Использование нетрадиционных источников энергии становится глобальной тенденцией в связи с постоянным ростом цен на традиционные энергоносители (нефть, газ, уголь и т.д.), их ограниченным запасом и неисчерпаемым потенциалом альтернативной энергии (солнце, ветер, прилив и т.д.) [5]. Первое место среди электростанций на нетрадиционных возобновляемых источниках энергии занимают ветроэлектрические установки. И это связано с практически повсеместной распространенностью энергии воздушного потока, его большим потенциалом и значительными успехами, достигнутыми в мировой ветроэнергетике за последние годы [3].

Целью исследования является увеличение вырабатываемой электрической энергии в расширенном диапазоне ветровых нагрузок, повышение эффективности использования энергии ветра путем создания новой конструкции ветроэлектростанции (ВЭС) - мультимодульной ВЭС с составным перестраиваемым ветроколесом (СПВК).

Методы исследования включают аналитические методы, которые базируются на современной теории работы ветроэнергетических установок, теории электрических машин, преобразователей частоты, магнитоэлектрических систем,  а также современном аппарате математического и имитационного компьютерного моделирования.

Мультимодульная ветроэлектростанция - это ветроэлектростанция, представляющая собой систему однотипных транспортабельных модулей небольшой мощности, конструктивно и функционально совместимых между собой, которыми управляет единая система управления. Модульный принцип построения ВЭС позволяет путем увеличения количества модулей получить любую необходимую мощность, а также повысить надежность и ремонтопригодность при транспортировке, монтаже и эксплуатации [2].

Основными составляющими модуля рассматриваемой ветроэлектростанции являются: СПВК, магнитоэлектрическая система перемещения ветроколес для изменения числа рабочих лопастей,  электрический генератор, преобразователь частоты на основе инвертора тока, накопитель электрической энергии в виде аккумуляторной батареи с зарядным устройством, а также микропроцессорный блок управления с набором датчиков тока, напряжения, скорости и направления ветрового потока (рис. 1).

Рис. 1. Схема модуля мультимодульной ветроэлектростанции

СПВК состоит из трех ветроколес (ВК) и магнитоэлектрической системы перемещения ВК для включения в работу разного количества рабочих лопастей 12, 6, 3. Данное решение позволяет обеспечить возможность ВЭС работать в широком диапазоне изменения скоростей ветра при высоком значении коэффициента использования энергии ветра ξ = 0,35-0,47 и большом пусковом моменте (для преодоления сил трения) при скорости ветра 2,5 м/с.

На рис. 2 представлены графики изменения коэффициента использования энергии ветра ξ и  вращающего момента , в зависимости от быстроходности Z для 3-х, 6-и и 12-и лопастных ветроколес, сплошной линией изображен  график разработанного СПВК.

Рис. 2.  Графики коэффициента использования энергии ветра и вращающего момента СПВК

1-12-и лопастное ВК, 2-6-и лопастное ВК, 3-3-х лопастное ВК; Zопт1 - оптимальная быстроходность 12-и лопастного ВК, Zопт2 - оптимальная быстроходность 6-и лопастного ВК, Zопт3 - оптимальная быстроходность 3-х лопастного ВК.

 

Из графиков видно, что СПВК позволяет иметь оптимальную быстроходность Z в пределах от 1 до 3, с максимальным коэффициентом использования энергии ветра и большими пусковыми моментами в зоне малых скоростей ветра.

В зависимости от скорости ветра СПВК работает в следующих режимах. При низкой скорости ветра от 2,5 до 4 м/с, лопасти всех ветроколес (общее количество лопастей - 12), совмещены в одной плоскости и участвуют в работе СПВК, обеспечивая максимальный вращающий момент при высоком коэффициенте использования энергии ветра (рис. 2, а). При средней скорости ветра от 4 до 6,5 м/с ВК, содержащее шесть лопастей, отсоединяется от основного ВК, смещается вправо и перестает вращаться (рис. 2, б). В работе остаются два ВК с общим количеством лопастей 6. При скорости ветра от 6,5 до 15 м/с ВК, содержащее три лопасти, отсоединяется от основного ВК, смещается влево и перестает вращаться (рис. 2, в). При этом в работе остается одно 3-х лопастное ВК, которое продолжает работать с максимальной скоростью вращения, а остановившиеся ВК не препятствует вращению основного ВК, а является направляющим для ветрового потока [4].

Основное дифференциальное уравнение, описывающее динамику вращения СПВК, представлено в виде:

                            , (1)

где  - момент инерции системы ветроколесо - генератор;

ω - угловая частота вращения вала, рад/с;

 - механический момент вращения СПВК при оптимальной быстроходности, Н·м;

 - электромагнитный момент ротора генератора, Н·м;

 - максимальный вращающий момент ветроколеса, Н·м.

Мощность СПВК определяется из выражения:

    ,  (2)

где - коэффициенты использования энергии ветра при работе  12-и лопастей СПВК при скорости ветра  м/с; 6-и лопастей СПВК при  м/с; 3-х лопастей СПВК при  м/с, соответственно;

, при , , при , ; , при , , при , ; , при , , при .

 - функция распределения скоростей ветра по Вейбуллу:

 . (3)

Исследования режимов работы мультимодульной ВЭС показали, что при скорости ветра 2,5 м/с,  величина генераторного напряжения составляет 10 % от требуемой величины выходного напряжения 380 В. Мощность ветрового потока при этом составляет 1 % от номинальной мощности модуля. Проблема получения необходимого по величине и частоте выходного напряжения была решена за счет применения преобразователя частоты на основе инвертора тока (ИТ). Инвертор тока в наибольшей степени подходит по своим свойствам к режиму работы ВЭС, за счет свойственной ему  внешней характеристики.

Применение  преобразователя частоты на основе ИТ позволяет иметь выходное напряжение необходимой величины и качества при изменении генераторного напряжения в широких пределах. Основной особенностью ИТ является возможность получения выходного напряжения, значительно превышающего входное [1].

Однако внешняя характеристика ИТ имеет круто падающий характер. Для получения стабильного выходного напряжения, при изменении нагрузки от холостого хода  до номинальной, необходимо схему дополнить компенсирующим устройством - индуктивно-тиристорным компенсатором выпрямительного типа. На рис. 3 представлена схема преобразователя частоты на основе инвертора тока с компенсатором реактивной мощности.

Рис. 3. Схема преобразователя частоты на основе инвертора тока

с индуктивно-тиристорным компенсатором реактивной мощности

VD1-VD6 - диоды выпрямителя; VS1-VS6 - тиристоры инвертора тока;

VS7-VS12 - тиристоры компенсатора; Lk - входной дроссель компенсатора;

Lf, Cf - сглаживающие фильтры; Ld - входной дроссель инвертора тока;

C1-C3 - коммутирующие конденсаторы.

На рис. 4 представлены внешние характеристики ИТ, при совместной работе с компенсирующим устройством и без компенсирующего устройства. Из графиков видно, что при работе ИТ, совместно с компенсатором, имеем участки строго постоянного выходного напряжения при изменении нагрузки в определенных пределах. Данные характеристики хорошо согласуются с особенностями работы ВЭС при ветровых нагрузках, от очень слабых до максимальных.

Рис. 4. Внешние характеристики инвертора тока

γ - угол управления компенсатором;

1 - без учета работы компенсатора реактивной мощности; 2 -  с учетом работы компенсатора реактивной мощности.

Внешняя характеристика ИТ   в относительных величинах (в рамках метода основной гармоники) выражается в виде зависимости:

,(4)

 - отношение величины выходного напряжения U к напряжению питания U_d;

В - коэффициент загрузки;

β - угол запирания;

φ - фазовый угол нагрузки.

Коэффициент загрузки определяется из выражения:

 , (5)

где ω - выходная частота, рад/с;

z - сопротивление нагрузки, Ом;

C - фазная емкость коммутирующей батареи, Ф.

Актуальной задачей сегодня является создание математических моделей различных объектов используемых для эффективного анализа физических явлений, предсказывающих поведение исследуемой системы без создания дорогостоящих прототипов [6]. Поэтому и для мультимодульной ВЭС с СПВК была создана математическая модель с помощью программного обеспечения MATLAB Simulink (рис. 5 а, б).

а)

б)

Рис. 5. Имитационная математическая модель: а - СПВК (блок Windwheel);

б - мультимодульной ВЭС с СПВК

Исследования на математической модели показали, что применение преобразователя на основе ИТ, для работы при частоте 50 Гц, позволяет получить кривую выходного напряжения, по форме близкую к синусоидальной, и обеспечить наличие стабильного по величине напряжения на нагрузке во всем диапазоне изменения мощности ветрового потока.

Применение мультимодульной ВЭС с СПВК позволяет увеличить годовую выработку электроэнергия на 22 %, при этом 14 % - за счет установки СПВК, 8 % - за счет работы мультимодульной ВЭС в расширенном  диапазоне скоростей ветра.

Рецензенты:

• Артюхов Иван Иванович, доктор технических наук, профессор, профессор кафедры «Электроснабжение промышленных предприятий» СГТУ имени Гагарина Ю. А., г. Саратов.        
• Томашевский Юрий Болеславович, доктор технических наук, профессор, профессор кафедры «Системотехника» СГТУ имени Гагарина Ю. А., г. Саратов.