автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Совершенствование системы генерирования электроэнергии на основе мультимодульной ветроэлектростанции

На правах рукописи

Павленко Ирина Михайловна

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ СИСТЕМЫ ГЕНЕРИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ НА ОСНОВЕ МУЛЬТИМОДУЛЬНОЙ ВЕТРОЭЛЕКТРОСТАНЦИИ

Специальность 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Саратов-2013

005542713

005542713

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю. А.»

Научный руководитель: доктор технических наук

Степанов Сергей Федорович

Официальные оппоненты: Иващенко Владимир Андреевич,

доктор технических наук, старший научный сотрудник, Институт проблем точной механики и управления Российской академии наук, лаборатория «Системные проблемы управления и автоматизации», ведущий научный сотрудник

Усанов Константин Михайлович,

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный аграрный университет имени Н.И. Вавилова», заведующий кафедрой «Применение электрической энергии в сельском хозяйстве»

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Волгоградский государственный

технический университет», г. Волгоград

Защита состоится 14 ноября 2013 г. в 13.00 на заседании диссертационного совета Д 212.242.10 при ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.» по адресу: 410054, Саратов, ул. Политехническая, 77, корпус 1, ауд. 319.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.».

Автореферат разослан «//у> октября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Ю.Б. Томашевский

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В настоящее время происходят концептуальные изменения в системе генерации и распределения электрической энергии. В связи с возникновением серьезных проблем с энергообеспечением многих регионов, удорожанием топлива, трудностями его доставки в отдаленные и труднодоступные территории большее внимание уделяется развитию малых или распределенных систем электроснабжения на основе возобновляемых источников энергии.

Ветроэнергетика является бурно развивающейся отраслью энергетики. В 2012 году установленная мощность ветрогенераторов во всем мире превысила 250 ГВт. Россия обладает мощным ветроэнергетическим потенциалом, оцениваемым в 40 тысяч ГВт'ч электроэнергии в год. В настоящее время в России существуют проблемы с электроснабжением отдаленных, труднодоступных территорий, сельской местности, которые составляют около 70 % территории страны с населением около 22 миллионов человек.

На современном этапе развития ветроэнергетики существуют два самостоятельных направления. Первое - разработка, создание и внедрение ветроустановок большой мощности. Второе - создание и внедрение ветроустановок малой мощности локального применения. Каждое из этих направлений имеет свою наиболее эффективную сферу применения, свои сложности, позитивные и негативные моменты.

Использование энергии ветра в городской среде требует изменения подходов к конструированию, размещению и формированию новых требований к ветроустановкам городского типа. Одним из наиболее эффективных направлений является создание многомодульных ветроэлектрических установок, состоящих из нескольких модулей небольшой мощности с единой системой управления.

Основной проблемой при получении электроэнергии из ветра является нестабильность ветрового потока, которая приводит к изменению частоты вращения ветроколеса, ротора генератора и, как следствие, напряжения электрического генератора в широких пределах.

В этой связи необходимой и актуальной является разработка комплекса мероприятий по обеспечению максимальной эффективности преобразования ветрового потока в электрическую энергию при обеспечении заданного уровня частоты и величины генерируемого напряжения в условиях нестабильности ветрового потока.

История развития ветроэнергетики имеет значительную продолжительность. Большой вклад в разработку ветроустановок внесли отечественные учёные: В.Г. Залевский, Н.Е. Жуковский, Г.Х. Сабинин, В.П. Ветчинкин, Н.В. Фатеев, К.А. Ушаков и др. Вопросы разработки конструкции электрических генераторов на постоянных магнитах получили развитие в трудах отечественных ученых В.А. Балагурова, Ф.Ф. Галтеева, А.Н. Дедовского, Л.М. Паластина, И.П. Копылова и др.

Данная диссертационная работа выполнялась в соответствии с программой 06В «Энергоэффективные системы производства, преобразования, передачи и распределения электроэнергии», входящей в перечень основных научных направлений СГТУ имени Гагарина Ю.А.

Объектом исследования является электротехнический комплекс мультимодульной ветроэлектростанции (ВЭС) с регулируемым синхронным генератором на постоянных магнитах и выходным преобразователем частоты на основе инвертора тока.

Предметом исследования являются режимы работы и основные закономерности процессов генерирования и стабилизации выходного напряжения мультимодульной ветроэлектростанции в условиях

нестабильности ветрового потока и изменяющейся нагрузки.

Целью диссертационной работы является совершенствование системы генерирования электрической энергии на основе мультимодульных ветроэлектростанций.

Для достижения поставленной цели в работе решались следующие научные и практические задачи:

1 Провести анализ существующих конструктивных схемных решений ветроэлектростанций, их электротехнических комплексов, способов стабилизации выходного напряжения по величине и частоте с целью определения возможных направлений улучшения технических параметров ветроустановок.

2 Предложить и обосновать новые варианты структурных схем модуля мультимодульной ветроэлектростанции на основе составного регулируемого ветрогенератора с системой стабилизации выходного напряжения и с экстремальной системой управления по максимуму генерируемой мощности.

3 Разработать математическую модель модуля мультимодульной ветроэлектростанции на основе регулируемого синхронного генератора на постоянных магнитах (СГПМ) с изменяемым положением ротора относительно обмоток статора, с блоками силовой преобразовательной техники и экстремальным блоком управления, отражающую электромагнитные и электромеханические процессы во всех блоках.

4 Определить факторы и степень их влияния на изменение технического состояния ветроэлектростанций через оценку остаточного ресурса электрооборудования.

5 Выполнить технико-экономический расчет мультимодульной ветроэлектростанции.

6 Разработать и изготовить физическую модель модуля мультимодульной ветроэлектростанции для сопоставления полученных теоретических и натурных результатов исследований.

Методы исследования включают аналитические методы, которые базируются на теории электрических машин, преобразователей частоты, магнитоэлектрических систем, современной теории работы ветроэнергетических установок, а также методы численного и имитационного моделирования электромеханических систем. Расчетные данные получены с

применением комплекса программ для инженерного моделирования электромагнитных, тепловых и механических задач методом конечных элементов ЕЬСиТ и пакета прикладных программ МАТЬАВ с пакетом расширения 81тиНпк.

Научные положения и результаты, содержащиеся в работе и выносимые на защиту:

1 Электромеханический способ регулирования выходного напряжения синхронного генератора на постоянных магнитах, позволяющий регулировать выходное напряжение генератора в пределах (0,1 - 1)и„0м, за счет изменения положения ротора относительно статора.

2 Совместное применение электромеханического и электронного способов регулирования и стабилизации выходного напряжения мультимодульной ветроэлектростанции, позволяющее повысить выработку электроэнергии на 18-25 % в условиях нестабильности ветрового потока и нагрузки, за счет обеспечения работы ВЭС в расширенном диапазоне ветровых нагрузок от 2,5 до 35 м/с и более.

3 Компьютерные математические модели модуля мультимодульной ветроэлектростанции с составным регулируемым генератором на постоянных магнитах с изменяемым положением ротора относительно обмоток статора, с системой поиска максимальной мощности, позволяющие получать параметры установившихся и динамических режимов работы, в условиях изменяющихся скорости ветра, величины и характера нагрузки.

4 Выявленное влияние внешних факторов (сезонный и суточный графики нагрузки, температура, влажность и химическое загрязнение окружающей среды, соотношение диаметра кабеля и диаметра трубы, в которой он проложен, БТрУб/с1каб) на увеличение/уменьшение остаточного ресурса электрооборудования ветроэлектростанции за счет изменения теплового режима работы оборудования, скорости протекания окислительно-восстановительных процессов в изоляции, а также конструктивных особенностей выполнения кабельной линии передачи сгенерированной электроэнергии в нагрузку.

Научная новизна работы.

1 Предложены и обоснованы варианты конфигурации структуры модуля мультимодульной ветроэлектростанции с регулируемым синхронным генератором на постоянных магнитах и системой экстремального регулирования.

2 Предложен комбинированный способ регулирования выходного напряжения ветроэлектростанции, позволяющий обеспечить работу мультимодульной ветроэлектростанции в расширенном диапазоне скоростей ветра от 2,5 до 35 м/с и более.

3 Разработана обобщенная математическая модель модуля мультимодульной ветроэлектростанции с электротехническим комплексом на базе регулируемого синхронного генератора на постоянных магнитах и с экстремальной системой поиска максимальной мощности, позволяющая исследовать динамические, переходные и аварийные режимы в условиях

изменяющейся скорости ветра и нагрузки, а также определить зависимость длины ротора, находящегося под обмоткой статора, от скорости ветра.

4 Разработана методика оценки технического ресурса электрического оборудования мультимодульной ветроэлектростанции с учетом влияния внешних факторов и конструктивных особенностей выполнения кабельной линии передачи сгенерированной электроэнергии в нагрузку.

Практическая ценность и полезность работы.

1 Разработана новая конструкция ветрогенераторной части мультимодульной ветроэлектростанции на основе магнитоэлектрического синхронного генератора, для стабилизации выходного напряжения которого ротор перемещают относительно статора.

2 Предложены рекомендации по выбору рациональных геометрических параметров магнитной системы синхронного генератора на постоянных магнитах, позволяющие получить максимально возможный поток в воздушном зазоре.

3 Предложены три варианта имитационных математических моделей модуля мультимодульной ветроэлектростанции с разработанным синхронным магнитоэлектрическим генератором с изменяемым положением ротора относительно обмоток статора, позволяющие сократить время проектирования и разработки ветроэлектростанций.

4 Определены поправочные коэффициенты для определения коэффициента загрузки генератора в зимний и летний периоды, впервые определено влияние соотношения диаметра кабеля и диаметра трубы (Отруб/с^), в которой он проложен, на увеличение или уменьшение остаточного ресурса за счет изменения теплового режима кабеля при прокладке в двустенных гофрированных полиэтиленовых трубах.

Реализация результатов работы.

Результаты диссертационной работы использованы при выполнении исследований, проводимых в СГТУ по г/б НИР СГТУ-341 «Разработка теоретических основ создания локальных систем электроснабжения на основе комплексного использования источников электроэнергии различной физической природы», по хоздоговорам № 234 «Заключение об использовании двустенных полиэтиленовых труб производства ЗАО «ДКС» для прокладки силового кабеля» и № 261 «Разработка схемных решений по подключению вентильного генератора от 100 до 500 кВт с безредукторным приводом от вала отбора мощности ГПА к системе электроснабжения ГПА, компрессорного цеха (компрессорной станции)», в учебном процессе кафедры «Электроснабжение промышленных предприятий» Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А. при чтении курса лекций «Локальные системы электроснабжения».

Личный вклад автора заключается в предложении структурных схем модуля мультимодульной ВЭС и способа регулирования выходного напряжения СГПМ, в разработке имитационных математических моделей ветрогенератора и модуля мультимодульной ВЭС и проведении численных

экспериментов, в предложении методики оценки технического ресурса мультимодульной ВЭС.

Апробация работы. Основные положения и результаты исследования доложены на Всероссийских научно-практических конференциях в г. Камышине в 2010, 2011 гг.; Всероссийских научно-практических конференциях молодых ученых СГТУ в 2010, 2011 гг.; II Международной научно-практической конференции СГАУ в 2011 г.; Международной научно-практической интернет-конференции в рамках Международного интернет-фестиваля молодых ученых СГТУ в 2011 г.; V Международной научно-практической конференции в г. Чите в 2011 г,; Всероссийском конкурсе научных работ студентов, магистрантов, аспирантов в г. Тольятти в 2011 г. Проект автора «Городская мультимодульная ветроэлектростанция» был представлен на 15-й специализированной выставке «Энергетика. Энергоэффективность. 2013» (23-26 апреля 2013 г., г. Саратов), а также на VIII Саратовском салоне изобретений, инноваций и инвестиций (19-20 сентября 2013 г., г. Саратов), проект был награжден серебряной медалью и дипломом II степени.

Публикации. По теме диссертации опубликованы 22 работы (4 статьи в журналах, рекомендованных ВАК РФ, 1 статья в иностранном издании, 16 статей в научных сборниках). Имеется патент на полезную модель «Мультимодульная ветроэлектростанция» № 128674 от 27.05.2013 г. Список публикаций по теме диссертации приведен в конце автореферата.

Объём и структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, заключения, списка использованной литературы. Объем работы составляет 173 страницы, в тексте 80 иллюстраций, 25 таблиц. Список литературы включает 112 наименований.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении определены актуальность работы, структура и содержание диссертационной работы, сформулированы цель и задачи исследования, обоснованы новизна полученных результатов, научная и практическая ценность работы.

В первой главе рассмотрены особенности конструкции ветроэлектростанций и представлена статистика ситуаций, создающих потенциальную опасность в процессе эксплуатации крупных ВЭС, угрожающих здоровью и жизни людей по всему миру. За 2012 год большинство таких ситуаций связано с повреждением лопастей (20%), со сложностью проведения ремонтных работ и обслуживания ВЭС (14%), с проблемами транспортировки крупных элементов ветроэлектрических установок (11%). Снижение негативного влияния крупных ветроустановок на окружающую среду и устранение их конструктивных недостатков представляет сложную техническую задачу. В результате анализа существующих ВЭС предложен модульный принцип построения ветроэлектрических станций.

Представлены классификация и анализ электрических генераторов, с позиции использования их в структуре ВЭС. Проведен анализ способов

регулирования синхронных генераторов в составе ветроэлектрических станций по величине и частоте выходного напряжения. Рассмотрены системы регулирования скорости вращения ветроколеса для получения максимально возможной мощности ВЭС.

Во второй главе предложены новые конструктивные решения интегрированной ветрогенераторной части и варианты структурных схем модуля мультимодульной ВЭС, описаны режимы работы мультимодульной ветроэлектростанции в диапазоне скоростей ветра от 2,5 до 35 м/с и более.

Мультимодульная ветроэлектростанция состоит из нескольких модулей, которые закреплены на вращающейся раме, установленной на опоре. Увеличивая число модулей мультимодульной ветроэлектростанции, можно получить необходимую потребителю суммарную мощность.

Каждый модуль мультимодульной ВЭС содержит ветроколесо, установленное на неподвижном валу, связанное с электротехническим комплексом, состоящим из синхронного генератора с возбуждением от постоянных магнитов неодим-железо-бор (ТчМРеВ), электромеханической системы перемещения ветроколеса, преобразователя частоты, выполненного по схеме инвертора тока (ИТ), блока аккумуляторных батарей (АБ), зарядного устройства, импульсного регулятора зарядного тока (ИРЗТ) и микропроцессорного блока управления.

Особенностью конструкции является то, что ветроколесо 1 установлено в роторе 5 электрического генератора, что обеспечивает бесконсольность ветрогенераторной части МВЭС (рисунок 1).

Рисунок 1 - Ветрогенератор мультимодульной ветроэлектростанции: 1 - ветроколесо; 2 - профилированные стержни; 3 - статор СГПМ; 4 - обмотка; 5 - ротор СГПМ; б — постоянные магниты; 7 - паз; 8 - направляющая балка; 9, 16 — вертикальная, горизонтальная балки; 10 - лопасть; 11 - втулка ветроколеса; 12 — подшипники; 13 - защитный цилиндр; 14 - пружина; 15 - цилиндрическая втулка; 17 - кольцевой постоянный магнит; 18 - электромагнит; 19 - втулка электромагнита; 20 - защитный конус; 21 - вал

А

Ветроколесо 1 мультимодульной ВЭС представляет собой конструкцию, выполненную из п лопастей 10, один край которых жестко закреплен на втулке 11, расположенной на валу 21, а другой — на внутренней поверхности ротора 5 электрического генератора.

Статор 3 СГПМ представляет собой цилиндрический пакет, на внутренней поверхности которого расположена обмотка 4. Для стабилизации и регулирования выходного напряжения синхронного генератора на постоянных магнитах при изменяющихся скорости ветра и нагрузке применяется электромеханический способ, основанный на изменении положения ротора относительно обмоток статора. Для осуществления способа регулирования напряжения СГПМ каждый модуль мультимодульной ВЭС содержит электромеханическую систему перемещения ветроколеса (рисунок 1), которая включает:

- электромагнит перемещения 18, расположенный в неподвижной втулке 19 на неподвижном валу 21 генератора с безветренной стороны;

- кольцевой постоянный магнит 17, жестко закрепленный во втулке 11 ветроколеса и расположенный с безветренной стороны. Втулка ветроколеса содержит подшипники 12;

- пружину 14, расположенную за ветроколесом, с подветренной его стороны, соединяющую ветроколесо с цилиндрической втулкой 15.

Все модули мультимодульной ВЭС закреплены на вращающейся раме, состоящей из продольных 16 и поперечных балок 9 так, что оси вращения всех ветроколес расположены параллельно друг другу. На статоре электрогенератора закреплены направляющие балки 8 для размещения его в пазах 7, за счет чего ветрогенератор легко вынимается для ремонтных или профилактических работ.

В зависимости от скорости ветра мультимодульная ВЭС может работать в нескольких режимах. При низкой и средней скорости ветра от v,„,„ до vHOM ротор электрогенератора располагают строго под обмоткой статора магнитоэлектрического синхронного генератора. Напряжение на выходе МВЭС поднимают до номинального с помощью преобразователя частоты на основе ИТ. При большой скорости ветра от v„a„ до vmax ротор электрогенератора перемещают вдоль неподвижного вала, тем самым, уменьшая магнитный поток, индуцирующий ЭДС в обмотке статора.

Третья глава посвящена разработке математических моделей с использованием современных пакетов прикладных компьютерных программ ELCUT [Профессиональный 5.6.0.680] и MATLAB Simulink [Version 7.14.0.739 (R2012a)] как отдельных блоков и устройств мультимодульной ветроэлектрической станции, так и всего электротехнического комплекса мультимодульной ВЭС.

Исследование магнитных полей синхронного генератора на постоянных магнитах проводилось в современном программном комплексе ELCUT (задача «Магнитостатика»), Решение задачи магнитостатики проводилось при различных сочетаниях немагнитных и ферромагнитных материалов статора и ротора.

Картины магнитных полей СГПМ в программе ЕЬСиТ подтверждают, что распределение магнитной индукции в воздушном зазоре существенно зависит от конфигурации магнитной системы ротора и статора. Для статоров с беспазовой обмоткой наблюдается большая разница между максимальным и минимальным значениями магнитной индукции в воздушном зазоре независимо от формы постоянных магнитов.

По результатом расчетов в программе ЕЬСиТ произведен анализ изменения распределения магнитной индукции в воздушном зазоре В0 синхронного генератора в зависимости от высоты стального сердечника ротора (рисунок 2).

0.7 0.6 0.5 С 0.4

«' о.з Є

и 0.2 0.1

0 123456789

Ир, ММ

Рисунок 2 — Зависимость индукции в воздушном зазоре от высоты сердечника ротора для магнитной системы: статор с п-образными полюсами, ротор с постоянными магнитами трапециевидного сечения

При изменении высоты сердечника ротора Ьр от 1 до 3 мм индукция В0 увеличивается на 37 %. При увеличении Ьр до 6 мм максимальное значение В0 увеличивается на 5 %, а при увеличении высоты до значений 7 и 8 мм значение индукции в воздушном зазоре не изменяется и составляет 0,577 Тл.

Значение индукции в воздушном зазоре в значительной степени зависит от толщины постоянного магнита (рисунок 3). Увеличение магнитной индукции при увеличении высоты постоянных магнитов от 1,5 до 5,5 мм составляет 62 %. При дальнейшем увеличении значения Ьм индукция практически не изменяется.

ш

0.2

0.1

0 123456789

Ьц. мм

Рисунок 3 - Зависимость индукции в воздушном зазоре от высоты постоянных магнитов для магнитной системы: статор с п-образными полюсами, ротор с постоянными магнитами прямоугольного сечения

Увеличение угла наклона боковых граней постоянных магнитов трапециевидного сечения приводит к увеличению максимального значения магнитной индукции, но с увеличением угла форма кривой В0 в воздушном зазоре становится близкой к синусоидальной (рисунок 4).

Значения магнитной индукции в воздушном зазоре максимальны в случаях применения постоянных магнитов трапециевидной формы и стальных сердечников ротора и статора. Величина магнитной индукции в воздушном зазоре В0 при установке на роторе прямоугольных магнитов незначительно отличается от магнитной индукции при магнитах трапециевидной формы с углом наклона 15°. Однако увеличение объема постоянных магнитов в случае немагнитного статора в 2,5 раза по сравнению с объемом магнитов при трапециевидной форме магнита и в 2,1 раза по сравнению с прямоугольными магнитами при стальном статоре приводит к увеличению магнитной индукции на 20 % (изменение от 0,375 до 0,449 Тл).

• т- • • угол 1 5 __— угол эо

А угол 45

312

I., мм

Рисунок 4 - Распределение магнитной индукции в воздушном зазоре при различных углах наклона боковых граней магнитов трапециевидной формы для магнитной системы: статор с п-образными полюсами, ротор с постоянными магнитами трапециевидного сечения

Синхронные генераторы на постоянных магнитах, применяемые в ВЭС, работают в широком диапазоне изменения частоты вращения ротора. Величина генерируемого напряжения СГПМ электротехнического комплекса мультимодульной ВЭС прямо пропорционально зависит от скорости вращения ротора и возрастает в 11 раз при изменении скорости ветра от 2,5 до 25 м/с.

Принцип регулирования выходного генерируемого напряжения СГПМ в диапазоне скоростей ветра уном - утах основан на уменьшении потокосцепления у/ при увеличении напряжения выше заданного уровня. При увеличении скорости ветра выше номинальной ротор ветрогенератора перемещают относительно обмоток статора с помощью электромеханической системы перемещения ветроколеса.

Электромагнитная часть регулируемого синхронного генератора на постоянных магнитах описывается системой дифференциальных уравнений во вращающейся системе координат, которые обозначены через с! и я:

сіі, 1 Я . Ь

Я, і л . 4,

—- =—гл,--г„ + — рсогі- ■

л ьч - ьч * і/ 5

То(1-ЛІ/1),

где іч, ил щ - амплитуды тока и напряжения статора по осям сі, ц; у/ -амплитуда потока постоянного магнита ротора, сцепленного с обмоткой статора; ¥0 - амплитуда потока постоянного магнита; Тг - электромагнитный

момент; <у,- угловая скорость вращения ротора; индуктивности по

осям с!,я; Я - сопротивление статора; р - число пар полюсов; Л1 - смещение ротора относительно обмоток статора; / - линейный размер постоянного магнита.

На рисунке 5 представлена осциллограмма выпрямленного напряжения регулируемого СГПМ при изменяющейся ступенчато скорости ветра - 6 м/с, 11 м/с, 14 м/с.

Рисунок 5 - Осциллограмма выпрямленного напряжения регулируемого СГПМ

Перемещение ротора синхронного генератора на постоянных магнитах осуществляется при скорости ветра более 10 м/с. На рисунке 6 представлена зависимость потокосцепления от величины смещения ротора. При максимальной скорости ветра у=25 м/с под обмоткой статора располагается 34,5% длины ротора.

0 026 0.024 0.02 0 018 " 0 012 0.000 0Л04

2ІЇЇ 25м

Є.6 22,4 29,7 37,9 4В.Б 53,4 Є2,1 6Ї.5

Сшщаниі ротора %

Рисунок 6 - Зависимость потокосцепления от величины смещения ротора относительно обмоток статора при постоянном выходном напряжении генератора

Мультимодульная ветроэлектростанция как объект управления является нелинейным объектом. Зависимость мощности ветрогенератора от частоты вращения ветроколеса имеет явно выраженный максимум.

Для каждой скорости ветра существует строго определенная точка на механической характеристике, где выходная мощность максимальна. Для того чтобы получать максимально возможную мощность мультимодульной ВЭС при любых скоростях ветра, необходимо регулировать скорость вращения ветроколеса так, чтобы она всегда соответствовала оптимальной скорости вращения при данной скорости ветра.

Существуют два типа алгоритмов отслеживания точки максимальной мощности (ТММ), а именно: методы, основанные на знании параметров и характеристик ветрогенератора (коэффициента использования энергии ветра Ср, быстроходности Т) и методы, которые позволяют выполнить поиск точек, соответствующих максимальной мощности, не зная характеристики ветрогенератора. Второй метод позволяет преодолеть некоторые из общих проблем, которые обычно присущи другим методам.

При разработке электротехнического комплекса мультимодульной ВЭС предложена система преобразования и управления с использованием алгоритмов поиска ТММ без использования датчиков скорости ветра и вала ветрогенератора.

На рисунке 7 представлена имитационная математическая модель ветрогенераторной части модуля мультимодульной ВЭС с регулируемым синхронным генератором на постоянных магнитах и системой поиска точки максимальной мощности.

Максимальная мощность ветроколеса определяется из выражения:

где р - плотность воздуха; 8 - ометаемая площадь ветроколеса; Ср.опт -оптимальное значение коэффициента использования энергии ветра; Я - радиус ветроколеса; шопт - оптимальное значение угловой скорости вращения ветроколеса; Хопт - оптимальная быстроходность ветроколеса.

Непостоянство мощности ветрового потока и необходимость автономной работы ветроэлектрической станции вызывают включение в состав модуля мультимодульной ВЭС аккумуляторных батарей. Для поддержания напряжения в цепи постоянного тока на заданном уровне предложены следующие схемотехнические решения:

1) Выполнение обмотки статора синхронного генератора на постоянных магнитах, разделенной на п количество секций, соединенных между собой реле с одним и двумя переключающими контактами.

2) Включение в состав модуля мультимодульной ВЭС импульсного регулятора тока заряда АБ. При этом синхронный генератор на постоянных магнитах должен быть рассчитан так, чтобы при минимальной рабочей скорости ветра амплитудное значение напряжения СГПМ было равно напряжению АБ.

(2)

»я Сочыгв

Рисунок 7 - Имитационная математическая модель ветрогенератора с электромеханическим регулированием выходного напряжения СГПМ и системой поиска точки максимальной мощности

-О—ен

^г^ мьяигг

На рисунках 8 и 9 представлены мощностные характеристики ветрогенератора модуля мультимодульной ВЭС при работе на нагревательную нагрузку (сопротивление 0,5 Ом, 1 Ом, 2 Ом) без системы поиска максимума мощности и с ней.

Рисунок 8 - Мощностные характеристики ветрогенератора (р=144) модуля мультимодульной ВЭС без системы поиска максимума мощности при работе на электронагревательную нагрузку

Рисунок 9 - Мощностные характеристики ветрогенератора (р=144) модуля мультимодульной ВЭС с системой поиска максимума мощности при работе на электронагревательную нагрузку

Максимальная мощность генератора при наличии импульсного регулятора зарядного тока и системы поиска ТММ определяется по выражению:

{куй(\-ЫП)соопт)г

(3)

+ ХІ

где Яь - сопротивление нагрузки; Х8 и - индуктивное и активное внутренние сопротивления генератора; аопт - коэффициент заполнения импульсов. Коэффициент заполнения импульсов определяется по формуле:

. = 1-3

(4)

На рисунке 10 представлены мощностные характеристики ветрогенератора модуля мультимодульной ВЭС с регулируемым СГПМ с переключением числа пар полюсов и при работающей системе поиска максимума при работе на заряд аккумуляторных батарей.

В четвертой главе рассмотрены вопросы прогнозирования остаточного ресурса ВЭС. Надежность функционирования электрооборудования ВЭС в значительной степени зависит от его технического состояния, которое в процессе эксплуатации в результате воздействия различных внешних факторов, режимов и условий работы непрерывно ухудшается. В качестве интегрального показателя, характеризующего техническое состояние электрооборудования ВЭС, использовался технический ресурс. Основным фактором, определяющим

ресурс электротехнических изделий, является состояние изоляции этих изделий.

6000 При работающей системе поиска При переключении вар полюсов СГПМ

максимума мощности /

\

\ ■•* ' /V V

4000

/ / ' N і \ \ : ГИ \

' S !

/ - ! Sr Ч

// Л-""" .., -,г X

2000 \ \

' / ■'» \ \ 1

1000 ї/Ог^ \ ч * \12 м/с \ У

■»*' \ \ у

\ \ \ » \ \ в. обмия

о 50 100 150 200 250 300 350

Рисунок 10 -Мощностные характеристики ветрогенератора с СГПМ с переключением пар полюсов и с системой поиска максимума мощности

Проведен анализ влияния температуры окружающей среды на процесс теплового износа изоляции ветрогенератора ВЭС. Показано, что работа ветрогенератора с номинальной нагрузкой при температуре окружающей среды больше 40°С приводит к дополнительному тепловому износу изоляции. Работа ветрогенератора при температурах ниже 40°С позволяет снизить тепловой износ изоляции или увеличить загрузку ветрогенератора выше номинальной. В зимний период при температуре -30°С возможно увеличить нагрузку ветрогенератора на 35% без снижения нормативного теплового износа изоляции.

В таблице 1 приведены расчетные значения коэффициента загрузки К ветрогенератора при разных значениях температуры окружающей среды. Таблица 1 - Значения коэффициента загрузки ветрогенератора К при разных значениях

температуры окружающей среды

Температура окружающей среды, °С -30 -20 -15 -10 0 10 20 30 40 50

Коэффициент загрузки К 1,35 1,3 1,25 1,2 1,15 1,12 1,1 1,05 1 0,3

Проведен анализ влияния способа прокладки соединительных кабелей ВЭС на тепловой износ их изоляции. Ресурс силового кабеля определяется состоянием его изоляции. В рамках диссертационной работы проводились расчеты тепловых режимов кабелей, проложенных в гофрированных полиэтиленовых трубах, с применением современных пакетов прикладных компьютерных программ ELCUT и Microsoft Office Excel. В процессе моделирования тепловых режимов кабелей, проложенных в гофрированных двустенных полиэтиленовых трубах, было выяснено, что на величину температуры жил кабеля, проложенного в трубе, кроме величины тока кабеля влияет соотношение диаметра кабеля и диаметра трубы, в которой он

проложен. На рисунке 11 представлены результаты расчета кабеля марки АВВГ(Зх25), проложенного в трубах различного диаметра в задаче «Теплопередача», связанной с задачей «Вихревые токи». При прокладке кабеля в трубах разного диаметра для одних и тех же токовых нагрузок температура жил кабеля будет отличаться на 8 0 С.

Ідоп..

уі= -0.0002Х3 + 0,0987* + 78,14*

/ уї = -0,0(Юбхэ + 0.23МХ + 66,309

♦ Іяоп. в гладкой труб«

■ Ідоп в гофрироваїноГі труое

---Полпноыпальный (Іаоп- в

гофрированной грубе) — Полиномиальный (Іаоп. в гладкой труб*)_

1<0 Рвнмц мы

Рисунок 11 - Зависимости максимально допустимых токов кабеля АВВГ(Зх25), проложенного в трубах разного типа, от диаметра трубы

Для расчета остаточного ресурса кабеля применим 10-градусное правило, по которому считается, что при увеличении температуры на каждые 10°С срок службы кабеля уменьшается в 2 раза. Ресурс кабеля, определенный по методу градусных правил (при увеличенной температурной нагрузке кабеля на 8°С), сократится в 1,735 раза из-за неправильного выбора диаметра трубы для прокладки кабеля.

Пятая глава содержит технико-экономическое обоснование применения мультимодульной ветроэлектростанции, выполненное по методу расчетных затрат. Определена себестоимость 1 кВт установленной мощности при массовом выпуске модулей мультимодульной ВЭС, которая составляет 40 тыс. руб. Дисконтированный срок окупаемости мультимодульной ВЭС составляет 8 лет.

В шестой главе приведены результаты экспериментальных исследований уменьшенного экспериментального макета ветрогенераторной части модуля МВЭС (рисунки 12,13).

Рисунок 12 - Скоростная характеристика экспериментального макета ветрогенератора

Рисунок 13 - Нагрузочные характеристики экспериментального макета ветрогенератора

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1 Определены новые конструктивные и схемотехнические решения мультимодульной ветроэлектростанции с улучшенными электротехническими параметрами (выработка электроэнергии увеличена на 18-25 %) и сниженными на 40 % массогабаритными показателями по сравнению с существующими аналогичными установками.

2 Разработана новая конструкция ветроэлектрического генератора на постоянных магнитах с магнитоэлектрической системой регулирования генерируемого напряжения, позволяющая регулировать выходное напряжение генератора в диапазоне (0,1 - 1)ивом.

3 Выявлены рациональные геометрические параметры магнитной системы синхронного генератора с постоянными магнитами трапециевидной формы с углом скоса боковых граней, равным 45°, позволяющие получить максимально возможный магнитный поток в воздушном зазоре.

4 Разработана имитационная математическая модель ветрогенераторной части мультимодульной ветроэлектростанции на основе регулируемого синхронного генератора на постоянных магнитах, позволяющая определить зависимость перемещения ветроколеса вдоль вала от скорости ветра.

5 Разработана имитационная математическая модель модуля мультимодульной ветроэлектростанции с регулируемым ветрогенератором и экстремальной системой по максимуму генерируемой мощности. Отклонение мощности от максимального значения при работе на электронагревательную нагрузку не превышает 4,5 %, при работе на заряд аккумуляторных батарей -не превышает 3,25 %.

6 Определены факторы (сезонный и суточный графики нагрузки, температура, влажность и химическое загрязнение окружающей среды, соотношение диаметра кабеля и диаметра трубы, в которой он проложен, Отруб/<Зкаб) и характер их влияния на ресурс электрооборудования ВЭС. Неучет влияния параметра (Отру6/<Лкав) на тепловой режим кабеля при прокладке кабеля в гофрированных трубах может привести к сокращению ресурса кабеля в 1,73 раза.

7 Выполнен технико-экономический расчет мультимодульной ветроэлектростанции. Себестоимость 1 кВт установленной мощности мультимодульной ветроэлектростанции составляет 40 тыс. руб., срок окупаемости 8 лет.

8 Разработан и изготовлен макетный образец модуля мультимодульной ветроэлектростанции, на котором проведены экспериментальные исследования, подтвердившие полученные выводы и адекватность разработанной математической модели.

Основные публикации по теме диссертации

Научные статьи, опубликованные в изданиях, рекомендованных ВАК РФ:

1 Павленко, И.М. Характеристики комбинированного ветроколеса / И.М. Павленко, О.Б. Соломенкова // Вестник Саратовского государственного технического университета. -2010. - №4 (50). - Вып. 2. - С.49-50.

2 Павленко, И.М. Особенности ветрогенерирующих систем ветроэлектростанций / И.М. Павленко, С.Ф. Степанов // Вестник Саратовского государственного технического университета. -2012. - №2. - Вып. 2. - С. 144-147.

3 Павленко, И.М. Особенности ветрогенераторной части мультимодульных ветроэлектростанций / И.М. Павленко, С.Ф. Степанов // Современные проблемы науки и образования. - 2013. - № 4 (Электронный журнал) URL: http://www.science-education.ni/l 109843.

4 Павленко, И.М. Особенности формирования магнитной системы ветрогенератора мультимодульной ветроэлектростанций / И.М. Павленко // Современные проблемы науки и образования. - 2013. - № 5 (Электронный журнал) URL: http://www.science-education.ru/l 119993.

Сведения о патентах и изобретениях:

5 Патент РФ на полезную модель № 128674. Мультимодульная ветроэлектростанция / И.М. Павленко, С.Ф. Степанов, В.В. Коваленко; заявитель СГТУ им. Гагарина Ю.А. - № 2012153363/06; заявл. 10.12.12 ; опубл. 27.05.13, Бюл. № 15 (II ч.). -2с.: ил.

Публикации в других изданиях:

6 Павленко, И.М. Электрические генераторы для ветроэлектростанций: состояние и перспективы развития / И.М. Павленко [и др.] // Инновационные технологии в обучении и производстве: материалы VII Всерос. науч.-практ. конф.: в 5 т. / КТИ. - Камышин, 2010 -Т.4. - С. 77-80.

7 Павленко, И.М. Электрические генераторы автономных ветроэлектрических установок / И.М. Павленко, О.Б. Соломенкова, С.Ф. Степанов // Актуальные проблемы энергетики АПК: материалы II Междунар. науч.-практ. конф. / ФГОУ ВПО «Саратовский ГАУ». - Саратов, 2011. - С. 225-226.

8 Павленко, И.М. Electric power generating system for wind power station based on axial flux permanent magnets generator and converter frequency based on current inverter / И.М. Павленко, О.Б. Соломенкова, С.Ф. Степанов // Молодые ученые за инновации: создавая будущее: материалы Междунар. науч.-практ. интернет-конф. в рамках Междунар. интернет-фестиваля молодых ученых / СГТУ. - Саратов, 2011. - С. 141-144.

9 Павленко, И.М. Мультимодульные ветроэлектростанций - одно из перспективных направлений использования ветровой энергии / И.М. Павленко, О.Б. Соломенкова, С.Ф. Степанов // Энергосбережение в Саратовской области. - 2011. - №2(44). - С. 42-43.

10 Павленко, И.М. Альтернативное направление в конструировании ветроэлектростанций/ И.М. Павленко, О.Б. Соломенкова, С.Ф. Степанов//Энергетика в современном мире: материалы V Междунар. науч.-практ. конф. / ЗапГУ. - Чита, 2011.-С. 176-180.

11 Павленко, И.М. Расчет теплового режима кабелей в двустенных полиэтиленовых гофрированных трубах с помощью программы ELCUT/ И.М. Павленко // Компьютерные технологии и информационные системы в электротехнике: материалы Всерос. конкурса науч. работ студентов, магистрантов, аспирантов / ТГУ. - Тольятти, 2011. - С. 199 -203.

12 Павленко, И.М. Математическая модель мультимодульной ветроэлектростанций / И.М. Павленко [и др.] //Проблемы электроэнергетики : сб. науч. тр. / СГТУ. - Саратов, 2011. -С. 16-21.

13 Павленко, И. М. Расчет теплового режима кабелей в двустенных полиэтиленовых гофрированных трубах с помощью программы ELCUT / И. М. Павленко, С. Ф. Степанов // Проблемы электроэнергетики : сб. науч. тр. / СГТУ. - Саратов, 2011. - С. 41 -45.

14 Павленко, И. М. Особенности расчета теплового режима кабелей в двустенных полиэтиленовых гофрированных трубах / И. М. Павленко, С. Ф. Степанов, А. Н. Безголова // Инновационные технологии в обучении и производстве: материалы VIII Всерос. науч.-практ. конф.: в 9т. /КТИ. -Волгоград, 2012. -Т. 1.-С. 141-144.

15 Павленко, И. М. Расчет допустимых токовых нагрузок кабелей, проложенных в гофрированных трубах, с учетом высших гармоник / И. М. Павленко, С. Ф. Степанов //

Актуальные проблемы электронного приборостроения АПЭП-2012: материалы 10-й юбилейной Междунар. науч.-техн. конф. / СГТУ. - Саратов, 2012. - С. 345-348.

16 Павленко, И. М. Расчет теплового режима кабелей, прокладываемых в полиэтиленовых трубах / И. М. Павленко, С. Ф. Степанов // Электрика. - 2012. - № 7. -С. 17-20.

17 Павленко, И. М. Способ стабилизации выходного напряжения мультимодульных ветроэлектростанций / И. М. Павленко, С. Ф. Степанов // Химическая физика и актуальные проблемы энергетики : сб. тез. и ст. Всерос. молодеж. конф. / ТПУ. - Томск, 2012. -С. 210-214.

18 Павленко, И.М. Влияние магнитного поля переменных токов на кабельные линии / И.М. Павленко, С.Ф. Степанов // Энергетика: эффективность, надежность, безопасность: труды XIV Междунар. студ. науч.-техн. семинара: в 2 т. / ТПУ. - Томск, 2012. - Т. 1. -С. 302-305.

19 Павленко, И.М. Исследование температурных режимов кабелей в полиэтиленовых трубах / И.М. Павленко, С.Ф. Степанов // Математические методы в технике и технологиях: материалы XXV Междунар. науч. конф. / СГТУ. - Саратов, 2012. - С. 138-140.

20 Павленко, И.М. Особенности электрогенерирующего комплекса мультимодульных ветроэлектростанций / И.М. Павленко, С.Ф. Степанов // Технические науки: современные проблемы и перспективы развития: сб. материалов I Междунар. науч.-практ. конф. - Йошкар-Ола: Коллоквиум, 2012. - С. 144 - 145.

21 Pavlenko, I. М. High efficienty multipackage wind-driven electric station / I.M. Pavlenko, O.B. Solomenkova, S.F. Stepanov // European Applied Sciences. - 2013. - №1. - P. 223-226.

22 Павленко, И.М. Способ регулирования напряжения мультимодульной ВЭС / И.М. Павленко, С.Ф. Степанов // Новые технологии и технические средства в АПК: материалы Междунар. конф. / ФГОУ ВПО «Саратовский ГАУ». - Саратов, 2013. - С. 137-139.

Подписано в печать 02.10.2013 Формат 60x84 1/16

Бум. офсет. Усл. печ. л. 1,0 Уч.-изд. л. 1,0

Тираж 100 экз. Заказ 29

ООО «Издательский Дом «Райт-Экспо»

410031, Саратов, Волжская ул., 28 Отпечатано в ООО «ИД «Райт-Экспо» 410031, Саратов, Волжская ул., 28, тел. (8452) 90-24-90

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.»

На правах рукописи

0420136459^ ПАВЛЕНКО ИРИНА МИХАЙЛОВНА

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ СИСТЕМЫ ГЕНЕРИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ НА ОСНОВЕ МУЛЬТИМОДУЛЬНОЙ ВЕТРОЭЛЕКТРОСТАНЦИИ

Специальность - 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор С.Ф. Степанов

Саратов - 2013

Оглавление

ВВЕДЕНИЕ......................................................................................................................4

ГЛАВА 1 АНАЛИЗ КОНСТРУКТИВНЫХ И СХЕМОТЕХНИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ ВЕТРОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СТАНЦИЙ.................................................14

1.1 Обзор современных типов ветроэлектроустановок. Обоснование применения мультимодульных ВЭС..............................................................................................14

1.2 Анализ существующих электрогенерирующих комплексов ветроэлектрических станций.....................................................................................21

1.3 Способы регулирования и стабилизации напряжения ветрогенератора ВЭУ. Анализ систем управления ВЭУ, направленных на получение максимальной

мощности.....................................................................................................................29

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 1............................................................................................37

ГЛАВА 2 КОНСТРУКЦИЯ МУЛЬТИМОДУЛЬНОЙ

ВЕТРОЭЛЕКТРОСТАНЦИИ.......................................................................................38

2.1 Устройство ветроэлектростанции.......................................................................38

2.2 Основные режимы работы мультимодульной ветроэлектростанции.............44

2.3 Варианты структуры модуля МВЭС..................................................................47

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 2............................................................................................53

ГЛАВА 3 МОДЕЛИРОВАНИЕ ВЕТРОГЕНЕРИРУЮЩЕЙ ЧАСТИ МУЛЬТИМОДУЛЬНОЙ ВЕТРОЭЛЕКТРОСТАНЦИИ...........................................54

3.1 Расчет основных размеров ветрогенератора на постоянных магнитах..........54

3.2 Моделирование магнитных полей синхронного генератора с возбуждением от постоянных магнитов с использованием программного комплекса ЕЬСиТ..63

3.3 Математическая модель ветрогенераторной части мультимодульной ВЭС .83

3.4 Расчет электромеханической системы перемещения ветроколеса относительно обмоток статора..................................................................................99

3.5 Имитационное моделирование модуля МВЭС с системой поиска максимума мощности...................................................................................................................101

3.6 Математическая модель модуля МВЭС с комбинированным способом стабилизации выходного напряжения....................................................................115

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 3..............................................................................................121

ГЛАВА 4 ВОПРОСЫ ОЦЕНКИ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ И ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ОСТАТОЧНОГО РЕСУРСА

ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ ВЭС...........................................................................122

4.1 Анализ влияния температуры окружающей среды на процесс теплового износа изоляции ветрогенератора ВЭС..................................................................127

4.2 Влияние химически активных сред на износ изоляции электрогенератора ВЭС...........................................................................................130

4.3 Влияние способа прокладки соединительных кабелей ВЭС на тепловой

износ их изоляции....................................................................................................131

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 4..........................................................................................134

Глава 5 ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ МУЛЬТИМОДУЛЬНОЙ ВЕТРОЭЛЕКТРОСТАНЦИИ.........................................135

5.1 Расчет выработки энергии модуля мультимодульной ветроэлектростанции................................................................................................135

5.2 Сравнительный анализ выработки электроэнергии ветроустановками различного конструктивного исполнения и МВЭС..............................................142

5.3 Расчет экономических показателей мультимодульной ВЭС.........................144

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 5..............................................................................................147

ГЛАВА 6 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ МАКЕТНОГО

ОБРАЗЦА ВЕТРОГЕНЕРАТОРНОЙ ЧАСТИ МВЭС.............................................148

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 6..............................................................................................154

ЗАКЛЮЧЕНИЕ............................................................................................................155

Словарь терминов........................................................................................................157

Обозначения и сокращения........................................................................................159

СПИСОК ИСПОЛЬЗАВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ...................................................160

ПРИЛОЖЕНИЯ...........................................................................................................171

ВВЕДЕНИЕ

В современном мире происходят концептуальные изменения в системе генерации и распределения электрической энергии. В связи со старением существующей системы электроснабжения, отсутствием достаточных инвестиций для строительства новых крупных тепловых и атомных станций, возникновением серьезных проблем с энергообеспечением многих регионов, низким уровнем развития электроснабжения в отдаленных регионах создание электростанций на основе возобновляемых источников энергии становится важным направлением [3, 30].

Мировой рынок ветровой энергетики развивается быстрее, чем любой другой вид возобновляемой энергетики. Однако ветроэнергетика, обладая такими достоинствами, как экологическая чистота производства электроэнергии и использование бесконечного возобновляемого источника энергии, имеет и ряд существенных недостатков, главным из которых является нестабильность ветрового потока. Но несмотря на имеющиеся недостатки ветроэнергетики, ситуация на мировом рынке нефти и газа способствует развитию видов генерации электроэнергии, основанных на использовании возобновляемых | источников энергии [63, 64].

Стимулом для развития ветроэнергетики стали и необходимость принятия срочных мер по предотвращению дальнейшего изменения климата, и постоянно растущий спрос на электроэнергию, а также постоянный рост тарифов на электроэнергию (рисунок 1). По статистике [65], рост цен на электроэнергию для промышленности в России существенно выше, чем в США и странах Евросоюза. Цена на электроэнергию в РФ в 2011 году превысила цену в США на 15%.

Ветроэнергетика является бурно развивающейся отраслью энергетики. Если в 1995 году установленная мощность ветроэлектростанций всего мира составила 4800 МВт, то в 2012 году она превысила 250000 МВт. Расширение мирового рынка ветроэнергетики привело к значительному падению цен на энергию, производимую ветром.

Рисунок 1 - Динамика роста цен на электроэнергию

Россия обладает мощным ветроэнергетическим потенциалом, оцениваемым в 40 миллиардов кВт'ч электроэнергии в год. В настоящее время в России существуют проблемы с электроснабжением отдаленных, труднодоступных территорий, сельской местности, которые составляют около 70 % территории страны с населением около 22 млн. чел.

На современном этапе развития ветроэнергетики имеется два самостоятельных направления. Первое - разработка, создание и внедрение ветроустановок (ВЭС) большой мощности. Второе - создание и внедрение ветроустановок малой мощности локального применения. Каждое из этих направлений имеет свою наиболее эффективную сферу применения, свои сложности, позитивные и негативные моменты.

Использование энергии ветра в городской среде требует изменения подходов к конструированию, размещению и формированию новых требований к ветроустановкам городского типа. Одним из наиболее эффективных направлений является создание многомодульных ветроэлектрических установок, состоящих из нескольких модулей небольшой мощности, которыми управляет единая система управления.

Существенным же препятствием на пути повсеместного использования ВЭС является нестабильность ветрового потока, которая приводит к изменению частоты вращения ветроколеса, ротора генератора и напряжения электрического генератора в широких пределах.

В этой связи актуальной является разработка целого комплекса мероприятий по поддержанию заданного уровня частоты, напряжения и мощности ветроэлектрических установок при работе в условиях нестабильности ветрового потока.

История развития ветроэнергетики имеет значительную продолжительность. Большой вклад в разработку ветроустановок внесли отечественные учёные: В.Г. Залевский, Н.Е. Жуковский, Г.Х. Сабинин, В.П. Ветчинкин, Н.В. Фатеев, К.А. Ушаков и др. Вопросы разработки конструкции электрических генераторов на постоянных магнитах получили развитие в трудах отечественных ученых В.А. Балагурова, Ф.Ф. Галтеева, А.Н. Дедовского, Л.М. Паластина, И.П. Копылова и др.

Работа выполнялась в соответствии с программой 06В «Энергоэффективные системы производства, преобразования, передачи и распределения электроэнергии», входящей в перечень основных научных направлений СГТУ имени Гагарина Ю.А.

Объектом исследования является электротехнический комплекс мультимодульной ветроэлектростанции (ВЭС) с регулируемым синхронным генератором на постоянных магнитах и выходным преобразователем частоты на основе инвертора тока.

Предметом исследования являются режимы работы и основные закономерности процессов генерирования и стабилизации выходного напряжения мультимодульной ветроэлектростанции в условиях нестабильности ветрового потока и изменяющейся нагрузки.

Целью диссертационной работы является совершенствование системы генерирования электрической энергии на основе мультимодульных ветроэлектростанций.

Для достижения поставленной цели в работе решались следующие научные и практические задачи:

1 Провести анализ существующих конструктивных схемных решений ветроэлектростанций, их электротехнических комплексов, способов стабилизации выходного напряжения по величине и частоте с целью определения возможных направлений улучшения технических параметров ветроустановок.

2 Предложить и обосновать новые варианты структурных схем модуля мультимодульной ветроэлектростанции на основе составного регулируемого ветрогенератора с системой стабилизации выходного напряжения и с экстремальной системой управления по максимуму генерируемой мощности.

3 Разработать математическую модель модуля мультимодульной ветроэлектростанции на основе регулируемого синхронного генератора на постоянных магнитах (СГПМ) с изменяемым положением ротора относительно обмоток статора, с блоками силовой преобразовательной техники и экстремальным блоком управления, отражающую электромагнитные и электромеханические процессы во всех блоках.

4 Определить факторы и степень их влияния на изменение технического состояния ветроэлектростанций через оценку остаточного ресурса электрооборудования.

5 Выполнить технико-экономический расчет мультимодульной ветроэлектростанции.

6 Разработать и изготовить физическую модель модуля мультимодульной ветроэлектростанции для сопоставления полученных теоретических и натурных результатов исследований.

Методы исследования включают аналитические методы, которые базируются на теории электрических машин, преобразователей частоты, магнитоэлектрических систем, современной теории работы ветроэнергетических установок, а также методы численного и имитационного моделирования электромеханических систем. Расчетные данные получены с применением комплекса программ для инженерного моделирования электромагнитных,

тепловых и механических задач методом конечных элементов ЕЬСиТ и пакета прикладных программ МАТЬАВ с пакетом расширения 81шиНпк.

Научные положения и результаты, содержащиеся в работе и выносимые на защиту:

1 Электромеханический способ регулирования выходного напряжения синхронного генератора на постоянных магнитах, позволяющий регулировать выходное напряжение генератора в пределах (0,1 - 1)ином> за счет изменения положения ротора относительно статора.

2 Совместное применение электромеханического и электронного способов регулирования и стабилизации выходного напряжения мультимодульной ветроэлектростанции, позволяющее повысить выработку электроэнергии на 1825 % в условиях нестабильности ветрового потока и нагрузки, за счет обеспечения работы ВЭС в расширенном диапазоне ветровых нагрузок от 2,5 до 35 м/с и более.

3 Компьютерные математические модели модуля мультимодульной ветроэлектростанции с составным регулируемым генератором на постоянных магнитах с изменяемым положением ротора относительно обмоток статора, с системой поиска максимальной мощности, позволяющие получать параметры установившихся и динамических режимов работы, в условиях изменяющихся скорости ветра, величины и характера нагрузки.

4 Выявленное влияние внешних факторов (сезонный и суточный графики нагрузки, температура, влажность и химическое загрязнение окружающей среды, соотношение диаметра кабеля и диаметра трубы, в которой он проложен, Отруб/^каб) на увеличение/уменьшение остаточного ресурса электрооборудования ветроэлектростанции за счет изменения теплового режима работы оборудования, скорости протекания окислительно-восстановительных процессов в изоляции, а также конструктивных особенностей выполнения кабельной линии передачи сгенерированной электроэнергии в нагрузку.

Научная новизна работы.

1 Предложены и обоснованы варианты конфигурации структуры модуля мультимодульной ветроэлектростанции с регулируемым синхронным генератором на постоянных магнитах и системой экстремального регулирования.

2 Предложен комбинированный способ регулирования выходного напряжения ветроэлектростанции, позволяющий обеспечить работу мультимодульной ветроэлектростанции в расширенном диапазоне скоростей ветра от 2,5 до 35 м/с и более.

3 Разработана обобщенная математическая модель модуля мультимодульной ветроэлектростанции с электротехническим комплексом на базе регулируемого синхронного генератора на постоянных магнитах и с экстремальной системой поиска максимальной мощности, позволяющая исследовать динамические, переходные и аварийные режимы в условиях изменяющейся скорости ветра и нагрузки, а также определить зависимость длины ротора, находящегося под обмоткой статора, от скорости ветра.

4 Разработана методика оценки технического ресурса электрического оборудования мультимодульной ветроэлектростанции с учетом влияния внешних факторов и конструктивных особенностей выполнения кабельной линии передачи сгенерированной электроэнергии в нагрузку.

Практическая ценность и полезность работы.

1 Разработана новая конструкция ветрогенераторной части мультимодульной ветроэлектростанции на основе магнитоэлектрического синхронного генератора, для стабилизации выходного напряжения которого ротор перемещают относительно статора.

2 Предложены рекомендации по выбору рациональных геометрических параметров магнитной системы синхронного генератора на постоянных магнитах, позволяющие получить максимально возможный поток в воздушном зазоре.

3 Предложены три варианта имитационных математических моделей модуля мультимодульной ветроэлектростанции с разработанным синхронным магнитоэлектрическим генератором с изменяемым положением ротора

относительно обмоток статора, позволяющие сократить время проектирования и разработки ветроэлектростанций.

4 Определены поправочные коэффициенты для определения коэффициента загрузки генератора в зимний и летний периоды, впервые определено влияние соотношения диаметра кабеля и диаметра трубы (Отруб/с^), в которой он проложен, на увеличение или уменьшение остаточного ресурса за счет изменения теплового режима кабеля при прокладке в двустенных гофрированных полиэтиленовых трубах.

Личный вклад автора заключается в предложении структурных схем модуля мультимодульной ВЭС и способа регулирования выходного напряжения СГПМ, в разработке имитационных математических моделей ветрогенератора и модуля мультимодульной ВЭС и проведения численных экспериментов, в предложении методики оценки технического ресурса мультимодульной ВЭС.

Реализация результатов работы.

Результаты диссертационной работы использованы при выполнении исследований, проводимых в СГТУ по г/б НИР СГТУ-341 «Разработка теоретических основ создания локальных систем электроснабжения на основе комплексного использования источников электроэнергии различной физической природы», по хоздоговорам № 234 «Заключение об использовании двустенных полиэтиленовых труб производства ЗАО «ДКС» для прокладки силового кабеля» и № 261 «Разработка схемных решений по подключению вентильного генератора от 100 до 500 кВт с безредукторным приводом от вала отбора мощности ГПА к системе электроснабжения ГПА, компрессорного цеха (компрессорной станции)», в учебном процессе кафедры «Электроснабжение промышленных предприятий» Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А. при чтении курса лекций «Локальн�