequency and on the system used to stabilize it

System of semiconductors

Output values of a wind-driven power plant are stabilized by a rectifier and an inverting converter. The expediency of application of a system of semiconductors (in terms of its cost and reliability) is analyzed

Fig. 4. An algorithm for selection of a stabilization system used to stabilize the rotation rate of a generator shaft in a wind-driven power plant

Khlyupin P.A., Ispulaeva G.N. GENERAL POWER

An algorithm for selection of a wind-driven power plant ENGINEERING

for a standalone power facility

Высокая стабильность и точность поддержания параметров электроэнергии (амплитуды, частоты и формы генерируемого напряжения) в условиях действия таких дестабилизирующих факторов, как переменная частота вращения ветроколеса, изменяющаяся величина и характер нагрузки, параллельная работа с другими источниками, являются важными параметрами при выборе ветрогенератора.

Блок «Выбор системы стабилизации частоты вращения вала генератора ВЭУ»

Чем меньше частота вращения и мощность ВЭУ, тем больше длина его радиуса, поэтому только очень малые ветроколеса (радиусом до 2 м) удается соединить напрямую с генератором. Безредуктор-ные ВЭУ предусматривают установку электромагнитного подвеса ротора. Это в свою очередь решает ряд проблем: износ рабочих поверхностей, вибрация, шумность, затраты энергии на трение, расходы на смазочные материалы.

Достичь таких показателей при более высоких скоростях вращения можно лишь с применением редукторов (магнитных или механических) и/или установкой системы полупроводниковых приборов (СПП), которые состоят из транзисторных преобразователей и системы управления, формирующих сигнал для регулирования и стабилизации выходных параметров напряжения и тока.

Блок «Выбор типа редуктора»

В этот блок включена часть алгоритма, посвященная выбору редуктора: механического или магнитного. В табл. приведены характеристики, достоинства и недостатки механических редукторов.

Табл. Виды редукторов с различным типом используемой передачи Table. Types of gear units using different transmission techniques

Вид редуктора / Type of a gear unit Описание / Description

Цилиндрические/ Cylindrical gear unit Надежны и имеют длительный ресурс эксплуатации. Такие редукторы применяются при сложных режимах работы, для преобразования и передачи больших мощностей, эффективны при непрерывных промышленных процессах. КПД такого редуктора может достигать 98 %, что зависит от его передаточного числа / They are reliable and they have a long service life. These gear units are used for complex operating modes; they are also applied to convert and transmit extensive capacities; they are efficient if integrated into continuous production processes. The efficiency rate of such a gear shift may reach 98 %, depending on its gear ratio

Червячные / Worm gear unit Устройства с механической передачей от винта, или так называемого червяка, на зубчатое колесо (червячное колесо). У таких редукторов высокое передаточное отношение, большое тепловыделение и относительно низкий КПД. При серьезных нагрузках такой тип редукторов не используется / These units use mechanic transmission from the screw, or the so-called worm, to the gear wheel (the worm wheel). These gear units feature a high transmission ratio, high heat emission values and a relatively low efficiency rate. In case of substantial loads this type of gear units is not used

Планетарные / Planetary gear unit Имеют большую нагрузочную способность, небольшую массу и люфт, сравнительно малые габариты, а также позволяют получить большие передаточные числа / They feature extensive load capacity, small weight and slight play, relatively small dimensions, and they are capable of producing high gear transmission ratios

Конические / Bevel gear unit Применяют в том случае, если есть необходимость в изменении направления кинетической передачи. Могут непрерывно работать при высоких оборотах / They are applied if the direction of kinetic transmission must be changeable

Комбинированные / Combination gear unit Несколько передач, находящихся в одном корпусе. Они имеют выгодное соотношение технических характеристик, габаритов и стоимости / Several units in one box. They feature a beneficial combination of technical properties, dimensions, and costs

Блок «Магнитный редуктор»

Магнитный редуктор по сути своей представляет собой две электрические машины, взаимодействие которых происходит путем изменения контактирующих электромагнитных индукций между двумя воздушными зазорами, что позволяет плавно регулировать трансмиссии угловых скоростей валов.

Блок «СПП»

Универсальная схема СПП ВЭУ на рис. 4 содержит три основных преобразовательных элемента: выпрямитель, аккумулятор, инвертор и один управляющий контроллер.

Стабилизация величины напряжения и тока в системе генерирования электрической энергии в ВЭУ осуществляется с применением выпрямителя (управляющего и не управляющего) для выпрямления изменяющих выходных значений напряжения и тока на зажимах ВГ и инверторного преобразователя для преобразования постоянного напряжения выпрямителя в переменное со стандартным значением выходного напряжения, форма которого близка к синусоидальной.

Блок «Выбор завершен»

Если все задаваемые проектом параметры турбины соответствуют требованиям пользователя и НТД, то алгоритм выводит пользователя на функцию «Конец». Если же находится несоответствие желаемым параметрам, то пользователь может запустить алгоритм выбора оборудования заново, чтобы в последующем исключить данную ошибку.

результаты и обсуждения

Авторами был разработан алгоритм выбора ветроэнергетической установки при создании альтернативной системы генерации электрической энергии на основе преобразования энергии ветра. Алгоритм позволяет максимально эффективно, с высокой точностью осуществить подбор ветроэнергетических установок с учетом множества факторов, в особенности установленной мощности сети потребителя. Алгоритм является базой для создания программного продукта.

заключение

Результаты анализа показали, что использование ветроэнергетики в России затруднено в связи с изменчивым характером ветра, что осложняет получение стабильных выходных электрических параметров генератора ВЭУ, но и затрудняет выбор основного оборудования ВЭУ, таких как лопасти, редуктор и генератор. Поэтому для проведения выбора оборудования ВЭУ был разработан универсальный алгоритм.

литература

1. Дайчман Р.А. Выбор ветроустановок для систем автономного электроснабжения // Молодой ученый. 2015. № 24. С. 117-121. URL: https://moluch.ru/archive/104/24208/

2. Елистратов В.В., Денисов Р.С. Методика выбора электроэнергетического оборудования ВЭУ // XLII неделя науки СПбГПУ : мат. науч.-практ. конф. c междунар. уч. (Санкт-Петербург, 02-07 декабря 2013 г.). СПб : СПбПУ, 2014. С. 6-9.

3. Муравлева Е.А., Рудобашта С.П. Алгоритм выбора ветроэнергетической установки малой мощности для фермерских хозяйств // Вестник федерального государственного образовательно-го учреждения высшего профессионального образования «Московский государственный агро-инженерный университет имени В.П. Горячкина». 2017. № 1. С. 41-45.

4. Руди Д.Ю., Шарков Н.В., Демидова Н.Г., Бубенчикова Т.В. Алгоритм расчета системы автономного питания на основе ВЭУ и солнечной энергетики // Молодой ученый. 2016. № 22-3. С. 43-46. URL: https://moluch.ru/ archive/126/35131/

5. Коршунова Е.М., Малинина Н.А., Малинина К.В. Технико-экономические расчеты строительства новых и реконструкции зданий различного назначения (на стадии технико-экономического обоснования). СПб. : СПбГАСУ, 2011. 103 с.

6. Козлитин Л.С., Кацурин А.А. Разработка системы управления ветроэнергетической установкой // Вологдин-ские чтения. Электротехника : сб. тез. докл. науч.-техн. конф. Владивосток : ДВГТУ, 1998. С. 14-15.

7. Воропаев А.А. Ветроэнергетические установки, пребразователи в ВЭУ Мариуполь, 2012. URL: https://www.c-o-k.ru/images/library/cok/362/36229.pdf

8. Хлюпин П.А., Испулаева Г.Н. Разработка алгоритма выбора автономной системы электроснабжения на основе ветрогенераторных установок // Силовое и энергетическое оборудование. Автономные системы. 2019. Т. 2 (1). С. 8-16. DOI: 10.32464/2618-8716-2019-2-1-8-16

9. Лаврентьев Н.А., Жуков Д.Д. Основные виды возобновляемой энергии. Потенциал Беларуси // Энергетика и ТЭК. 2003. № 7. С. 34-39.

Khlyupin P.A., Ispulaeva G.N. GENERAL POWER

An algorithm for selection of a wind-driven power plant ENGINEERING

for a standalone power facility

10. Шевченко В.В., Кулиш Я.Р. Анализ возможности использования разных типов генераторов для ветроэнергетических установок с учетом диапазона мощности // Вюник НТУ «ХП1» : сб. науч. тр. Темат. вып. : Проблемы усовершенствования электрических машин и аппаратов. Теория и практика. Харьков : НТУ «ХПИ». 2013. № 65. С. 107-117. URL: http://repository.kpi.kharkov.ua/handle/KhPI-Press/4455

references

1. Daychman R.A. The choice of wind turbines for autonomous power supply systems. Young scientist. 2015; 24:117121. URL: https://moluch.ru/archive/104/24208/ (rus.).

2. Elistratov V.V, Denisov R.S. Methods for choosing electric power equipment of wind turbines. XLII science week SPbSPU : materials of the scientific-practical conference with international participation (St. Petersburg, December 2-7, 2013). Saint Petersburg, SPbPU, 2014; 6-9. (rus.).

3. Muravleva E.A, Rudobashta S.P. Algorithm of choosing small wind turbine for farms. Vestnik of Federal State Educational Establishment of Higher Professional Education "Moscow State Agroengineering University named after VP. Goryachkin. 2017; 1:41-45. (rus.).

4. Rudy D.Yu., Sharkov N.V, Demidova N.G., Bubenchikova T.V Algorithm for calculating an autonomous power system based on wind turbines and solar energy. Young scientist. 2016; 22-3:43-46. URL: https://moluch.ru/archive/126/35131/ (rus.).

5. Korshunova E.M., Malinina N.A., Malinina K.V Feasibility studies for the construction of new and reconstruction of buildings for various purposes (at the stage of a feasibility study). Saint Petersburg, SPbGASU, 2011; 103. (rus.).

6. Kozlitin L.S., Katsurin A.A. Development of a control system for a wind power installation. Vologda Readings. Electrical Engineering : collection of abstracts of scientific and technical conferences. Vladivostok, FESTU, 1998; 14-15. (rus.).

7. Voropaev A.A. Wind power plants, converters in wind turbines. Mariupol, 2012. URL: https://www.c-o-k.ru/images/ library/cok/362/36229.pdf (rus.).

8. Khlyupin P.A., Ispulaeva G.N. Development of the algorithm for the selection of a wind generator-based autonomous power supply system. Power and Autonomous equipment. 2019; 2(1):8-16. DOI: 10.32464/2618-8716-2019-2-1-8-16 (rus.).

9. Lavrentiev N.A., Zhukov D.D. The main types of renewable energy. The potential of Belarus. Energy and fuel and energy complex. 2003; 7:34-39. (rus.).

10. Shevchenko VV., Kulish Ya.R. Analysis of the possibility of using different types of generators for wind power plants taking into account the power range. News of NTU "KhPI" : collection of scientific papers. Thematic issue: Problems of improvement of electrical machines and apparatus. Theory and practice. Kharkov, NTU "KhPI", 2013; 65:107-117. URL: http://repository.kpi.kharkov.ua/handle/KhPI-Press/4455 (rus.).

Поступила в редакцию 6 июня 2019 г. Принята в доработанном виде 26 июня 2019 г. Одобрена для публикации 27 июля 2019 г.

Received June 6, 2019.

Adopted in final form on June 26, 2019.

Approved for publication July 27, 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.