English
ДонНТУ   Портал магистров

Реферат по теме выпускной работы


СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

Объектом исследования в данной статье является ветроэнергетическая установка на базе асинхронного генератора двойного питания.

В настоящее время в связи с наличием проблемы исчерпания запасов ископаемых видов топлива (уголь, природный газ, торф, нефть и др.) в мире наблюдается тенденция развития и внедрения возобновляемых источников энергии (ВИЭ), из которых наиболее перспективными являются ветроэнергетические установки (ВЭУ).


1 АКТУАЛЬНОСТЬ ВЕТРОЭНЕРГЕТИКИ

Основным преимуществом использования энергии ветра является то, что энергия ветра сама по себе не только возобновляема, но и доступна для аккумуляции и обработки, сравнением с традиционными источниками энергии такими как нефть, газ и т д. Немаловажно учитывать экономическую выгоду. Однозначных оценок относительно конкретных экономических показателей пока не может быть в силу многообразия систем, работающих с разной производительностью. Если говорить кратко, то преимущества ВЭУ можно обозначить несколькими пунктами:

1. Экологическая чистота

2. Работа ветрогенераторных станций не предусматривает вредных выбросов, загрязняющих атмосферу

3. Компактность

4. Автономностью и независимостью таких систем от вспомогательных коммуникаций и ресурсов

Ветроэнергетика является нерегулируемым источником энергии. Выработка ветроэнергии зависит от силы ветра, фактора, отличающегося большим непостоянством. Соответственно, выдача электроэнергии с ветрогенератора в энергосистему отличается большой неравномерностью, как в суточном, так и в недельном, месячном, годовом и многолетнем разрезе [1].

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.

Единичная номинальная мощность современных ВЭУ колеблется от нескольких киловатт до 10 МВт. Как правило, большинство ветроэнергетических установок являются трехлопастными с горизонтальной осью вращения, параллельной направлению ветрового потока. Опираясь на действующий государственный стандарт ГОСТ Р 51990, ВЭУ в зависимости от мощности подразделяют на четыре группы: первая группа (большой мощности) – свыше 1 МВт; вторая (средней мощности) – от 100 кВт до 1 МВт; третья (малой мощности) – от 5 до 100 кВт; четвертая (очень малой мощности) – менее 5 кВт [2].

ВЭУ классифицируют по многим признакам, основными из которых являются: вид вырабатываемой энергии, мощность, признак работы с постоянной или переменной частотой вращения ветроколеса (ВК) и т.д. Согласно ГОСТ Р 51990 ВЭУ в зависимости от вида вырабатываемой энергии подразделяют на две группы: механические и электрические. Электрические ветроэнергетические установки, в свою очередь, подразделяют на ВЭУ постоянного и переменного тока (рис. 1.)

Рисунок 1 – Общая классификация ВЭУ

2 ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ

Основной задачей является получение максимально возможной мощности от ветроэлектростанции.

От системы управления требуется выполнение различных по своему характеру воздействий – от непрерывного управления с быстрой реакцией до дискретных аварийных защитных действий и процессов со строго последовательными операциями. Поскольку различные управляющие функции в разной степени влияют на обеспечение безопасности и надежности работы ВЭУ, система не может быть оптимальной во всех отношениях.

Основные технические требования, предъявляемые к системе управления ВЭУ при параллельной работе с сетью, представлены ниже:

– работоспособность при заданных эксплуатационных условиях;

– автоматический пуск и последующая синхронизация;

– регулирование мощности и частоты вращения ротора;

– контроль собственных подсистем и оборудования ВЭУ, периодический самоконтроль;

– формирование и выдача команд для управления элементными системами ВЭУ.

Задачами системы управления является:

– поддержание частоты (активная мощность);

– поддержание напряжения (реактивная мощность);

– показатели качества электрической энергии;

– защита и автоматика ветроэлектростанции (ВЭС).

При рассмотрении вышеперечисленных требований необходимо учитывать, что ветер характеризуется непостоянством величины и направления, поэтому пульсации мощности единичной ВЭУ должны сглаживаться большим количеством агрегатов.

Цель работы – изучение основ ветроэнергетики, методов управление выходной мощностью ветротурбины, создание реальной рабочей модели системы и ее моделирование. Основной задачей данной работы является разработка имитационной модели автономной ветроэнергетической системы с использованием пакета MATLAB/Simulink.


3 АСИНХРОННЫЙ ГЕНЕРАТОР ДВОЙНОГО ПИТАНИЯ

На практике, исходя из современного состояния ветроэнергетики. можно выделить наиболее распространенные типы ветроэнергоустановок:

– ВЭУ на базе асинхронных генераторов с короткозамкнутым ротором (АГ с КЗР);

– ВЭУ на базе асинхронных генераторов двойного питания;

– ВЭУ на базе синхронных генераторов с классической обмоткой возбуждения на постоянном токе;

– ВЭУ на базе синхронных генераторов с постоянными (перманентными) магнитами на роторе (СГПМ).

Как правило, АГ с КЗР устанавливаются на ВЭУ мощностью до 1 МВт. ВЭУ с АГДП присутствуют в диапазоне мощности от 1 до 5 МВт. ВЭУ с СГ с постоянными магнитами, а также с классической обмоткой возбуждения применяются при мощности свыше 3 МВт.

Упрощенные схемы главных электрических соединений ВЭУ с асинхронными генераторами приведены на рис. 3.

АГ с КЗР прямого подключения в ЭЭС (рис. 2а) применяются при постоянной угловой частоте вращения независимо от скорости ветра. Ключевой особенностью подобных ВЭУ является наличие дополнительных конденсаторных батарей, необходимых для компенсации потребления реактивной мощности. К достоинствам следует отнести простоту и надежность, а также относительно низкую стоимость по сравнению с другими типами ВА. К основным недостаткам относятся: неконтролируемое потребление реактивной мощности, низкое значение КПД для скоростей ветра, отличных от номинальной, передача колебаний скорости ветра в ЭЭС, а также наличие высокого механического напряжения. Система управления ВЭУ с АГ с КЗР, а конкретно контроль выходной мощности генерации использует следующие аэродинамические принципы, такие как регулирование потери скорости (пассивный контроль) и управление по тангажу [4]..

Рисунок 2 – Упрощенные схемы главных электрических соединений ВЭУ с АГ: а – ВЭУ с АГ с короткозамкнутым ротором прямого подключения; б – ВЭУ с АГ с короткозамкнутым ротором с преобразователем частоты в цепи статора; в – ВЭУ с асинхронным генератором двойного питания

Подключение АГ с КЗР к энергосистеме через полупроводниковый ПЧ (см. рис. 2б) применяется при переменной угловой частоте вращения, что позволяет генерировать напряжение промышленной частоты. Управление выполнено в данных ВЭУ с контролем по тангажу и с контролем ПЧ на стороне генераторного напряжения. К недостаткам следует отнести снижение эффективности машины при частоте вращения вала, меньшей номинального значения, наличие проблемы регулирования реактивной мощности, а также проблемы качества напряжения генерации в связи с наличием преобразователя частоты.

На рис. 2в представлена схема ВЭУ на основе асинхронного генератора с двойным питанием. АГДП – это асинхронный генератор с фазным ротором. Трехфазная обмотка статора генератора подключена через блочный повышающий трансформатор к ЭЭС. К обмотке ротора подключен полупроводниковый ПЧ, необходимый для изменения угловой частоты вращения в определенном диапазоне. Данный диапазон ограничен как техническими характеристиками самого ПЧ, так и механическими параметрами ВА. Положительной особенностью является возможность регулирования коэффициента мощности и реактивной мощности АГДП. К недостаткам следует отнести наличие щеточного аппарата машины с фазным ротором, что сказывается на снижении надежности ВЭУ, также проблемы с качеством напряжения в сети из-за использования ПЧ. С экономической точки зрения ВЭУ с АГДП дешевле, чем установки, использующие дорогостоящие преобразователи частоты в цепи генераторного напряжения.

Система управления ВЭУ с АГДП включает контроль тангажа, контроль с ограничением максимальной мощности, или MPPT-контроллер, а также контроль ПЧ цепи фазного ротора [3].


4 ИССЛЕДУЕМАЯ МОДЕЛЬ


Рисунок 3 – Структурная схема упрощенной математической модели ЭЭС, имеющей в своем составе ВЭУ

Решение подобных систем уравнений в явном виде представляет значительные трудности, поэтому для подготовки модели использовался пакет MatLab, который позволяет организовывать модели из блоков элементов и отображать её структуру графически. Для описания ветровой нагрузки, аэродинамики ротора и механического привода ВЭУ использовались блоки приложения Wind Turbine Blockset. Ряд блоков, описывающих, например работу АГ и его систему компенсации реактивной мощности, был доработан. Созданы блок пускового устройства ВЭУ и блок управления, осуществляющий подключение ВЭУ к сети в момент с заданной скоростью вращения ротора [5].


Рисунок 4 – Блок-схема ветроэнергетической установки

Рисунок 5 – Зависимости тока и напряжения в точке подключения ВЭУ при пуске от времени

Рисунок 6 – Скорость ветра (а) и соответствующие зависимости активной мощности ВЭУ

ВЫВОДЫ

В данной работе были изучены основы ветроэнергетики, показана ее актуальность на сегодняшний день, рассмотрены основные цели и задачи ветроэнергетической промышленности. Ветроэнергетика является перспективным направлением энергетики и инженерии в целом с точки зрения экономики и экологии, поскольку является дешевым видом энергии, использующий возобновляемый ресурс – ветер, и при этом не загрязняет окружающую среду.

В работе произведен детальный анализ современных ветроэнергетических установок, в результате которого установлено, что наиболее рациональными и экономически выгодными являются ВЭУ с асинхронными генераторами двойного питания.

Математическая модель ЭЭС с ВЭУ на базе асинхронных машин, позволяет проводить оценку возможностей подключения и совместной работы таких ВЭУ и ВЭС на их основе в составе ЭЭС.

При написании данного реферата магистерская работа еще не завершена. Окончательное завершение: май 2023 года. Полный текст работы и материалы по теме могут быть получены у автора или его руководителя после указанной даты.


СПИСОК ИСТОЧНИКОВ

  1. Стычинский, З. А. Возобновляемые источники энергии: Теоретические основы, технологии, технические характеристики, экономика / З. А. Стычинский, Н. И. Воропай. – Magdeburg: Издательство Магдебургского университета имени Отто-фон-Герике (Die Otto-von-Guericke-Universitat Magdeburg) docupoint GmbH, 2010. – 209 с.
  2. ГОСТ Р 51990-2002. Нетрадиционная энергетика. Ветроэнергетика. Установки ветроэнергетические. Классификация. – Введ. 01.07.2003. – Москва: Издательство стандартов, 2003. – 8 с.
  3. Соколовский, Ю.Б. Современные ветроэнергетические установки (обзор) / Ю.Б. Соколовский, А.Ю. Соколовский // Электротехника: сетевой электронный научный журнал. – Том 2. – № 4. – 2015. – С. 27-38.
  4. Никишин А.Ю., Казаков В.П. СОВРЕМЕННЫЕ ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ УСТАНОВКИ НА БАЗЕ АСИНХРОННЫХ МАШИН // Современные проблемы науки и образования. – 2012. – № 6.;
  5. ГОСТ Р 51237-98. Нетрадиционная энергетика. Ветроэнергетика. Термины и определения. – Введ. 30.06.1999. – Москва: Издательство стандартов, 1999. –12 с..