авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ  БИБЛИОТЕКА

АВТОРЕФЕРАТЫ КАНДИДАТСКИХ, ДОКТОРСКИХ ДИССЕРТАЦИЙ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Электротехнический комплекс с гибридной ветроэлектрической установкой гарантированного электроснабжения

На правах рукописи

Бельский Алексей Анатольевич ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС С ГИБРИДНОЙ ВЕТРОЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ УСТАНОВКОЙ ГАРАНТИРОВАННОГО ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ Специальность 05.09.03 – Электротехнические комплексы и системы

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург — 2013

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Национальный минерально сырьевой университет «Горный».

Научный руководитель доктор технических наук, профессор Абрамович Борис Николаевич

Официальные оппоненты:

Смоловик Сергей Владимирович доктор технических наук, профессор, ОАО «НТЦ ЕЭС», отдел проектирования и развития энергосистем, заместитель заведующего отделом Евсеев Александр Николаевич кандидат технических наук, ОАО «Татнефть», управление энергетики, начальник Ведущая организация – Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Военный учебно-научный центр Военно-Морского Флота «Военно-морская академия им. Адмирала Флота Советского Союза Н.Г. Кузнецова» (Санкт Петербург)

Защита состоится 25 июня 2013 г. в 17 ч на заседании диссертационного совета Д 212.224.07 при Национальном минерально-сырьевом университете «Горный» по адресу:

199106, Санкт-Петербург, 21-я линия, д. 2, ауд. 7212.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Национального минерально-сырьевого университета «Горный».

Автореферат разослан 24 мая 2013 г.

УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ Габов диссертационного совета Виктор Васильевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы.

В настоящее время на территории Центральной и Восточной Сибири, Дальнего Востока, Арктического побережья планируются и ведутся как геологоразведочные работы, так и эксплуатация новых нефтегазовых месторождений, происходит строительство протяженных трубопроводов для транспортировки углеводородов.

Однако отсутствие и значительная удаленность мест проведения работ от централизованной энергосистемы замедляет и удорожает процесс освоения месторождений полезных ископаемых.

Для построения децентрализованных систем электроснабжения (СЭС) используются автономные источники электропитания, работающие на органическом топливе, наиболее распространёнными и универсальными из которых являются дизельные электростанции (ДЭС). Анализ карт ветров России показывает, что около половины территории страны, не охваченной централизованной СЭС, расположено в регионах с высоким ветропотенциалом.

Актуальность и необходимость использования ветровой энергии для экономии органического топлива в настоящее время отмечена отечественными и зарубежными специалистами в области энергоснабжения и нашла свое отражение в законодательной базе РФ, в частности в Федеральном законе РФ №42–ФЗ от 05.04.2003 г.

«Об энергосбережении»;

Распоряжениях Правительства РФ №1234– р от 28.08.2003 г. «Энергетическая стратегия России на период до 2020 года» и №1–р от 08.01.2009 г. «Основные направления государственной политики в сфере повышения энергетической эффективности электроэнергетики на основе использования возобновляемых источников энергии на период до 2020 года», а также в задачах НИОКР ОАО «Газпром» (разработка «Технологии получения энергии за счет использования энергоблоков малой мощности (110 кВт) на основе нетрадиционных и возобновляемых источников энергии для электроснабжения потребителей линейной части магистральных газопроводов») и ОАО «Газпром нефть» (разработка «Электротехнических комплексов на базе возобновляемых источников энергии для организации полностью автономного энергообеспечения объектов нефтедобычи в условиях Крайнего Севера»).

Научным исследованиям в области энергоснабжения потребителей с использование автономных гибридных ветродизельных комплексов посвящены работы ряда ученых, среди которых можно выделить: Аверин А.А., Вессарт В.В., Елистратов В.В., Ивченко В.А., Николаев В.Г., Сурков М.А., Хошнау Зана Пешанг Халил. Однако в данной области остались вопросы, требующие дальнейшей проработки: влияние номинальных параметров ветроэлектрической установки (ВЭУ) и промежуточного накопителя энергии постоянного тока на энергетическую характеристику ветроагрегата и ожидаемый объем годовой выработки электроэнергии ветроустановкой. Важной задачей является обоснование структуры и параметров электротехнических комплексов (ЭТК) с гибридными ВЭУ с целью повышения надежности и экономичности электроснабжения объектов минерально-сырьевого комплекса.

При этом на первоначальном этапе внедрения с учетом предполагаемого использования автономных ЭТК для гарантированного электроснабжения потребителей при выполнении поисково-разведочных и добычных работ на Севере и Северо Востоке страны, в условиях экстремальных годовых перепадов температур от минус 60 0С до плюс 40 0С, наиболее перспективными благодаря своей простой конструкции и высокой надежности являются малые горизонтально-осевые ВЭУ (единичной мощностью до 100 кВт).

Целью работы является обоснование структуры и параметров автономных электротехнических комплексов на базе гибридных ветроэлектрических установок гарантированного электроснабжения, позволяющих повысить надежность и экономичность систем электроснабжения потребителей, удаленных от центральной энергосистемы.

Идея работы. Надёжность и экономичность системы электроснабжения с использованием электротехнического комплекса с гибридной ветроэлектрической установкой достигается рациональным выбором параметров ветроагрегата и накопителя энергии постоянного тока для обеспечения максимальной годовой выработки электроэнергии ветроустановкой.





Научная новизна работы:

1. Определена зависимость коэффициента использования установленной мощности ветроэлектрической установки от расчетной и среднегодовой скорости ветра, а также от выбранного способа регулирования и ограничения частоты вращения ветроколеса.

2. Установлено рациональное соотношение параметров цепей переменного и постоянного тока, обеспечивающее максимальную выработку электрической энергии ветроэлектрической установкой с синхронным генератором с постоянными магнитами в составе автономного электротехнического комплекса с учетом распределения скорости ветра по градациям и среднегодовой скорости.

Основные задачи исследования:

1. Выявить обобщенную энергетическую характеристику ВЭУ мощностью до 100 кВт без привязки к определенным моделям и фирмам-производителям с использованием статистической аппроксимации и последующей экспериментальной проверкой полученных результатов на действующих ветроустановках.

2. Обосновать выбор мощности ВЭУ в составе автономного ЭТК с учетом ветровых условий (среднегодовой скорости и распределения скоростей ветра по градациям).

3. Оценить влияние способа регулирования и ограничения частоты вращения ветроколеса, расчетной и максимальной рабочей скорости ветра на объем годовой выработки ВЭУ.

4. Обосновать структуру и параметры автономного ЭТК с гибридной ВЭУ для гарантированного электроснабжения потребителей.

5. Разработать компьютерную имитационную модель гибридной ВЭУ с синхронным генератором с постоянными магнитами, обеспечивающей заряд аккумуляторной батареи.

6. Выявить зависимость максимального годового количества электроэнергии, вырабатываемого ВЭУ с синхронным генератором с постоянными магнитами, от соотношения параметров цепей переменного и постоянного тока, среднегодовой скорости ветра и параметра распределения скоростей ветра по градациям.

7. Определить комплексный показатель надежности, коэффициент готовности гарантированного источника питания на базе ЭТК с гибридной ВЭУ.

8. Выполнить экономическое обоснование эффективности электроснабжения удаленных от централизованной энергосистемы потребителей с использование ЭТК с гибридной ВЭУ.

Методы исследований. В работе использованы методы теории электрических цепей, электрических машин, систем электроснабжения электротехнических комплексов, имитационного математического моделирования в системе MatLab Simulink, численного анализа с использованием пакета MathCAD, MS Excel, экспериментальных исследований электротехнических и электромеханических комплексов.

Достоверность выводов и рекомендаций, изложенных в диссертации, основывается на сходимости не менее 90 % результатов моделирования и экспериментальных исследований режимов электроснабжения потребителей с использованием автономных источников электропитания на базе гибридных ветроэлектрических установок.

Практическая ценность диссертации:

1. Определена структура и алгоритм управления автономного электротехнического комплекса с использованием ветроэлектрической установки, дизель-электрической станции (ДЭС) и общего накопителя энергии постоянного тока для ветроагрегата и ДЭС для осуществления гарантированного электроснабжения удаленных от централизованной энергосистемы потребителей минерально-сырьевого комплекса.

2. Определены допустимые уровни отношений напряжения цепей переменного и постоянного тока, обеспечивающие максимальную эффективность работы ветроэлектрической установки в составе автономного электротехнического комплекса.

Реализация выводов и рекомендаций работы.

Схема автономного электротехнического комплекса с ВЭУ, ДЭС и общим промежуточным накопителем энергии постоянного тока для осуществления гарантированного электроснабжения отдаленных от централизованной энергосистемы потребителей будет использоваться при электроснабжении газотранспортных систем ООО "Газпром Трансгаз Санкт-Петербург", о чем получен акт внедрения основных результатов работ.

Личный вклад автора.

Определены статистические и экспериментальные энергетические характеристики ветроэлектрических установок, а также зависимость коэффициента использования установленной мощности от вариации номинальных параметров ветроагрегата при различных среднегодовых скоростях ветра. Предложена схема электротехнического комплекса с гибридным источником электроэнергии для гарантированного электроснабжения потребителей при отсутствии сетевого электропитания. Установлено рациональное соотношение амплитуды линейного напряжения синхронного генератора с постоянными магнитами ветроагрегата при номинальной частоте вращения и напряжения промежуточного накопителя энергии постоянного тока, обеспечивающее максимальную выработку электроэнергии ВЭУ.

Апробация. Основные положения и результаты работы докладывались и получили положительную оценку на международном форуме-конкурсе молодых ученых «Проблемы недропользования» (Санкт-Петербург, СПГГИ (ТУ), 2010), на научно-практических семинарах с международным участием «Неделя науки в СПбГПУ XXXVIII, XXIX, XL, XLI» (Санкт Петербург, СПбГПУ, 20092012), на 8 международной научной школе молодых ученых и специалистов (Москва, УРАН ИПКОН РАН, 2011), на 10-ой международной научно-практической конференции «Освоение минеральных ресурсов Севера: проблемы и решения» (Воркута, Воркутинский горный институт (филиал) ФГБ ОУ ВПО «Национальный минерально-сырьевой университет «Горный», 2012).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 печатных работ, в том числе 3 в научных изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, содержит 72 рисунка, 25 таблиц, список литературы из 99 наименований. Общий объем диссертации 156 страниц.

Во введении дана общая характеристика работы, обоснована ее актуальность, сформулированы цель и задачи исследования.

В главе 1 рассмотрены проблемы электроснабжения удаленных потребителей и объектов от сети централизованного энергоснабжения. Обоснована возможность использования возобновляемой энергии ветра. Выявлены регионы и территории, перспективные с точки зрения использования их ветропотенциала для электроснабжения потребителей. Выполнен анализ современных типов и устройства ВЭУ.

В главе 2 определены обобщенные энергетические характеристики ВЭУ с использованием статистического анализа и экспериментальных данных, полученных в ходе опытной эксплуатации ветроагрегата. Выполнена оценка эффективности работы ветроагрегата и выбор мощности ВЭУ в составе автономного ЭТК при вариации её номинальных параметров, способа регулирования и ограничения частоты вращения ветроколеса, с учетом ветровых условий в месте установки.

В главе 3 обоснована структура, параметры и алгоритм управления электротехнического комплекса. Разработана компьютерная имитационная модель гибридной ВЭУ с синхронным генератором с постоянными магнитами. Приведены результаты моделирования и экспериментальных исследований. Выявлена зависимость максимальной годовой выработки ВЭУ от соотношения параметров цепей переменного и постоянного тока, а также ветровых условий.

В главе 4 выполнено технико-экономическое обоснование гарантированного электроснабжения удаленных от централизованной энергосистемы потребителей с использование ЭТК с гибридной ВЭУ. Определено удельное снижение расхода топлива и стоимости вырабатываемой электроэнергии, а также коэффициент готовности ЭТК с гибридной ВЭУ.

Заключение отражает обобщенные выводы по результатам исследований в соответствии с целью и решаемыми задачами.

ЗАЩИЩАЕМЫЕ НАУЧНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ 1. Выбор мощности ветроэлектрической установки в составе электротехнического комплекса должен проводиться с учетом выявленных зависимостей объема генерируемой электроэнергии ветроагрегатом от расчетной скорости ветра и способа регулирования и ограничения частоты вращения ветроколеса, включая поворот лопастей около оси маха, срыв части потока воздуха с поверхности лопасти и вывод ветроколеса из-под ветра.

Выбор номинальной мощности ВЭУ в составе автономного ЭТК должен обеспечивать поступление электрической энергии, равное необходимому количеству её потребления за тот же период времени (месяц, квартал, год и т.п.).

В работе установлены обобщенные зависимости, описывающие энергетическую характеристику ВЭУ P=f(V) без привязки к определенным моделям и фирмам-производителям.

Зависимости определялись путем аппроксимации и статистической обработки паспортных данных ВЭУ с последующей экспериментальной проверкой полученных результатов на действующих ветроустановках. Выбранное решение позволяет, обеспечивая достаточную достоверность получаемых результатов, сократить временные и трудовые затраты при оценке проектов электроснабжения с использованием возобновляемой энергии ветра.

При выполнении расчетов мощность ВЭУ выражается в относительных единицах (о.е.) и определяется выражением P*=Pфакт / Pном, где за базисную величину мощности ветроагрегата принято его номинальное значение Pном, указанное в паспорте установки.

Проведенный анализ показал, что в настоящее время для ВЭУ с регулированием частоты вращения ветроколеса (мощности) за счет вывода ветроколеса из-под ветра отсутствует обобщенная энергетическая характеристика. При этом данные ВЭУ имеют наиболее простую конструкцию среди ветроагрегатов мощностью до 100 кВт и могут быть успешно использованы в автономных гибридных ЭТК.

На рисунке 1 приведены паспортные зависимости развиваемой мощности в о.е. от скорости ветра рассматриваемых ВЭУ, среднеарифметические значения их мощностей (круглые точки на графиках), а также полученная среднестатистическая зависимость (сплошная черная линия). При этом все данные были разделены на два диапазона относительно расчетной скорости ветра Vрасч.

Рисунок 1 — Аппроксимация среднестатистической энергетической характеристи ВЭУ в о.е.: а — в диапазоне скоростей ветра меньше Vрасч;

б — в диапазоне скоростей ветра свыше Vрасч Согласно расчетам во всем диапазоне рабочих скоростей ветра коэффициент вариации среднеарифметического значения мощности рассматриваемых ВЭУ не превышает 33 %. Поэтому совокупность представленных на рисунке 1 паспортных энергетических характеристик ВЭУ является однородной, а их среднее значение для каждой скорости ветра из рабочего диапазона — надежным. Таким образом, аппроксимация зависимости среднеарифметической мощности в о.е. рассматриваемых ветроагрегатов от скорости ветра может быть использованна в качестве базовой среднестатистической энергетической характеристики ВЭУ с регулированием мощности за счет вывода ветроколеса из-под ветра и описываться следующим выражением:

P * V a13V 3 a12V 2 a11V a10, при V мин V V расч б б (1) P (V ) * P * V a 23V 3 a 22V 2 a 21V a 20, при V расч V V макс б б Коэффициенты: а13=-0,001;

а12=0,027;

а11=-0,095;

а10=-0, при R2=0,999 (величина достоверности аппроксимации);

а23=0,0004;

а22=-0,027;

а21=0,497;

а10=1,645 при R2=0,994. Условия: Vбмин=3 м/с;

Vбрасч=10,65 м/с и Vбмакс=25 м/с.

Обобщенные энергетические характеристики ВЭУ получены с учетом следующих факторов:

– регулирование мощности ВЭУ происходит только при скоростях ветра выше расчетных;

– влияние изменения расчетной скорости ветра выражается через диаметр ветроколеса: P P2 D1 D2 Vрасч.2 Vрасч.1 3 / 2, следовательно, для о.е. измерения справедливо равенство:

P (V ) P (V ) V расч.2 V расч.1 ;

3/ * * 1 – превышение единичного значения развиваемой мощностью ВЭУ в о.е. в некотором диапазоне скоростей ветра определено как кратковременная перегрузка генератора ВЭУ, вызванная повышенным временем реагирования (запаздывания) системы регулирования частоты вращения ветроколеса на возмущающее воздействие от порыва ветра, и поэтому в расчетах не учитывается;

– для ВЭУ с регулированием частоты вращения ветроколеса за счет срыва части потока воздуха с поверхности лопасти или поворота лопасти около оси маха энергетическую характеристику при скоростях ветра свыше расчетной можно с достаточной степенью точности представать линейно с помощью выражений:

3 V расч V, при V расч V Vмакс и Р (V ) 1, при V расч V Vмакс Р* (V ) б б б б * 20 V расч Vмакс соответственно.

С учетом (1) были составлены итоговые выражения (2) и по ним построены зависимости, изображенные на рисунке 2, описывающие энергетические характеристики ВЭУ в о.е. для трех основных способов регулирования и ограничения мощности (частоты вращения ветроколеса), за счет: вывода ветроколеса из-под ветра — P*I ;

срыва части воздуха с поверхности лопасти — P*II;

поворота лопасти около оси маха — P*III, при различных расчетных скоростях ветра Vрасч.

P * V V расч V расч 3/, при V мин V V расч б P (V ) 1, при V расч V V расч * I Р * V V расч V расч, при V расч 8 V V макс б P V V 3/, при V мин V V расч б (2) * V расч расч (V ) * P Р V V II V расч, при V расч V V макс б * расч P V V 3/, при V мин V V расч б * V расч (V ) расч * PIII 1, при V расч V V макс Сравнение зависимостей с энергетическими P*I(V) характеристиками ВЭУ, полученными в ходе экспериментальных исследований ветроагрегатов по методике изложенной в Р 50-605 81-94 для ВЭУ «Бриз 5000» (Pном=5 кВт, Vрасч=12 м/с) и ВЭУ «Fortis Passat» (Pном=1,3 кВт, Vрасч=14 м/с), показало совпадение с точностью не хуже 90 и 92 % соответственно (см. рисунок 3).

Количество электрической энергии в о.е., вырабатываемое ВЭУ за год (коэффициент использования установленной мощности (КИУМ)), определяется по формуле:

V расч Vмакс W расч kиум P* V t V dV P* V t V dV 8760 (3) * V мин V расч В расчетах используется дифференциальная повторяемость скоростей ветра по градациям по Вейбуллу t(V).

Для территории России наиболее характерны две формы распределения скоростей ветра по градациям по функции Вейбулла, для которых параметр распределения равен 1,25 и 1,75. Значения КИУМ ВЭУ для вышеуказанных территорий приведены на рисунке 4.

Основным параметром, определяющим КИУМ (количество электрической энергии, вырабатываемое ВЭУ в о.е. в течение года), является расчетная скорость ветра установки (см. рисунок 4). С уменьшением которой происходит рост КИУМ для ветроагрегатов с любым способом регулирования частоты вращения ветроколеса (развиваемой мощности). При этом степень влияния выбора способа регулирования и ограничения частоты вращения ветроколеса на объемы выработки ВЭУ уменьшается с ростом расчетной скорости ветра.

Представленные на рисунке 4 зависимости рассчитаны для ВЭУ с максимальной скоростью ветра Vмакс=25 м/с. Оценка влияния уменьшения максимальной рабочей скорости ветра на выработку ВЭУ проводилась по формуле:

P V t V dV 8760 W 100% W (4) * * расч Vмакс Для ВЭУ с расчетными скоростями ветра свыше 12 м/с уменьшение максимальной рабочей скорости ветра на 5 м/с приводит к уменьшению КИУМ на 1013 %, а при расчетных скоростях ветра меньше 12 м/с уменьшение не превышает 56 %.

2. Максимальное количество электрической энергии, вырабатываемое ветроэлектрической установкой с синхронным генератором с постоянными магнитами в течение года, при заданной мощности генератора определяется соотношением параметров цепей переменного и постоянного тока с учетом параметра распределения скорости ветра по градациям и среднегодовой скорости.

Обобщенная схема автономного ЭТК гарантированного электроснабжения с ВЭУ и ДЭС с синхронными генераторами с постоянными магнитами, выпрямительными устройствами, комбинированным накопителем энергии постоянного тока в виде аккумуляторной батареи (АКБ) и суперконденсатора (СК), балластной нагрузкой и инвертором приведена на рисунке 5. С учетом непостоянства ветра АКБ в составе ЭТК служит для сглаживания уровней вырабатываемого ВЭУ и доступного для электроснабжения нагрузки количества электроэнергии, СК в свою очередь обеспечивает покрытие пиковых кратковременных нагрузок электропотребления (например: пуск электродвигателя).

Использование СК в составе ЭТК оказывает положительное влияние на срок службы АКБ. Оборудование, отмеченное на схеме (см. рисунок 5) пунктирной линией, может устанавливаться по требованию эксплуатации и служит для согласования различных уровней напряжения, а также сокращения потерь в силовых линиях.

Согласно схеме, представленной на рисунке 5, ВЭУ напрямую через диодный выпрямитель подключена к АКБ и далее через инвертор на нагрузку, в результате постоянство напряжения на шинах постоянного тока (клеммах АКБ) поддерживается самой батареей, в пределах изменения напряжения батареи ±20 % в зависимости от степени её заряженности без специальных устройств регулирования напряжения.

Для решения поставленных задач была разработана имитационная компьютерная модель, реализованная в системе MatLab Simulink и представленная на рисунке 6, позволяющая исследовать статические и динамические процессы в работе гибридной ВЭУ в составе ЭТК.

Моделирование электромеханической системы ВЭУ выполнялась согласно уравнению движения ветроагрегата:

d Мв Мг (5) Jв dt где Jв — момент инерции вращающихся частей ВЭУ (ветроколеса и ротора генератора), кгм2;

Мв — момент вращения ветроколеса (ветродвигателя), определяемый формулой (6), Нм;

Мг — электромагнитный момент генератора, Нм.

М в МR 3 V 2 (6) где М — отвлеченная аэродинамическая моментная характеристика ветроколеса, определяемая согласно выражению (7);

R — радиус ветроколеса, м;

– плотность воздуха, кг/м3 (=1,225 кг/м3);

V — скорость ветра, м/с.

М a6 Z 6 a5 Z 5 a4 Z 4 a3 Z 3 a2 Z 2 a1Z a0 (7) Коэффициенты выражения (7) соответствуют типовой аэродинамической характеристике трехлопастного ветроколеса и равны: a6=13,610-6;

a5=49,910-5;

a4=69,110-4;

a3=44,510-3;

a2=0,125;

a1=0,093;

a0=0,025.

Рисунок 6 — Имитационная компьютерная модель гибридной ВЭУ При разработке имитационной модели использованы уравнения, описывающие работу синхронного генератора с постоянными магнитами, выпрямителя, аккумулятора, принятые в системе MatLab Simulink.

В результате моделирования получены энергетические характеристики ВЭУ в о.е. в установившемся режиме для различных напряжений АКБ (см. рисунок 7). При этом напряжение АКБ измеряется в о.е. и определяется выражением U*=Uфакт / Uхх.г., где за базисную величину принята амплитуда линейного напряжения холостого хода генератора Uхх.г. при номинальной частоте вращения.

Адекватность разработанной модели проверялась на автономном ЭТК с гибридной ВЭУ «Бриз 5000», расположенном на территории опытно-экспериментального полигона Национального минерально-сырьевого университета «Горный» (см. рисунок 8).

Скорость ветра в месте установки ВЭУ фиксировалась с помощью анеморумбометра «Ветромер–1». Экспериментальные данные зависимости мощности, развиваемой ВЭУ, от скорости ветра при различных напряжениях АКБ изображены на рисунке 7, сходимость результатов моделирования с данными полученными в ходе эксперимента составила 95 %.

Установлено, что с ростом напряжения на АКБ в о.е. (U*) увеличивается мощность ВЭУ в о.е. (P*), передаваемая в нагрузку, при номинальной (расчетной) скорости ветра для данного ветроагрегата, при этом также происходит увеличение минимальной рабочей скорости ВЭУ.

На рисунке 9 приведены зависимости генерируемой ВЭУ энергии в процентном соотношении (K) к её максимальному уровню от напряжения на АКБ в о.е. (U*) с учетом различных среднегодовых скоростей ветра для двух наиболее распространённых на территории России параметров распределения скоростей ветра по градациям.

W* К * 100% (8) W макс где W* — количество электрической энергии в о.е., вырабатываемое ВЭУ за период времени T при текущем напряжении на АКБ в о.е.;

W*макс — максимальное количество электрической энергии в о.е., вырабатываемое ВЭУ за тот же период T при оптимальном напряжении на АКБ для заданных ветровых условий.

Для оценки изменения коэффициента готовности Кт.г. ЭТК при варьировании компонентного состава комплекса и обоснования возможности использования ЭТК с гибридной ВЭУ в качестве источника гарантированного электроснабжения потребителей (для электроснабжения объектов газо-нефтедобычи от автономных ЭТК коэффициент готовности должен быть не менее 0,99) были произведены расчеты показателей надежности, которые представлены в таблице 1.

Согласно расчетам при коэффициенте совпадения графиков нагрузки и выработки электроэнергии ВЭУ равном Кгр.н=0,5 в течение длительного промежутка времени (месяц и более) коэффициент готовности гибридного ЭТК, включающего в себя две ДЭС и ВЭУ, составляет 0,99, что позволяет отнести его к источникам гарантированного электроснабжения. При Кгр.н=0,8, коэффициент готовности гибридного ЭТК равен 0,9955.

Использование ВЭУ влияет на календарный срок службы и межремонтный период ДЭС, которые при вариации значений коэффициента совпадения графиков нагрузок и выработки электроэнергии ВЭУ от 0,5 до 0,8 увеличиваются на 4070 %.

Таблица 1 — Показатели надежности ЭТК ЭТК с двумя Параметры ДЭС ВЭУ с двумя ДЭС и ДЭС ВЭУ Среднее время безотказной 542 2000 1996 работы T, ч Среднее время 73,9 105,3 37,0 36, восстановления, ч Частота отказов, ч-1 0,0018 0,0005 0,00050 0, Частота преднамеренных 0,004 0,00011 - отключений, ч- Время технического 4 24 - обслуживания, ч Минимальный коэф.

совпадения графика нагрузки - 0,5 - и графика выработки эл.эн.

ВЭУ Кгр.н Коэффициент готовности 0,88 0,95 0,98 0, Предложенная структура гибридного комплекса и выбор мощности ветроагрегата в составе ЭТК с ДЭС мощностью 200 кВт (две дизель-генераторных установки по 100 кВт, работающие попеременно) и несколькими ВЭУ при среднегодовой скорости ветра 6 м/с, обеспечивает экономию привозного топлива на уровне 4050 %, а также позволяет снизить тариф на вырабатываемую электроэнергию по сравнению с электроснабжением потребителей только от ДЭС. При сроке окупаемости заемных инвестиций 8 лет величина снижения тарифа на электроэнергию составляет 1315 %. В случае сохранения тарифа на электроэнергию неизменным, срок окупаемости гибридного ЭТК сокращается до 5 лет.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ Диссертация является законченной научно-квалификационной работой, в которой содержится решение актуальной научно технической задачи повышения надежности и экономичности систем гарантированного электроснабжения потребителей в условиях их удаленности от централизованной энергосистемы с использованием электротехнических комплексов с гибридной ветроэлектрической установкой.

Основные результаты работы заключаются в следующем:

1. Выявлены обобщенные энергетические характеристики ветроагрегатов мощностью до 100 кВт с различными способами регулирования и ограничения частоты вращения ветроколеса с учетом вариации расчетной скорости ветра ВЭУ.

2. Установлены зависимости, позволяющие выполнить выбор мощности ВЭУ в составе автономного ЭТК с учетом ветровых условий (среднегодовой скорости и распределения скоростей ветра по градациям), расчетной и максимальной рабочей скорости ветра ВЭУ и способа регулирования и ограничения частоты вращения ветроколеса.

3. Обоснована структура автономного ЭТК гарантированного электроснабжения, включающая в себя ВЭУ и ДЭС с синхронными генераторами с постоянными магнитами, выпрямительные устройства, объединённые общей вставкой по постоянному току, комбинированный накопитель энергии и общий инверторный выход для подключения нагрузки. Топология ЭТК может варьироваться в зависимости от вида и количества генерирующих установок и средств силовой электроники (согласующих DC/DC преобразователей) с целью минимизации габаритов и количества компонентных блоков в зависимости от необходимости наращивания или сокращения генерирующих мощностей.

4. Разработана компьютерная имитационная модель гибридной ВЭУ с синхронным генератором с постоянными магнитами в системе MatLab Simulink, позволившая исследовать статические и динамические процессы. Адекватность разработанной модели проверялась в условиях эксплуатации ВЭУ на опытно экспериментальной базе Горного университета. Установлены зависимости объема вырабатываемой электроэнергии гибридной ВЭУ от выбранного напряжения промежуточного накопителя энергии постоянного тока для различных ветровых условий.

5. Определен коэффициент готовности ЭТК с гибридной ВЭУ гарантированного электроснабжения Кт.г.=0,990,9955 с учетом вариации коэффициента совпадения графиков нагрузки и выработки электроэнергии ВЭУ от 0,5 до 0,8.

6. Установлена зависимость срока окупаемости заемных инвестиций на сооружение гибридного ЭТК с ДЭС суммарной мощностью 200 кВт и несколькими ВЭУ от тарифа на электроэнергию и удельного снижения расхода топлива. При среднегодовой скорости ветра выше 6 м/с ЭТК с гибридной ВЭУ позволяет снизить тариф на вырабатываемую электроэнергию на 1315 % по сравнению с электроснабжением потребителей только от ДЭС, при этом срок окупаемости заемных инвестиций не превышает 8 лет.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Абрамович Б.Н. Выбор параметров ветро-дизельной установки для энергообеспечения минерально-сырьевого комплекса / А.А. Бельский, Б.Н. Абрамович // Записки Горного института, РИЦ Горного университета, Т. 195, СПб, 2012, С. 227 231.

2. Бельский А.А. Ветроэлектрическая установка с регулированием мощности за счет вывода ветроколеса из-под ветра // Естественные и технические науки, изд-во Спутник+, №1 (63), Москва, 2013, С. 185- 3. Бельский А.А. Обоснование возможности использования возобновляемых источников энергии для энергоснабжения объектов минерально-сырьевого комплекса / А.А. Бельский, Э.В. Яковлева // Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология», Научно-технический центр «ТАТА», №02/2 (120), Саров, 2013, С. 63-67.

4. Бельский А.А. Возобновляемые источники энергии для электроснабжения территориально рассредоточенных объектов горной промышленности / А.А. Бельский, Э.В. Яковлева, Б.Н. Абрамович // XXXVIII неделя науки СПбГПУ: материалы международной научно-практической конференции, ч. II, изд-во Политехн. ун-та, С-Пб, 2009, С. 49-50.

5. Бельский А.А. Критерий выбора оптимальных параметров ветродизельных комплексов для энергообеспечения потребителей минерально-сырьевого комплекса /А.А. Бельский, Б.Н. Абрамович // XL Неделя науки СПбГПУ: материалы международной научно практической конференции, ч. II, изд-во СПбГПУ, С-Пб, 2011, С. 42 44.

6. Бельский А.А. Оценка воздействия ветроэлектрических установок на окружающую среду / А.А. Бельский, Б.Н. Абрамович // Освоение минеральных ресурсов Севера: проблемы и решения:

Труды 10-ой международной научно-практической конференции 11 13 апреля 2012 года/ Воркутинский горный институт (филиал) ФГБ ОУ ВПО «Национальный минерально-сырьевой университет «Горный». – Воркута, 2012, С. 495-498.

7. Бельский А.А. Оценка перспектив использования ветроэлектрических установок для энергообеспечения геологоразведочных работ на территории Обской губы / А.А. Бельский, Б.Н. Абрамович // XLI неделя науки СПбГПУ:

материалы международной научно-практической конференции, ч. II, изд-во Политехн. ун-та, С-Пб, 2012, С. 44-46.

Рисунок 3 — Энергетические характеристики ВЭУ, полученные в результате расчетов и экспериментальных исследований:

а — для «Бриз 5000»;

б — для «Fortis Passat» Рисунок 2 — Энергетические характеристики ВЭУ в о.е. при различных расчетных скоростях ветра с регулированием и ограничением частоты вращения ветроколеса (развиваемой мощности) за счет: а — вывода ветроколеса из-под ветра;

б — срыва части воздуха с поверхности лопасти;

в — поворота лопасти около оси маха Рисунок 5 — Обобщенная схема автономного ЭТК с гибридной ВЭУ: ВК — ветроколесо;

СГПМ — синхронный генератор с постоянными магнитами;

ВЭУ — ветроэлектрическая установка;

Р — рубильник Рисунок 4: а, г — КИУМ ВЭУ с регулированием частоты короткозамыкатель;

Тр-р — трансформатор;

В — вращения ветроколеса за счет поворота лопасти около оси маха;

выпрямитель;

DC/DC — преобразователь постоянного тока;

б, д и в, е — удельное уменьшение КИУМ ВЭУ за счет БН — балластная нагрузка;

АКБ — аккумуляторная батарея;

регулирования частоты вращения ветроколеса срывом части СК — суперконденсатор;

К — контактор;

ДГ — дизель потока воздуха с лопасти и выводом его из-под ветра генератор;

ДЭС — дизель-электрическая станция;

А — соответственно автоматический выключатель;

DC/AC — инвертор Рисунок 7 — Энергетические характеристики ВЭУ в о.е. с учетом вариации напряжения АКБ в о.е.

Рисунок 9 — Зависимости генерируемой ВЭУ энергии в процентном соотношении к её максимальному уровню от напряжения на АКБ в о.е. для различных параметров распределения скоростей ветра по градациям:

а — =1,25;

б — =1, Рисунок 8 — ЭТК с гибридной ВЭУ:

а — общий вид расположения;

б — контейнер с оборудованием и анеморумбометром «Ветромер–1»;

в — регулятор заряда (выпрямитель);

г — распределительный щит подключения нагрузки с приборами измерения

 



Похожие работы:





 
2013 www.netess.ru - «Бесплатная библиотека авторефератов кандидатских и докторских диссертаций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.