автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Локальные электроэнергетические системы с широким использованием возобновляемых источников

На правах рукописи

СОЛОНИЦЫН Александр Геннадьевич

ЛОКАЛЬНЫЕ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ С ШИРОКИМ ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ВОЗОБНОВЛЯЕМЫХ

ИСТОЧНИКОВ

Специальность: 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Владивосток - 2006

Работа выполнена в Дальневосточном государственном техническом университете (ДВПИ им. В.В. Куйбышева)

Научный руководитель:

доктор технических уаук, профессор А.Т. Беккер

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор В.А. Достовалов

кандидат технических наук, профессор П.М. Радченко

Ведущая организация:

Институт автоматики и процессов управления ДВО РАН

Защита состоится

2006 г. в

час. на заседании диссерта-

ционного совета К 212.055.02 в ИРИЭТ ДВГТУ, 690950 г. Владивосток, ул. Акса-ковская, За, ауд. Б107.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Дальневосточного государственного технического университета.

Автореферат разослан "_

2006 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук

Ю.М. Горбенко

Общая характеристика работы Актуальность. Значительная часть России, около 2/3 её территории, изолирована от сетей Единой или региональных электроэнергетических систем (ЭЭС). Другие, кроме гидроэнергетических, возобновляемые источники энергии (ВИЭ) используются в данных, удаленных территориях незначительно, в виде опытных или опытно-промышленных электроустановок малой мощности, работающих, в основном, на указанные сети. В изолированных электроэнергетических системах используются преимущественно дизель-генераторы (ДГ). Себестоимость вырабатываемой ими электроэнергии превосходит 10 руб. за 1 кВт-ч. Суммарная мощность ДГ в России составляет 5 ООО МВт. Они вырабатывают около 30 млрд. кВт-ч в год, на что расходуется 8 млн. т. жидкого топлива в год. На дотации тарифа уходит до 50% бюджетов муниципальных образований - 11 млрд. руб. Из построенных в СССР около 8 ООО малых ГЭС в настоящее время действует примерно 300. В России установлены ветроэлектрические станции (ВЭС) с общей мощностью 8 МВт, по сравнению с 55 000 МВт в мире.

Причиной такого положения в локальной электроэнергетике является не только общая экономическая ситуация: на фоне проработок в области использования отдельных источников энергии, отсутствуют комплексные технические решения. Методики расчета себестоимости для крупных энергосистем здесь неприменимы. Вместо определения конкретных путей использования бестопливных источников, ведется научная полемика. Федеральные целевые программы в этой части не исполняются, частные инвесторы еще не рискуют делать долгосрочные вложения. Отсутствует подход, соединяющий воедино технические, экономические, финансовые, экологические и социальные аспекты — с тем, чтобы определить действительный эффект от внедрения того или иного проекта в конкретном населенном пункте, районе.

В научной литературе практически отсутствуют результаты исследований автономной и параллельной работы генераторных агрегатов, использующих ВИЭ и работающих при переменной частоте вращения. Известные из области судовой электротехники способы получения электроэнергии со стабильными значениями

частоты и напряжения от них основаны на применении устаревших статических преобразователей частоты и синхронных компенсаторов, запуск которых производится от дизелей. Это нецелесообразно в автономных ЭЭС удалённых территорий. Дизели имеют высокие эксплуатационные затраты, а обеспечение электромагнитной совместимости указанных преобразователей частоты с потребителями электроэнергии требует установки громоздких фильтров высших гармоник.

Таким образом, электроэнергетические системы удаленных территорий являются актуальным объектом исследования. Предметом исследования должна служить совокупность вопросов, связанных с производством, преобразованием и распределением электроэнергии, использованием ВИЭ и современных силовых полупроводниковых преобразователей.

Цель работы. Разработка концепции и средств её реализации для повышения эффективности электроснабжения удаленных территорий. Задачи исследования:

- сравнительный анализ электроснабжения удаленных территорий, а также характеристик и обеспечения совместной работы различных тепловых и бестопливных генераторных агрегатов в мире и России;

- определение структуры и логической схемы предлагаемой концепции локальных электроэнергетических систем (ЛЭЭС); исследование экологических и экономических аспектов концепции и обоснование принимаемых решений;

- оценка ветро- и гидроэнергетических ресурсов для использования в локальной электроэнергетике, в частности, в районах Приморского края;

- разработка основ конструктивных решений предлагаемых источников электроэнергии для ЛЭЭС: мобильной прибрежной ВЭС, наплавной мини-ГЭС барабанного типа и др.;

- исследование работы предлагаемых гидравлических двигателей;

- анализ способов регулирования параметров электроэнергии, вырабатываемой при переменной частоте вращения синхронными генераторами (СГ), включая генераторы с возбуждением от постоянных магнитов, и асинхронными генераторами (АГ), в том числе работающими в режиме двойного питания; обоснование це-

лесообразности применения современных полупроводниковых преобразователей для обеспечения рекомендуемых способов регулирования, а также параллельной работы таких источников электроэнергии;

- экспериментальная проверка характеристик, соответствующих предлагаемому способу нагрузки СГ с нерегулируемой намагничивающей силой ротора.

Методы исследования. Использованы положения теоретической электротехники, электроники, гидроаэромеханики, математическое компьютерное моделирование механических и электротехнических систем в среде Мар1е 9.5, а также натурные эксперименты.

Научная новизна

1. Разработана концепция ЛЭЭС как совокупность подходов, методов, технических решений и мероприятий для электроснабжения удаленных территорий при широком использовании ВИЭ, определяющая направление исследований и совокупность результатов, включая анализ области применения.

2. Предложен принципиально новый тип барабанной кинетической ГЭС для ЛЭЭС, где применен бесконтактный СГ простейшей конструкции - с возбуждением от постоянных магнитов.

3. Обоснованы и исследованы математические модели гидравлических двигателей: идеального двигателя, активной турбины с плоскими лопастями и водяного колеса. Установлены погрешности известных выражений механических характеристик. Получены две модели водяного колеса, по-разному учитывающие взаимодействие воды с задней стороной лопасти, создана методика расчёта и аппроксимации соответствующих этим моделям механических характеристик.

4. Разработаны и исследованы математические модели СГ с возбуждением от постоянных магнитов для трёх способов управления выпрямителем (УВН), подключенным к статору СГ. Создана физическая модель для исследования работы такого СГ на УВН. Экспериментальное исследование этой модели подтвердило достоверность предложенных математических моделей.

5. Обоснована структура ЛЭЭС. Генераторные агрегаты с нестабилизирован-ными значениями напряжения и частоты подключаются к общим шинам через

преобразователи частоты, состоящие из управляемых выпрямителей напряжения и управляемых инверторов напряжения. Один из инверторов может быть автономным и задавать значения частоты и напряжения в ЛЭЭС. Другие инверторы -ведомые. Все инверторы снабжают потребителей как активной, так и реактивной мощностью.

Практическая ценность

1. Концепция, как совокупность подходов и методов, позволяет решать задачу электроснабжения удаленных территорий комплексно, на проектном уровне.

2. Рекомендации по применению новейших методик в области энергетической аэрологии дают возможность оперативно определять среднегодовую мощность и эффективность ВЭС для предполагаемого места её установки.

3. Конструкции защищенного водозабора и мобильной прибрежной ВЭС увеличивают эффективность использования ВИЭ, снижают объём строительных работ и вред, причиняемый гидрофауне.

4. Наплавная мини.-ГЭС позволит с минимальными затратами, в кратчайшие сроки и без нанесения экологического вреда, использовать гидроэнергетические ресурсы небольших рек. Созданы методики для определения числа лопастей, расчёта размеров, параметров и характеристик водяного колеса и заключённого в его барабане генератора.

5. Сочетание СГ, возбуждаемого от постоянных магнитов, с управляемым выпрямителем повышает надёжность работы за счёт бесконтактной конструкции СГ (статор расположен на неподвижной оси) и позволяет или в два раза увеличить максимум мощности, который может отдать СГ по сравнению с его нагрузкой на неуправляемый выпрямитель тока, или в два раза уменьшить массу СГ.

6. Роль опорного генераторного агрегата и источника реактивной мощности выполняет инвертор напряжения, подключённый через выпрямитель напряжения к какому-либо агрегату, использующему ВИЭ. При наличии достаточной мощности ВИЭ можно не включать дизель-генераторы^ При этом резко возрастает среднегодовая доля ВИЭ, снижаются затраты, уменьшается себестоимость вырабаты-

ваемой электроэнергии, что ведет к значительному расширению области применения ЛЭЭС.

Апробация работы. Научные результаты исследований в 2003 - 2006 г.г. докладывались и обсуждались на заседаниях ассоциации «Северное Приморье»; семинарах кафедр гидротехники и электрооборудования и автоматики транспорта ДВГТУ; конференции ДальНИИС «Стихия. Строительство. Безопасность», Владивосток, 18.09.2004; межд. научных чтениях «Приморские Зори», Владивосток, 14.04.2005; совещании по энергоресурсосбережению в жилищно-коммунальном хозяйстве Приморского края, Администрация Приморского края, 18.05.2005; совещании «Энергосберегающие технологии и оборудование XXI века для жилищно-коммунального хозяйства», Президиум ДВО РАН, 08.07.2005 года; совещании «Строительство: технологии, материалы, конструкции», Президиум ДВО РАН, 01.11.2005.

По теме диссертации опубликовано 12 работ. Поданы три заявки на изобретения устройств для преобразования энергии потока воды в электрическую энергию. Диссертация состоит из введения, шести глав и заключения объемом 247 с. Включает 68 рисунок, 32 таблицы, список источников из 186 наименований.

Содержание работы

Во введении определены актуальность и основные характеристики работы.

В первой главе определяются подход, круг задач, основные принципы, комплекс условий для объекта исследований. Развитие использования ВИЭ в мире основано на продуманной государственной стратегии. Лидеры: Дания и Германия - за счет них происходит основной прирост в отрасли. Но анализируются США с более близкой к российской ситуацией: там не могут добиться равенства себестоимости электроэнергии ВЭС и тепловых источников; нефтяные корпорации оказывают сопротивление. Многие фундаментальные разработки в этой области принадлежат СССР, но приоритет утерян. Использование ВИЭ в России составляет 0,01% без учета больших ГЭС. Строительство и реконструкция ЛЭП-220 связаны с очень большими затратами (до 400 тыс. $ за один километр). Сети стоят намного дороже генерирующих мощностей. Определена специфика энергосисте-

мы России и Приморского края, в частности, и территории, где решение вопроса с электроснабжением не терпит отлагательства. Приведены реальные попытки российских ученых и инженеров решить данную проблему. Определено: наилучшие результаты в области ЛЭЭС получены в Европе, в Украине 0,75% энерготарифа направляется на развитие ветроэнергетики. В результате, в рамках концепции определены причины неудач проектов локальной и, особенно, бестопливной энергетики в России.

1. Предпочтение большим топливным генерирующим мощностям.

2. Проработка частных случаев, независимо от результатов мирового опыта.

3. Отсутствие либо несовершенство законодательной и нормативной баз.

4. Недостаточные финансовые возможности частных инвесторов.

5. Неэффективность и нестабильность бюджетного финансирования.

6. Использование устаревшего российского и европейского оборудования.

7. Недостаток технической информации на русском языке.

Это подтверждено анализом исполненных в России проектов. Отсутствует общий, комплексный подход к развитию локальной энергетики. Предпосылки для проведения комплексных исследований: неудовлетворительное состояние вопроса с электроснабжением в удаленных районах, многолетние неудачи проектов локальной энергетики в России, бурный научно-технический прогресс в области малой энергетики в мире, эффективный подход к решению проблемы в развитых странах, имеющиеся разрозненные разработки в России, уравнивание себестоимости электроэнергии бестопливных и топливных источников в мире, постепенный поворот общественного мнения, как и позиции административных структур, в сторону новых методов получения энергии.

Определены структура и логическая схема исследований. В общем случае, источники электроэнергии, действуя в одной системе, должны обеспечить качественное электроснабжение с одновременным значительным сокращением расхода топлива. Предъявлены требования к стабильности выходных параметров, доле бестопливных источников, себестоимости электроэнергии, срокам эксплуатации и др." ..'.... У" ".

Термин «локальные ЭЭС с широким использованием ВИЭ», не являющийся синонимом «автономные ЭЭС», означает тип систем для получения электроэнергии в местах потребления, либо в непосредственной близости от них, с максимальным использованием возобновляемых и местных ресурсов энергии. Термин относится, как к местам, соответствующим введенному принципу энергетического острова (территория не имеет стабильных сетей, протяжка сетей нерентабельна и не предусмотрена), так и к конечным точкам слабых сетей. ЛЭЭС не являются частью большой энергетики, мощность потребителей имеет мягкую верхнюю границу в единицы мегаватт.

Основные технические принципы ЛЭЭС. Функции управления должна исполнять быстродействующая силовая электроника, что решает проблемы совместной работы мини-ГЭС, ВЭС и др. при работе на изменяющуюся нагрузку с малым коэффициентом мощности потребителя, при отсутствии стабильной сети. Совместимость с любыми схемами энергообеспечения: места, не имеющие электроснабжения, сети на базе поселковых ДГ, сети ЕЭС. Экологичностъ: установка дизелей с низким выходом сажи. Исключение инфразвука частотой 5-7 герц от ВЭС, уровень «белого» шума не более 42 - 45 дбА на расстоянии 300 м от оси вращения. Мини-ГЭС наплавного и деривационного типа не должны нарушать гидрологический режим и препятствовать перемещению гидрофауны. Не должно быть масштабных вырубок леса под трассы ЛЭП. Модульность: количество и единичная мощность составляющих изменяется для каждого проекта исходя из общей потребности в электроэнергии, перспектив развития района, наличия ВИЭ. Удельные первоначальные затраты на эволюционное развитие систем ниже, чем для базового проекта. Избыточная энергия возникает от бестопливных источников в связи с конечной мощностью потребителя, изолированностью системы, переменным характером внутреннего энергетического баланса. Утилизируется дополнительными потребителями (отопление, опреснение и т.д.) по ситуации. В случае получения энергии от источников с различной конечной себестоимостью рационален гибкий тариф. Базирование: сосредоточенное и распределенное; стационарное и мобильное.

Далее ЛЭЭС исследуются на соответствие их отдельных элементов требованиям, предъявленным выше. При необходимости генерируются инновационные элементы. Затем делаются выводы о приемлемости каждого из решений с последующей компоновкой их в результирующую систему.

Во второй главе определена техническая основа ЛЭЭС: тепловые генерирующие мощности - ДГ, газопоршневые (ГТТЭС), ЭС на древесных отходах (ЭС-ДО) и др.; бестопливные источники - ВЭС , мини-ГЭС, ГеоТЭС, ЭС на морских течениях, ГелиоЭС и др.; кабельные либо воздушные местные ЛЭП; системы обеспечения совместной работы. Показано, что ЭСДО не являются однозначно привлекательными: низкокалорийные (12500 кДж/кг) отходы доставляются за 100 - 150 км.; первоначальные затраты - до $ 2 500 на 1 кВт; в мире широко используют древесные отходы для получения тепла, но не электроэнергии; целлюлоза и лигнин являются ценными конструкционными материалами. Наблюдается парадоксальная, на первый взгляд, ситуация: при наличии большого количества древесных отходов в лесодобывающих районах, электроэнергию выгоднее получать посредством ВЭС и ГЭС. Определен комплекс специальных технических требований по адаптации ДГ для взаимодействия с ВЭС и ГЭС при большой доле последних: наличие систем снижения расхода масла для дизелей типа «сухой картер», разъединяющей муфты, позволяющей использовать СГ в качестве синхронного компенсатора, режима холостого хода и др. Данные изменения в конструкциях несущественны и могут быть проведены в короткие сроки. Для газифицированных районов предпочтительны ГПЭС, и в России они уже используются. ДГ, несмотря на низкие экономические показатели, являются системными источниками и должны покрывать пиковую потребность ЛЭЭС.

Совместная работа источников представляет сложность при использовании СГ, но основным типом в мини-ГЭС и мощных ВЭС являются АГ. Путем моделирования в Maple определено, что работа АГ с фазным ротором, при наличии быстродействующей электроники, возможна со скольжением, по крайней мере, до 0,3 (хотя стабильность частоты вращения в ГЭС и ВЭС не ниже 10%) — вплоть до восстановления расчетного скольжения. Значение тока при этом не превышает

допустимое значение. При этом велики потери, но не прерывается выдача энергии из-за перегрузки, в отличие от АГ с короткозамкнутым ротором.

В третьей главе исследуются ветроэнергетические установки. Составлена аэрологическая картина Приморья. Определены аномальные районы: в г. Владивосток направление ветра мало соответствует геострофическому из-за разрыва между хр. Сихотэ-Алинь и Северокорейскими горами. Основной методологической основой в энергетической аэрологии могут являться закон Жуковского-Бетца, определяющий максимальное соотношение 0,593 между полезной Р и индикаторной Р0 мощностью потока при скоростях ветра на входе VI и выходе у2 ветродвигателя; и двухпараметрическая функция Вейбулла, связывающая скорости ветра на определенной высоте и частоту повторяемости в течение года,

•ехр

( 1г\

f — \ fc

[-1

UJ

ч У

(1)

где /(v) - функция распределения, или повторяемости ветра по среднеквадратичным скоростям v; параметры Вейбулла, определяющие распределение: А -масштабный (м/с), к - формы кривой (обычно от 2 до 3). Проведены расчеты для перспективных географических точек. Полученные показатели подтверждены производителями ВЭС и достаточны для определения среднегодового производства электроэнергии. Определено: необходимы базирование расчетов в России на данной основе и разработка отечественного программного обеспечения, обрабатывающего несколько логических слоев: шероховатость, орография, затенение и т.д. - а не разработка самих методов. Получены результаты для о. Попова, п. Амгу (табл. 1) и ряда других точек Приморского края, являющихся идеальными для развития ветроэнергетики: от мегаваттных европейских ВЭС (Vestas, Дания и др.) можно получать среднегодовую мощность до 52% от номинальной.

Таблица 1

Класс шероховатости 0 с корректировками, на высоте Н, м Средняя скорость М, м/сек M2Jv2 Параметр А, м/сек Параметр к Энергия ветра 2 Е, Вт/м2

о.Попова Н=150м 10,67 0,788 12,04 2,02 1431

п. Амгу Н = 125 м 10,51 0,769 11,81 1.67 1300

Горизонтально-осевые ВЭС, занимающие более 90% рынка, на настоящий момент, не имеют серьезной альтернативы в мегаваттом классе. Анализировалась эффективность систем рыскания, оптимизации скорости вращения лопастей и скольжения, электромагнитная совместимость и электробезопасность, «белые» и отчетливые шумы, конструкции фундаментных оснований и т.д. Определены критерии выбора ВЭС: напряжение до 35 кВ, обслуживание два раза в год при сроке службы до 180 ООО часов; передача информации по модемным каналам на диспетчерский пульт; максимальная рабочая скорость ветра >25 м/с, «на выживание» - не менее 50-60 м/с. Серьезные аварии практически исключены посредством дублирования систем и серьезнейших испытаний механики, особенно, лопастей. Перспективны ВЭС и ГЭС с высоковольтным СГ с кабельными обмотками статора в полупроводниковом экране с независимым возбуждением по технологии РошегАогтег. Ток частотой 5 - 10 Гц выпрямляется и затем преобразуется в 6 кВ, 50 Гц. Проанализированы ВЭС и ГЭС с АГ с двойным питанием, определена перспективность их использования несмотря на высокую логическую сложность. Предложено всплывающее основание для мобильных прибрежных ВЭС, что позволяет улучшить электроснабжение меняющих дислокацию объектов нефтедобычи в шельфовых зонах.

Четвертая глава. Обоснован отказ от плотинных ГЭС, особенно, на нерестовых реках. Экологически безвредный гидропотенциал Приморья - не менее 100 МВт. Разработан проект деривационной мини-ГЭС с защищенным водозабором с пропеллерными гидроагрегатами, предложено создание изолированных гидродизельных энергосистем на данной базе. Определена необходимость в создании экологичных и надежных мини-ГЭС кинетического типа и предложена наплавная ГЭС барабанного типа. Барабанный модуль (БМ) большого диаметра совмещает в себе функции корпуса, поплавка, гидравлического двигателя типа водяного колеса, электрогенератора, охладителя. Генераторный щит и устройства автоматики расположены на берегу. Для подтверждения корректности предложенных математических моделей водяного колеса, отсутствующих в современной научной и

учебной литературе, были рассмотрены составленные по такой же методике модели других гидравлических двигателей.

Для идеального двигателя, скорость которого принимается равной (V,+у2)/ 2, получено выражение мощности, в точности совпадающее с законом

Жуковского-Бетца (1). Исследование найденных зависимостей показало, что это известное выражение справедливо, когда скорость двигателя больше v¡/2. Этот факт в известной автору литературе не упоминается.

Для активной турбины с плоскими лопастями получено известное выражение зависимости КПД г]ш от х = м/у — относительного значения окружной скорости лопасти и к скорости незаторможенного потока V

В ряде публикаций без должного обоснования ошибочно принято, что из-за попадания струи сразу на несколько лопастей колеса его КПД г]ш определяется другим, дающим завышенный результат выражением:

На самом же деле, и в этом случае формула (2) даёт верное ограничение КПД сверху. Ведь, если часть потока, выходящего из сопла, попадает не только на первую, но и на вторую лопасть, то эта часть не взаимодействует с первой лопастью.

Минимальное значение мощности и КПД будут нулевыми при и - 0 и и = V. Максимальные значения КПД и мощности имеют место при х = 1/3. Максимальное значение КПД равно 8/27, что в два раза ниже, чем для идеального двигателя. Сравнение характеристик различных двигателей приведено на рис. 1.

(2)

Ла, =2(1-*)*-

(3)

о

0.2 0.4 0.6 0.8

а)

иЛ/

б)

Рис. 1. Относительные значения силы гидравлического двигателя Р (а) и его коэффициента полезного действия т] (б): активной турбины - утолщённая линия, идеального двигателя — тонкая линия, по ошибочным формулам - тонкая штриховая линия

У водяного колеса с плоскими лопастями, расположенными в плоскостях, линией пересечения которых является ось колеса, КПД должен быть меньше, чем у активной турбины, вращающейся под действием водяного потока, имеющего сечение ЬВ и скорость V (здесь Ь - длина лопасти, а В - её ширина). Это ограничение связано с тем, что угол а между нормалью к плоскости лопасти и скоростью V равен нулю только в одном положении лопасти, когда она перпендикулярна поверхности воды. Для предложенных математических моделей принят ряд допущений. После взаимодействия с первой лопастью поток воды разделяется на две струи: верхнюю, и нижнюю. На вторую лопасть действует лишь нижняя струя. Приращение движущего момента, создаваемое элементом лопасти Лг на её передней поверхности, равно модулю векторного произведения силы (1/ на радиус-вектор г:

где р - плотность воды; у/- угол между плоскостью лопасти и вектором относительной скорости воды м>; н>„ = у/ - ее нормальная составляющая. В относительных единицах, в долях от скорости воды vo, она определяется выражениями:

где индексы 1 и 2 соответствуют номеру лопасти, в - угол поворота колеса относительно его положения, соответствующего началу вхождения лопасти в воду, со -

с1М = <1/ Г51Пу/ — р 11 м^и'!эш2ц/ г<1г, <1М - рЬып\м>п\г(1г,

(4)

(5)

угловая скорость колеса. Движущий момент М(0), создаваемый всей лопастью, определяется интегрированием dM по г, и имеет максимальное значение, когда лопасть перпендикулярна поверхности воды. Эта лопасть полностью используется по моменту, когда её верхняя часть не попадает в сечение верхней струи, создаваемой следующей лопастью, погружающейся в воду. Отсюда находится связь между радиусами: наружным радиусом лопасти ReK и радиусом барабана

Rb= cos—, где п - количество лопастей. п

В первой модели учитывается тормозящий момент, создаваемый отбрасыванием воды задней поверхностью лопасти, роль wn играет окружная скорость cor. В рабочем диапазоне dM положительно по всей плоскости лопасти. Механическая характеристика колеса и его КПД определяются аналитическими выражениями достаточно сложного вида. Во второй модели считается, что скорости струй воды, поступающей извне на заднюю поверхность лопасти, имеют составляющие, направленные не только параллельно этой поверхности, но и перпендикулярно ей. Эти, тангенциальные, составляющие скорости создаются только под действием потока- воды. Поэтому тормозящий момент лопастью не создаётся. Формула механической характеристики для шести лопастей имеет вид:

-0.158-0,145«,

*v ' 0,470 + 0,336й> + 0,608<у2 w

где Ма — относительное значение момента (в долях от максимального), со —

относительное значение угловой скорости (в долях от угловой скорости vo/Rex).

Формула (6) получена численными методами: использован пакет ортогональных

полиномов Чебышева с последующей аппроксимацией Паде. Этой формуле,

имеющей первую степень полинома числителя и вторую — знаменателя,

соответствует максимальная относительная погрешность не более 2,1 % от

максимального момента (при со = 0). У двух других найденных аппроксимаций, с

меньшими степенями числителя и знаменателя, максимальные погрешности

выше. По подобию (6) найдено выражение и для восьми лопастей. Получены

графики механических характеристик и КПД водяного колеса по моделям 1 и 2,

показанные на рис. 2. Видно, что колесо по второй модели намного быстроходнее,

Рис. 2. Механические характеристики М(ы) и Л/в(со) - (а) и КПД ч(ы) - (б) водяного колеса с шестью лопастями по первой (тонкая линия) и второй (утолщенная линия) моделям

чем по первой. Но по мощности обе модели близки друг к другу и уступают идеальному двигателю и активной турбине. С уменьшением числа лопастей номинальная мощность увеличивается слабо, а наружный радиус колеса -значительно. Целесообразно выбирать п — 6. (При п — 5 наружный радиус уменьшится всего в 1,38 раза, а номинальная мощность заметно снизится.)

Произведено сравнение характеристик моделей 1 и 2 с шестью и восемью лопастями (табл. 2) при определенных гидрологических параметрах и уо = 4 м/с, Ь = Юм,В= 1,5 м.

Таблица 2

Сравнительные характеристики моделей 1 и 2

Параметр Модель 1 Модель 2

6 лопастей 8 лопастей 6 лопастей 8 лопастей

Максимальное значение КПД колеса 0.1764 0,1951 0,2282 0,2474

Номинальное значение КПД колеса 0,0882 0,0976 0,1141 0,1237

Номинальная угловая скорость в относительных единицах 0,4363 0,4167 0,8126 . 0,7464

Номинальная мощность в относительных единицах 0,02205 0.01429 0,02853 0,018113

Номинальная мощность, кВт 42,3 46,8 54,8 59,4

Номинальная угловая скорость, рад/сек 0,5817 0,3256 1,0835 0,5831

Номинальная частота вращения п, об/мин 5,555 3,109 10,346 5,568

Число пар полюсов безредукгорного генератора при частоте тока 50 Гц 540 965 290 539

Разработаны методы увеличения мощности БМ за счет приближения его к идеальному двигателю путем изменения профиля русла либо введения плиц, что технически исполнимо.

Исследовалась возможность применения в НБ мини-ГЭС асинхронных генераторов и безредукторных низкооборотных СГ с возбуждением от постоянных магнитов. Последние, именуемые кольцевыми, с магнитами из сплава кобальт-самарий и кабельными обмотками могут иметь магнитную индукцию в воздушном зазоре Ва ^ 1,2 Тл. Частота тока, при условии работы на ЮВТ-преобразователь, может составлять единицы герц, что позволяет уменьшить число полюсов. Несмотря на это, они имеют плохие массово-габаритные показатели и эффективность их применения требует проведения дополнительных экономических расчетов. За основу принят СГ с подключением через редуктор.

Выполнено исследование работы магнитоэлектрического СГ НБ мини-ГЭС на управляемый выпрямитель напряжения (УВН) для трёх способов управления при следующих допущениях: нагрузка СГ - симметричная; реакция якоря по продольной и поперечной осям СГ характеризуется одним и тем же синхронным индуктивным сопротивлением реакции якоря X. Не учитываются насыщение магнитной цепи и активное сопротивление обмотки статора. При этом ЭДС СГ Е, его напряжение 17 и падение напряжения на сопротивлении X от тока I пропорциональны частоте. Угол ф считается положительным, когда ток / опережает напряжение 17. Связь между этими величинами и активная мощность, отдаваемая СГ, определяются выражениями:

и = 1Х&1П<р + ^Е2-{ПСсоъср)1, Р^Шсоьр. (7)

Первый способ управления УВН: угол тока нагрузкц (р\ = 0. Графики зависимости относительного значения произведения мощности на синхронное индуктивное сопротивление РХ и напряжения С/ от тока, умноженного на синхронное индуктивное сопротивление IX, приведены на рис 3.

Рис. 3. Характеристики СГ при первом способе управления УВН Второй способ управления: угол нагрузки срг при изменении тока устанавливается таким, чтобы напряжение СГ оставалось неизменным и равным ЭДС: £/

Р-Х= ^1-Х-^А-Е2-1-Х2. (8)

График зависимости (8), в относительных единицах, показан на рис. 4.

IX

Рис. 4. Характеристика СГ при втором способе управления УВН Таким образом, при одинаковом значении X по второму способу можно от СГ получить в два раза большую мощность, чем по первому. Если же одинаковы максимумы мощности, то для работы по второму способу сопротивление X можно выполнить в два раза большим, чем в случае работы с неизменным углом нагрузки (ф = 0). Следовательно, при использовании второго способа воздушный зазор между статором и ротором, энергия постоянных магнитов и масса СГ значительно снижаются по сравнению с СГ, предназначенным для работы по первому способу.

Третий способ управления УВН является продолжением второго способа. СГ работает при токах, которые больше номинального, а устойчивость работы при таких токах обеспечивается тем, что одновременно с током растут напряже-

ние СГ и отдаваемая им активная мощность. При этом способе каждому значению напряжения соответствует свой максимум отдаваемой мощности, ЭДС Е опережает напряжение U на 7г/2, а угол ф определяется формулой:

tp3 - arceos+м2 j , (9)

где и = U/E — относительное значение напряжения СГ. Если относительная активная мощностьр < >/2/2, то ток СГ для третьего способа больше чем для второго. В частности, при нулевом значении активной мощности для второго способа ток равен нулю, а для третьего способа он составляет 71% от номинального при нулевом значении напряжения. Поэтому, для уменьшения потерь мощности в обмотках статора СГ и для снижения температуры этих обмоток, прир < V2/2, следует использовать второй способ и переходить к третьему только при больших значениях мощности. При малых напряжениях СГ, тем более при его нулевом значении, получить входной ток УВН, соответствующий третьему способу, физически невозможно. Это объясняется тем, что входной ток УВН формируется под действием напряжения источника, подключённого к его входу. Приведённые на рис. 5 характеристики

Рис. 5. Характеристики СГ при втором и третьем способе управления УВН при р <72/2 относятся ко второму способу управления УВН, а при ре: у/2/2 — к третьему способу. Работа по третьему способу позволяет несколько увеличить максимум активной мощности СГ. Так, при £/= 1,15 .ток возрастает всего на 7,76%, активная мощность СГ — на 15%, а угол нагрузки — на 4 градуса, по срав-

нению с соответствующими максимальными значениями, соответствующими второму способу.

На рис. 6 приведены теоретические и экспериментальны характеристики

Рис. 6. Внешние характеристики СГ при первом (а) и зависимости мощности от тока при втором (б) способах его нагрузки (в относительных единицах): теоретические зависимости - жирная линия; ЭДС 100 В - штриховая, ЭДС 230 В - тонкая)

работы по первому и второму способу СГ МС 82-4 при частоте 50 Гц с постоянной ЭДС при постоянном значении тока возбуждения. Базовое значение фазного напряжения — фазная ЭДС СГ, базовый ток — ток короткого замыкания при единичном значении ЭДС, базовая мощность - утроенное произведение базовых значений тока и напряжения. Отличие опытных характеристик от теоретических при первом способе нагрузки СГ объясняется как насыщением его магнитной цепи (тем большим, чем выше ЭДС), так и наличием явно выраженных полюсов. Для второго способа проявляются лишь погрешности измерительных приборов. Эксперимент подтвердил теоретические выводы и рекомендации.

Определены две схемы нагрузки СГ с УВН: на линию постоянного тока (в т.ч., высоковольтную) и на обратимый преобразователь, состоящий из УВН и преобразователя частоты. Проведен сравнительный анализ НБ мини-ГЭС с турбиной Горлова: они имеют свои области использования. СГ с УВН может использоваться и в турбине Горлова.

В пятой главе рассчитаны оптимальные графики совместной работы генерирующих мощностей (рис. 7). Среднегодовая доля ДГ, мощность которого должна соответствовать пиковой потребности, может быть снижена до 30 - 35%. Определено, что вследствие большой трудоемкости, необходимо создание компьютерной методики расчета годового энергобаланса ЛЭЭС. Определена

Среднегодовая мощность / потребителей

Избыточная энергия ЛоЭС

Р, кВт

600

400

200

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Месяцы

Рис. 7. Годовой график совместной работы проекта ЛЭЭС установленной мощностью 1950 кВт

об-

щая структура ЛЭЭС и требования к источникам электроэнергии, сетям и потребителям. Приводятся общие решения и схемы сетей проектов ЛЭЭС.

Шестая глава. При разработке ТЭО проектов ЛЭЭС различного технического состава, путем сравнения характеристик, определен диапазон мощности ЛЭЭС, оптимальные коэффициенты использования установленной мощности (КИУМ) и обобщенные сроки окупаемости, по сравнению с электроснабжением от ДГ (рис. 8). Область и объем применения ЛЭЭС, в связи с качественными изменениями технической базы, значительно расширяются и могут выглядеть следующим образом:

- 35 - 45 МВт в удаленных районах Приморского края;

- до 400 МВт ВЭС в конечных точках сетей на юге Приморья для устранения главного противоречия сетей: мощные потребители находятся на юге, а основные генерирующие мощности — на севере и за пределами края;

- общий объем до 20 000 МВт для изолированных ЛЭЭС, а с учетом мощных ветропарков — до 50 000 МВт, или 23% энергетики России.

Данная область применения диктует создание исполняющей антимонопольные функции структуры локальной энергетики. Она должна базироваться не на искусственном разделении источников по техническим признакам (обычные и альтернативные, топливные и бестопливные — и т.д.), а на

лет 10

8

6

4

2

0

лет 10

8

6

4

2

О

Рис. 8. Зависимость сроков окупаемости изолированных ЛЭЭС от среднегодовой мощности потребителей

запросах конечного потребителя, для которого техническая суть проектов имеет второстепенное значение.

Основные результаты работы В результате проведённых исследований поставленная цель достигнута. В диссертации изложены научно обоснованные технические разработки, имеющие существенное значение для локальной электроэнергетики.

1. Создана концепция локальных электроэнергетических систем, объединяющая новейшие разработки в области использования ВИЭ с предлагаемыми техническими решениями.

2. Получены рекомендации по определению места установки и параметров генераторных агрегатов ВЭС и мини-ГЭС.

3. Предложены новые конструкции наплавной мини-ГЭС барабанного типа, защищенного водозабора для деривационных ГЭС и мобильной прибрежной ВЭС, которые увеличивают эффективность использования ВИЭ, снижают объём строительных работ и вред, причиняемый гидрофауне.

\ 1 1 Д V 1' \ ^ и V 4 Обобщенная зависимость V

\ Оптимальный

л: ' : >-. ' - -,.: ч диапазон Возможна

протяжка ЛЭП

Неблагоприятная

зона * - 1. *\ *

50 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 кВт

ЛЭЭС, состоящая из ДГ, ВЭС и мини-ГЭС общей установленной мощностью 1950 кВт

Недостаточное ; потребление

Большой расход топ--ливаДГ

ТОО-200-300-ОТ-500-500-ТОО—500-ЗЛО-ГШ"

1500 КИТ

4. Разработаны математические модели идеального гидравлического двигателя и водяного колеса, а также СГ с возбуждением от постоянных магнитов при его работе на управляемый выпрямитель напряжения. В результате исследования указанных моделей получены рекомендации по реализации этих новых технических решений. Созданы методики для расчёта размеров, параметров и характеристик генераторного агрегата мини-ГЭС кинетического типа.

5. Предложена структура ЛЭЭС, в которой генераторные агрегаты, и с СГ, и с АГ, в том числе двойного питания, подключаются к общим шинам через преобразователи частоты. В каждый из этих преобразователей входят два современных импульсных четырёхквадрантных преобразователя, один из которых играет роль управляемого выпрямителя напряжения, а другой — инвертора напряжения (роли преобразователей могут меняться). Один из инверторов может выполнять функции ведущего генератора, определяющего напряжение и частоту ЛЭЭС, а управлением остальными инверторами производится распределение активных и реактивных нагрузок между ними. В ЛЭЭС с такой структурой генераторный агрегат с дизелем в качестве приводного двигателя может отключаться при соблюдении ряда условий.

6. Результаты экспериментального исследования физической модели СГ с возбуждением от постоянных магнитов подтвердили адекватность разработанных математических моделей и перспективность предложенного способа нагрузки. Подтверждено, что при постоянстве напряжения на входе выпрямителя, достигаемом за счет подмагничивания СГ емкостным током от этого выпрямителя, СГ способен отдать в два раза большую мощность (по сравнению с таким управлением выпрямителем, при котором коэффициент мощности нагрузки СГ равен единице).

7. Внедрение проектов ЛЭЭС позволяет, в ряде случаев, снять необходимость строительства ЛЭП в удаленные районы.

Публикации по теме диссертации

1. Солоницын А.Г. Электроснабжение удаленных территорий России. Выход есть - ЛоЭС. // Сборник трудов. / Дальневосточное отделение РИА. - Вып. 9. -Владивосток: Изд-во ДВГТУ, 2004, с. 26 - 31.

2. Солоницын А.Г. Второе пришествие ветроэнергетики. // Журнал «Наука и Жизнь», 2004, №3, с. 6 - 13.

3. Solonitsyn A. G. Mini-Hydros in Local Energetic Systems (LoES). The second birth? // The Proceedings of The 6th ISOPE Pacific/Asia Offshore Mechanics Symp.,

• Vladivostok, Sept. 2004 - ISBN 1-880653-63-X.

4. Беккер A.T., Солоницын А.Г. Локальная энергетика с использованием бестопливных источников как отрасль. // Сборник трудов. / Симпозиум «Энергия будущего». - Москва, РАН, 17-18 декабря 2004, - с. 254 - 259.

5. Солоницын А.Г. Экологичная энергетика для Приморья — реальность. // Сборник трудов / Международные научные чтения «Приморские Зори-2005», 14-16 апреля 2005. - Вып. 1 - Владивосток: Изд-во ДВГТУ, 2005, с. 87 - 89.

6. Солоницын А.Г. Локальные энергосистемы и локальная энергетика в России. // Международная научно-практическая конференция "Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности". СПб, 30 мая - 2 июня 2005. Сборник трудов, том 1, с. 272 - 273.

7. Беккер А.Т. Солоницын А.Г. Локальные энергетические системы для удаленных территорий с широким использованием бестопливных источников. Технико-экономическая концепция. // Депонирование ВИНИТИ, 2005. — 37 с.

8. Солоницын А.Г. Беккер А.Т. Наплавная мини-ГЭС барабанного типа (НБ мини-ГЭС). // Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология», №9 (29), 2005. - с. 47 - 51.

9. Солоницын А.Г. Компактная методика технико-экономических расчетов локальных энергосистем. // Сборник трудов / Дальневосточное отделение РИА. — Вып. 11.- Владивосток: Изд-во ДВГТУ, 2005. - с. 91 - 93.

Ю.Солоницын А.Г., Беккер А.Т. Наплавные барабанные мини-ГЭС в составе локальных энергосистем. // Межд. научно-техническая конференция «Наука и образование - 2005». Мурманск, 6-14 апреля 2005 г., часть 7, с. 11 - 14. П.Солоницын А.Г. Проблемы внедрения локальных энергосистем (ЛоЭС) в ДВФО. // Сборник трудов /1-я научно-практическая конференция энергетиков ДВЭУК, Владивосток, 2-3 декабря 2005, с. 87 - 89.

12. Беккер А.Т. Солоницын А.Г. Локальная энергетика - новая отрасль? // Журнал «Мировая энергетика» №5, 2005, с. 40 - 41.

ЛОКАЛЬНЫЕ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ С ШИРОКИМ ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ВОЗОБНОВЛЯЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подписано в печать 11.07.06. Формат 60x84/16 Усл. печ. л. 1,4. Уч.-изд. л. 1,0 Тираж 100 экз. Заказ 116

Типография издательства ДВГТУ. 690950, Владивосток, Пушкинская, 10

Введение

Глава 1. Электроснабжение удаленных территорий 11 1.1 .Использование возобновляемых источников электроэнергии (ВИЭ) 11 в мировой экономике

1.2. Электроснабжение удаленных территорий России

1.2.1. Специфика энергосистемы России и ситуация в удаленных 14 территориях

1.2.2. Изолированные энергосистемы и использование ВИЭ в 16 России и СНГ

1.3. Необходимость в комплексном подходе

1.4. Локальные электроэнергетические системы для удаленных 23 территорий с широким использованием ВИЭ (ЛоЭС)

1.4.1. Состав задач

1.4.2. Принципы ЛоЭС

1.4.3. Технические средства и требования к ним

1.5. Выводы

Глава 2. Источники энергии и методы генерирования в ЛоЭС

2.1. Сравнительный анализ источников электроэнергии

2.2. Энергоисточники с ДВС в составе ЛоЭС

2.3. Базовый состав ЛоЭС

2.4. Специфика генерирования от бестопливных источников

2.4.1. Применение асинхронных генераторов (АГ)

2.4.2. Применение синхронных генераторов (СГ)

2.4.3. Особенности, преимущества и недостатки применения 69 синхронных и асинхронных машин для ВЭС и ГЭС

V 2.4.4. Статические и электронные преобразователи электроэнергии

Г 2.4.5. Интеграция бестопливных источников в локальные энергосистемы

2.5. Выводы

Глава 3. Ветроэнергетические установки ЛоЭС

3.1. Энергетическая аэрология

3.1.1. Методы измерения ветроэнергетического потенциала

3.1.2. Общая оценка ветроэнергетических ресурсов

3.1.3. Расчет ветрового потенциала в точках базирования ЛоЭС

3.1.4. Расчет мощности ВЭС

3.2. Техническая база ветроэнергетики

3.2.1. Типы ВЭС в составе ЛоЭС

3.2.2. Генерирование от ВЭС в локальных энергосистемах

3.3. Мобильная прибрежная ВЭС (МП ВЭС)

3.4. Выводы

Глава 4. Гидроэнергетические установки ЛоЭС

4.1. Деривационная мини-ГЭС с защищенным водозабором

4.2. Наплавная мини-ГЭС барабанного типа (НБ мини-ГЭС)

4.3. Мощность водяного потока. Оценка мощности 121 двигателя НБ мини-ГЭС

4.3.1. Индикаторная мощность потока

4.3.2. Идеальный двигатель 122 f 4.3.3. Классификация агрегата

4.3.4. Активная турбина с плоскими лопастями

4.4. Теория работы гидравлического двигателя НБ мини-ГЭС

4.4.1. Две разновидности математических моделей

4.4.2. Первая модель работы водяного колеса

4.4.3. Вторая модель работы водяного колеса

4.5. Расчет параметров барабанного модуля по моделям 1 и

4.5.1. Сопоставление результатов расчётов для моделей работы 164 £ колеса

4.5.2. Приближение конструкции агрегата к идеальному двигателю г 4.6. Генерирование и преобразование электроэнергии НБ мини-ГЭС щ, 4.6.1. Асинхронный генератор

4.6.2. Многополюсный синхронный генератор

4.7. Математическая модель работы СГ с постоянными магнитами на управляемый выпрямитель напряжения

4.8. Экспериментальное исследование модели СГ с постоянными 186 магнитами

4.9. Работа НБ мини-ГЭС в составе ЛоЭС

4.10. Выводы: оценка реализаций мини-ГЭС для ЛоЭС

Глава 5. Совместная работа ЛоЭС

5.1. Специфика потребителей

5.2. Локальные сети

5.3. Компоновка ЛоЭС

5.4. Совместное генерирование ЛоЭС

5.5. Выводы

Глава 6. Эксплуатация и организация ЛоЭС

6.1. Эффективность технических средств

6.2. Область применения ЛоЭС

6.2.1. Общий подход к внедрению проектов ЛоЭС

6.2.2. Развитие локальной энергетики в Приморском крае

6.2.3. Локальная энергетика как подотрасль 232 Заключение 234 Список использованных источников

Данная диссертационная работа в области электроснабжения изолированных территорий и бестопливной энергетики имеет целью поиск новых рентабельных направлений развития производства, которые нашли бы применение в Дальневосточном Регионе, в России, в целом, и соответствовали уровню производственных структур, то есть - были исполнимы. Необходимость в научных исследованиях, как в техническом плане так и в области эффективности, очевидна вследствие отсутствия комплексной научно-практической оценки проектов данного рода в России. Работа носит в основном техническую направленность, так как без тщательного изучения и применения технических аспектов оценка конечного результата была бы невозможна. В работе оценены также перспективная область применения и параметры эффективности технических средств, так как одной из основных задач является подтверждение результатов для конкретных точек применения в виде, удобном и понятном, как для потенциальных инвесторов так и для административных структур.

Определены совокупность методов, решений, мероприятий и проектов, обеспечивающих электроснабжение удаленных территорий, не имеющих стабильных сетей, на приемлемой экономической основе, на базе широкого использования возобновляемых, бестопливных источников энергии (ВИЭ). Также частично решается проблема разгрузки и стабилизации слабых сетей, особенно, в их конечных точках. Работа открывает новые перспективы для развития социальной сферы и производства для удаленных территорий РФ. Проведены исследования и получены новые решения в области электроники, электротехники и энергетики; энергетической аэрологии, аэродинамики и ветроэнергетики; гидрологии, гидротехники и гидроэнергетики; тепловых источников энергии; экологии, экономики и организации - как комплексная разработка с учетом самых последних мировых достижений. По результатам исследований, применение локальных генерирующих мощностей с широким использованием бестопливных экологически чистых источников энергии обоснованно и прибыльно для инвесторов любой формы собственности на территории Российской Федерации /1 - 5/.

Актуальность темы. В мире существует устойчивая и динамично развивающаяся ветроэнергетическая отрасль, постоянно совершенствуются модели и электроника ВЭС и мини-ГЭС, определены и коммерчески задействованы другие, реальные, источники энергии.

В 2004 году мировой баланс источников электроэнергии выглядел следующим образом /7/ (см. табл. 1):

Таблица 1

Энергетический баланс в мире в 2004 году

Источники электроэнергии Доля в мировом балансе

Истощаемые источники 79,6% (в России 90%)

Нефть 35,1%

Газ 21,1%

Уголь 23,1%

Возобновляемые источники 13,9%

Мощные ГЭС 2,2%

Биомасса 9,5%

Новые ВИЭ» 2,2%

Атомная 6,5%

Итого: 100%

В графе «Новые ВИЭ» - 2,2%. Процент небольшой в абсолютном выражении, но если учесть, что еще 20 лет назад данной категории просто не существовало, а на настоящее время она сравнима с мощными ГЭС, то можно представить объем инвестиций, вложенных в развитие ВЭС, мини-ГЭС и гелиоустановок. И, наоборот, 9,5 % по биомассе не является, скорее всего, большой новацией - как сжигание искусственно выращенной растительности, в основном, в малоразвитых районах планеты, находящихся в тропическом поясе (Индия, Африка, Океания).

Мощность ветроэлектростанций (ВЭС), в основном, за счет стран-лидеров увеличивается на 6 000 - 7 000 МВт ежегодно /9/.

Установленная мощность ВЭС в мире (выборочно) с начала 2002 по начало 2006 года представлена в таблице 2 /8, 9/:

Таблица 2

Установленная мощность ВЭС в мире

Страна Начало 2002 Начало 2003 Начало 2006

Германия 8 753 12 001 17 000

Испания 3 335 4 830

Дания 2 556 2 889 4000

Украина 40 44 80

Россия 5 7 8

США 4 245 4 645 5 100

Канада 207 236

Индия 1 507 1 702

Китай 399 468

Тихоокеанский регион 410 524

Ближний Восток и Африка 147 149

Всего в мире 39 000 52 000

Значительная часть России, около 2/3 её территории, не имеет непосредственной связи с сетями Единой или региональных электроэнергетических систем (ЭЭС). (Ниже такие территории будут называться удалёнными.) Другие, кроме гидроэнергетических, возобновляемые источники энергии (ВИЭ) используются незначительно, в виде опытных или опытно-промышленных электроустановок малой мощности, работающих, в основном, на указанные сети. В локальных, автономных, электроэнергетических системах используются преимущественно дизель-генераторы (ДГ). Себестоимость вырабатываемой ими электроэнергии превосходит 10 руб. за 1 кВт-ч. Суммарная мощность ДГ в России составляет 5 ООО МВт. Они вырабатывают около 30 млрд. кВт-ч в год, на что расходуется 8 млн. т. жидкого топлива в год. На дотации тарифа уходит до 50% бюджетов муниципальных образований - 11 млрд. руб. Экономичность и экологичность многочисленных устаревших ДГ российского производства низки /6/. Из построенных в СССР около 8 ООО малых ГЭС в настоящее время действует примерно 300. В России установлены ветроэлектрические станции (ВЭС) с общей мощностью 8 МВт, по сравнению с 52 000 МВт в мире.

Причиной такого положения в локальной электроэнергетике является не только общая экономическая ситуация: на фоне проработок в области использования отдельных источников энергии, отсутствуют комплексные технические решения. Методики расчета себестоимости для крупных энергосистем здесь неприменимы. Вместо определения конкретных путей использования бестопливных источников, ведется научная полемика. Федеральные целевые программы в этой части не исполняются, частные инвесторы еще не рискуют делать долгосрочные вложения. Отсутствует подход, соединяющий воедино технические, экономические, финансовые, экологические и социальные аспекты - с тем, чтобы определить действительный эффект от внедрения того или иного проекта в конкретном населенном пункте, районе.

В научной литературе практически отсутствуют результаты исследований автономной и параллельной работы генераторных агрегатов, использующих ВИЭ и работающих при переменной частоте вращения. Известные из области судовой электротехники способы получения электроэнергии со стабильными значениями частоты и напряжения от генераторов переменой частоты основаны на применении устаревших статических преобразователей частоты и синхронных компенсаторов, запуск которых производится от асинхронных двигателей или от ДГ. В автономных ЭЭС удалённых территорий использовать подобное решение нецелесообразно. Для обслуживания дизеля необходимо дежурство квалифицированного специалиста, а обеспечение электромагнитной совместимости указанных преобразователей частоты с потребителями электроэнергии требует установки громоздких фильтров высших гармоник.

Таким образом, изолированные электроэнергетические системы являются актуальным объектом исследования. Предметом исследования должна служить совокупность вопросов, связанных с производством, преобразованием и распределением электроэнергии при широком использовании ВИЭ и современных силовых полупроводниковых преобразователей.

Объект исследований: электротехнические системы генерирования электрической энергии, рассматриваемые как самостоятельные технологические комплексы - локальные электроэнергетические системы (ЛоЭС).

Методы исследования. Использованы положения теоретической электротехники, электроники, гидроаэромеханики, математическое компьютерное моделирование механических и электротехнических систем в среде Maple 9.5.

При исследовании совокупных характеристик локальных энергосистем использован проектный подход, отражающий потребности конечного пользователя, в отличие от отраслевого подхода, основанного, в том числе, на аналогиях внедрения типичных генерирующих мощностей в рамках экономического поля страны, когда определялись общие принципы формирования отраслей и проектов, но не формировалась однозначная картина для конкретного заказчика. При определении эффективности производится дистанциирование от сметного подхода, используемого и поныне. Последний строился на определении совокупности затрат в последовательности: государство, отрасль, ведомства, пользователь - и был присущ плановой экономике. В данной работе, расчеты, проведенные для нескольких типичных по комплексу характеристик потребителей, после выявления их перспективности, являются основой для моделирования ситуации в конкретных районах и регионах. После этого делается вывод о применимости концепции как таковой, а далее - об области ее применения. База для написания работы

1. Общее положение дел в электроснабжении удаленных территорий России, Приморского края, в частности.

2. Проведенные исследования в области метеорологии и гидрологии.

3. Уровень мирового производства ветроэнергии, энергии мини-ГЭС и др.

4. Контакты с европейскими и российскими производственными и управляющими структурами.

5. Определенная заинтересованность административных и производственных структур ДВФО как потенциальных потребителей.

6. Командировки в удаленные районы.

Терминология и стандартизация. В работе использованы стандарты:

- Единой Системы конструкторской документации: ГОСТ 19431 - 84, ГОСТ 18275 - 72, ГОСТ 27002 - 89, ГОСТ 24291 - 90, ГОСТ 8207 - 76, ГОСТ 29329 - 92, ГОСТ 23956 - 80, ГОСТ 27 471 - 87. ГОСТ 2601 - 95;

- в области нетрадиционной энергетики: ГОСТ Р 51237 - 98, ГОСТ Р 51594 - 2000, ГОСТ Р 51238 - 98, ГОСТ Р 51595 - 2000, ГОСТ Р 51596 - 2000, ГОСТ Р 50705-94 (МЭК 904 - 2 89), ГОСТ Р 51597- 2000.

- международные стандарты из рядов ISO 9001, 9002,14000.

В тексте термины даны в соответствии со стандартами, а также терминологией производителей, если таковая существует. Приведен авторский смысловой перевод новейших английских технических терминов. Привнесенные термины и новые трактовки указаны особо.

6.3. Выводы

Появление новейших методов генерирования электроэнергии, транспортировки и комплекса средств на стороне потребителей в последние годы (включая предложенные в работе решения) обусловило качественные изменения технических характеристик локальных энергосистем. Данные изменения привели к резкому снижению себестоимости электроэнергии от ЛоЭС и сроков окупаемости проектов. В свою очередь, повышение экономической привлекательности ведет к резкому расширению области применения ЛоЭС. В связи с этим, назревает необходимость в выделении государственной управленческой структуры, контролирующей локальную энергетику как перспективную подотрасль.

234

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Локальные электроэнергетические системы (ЛоЭС) определены и исследованы как совокупность методов, условий, технических решений и мероприятий для электроснабжения удаленных территорий при широком использовании ВИЭ. Определены, как направления исследований так и совокупность результатов.

Избран подход с точки зрения конечного потребителя, для которого определяющими являются комплексные качественные показатели системы энергоснабжения, а не факт использования тех или иных технических средств. Иначе работа ограничилась бы исследованием ряда аспектов, а не целостных комплексов или систем. Ряд разработок не принесли положительных результатов по этой причине. Данный комплексный подход является аналитической оболочкой, в рамках которой рассмотрен объект исследования, обеспечена целостность работы, подтверждена правильность принятых технических решений. Данный подход определяет структуру, эффективность, область применения и перспективный путь развития объекта исследований, поэтому потребовал достаточно трудоемких и разноплановых исследований на стыке отраслей.

Главный вывод, который позволяют сделать анализ и исследования, проведенные в рамках данной работы: на настоящий момент локальные электроэнергетические системы имеют качественно иные потребительские характеристики, что ведет к существенному изменению их области применения. Проекты ЛоЭС позволяют не только сократить дотации на изолированные энергосистемы, но и развивать потребление, так как выработка энергии возрастает при снижении себестоимости. В связи с возможностью получения до 80% электроэнергии от бестопливных источников в энергобалансе системы, состоящей, например, из ДГ, ВЭС и мини-ГЭС, экономическая эффективность ЛоЭС резко возрастает, что ставит вопрос о выделении локальной энергетики в самостоятельную структурную единицу, подотрасль. В связи с этим, технические средства ЛоЭС должны систематизироваться не по разделительным критериям «традиционные - нетрадиционные», «возобновляемые - невозобновляемые», а по совокупности критериев, по комплексу конечных показателей: технических, экологических, экономических, социальных в рамках единого электротехнического комплекса.

Промежуточные выводы, что касается, как технических средств ЛоЭС так и вопросов их эффективности и эксплуатации, приведены в соответствующих главах.

Результатом работы являются новые научные разработки.

1. Разработана концепция ЛоЭС как совокупность методов, технических решений и мероприятий для электроснабжения удаленных территорий при широком использовании ВИЭ, определяющая направления исследований и совокупность результатов, включая анализ области применения ЛоЭС.

2. Предложен принципиально новый тип барабанной наплавной ГЭС кинетического типа для ЛоЭС, где применен бесконтактный СГ простейшей конструкции - с возбуждением от постоянных магнитов.

3. Обоснованы и исследованы математические модели гидравлических двигателей: идеального двигателя, активной турбины с плоскими лопастями и водяного колеса. Установлены погрешности известных выражений механических характеристик. Получены две модели водяного колеса, по-разному учитывающие взаимодействие воды с задней стороной лопасти, создана методика расчёта и аппроксимации соответствующих этим моделям механических характеристик.

4. Разработаны и исследованы математические модели СГ с возбуждением от постоянных магнитов для трёх способов управления выпрямителем напряжения, подключенным к статору СГ. Создана физическая модель для исследования работы такого СГ на УВН. Экспериментальное исследование этой модели подтвердило достоверность предложенных математических моделей.

5. Обоснована структура ЛоЭС. Генераторные агрегаты с нестабилизированными значениями напряжения и частоты подключаются к общим шинам через преобразователи частоты, состоящие из управляемых выпрямителей напряжения и управляемых инверторов напряжения. Один из инверторов может быть автономным и задавать значения частоты и напряжения в

ЛоЭС. Другие инверторы - ведомые. Все инверторы снабжают потребителей как активной, так и реактивной мощностью.

Это позволяет сделать в дальнейшем следующие практические шаги.

1. Совокупность подходов и методов, использованных в работе, позволяет решать далее задачу электроснабжения удаленных территорий комплексно, на проектном уровне. .

2. Рекомендации по применению новейших методик в области энергетической аэрологии дают возможность оперативно определять среднегодовую мощность и эффективность ВЭС для предполагаемого места её установки.

3. Конструкции защищённого водозабора и мобильной прибрежной ВЭС увеличивают эффективность использования ВИЭ, снижают объём строительных работ и вред, причиняемый гидрофауне.

4. Наплавная барабанная мини-ГЭС позволит с минимальными затратами, в кратчайшие сроки и без нанесения экологического вреда использовать гидроэнергетические ресурсы небольших рек. Созданы методики для определения числа лопастей, расчёта размеров, параметров и характеристик водяного колеса и заключённого в его барабане генератора.

5. Сочетание СГ, возбуждаемого от постоянных магнитов, с управляемым выпрямителем повышает надёжность работы за счёт бесконтактной конструкции СГ с неподвижным статором и позволяет или в два раза увеличить максимум мощности, который может отдать СГ по сравнению с его нагрузкой на неуправляемый выпрямитель тока, или в два раза уменьшить массу СГ.

6. Роль опорного генераторного агрегата и источника реактивной мощности выполняет инвертор напряжения, подключённый через выпрямитель напряжения к какому-либо агрегату, использующему ВИЭ. При наличии достаточной мощности ВИЭ можно не включать дизель-генераторы. При этом резко возрастает среднегодовая доля ВИЭ, снижаются затраты, уменьшается себестоимость вырабатываемой электроэнергии, что ведет к расширению области применения ЛоЭС.

В соответствии с разработанными автором ТЭО для ряда проектов, используемыми в качестве примеров, первоначальные затраты проектов ЛоЭС по вводу их в действие сравнимы с затратами на установку традиционных энергосистем (дизельэлектростанций, мини-ТЭС) и часто ниже затрат на строительство новых ЛЭП при расстоянии уже 25 - 30 км. Сроки окупаемости проектов изолированных ЛоЭС не превышают четырех лет при сроке эксплуатации проектов не менее 20 лет по сравнению с электроснабжением от дизель-генераторов с себестоимостью электроэнергии 10 руб. за 1 кВт-ч, и более. Это говорит о том, что в ряде случаев необходимость протяжки ЛЭП в удаленные территории отпадает.

Развитию ЛоЭС в России препятствуют уже далеко не технико-экономические параметры современных технических средств. Основные риски данных проектов лежат в законодательной и организационной сферах. Энергосистема России должна быть готова к строительному буму, который потребует новых энергетических мощностей, в том числе и локальных источников. Дальнейшее совершенствование политической структуры нашего общества и формирование легитимной собственности уже в скором времени явятся основными стимулами для внедрения продуктивных энергосберегающих технологий. ЛоЭС, в частности. Массированного внедрения проектов локальной энергетики в Европе и в мире, в целом, в связи с достаточностью и равномерностью энергетических систем развитых государств, на данный момент еще не произошло. Россия, с ее специфичной энергосистемой, имеет возможность занять свою стабильную нишу в локальной энергетике.

1.

2.

3,

4.

5.

6,

7.

8, 9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

1. Сравнительный анализ источников электроэнергии

2. Велики капитальные вложения в развитие сетей удаленных территорий. Например, прокладка высоковольтного (35 кВ) подводного фидера или надводной

3. European Wind Energy Association (EWEA) www.ewea.com.

4. Official Source of Danish Wind Energy Association, DWEA «Windpowermonthly» magazine, vol. 11,2005, www.windpower.org.

5. Robert L. Bradly. Renewable Energy is not Cheap, not Ecologically Clear. //

6. Bulletin «Energy & Management» of Institute of Energetic Investigations, USA,1. Jan.-March, 2000.

7. Alexander Leizerovich, «Were is the wind blows?». // Vestnik magazine, California, USA, July 2001.

8. AWEA, American Wind Energy Association, Press-relises, www.awea.com. Солоницын А.Г. Второе пришествие ветроэнергетики. // Журнал «Наука и Жизнь», 2004, №3, с. 6 -13.