ДонНТУ   Портал магістрів

Бондарєв Олександр Геннадійович

Електротехнічний факультет

Кафедра електричних систем

Спеціальність Електричні системи і мережі

Розробка математичноі моделі
вітроустановки з синхроним генератором

Науковий керівник: д.т.н., проф. Гребченко Микола Васильйович

Резюме Біографія Реферат

Реферат за темою випускної роботи

Зміст

• Вступ
• 1. Актуальність теми
• 2. Мета дослідження
• 3 Завдання дослідження
• 4. Аналіз переваг та недоліків сучасних типів ВЕУ
• 5. Аналіз режимів роботи ВЕУ в сучасних ЕС
• Висновки
• Список джерел

Вступ

Інтерес до проблем використання відновлюваних джерел енергії (ВДЕ) пов'язаний зі зниженням запасів викопного палива.

В даний час запаси органічного палива виснажуються і його використання у все зростаючих обсягах веде до забруднення навколишнього середовища. Виділення вуглекислого газу, що призводить до глобального потепління. В майбутньому неминуче скорочення споживання органічного палива і його заміна іншими джерелами енергії. Використання ВДЕ найбільш привабливо, тому що воно не порушує природного балансу енергії, одержуваної нашою планетою. До ВДЕ відносяться: сонячна радіація, енергія вітру, енергія річок, припливів і океанських хвиль, енергія, укладена в біомасі та органічних відходах. Для Україну перспективним є використання вітроенергетичних ресурсів.

Енергія вітру відома людству не менше 2000 років; в останні 10 15 років бурхливо розвивалося її використання для виробництва електричної енергії. До теперішнього часу в світі встановлено більше 20000 вітроелектричних агрегатів, загальна потужність яких перевищує 16 млн. кВт[5]. Сучасні вітроенергетичні установки (ВЕУ) мають потужність від одиниць кіловат до кількох мегават і дозволяють економічно ефективно з високим ступенем надійності перетворювати енергію вітру. ВЕУ можуть використовуватися для різних цілей, починаючи від заряду акумуляторних батарей (АБ) і енергопостачання різних об'єктів (будинки, ферми і пр.) до подачі електроенергії в мережі централізованого електропостачання.

Енергія вітру протягом тривалого часу розглядається в якості екологічно чистого невичерпного джерела енергії. Перш ніж енергія вітру зможе принести значну користь, повинні бути вирішені багато проблем, головні з яких: висока вартість вітроенергетичних установок, їх здатність надійно працювати в автоматичному режимі протягом багатьох років і забезпечувати безперебійне електропостачання. Тому, сьогодні найбільш важливим завданням стоїть перед вітроенергетикою є зниження питомої вартості електрообладнання ВЕУ. Одним із шляхів зниження вартості є застосування більш економічних структур електрообладнання ВЕУ.

Крім того, потрібно вирішення питань регулювання реактивної потужності ВЕУ і дослідження режимів роботи ЕЕС при підключенні до них значних обсягів ВЕУ.

1. Актуальність теми

Збільшення частки ВЕУ в загальній потужності ЕЕС призводить до зміни режимів роботи електричної системи. При певних умовах, у тому числі при зниженні потужності ВЕУ, обумовленої відсутністю вітру, може виникати порушення стійкості роботи системи. Тому потрібне проведення досліджень, які дозволять визначити області стійкості і заходи, необхідні для забезпечення стійкості, підвищення ефективності роботи ВЕС, заходи для виконання оптимізації режимів роботи ВЕС

2. Мета і завдання дослідження

Мета роботи – розробка заходів щодо забезпечення заданих режимів роботи електроенергетичних систем з великою часткою сумарної потужності вітроелектростанцій (регулювання реактивної потужності, забезпечення стійкості ЕЕС)

3. Завдання дослідження

Основними завданнями дослідження є

1. Визначення оптимальних умов роботи ВЕС з синхронними генераторами на постійних магнітах.
2. Створення математичної моделі синхронного генератора з постійними магнітами для досліджень стійкості ЕЕС .
3. Визначення оптимального режиму реактивної потужності.
4. Створення математичної моделі ЕЕС з ТЕС і ВЕС.

4. Аналіз переваг та недоліків сучасних типів ВЕУ

Сучасні ВЕУ – це комплекс взаємопов'язаного обладнання та споруд, які перетворять енергію вітру в механічну енергію обертається вітротурбіни, а потім в електричну енергію.

Основними класифікаційними ознаками структур ВЕУ є:

• Співвідношення потужності ВЕУ та потужності енергосистеми;
• Тип застосовуваної вітротурбіни;
• Тип застосовуваної електромашини;

В даний час застосовуються дві основні конструкції вітроагрегатів (рис. 1): горизонтально-осьові і вертикально-осьові вітродвигуни. Обидва типи ВЕУ мають приблизно рівний ККД, проте найбільшого поширення набули вітроагрегати першого типу. Потужність ВЕУ може бути від сотень ватів до кількох мегават..

До складу вітродвигуна обох типів входять такі основні частини:

• Вітроколесо (вітротурбіна, ротор) - перетворює енергію набігаючого вітрового потоку в механічну енергію обертання осі турбіни. Діаметр вітроколеса коливається від декількох метрів до декількох десятків метрів. Частота обертання складає від 15 до 100 об / хв. Зазвичай для з'єднаних з мережею ВЕУ частота обертання вітроколеса постійна. Для автономних систем з випрямлячем і інвертором - зазвичай змінна. Вітроколесо містить лопаті, які закріплюються в маточині вітроколеса;
• Мультиплікатор (редуктор) - проміжна ланка між вітроколесом і електрогенератором, який підвищує частоту обертання валу вітроколеса і забезпечує узгодження з оборотами генератора. Виняток становлять ВЕУ малої потужності зі спеціальними генераторами на постійних магнітах; в таких вітроустановках мультиплікатори зазвичай не застосовуються;
• Вежа або щогла (її іноді зміцнюють сталевими розтяжками) - служить для розміщення головки з вітроколесом і мультиплікатором на вітер на деякій висоті відносно рівня землі, що необхідно для продуктивної роботи вітродвигуна та дотримання вимог техніки безпеки. У ВЕУ великої потужності висота вежі сягає 75 м. Зазвичай це циліндричні щогли, хоча застосовуються і гратчасті башти;
• Основа (фундамент) - призначена для запобігання падіння установки при сильному вітрі;

Як перспективної розглядається система перетворення механічної енергії в електричну енергію змінного струму, побудована за схемою рисунок 3 «синхронний генератор з постійними магнітами - активний випрямляч - інвертор напруги». СГЕЕ такого типу реалізує повний набір опцій необхідних від систем генерування для автономних об'єктів.

На рисунку 3 показаний режим пуску ВЕУ з постійними магнітами на холостому ходу отриманий за спрощеною математичною моделлю при зміні погодних умов (сила вітру).

5. Аналіз режимів роботи ВЕУ в сучасних ЕС

Введення в роботу нових вітроелектричних і сонячних станцій в Україні дозволяє говорити про поступовий розвиток цього сектора електроенергетики. Найближчим часом вплив цих станцій на роботу електроенергетичних систем (ЕЕС) помітно зросте. Нові проблеми можуть бути спрогнозовані і запропоновані можливі шляхи їх вирішення. У першу чергу необхідно оцінити основну концепцію розвитку ЕЕС у міру збільшення в них частки ЕС на використанні поновлюваних джерел енергії (ВДЕ)..

В даний час потрібно розглядати традиційні централізовані ЕЕС, до яких підключаються зосереджені ЕС на базі ВДЕ, збільшуючи сумарну потужність генерації системи і не змінюючи наявної структури системи. Інший шлях розвитку ЕЕС полягає в тому, що в систему ЕС ВДЕ віддають лише частину виробленої електричної енергії, а в основному ці станції покривають потреби прилеглих електроприймачів.

За другим шляхом зараз йде електроенергетика Німеччині [1]. При цьому важливим фактором є наявність локального навантаження, потужність якого порівнянна з потужністю джерел генерації і достатнього резерву потужності в ЕЕС на випадок зниження вироблення ЕС ВДЕ через погіршення погодних умов. Подальше зростання сумарної потужності ЕС ВДЕ призведе до необхідності акумулювання електричної енергії для покриття провалів генерації, пов'язаних з погодними умовами. В результаті таких змін в ЕЕС відбудеться децентралізація джерел генерації та ймовірне виникнення децентралізованих коштів акумулювання. З'являться нові зв'язки безпосередньо джерел генерації і навантаження, одночасно відпаде необхідність у використанні великої кількості наявних ліній електропередачі, відбуватиметься зміна внутрішньої структури ЕЕС.

В даний час для України слід розглядати перший варіант. Як перший, так і другий шлях вимагають застосування нових методів управління, так званих інтелектуальних. У першу чергу це пов'язано з необхідністю оперативного перерозподілу потоків активної та реактивної потужності. Майже незалежно від того, чи вводяться в роботу нові ЕС ВДЕ чи ні, в даний час у всіх країнах впроваджуються сучасні методи управління режимами роботи як в цілому ЕЕС, так і їх окремими елементами. Застосування цих методів викликане необхідністю підвищення ефективності роботи існуючих ЕЕС і забезпечення стійкості їх роботи при різних збуреннях.

Очевидно, що в найближчі роки для вітроелектричних станцій в якості основного типу генераторів будуть використовуватися синхронні генератори з постійними магнітами [2]. Відсутність в них рухливих електричних контактів є одним з найбільш істотних переваг. До того ж, використання на виході агрегату інвертора напруги 50 Гц дозволяє відмовитися від застосування механічного редуктора. Все це дозволяє значно підвищити надійність роботи вітроагрегатів.

Застосування потужних ЕС ВДЕ загострює проблему регулювання напруги, забезпечення стійкості роботи ЕЕС (ліній зв'язку ЕС ВДЕ з ЕЕС), релейного захисту від к.з., а в деяких випадках і якості напруги у споживачів. Слід мати на увазі, що відповідно до Правил підключення вітроелектростанцій [3], ці правила поширюються на ВЕС, мінімальна потужність яких становить не менше 100 МВт. Найближчим часом на узбережжі Азовського моря планується побудувати цілий ряд ВЕС, сумарна потужність яких складе близько 1200 МВт.

У разі порушення в об'єднаній енергосистемі України вітроелектростанція відокремлюється і переводиться в автономний режим роботи [3].

Основні фактори, які вимагатимуть зміни релейного захисту при впровадженні ЕС ВДЕ:

• Зниження часу дії захистів, встановлених на лініях зв'язку ЕС ВДЕ з електричною системою;
• В залежності від принципу дії захисту може знадобитися автоматична зміна параметрів спрацьовування та налаштувань захистів через зміну величини перетоку потужності в сторону системи, обумовленого погодними умовами.

Необхідною є оцінка статичної та динамічної стійкості ЕЕС, до якої підключається ВЕС. Лінія зв'язку ВЕС ВДЕ з електроенергетичною системою повинна забезпечувати передачу максимальної потужності. Для забезпечення статичної та динамічної стійкості в енергосистемах передбачаються необхідні заходи та засоби, в тому числі і аварійний резерв потужності РАВ. Сталий режим ЕЕС характеризується певними перетоками потужності по внутрішніх перерізах ЕЕС, які відповідають розрахунковій області стійкості. Підключення потужності РВЕС призведе до зміни перетоків та їх перерозподілу, а, отже, відбудеться зміна максимально допустимого перетоку РМ.Д. різних перетинів.

Для оцінки запасу стійкості відповідно до Методики оцінки стійкості енергосистем визначається коефіцієнт запасу КР. Коефіцієнт розраховується з урахуванням нерегулярних коливань активної потужності [4], до яких необхідно віднести і можливі зміни потужності ВЕС, зумовлені змінами погодних умов..

Висновки

Дана магістерська робота присвячена дослідженню режимів роботи електроенергетичних систем при наявності в них значної частки вітроелектростанцій. У роботі виконана розробка математичної моделі вітроустановки з синхронним генератором з постійними магнітами і модель ЕЕС з ВЕУ. Розглянуті питання регулювання реактивної потужності ВЕУ і дослідження режимів роботи ЕЕС при підключенні до них значних обсягів ВЕУ, а також питання стійкості ЕЕС при зміні погодних умов (сила вітру).

• Підготовлено вихідні дані для складання математичної моделі СГ з ПМ
• Виконано аналіз режимів роботи ВЕС при підключенні її до ЕЕС
• Поставлено завдання провести дослідження режимів роботи ЕЕС при підключення до неї ВЕС

Список джерел

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.