Лекция 1. Выбор схемы и оборудования ВЭУ малой мощности

УРАЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
КАФЕДРА АТОМНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ
ТЕМА: ВЫБОР СХЕМЫ И ОБОРУДОВАНИЯ ВЭУ
МАЛОЙ МОЩНОСТИ
Студентка:
Приходько Д.А.
Группа:
Т-476
Преподаватели:
Велькин В.И.
Пахалуев В.М.
Екатеринбург 2005
Факторы влияния ВЭУ на окружающую среду :
слышимые шумы
Угроза для жизни птиц
Инфрашумы
Помехи радио- и телепередачам
• Уровень шума не должен превышать 45 дБ на
расстоянии 100 м от ВЭУ.
•Должна быть исключена возможность генерирования
шумов ВЭУ ниже порога слышимости (упругие волны с
частотой ниже 16 Гц).
•ВЭУ не должны создавать низкочастотных звуковых
колебаний, которые возникают в диапазоне частот
вращения ВТ 380-480 об/мин. Эти и близкие к ним
частоты вращения должны быть исключены из
эксплуатационных режимов работы ВЭУ.
Требования к ВЭУ малой мощности:
1. Максимально возможный коэффициент
использования ветра ;
2. Минимальные масса и стоимость в расчете на
единицу мощности ;
3. Простота технического обслуживания, простота
монтажа ;
4. Наличие систем защиты, обеспечивающих :
- способность ВЭУ противостоять бурям;
- непревышение максимально допустимой частоты
вращения ВТ ;
- останов ВТ ;
- исключение самопроизвольного запуска ВТ при
монтажных операциях.
5. Соответствие экологическим требованиям
Требования к ВЭУ малой мощности
6. Наличие систем автоматического регулирования частоты
вращения ВТ и установа ее по направлению ветра;
7. Обеспечение заданных выходных электрических
параметров для
питания потребителей :
переменные одно- и трехфазное
напряжение 220 В
постоянные напряжения 12 и 24 В.
8. Наличие аккумулирующих
устройств
Предельные режимы работы ВЭУ, влияющие на
выбор функциональной схемы:
С постоянным коэффициентом быстроходности
Позволяет получить более высокий коэффициент
использования ветра
Усложнение системы электронного регулирования
С постоянной частотой вращения ВТ
Упрощенная функциональная схема
Легко исключается режим работы с частотой вращения
380 об/мин.
Выбор кинематической схемы ВЭУ
Передача момента от ветротурбины к генератору осуществляется:
Непосредственно
С помощью мультипликатора
•Редукторы с зубчатой передачей
•Клиноременная передача
При мощности свыше 4 кВт редукторы применяются во
всех существующих ВЭУ
При наличии редуктора :
• Увеличивается уровень шума
•Усложняется техническое обслуживание в связи с
необходимостью замены масла.
Все это ухудшает потребительские свойства.
В качестве мультипликаторов приняты
редукторы общего назначения:
Одноступенчатый типа ЦУ
(передаточные числа от 2 до
6,3; КПД= 0,98)
Двухступенчатый типа
Ц2У (передаточные числа
от 8 до40, КПД = 0,97)
Выбор генератора
синхронный
асинхронный
Масса, габариты и
стоимость установки с
СГ меньше, чем с АГ
Простота конструкции,
дешевизна, малые
габариты, не опасны
режимы КЗ
Потребление реактивной
мощности, сложность
возбуждения
Применение
При автономном режиме
работы на изолированного
потребителя
Параллельная работа с
мощной энергосистемой или
на пассивную (тепловую или
осветительную) нагрузку.
Анализ схем ВЭУ
Для решения вопроса о целесообразности редуктора в ВЭУ
следует в каждом конкретном случае проводить сравнение
технико- экономических показателей ВЭУ при обоих
вариантах схемы, и по его результатам производить выбор
способа передачи механической мощности ветротурбины
генератору. При прочих равных условиях предпочтение
следует отдавать безредукторной схеме ВЭУ.
В литературе отсутствуют четкие рекомендации относительно
области применения мультипликаторов как по мощности, так
и по частоте вращения. В связи с этим возникает
необходимость предварительного анализа и оценки основных
массогабаритных показателей. Такой анализ, совместно с
анализом технических показателей серийно выпускаемых
редукторов, позволит отбирать наиболее рациональные
варианты схемы преобразования мощности по минимуму
массы или по максимуму КПД
Анализ схем преобразования мощности:
«турбина – генератор» и «турбина – мультипликатор –
генератор» на основе приведенных зависимостей:
Зависимость КПД синхронных генераторов от частоты вращения:
1- Р=100 кВт, 2 – Р=55 кВт, 3 – Р=20 кВт, 4 – Р=5 Квт
Анализ схем преобразования мощности
Зависимость массы активных частей синхронных генераторов
от частоты вращения: 1- Р=100 кВт, 2 – Р=55 кВт, 3 – Р=20 кВт,
4 – Р=5 кВт.
Анализ схем преобразования мощности
С точки зрения получения максимального КПД
преобразования применение схемы “турбина –
мультипликатор – генератор” целесообразно при :
Мощность, кВт:
10
Частота вращения:
750
10-50
50-100
600
500
С точки зрения минимальной массы установки применение
мультипликаторов целесообразно при:
Мощность, кВт:
10
Частота вращения, об/мин:
500
10-50
50-100
600
700
Анализ схем преобразования мощности
Выводы:
1. Применение схемы преобразования мощности с
использованием мультипликаторов безусловно
целесообразно для установок мощностью 5 … 100 кВт
при частотах вращения первичного двигателя менее
400 об/мин для получения максимального КПД
преобразования и минимальной массы установки в
целом.
2. При частоте вращения первичного двигателя свыше
400 об/мин необходимо проводить расчеты по выбору
схемы преобразования мощности, причем критерии
максимума КПД и минимума массы дают не совпадающие
области применения мультипликаторов.
Преобразователи напряжения
Функциональная схема ВЭУ должна содержать устройства
преобразования напряжения:
Преобразователь постоянного
напряжения в переменное
Преобразователь напряжения
частотой 50 Гц (для питания
переменного тока генератора в
потребителей переменного
постоянное напряжение (для
тока при отсутствии ветра, а
питания потребителей постоянного для ВЭУ с нерегулируемой
тока и заряда АБ)
частотой вращения
ветротурбины – и при
наличии ветра)
Преобразователи напряжения
Для преобразования переменного напряжения в
постоянное могут использоваться как простейшая
схема «трансформатор – выпрямитель», так и
бестрансформаторная схема с промежуточной
частотой преобразования не менее 20 кГц
Сравнительный анализ показывает, что бестрансформаторный
преобразователь имеет массу примерно в 2,5 раза меньшую,
чем система «трансформатор – выпрямитель» при
частоте 50 Гц.
Преобразователи напряжения
Для ВЭУ с переменной частотой вращения частота
переменного тока не регламентируется, а значение
напряжения должно выбираться из условия минимальной
массы всей системы преобразования напряжения,
включая массу кабеля, соединяющего генератор с
устройством преобразования напряжения.
Для обеспечения нормальной работы ВЭУ она должна быть
удалена от соизмеримых по высоте препятствий ветровому
потоку на расстояние не менее 50 м, следовательно, длина
кабеля в расчетах должна приниматься равной не менее 50 м.
Накопители энергии
Из-за непостоянства ветровой энергии в состав ВЭУ должны
входить накопители энергии, в качестве которых могут быть
использованы следующие устройства:
Включающие в себя
электролизеры для разложения
воды на водород и кислород,
системы хранения газов и их
последующего использования
в ЭХГ или поршневых
двигателях внутреннего
сгорания.
Электрохимические аккумуляторы
Достоинства:
• высокий КПД
• Эксплуатация не требует дополнительных сложных устройств
(необходимы только системы защиты от чрезмерного разряда и
повышенного напряжения)
Наиболее доступными и приемлемыми в настоящее
время являются:
• свинцовые (кислотные)
• никель – кадмиевые и никель – железные (щелочные)
• натрий – сернистые аккумуляторы, разработка которых
ведется в НПО «Луч» и «Квант»
Вариант функциональной
схемы ВЭУ
С постоянной частотой вращения приведен на рисунке.
В состав такой ВЭУ входят:
- ветротурбина
- центробежный регулятор частоты вращения ВТ
- трехфазный синхронный генератор переменного тока
- блок управления
- статический преобразователь
Вариант функциональной схемы ВЭУ
Функциональная схема ВЭУ
Описание схемы.
От генератора напряжение подается как для питания
потребителей, так и преобразователь переменного
напряжения в постоянное.
Напряжение генератора стабилизируется регулятором
напряжения.
Пороговые устройства ПУ1 и ПУ2 с соответствующими
коммутирующими устройствами КУ1 и КУ2 выполняют
функции защиты АБ: при снижении напряжения АБ до
минимального уровня устройства ПУ1 и КУ1 отключают от
АБ нагрузку, а при повышении напряжения на АБ до
максимально допустимого устройства ПУ2 и КУ2 отключают
АБ от Пр.
Функциональная схема ВЭУ
Статический преобразователь в приведенном
варианте схемы обеспечивает потребителей
переменным током и при работе от АБ (в
случае отсутствия ветра).