автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Электротехнический комплекс с гибридной ветроэлектрической установкой гарантированного электроснабжения

005060876

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

6Ш ¿013

005060876

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^^^^^Х-- . 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 (1-И 0 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 A.A., 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 °С до плюс 40 °С, 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, ХЬ, ХП» (Санкт-Петербург, СПбГПУ, 2009-К2012), 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 Р=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 (o.e.) и определяется выражением Р =РФакт / Рном, где за базисную величину мощности ветроагрегата принято его номинальное значение Рном, 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 o.e. 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 Vpac4. а)

б)16

Скорость ветра Г. м/с

Рисунок 1 — Аппроксимация среднестатистической энергетической характеристи ВЭУ в o.e.: а — в диапазоне скоростей ветра меньше УРасч', б — в диапазоне скоростей ветра свыше Vpac4

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 o.e. 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:

р. Р"{У)=ааУг +anV2 +auV +aw, при V*IIH <V <V^C4 (J)

P"{v) = a2]V3 + a22V2 +a2iV + a20, при V^ < V < V6MaKC

Коэффициенты: й/^=-0,001; a12=0,027; a//=-0,095; аю=-0,078 при ^=0,999 (величина достоверности аппроксимации); а23=0,0004; а22=-0,027; а2Г=0,497; а/0=1,645 при 7^=0,994. Условия: ҐшШ„=3 м/с; ^расч= Ю,65 м/с и У"'ЛШк-с=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: PjP2=(Di/D2^Vpac42/Vpac4lfn, следовательно,

для o.e. измерения справедливо равенство:

РЇЮ/РХгМг^/У^}'2'

- превышение единичного значения развиваемой мощностью ВЭУ в o.e. 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:

<v<v

расч макс

и P"\V) = \,npu V,

6 <v<v6

расч — макс

P"\V) = l-—-SVp°™ V\,npu V6 20 (V -V '

\ расч 'макс/

соответственно.

С учетом (1) были составлены итоговые выражения (2) и по ним построены зависимости, изображенные на рисунке 2, описывающие энергетические характеристики ВЭУ в o.e. для трех основных способов регулирования и ограничения мощности (частоты вращения ветроколеса), за счет: вывода ветроколеса из-под ветра — Р* 1 ; срыва части воздуха с поверхности лопасти — Р и; поворота лопасти около оси маха — Р ш, при различных расчетных скоростях ветра Vpac4.

Р"(У\fcj^J3'2' "Р" V...... ^ Vpac,

P/(F) = \,при Vim < V < {VpaC4 +8)

Pn'{v + ty - v;,n{l при {v/m +&)<V< VMaKC

KiV)

Рш<У) =

P"{v\ {v^/v^j12, при VMUH <V< v!m (2)

P" {v + - v;:K4 {l при < V < VMaKC

P"{V)- {v",acJVIKJ12, при V_......<V< Vpac4

1, при V/KIC4 <V< VMaKC

Сравнение зависимостей P ¡(V) с энергетическими характеристиками ВЭУ, полученными в ходе экспериментальных исследований ветроагрегатов по методике изложенной в Р 50-60581-94 для ВЭУ «Бриз 5000» (Рном=5 кВт, fV„=12 м/с) и ВЭУ «Fortis Passat» (РИ0М=\,3 кВт, ^„=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:

W =k =

расч пум

Jp''(v)t(v)dv+ Jp"'(v)t(v)dv

/8760

(3)

В расчетах используется дифференциальная повторяемость скоростей ветра по градациям по Вейбуллу ¡(У).

О 5 10 15 20 25

Скоросп. ветра Г, м/с

5 10 15 20 25

Скорое іь веі pa Г. м/с

Скорость ветра V, м/с

1.0 * ■««!>• в а в и к ¡а 8 и а

В) // / —при \'расч 8 м с

¿.0.6 I ш ///'ы[ -при Vpac4=ll м/с

|[-- /яЩу? -пра Vpaci 15 м'с

о 5 10 15 20 25

Скорость ветра 1 . м/с

Рисунок 2 — Энергетические характеристики ВЭУ в o.e. при различных расчетных скоростях ветра с регулированием и ограничением частоты вращения ветроколеса (развиваемой мощности) за счет: а — вывода ветроколеса из-под ветра; 5 — срыва части воздуха с поверхности лопасти; в — поворота лопасти около оси маха

Экспериментальные

- к -

і 0 15

Скорость ветра V, м/с

Рисунок 3 — Энергетические характеристики ВЭУ, полученные в результате расчетов и экспериментальных исследований: а — для «Бриз 5000»; б — для «Fortis Passat»

Для территории России наиболее характерны две формы распределения скоростей ветра по градациям по функции Вейбулла, для которых параметр распределения у 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 o.e. 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 ¥лшкс=25 м/с. Оценка влияния уменьшения максимальной рабочей скорости ветра на выработку ВЭУ проводилась по формуле:

Для ВЭУ с расчетными скоростями ветра свыше 12 м/с уменьшение максимальной рабочей скорости ветра на 5 м/с приводит к уменьшению КИУМ на 10-КЗ %, а при расчетных скоростях ветра меньше 12 м/с уменьшение не превышает 5-И) %.

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),

(4)

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 Ма1ЬаЬ БтиНпк 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:

^ = Ме-Мг (5)

сн

где Л — момент инерции вращающихся частей ВЭУ (ветроколеса и ротора генератора), кг-м2; Мв — момент вращения ветроколеса (ветродвигателя), определяемый формулой (6), Нм; Мг — электромагнитный момент генератора, Н-м.

М^-МпВ^рУ1 (6)

в 2

где М — отвлеченная аэродинамическая моментная характеристика ветроколеса, определяемая согласно выражению (7); Я — радиус

ветроколеса, м; р - плотность воздуха, кг/м3 (р=1,225 кг/м3); V — скорость ветра, м/с.

М = абгь +а5г5 + а4г4 + а,г3 + а2г2 + ах2 + а0 (7)

Коэффициенты выражения (7) соответствуют типовой аэродинамической характеристике трехлопастного ветроколеса и равны: а6= 13,6-10"6; ад=49,9-10'5; а4=69,МО"4; а3=44,5-10"3; а2=0,125; а/=0,093; а0=0,025.

PCO1

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 o.e. в установившемся режиме для различных напряжений АКБ (см. рисунок 7). При этом напряжение АКБ измеряется В O.e. И определяется выражением U —Uфакт / Uxx.e., где за базисную величину принята амплитуда линейного напряжения холостого хода генератора ихх_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 o.e. (U) увеличивается мощность ВЭУ в o.e. (Р ), 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 (К) к её максимальному уровню от напряжения на АКБ в o.e. {U ) с учетом различных среднегодовых скоростей ветра для двух наиболее распространённых на территории России параметров распределения скоростей ветра по градациям.

К = -^г—100% (8)

W

макс

где W — количество электрической энергии в o.e., вырабатываемое ВЭУ за период времени AT при текущем напряжении на АКБ в o.e.; W*mokc — максимальное количество электрической энергии в o.e., вырабатываемое ВЭУ за тот же период ЛТ при оптимальном напряжении на АКБ для заданных ветровых условий.

Для оценки изменения коэффициента готовности Кг„,, 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.

Ll а) 7=1,25

1

N!

—|

9 10 11 12 13 14 15 16 _Скорость ветра Г. м/с_

. 0.030 1) о

^0,025 а*

и

£.0,020

< 0.015 ->.

СП 0.010 W

?-0.005

3 ,

< 0.000

i \i • в)У=1 ,25

NN

N \

к, ^

10 11 12 13 14 15 Скорость в<гтр|>*5 м/с

. 0.030 и О

,<0.025 и

а 0.020 #

<] 0.015 >.

I7) 0.010 DP

S.0.005 й

<1 ода

д) 7=1.75

\

>4. N

10 и 12 13 14 15 Скорость ветре ' . м/с

,0.030 и о

-¡¡оде

Г

у

ао.020 *

<3 0.015 m о.ою

О)

§.0.005

й

< 0,000

Тч 6)7=1,25

5 10 11 12 13 14 Скорость Еетра Г. м/с

. о.«5

3*

У 0-50

Я

3.

0.40 £ ' >, ".-Я О

М 0.20 Я

&0.10

Й '

0.00

г) 7=1,75 —

¡——

1 -f—HZx"? T

J— . —" —»

9 10 11 12 13 14 Скорость ветра Г. м/с

0,030 0,025 0,020 0,015 0,010 0,005 0,000

e) 7=1,75

\

N 4

v

t-,

S 10 11 12 13 14 _ Скорость ветра К м/с

Среднегодовая скорость, м/с: —*-4; -»-5; -»-6; —7; —8; -*-9;

Рисунок 4: а, г — КИУМ ВЭУ с регулированием частоты вращения ветроколеса за счет поворота лопасти около оси маха; б, д ив, е — удельное уменьшение КИУМ ВЭУ за счет регулирования частоты вращения ветроколеса срывом части потока воздуха с лопасти и выводом его из-под ветра соответственно

Рисунок 5 — Обобщенная схема автономного ЭТК с гибридной ВЭУ: ВК — ветроколесо; СГПМ — синхронный генератор с постоянными магнитами; ВЭУ — ветроэлектрическая установка; Р — рубильник-короткозамыкатель; Тр-р — трансформатор; В — выпрямитель; DC/DC — преобразователь постоянного тока; БН — балластная нагрузка; АКБ — аккумуляторная батарея; СК — суперконденсатор; К — контактор; ДГ — дизель-генератор; ДЭС — дизель-электрическая станция; А — автоматический выключатель; DC/AC — инвертор

Рисунок 7 — Энергетические характеристики ВЭУ в o.e. с учетом вариации напряжения АКБ в o.e.

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

30

0.1 0.: 0..» 0.4 0.5 0.6 0." 0.8

Наприжнне ни ЛКЬ f. o.e.

Рисунок 9 — Зависимости генерируемой ВЭУ энергии в процентном соотношении к её максимальному уровню от напряжения на АКБ в o.e. для различных параметров распределения скоростей ветра по градациям: а —7=1,25; б — г=1,75

-•-при Vcp.iv 10 ц'с

0.4 0,5 0,6

fh прнжпио на АКЬ ('*,o.e.

Согласно расчетам при коэффициенте совпадения графиков нагрузки и выработки электроэнергии ВЭУ равном Кгр„—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 40+70 %.

Таблица 1 — Показатели надежности

Параметры ДЭС ВЭУ ЭТК с двумя ДЭС ЭТК с двумя ДЭС и ВЭУ

Среднее время безотказной работы Т, ч 542 2000 1996 3657

Среднее время восстановления г, ч 73,9 105,3 37,0 36,3

Частота отказов со, ч"1 0,0018 0,0005 0,00050 0,00027

Частота преднамеренных отключений V, ч"1 0,004 0,00011 - -

Время технического обслуживания)/, ч 4 24 - -

Минимальный коэф. совпадения графика нагрузки и графика выработки эл.эн. вэу *•„,„ - 0,5 - -

Коэффициент готовности 0,88 0,95 0,98 0,99

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 40+50 %, 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 13-5-15 %. 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~0,99-Ю,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 13-45 % 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 / A.A. Вельский, Б.Н. Абрамович // Записки Горного института, РИЦ Горного университета, Т. 195, СПб, 2012, С. 227231.

2. Бельский A.A. Ветроэлектрическая установка с регулированием мощности за счет вывода ветроколеса из-под ветра // Естественные и технические науки, изд-во Спутник+, №1 (63), Москва, 2013, С. 185-188

3. Бельский A.A. Обоснование возможности использования возобновляемых источников энергии для энергоснабжения

объектов минерально-сырьевого комплекса / A.A. Вельский, Э.В. Яковлева // Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология», Научно-технический центр «TATА», №02/2 (120), Саров, 2013, С. 63-67.

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

5. Вельский A.A. Критерий выбора оптимальных параметров ветродизельных комплексов для энергообеспечения потребителей минерально-сырьевого комплекса /A.A. Вельский, Б.Н. Абрамович // XL Неделя науки СПбГПУ: материалы международной научно-практической конференции, ч. И, изд-во СПбГПУ, С-Пб, 2011, С. 4244.

6. Вельский A.A. Оценка воздействия ветроэлектрических установок на окружающую среду / A.A. Вельский, 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. Вельский A.A. Оценка перспектив использования ветроэлектрических установок для энергообеспечения геологоразведочных работ на территории Обской губы / A.A. Вельский, Б.Н. Абрамович // XLI неделя науки СПбГПУ: материалы международной научно-практической конференции, ч. II, изд-во Политехи, ун-та, С-Пб, 2012, С. 44-46.

РИЦ Горного университета. 23.05.2013. 3.297. Т. 100 экз. 199106 Санкт-Петербург, 21-я линия, д.2

Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Национальный минерально-сырьевой университет «Горный»

04201360323 На правах рукописи

ВЕЛЬСКИЙ Алексей Анатольевич

ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС С ГИБРИДНОЙ ВЕТРОЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ УСТАНОВКОЙ ГАРНАТИРОВАННОГО

ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ

Специальность 05.09.03 — Электротехнические комплексы и системы

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ

доктор технических наук, профессор Б.Н. Абрамович

Санкт-Петербург — 2013

Оглавление

ВВЕДЕНИЕ.................................................................................................-.................4

ГЛАВА 1 СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ, СВЯЗАННОЕ С ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЕМ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ ОТ АВТОНОМНЫХ ИСТОЧНИКОВ ПИТАНИЯ.....................................................................................12

1.1 Электроснабжение объектов минерально-сырьевого комплекса отдаленных от централизованной энергосистемы......................................................................12

1.2 Анализ ветропотенциала России и повторяемости ветров в регионах..........15

1.3 Устройство различных типов ВЭУ....................................................................22

1.4 Нормативно-техническая документация по ветроэлектрическим установкам и электротехническим комплексам на их основе...................................................34

1.5 Обоснование необходимости создания автономного электротехнического комплекса с гибридной ветроэлектрической установкой.....................................38

1.6 Выводы, цель и задачи диссертационной работы............................................40

ГЛАВА 2 СТРУКТУРА И ПАРАМЕТРЫ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА С ГИБРИДНОЙ ВЕТРОЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ УСТАНОВКОЙ

ГАРАНТИРОВАННОГО ПИТАНИЯ......................................................................43

2.1 Аналитические исследования энергетических характеристик

ветроэлектрических установок.................................................................................43

2.2. Экспериментальное исследование энергетических характеристик ветроэлектрических установок.................................................................................54

2.3 Оценка объема среднегодовой выработки ветроэлектрической установки.. 62

2.4 Выбор промежуточного накопителя энергии...................................................73

2.5 Выводы к главе 2.................................................................................................87

ГЛАВА 3 ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ГИБРИДНОЙ ВЕТРОЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ...................................88

3.1 Анализ схем электроснабжения потребителей от автономной ветроэлектрической установки гарантированного питания.................................88

3.2 Схемная реализация электротехнического комплекса....................................96

1

"А

3.3 Математическое моделирование работы гибридной ветроэлектрической установки гарантированного питания...................................................................102

3.4 Имитационное компьютерное моделирование работы гибридной ветроэлектрической установки в среде MatLab.....\............................................113

3.5 Экспериментальные исследования работы гибридной ветроэлектрической установки..................................................................................................................125

3.6 Выводы к главе 3...............................................................................................127

ГЛАВА 4 ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ ГИБРИДНОГО ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА.......................................................129

4.1 Надежность электротехнического комплекса с гибридной ветроэлектрической установкой гарантированного электроснабжения............129

4.2 Экономическое обоснование использования ветроэлектрической установки в составе гибридного генерирующего комплекса................................................131

4.3 Экологическое воздействие ветроэлектрической установки на окружающую среду............................................................................'}.............................................136

4.4 Выводы к главе 4...............................................................................................144

ЗАКЛЮЧЕНИЕ........................................................................................................146

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.......................................................................................148

ВВЕДЕНИЕ

Разработка месторождений полезных ископаемых связана с высокой долей энергозатрат на их извлечение и дальнейшую транспортировку. При этом постепенное истощение месторождений углеводородов в европейской части России, вынуждает производить поисково-разведочные и добычные работы в неосвоенной континентальной части Центральной и Восточной Сибири, Дальнего Востока, шельфовых месторождений Арктического побережья, расположенных в зоне децентрализованного электроснабжения, охватывающей свыше половины территории страны.

Строительство централизованной системы электроснабжения в данных регионах на базе крупных электростанций требует значительных капиталовложений. При этом при удалении центров электрических нагрузок потребителей минерально-сырьевого комплекса от централизованных энергоисточников возрастают затраты на строительство и эксплуатации протяженных линий электропередач.

В этой связи, одним из способов решения проблемы энергоэффективного обеспечения удаленных районов страны, является использование автономных источников электроэнергии, максимально приближенных к потребителям. В настоящее время в качестве автономных источников электропитания используются агрегаты работающие на углеводородном топливе. В свою очередь использование возобновляемых источников энергии (ВИЭ) в составе автономных электротехнических комплексов и систем позволяет снизить топливную составляющую в себестоимости вырабатываемой электроэнергии, что способно повысить их технико-экономическую эффективность.

Необходимость использования ВИЭ также отражена в Федеральном законе «Об энергосбережении» и ряде Распоряжений Правительства Российской Федерации, в которых [1, 2, 3]:

- особо обозначена необходимость интенсивного использование ВИЭ для энергоснабжения объектов на Крайнем Севере;

- установлены целевые показатели по выработке электроэнергии за счет ВИЭ на уровне 4,5% к 2020 г.;

- выделено развитие малой энергетики на ВИЭ, для замещения локальной дизельной генерации.

Таким образом, применение ВИЭ, в частности ветровой энергии, за счет использования ветроэлектрических установок (ВЭУ), позволит повысить эффективность и надежность работы локальных систем электроснабжения.

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 (1-г10 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») [74].

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

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 -60 °С до +40 °С, 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 за счет рационального выбора 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 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 параметра 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 помощью статистической аппроксимации и последующей

экспериментальной проверкой полученных результатов на действующих ветроустановках.

2. Обосновать выбор мощности ВЭУ в составе автономного ЭТК с учетом характеристик 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.

Защищаемые научные положения:

1. Выбор мощности ветроэлектрической установки в составе электротехнического комплекса должен производиться 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.

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

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 ВЭУ, 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, ХЬ, ХЫ» (Санкт-Петербург, СПбГПУ, 2009-^2012), 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).

ГЛАВА 1 СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ, СВЯЗАННОЕ С ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЕМ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ ОТ АВТОНОМНЫХ

ИСТОЧНИКОВ ПИТАНИЯ

1.1 Электроснабжение объектов минерально-сырьевого комплекса отдаленных от централизован