ВЕТРОЭНЕРГЕТИКА
WIND ENERGY
УДК 621.313
ОБ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ СИНХРОНИЗИРОВАННОГО АСИНХРОННОГО ГЕНЕРАТОРА В ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКЕ
А.И. Абдулкадыров, С. Ф. Гулиев
Азербайджанская Государственная нефтяная академия г. Баку, Азербайджанская Республика, АЗ 1010, E-mail: squliyev@socargo.az
В статье анализируется эффективность применения синхронизированного асинхронного генератора (САГ) в ветроэнергетической установке (ВЭУ), заключающаяся в демпфировании колебаний, вызываемых порывами и изменением скорости ветра, а также в повышении к.п.д. установки при низких скоростях ветра. Рассматриваются некоторые свойства синхронизированного асинхронного генератора, возбуждаемого по принципиально новой схеме.
ABOUT EFFECTIVENESS OF THE APPLICATION OF SYNCHRONIZED ASYNCHRONOUS GENERATOR IN WIND POWER PLANT
A.I. Abdulkadirov, S.F. Guliyev
Azerbaijan State Oil Academy
The efficiency of the application of synchronized asynchronous generator in wind-energetic set have been analyzed in the article. These advantages include practically complete damping of power oscillation, caused by blast and changing of wind speed and direction. The characteristics of the synchronized asynchronous generator excited by a fundamental new circuit have also been considered here.
ÍL
А.И. Абдулкадыров
Сведения об авторе: Азербайджанская Государственная нефтяная академия, образование высшее, профессор, доктор технических наук, «Изобретатель СССР», с 1966 г. -работа в НИИ и вузах.
Область научных интересов: электромеханика и энергетика.
Публикации: 70.
/
С.Ф. Гулиев
Сведения об авторе: Азербайджанская Государственная нефтяная академия, образование высшее, аспирант, магистр с 2001 года.
Область научных интересов: электромеханика и энергетика.
Публикации: 10.
Введение
В последние годы в ряде стран были проведены большие работы, направленные на решение проблемы использования энергии ветра. Причины повышения интереса к этой проблеме связаны прежде всего со стремлением расширить виды используемых энергоносителей, обусловленным значительным удорожанием углеводородного топлива и загрязнением окружающей среды.
Использование энергии ветра посредством ВЭУ связано с определенными трудностями, определяемыми, прежде всего, неравномерностью и непостоянством ветрового потока как носителя энергии.
Существенную роль играет также и то, что в ВЭУ объединяются две машины (ветродвигатель и электрический генератор), свойства которых в полной мере не подходят для совместной работы [1]. К настоящему времени некоторые из указанных трудностей преодолены полностью, а другие частично, в результате чего создано большое количество ветроэнергетических агрегатов различной конструкции и мощности.
Однако, как показывает анализ современного состояния научно-исследовательских работ в этой области, рассматриваемая проблема требует дальнейшего развития. Особенно актуальной является задача совершенствования электрогенерирующей части ВЭУ.
е m
73
Постановка задачи
ВЭУ можно разделить на две большие группы: а) ВЭУ, работающие с постоянной частотой вращения ветродвигателя, и б) ВЭУ, работающие при переменной частоте вращения ветродвигателя. В ВЭУ первой группы, являющейся наиболее обширной, используются синхронные (СГ) и асинхронные генераторы (АГ). Вторая группа - это малочисленная, но весьма разнообразная группа. Наиболее типичный представитель этой группы - ВЭУ с генератором двойного питания.
Каждый из указанных вариантов имеет свои преимущества и недостатки. Остановимся на двух первых вариантах. Преимущества СГ общеизвестны: он позволяет регулировать реактивную мощность, в частности работать с соБф = 1, при котором минимизируются потери как в генераторе, так и в элементах электрической сети, к которой он подсоединен; имеет больший к.п.д.; хорошо вписывается в энергосистему. Недостатки: подвержен колебаниям; специфика энергии ветра (изменение его скорости) затрудняет параллельную работу СГ с сетью.
Преимущества АГ: большая динамическая устойчивость, чем у СГ; большая надежность работы; простота ввода на параллельную работу с сетью. Недостатки: суммарный коэффициент использования энергии ветра (ВЭУ), включая и к.п.д. самого генератора, ниже, чем у СГ, особенно при малых скоростях ветрового потока; потребление из сети значительной реактивной мощности.
Из сопоставительного анализа двух вариантов ВЭУ с АГ и СГ следует постановка задачи разработки электрогенерирующей части ВЭУ, обладающей в совокупности преимуществами указанных вариантов, а именно:
а) хорошее демпфирование колебаний;
б) больший к.п.д., особенно при низких скоростях ветра;
в) возможность работы при соБф = 1;
г) большая динамическая устойчивость.
Такими свойствами, как будет показано ниже, обладает синхронизированный асинхронный генератор (САГ), возбуждаемый по продольной и поперечной осям, что достигается посредством специального алгоритма питания фазных обмоток ротора постоянным током.
Цель работы
Анализ эффективности применения САГ, возбуждаемого по принципиально новой схеме, в ветроэнергетической установке.
Основная часть
Проведем анализ каждого из указанных выше преимуществ применительно к рассматриваемым вариантам.
Демпфирование колебаний
При применении СГ энергия порывов ветра полностью передается в электрическую сеть, существенно увеличиваются механические нагрузки, колебания не сглаживаются.
Для демпфирования колебаний в ВЭУ с СГ в [2] было предложено использовать «рИсИ-регулирова-ние» как при больших, так и малых скоростях ветра. Применение этого способа при малых скоростях ветра нельзя признать удачным, так как, во-первых, увеличение угла наклона лопастей при малых скоростях ветра ведет к уменьшению к.п.д. установки, а во-вторых, достигнутая степень демпфирования является недостаточной.
С этой же целью в [3] было впервые предложено использовать в ВЭУ синхронный генератор с продольно-поперечным возбуждением. В СГ стандартной конструкции дополнительную поперечную обмотку возбуждения можно разместить вместо демпферной обмотки. Такая обмотка хорошо справляется с демпфированием свободных колебаний, возникающих, например, при резкопеременной нагрузке, при которой она обтекается током в течение времени, не превышающего 10-20 % от периода изменения нагрузки.
Кратковременно такая обмотка в состоянии создавать м.д.с., сравнимую с м.д.с. основной обмотки возбуждения. Однако длительное включение этой обмотки по условиям термической устойчивости уменьшает величину м.д.с. до 20 % от м.д.с. основной обмотки в режиме холостого хода. Приближенные расчеты показывают, что поворот вектора магнитного потока возбуждения при этом составляет не более 10 эл. град. Для изменения фазы поля по и против вращения ротора система возбуждения для этой обмотки должна быть реверсивной. Необходимый же диапазон изменения фазы поля возбуждения синхронного генератора для ВЭУ довольно велик и составляет ориентировочно до ±30 эл. град [4].
Таким образом, эффективность применения СГ с продольно-поперечным возбуждением, выполненного на базе СГ стандартной конструкции, в ВЭУ следует признать не вполне достаточной, хотя идея использования такого генератора, а также подходы к решению задачи являются интересными и заслуживают внимания.
Применение САГ позволит решать ряд задач, которые не под силу СГ. Возможность регулирования фазы поля возбуждения в широких пределах (как будет показано ниже, этот диапазон составляет ± 30 эл. град) в САГ дает возможность почти полностью демпфировать колебания, вызываемые резкопере-менным характером изменения скорости ветра [5].
Рассмотрим, что собой представляет САГ.
Синхронизированная асинхронная машина, интерес к которой в последнее время все более возрастает, представляет собой асинхронную машину с фазным ротором, в две или три фазы которого подается постоянный ток. Такие машины в настоящее время находят
применение в качестве двигателей. Они сочетают в себе достоинства асинхронного двигателя с фазным ротором (хорошие пусковые свойства) и синхронного двигателя (высокий к.п.д. и возможность регулирования реактивной мощности). Синхронизированные асинхронные двигатели (САД) большой мощности, благодаря указанным достоинствам, используются известными электротехническими фирмами, и имеется тенденция к более широкому их применению [6]. Они используются в приводах с тяжелыми условиями пуска, в качестве разгонных двигателей для крупных агрегатов ГАЭС и т.д.
Имеются предложения по применению САД в приводах буровых лебедок, в двухдвигательных приводах и механизмах, требующих регулирования углового положения ротора [7, 8]. В последних двух работах использован отличный от известных решений подход, при котором фазные обмотки ротора САД питаются постоянным током по специальному алгоритму, что позволяет получить свойства синхронной машины с продольно-поперечным возбуждением, имеющей по сравнению с машиной обычной конструкции значительно улучшенные характеристики [4]. Это касается демпфирования колебаний и повышения устойчивости работы при резкоперемен-ной нагрузке, а также возможности регулирования фазы магнитного поля возбуждения.
Указанные положительные свойства синхронизированной асинхронной машины наилучшим образом отвечают условиям работы генератора ВЭУ, характеризуемым резкими и практически беспрерывными изменениями вращающего момента на валу генератора.
Принципиальная схема САГ в ВЭУ представлена на рис. 1, где 1, 2, 5, 6, 7 - выключатели; 3 - генератор; 8, 9 - система возбуждения генератора.
Рис. 1. Принципиальная схема синхронизированного асинхронного генератора ВЭУ Fig. 1. Schematic circuit synchronized asynchronous generator of Wind Power Facility
Ниже анализируется работа системы возбуждения САГ, включающей, по рис. 2, тиристорный пре-
образователь 3 с раздельно регулируемыми группами тиристоров 1 и 2 и системами управления ими 4 и 5 соответственно, согласующий трансформатор с вторичной обмоткой 6 и фазные обмотки ротора
А, В, С.
Рис. 2. Система возбуждения синхронизированного асинхронного генератора Fig. 2. Excitation system synchronized asynchronous generator
Токи
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.