Предложены схемные решения для эффективного использования ветроустановок при их совместной работе с системами централизованного электроснабжения, чтобы максимально использовать энергию ветра для выработки качественной электроэнергии, экономить её потребление от централизованного источника и снизить потери напряжения и мощности в линиях электропередач. Рассмотрены патенты на полезные модели, подходящие для эффективной работы ВЭУ с сетью.
Ключевые слова: ветроэнергетика, ветроустановки, работа с сетью, система электроснабжения.
Постоянный рост потребности в электрической энергии требует строительства новых электрических станций и модернизации действующих. На данный момент основные фонды объектов российской энергетики предельно изношены. В некоторых случаях их амортизация достигает 80 %, а на объектах используются устаревшие технологии [1].
В настоящее время актуальным является вопрос использования возобновляемых источников энергии (ВИЭ). Одним из перспективных направлений развития ВИЭ является внедрение ветроэнергетических установок (ВЭУ) малой (до 10 кВт) и средней (до 100 кВт) мощностей, которые не требуют больших капитальных затрат по сравнению с ВЭУ большой мощности.
Зависимость от силы и неустойчивая природа силы ветра могут вызвать низкое качество электрической энергии. Может происходить отклонение, колебание, прерывание и провалы напряжения, отклонение частоты от номинального значения, низкий коэффициент мощности и появление высших гармоник. Ветряные двигатели, особенно индуктивные машины, могут поглощать реактивную мощность из системы, что является основным фактором производства низкой энергии. Если ветряные двигатели поглощают слишком много реактивной мощности, система может стать нестабильной [2].
Для повышения выработки качественной электроэнергии в районах с относительно низкими скоростями ветрового потока разработаны схемные решения, позволяющие преобразовать электроэнергию, вырабатываемую генератором ВЭУ при скорости ветра ниже расчетной. Принцип работы данных схем основан на преобразовании вырабатываемого переменного напряжения изменяющейся частоты в зависимости от скорости ветра в выпрямленное пульсирующее напряжение, которое в дальнейшем инвертируется в переменное напряжение с постоянной частотой 50 Гц. С целью обеспечения постоянства величины напряжения на выходе установки применяются импульсные преобразователи постоянного напряжения, стабилизаторы и управляемые выпрямители. Для реализации данного принципа преобразования энергии разработаны различные схемные решения. Однако при использовании управляемых выпрямителей не удаётся максимально использовать энергию, вырабатываемую генератором. Применение стабилизатора напряжения за генератором влечет за собой большие потери мощности при частоте ниже номинальной [3]. В известных схемах выходные параметры напряжения и тока имеют низкие показатели или же не соответствуют стандартам качества электрической энергии по синусоидальности вследствие инвертирования выпрямленного пульсирующего напряжения. Использование сглаживающего фильтра для снижения пульсаций не позволяет добиться требуемого результата из-за непостоянства частоты и величины выпрямленного напряжения [4].
Рис. 1. Схема использования ВЭУ в системе электроснабжения:
ВК — ветроколесо; Г — генератор; СУ — сглаживающее устройство; УСН — устройство согласования величин напряжений ВЭУ и централизованного источника питания; В — неуправляемый выпрямитель; И — инвертор; С — стабилизатор; Ш — общие шины; ЦИП — центральный источник питания; П — потребитель; ЦИП — централизованный источник питания; П — потребитель
Перечисленные недостатки не позволяют включить ВЭУ непосредственно к электрической сети, по которой осуществляется централизованное электроснабжение потребителей. Вследствие чего в основном выпускаемые ВЭУ работают совместно с централизованным источником электроснабжения по раздельной схеме или же применяются для автономного электроснабжения потребителей совместно с аккумуляторными батареями. Для исключения перечисленных недостатков предлагается схема (рис. 1), позволяющая максимально использовать энергию ветрового потока и обеспечить потребителей качественной электрической энергией [5]. Предлагаемая ВЭУ состоит из ветроколеса и синхронного генератора, подключаемого к инвертору, дополнительно содержащему сглаживающее устройство и устройство согласования величин напряжений централизованного источника питания и ВЭУ. В основу инвертора входят силовые транзисторы, которые являются полностью управляемыми полупроводниковыми приборами. Из-за подачи на вход инвертора выпрямленного пульсирующего напряжения сглаживающее устройство, подключенное к общим шинам, входной и управляющей цепям инвертора, корректирует управляющий сигнал инвертора в зависимости от величины и коэффициента пульсаций выпрямленного напряжения, что позволяет получить на выходе инвертора синусоидальное напряжение. Это дает возможность подключить инвертор к общим шинам через стабилизатор напряжения, позволяющий поддерживать номинальное напряжение на выходе установки. К стабилизатору напряжения и общим шинам подключается устройство согласования величины напряжения централизованного источника и напряжения на выходе установки, которое осуществляет корректировку величины выходного напряжения установки, в зависимости от величины напряжения на общих шинах. Для предотвращения подачи обратного тока на установку от сети при рассогласовании величин вырабатываемого напряжения установкой и напряжения на шинах между общими шинами и стабилизатором напряжения устанавливается реле обратного тока. В случае отключения питания централизованной системы оперативным персоналом, либо средствами релейной защиты, сглаживающее устройство теряет питание от шин, в результате чего выработка электрической энергии моментально прекращается, что не допускает работу установки на короткое замыкание. Таким образом, предлагаемая схема использования ВЭУ позволяет максимально использовать энергию ветра для выработки качественной электрической энергии, экономить её потребление от централизованного источника и снизить потери напряжения и мощности в линии электропередач.
Так же были рассмотрены патенты на изобретения, которые было бы целесообразно применять для работы ВЭУ с сетью [6, 7].
В первом патенте сущность технического решения состоит в возможности ротора выдвигаться за пределы статорной обмотки, при усилении ветра, и вновь возвращаться на прежние позиции при ослаблении ветра.
Это достигается использованием основной закономерности, свойственной электромагнитной индукции, а именно, что ЭДС, возникающая в замкнутом контуре, находящемся в изменяемом магнитном потоке, пропорциональна скорости изменения магнитного потока и числу витков катушки. Из чего следует, применительно к ветрогенератору, что необходимым условием стабилизации параметров получаемой электроэнергии является, в случае усиления ветра и соответствующего повышения скорости вращения ротора — уменьшение числа витков статорной обмотки, взаимодействующих с магнитным полем; в случае ослабления ветра и падения скорости вращения ротора — увеличение числа витков статорной обмотки, взаимодействующих с тем же по интенсивности магнитным полем.
Технически указанные требования решены таким образом, что горизонтальный вал ветроэнергоблока с насаженными на него пропеллерной турбиной и магнитным ротором установлен в подшипниках скольжения и имеет, таким образом, возможность возвратно-поступательных перемещений, взаимодействуя при этом с соосной пружиной сжатия, расположенной в подветренном положении относительно ротора. Это взаимодействие осуществляется через дисковый опорный элемент, свободно вращающийся на упомянутом валу с использованием подшипника качения. Для безударного возврата вала совместно с турбиной и ротором в исходную позицию под действием распрямляющейся пружины, что имеет место при падении скорости ветра до минимального рабочего значения, использован амортизатор, помещенный на валу с наветренной стороны относительно ротора.
Рис. 2. Модель ветроэнергоблока с расположением ротора в пределах статорной обмотки
Рис. 3. Модель ветроэнергоблока с частичным расположением ротора вне статорной обмотки
Предлагаемое устройство работает следующим образом. Изначально (рис. 2) при нижнем рабочем значении скорости ветра 6 м/с ротор 8 полностью размещается в пределах статорной обмотки 4, все витки которой находятся под действием вращающегося магнитного поля. По мере усиления ветра в сторону верхнего рабочего значения 12 м/с, под воздействием возросшей результирующей силы лобового сопротивления вращающийся с большим числом оборотов турбины 7, пружина 10 сжимается, и ротор 8 частично выдвигается за пределы статорной обмотки 4 (рис. 3), число ее витков, взаимодействующих с магнитным полем ротора 8, уменьшается, что в конечном итоге обеспечивает неизменность параметров и более приемлемое на практике качество вырабатываемой ветрогенератором электроэнергии, а также смягчает условия функционирования дополнительного оборудования ВЭУ.
Рис. 4. Модель ветроэнергоблока с расположением ротора полностью вне статорной обмотки
В целях безопасной эксплуатации генератора ВЭБ-С и электрооборудования потребителей начиная с штормовых скоростей ветра 24 м/с ротор 8 полностью выдвигается за пределы статорной обмотки 4 (рис. 4). Потребители питаются от аккумуляторных батарей или иных источников до нормализации аэродинамической ситуации в атмосфере, которая в отличие от периодов безветрия в случаях штормов, ураганов и смерчей не бывает продолжительной по времени [6].
В следующем патенте ветроэлектрический агрегат, содержит ветроколесо, связанное механической передачей с валом генератора, соединенного через коммутатор с сопротивлением нагрузки (рис. 5). Отличается тем, что он дополнительно снабжен соосно расположенной на ступице ветроколеса ветротурбиной, выполненной с валом, имеющим резьбовую нарезку и образующим вместе с отверстием в ступице ветроколеса винтовую пару, датчиком положения вала ветротурбины, соединенным с входом устройства управления, выход которого соединен с входом коммутатора.
Рис. 5. Ветроколесо, связанное механической передачей с валом генератора
При расчетной (номинальной скорости ветра), если изначально нагрузка генератора была рассчитана правильно, ветроколесо работает с максимальным коэффициентом использования энергии ветра и вращается с частотой, равной частоте вращения ветротурбины 10. При этом осевого перемещения вала 11 не происходит.
В случае уменьшения скорости ветра или дополнительного подключения электрических потребителей к выходу генератора ветроколесо начнет вращаться с частотой вращения, несколько меньшей частоты вращения холостого хода ветротурбины. Вал ветротурбины начнет выкручиваться из ступицы 2 ветроколеса, удаляясь от геркона 15. Последний разомкнет свой контакт и через устройство управления и коммутатор отключит (уменьшит) нагрузку. Ветроколесо при этом увеличит частоту вращения и, как только частота его вращения станет несколько больше частоты вращения ветротурбины (оптимальной частоты вращения ветроколеса), вал 11 начнет перемещаться в сторону геркона. Геркон замкнется и снова произойдет включение (увеличение) нагрузки генератора. Таким образом, частота вращения ветроколеса, задаваемая частотой вращения ветротурбины, и нагрузка генератора в среднем будут близки к оптимальной для существующей скорости ветра, что и позволит максимально использовать его энергию. Тем самым будет повышена эффективность использования заявляемого ветроэнергетического агрегата, снижен срок его окупаемости, что особенно важно в условиях сравнительно невысоких средних скоростей ветра в большинстве районов РФ [7].
Литература:
- Бубенчиков А. А., Артамонова Е. Ю., Р. А. Дайчман Р. А., Файфер Л. А., Катеров Ф. В., Бубенчикова Т. В. Проблемы применения ветроэнергетических установок в регионах с малой ветровой нагрузкой // Международный научно-исследовательский журнал. — 2015. — № 5–2 (36). — С. 39–43.
- Pavlos S. G. Technical challenges associated with the integration of wind power into power systems / S. G. Pavlos. // Renewable and Sustainable Energy Reviews. — 2008. — C. 852–863.
- Шерьязов, С. К. Устройство для автономного энергоснабжения потребителей / С. К. Шерьязов, А. А. Аверин. // Пат. 2325551 Российская Федерация. — Опубл. 26.12.2006.
- Матс,Л. Ветроэлектрическая станция / Л. Матс, К. Гуннар. // Пат. 2221165 Российская Федерация. — Опубл. 01.10.2004 г.
- Шерьязов,С. К. Ветроэлектрическая установка / С. К. Шерьязов, М. В. Шелубаев. // Пат. 89184 Российская Федерация. — Опубл. 27.11.2009 г.
- Губанов, А. В. Ветроэнергоблок стабилизирующий [Электронный ресурс] / А. В. Губанов// http://www.freepatent.ru/patents/2458246 (дата обращения:10.08.12).
- Петько, В. Г. Ветроэлектрический агрегат [Электронный ресурс] / В. Г. Петько, Н. А. Маловский, А. А. Митрофанов и др. // http://www.freepatent.ru/patents/2458246 (дата обращения:27.06.12).
