ДонНТУ   Портал магистров

Бондарев Александр Геннадьевич

Электротехнический факультет

Кафедра электрических систем

Специальность Электрические системы и сети

Разработка математической модели
ветроустановки с синхронным генератором

Научный руководитель: д.т.н., проф. Гребченко Николай Васильевич

Резюме Биография Реферат Библиотека Ссылки Отчет о поиске Индивидуальный раздел

Реферат по теме выпускной работы

Содержание

• Введение
• 1. Актуальность темы
• 2. Цель исследования
• 3 Задачи исследования
• 4. Анализ достоинств и недостатков современных типов ВЭУ
• 5. Анализ режимов работы ВЭУ в современных ЭС
• Выводы
• Список источников

Введение

Интерес к проблемам использования возобновляемых источников энергии (ВИЭ) связан со снижением запасов ископаемого топлива.

В настоящее время запасы органического топлива истощаются и его использование во все возрастающих объемах ведет к загрязнению окружающей среды. Выделение углекислого газа, приводящего к глобальному потеплению. В будущем неизбежно сокращение потребления органического топлива и его замена другими источниками энергии. Использование ВИЭ наиболее привлекательно, так как оно не нарушает естественного баланса энергии, получаемой нашей планетой. К ВИЭ относятся: солнечная радиация, энергия ветра, энергия рек, приливов и океанских волн, энергия, заключенная в биомассе и органических отходах. Для Украины перспективным является использование ветроэнергетических ресурсов.

Энергия ветра известна человечеству не менее 2000 лет; в последние 10 15 лет бурно развивалось ее использование для производства электрической энергии. К настоящему времени в мире установлено более 20000 ветроэлектрических агрегатов, общая мощность которых превышает 16 млн. кВт[5]. Современные ветроэнергетические установки (ВЭУ) имеют мощность от единиц киловатт до нескольких мегаватт и позволяют экономически эффективно с высокой степенью надежности преобразовывать энергию ветра. ВЭУ могут использоваться для различных целей, начиная от заряда аккумуляторных батарей (АБ) и энергоснабжения различных объектов (дома, фермы и пр.) до подачи электроэнергии в сети централизованного электроснабжения.

Энергия ветра в течение длительного времени рассматривается в качестве экологически чистого неисчерпаемого источника энергии. Прежде чем энергия ветра сможет принести значительную пользу, должны быть решены многие проблемы, главные из которых: высокая стоимость ветроэнергетических установок, их способность надежно работать в автоматическом режиме в течение многих лет и обеспечивать бесперебойное электроснабжение. Поэтому, сегодня наиболее важной задачей стоящей перед ветроэнергетикой является снижение удельной стоимости электрооборудования ВЭУ. Одним из путей снижения стоимости является применение более экономичных структур электрооборудования ВЭУ.

Кроме того, требуется решение вопросов регулирования реактивной мощности ВЭУ и исследования режимов работы ЭЭС при подключении к ним значительных объемов ВЭУ

1. Актуальность темы

Увеличение доли ВЭУ в общей мощности ЭЭС приводит к изменению режимов работы электрической системы. При определенных условиях, в том числе при снижении мощности ВЭУ, обусловленной отсутствием ветра, может возникать нарушение устойчивости работы системы. Поэтому требуется проведение исследований, которые позволят определить области устойчивости и мероприятия, необходимые для обеспечения устойчивости, повышения эффективности работы ВЭС, мероприятия для выполнения оптимизации режимов работы ВЭС

2. Цель исследования

Цель работы – разработка мероприятий по обеспечению заданных режимов работы электроэнергетических систем с большой долей суммарной мощности ветроэлектростанций (регулирование реактивной мощности, обеспечение устойчивости ЭЭС)

3. Задачи исследования

Основными задачами иследования являются

1. Определение оптимальных условий работы ВЭС с синхронными генераторами на постоянных магнитах.
2. Создание математической модели синхронного генератора с постоянными магнитами для исследований устойчивости ЭЭС .
3. Определения оптимального режима реактивной мощности.
4. Создание математической модели ЭЭС с ТЭС и ВЭС.

4. Анализ достоинств и недостатков современных типов ВЭУ

Современные ВЭУ – это комплекс взаимосвязанного оборудования и сооружений, которые преобразуют энергию ветра в механическую энергию вращающейся ветротурбины, а затем в электрическую энергию.

Основными классификационными признаками структур ВЭУ являются:

• соотношение мощности ВЭУ и мощности энергосистемы;
• тип применяемой ветротурбины;
• тип применяемой электромашины;

В настоящее время применяются две основные конструкции ветроагрегатов (рис. 1): горизонтально-осевые и вертикально-осевые ветродвигатели. Оба типа ВЭУ имеют примерно равный КПД, однако наибольшее распространение получили ветроагрегаты первого типа. Мощность ВЭУ может быть от сотен ватт до нескольких мегаватт.

В состав ветродвигателя обоих типов входят следующие основные части:

• ветроколесо (ветротурбина, ротор) – преобразующее энергию набегающего ветрового потока в механическую энергию вращения оси турбины. Диаметр ветроколеса колеблется от нескольких метров до нескольких десятков метров. Частота вращения составляет от 15 до 100 об/мин. Обычно для соединенных с сетью ВЭУ частота вращения ветроколеса постоянна. Для автономных систем с выпрямителем и инвертором – обычно переменная. Ветроколесо содержит лопасти, которые закрепляются в ступице ветроколеса;
• мультипликатор (редуктор) – промежуточное звено между ветроколесом и электрогенератором, который повышает частоту вращения вала ветроколеса и обеспечивает согласование с оборотами генератора. Исключение составляют ВЭУ малой мощности со специальными генераторами на постоянных магнитах; в таких ветроустановках мультипликаторы обычно не применяются;
• башня или мачта (ее иногда укрепляют стальными растяжками) – служит для размещения головки с ветроколесом и мультипликатора на ветер на некоторой высоте относительно уровня земли, что необходимо для производительной работы ветродвигателя и соблюдения требований техники безопасности. У ВЭУ большой мощности высота башни достигает 75 м. Обычно это цилиндрические мачты, хотя применяются и решетчатые башни;
• основание (фундамент) – предназначено для предотвращения падения установки при сильном ветре;

Как перспективной рассматривается система преобразования механической энергии в электрическую энергию переменного тока, построенная по схеме рисунок 2 «синхронный генератор с постоянными магнитами – активный выпрямитель – инвертор напряжения ». СГЭЭ такого типа реализует полный набор опций требуемых от систем генерирования для автономных объектов.

На рисунке 3 показан режим пуска ВЭУ с постоянными магнитами на холостом ходу полученный по упрощенной математической моделе при изменении погодных условий (силы ветра).

5. Анализ режимов работы ВЭУ в современных ЭС

Введение в работу новых ветроэлектрических и солнечных станций в Украине позволяет говорить о постепенном развитии этого сектора электроэнергетики. В ближайшее время влияние этих станций на работу электроэнергетических систем (ЭЭС) заметно возрастет. Новые проблемы могут быть спрогнозированы и предложены возможные пути их решения. В первую очередь необ-ходимо оценить основную концепцию развития ЭЭС по мере увеличения в них доли ЭС на использовании возобновляемых источников энергии (ВИЭ).

В настоящее время нужно рассматривать традиционные централизованные ЭЭС, к которым подключаются сосредоточенные ЭС на базе ВИЭ, увеличивая суммарную мощность генерации системы и не изменяя имеющейся структуры системы. Другой путь развития ЭЭС заключается в том, что в систему ЭС ВИЭ отдают только часть выработанной электрической энергии, а в основном эти станции покрывают потребности близлежащих электроприемников.

По второму пути сейчас идет электроэнергетика Германии [1]. При этом важным фактором является наличие локальной нагрузки, мощность которой соизмерима с мощностью источников генерации и достаточного резерва мощности в ЭЭС на случай снижения выработки ЭС ВИЭ из-за ухудшения погодных условий. Дальнейший рост суммарной мощности ЭС ВИЭ приведет к необходимости аккумулирования электрической энергии для покрытия провалов генерации, связанных с погодными условиями. В результате таких изменений в ЭЭС произойдет децентрализация источников генерации и вероятно возникновение децентрализованных средств аккумулирования. Появятся новые связи непосредственно источников генерации и нагрузки, одновременно отпадет необходимость в использовании большого количества имевшихся линий электропередачи, будет происходить изменение внутренней структуры ЭЭС.

В настоящее время для Украины следует рассматривать первый вариант. Как первый, так и второй путь требуют применения новых методов управления, так называемых интеллектуальных. В первую очередь это связано с необходимостью оперативного перераспределения потоков активной и реактивной мощности. Почти независимо от того, вводятся ли в работу новые ЭС ВИЭ или нет, в настоящее время во всех странах внедряются современные методы управления режимами работы как в целом ЭЭС, так и их отдельными элементами. Применение этих методов вызвано необходимостью повышения эффективности работы существующих ЭЭС и обеспечения устойчивости их работы при различных возмущениях.

Очевидно, что в ближайшие годы для ветроэлектрических станций в качестве основного типа генераторов будут использоваться синхронные генераторы с постоянными магнитами [2]. Отсутствие в них подвижных электрических контактов является одним из наиболее существенных достоинств. К тому же, использование на выходе агрегата инвертора напряжения 50 Гц позволяет отказаться от применения механического редуктора. Все это позволяет значительно повысить надежность работы ветроагрегатов.

Применение мощных ЭС ВИЭ обостряет проблему регулирования напряжения, обеспечения устойчивости работы ЭЭС (линий связи ЭС ВИЭ с ЭЭС), релейной защиты от к.з., а в некоторых случаях и качества напряжения у потребителей. Следует иметь ввиду, что в соответствии с Правилами подключения ветроэлектростанций [3], эти правила распространяются на ВЭС, минимальная мощность которых составляет не менее 100 МВт. В ближайшее время на побережье Азовского моря планируется построить целый ряд ВЭС, суммарная мощность которых составит около 1200 МВт.

В случае нарушения в объединенной энергосистеме Украины ветроэлектростанция отделяется и переводится в автономный режим работы [3].

Основные факторы, которые потребуют изменения релейной защиты при внедрении ЭС ВИЭ:

• снижение времени действия защит, установленных на линиях связи ЭС ВИЭ с электрической системой;
• в зависимости от принципа действия защиты может потребоваться автоматическое изменение параметров срабатывания и настроек защит из-за изменения величины перетока мощности в сторону системы, обусловленного погодными условиями.

Необходимой является оценка статической и динамической устойчивости ЭЭС, к которой подключается ВЭС. Линия связи ВЭС ВИЭ с электроэнергетической системой должна обеспечивать передачу максимальной мощности. Для обеспечения статической и динамической устойчивости в энергосистемах предусматриваются необходимые мероприятия и средства, в том числе и аварийный резерв мощности РАВ . Установившийся режим ЭЭС характеризуется определенными перетоками мощности по внутренним сечениям ЭЭС, которые соответствуют расчетной области устойчивости. Подключение мощности РВЭС приведет к изменению перетоков и их перераспределению, а, следовательно, произойдет изменение максимально допустимого перетока Рм.д. различных сечений.

Для оценки запаса устойчивости в соответствии с методикой оценки устойчивости энергосистем определяется коэффициент запаса Кр. Коэффициент рассчитывается с учетом нерегулярных колебаний активной мощности [4], к которым необходимо отнести и возможные изменения мощности ВЭС, обусловленные изменениями погодных условий.

Выводы

Данная магистерская работа посвящена исследованию режимов работы электроэнергетических систем при наличии в них значительной доли ветроэлектростанций. В работе выполнена разработка математической модели ветроустановки с синхронным генератором с постоянными магнитами и модель ЭЭС с ВЭУ. Рассмотрены вопросы регулирования реактивной мощности ВЭУ и исследования режимов работы ЭЭС при подключении к ним значительных объемов ВЭУ, а также вопросы устойчивости ЭЭС при изменении погодных условий (сила ветра).

• Подготовлены исходные данные для составления математической модели СГ с ПМ
• Выполнен анализ режимов работы ВЕС при подключении ее к ЭЭС
• Поставлена задача провести исследования режимов работы ЭЭС при подключения к ней ВЭС

Список источников

1. Hubner, Chr.; Diedrich, Chr. ; Huth, Chr.: Dezentrale Automatisierung im Verteilungsnetz. Energy 2.0 – Kompendium 2011, publishindustry Verlag GmbH, ISSN 1866–1335.
2. Харитонов С.А. Энергетические соотношения в системе «Магнитоэлектрический генератор – активный выпрямитель». Технічна електродинаміка. Тем. випуск «Проблеми сучасної електротехніки». Частина 1. Київ.– 2010.– С.78–92.
3. Правила приєднання вітроелектростанцій до електричних мереж.(Затверджено: наказ № 570 від 28 жовтня 2009р.).
4. Гуревич Ю.Е., Либова Л.Е., Окин А.А. Расчеты устойчивости и противоаварийной автоматики в энергосистемах. М.: Энергоатомиздат.–1990.–390 с.
5. Д.де Рензо «Ветроэнергетика», Москва, Энергоатомиздат, 1982
6. В.А Коробков «Возобновляемые источники энергии», Москва, Энергоатомиздат, 1990
7. А. М. Олейников, Л. Н. Конов, Ю. В. Матвеев, Е. И. Зарицкая Математическая модель автономной безредукторной ветроэлектрической установки на генераторе с постоянными магнитами// «Електротехніка та електроенергетика» №2, 2010
8. В. С Кривцов, А. М. Олейников, А. И. Яковлев. Неисчерпаемая энергия Кн. 1. Ветрогенераторы: Учебн – Харьков: Нац. аэрокосм ун–т«Харьк. авиац. ин–т» – Севастополь: СевНТУ, 2003.
9. В. С Кривцов, А. М. Олейников, А. И. Яковлев. Неисчерпаемая энергия Кн. 2. Ветрогенераторы: Учебн – Харьков: Нац. аэрокосм ун–т«Харьк. авиац. ин–т» – Севастополь: СевНТУ, 2004.