Схемы энергокомплексов на базе ВЭУ

Введение

Принцип преобразования энергии ветра в механическую энергию в современных мощных ВЭУ основан на вращении трёхлопастных горизонтально-осевых ветродвигателей, которые имеют относительно высокий коэффициент использования энергии ветра. Кроме этого, в них предусмотрена возможность регулирования крутящего момента посредством изменения углов установки лопастей.
Из характерных особенностей крупных ВЭУ является можно выделить применение механической трансмиссии, повышающей до требуемой величины частоту вращения приводного вала. Такое решение дает возможность использовать в установках стандартные электрогенераторы. Применение стандартных агрегатов снижает затраты на выработку киловатт-часа электроэнергии. Низкооборотные генераторы особой конструкции для ВЭУ серийно производятся одной лишь компанией «Энеркон».
Другой отличительной особенностью современных мощных ВЭУ является использование в большинстве установок (более 80 %) асинхронных генераторов, имеющих короткозамкнутый ротор.
Несмотря на невысокие энергетические показатели, факторами, влияющими на выбор подобного решения, являются более высокая надёжность асинхронных машин, а также меньшие затраты на выработку единицы электрической энергии. Что объясняется их меньшей стоимостью. Синхронные генераторы, включаемые в сеть и не имеющие промежуточных преобразователей, применяются значительно реже.

1 Общие сведения. Несмотря на относительную простоту и высокую надёжность установки на базе ВЭУ с синхронными генераторами или асинхронными генераторами с КЗ ротором обладают одним существенным недостатком – они способны нормально функционировать только при неизменной частоте вращения главного вала. Во многих случаях эта особенность приводит к недовыработке электроэнергии в переходных режимах в областях от минимальной рабочей скорости ветра до номинальной. Указанное обстоятельство вынудило проектировщиков конструировать ВЭУ на базе:
- асинхронного генератора, с возможностью переключения числа пар полюсов и двухскоростным мультипликатором [4, 5];
- асинхронного генератора, имеющего фазный ротор и возможность регулировать скольжение [3,4];
- асинхронизированного синхронного генератора, у которого обмотка ротора питается от статического преобразователя частоты;
В последнее время в конструкциях крупных ВЭУ началось более широкое использование статических преобразователей электрической энергии. В основном силовая электроника применяется при функционировании ВЭУ с переменной частотой вращения главного вала. Особенно в случаях укомплектования асинхронных генераторов с КЗ ротором, или синхронными генераторами, имеющими как электромагнитный, так и магнитоэлектрическое возбуждение.
Структура, характеристики и комплектующие схемы электрических соединений привода ветроустановки могут определяться множеством факторов: величиной единичной мощности, их количеством и их топологией на местности.
Можно утверждать, что энергокомлекс на базе ВЭУ представляет собой локальную электрическую сеть, имеющую обратно направленный поток энергии. С учетом перечисленных выше показателей электрические соединения в пределах энергокомплекса могут быть выполнены по магистральному, радиальному или смешанному принципу. Расположение установок относительно друг друга и расстояния между ними определяются в основном двумя факторами: величиной единичной мощности и формой розы ветров на рассматриваемой территории.
При расположении установок в одну линию может применяться магистральная схема. Роза ветров в данном случае будет иметь устойчивую вытянутую форму, с характерными развитыми направлениями. А линия установок в этом случае будет расположена перпендикулярно биссектрисе сектора, который ограничивает эти направления. Расстояния между отдельно взятыми ВЭУ установленными в один ряд в этом случае будут составлять 3-4 диаметра ветротурбины (ВТ), поскольку турбулентные потоки от ВТ не оказывают существенного влияния на работу соседних установок. Диаметры современных трёхлопастных ВТ мегаваттного класса достигают 60…120 м. Таким образом, энергокомплекс на базе ВЭУ, состоящий, например, из 10 установок, расположенный в один ряд, может быть соединен магистральным кабелем протяжённостью от 1800 до 2400 метров.
В настоящее время в составе энергетических комплексов на базе ветроустановок наиболее широкое распространение получили ВЭУ с установленными мощностями от 1,5 до 3,5 МВт, имеющие номинальное напряжение на выходе генератора 660-690 В и диаметрами ветровой турбины от 60 до 90 метров.
Можно видеть, что при приведенных мощностях генераторов и указанных выше длинах соединительных кабельных линий энергоэффективная работа коллекторных сетей ВП возможна лишь в том случае, если в них будет применены повышенные рабочие напряжения.
Как правило, современная ВЭУ, входящая в ветроэнергетический комплекс, снабжается собственным повышающим трансформатором. Между собой установки соединяются на стороне среднего напряжения с величиной от 6 до 30 кВ.

2 Схемы энергокомплексов с небольшой мощностью. Энергокомплексы ветроустановок с небольшой мощностью, введённые 15-20 лет назад и состоящие из ВЭУ, имеющих единичную мощность от 100 до 250 кВт, проектировались на рабочих генераторных напряжениях. На рис. 1 – 3 приведены варианты радиальных схем ВП на базе ВЭУ с различными типами электрогенераторов.
При отсутствии статических преобразователей и поддержании частоты вращения вала установки при работе стабильной и кратной частоте сети, энергокомплексы на базе ВЭУ с приводом от синхронных генераторов могут иметь несколько вариантов подключения:
- каждый генератор может быть снабжен собственным устройством синхронизации;
- конструкцией предусматриваются устройства автоматической синхронизации, которые предназначаются для синхронизации генераторов между собой в группах, а затем осуществляется синхронизация групп с сетью;
- предусмотренные конструкцией устройства автоматической синхронизации, выполняют функцию синхронизации генераторов между собой в группе, затем происходит синхронизация групп, а синхронизация с сетью осуществляется непосредственно на главной повышающей подстанции.

Рис. 1. Энергокомплекс небольшой мощности на базе ВЭУ, с приводом от синхронных генераторов
Основными недостатками перечисленных схем является частая синхронизация генераторов ВЭУ при подсоединении к сети, а также недовыработка электроэнергии.
Очевидно, что рассмотренный вариант номер один наиболее полно соответствует эксплуатационным требованиям. При его использовании возможно устанавливать минимальное количество синхронизирующих устройств.
При такой схеме любой из генераторов может быть подключен к сети независимо от других. Кроме того, при запуске после аварии на одной из подстанций первой ступени синхронизации подвергается только одна из групп генераторов (рис. 1).
Аналогичные схемы подключения могут быть реализованы для ВЭУ, имеющие в основе конструкции двухскоростные асинхронные генераторы, а также асинхронные генераторы с фазным ротором и регулируемым скольжением.
Тем не менее такие типы электрических машин чаще находят применение в составе более мощных ВЭУ, в схеме которых предусмотрено использование индивидуальных повышающих трансформаторов.
Радиальные схемы энергокомплексов на базе ветроэнергетических установок средней мощности имеют в схеме собственный повышающий трансформатор и преобразовательное устройство. Они объединяются общими шинами на стороне среднего напряжения (рис.2).

Рис. 2. Радиальная схема соединений энергокомплекса на базе ВЭУ с асинхронными генераторами с КЗ ротором
Наиболее перспективными тенденциями развития мировой ветроэнергетики является ввод в работу крупных оффшорных энергокомплексов, расположенных на континентальных шельфах. Количество ВЭУ в таких энергокомплексах колеблется от 10 до 80 единиц. При такой конструкции установки выстраиваются вдоль побережья в 2-4 ряда и связываются между собой и с главной повышающей подстанцией, кабелями, проложенными под водой.
При благоприятной геометрии розы ветров может быть применена схема подключения нескольких установок на один повышающий трансформатор среднего напряжения по сложной схеме (рис. 3).

Рис. 3. Вариант сложно разветвлённой радиальной схемы энергокомлекса на базе ВУ
Применение установок, имеющих в конструкции различных по принципу действия электрических генераторов, используется в основном при модернизации или расширении действующих энергокомплексов.
Во вновь проектируемых энергокомплексах по эксплуатационным соображениям применяются установки одинаковой конструкции и одного типоразмера (рис. 4).

Рис. 4. Магистральная (кольцевая) схема электрических соединений оффшорного энергокомплекса
Общая схема электростанции аналогична, но имеет некоторые особенности. На рис. 5 показаны направления потоков электрической энергии от ветротурбины (ветрогенератора) к оборудованию для циклического процесса получения и окисления водорода с выделением энергии в системе топливных элементов, которое функционирует преимущественно при отсутствии ветра.

Рис. 5. Ветро-водородный энергокомплекс с бесперебойным электроснабжением: VAWT (ВОВЭУ) – вертикально-осевая ветроэнергетическая установка; AC/DC – преобразователь переменного тока в постоянный; DG (ДГ) – дизельный генератор; FCAS (МТЯ) – модуль топливных ячеек; B – аккумуляторная батарея; MSC (СМУ) – система мониторинга и управления; PLC (ПЛК) – программируемый логический контроллер; RC – удаленный компьютер; BTC (БПС) – базовая передающая станция; O2V (НК) – накопитель кислорода; H2V (НВ) – накопитель водорода; EM (МЭ) – модуль электролизера; CS (БЭЯ) – батарея электролизных ячеек; CS (СЭЯ) – стек электролизных ячеек; HP (ВдрН) – водородный насос; WP (ВН) – водяной насос; WT – накопитель воды; CM (МК) – модуль компрессии.

Заключение

Таким образом:
- мировая ветроэнергетика имеет устойчивую тенденцию роста единичной мощности ВЭУ и внедрения крупных энергетических комплексов на базе ВЭУ; - ВЭУ, которые входят в состав энергокомплексов, как правило, снабжаются индивидуальными повышающими трансформаторами, имеющие напряжение на высокой стороне величиной от 6 до 30 кВ, что является причиной значительной территориальной протяжённостью энергетических комплексов на базе ВЭУ;
- топология схемы электрических соединений энергетических комплексов на базе ВЭУ и рабочее напряжение, применяемое в коллекторной сети определяются рядом факторов, основными из которых являются: единичная мощность рабочих ВЭУ, количество ВЭУ в энергокомплексе и роза ветров на рассматриваемой территории;
- наибольшее распространение для энергетических комплексов на базе ВЭУ небольшой мощности получили радиальные схемы питания потребителей, а для энергетических комплексов на базе ВЭУ средней и большой мощности - радиальные, магистральные и смешанные;
- распределительные сети энергетических комплексов на базе ВЭУ выполняются кабельными линиями среднего напряжения;
- намечающаяся тенденция в развитии крупных ВЭУ и энергетических комплексов на базе ВЭУ - это применение установок с регулируемой частотой вращения на базе синхронных генераторов с полным преобразованием вырабатываемой электроэнергии, на основе статических преобразователей частоты.

Список использованной литературы

1. Демирчян К.С., Бутырин П.А. Моделирование и машинный расчет электрических цепей: учебное пособие для электр- и электроэнерг. спец. вузов. М.: Высш. шк., 1988. 335 с.
2. Креймер А.С, Зайцев Е.А. Электрификация удаленных объектов АПК с применением ветроэнергетических установок // Материалы Второй Всероссийской научной молодежной школы «Возобновляемые источники энергии». М., 2000. С. 41-43.
3. Григораш О.В., Богатырев Н.И., Курзин Н.Н. Системы автономного энергоснабжения; под ред. Н.И. Богатырева. Краснодар: Б/И, 2001. 333 с.
4. Преобразователи электрической энергии: основы теории, расчета и проектирования: учебное пособие для вузов. Богатырев Н.И., Григораш О.В., Курзин Н.Н., Стрелков Ю.И., Тельнов Г.В. Тропин В.В. / под ред. Н.И. Богатырева. Краснодар, Б/И, 2002. 358 с.