В настоящее время в связи с наличием проблемы исчерпания запасов ископаемых видов топлива (уголь, природный газ, торф, нефть и др.) в мире наблюдается тенденция развития и внедрения возобновляемых источников энергии (ВИЭ), из которых наиболее перспективными являются ветроэнергетические установки (ВЭУ). Однако при массовом внедрении как ВЭУ, так и других ВИЭ в электроэнергетическую систему (ЭЭС) появляется целый круг проблем, связанных с трудностями управления и поддержанием устойчивости параллельной работы. Для решения вышеуказанных проблем была разработана концепция интеллектуальной ЭЭС Smart Grid [1-4]. Однако, несмотря на это, как показано в [4], нерешенными остаются вопросы обеспечения качественной работы систем управления и систем релейной защиты и противоаварийной автоматики, особенно ВЭУ, при нестабильности первичных источников энергии (энергии ветра, солнца и т.д.). Поэтому анализ роли и места, а также проблемных моментов функционирования ветроэнергетических установок в интеллектуальных системах концепции Smart Grid является актуальным.
Вопросам анализа современных ветроэнергетических установок посвящено большое количество работ [1, 4-14]. В [1,6,7,9] присутствует описание ключевых особенностей основных типов ВЭУ без рассмотрения релейной защиты и автоматики. Также в [1] содержится краткая информация о системах управления ветровыми агрегатами (ВА) и роли ВА в интеллектуальных энергосистемах концепции Smart Grid. Работы [10-12,14] посвящены анализу динамических режимов ВЭУ, а вопросы реализации и функционирования ВА релейной защиты и автоматики затрагиваются в [4,13]. В существующих стандартах [5,8] содержится классификации ветровых агрегатов, но без учёта ряда особенностей современных ВЭУ.
Современная ВЭУ представляет собой сложную и дорогостоящую электромеханическую систему преобразования первичной энергии ветрового потока во вторичную электрическую энергию. Ведущими производителями ВЭУ в настоящее время являются: Siemens AG (Германия), Vestas Wind Systems A/S (Дания), General Electric (США), Fuhrländer AG (Германия), Senvion SE (Германия), Nordex SE (Германия) и Enercon (Германия). Единичная номинальная мощность современных ВЭУ колеблется от нескольких киловатт до 10 МВт. Как правило, большинство ветроэнергетических установок являются трехлопастными с горизонтальной осью вращения, параллельной направлению ветрового потока. Опираясь на действующий государственный стандарт ГОСТ Р 51990, ВЭУ в зависимости от мощности подразделяют на четыре группы: первая группа (большой мощности) – свыше 1 МВт; вторая (средней мощности) – от 100 кВт до 1 МВт; третья (малой мощности) – от 5 до 100 кВт; четвертая (очень малой мощности) – менее 5 кВт [5]. Передовыми странами, в которых доля ВИЭ достаточно высока, являются Германия, Италия, Дания, Испания, КНР, Нидерланды и др. Например, к концу 2014 года, согласно [6,7], процент ВИЭ в Германии составлял более 20 %.
ВЭУ классифицируют по многим признакам, основными из которых являются: вид вырабатываемой энергии, мощность, признак работы с постоянной или переменной частотой вращения ветроколеса (ВК) и т.д. Согласно ГОСТ Р 51990 ВЭУ в зависимости от вида вырабатываемой энергии подразделяют на две группы: механические и электрические [1]. Электрические ветроэнергетические установки, в свою очередь, подразделяют на ВЭУ постоянного и переменного тока (рис. 1.) В данной работе уделим внимание рассмотрению исключительно электрическим установкам переменного тока сетевой подгруппы.
В электрических агрегатах переменного тока принципы использования и способы управления отличаются друг от друга. Так, автономные ВЭУ рассчитаны для работы изолированно на собственную электрическую сеть с целью снабжения энергией конкретного заданного потребителя. Гибридные, или системные, ВЭУ предназначены для работы параллельно с другими энергетическими установками соизмеримой мощности (дизельные генераторы, малые ГЭС и т.п.) на общую электрическую сеть, ими образованную. Сетевые ВЭУ рассчитаны для работы непосредственно на параллельную работу с ЭЭС несоизмеримо большей мощности [1,5].
Как известно, сетевой ветроэлектрический агрегат (ВА) с электрическим генератором предназначен для параллельной работы с ЭЭС, мощность которых является бесконечно большой или большей, но соизмеримой по сравнению с номинальной мощностью самого ВА [8]. Согласно существующей нормативно-технической документации, существует два признака работы сетевых ВЭУ: при постоянной частоте вращения ВК и переменной, что проиллюстрировано на рисунке 2. В первом случае способ управления – регулирование ВК при использовании в системе генерирования электрической энергии (СГЭЭ) либо синхронного генератора (СГ) или асинхронного генератора (АГ). Когда речь идет о втором случае, то способом управления выступает регулирование ВК и полупроводникового преобразователя частоты (ПЧ), которое могут быть осуществлено раздельно или совместно. Тогда в состав СГЭЭ могут входить АГ с ПЧ, СГ с ПЧ или асинхронный генератор двойного питания (АГДП).
Анализируя существующую в странах постсоветского пространства нормативно-техническую документацию, следует отметить, что в этих документах отсутствует классификация ВЭУ по типу базирования, а именно на оффшорные (морского базирования) и береговые (наземного базирования). Также отсутствует классификация установок по наличию или отсутствию редуктора между ВК и электрическим генератором. При этом также не оговаривается, какой именно тип генератора должен входить в СГЭЭ ВЭУ конкретной группы.
На практике, исходя из современного состояния ветроэнергетики. можно выделить наиболее распространенные типы ветроэнергоустановок:
– ВЭУ на базе асинхронных генераторов с короткозамкнутым ротором (АГ с КЗР);
– ВЭУ на базе асинхронных генераторов двойного питания;
– ВЭУ на базе синхронных генераторов с классической обмоткой возбуждения на постоянном токе;
– ВЭУ на базе синхронных генераторов с постоянными (перманентными) магнитами на роторе (СГПМ).
Как правило, АГ с КЗР устанавливаются на ВЭУ мощностью до 1 МВт. ВЭУ с АГДП присутствуют в диапазоне мощности от 1 до 5 МВт. ВЭУ с СГ с постоянными магнитами, а также с классической обмоткой возбуждения применяются при мощности свыше 3 МВт.
Упрощенные схемы главных электрических соединений ВЭУ с асинхронными генераторами приведены на рис. 3.
АГ с КЗР прямого подключения в ЭЭС (рис. 3а) применяются при постоянной угловой частоте вращения независимо от скорости ветра. Ключевой особенностью подобных ВЭУ является наличие дополнительных конденсаторных батарей, необходимых для компенсации потребления реактивной мощности. К достоинствам следует отнести простоту и надежность, а также относительно низкую стоимость по сравнению с другими типами ВА. К основным недостаткам относятся: неконтролируемое потребление реактивной мощности, низкое значение КПД для скоростей ветра, отличных от номинальной, передача колебаний скорости ветра в ЭЭС, а также наличие высокого механического напряжения. Система управления ВЭУ с АГ с КЗР, а конкретно контроль выходной мощности генерации использует следующие аэродинамические принципы, такие как регулирование потери скорости (пассивный контроль) и управление по тангажу [10,11].
......
© Ткаченко С.Н. Роль и место ветроэнергетических установок в интеллектуальных энергосистемах концепции Smart Grid / С.Н. Ткаченко, А.В. Коваленко, А.В. Панфилов // Вестник Донецкого национального технического университета, 2018. – №1 (11). – С. 41-47.
Ознакомится со статьей в полном объеме можно на нашем официальном сайте: https://es-cad.ru/The_role_and_place_of_wind_power_installations/
