Особенности процессов генерирования энергии

ОСОБЕННОСТИ ПРОЦЕССОВ ГЕНЕРИРОВАНИЯ
ЭНЕРГИИ ТУРБОГЕНЕРАТОРНЫМИ ВЕТРОВЫМИ
УСТАНОВКАМИ
Н.С. Голубенко (ПФГ «Конкорд»),
Л.Р. Козак (ГКБ "Южное")
Ветровые
электрические
установки
(ВЭУ)
турбогенераторного типа [1] принципиально отличаются от ВЭУ
классических схем методом преобразования энергии ветра в
электрическую энергию: генераторы, расположенные на
лопастях основного ротора, в данной схеме приводятся во
вращение собственными высокоскоростными ветротурбинами
за счет скорости набегающего потока воздуха, создаваемого
вращением (с переменной скоростью) основного ротора. При
этом скорость набегающего потока и, следовательно, его
энергия слабо зависят от мгновенной скорости ветра, а
определяются в основном угловой скоростью вращения
главного ротора.
Так, для ВЭУ ТГ-750, выполненной по турбогенераторной
схеме, при номинальной скорости ветра 12 м/с скорость
вращения ротора составляет 31 об/мин, а скорость
набегающего на турбогенераторы потока 45 м/с. При быстром
увеличении скорости ветра, например, в полтора раза (что
эквивалентно более чем двукратному увеличению вращающего
момента на основном роторе) скорость набегающего на
турбогенераторы потока увеличится на 1,5 м/с, вращающий
момент на 6%, а дополнительные изменения момента будут
определяться в основном постепенными изменениями угловой
скорости вращения главного ротора.
Таким образом, инерция главного
ротора
ВЭУ
турбогенераторного
типа
является
эффективным
сглаживающим фильтром порывов ветра, который резко
уменьшает градиенты скорости и, соответственно, мощности
воздушного потока, набегающего на лопасти турбогенераторов.
Данное обстоятельство определяет плавный характер
процессов генерирования электроэнергии турбогенераторами и
новые, связанные с этим принципиальные возможности ВЭУ
данного типа, которые не могут быть реализованы в
классической схеме.
Для иллюстрации динамических особенностей ВЭУ
турбогенераторного типа ниже приведены результаты расчетов
процессов генерирования электроэнергии для трех типов ВЭУ
номинальной мощностью 750 кВт при работе на промышленную
сеть:
1
- ВЭУ классической схемы с асинхронным генератором
(рис.1);
- ВЭУ классической схемы с синхронным генератором
(рис.2);
- ВЭУ турбогенераторной схемы с индукторным
синхронным генератором (рис.3).
На рисунках приняты следующее обозначения:
W1- скорость ветра, м/с;
Ng - генерируемая мощность, кВт;
D - угол отклонения лопастей ротора, град;
W2 - скорость потока, набегающего на лопасти
турбогенераторов, м/с;
dwvk - отклонение скорости вращения ротора от
номинальной, об/мин.
Расчеты проведены для условий действия сильного
порывистого ветра 10-24 м/с [2], одинакового для всех ВЭУ, с
максимально оптимизированными для каждого типа ВЭУ
алгоритмами управления процессами ограничения мощности.
Результаты расчетов показывают, что амплитуды
отклонения генерируемой мощности от номинала составляют:
- для классической схемы 25 - 40 %;
- для турбогенераторной схемы 7 – 13 %.
Максимальные градиенты нарастания-спада мощности
составляют:
- для классической схемы ~ 500 кВт/с;
- для турбогенераторной схемы ~ 80 кВт/с.
Процессы генерирования энергии для ВЭУ классической
схемы с синхронным генератором (рис.2), имеют выраженный
колебательный характер несмотря на применение в алгоритмах
управления лопастями ротора искусственного демпфирования
колебаний мощности в дополнение к работе демпферной
обмотки ротора генератора.
Колебательный характер мощности в данном случае
иллюстрирует технические проблемы, которые возникают в ВЭУ
классической схемы при попытках прямого включения в
промышленную сеть синхронных генераторов.
Это обстоятельство является главной причиной того, что в
мировой ветроэнергетике, несмотря на большие преимущества,
обусловленные
широкими
возможностями
управления
качеством электроэнергии в промышленных и локальных
сетях,
которыми
обладают
синхронные
генераторы,
подавляющее
число
ВЭУ
оснащены
асинхронными
генераторами и не существуют ВЭУ с синхронными
генераторами, включенными непосредственно в промышленную
сеть (без преобразователей тока).
2
3
Исключение из данного правила составляют отечественные ВЭУ
с синхронными генераторами АВЭ–250С, разработанные ГКБ
«Южное». Проблема сглаживания первичного ветрового момента на
данном агрегате решена с помощью гибкого торсионного вала и
специальной системы демпфирования упругих колебаний торсиона и
мощности, что позволило одинаково успешно эксплуатировать данный
агрегат в промышленной сети, в локальной сети, параллельно с
дизельными установками.
Плавность изменений подводимой и генерируемой мощности в
ВЭУ турбогенераторной схемы по сравнению с ВЭУ классической
схемы позволяет без дополнительных специальных устройств решить
проблему применения в агрегате синхронных генераторов,
включенных непосредственно в промышленную сеть.
Кроме плавности изменения подводимой к генераторам
мощности турбогенераторная схема ВЭУ обладает еще одной
принципиальной особенностью, которая связана с величиной
отношения между суммарным моментом инерции лопастей ротора и
установленной мощностью генератора. Чем меньше данное
отношение, тем меньше накопленная кинетическая энергия вращения
ротора на единицу генерируемой мощности и соответственно меньше
вероятность возникновения колебаний мощности синхронного
генератора.
Так для ВЭУ АВЭ-250С с установленной мощностью генератора
250 кВт это отношение равно 16 кгмс2/кВт. Для ВЭУ ТГ-750, на
которой установлены три генератора по 250 кВт каждый, это
отношение равно 310-2 кгмс2/кВт, т.е. в 500 (!) раз меньше.
Проведенные специальные расчеты показывают, что при таких
условиях естественное аэродинамическое демпфирование на
лопастях турбогенераторов полностью обеспечивает устойчивые
процессы генерирования мощности без установки специальной
демпфирующей обмотки в ротор генератора.
Данное обстоятельство позволяет применять на ВЭУ
турбогенераторной схемы в качестве генерирующих машин
индукторные генераторы, которые не могут иметь демпферных
обмоток, однако обладают высокой надежностью эксплуатации, не
уступающей асинхронным генераторам, и имеют существенные
преимущества в массово-габаритных характеристиках в сравнении с
синхронными генераторами классической схемы.
4
Выводы
1. Проведенный анализ особенностей процессов генерирования
электроэнергии ВЭУ различных схем показал, что турбогенераторная
схема в сравнении с классической схемой:
-имеет существенно более высокое качество генерируемой
электроэнергии за счет плавности подводимой к турбогенераторам
мощности;
-обладает способностью управления качеством энергии в сети
благодаря возможности применения в данной схеме синхронных
генераторов;
-способна работать параллельно с дизель-генераторами в
локальной электрической сети ветродизельной станции;
-позволяет применять индукторные генераторы, имеющие более
высокие эксплуатационные и массово-габаритные характеристики в
сравнении с синхронными генераторами классической схемы.
2.
Данные
преимущества
наряду
с
положительными
особенностями конструктивной схемы указывают на перспективность
турбогенераторных ВЭУ.
Литература
1. Голубенко Н.С., Довгалюк С.И., Фельдман А.М., Цыганов В.А.
Тенденции развития ветроэнергетики и безмультипликаторные
ветровые установки / Материалы IV международной конференции
„Нетрадиционная энергетика ХХI века”. – Крым, 2003. – с.68-74.
2. Лось С.И., Гергель В.Г., Попов В.А. О характере изменения
текущей мощности сетевых ветроагрегатов с постоянным числом
оборотов ротора / Материалы V международной конференции
„Нетрадиционная энергетика ХХI века”. – Крым, 2004. – с.132-135.
5