Повышение энергетической эффективности работы ветроэнергетических установок на основе опыта эксплуатации ветропарка в Калининградской области тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.09.03, кандидат наук Задорожный Андрей Олегович

• Задорожный Андрей Олегович
• кандидат наук
• 2019

Оглавление диссертации кандидат наук Задорожный Андрей Олегович

Введение

Глава 1 Анализ проблем в области подключения и работы ветроэнергетических установок средней мощности в сетях среднего класса напряжения

1.1 Анализ развития ветроэнергетических установок средней мощности

1.2 Анализ нормативных документов, определяющих требования к работе ветроэнергетических установок в сетях среднего класса напряжения

1.3 Анализ работ в области оценки возможности подключения и совместной работы ветроэнергетических установок в составе электроэнергетической системы в сетях среднего класса

напряжения

Цели и задачи исследования

Глава 2 Анализ опыта эксплуатации ветропарка в Калининградской

области

2.1 Параметры и электрическая схема подключения ветропарка к электроэнергетической сети Калининградской энергосистемы

2.2 Анализ эксплуатационных режимов работы ветроэнергетической установки Wind World 4200/600

2.3 Анализ эксплуатационных режимов работы ветроэнергетической установки Vestas V27

2.4 Разработка программы для ЭВМ по расчёту параметров обледенения лопастей ветроэнергетических установок в

зависимости от метеорологических условий региона

Выводы по второй главе

Глава 3 Разработка математической модели электрической схемы подключения ветропарка к электроэнергетической системе Калининградской области

3.1 Анализ электроэнергетической системы Калининградской области

3.2 Разработка математической модели сложно-замкнутой электрической сети 60-110 кВ

3.3 Разработка математической модели разомкнутой электрической

сети среднего класса напряжения 15 кВ

Выводы по третьей главе

Глава 4 Разработка рекомендаций по повышению энергетической эффективности работы ветроэнергетических установок в сетях среднего класса напряжения на примере ветропарка в Калининградской области

4.1 Анализ режимов работы ветроэнергетических установок в составе ветропарка

4.2 Рекомендации по повышению энергетической эффективности

работы ветроэнергетических установок в составе ветропарка

Выводы по четвертой главе

Заключение

Список сокращений и условных обозначений

Список литературы

Приложение А Журналы отказов ВЭУ-225 за первый год эксплуатации

ветропарка

Приложение Б Документы, подтверждающие регистрацию прав интеллектуальной собственности на результаты диссертационного

исследования

Приложение В Акт внедрения результатов диссертационного

исследования

Приложение Г Однолинейная схема электрических сетей 60 кВ и выше базового варианта развития Калининградской области на 2018 - 2022 годы... 125 Приложение Д Пример расчёта системы линейных узловых уравнений для

одного из режимов работы I части ветропарка

Приложение Е Визуализация результатов расчёта систем линейных узловых уравнений методом Гаусса и методом обратной матрицы для некоторых режимов работы I части ветропарка, а также их сравнение с натурными показаниями измерений и результатами расчётов, полученных на модели разомкнутой электрической сети среднего класса напряжения 15 кВ в составе модели сложно-замкнутой электрической сети 60-110 кВ.... 133 Приложение Ж Справка о внедрении результатов диссертационного исследования

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Ветроэнергетика - одна из самых быстроразвивающихся отраслей электроэнергетики. Суммарная установленная мощность всех ВЭУ на конец 2018 года в мире достигла 600 ГВт, что обеспечивает 6% от мирового электропотребления. В частности, в Дании, ВЭУ производят более 43% потребляемой электроэнергии. Суммарная установленная мощность ВЭУ в России составляет 0,144 ГВт, при установленной мощности энергосистемы 243,2 ГВт. В энергетической стратегии Российской Федерации до 2030 года одной из основных проблем формирования рационального топливно-энергетического баланса указано недостаточно активное развитие возобновляемой энергетики и использования местных видов топлива в региональных энергетических балансах, и поставлена задача формирования долгосрочной политики развития возобновляемых источников энергии. Распоряжением Правительства РФ «Об основных направлениях государственной политики в сфере повышения энергетической эффективности электроэнергетики на основе возобновляемых источников энергии на период до 2024 года» поставлена задача увеличения объёма производства и потребления электрической энергии с использованием возобновляемых источников энергии до 4,5% к 2024 году. Величина объёма ввода установленной мощности генерирующих объектов, функционирующих на основе энергии ветра, к 2024 году должна составить 3,28 ГВт, что составляет более 60% от суммарного планируемого объёма ввода мощностей на базе всех видов возобновляемых источников энергии в Российской Федерации. Кроме того, в соответствии с законодательством Российской Федерации по поддержке возобновляемых источников энергии уровень локализации ветропарков в России с 2019 года должен составлять не менее 65%, что означает необходимость активного развития отечественного ветроэнергетического промышленного сектора по производству ВЭУ всех классов мощности. В частности, для России, имеющей огромные территории с холодным климатом и в тоже время большим ветроэнергетическим потенциалом (начиная со среднегодовых значений удельной

мощности ветрового потока от 400 Вт/м2), представляет интерес применение ВЭУ средней мощности (от 100 кВт до 1 МВт).

Однако, недостаточная изученность вопросов функционирования ВЭУ средней мощности и отсутствие в действующих российских государственных стандартах и нормативных документах требований по подключению и работе ВЭУ в составе электроэнергетических систем является актуальной проблемой и затрудняет развитие отечественной ветроэнергетики.

Для достижения поставленных перед государством целей необходим анализ опыта эксплуатации уже действующих ВЭУ в составе ветропарков. В Калининградской области с 2002 года функционирует ветропарк, состоящий из 21 ВЭУ, суммарной установленной мощностью 5,1 МВт. Таким образом, ветропарк предоставляет уникальную возможность для анализа опыта эксплуатации и проведения комплексных теоретических и экспериментальных исследований режимов работы ВЭУ для повышения энергетической эффективности их функционирования в составе электроэнергетических систем, что является актуальной задачей для развития отечественной ветроэнергетики, и в перспективе позволит развить производство отечественных ВЭУ средней мощности.

Степень проработанности темы. Проблемам, связанным с вопросами подключения, функционирования и повышения энергетической эффективности работы ВЭУ средней мощности и ветропарков на их основе в составе электроэнергетических систем, ввиду более высокого уровня развития ветроэнергетики зарубежом, посвящены в основном работы иностранных авторов: J. Slootweg, T. Thiringer, N. Hatziargyriou, P. Rosas, T. Ackermann, F. Santjer, A.G. Abo-Khalil, Md. A. Chowdhury и других. Однако в работах перечисленных авторов в основном оценивается влияние работы ветропарков на базе ВЭУ средней мощности на параметры электрической сети только в точке подключения к распределительным сетям среднего класса напряжения, но не рассматриваются вопросы влияния на параметры сложно-замкнутой электрической сети высокого класса напряжения в узлах связи с распределительной сетью, на параметры сети в которых в зависимости от технических характеристик подключаемого ветропарка

также может оказываться влияние при различных режимах работы ВЭУ. Также не отражены вопросы влияния внешних воздействий (изменения режимов работы сети, обледенения и др.) на работоспособность и функционирование самих ВЭУ и ветропарков. В России вопросам ветроэнергетики посвящены работы российских учёных В.В. Елистратова, П.П. Безруких, В.И. Виссарионова, В.Г Николаева. Изучением актуальных для развития отечественной ветроэнергетики вопросов функционирования ВЭУ и ветропарков в районах холодного климата в России активно занимаются научные коллективы под руководством В.В. Елистратова. Среди зарубежных авторов данная проблематика представлена в работах Dr. A. Löwe, H. Rudholm, T. Laakso, S. Kraft, N. Bose, J. Rong, H. Seifert, L. Battisti, R. Fedrizzi, B. Tammelm и других. Однако в данных работах не рассматривается вопрос количественного расчёта параметров обледенения элементов ВЭУ и не раскрывается вопрос критерия достаточности данных по метеорологическим условиям для проведения расчёта потерь выработки электроэнергии ВЭУ по причине обледенения, и как следствие влияние на энергетическую эффективность работы ВЭУ.

Объект исследования - ветропарк на основе ВЭУ средней мощности на базе асинхронного генератора.

Предмет исследования - энергетическая эффективность работы ветропарка на основе ВЭУ средней мощности на базе асинхронного генератора.

Целью диссертационной работы является повышение энергетической эффективности функционирования ВЭУ средней мощности в составе электроэнергетических систем на основе проведения комплекса теоретических, расчётных и экспериментальных исследований по их подключению и работе в сетях среднего класса напряжения.

Поставленная цель предусматривает решение следующих задач: - проведение экспериментальных исследований и анализ эксплуатационных режимов работы ВЭУ Vestas V27 (225 кВт) и Wind World 4200/600 (600 кВт) в составе ветропарка установленной мощностью 5,1 МВт в Калининградской области;

- разработка программы для ЭВМ по расчёту параметров обледенения лопастей ВЭУ в зависимости от метеорологических условий региона;

- разработка математической модели электрической схемы подключения ветропарка установленной мощностью 5,1 МВт к электроэнергетической системе Калининградской области для оценки режимов работы ветропарка;

- разработка рекомендаций по повышению энергетической эффективности работы ВЭУ на базе асинхронных генераторов в сетях среднего класса напряжения.

Научная новизна работы состоит в следующем:

- разработана математическая модель электрической схемы подключения ветропарка установленной мощностью 5,1 МВт к электроэнергетической системе Калининградской области, отличительной особенностью которой является наличие двух уровней: сложно-замкнутой электрической сети 60-110 кВ и разомкнутой электрической сети среднего класса напряжения 15 кВ;

- уточнена методика расчёта критерия необходимости калькуляции коэффициентов эффективности столкновения, прилипания и прироста (аккреции) при расчёте скорости обледенения лопастей ВЭУ в зависимости от определения критического значения содержания частиц воды в воздухе (массовой концентрации);

- предложена формула для расчёта усреднённого коэффициента использования установленной мощности ветропарка, учитывающая параметры отдельных ВЭУ в составе ветропарка.

Теоретическая значимость работы

- впервые предложена двухуровневая математическая модель электрической схемы подключения ветропарка к электроэнергетической системе, состоящая из верхнего уровня (сложно-замкнутой электрической сети высокого класса напряжения) и нижнего уровня (разомкнутой электрической сети среднего класса напряжения), которая позволяет с более высокой точностью производить оценку режимов работы ветропарка и их влияния на параметры электрической сети;

- уточнена методика расчёта критерия необходимости калькуляции коэффициентов эффективности столкновения, прилипания и прироста (аккреции) при расчёте скорости обледенения лопастей ВЭУ в зависимости от определения критического значения содержания частиц воды в воздухе (массовой концентрации) за счёт интеграции входных параметров из численной модели прогнозирования погоды (WRF-модель), которая позволяет расширить теорию математического моделирования процесса обледенения;

- предложена формула для расчёта усреднённого коэффициента использования установленной мощности ветропарка, отличающаяся от классической учётом параметров отдельных ВЭУ в составе ветропарка.

Практическая значимость работы

- разработана математическая модель электрической схемы подключения ветропарка установленной мощностью 5,1 МВт к электроэнергетической системе Калининградской области, позволяющая электросетевой компании осуществлять расчёт режимов работы ветропарка;

- разработана программа для ЭВМ по расчёту параметров обледенения лопастей ВЭУ в зависимости от метеорологических условий региона, результаты расчёта которой могут быть использованы для составления прогнозных карт обледенения лопастей ВЭУ для заданной территории, а также для дальнейшего расчета потерь электроэнергии, вырабатываемой ВЭУ в случае обледенения;

- разработаны рекомендации по повышению энергетической эффективности работы ВЭУ Wind World 4200/600 (600 кВт) в составе ветропарка установленной мощностью 5,1 МВт в Калининградской области.

Практическая значимость работы подтверждена актом внедрения и справкой о возможности внедрения результатов диссертационного исследования.

Основные положения, выносимые на защиту:

- формула для расчёта усреднённого коэффициента использования установленной мощности ветропарка, отличающаяся от классической учётом параметров отдельных ВЭУ в составе ветропарка;

- методика расчёта критерия необходимости калькуляции коэффициентов эффективности столкновения, прилипания и прироста (аккреции) при расчёте скорости обледенения лопастей ВЭУ в зависимости от определения критического значения содержания частиц воды в воздухе (массовой концентрации) за счёт интеграции входных параметров из численной модели прогнозирования погоды (WRF-модель);

- математическая модель электрической схемы подключения ветропарка установленной мощностью 5,1 МВт к электроэнергетической системе Калининградской области, отличительной особенностью которой является наличие двух уровней: сложно-замкнутой электрической сети 60-110 кВ и разомкнутой электрической сети среднего класса напряжения 15 кВ;

- рекомендации по повышению эффективности работы ВЭУ в составе ветропарка установленной мощностью 5,1 МВт в Калининградской области.

Методы исследований. При выполнении диссертационной работы для решения поставленных задач использовались методы экспериментального исследования, системного анализа и математического моделирования. При проведении исследований использовались программы Neplan, MathCAD, Panoply, NCView, MS Excel, язык программирования Fortran, а также мезомасштабная негидростатическая метеорологическая модель прогнозирования погоды WRF (Weather Research and Forecasting).

Степень достоверности результатов проведенных исследований подтверждается достаточной и соответствующей инженерной точности сходимостью полученных аналитических результатов с фактическими данными экспериментальных исследований.

Личный вклад автора в получение результатов, изложенных в диссертационной работе. В ходе научных исследований автором: проведен анализ отечественных и зарубежных стандартов и нормативных документов, определяющих требования к работе ВЭУ в сетях среднего класса напряжения; анализ и критическое обобщение работ зарубежных и отечественных авторов по теме исследования; сформулированы цели и задачи исследования. Проведен анализ

эксплуатационных режимов работы ВЭУ в составе ветропарка в Калининградской области. Автору принадлежит разработка программы для ЭВМ по расчёту параметров обледенения лопастей ВЭУ в зависимости от метеорологических условий региона, подтверждённая правами на интеллектуальную собственность. Разработана математическая модель электрической схемы подключения ветропарка установленной мощностью 5,1 МВт к электроэнергетической системе Калининградской области, отличительной особенностью которой является наличие двух уровней: сложно-замкнутой сети 60-110 кВ и разомкнутой сети среднего напряжения 15 кВ, и проведена оценка её достоверности. Разработаны рекомендации по повышению энергетической эффективности работы ВЭУ в сетях среднего класса напряжения, в том числе по повышению энергетической эффективности работы ВЭУ Wind World 4200/600 (600 кВт) в составе ветропарка в Калининградской области. Проведена интерпретация всех полученных результатов диссертационного исследования и формулировка выводов.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Повышение энергетической эффективности работы ветроэнергетических установок на основе опыта эксплуатации ветропарка в Калининградской области»

Апробация работы

Основные результаты диссертационной работы доложены и обсуждены на десяти международных научных конференциях, симпозиумах и форумах, в том числе: на XI международной научной конференции «Инновации в науке, образовании и бизнесе», г. Калининград, 2013 г.; на международных семинарах по ветроэнергетике «ForWind» при Научно-исследовательском центре по ветроэнергетике в г. Ольденбург, Германия, 2014, 2015 г.; на международном симпозиуме по противодействию бедствиям «Symposium on disaster resilience and built environment education», г. Хаддерсфилд, Англия, 2015 г.; на III, V и VI международных научных конференциях «Морская техника и технологии. Безопасность морской индустрии», г. Калининград и г. Светлогорск, 2015, 2017, 2018 г.; на международном Саммите «ReGeneration 2030» на территории Аландских островов, Финляндия, 2018 г.; на международном форуме «Электрические сети 2018», г. Москва, 2018 г.; на международном инвестиционном форуме «Ветроэнергетика 2019», г. Москва, 2019 г.

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 11 печатных работ, 3 из которых в рецензируемых научных журналах, рекомендуемых ВАК при Министерстве науки и высшего образования Российской Федерации, 1 в международной базе Web of Science. Получено одно свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы из 84 наименований, 7 приложений. Работа содержит 139 страниц машинописного текста, 45 рисунков, 32 таблицы.

Тема и содержание диссертации соответствует научной специальности 05.09.03 - «Электротехнические комплексы и системы» на соискание учёной степени кандидата технических наук по следующим пунктам областей исследования: п. 1 «Развитие общей теории электротехнических комплексов и систем, изучение системных свойств и связей, физическое, математическое, имитационное и компьютерное моделирование компонентов электротехнических комплексов и систем», п. 4 «Исследование работоспособности и качества функционирования электротехнических комплексов и систем в различных режимах, при разнообразных внешних воздействиях».

Основное содержание работы.

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, дана общая характеристика работы, её краткое содержание и структура, изложены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе выполнен обзор и анализ: развития ВЭУ средней мощности в мире; нормативных документов, определяющих требования к работе ВЭУ в сетях среднего класса напряжения; научных работ и исследований в области оценки возможности подключения и совместной работы ВЭУ в составе электроэнергетической системы в сетях среднего класса напряжения и повышения их энергетической эффективности. По результатам выполненного анализа сформулированы цель и задачи исследования.

Во второй главе проведён анализ опыта эксплуатации ветропарка установленной мощностью 5,1 МВт в Калининградской области, состоящего из

ВЭУ c обоими существующими на сегодняшний день в мире способами регулирования выработки активной мощности: stall- и pitch-регулированием.

Проведён анализ статистических данных журналов отказов систем управления ВЭУ средней мощности Wind World 4200/600, установленной мощностью 600 кВт, и Vestas V27, установленной мощностью 225 кВт, с 2002 по 2018 годы, который выявил основные причины вынужденного кратковременного простоя. Установлено, что основной причиной остановок ВЭУ-600 и ВЭУ-225 являлось низкое напряжение на клеммах асинхронного генератора, что обусловлено: слабой электрической связью ветропарка с электроэнергетической системой Калининградской области; значительной величиной реактивной мощности, потребляемой ВЭУ из электрической сети и значительными нагрузками потребителей, подключенными к линиям электропередачи, соединяющим ветропарк с энергосистемой.

Выявлено, что значительное потребление реактивной мощности асинхронными генераторами ВЭУ-600 и ВЭУ-225, а также значительные уровни колебаний реактивной мощности в зависимости от ветровой нагрузки, оказывают существенное влияние на уровни напряжения у потребителей, подключенных к линиям выдачи мощности ветропарка. При этом компенсирующие устройства обеспечивают только компенсацию реактивной мощности, потребляемой ВЭУ-600 и ВЭУ-225 на холостом ходу.

Установлено, что ВЭУ-225 в процессе эксплуатации подвержены ускоренному износу оборудования, ввиду частых переключений между обмотками статора генератора ВЭУ (50 кВт и 225 кВт), так как в центре диапазона переключений лежит среднегодовая скорость ветра в месте установки (6,5 м/с).

Выявлено, что кратковременный скачок активной мощности перед остановом ВЭУ-600 и, как следствие, перегрузка асинхронного генератора по активной мощности происходит ввиду инерционности динамической системы «Stall-регулирование - Асинхронный генератор» в момент резкого увеличения скорости при порыве ветра.

Представлен анализ качества электроэнергии, выдаваемой в сеть ВЭУ-600, который выявил значительную несимметрию и несинусоидальность токов и напряжений, причем наиболее значимой является третья гармоника.

Предложена формула для расчёта усреднённого коэффициента использования установленной мощности ветропарка (Куср), отличающаяся от классической учётом параметров отдельных ВЭУ в составе ветропарка. Приведены результаты анализа эксплуатационных режимов работы ВЭУ-600 и ВЭУ-225, который показал, что усреднённые значения коэффициентов использования установленной мощности ВЭУ в составе ветропарка (Куср=0,16 для ВЭУ-600, Куср=0,185 для ВЭУ-225) значительно ниже среднестатистических значений, основной из причин этого является относительно невысокая ветровая активность в районе размещения ветропарка.

Анализ результатов исследований отказов показал, что простой ВЭУ-225 по причине низких температур находится на 3 месте из всех причин отказов ВЭУ и составляет 10,3% от общего количества отказов. При этом ВЭУ-225 не оборудованы системой обогрева лопастей. Снижение коэффициента использования установленной мощности ВЭУ-225 связаны, в том числе, с обледенением лопастей и отсутствием обогрева электроники ВЭУ. Обледенение в некоторых случаях явилось причиной возникновения дополнительных отказов ВЭУ-225 из-за нарушения работы лопастей.

Представлена структура разработанной программы для ЭВМ по расчёту параметров обледенения лопастей ВЭУ в зависимости от метеорологических условий региона, функциональные возможности которой позволяют проводить расчёты: скорости обледенения лопастей ВЭУ (в кг/с); процента времени в течение заданного временного промежутка симуляции, когда скорость обледенения лопастей ВЭУ больше 0 кг/с; суммарной массы льда, образующейся на лопастях ВЭУ за заданный временной промежуток симуляции (в кг).

Уточнена методика расчёта критерия необходимости калькуляции коэффициентов эффективности столкновения, прилипания и прироста (аккреции) при расчёте скорости обледенения лопастей ВЭУ в зависимости от определения

критического значения содержания частиц воды в воздухе (массовой концентрации) за счёт интеграции входных параметров из численной модели прогнозирования погоды (WRF-модель), что позволяет расширить теорию математического моделирования процесса обледенения.

В третьей главе представлены результаты по разработке математической модели электрической схемы подключения ветропарка установленной мощностью 5,1 МВт к электроэнергетической системе Калининградской области, отличительной особенностью которой является наличие двух уровней: сложно-замкнутой электрической сети 60-110 кВ и разомкнутой электрической сети среднего напряжения 15 кВ.

Приведён анализ результатов расчётов на модели и показаний натурных измерений установившихся режимов работы сложно-замкнутой электрической сети 60-110 кВ при различных режимах работы ВЭУ в составе ветропарка, который показал незначительное влияние работы ветропарка (в пределах 0,9%) на уровни напряжения на шинах подстанций 110/15 кВ 0-10 «Зеленоградск» и О-9 «Светлогорск», являющихся точками подключения ветропарка к электрическим сетям 110 кВ. Результаты моделирования установившихся режимов работы показали, что потребление реактивной мощности ВЭУ-225 и ВЭУ-600 вызывает снижение уровня напряжения на шинах ближайших подстанций 15 кВ, что в свою очередь оказывает влияние на напряжение близлежащих потребителей электроэнергии, а также снижение напряжения на клеммах асинхронного генератора ВЭУ (до 7%).

С целью более подробного изучения влияния работы ВЭУ на параметры сети 15 кВ разработан и представлен второй уровень математической модели электрической схемы подключения ветропарка к электроэнергетической системе Калининградской области, в основе которого лежит решение систем линейных узловых уравнений в алгебраической форме матричным методом. При решении системы линейных узловых уравнений были применены метод Гаусса и метод обратной матрицы. С целью взаимной интеграции разработанных уровней математической модели электрической схемы подключения ветропарка к

электроэнергетической системе Калининградской области представлена разработанная модель разомкнутой электрической сети среднего класса напряжения 15 кВ в программном комплексе «Neplan», интегрированная в первый уровень - сложно-замкнутую электрическую сеть 60-110 кВ.

Представлены результаты расчёта системы линейных узловых уравнений матричными методами, натурных измерений и расчёта на модели разомкнутой электрической сети среднего класса напряжения 15 кВ в составе модели сложно -замкнутой электрической сети 60-110 кВ для некоторых режимов работы I части ветропарка. Анализ результатов моделирования установившихся режимов работы разомкнутой электрической сети среднего класса напряжения 15 кВ при различных режимах работы ВЭУ в составе ветропарка выявил, что в некоторых случаях имеют место значительные снижения уровня напряжения на шинах нагрузки (потребителей), до 6,4%, а также снижение напряжения на клеммах ВЭУ-600 до критических значений, при которых ВЭУ отключается от электрической сети (Цф < 371 В).

Приведено сравнение результатов математического моделирования с натурными показаниями измерений показывает их хорошую сходимость: для сложно-замкнутой электрической сети 60-110 кВ отклонение в пределах 0,6%, для разомкнутой электрической сети среднего класса напряжения 15 кВ в пределах 5,6%, что подтверждает адекватность разработанной математической модели электрической схемы подключения ветропарка установленной мощностью 5,1 МВт к электроэнергетической системе Калининградской области.

В четвертой главе представлены разработанные рекомендации по повышению энергетической эффективности работы ВЭУ на базе асинхронных генераторов в сетях среднего класса напряжения на примере ветропарка в Калининградской области.

Для снижения вероятности отключения ВЭУ-600, по причине потребления значительной реактивной мощности асинхронным генератором ВЭУ, предложено применение управляемой конденсаторной установки с автоматическим регулированием мощности по уровню напряжения в точке подключения ВЭУ-600

к электрической сети 15 кВ, что согласно расчётам позволит увеличить усреднённое значение коэффициента использования установленной мощности ВЭУ на 2,3%.

Проведён расчёт балансов реактивной мощности в сети при разных режимах работы ВЭУ-600 с учетом графиков нагрузки потребителей, что позволило определить мощность конденсаторной установки (300 кВар) и оптимальную точку её подключения к сети с точки зрения обеспечения наиболее эффективной работы ВЭУ-600.

Ввиду наличия значительных отклонений напряжения у потребителей для поддержания напряжения в допустимых пределах + 5% предложен вариант регулировки положения анцапфы трансформаторов 0,69/15 кВ на ТП 256-21 и ТП 256-27.

С целью снижения проблем, связанных с качеством электроэнергии, выдаваемой в сеть ВЭУ-600, предложено применение силового трансформатора 0,69/15 кВ на ТП 256-21 с соединением обмоток Д/У0 взамен существующего с соединением обмоток У/У0, что позволит снизить коэффициент несимметрии напряжений по нулевой последовательности до нормально допустимых значений (2%).

Даны рекомендации по применению разработанной методики и программы для расчёта параметров обледенения лопастей ВЭУ при проектировании новых ветропарков, что позволит оценить экономическую целесообразность применения систем, предотвращающих обледенение лопастей ВЭУ (anti-icing system) или систем, позволяющих избавиться от уже образовавшегося льда (de-icing system), и избежать при дальнейшей эксплуатации снижения выработки электроэнергии по причине отказов элементов ВЭУ в период низких температур. Установлено, что применение систем, предотвращающих обледенение лопастей ВЭУ, и, как следствие, исключение отказов ВЭУ по причине низких температур, позволило бы увеличить усреднённое значение коэффициента использования установленной мощности ВЭУ-225 в составе ветропарка в Калининградской области на 0,3%.

1 АНАЛИЗ ПРОБЛЕМ В ОБЛАСТИ ПОДКЛЮЧЕНИЯ И РАБОТЫ

ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК СРЕДНЕЙ МОЩНОСТИ В СЕТЯХ СРЕДНЕГО КЛАССА НАПРЯЖЕНИЯ

1.1 Анализ развития ветроэнергетических установок средней мощности

Первое упоминание о создании ветроэнергетической установки (ВЭУ) для получения электрической энергии относится к 1887 году. Она была разработана Джеймсом Блайтом в Шотландии и обеспечивала зарядку аккумуляторных батарей, используемых в домохозяйстве. Первая автоматизированная ВЭУ для производства электроэнергии мощностью 12 кВт была создана Чарльзом Ф. Брашем в 1888 году в США в Кливленде, Огайо (рисунок 1.1, а). ВЭУ использовалась для подзарядки аккумуляторных батарей, а также для питания осветительных ламп и различных двигателей в лаборатории Браша [1].

В 1931 году недалеко от Ялты заработала первая и крупнейшая на тот момент в мире промышленная ВЭУ установленной мощностью 100 кВт, подключенная к местной распределительной сети [2].

Рисунок 1.1 - а) ВЭУ Чарльза Браша б) ВЭУ Калмыцкой ВЭС

Различные разработки ВЭУ средней мощности велись и в других странах. Так в Дании в 1956-1957 гг. Йоханнес Юул разработал и испытал в г. Гедсер ВЭУ

установленной мощностью 200 кВт, предназначенную для работы в энергосистеме. Она успешно эксплуатировалась до 1967 г. Однако разработка проекта была приостановлена ещё в 1962 году, ввиду нецелесообразности использования энергии ветра при низких на то время ценах на нефть. Во Франции в период с 1958 по 1966 годы были разработаны и проходили тестирование три ВЭУ установленной мощностью: 123 кВт, 800 кВт и 1 МВт [3]. Тем временем в Германии под руководством пионера современной ветроэнергетики Ульриха Хюттера были разработаны облегченные конструкции ветроколеса с применением стеклопластиковых и пластиковых лопастей, а также системой регулирования выдачи мощности по средствам поворота лопастей (прообраз современных систем рйсИ-регулирования). Экспериментальная ВЭУ установленной мощностью 100 кВт успешно эксплуатировалась в период 1957-1968 гг. Разработки Ульриха Хюттера нашли применение в некоторых наиболее совершенных ветродвигателях, производимых до настоящего времени [4].

Однако массовое производство ВЭУ средней мощности, предназначенных для совместной работы в составе ЭЭС, началось в мире только в середине 80-х годов XX века (рисунок 1.2) [3, 4].

Р, МВт

2500

2000

1500

1000

500

Установленная мощность ВЭУ в мире

1981

1982 1983 1984 1985 1986 1987 1988 1989 1990

Рисунок 1.2 - Суммарная установленная мощность сетевых ВЭУ средней

мощности в мире

0

Странами лидерами на рынке промышленных ВЭУ средней мощности стали США, Дания и Германия, в сумме на которые в начале 1981 года приходилось 15 МВт установленной мощности.

В середине 80-х годов в СССР также был предпринят ряд мер для развития ветроэнергетики. Согласно Постановлению Совета Министров СССР «Об ускоренном развитии ветроэнергетической техники в 1989-1995 годах» Министерство энергетики и электрификации СССР осуществляло координирующие функции по полному циклу внедрения ветроэнергетики в стране: проектирование, возведение и последующая эксплуатация сетевых ВЭУ единичной установленной мощностью более 100 кВт, а также разработку технических решений на комплектующее оборудование таких ВЭУ. В Министерстве энергетики и электрификации СССР были спроектированы ВЭУ единичной установленной мощностью 250 кВт и 1 МВт, предназначенные для работы параллельно с электрической сетью, и разработан проект Калмыцкой ВЭС установленной мощностью 22 МВт. Под руководством академика РАН И.С. Селезнева на Калмыцкой ВЭС была возведена первая ВЭУ единичной установленной мощностью 1 МВт (рисунок 1.1, б). Однако, по причине дефицита финансирования, достроить Калмыцкую ВЭС так и не удалось. Развитие сетевых ВЭУ средней мощности в СССР было приостановлено [3].

В 90-х годах ветроэнергетика в мире продолжала развиваться ускоренными темпами. К концу 1990 года уже в 14 странах активно развивается производство и установка ВЭУ средней мощности, предназначенных для работы в энергосистеме, а суммарная установленная мощность ВЭУ данного класса достигает 2 ГВт. В это время большинство ВЭУ выпускается на основе асинхронного генератора с короткозамкнутым ротором (таблица 1.1 а).

Начиная с 1994-1995 годов большинство ведущих на тот момент мировых производителей, выпускающих ВЭУ средней мощности, перешли на производство ВЭУ большой мощности (свыше 1 МВт) ввиду экономической целесообразности и развития технических возможностей производства. С увеличением единичных мощностей в конструкциях ВЭУ стали применяться асинхронные генераторы

двойного питания с полупроводниковым преобразователем и редуктором (таблица 1.1 б) и многополюсные синхронные генераторы без использования редуктора (таблица 1.1 в).

Таблица 1.1 - Принципиальные схемы ВЭУ

ВЭУ на базе асинхронного генератора

а) Подключение к сети напрямую

Потребление реактивной мощности (РМ)

б) Генератор двойного питания с полупроводниковым преобразователем

Регулирование выдачи и потребления РМ

_ВЭУ на базе синхронного генератора_

в) Многополюсные синхронные генераторы без использования редуктора, подключение через вставку постоянного тока

Возможность регулирования выдачи и потребления РМ зависит от типа преобразователя_

Тем не менее, производство и использование ВЭУ средней мощности в мире продолжается. Так, например, ВЭУ средней мощности широко применяются в районах холодного климата и удалённых населённых пунктах. На рисунке 1.3 представлено распределение долей рынка в 2018 году между крупными фирмами-производителями по продажам новых и реновированных ВЭУ [5-7].

17,2%

1,3%

3,9% _ 2,4% _

2,8% _

Wind World 54,7% Bonus DeWind

■ Vestas

■ Enercon

■ Micon

■ Другие

Рисунок 1.3 - Распределение долей рынка между крупными производителями по продажам новых и реновированных ВЭУ средней мощности в 2018 году

Кроме приведённых в таблице 1. 1 принципиальных схем также производители выпускают ВЭУ средней мощности на основе синхронного генератора с постоянными магнитами. Так, например, ВЭУ средней мощности фирмы Northern Power Systems (фирма производит ВЭУ с 1974 года), применяемые в районах холодного климата и обладающие самым широким диапазонам рабочих температур. К достоинствам такой конструкции, по сравнению с ВЭУ на основе асинхронного генератора двойного питания, следует отнести меньшую стартовую скорость ВЭУ (что несколько увеличивает выработку электроэнергии), отсутствие громоздкого редуктора, возможность регулирования реактивной мощности в более широких пределах, благодаря использованию преобразователя с мощностью, равной номинальной мощности ВЭУ. На рисунке 1.4 представлен внешний вид и зависимость вырабатываемой активной мощности ВЭУ модели NPS 100-21 Arctic, установленной мощностью 100 кВт, от скорости ветра на высоте ступицы [8].

Важнейшей технической характеристикой ВЭУ является зависимость вырабатываемой активной мощности от скорости ветра на высоте ступицы ветроколеса (рисунок 1.5) [9, 10].

Рисунок 1.4 - Внешний вид и зависимость вырабатываемой активной мощности ВЭУ модели NPS 100-21 Arctic от скорости ветра на высоте ступицы

1000 -,

800 -

со

■О

о 600

х ?

о

ОС П5

си

400 -

200 -

0

Р = -^A^v3 2

8 10 12 Скорость ветра, м/с

Р ч 16 Р •v3 • —

2 27

т

Р = -^A^v3 •Ср^

14

16

18

20

Рисунок 1.5 - Зависимости вырабатываемой активной мощности ВЭУ от скорости ветра без ограничения выработки мощности (зеленая), с учётом коэффициента Жуковского-Бетца (красная), при pitch- регулировании (черная) и stall-

регулировании (синяя)

0

2

4

6

Обобщённой характеристикой ВЭУ является удельная выработка электроэнергии на единицу ометаемой поверхности в год [9]:

куд= ^ , ('.')

где п • R2 - ометаемая поверхность ВЭУ,

^Тод - годовая выработка ВЭУ.

Основным показателем энергетической эффективности работы и эксплуатации ВЭУ является коэффициент использования установленной мощности:

Ку = -—^-- , (1.2)

Рном"(8760 Тпростоя)

где рном - номинальная установленная мощность ВЭУ;

тпростоя - число часов вынужденного аварийного простоя (час).

Этот показатель в большой степени зависит от среднегодовой скорости ветра в месте установки, но также учитывает эффективность эксплуатации ВЭУ. Следует отметить, что формула (1.2) направлена на расчёт коэффициента использования установленной мощности для единичной ВЭУ или ветропарка в целом, и не уточнена для расчёта усреднённого коэффициента использования установленной мощности для нескольких ВЭУ одной модели в составе ветропарка, состоящего из разных моделей ВЭУ.

Конструктивно существует 2 типа регулирования активной мощности ВЭУ. Первый способ, stall (стол) - регулирование, заключается в том, что профиль лопасти ветроколеса выполняется различным по длине. В результате на отдельных частях лопастей в необходимом диапазоне скоростей ветра наступает срыв потока воздуха и их подъёмная сила уменьшается. В этих ВЭУ принудительно мощность не регулируется, что считается их недостатком. Достоинство состоит в том, что не требуется сложный механизм поворота лопастей ветроколеса. В отличие от второго способа, pitch (питч) - регулирования, контроль выдачи активной мощности при котором осуществляется поворотом лопастей ветроколеса посредством приводных электродвигателей относительно направления ветра. При этом изменяется «угол

атаки», то есть угол, под которым воздушный поток набегает на лопасти ВЭУ и от которого зависит «подъёмная» сила лопасти ветроколеса и, как следствие, мощность, которую ВЭУ отдаёт в электрическую сеть. Дополнительным и значительным преимуществом pitch (питч) - регулирования является возможность останова ВЭУ без использования дисковых тормозов. На рисунке 1.5 представлены кривые зависимости вырабатываемой активной мощности ВЭУ при stall (стол) - и pitch (питч) - регулировании, а также потенциально возможная выработка ВЭУ без регулирования выдачи мощности [10].

Выработка активной мощности ВЭУ в месте его установки зависит от энергетических характеристик ветра и конструкции самой ВЭУ. Потенциально возможная извлекаемая мощность ВЭУ (зелёная кривая на рисунке 1.5) вычисляется по следующей формуле:

P = 1-p-A-v3, (1.3)

где р - плотность воздуха, кг/м3; А - площадь ометаемой поверхности ВЭУ, м2;

v - скорость ветра в месте установки, м/с.

Возможная извлекаемая мощность ВЭУ с учётом коэффициента Жуковского-Бетца (красная кривая на рисунке 1.5), или максимально возможного коэффициента мощности (коэффициента использования ветрового потока), равного 16/27=0,593 [2], вычисляется по следующей формуле:

P=1-p-A-v3-16 (14)

Коэффициент Жуковского-Бетца показывает, что при самых благоприятных внешних условиях конструктивно ВЭУ может использовать для выработки активной мощности чуть больше половины мощности ветрового потока.

В настоящее время большинство ВЭУ средней мощности, установленные в мире в большом количестве в период конца 90-х - начала 2000-х годов, исчерпали заводской срок службы и требуют утилизации. Однако утилизация ВЭУ является сложным технологическим процессом, и требует больших финансовых затрат. В

частности, лопасти ВЭУ, производимые из композитных материалов, по сегодняшний день являются самым сложным с технологической точки зрения компонентом для утилизации. Проблема утилизации в мире частично решается с помощью реновации ВЭУ, исчерпавших заводской срок службы, и их дальнейшим вторичным использованием. В связи с этим растёт рынок реновированных ВЭУ и их применение при строительстве новых некрупных ветропарков. Расчётный срок эксплуатации объектов ветроэнергетики составляет 20-25 лет. Мероприятия по реновации ВЭУ могут увеличить суммарный срок службы ВЭУ до 35-40 лет. При этом большинство ВЭУ средней мощности подключаются к электрическим сетям среднего класса напряжения [11].

Суммарная установленная мощность 14 функционирующих в Российской Федерации на конец 2018 года ветропарков составила 0,144 ГВт (таблица 1.2). Большинство ВЭУ в составе функционирующих ветропарков - это ВЭУ на основе асинхронных генераторов [12].

С целью привлечения внимания к развитию ветроэнергетики в Российской Федерации и накопления опыта эксплуатации ВЭУ, в прибрежной посещаемой зоне Балтийского моря c 1998 по 2002 годы был сооружён первый в стране ветропарк суммарной установленной мощностью 5,1 МВт (рисунок 1.6).

Ранее все ВЭУ, за исключением одной, в течение 7-9 лет эксплуатировались в Дании и были безвозмездно переданы Калининградской области в рамках договора совместного сотрудничества [13]. Ветропарк состоит из ВЭУ моделей Vestas V27 (ВЭУ-225) и Wind World 4200/600 (ВЭУ-600). В модели ВЭУ Vestas V27 контроль выдачи мощности осуществляется по средствам pitch-регулирования. В модели Wind World 4200/600 контроль выдачи мощности осуществляется по средствам stall-регулирования. В обеих моделях используются асинхронные генераторы с короткозамкнутым ротором [11]. Выдача мощности ветропарка осуществляется в сеть среднего класса напряжения 15 кВ. Опыт эксплуатации ветропарка в Калининградской области является уникальным для России, а анализ эксплуатационных режимов работы ВЭУ в составе энергосистемы представляет интерес с точки зрения разработки дополнительных рекомендаций при

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Задорожный Андрей Олегович, 2019 год

/ \

} \

\

/

/ \

h \

\

А ЗОСй кВ-/ч II . I И I I I I \

л ' \

О 2 4 6 В 10 12 14 16 1Я 20 22 24 26 2Я 30 Скорость ветра, мД

Рисунок 1.9 - Зависимость вырабатываемой активной мощности ВЭУ от скорости ветра при а) stall-регулировании и б) рйсИ-регулировании

В исследовании указаны недостатки применения stall-регулирования - это невозможность плавного регулирования выработки активной мощности при повышении скорости ветра выше 20-25 м/с, а именно отключение ВЭУ, что приводит к резкому сбросу мощности от номинального значения до нулевого, и может оказать сильное влияние на частоту в сети.

Также показано, что при параллельной работе с сетью или в ветродизельных системах ВЭУ с pitch-регулированием могут плавно снижать выработку активной мощности (красная линия на рисунке 1.9, б) в условиях сильного ветра до любого значения ниже номинальной мощности, тем самым эффективно избегая перегрузки в слабых электрических сетях при высоких скоростях ветра и условиях низкой нагрузки, что невозможно при stall-регулировании (красная линия на рисунке 1.9, а). По результатам исследований сделан вывод, что использование ВЭУ средней мощности на базе АГ не рекомендуется в слабых или изолированных сетях без дополнительной компенсации реактивной мощности, или без применения в составе ветродизельной установки (в районах холодного климата).

Изучение вопросов функционирования ВЭУ в районах холодного климата в России активно ведут научные коллективы под руководством Елистратова В.В. В работе [40-42] подчёркнута актуальность проблемы эксплуатации ВЭУ в условиях холодного климата, связанная с обледенением лопастей и конструкций установок, которая приводит к снижению выработки электроэнергии ВЭУ, и, следовательно, к уменьшению эффективности использования установок в районах с суровыми климатическими условиями. В работе [40] авторы предлагают методику оценки потерь выработки электроэнергии ВЭУ при работе в условиях холодного климата на основе природно-климатических характеристик местности с учетом районирования территории России по уровням адаптации оборудования. Методика состоит из нескольких блоков: блок исходных данных, районирование, блок определения потерь выработки ВЭУ, выбор мероприятий по адаптации ВЭУ с учетом экономической эффективности мероприятий по адаптации (рисунок 1.10). Однако следует отметить, что в методике расчёта потерь выработки электроэнергии ВЭУ, предложенной в работе [40], не рассматривается вопрос

количественного расчёта параметров обледенения элементов ВЭУ. Расчёт потерь основывается на оценочной градации, с применением районирования территории, что не даёт достаточной точности расчётов для принятия решения по применению активных систем защиты при обледенении лопастей ВЭУ. Также авторами не раскрывается вопрос критерия достаточности данных по метеорологическим условиям для проведения расчёта потерь выработки ВЭУ.

Рисунок 1.10 - Структурная схема алгоритма методики оценки адаптации ВЭУ

при работе в условиях холодного климата

В работе [40] также представлен расчёт по разработанной методике потерь выработки ВЭУ 0кге-50 при разных типах обледенения для двух территорий: в пос. Амдерма (Ненецкий АО) - 20% и в г. Анадырь (Чукотский АО) - 28%.

Вопросы эксплуатации ВЭУ в условиях холодного климата также рассмотрены в работах [43-59]. Авторы подчеркивают, что вопрос эксплуатации ВЭУ в условиях холодного климата на сегодняшний день является одним из приоритетных в мировой ветроэнергетике. Анализ результатов работ позволяет

сделать вывод, что применение систем обогрева лопастей ВЭУ в дни с отрицательными температурами, когда метеорологические условия благоприятны для образования льда на поверхности лопастей ВЭУ, позволяет снизить потери электроэнергии более чем на 50%, и в зависимости от годовых метеорологических условий увеличить годовую выработку электрической энергии более чем на 8%.

В работах [57-59] авторами представлена численная модель обледенения гололедных нагрузок для ВЭУ, как для статических конструкций (рисунок 1.11).

Интенсивность обледенения на основе эффективности сбора

Рисунок 1.11 - Блок-схема численной модели обледенения

Однако, в исследовании не приводится критерий, по которому определяется критическое состояние для влажного или сухого прироста при обледенении, что является критически важным при расчётах параметров обледенения. Авторами сделан вывод, что одной из основных проблем теоретических моделей обледенения расчета гололёдных нагрузок является получение правильных и достаточных

исходных данных (входных параметров). При этом экстраполяция исходных параметров к удалённым местам проектируемых ветропарков крайне затруднена и будущие перспективы теоретического моделирования процесса обледенения зависят от прогресса в данной области. На рисунке 1.11 красным цветом на блок -схеме численной модели обледенения выделены блоки, которые на данный момент, как показал анализ работ, исследованы в недостаточном объёме, и в тоже время являются критическими в структуре численной модели обледенения.

ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

Анализ технических возможностей современных ветроэнергетических установок средней мощности, проведенный обзор и анализ существующей нормативной документации и результатов научных исследований в области подключения и функционирования ветроэнергетических установок в сетях среднего класса напряжения в составе электроэнергетических систем позволил сформулировать цель и задачи исследования.

Целью диссертационной работы является повышение энергетической эффективности функционирования ветроэнергетических установок средней мощности в составе электроэнергетических систем на основе проведения комплекса теоретических, расчётных и экспериментальных исследований по их подключению и работе в сетях среднего класса напряжения.

Поставленная цель предусматривает решение следующих задач:

- проведение экспериментальных исследований и анализ эксплуатационных режимов работы ветроэнергетических установок Vestas V27 (225 кВт) и Wind World 4200/600 (600 кВт) в составе ветропарка установленной мощностью 5,1 МВт в Калининградской области;

- разработка программы для ЭВМ по расчёту параметров обледенения лопастей ветроэнергетических установок в зависимости от метеорологических условий региона;

- разработка математической модели электрической схемы подключения ветропарка установленной мощностью 5,1 МВт к электроэнергетической системе Калининградской области для оценки режимов работы ветропарка;

- разработка рекомендаций по повышению энергетической эффективности работы ветроэнергетических установок на базе асинхронных генераторов в сетях среднего класса напряжения.

АНАЛИЗ ОПЫТА ЭКСПЛУАТАЦИИ ВЕТРОПАРКА В КАЛИНИНГРАДСКОЙ ОБЛАСТИ

2.1 Параметры и электрическая схема подключения ветропарка к электроэнергетической сети Калининградской энергосистемы

В состав ветропарка, расположенного в прибрежной зоне Балтийского моря в посёлке Куликово Зеленоградского района Калининградской области (рисунок 2.1), входят двадцать ВЭУ модели Vestas V27 единичной установленной мощностью 225 кВт и одна ВЭУ модели Wind World 4200/600 единичной установленной мощностью 600 кВт, выполненные на базе асинхронных генераторов с короткозамкнутым ротором. Технические характеристики ВЭУ представлены в таблице 2.1.

1,2,3 - зоны ветровой активности: 1 - 600-700 Вт/м2, 2 - 400-600 Вт/м2, 3 - 200-300 Вт/м2 Рисунок 2.1 - Место расположения ветропарка установленной мощностью 5,1 МВт на территории Калининградской области

Таблица 2.1 - Технические характеристики ВЭУ в составе ветропарка

Тип ВЭУ, фирма n Общие данные Асинхронный генератор Регулирова ние мощности

Высота башни, м Диаметр ротора, м Скорость ВЭУ, м/с Рном, кВт пном, об/мин РМ, кВар

Стартовая Ном. Q10 Qih

ВЭУ-600 Wind World 4200/600 1 46 42 4.5 14-15 600 1514 143 275 stall

ВЭУ-225 Vestas V27 20 30 27 3.5 14 50 756 23 48 pitch

225 1009 98 157

где Qlo - РМ, потребляемая АГ на холостом ходу, Qш - РМ, потребляемая АГ в номинальном режиме работы.

Ветропарк условно разделён на 2 части: первая (I) состоит из 11 ВЭУ-225 и 1 ВЭУ-600; вторая (II) из 9 ВЭУ-225. Эти части соединены между собой делительным разъединителем (ДР), который разомкнут в нормальном режиме работы ветропарка. Выдача мощности ВЭУ осуществляется по двум воздушным линиям 15 кВ, связывающим ветропарк с подстанциями 110 кВ О-9 «Зеленоградск» и О-10 «Светлогорск» (рисунок 2.2). Данные ЛЭП имеют протяженность 35,7 километров и большое количество потребителей (нагрузок), при этом ветропарк подключен в конце этих ЛЭП. ВЭУ в составе ветропарка сгруппированы в блоки по 1, 2 или 3 установки на один трансформатор 15/0,69 кВ (рисунок 2.3).

С 2002 по 2018 годы выработка ВЭУ в составе ветропарка составила 65 млн. кВт^ч электроэнергии. Максимальная выработка была достигнута за первый год работы ветропарка, в 2003 году - 6,6 млн. кВт^ч при Ку = 0,147. График выработки электроэнергии ВЭУ в составе ветропарка с разбивкой по годам представлен на рисунке 2.4.

1, 2, 3 - блоки ВЭУ; I и II - условные части ВП Рисунок 2.2 - Упрощенная электрическая схема подключения ветропарка к ЭЭС

Калининградской области

Рисунок 2.3 - Варианты подключения ВЭУ к ЛЭП 15 кВ в составе ветропарка

2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017

Годы

Рисунок 2.4 - Bыработка электрической энергии ветропарком

2.2 Анализ эксплуатационных режимов работы ветроэнергетической

установки Wind World 4200/600

ВЭУ Wind World 4200/600 - ветроэнергетическая установка с высокоскоростным ротором с тремя лопастями, что влечёт за собой наличие редуктора (рисунок 2.5).

а)

^ Редуктор АГ

б)

Yo/Y 15 кВ

Stall-регулироввние

Л

Цку=150кВАр

Система КУ Модемная

управления -----> связь

РЗЯТ q.iEip F. *

V (Eip

Q-.i-НЭ tEip / у *--■ ■

/и е ■

<5*v

Рисунок 2.5 - Электрическая схема ВЭУ-600 (а) и зависимости активной и реактивной мощности от скорости ветра (б)

Пуск, останов и разворот ветроколеса ВЭУ-600 по направлению ветра осуществляется автоматически системой управления (рисунок 2.5, а). При скорости ветра 3-4 м/с лопасти ВЭУ-600 начинают вращаться. При достижении скорости ветра около 4,5 м/с скорость ротора АГ приближается к синхронной, и система управления подключает АГ к сети. Пуск ВЭУ тиристорный (Т). После окончания пуска контактор (К) шунтирует тиристорное устройство, и асинхронная машина через трансформатор эксплуатируется в составе ЭЭС. Подключение конденсаторной установки (КУ) к сети производится, когда АГ начинает выдавать в сеть более 15 кВт активной мощности. Конденсаторная установка обеспечивает компенсацию РМ, потребляемой АГ на холостом ходу. При скорости ветра 14-15 м/с ВЭУ-600 выходит на номинальный режим. С целью обеспечения постоянства мощности при скоростях ветра более 14 м/с в рассматриваемой ВЭУ применяется столл (stall) - регулирование. При скорости ветра более 20 м/с ВЭУ-600 автоматически отключается. При снижении скорости ветра менее 20 м/с ВЭУ снова переходит в рабочий режим.

Как было отмечено в главе 1 по формуле (1.2) проводится расчёт коэффициента использования установленной мощности для единичной ВЭУ или ветропарка в целом, и не позволяет рассчитать значение коэффициента использования установленной мощности для нескольких ВЭУ одной модели в составе ветропарка, состоящего из разных моделей ВЭУ. В связи с чем, формула (1.2) была уточнена для расчета коэффициента использования установленной мощности ВЭУ, как усреднённого для нескольких ВЭУ одной модели в составе ветропарка, состоящего из разных моделей.

Коэффициенты использования установленной мощности для каждой ВЭУ одинаковой модели с № 1 по № к в составе ветропарка за один год эксплуатации рассчитываются по выражениям (2.1) - (2.3):

^ _ _wгод,ВЭУ1_

УВЭУ1 = (8760- ТПростоя,ВЭУ1) • Рн ( . )

ТТ _ ^ год,ВЭУ2 /о

КУту, - т-^ГТ (2.2)

(8760- " Тпростоя,ВЭУ1) • Рн

^год,ВЭУ2

(8760- ~ Тпростоя,ВЭУ2 ) • Рн

^год,ВЭУк

^ _ _" год,вэук._

УВЭУк = (8760-Тпростоя,ВЭУкУРн 1 ' )

где Рн - единичная установленная мощность ВЭУ с № 1 по № к (ввиду того, что модели ВЭУ берутся одинаковыми, то Рн принимается одинаковой для всех ВЭУ); 7,простояВЭУ1_ к - число часов вынужденного аварийного простоя ВЭУ №2 1... к в ¡-м году (ч).

Средние значения коэффициентов использования установленной мощности для каждой ВЭУ одинаковой модели с № 1 по № к в составе ветропарка за период эксплуатации в п лет рассчитываются по выражениям (2.4) - (2.6):

уП__Шгод,ВЭУ1,1_

^ I I

1 [8760-Т простоя,ВЭУ1лУРн ХУВЭУ1ср - ----(2.4)

уП_шгод,ВЭУ2,1

„ _ 1 (8760-т простоя,ВЭУ2^рн

КУВЭУ2ср — п (2-5)

уП_шгод,ВЭУк,Ь

_ 1 (8760-Т простоя,ВЭУк,1Урн

КУВЭУкср — ----(26)

Таким образом, значение коэффициента использования установленной мощности как усреднённое значение для нескольких ВЭУ одной модели в количестве к штук в составе ветропарка за промежуток времени в п лет можно рассчитать по формуле (2.7):

КУср

-п_ШгодВЭУг,1_, ^п_ШгодВЭУк,1

уП_ год ВЭУ 1,1__, , уП

ГЯ7йп-Т т.Л-Р..

(■87в0-ТпростояВЭУ1,д'Рн_1 (87в0-ТпростояВЭУк.д' Рн

П

1

-к, (2.7)

где ШГодВЭУ1_к1 - годовая выработка электроэнергии ВЭУ № в ¡-м

году (кВ ч); ТпростоявэУ1...кл - число часов вынужденного аварийного простоя ВЭУ № 1... к в ¡-м году (ч), п - количество лет эксплуатации ВЭУ; к - количество ВЭУ одной модели (шт.) (ВЭУ-225 или ВЭУ-600).

Усреднённое значение коэффициента использования установленной мощности ВЭУ-600 с момента запуска в эксплуатацию по 2018 год составило 0,16; коэффициент удельной выработки электроэнергии 560 кВт-ч/м2, что значительно ниже среднестатистических значений, причиной чего является относительно невысокая ветровая активность в районе, где установлена ВЭУ-600 (^среднегодовая — 6,5 м/с). [60, 61]

Уровень надежности ВЭУ-600

Автоматизация ВЭУ, а, следовательно, большое количество элементов системы управления, обусловили большое число отказов системы управления. За начальный период эксплуатации на ВЭУ-600 была зафиксирована только одна серьезная механическая поломка, связанная с неисправностью в гидравлике подачи

масла в коробку передач, простой при этом составил 591 час. Кратковременные остановки ВЭУ-600 с 2002 по 2018 годы по другим причинам представлены в таблице 2.2.

Таблица 2.2 - Кратковременные простои ВЭУ-600

№ Причина вынужденного кратковременного простоя Процент от общего числа простоев, % Возврат к работе ВЭУ

1 Низкое фазное напряжение (Иф< 371 В) 71,1 Автоматический (А) или дистанционный (Д)

2 Прекращение электроснабжения на ВЭУ 7,9 А или Д

3 Перегрузка генератора по мощности 6,3 Ручной

4 Вибрация в ступице 5,4 Д

5 Средняя скорость ветра превысила 25 м/с при измерении в течение 10 минут 5,1 А при Уветра<20 м/с

6 Перегрев генератора 4,2 А при Т<100 0С

Анализ статистических данных журналов отказов систем управления ВЭУ-600 показал, что основной причиной остановок являлось низкое напряжение на клеммах АГ ВЭУ. Это обусловлено слабой электрической связью ВЭУ с электроэнергетической системой, при которой не выполняется требование SBn/SK3 < 0,02. На клеммах АГ ВЭУ-600 мощность короткого замыкания Sкз=16,1 МВА.

Мощность короткого замыкания может быть рассчитана аналитически с учетом требований [62] или с помощью специализированных компьютерных программ. На рисунке 2.6 представлена схема замещения для расчета мощности короткого замыкания на клеммах АГ ВЭУ-600.

1кз - ток короткого замыкания на шинах 110 кВ ПС Северная-330 в максимальном режиме

Рисунок 2.6 - Схема замещения для расчета мощности КЗ на клеммах АГ

ВЭУ-600

Мощность короткого замыкания на клеммах АГ ВЭУ-600 рассчитывается по формуле (2.8):

£ _ ^ИОМ _ _^ном_

где ином - номинальное напряжение базисной ступени напряжения, к которой приводятся сопротивления элементов схемы замещения; Хс - сопротивление системы; Хл1 - суммарное сопротивление ЛЭП от ПС Северная-330 до ПС 110 кВ О-10 «Зеленоградск»; Хтр(о-ш) - сопротивление трансформатора на ПС 0-10 «Зеленоградск», на который приходит ВЛ 15 кВ с I части ВП; Хл2 - суммарное сопротивление ЛЭП от ПС 110 кВ О-10 «Зеленоградск» до трансформатора 15/0,69 кВ ВЭУ-600; Хтрвэу - сопротивление трансформатора ВЭУ 15/0,69 кВ. При этом сопротивления Хтр(о-ш), Хл2, Хтрвэу приведены к базисной ступени напряжения.

Вторая причина низкого напряжения на клеммах АГ - значительная РМ, потребляемая ВЭУ из сети (рисунок 2.5, б) и значительные реактивные нагрузки, подключенные к линиям электропередачи схемы выдачи мощности ветропарка. Как известно, падение напряжения в линии электропередачи в значительной степени определяется значениями РМ ^п).

и 2 = Ц -

РпХ12 - 0пГ12

и„„„ и„„„

(2.9)

где г12 и x12 - соответственно активное и индуктивное сопротивления; И1 и и2 - напряжения в начале и конце линии электропередачи.

Осциллограмма изменения активной мощности ВЭУ-600 перед остановом ввиду перегрузки генератора по активной мощности (что составляет 6,3% от общего времени простоя ВЭУ-600) представлена на рисунке 2.7. Кратковременный скачок активной мощности и, как следствие, перегрузка АГ по активной мощности происходит ввиду инерционности динамической системы «81а11-регулирование -АГ» в момент резкого увеличения скорости при порыве ветра [11].

В таблице 2.3 приведены результаты исследований показателей качества электроэнергии при работе ВЭУ-600. Измерения показателей качества

вырабатываемой электроэнергии проводились на клеммах АГ ВЭУ-600, скорость ветра при этом составила 7 м/с, что соответствует мощности 120 кВт.

Рисунок 2.7 - Изменение активной мощности перед остановом ВЭУ-600

Таблица 2.3 - Результаты исследований показателей качества электроэнергии ВЭУ-600 при скорости ветра около 7 м/с

Измеряемые величины Значения Кщ, % Коэффициенты п-гармонической составляющей Ко(Щ), %

3 5 7 11

Фазные напряжения (В) Ид 408 1,98 1,77 - - - 2,33

Ив 398 1,9 1,2 - 1,2 -

Ис 393 1,22 0,5 0,86 - -

Фазные токи (А) 1д 101 10,2 9,66 0,7 1,53 1,64 9,82

1в 87 9,38 9,27 1,0 1,0 0,9

1с 103 2,92 1,66 1,3 1,1 0,9

Доза фликера Фаза А 0,0055-0,0174

Фаза В 0,0058-0,0141

Фаза С 0,0062-0,0141

где: Кщ - соответственно суммарные коэффициенты гармонических составляющих напряжения и тока; Ко(ид) - коэффициенты несимметрии напряжений и токов по нулевой последовательности.

Анализ экспериментальных исследований показателей качества электроэнергии, вырабатываемой ВЭУ-600, позволяет констатировать, что в диапазоне мощностей до 120 кВт, выдаваемых ВЭУ в сеть, наблюдается значительная несимметрия и несинусоидальность токов, причем наиболее значимой является третья гармоника тока и напряжения. Применение соединения

обмоток силового трансформатора Д/У0 позволило бы решить часть проблем, связанных с качеством электроэнергии ВЭУ.

При этом в ходе экспериментальных исследований было установлено, что коэффициенты несинусоидальности фазных напряжений при отключенной ВЭУ-600 выше, чем при работающем генераторе и составляют: для фазы А - 2,85 %, для фазы В - 2,29 %, для фазы С - 1,2 %. Следовательно, ВЭУ-600 при своей работе несколько выравнивает синусоидальность фазных напряжений.

2.3 Анализ эксплуатационных режимов работы ветроэнергетической

установки Vestas V27

Отличительными особенностями ВЭУ-225 по сравнению с ВЭУ-600 являются питч (pitch) - регулирование за счет поворота лопастей ВЭУ и наличие двух обмоток мощностью 50 и 225 кВт на статоре генератора (рисунок 2.8).

Т1-Т6 - тиристоры; К1, К2, К3, К4 - контакторы Рисунок 2.8 - Электрическая схема ВЭУ-225

Генераторы с двумя обмотками на статоре используются для обеспечения более эффективной работы ВЭУ при слабых и сильных ветрах (рисунок 2.9). В диапазоне от нулевого значения до мощности 50 кВт, выдаваемой генератором в сеть, работает обмотка, рассчитанная на 50 кВт (рисунок 2.8 и 2.9). При достижении мощности 50 кВт эта обмотка отключается, а к сети подключается обмотка мощностью 225 кВт. Для компенсации РМ используются, соответственно, конденсаторные батареи мощностью 37,5 и 75 кВар (рисунок 2.8). При снижении мощности до 10 кВт происходит обратное переключение. Опыт эксплуатации показал, что эти переключения на ВЭУ-225 происходят довольно часто, так как в центре диапазона переключений лежит среднегодовая скорость ветра в месте расположения ветропарка (6,5 м/с), что следует учитывать при проектировании ветропарков на базе ВЭУ со схожим принципом работы.

Рисунок 2.9 - Зависимости выдаваемой мощности ВЭУ-225 для двух обмоток

статора АГ от скорости ветра

Усредненное значение коэффициента использования установленной мощности ВЭУ-225 с момента запуска в эксплуатацию по 2018 год составило 0,185. Коэффициент удельной выработки электроэнергии ВЭУ-225 составил 563,3 кВт-ч/м2.

Так же, как и у ВЭУ-600, изменения скорости ветра приводят к значительным изменениям активной и реактивной мощностей, токов и напряжения на клеммах асинхронного генератора ВЭУ-225 (рисунок 2.10). Следует отметить, что значительные уровни колебаний РМ до 190 кВар, обусловленные потреблением РМ АГ ВЭУ в зависимости от ветровой нагрузки (рисунок 2.10, в), оказывают существенное влияние на уровни напряжения у потребителей, подключенных к линиям выдачи мощности ветропарка.

Уровень надежности ВЭУ-225

В таблице 2.4 приведено количество отказов шестнадцати из двадцати ВЭУ-225 с 2002 по 2018 годы. На рисунке 2.11 и в таблице 2.5. представлено количество и описание причин отказов ВЭУ-225 за первый год эксплуатации. Журналы отказов ВЭУ-225 за первый год эксплуатации ветропарка представлены в Приложении А. В таблицах А.1 - А.16 Приложения А отражены отказы ВЭУ, встречающиеся в течение рассматриваемого периода времени более одного раза.

Таблица 2.4 - Кратковременные простои ВЭУ-225 в период с 2002 по 2018

годы

№ Причина вынужденного кратковременного простоя Процент от общего числа простоев, % Номера ВЭУ, на которых зафиксированы отказы

1 Низкое фазное напряжение 21,4 4,5,7,8,11,13,14,17,18,19,20

2 Предохранительный фазокомпенсатор генератора 2 отключен 13,1 5,6,8,9,10,14,15,16,17,18

3 Низкая температура 10,3 4,5,6,7,9,11,12,13,14,15,16,17,18, 20

4 Сбой связи 5,1 2,3,4,7,8,10,11,12,13,14,15,17,18, 19,20

5 Ошибка чередования фаз 4,9 3,4,5,7,8,9,10,11,13,14

6 Сбой частоты 3,7 3,5,6,7,8,11,12,13,14,18,19,20

7 Поворот лопастей (отклонение от заданного угла) 3,9 4,5,7,10,11,13,14,17,18,19,20

8 Поворот лопастей слишком мал 2,1 3,4,7,9,10,11,16,20

Таблица 2.5 - Количество и причина отказов ВЭУ-225 за первый год эксплуатации

№ Причина отказа Количество Номера ВЭУ, на которых

встречаются отказы

1 Ошибка процессора ввода/вывода 40 5,6,7,8,15

2 Сбой связи 54 2,4,7,8,10,11,14,15,18,19

3 Сбой 8 в СТ2123 ТЪуг^ 50 6,14,15

4 Блок слежения не задействован 48 2,5,6,7,8,10,11,16,18

5 Ошибка чередования фаз 48 5,7,8,9,10,14

6 Высокое напряжение 37 2,8,9,11,18

7 Низкое напряжение 176 2,6,8,12,14,16,19,20

8 Сбой частоты 41 5,6,7,8,11,12,14,18,19

9 Реле генератора разомкнуто 30 6,8,9,15

10 Предохранительный фазокомпенсатор генератора 2 отключён 117 6,8,9,14,15,16

11 Отказ контроля поворота 31 8,14,16,19,20

12 Максимальное время автоповорота 20 2,12

13 Максимальное время работы гидравлического насоса 18 5,6

14 Температурный отказ гидравлического мотора 18 8,11,19

15 Низкая температура 107 4,5,6,7,9,11,12,14,15,16,18,20

16 Внешний датчик оборотов 37 6,9,10,16

17 Поворот лопастей (отклонение от заданного угла) 38 5,10,14,20

18 Поворот лопастей слишком мал 19 9,10

19 Слишком много автозапусков 22 2,5,6,7

20 Аварийная цепь разомкнута 24 6,7,8,9,12,14,15,19,20

а) 1,'л,/г

б)

в)

г)

Д)

Рисунок 2.10 - Зависимости активной (б) и реактивной (в) мощностей, напряжения (г) и тока (д) ВЭУ-225 № 4 от скорости ветра (а) во времени

Рисунок 2.11 - Общее количество отказов (а) и сезонность отказов (б) ВЭУ-225 в составе ветропарка в п. Куликово за первый год эксплуатации

Установлено, что наиболее часто встречающиеся отказы - это низкое напряжение на клеммах генератора ВЭУ. Техническая документация ВЭУ-225 регламентирует нормальную работу ВЭУ в диапазоне напряжений от -10% до +6% от номинального напряжения на клеммах генератора [63]. Частые отключения ВЭУ свидетельствует о слабой электрической связи ветропарка с ЭЭС. Вторая по количеству отказов причина связана с проблемами по компенсации реактивной мощности, а именно с отключением предохранительного фазокомпенсатора АГ.

2.4 Разработка программы для ЭВМ по расчёту параметров обледенения лопастей ветроэнергетических установок в зависимости от метеорологических условий региона

Анализ результатов исследований отказов показал, что простой ВЭУ-225 по причине низких температур находится на 3 месте из всех причин отказов ВЭУ и составляет 10,3% от общего количества отказов. При этом ВЭУ-225 не оборудованы системой обогрева лопастей. Снижение коэффициента использования установленной мощности ВЭУ-225 в том числе связаны с обледенением лопастей и отсутствием обогрева электроники ВЭУ. Обледенение в некоторых случаях явилось причиной возникновения дополнительных отказов ВЭУ-225 из-за нарушения работы лопастей (пункты № 7 и № 8 ВЭУ-225 в таблице 2.4).

При проектировании новых ветропарков одной из причин отказа от установки систем обогрева лопастей и электроники ВЭУ является отсутствие понимания вероятности обледенения лопастей ВЭУ и влияния этого явления на выработку электроэнергии, и, соответственно, на коэффициент использования установленной мощности ВЭУ, а, следовательно, на энергетическую эффективность работы ВЭУ. Для ВЭУ средней мощности, которые находят всё более широкое применение в местах с холодным климатом, вопрос расчёта рисков обледенения элементов ВЭУ является на сегодняшний день весьма актуальным.

С целью решения данной задачи разработана программа для ЭВМ по расчёту параметров обледенения лопастей ВЭУ в зависимости от метеорологических условий региона. Реализация программного комплекса по модульному принципу позволила разделить расчётные методы по типу обрабатываемых данных (рисунок 2.12). В комплексе имеются модули ввода исходных данных, расчёта параметров атмосферы в заданном пространственном объёме, а также модули с расчётными операциями над переменными и рабочими массивами данных. Такая структура программы позволила создать решатель для расчёта параметров обледенения лопастей ВЭУ с возможностью графической визуализации промежуточных

расчётов в процессе счёта встроенными в среду разработки инструментами, и форматный вывод, обеспечивающий сохранение исходных данных и результатов расчёта, а также их графическую визуализацию. Программа реализована на языке программирования Fortran.

Функциональные возможности программы позволяют проводить расчёты: скорости обледенения лопастей ВЭУ (в кг/с); процента времени в течение заданного временного промежутка симуляции, когда скорость обледенения лопастей ВЭУ больше 0 кг/с; суммарной массы льда, которая образуется на лопастях ВЭУ за заданный временной промежуток симуляции (в кг).

Считывание из файла массивов исходных параметров, автоматическое определе задание размеров расчётной сетки (границ области расчёта)

ние и

I Циклический анализ исходных данных параметров атмосферы для определения области применения расчётной методики (Т, ОВД! 14, 0.0.0110)

Файл исходных данных в формате NetCDF из модели WRF - симулирования (<Namefile>.nc: XLAT, XLONG, HGT,T, Р, РВ, PIH, РНБ, U, V, QVAPOR, QRAIN, QCLQUD) _

РАСЧЁТНЫЙ ЦИКЛ ПО ТРЁХМЕРНОМУ МАССИВУ - long, lat, height |

Мезомасштабная негидростатическая численная модель атмосферы WRF (Weather Research and Forecasting Model}

Блок расчёта основных параметров атмосферы: Ptot = Pf РВ; Temp = (T+3Q0) * (Ptot/10 л 5) А( 2/7); Sp_wind = SQRT(VA2 + ил2)

Модуль расчёта параметров атмосферы, производных от основных параметров: Еа = ЦУАРОР*Р^/{0,б22-1-0УАРОК) - давление водяного пара в воздухе; Ср_а1г-удельная теплоёмкость воздуха; К_а1г-теплопроводность воздуха; Оеп5_а!г- плотность воздуха; Ми_а1г- вязкость воздуха; □_от — коэффициент диффузии паров в воздухе

-

Модуль расчёта параметров лопасти ВЭУ: □ — диаметр цилиндра-имитатора лопасти; |

А-площадь поперечного сечения; Т_5игР-температура поверхности лопасти; I Ез — давление насыщенного пара на пов-ти лопасти а 617 мБар '

V_

Расчётный модуль по разработанной методике:

1. Расчёт MVD-средний объёмный диаметр частиц воды в воздухе;

2. Расчёт коэффициента о2 = 1/Sp_wind;

3. Расчёт коэффициента al;

4. Расчёт F - плотность потока воды на пов-ти лопасти ВЭУ;

5. Расчёт LWC_crit - Critical liquid wafer content (критическое/предельное содержание воды в воздухе притек, параметрах).

N

2

И 1

Расчёт содержания воды в воздухе при текущих I параметрах атмосферы: _

LWC = {QRAIN + Q.CLOUD) *Ders_air *

\

П ровернц/срапнение: LWC с rit О LWC

LWC с rit < LWC

LWC с rit >= LWC

Расчёт коэффициента аЗ

Циклический переход в следующую расчётную точку маесиаз

Сохранение рассчитанного знамения скорости обледенения в отдельный массив

Расчёт скорости обледенения, кг/сек:

d M/dt = al*a2* ct3* LWC_Sp_wind *A

Запись массива значений скорости обледенения во асе* элементах _pac4^~-oJ области в конечный файл фрз.у.ата NetCDF_

Построен« карты рисков обледенения заданного района (при помощи программы Panoply* утилиты ncview и т.д.)

Рисунок 2.12 - Блок-схема программы для ЭВМ по расчёту параметров обледенения лопастей ВЭУ в зависимости от метеорологических условий региона

Результаты расчёта программы могут быть использованы для составления прогнозных карт обледенения лопастей ВЭУ для заданной территории, а также для дальнейшего расчёта потерь вырабатываемой электроэнергии ВЭУ в случае обледенения и определения влияния на энергетическую эффективность работы ВЭУ.

В основу программы была положена теория обледенения Макконена, с некоторыми уточнениями ряда других ведущих исследователей в области теории обледенения [58, 64-74].

Интенсивность обледенения согласно теории Макконена определяется следующим выражением:

I = , (2.10)

где а1 - коэффициент эффективности столкновения; а2 - коэффициент эффективности прилипания; а3 - коэффициент эффективности прироста (аккреции); ЬШС - содержание частиц воды в воздухе (массовая концентрация), кг/м3; Ум - скорость набегающего воздушного потока (скорость частиц), м/с; А -площадь поперечного сечения лопасти ВЭУ (относительно направления вектора скорости воздушного потока Ум), м2.

Коэффициент эффективности столкновения определяется по выражению:

а1= А- 0.028-С •(В-0.0454) , (2.11)

при этом безразмерные коэффициенты А, В, С вычисляются по выражениям (2.12) - (2.14).

А = 1.066 • К-0-00616 • е(-1Л03• к-°688) (2.12)

В = 3.641 • К-0-498 • е(-1А97-к-°694) (2.13)

С = 0.00637 • (0 - 100)0381 (2.14)

При определении коэффициента эффективности столкновения в модели расчёта лопасть ВЭУ принимается в первом приближении как вращающийся

цилиндр. В этом случае, принимая решение уравнения воздушного потока вокруг лопасти ВЭУ, для параметризации коэффициента столкновения рассчитаны безразмерные параметры К и 0.

К = о«-^™2 , (2.15)

где Рм- плотность воды, кг/м3; - вязкость воздуха, кг/(м с); Б - диаметр лопасти ВЭУ в приближении к форме цилиндра, м; МУБ - средний объёмный диаметр частиц воды в воздухе, м.

к 2

0=**т, (2.16)

где Яе - число Рейнольдса.

Средний объёмный диаметр частиц воды в воздухе рассчитывается по выражению (2.17) [69]:

Му0 (2.17)

л5

где [15 - параметр формы функции, которая описывает количество частиц воды в воздухе с одинаковым диаметром (2.18); Х8 - коэффициент распределения частиц воды в воздухе.

^ = тт(1000 + 2,15), (2.18)

где Ыс - количество частиц воды в воздухе, безразмерная величина для формулы (2.18), является исходным параметром при задании начальных условий для расчета при моделировании.

Х5 =

п Г(4+Ц3) , Мс ^Уз

6 ^ Г(1+/13) (Ь]МС

3> (219)

где Ис - количество частиц воды в одном кубическом сантиметре воздуха, 1/см3; Г - гамма-функция.

Фактическое содержание частиц воды в воздухе при получении входных параметров из численной модели прогнозирования погоды СКР) рассчитывается по выражению:

ЬШС = МИАШ + QCLOUD) • рт , (2.20)

где QRAIN) QCLOUD - удельное содержание воды в виде дождя и облачных капель в воздухе, соответственно; рт - плотность воздуха, кг/м3.

При этом плотность воздуха рассчитывается по выражению:

р^^ (2.21)

где Ргог - давление окружающей среды, Па; R - удельная газовая постоянная сухого воздуха, Дж кг/К; Ту - виртуальная температура, К.

Давление окружающей среды является составным исходным параметром из численной '^КР-модели прогнозирования погоды и рассчитывается по формуле:

РЪог = РВ+Р, (2.22)

где РВ - базовая составляющая давления, Па; Р - давление возмущения, Па.

Виртуальная температура - температура до которой нужно нагреть сухой воздух, чтобы его плотность сравнялась с плотностью влажного воздуха, взятого с тем же давлением, рассчитывается по формуле:

Ту = ТА-(1 + 0.378 • -, (2.23)

Р1

где ТА - актуальная температура воздуха, К; еа - давление окружающего пара в воздушном потоке, Па.

Давление окружающего пара в воздушном потоке, используя данные численной 'КР-модели прогнозирования погоды, рассчитываются по выражению:

= ЭУМОК^ , (2.24)

где QУАРOR - удельное содержание воды в виде пара в воздухе.

Коэффициент эффективности прилипания зависит от типа обледенения и, соответственно, вида частиц (капля воды, снег и т.д.), температуры и влажности окружающей среды, и определяется по выражению:

1

а2= — (2.25)

Коэффициент эффективности прироста (аккреции), показывающий отношение скорости обледенения к плотности потока частиц, которые прилипают к поверхности, зависит от теплового баланса на поверхности лопасти ВЭУ, и может быть определён по выражению:

а3 =

(И + а-а) 1а) + ^ ■ (е5 - О - ^Щ2 + Р-С„-&- 1й)

, (2.26)

где Р - плотность потока воды на поверхность (Р = а1- а2- • ); X -коэффициент жидкой фракции при аккреции; Ь^ - удельная теплота плавления льда, Дж/кг; И - коэффициент конвективной теплоотдачи, Вт/(м2 К); а -постоянная Стефана-Больцмана, Вт/(м2 К4); а - линеаризованная постоянная излучения, К3; tа - температура окружающей среды, К; е - отношение молекулярных масс сухого воздуха и водяного пара; Ье - латентное тепло испарения, Дж/кг; Ср - удельная теплоёмкость воздуха, Дж/(кг К); е5 - давление насыщенного водяного пара на поверхности лопасти ВЭУ, Па; г - коэффициент восстановления для теплоты внутреннего трения; - удельная теплоёмкость воды, Дж/(кг К); - температура поверхности лопасти ВЭУ, К; t й - температура частиц воды в воздухе (в модели принимается = ¿а), К.

1

Коэффициент конвективной теплоотдачи определяется из выражения (2.27)

к = кп- —

Б

(2.27)

где ка - теплопроводность воздуха, Вт/(м К); Ыи - число Нуссельта, формула (2.28).

Ыи = 0.032 • Яе

0.85

(2.28)

где ЯеП - число Рейнольдса с учётом параметров лопасти ВЭУ.

=

Мм

(2.29)

При этом скорость воздушного потока, при экспортировании из модели WRF, должна учитывать составляющие по пространственным направлениям:

^ = ^У2 - и2

(2.30)

где V, и - составляющие скорости воздушного потока по осям X и Y, соответственно.

Удельная теплоёмкость воздуха в модели определяется по выражению:

Ср = (1.005 + 1.1904 • 10-4 • (ТА - 273,15)) • 10

(2.31)

Критерий необходимости расчёта коэффициентов а1, а2, а3 зависит от определения критического значения содержания частиц воды в воздухе (массовой концентрации):

кп

ШСсг1г = ^ • (

Рс

а1

2-1

а-п-Ь

а

a1■vw■(Lf+Cw■ta)

(2.32)

3

1

2

где П - коэффициент промерзания.

Условия необходимости расчёта коэффициентов а в формуле (2.10) представлены в таблице 2.6.

Таблица 2.6 - Условия расчёта коэффициентов а

№ Критерий Расчет параметров

1 ЬШС > ЬШСсги а1 — расчет по (2.11), а2 = 1, а3 = 1

2 ЬШС < ЬШСсги а1, а2, а3 согласно (2.11), (2.25), (2.26)

Графическая визуализация результатов расчёта процента времени, в течение которого скорость обледенения лопастей ВЭУ больше 0 кг/с и суммарной массы льда, которая образуется на лопастях ВЭУ, при симуляции метеорологических условий в период зимы 2017/2018 года на высоте над уровнем моря 50 метров представлена на рисунках 2.13 и 2.14 соответственно.

Результатом разработки программы стала регистрация прав на интеллектуальную собственность: получено свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2017618835 от 10.08.2017 г. (Приложение Б).

Разработанная программа для ЭВМ по расчёту параметров обледенения лопастей ВЭУ в зависимости от метеорологических условий региона была внедрена в рабочий процесс постобработки мезомасштабного моделирования в Научно-исследовательском центре по ветроэнергетике (г. Ольденбург,

Германия), что подтверждает акт внедрения (представлен в Приложении В). Программа включена в процесс составления прогнозных карт рисков обледенения для различных территорий Европейского союза. В частности, программа была использована в исследовательском проекте OWEA-LOADS, Федерального министерства экономики и энергетики Германии, для получения информации о риске обледенения ВЭУ морского базирования, расположенных в Северном и Балтийском морях.

Кроме того, алгоритм, с помощью которого параметры обледенения лопастей ВЭУ могут быть рассчитаны на основании входных параметров из численной модели прогнозирования погоды С^КР-модель), решает проблему критерия достаточности данных по метеорологическим условиям и может быть использован для дальнейшей количественной оценки воздействия обледенения на ВЭУ с точки зрения распределения нагрузок и потерь вырабатываемой электроэнергии.

Моделирование процесса обледенения зима 2017/2018, г=50 м

Процент времени при I > 0 кг/с, [%]

Рисунок 2.13 - Результаты расчета процента времени, в течение которого скорость обледенения лопастей ВЭУ больше 0 кг/с, за период симуляции зимы 2017/2018 года на высоте над уровнем моря 50 метров

58° N

54° N

52°Ы

50° N

Моделирование процесса обледенения зима 2017/2018, 2=50 м

Л

л ^

" < 1

Г*

1 .-■ 'А

0 О 2°Е 4°Е 6°Е 8°Е 10°Е 12°Е 14°

О 25 50 75 100 125 1

11111

5 350 375 400 425 450 475 500

Суммарная масса льда, [кг] Рисунок 2.14 - Результаты расчёта суммарной массы льда, которая образуется на лопастях ВЭУ за период симуляции зимы 2017/2018 года на высоте над уровнем

моря 50 метров

ВЫВОДЫ ПО ВТОРОЙ ГЛАВЕ

1. Предложена формула для расчёта усреднённого коэффициента использования установленной мощности ветропарка, отличающаяся от классической учётом параметров отдельных ВЭУ в составе ветропарка.

2. Усреднённые коэффициенты использования установленной мощности ВЭУ в составе ветропарка (Ку = 0,16 для ВЭУ-600, Ку = 0,185 для ВЭУ-225)

значительно ниже среднестатистических значений, причиной этого является относительно невысокая ветровая активность в районе размещения ветропарка.

3. Анализ отключений ВЭУ выявил, что основной их причиной является снижение напряжения на клеммах АГ ниже допустимых значений, что обусловлено: слабой электрической связью ветропарка с ЭЭС Калининградской области; большим значением реактивной мощности, потребляемой ВЭУ из электрической сети; значительными нагрузками, подключенными к ЛЭП схемы выдачи мощности ветропарка.

4. Установлено, что в процессе эксплуатации ВЭУ-225 подвержены ускоренному износу оборудования из-за частых переключений между обмотками статора генератора ВЭУ, так как в центре диапазона переключений лежит среднегодовая скорость ветра в месте установки (6,5 м/с).

5. В ходе экспериментальных исследований качества электроэнергии, выдаваемой в сеть ВЭУ-600, выявлены значительная несимметрия и несинусоидальность токов и напряжений, причём наиболее значимой является третья гармоника.

6. Уточнена методика расчёта критерия необходимости калькуляции коэффициентов эффективности столкновения, прилипания и прироста (аккреции) при расчёте скорости обледенения лопастей ВЭУ в зависимости от определения критического значения содержания частиц воды в воздухе (массовой концентрации) за счёт интеграции входных параметров из численной модели прогнозирования погоды (WRF-модель).

7. Разработана программа для ЭВМ по расчёту параметров обледенения лопастей ВЭУ в зависимости от метеорологических условий региона, подтверждённая свидетельством о государственной регистрации программы для ЭВМ (№ 2017618835 от 10.08.2017 г.), результаты расчёта которой могут быть использованы для составления прогнозных карт обледенения лопастей ВЭУ для заданной территории, а также для дальнейшего расчета потерь вырабатываемой электроэнергии ВЭУ в случае обледенения.

3 РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СХЕМЫ ПОДКЛЮЧЕНИЯ ВЕТРОПАРКА К ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЕ КАЛИНИНГРАДСКОЙ ОБЛАСТИ 3.1 Анализ электроэнергетической системы Калининградской области

В настоящее время ЭЭС Калининградской области входит в состав объединенной энергетической системы Северо-Запада (ОЭС) в составе Единой энергетической системы Российской Федерации (ЕЭС РФ), которая в свою очередь входит в энергообъединение «ЕЭС/ОЭС» («IPS/UPS») совместно с энергосистемами стран СНГ, Прибалтики и Монголии. Связь ЭЭС Калининградской области с континентальной частью ЕЭС РФ осуществляется через электрические сети, проходящие по территории Республики Беларусь, Эстонской Республики, Литовской Республики и Латвийской Республики (рисунок 3.1).

Рисунок 3.1 - Фрагменты энергообъединений UCTE, IPS/UPS и Nordel

Для обеспечения электроснабжения на территории Калининградской области используются электрические сети, как стандартных для Российской Федерации классов напряжения 6, 10, 110, 330 кВ, так и нестандартных 15 и 60 кВ. Электрические сети напряжением 330 кВ являются системообразующими и обеспечивают связь с ЭЭС соседних стран и объединенной энергетической системой Северо-Запада РФ, а также используются для выдачи мощности электрических станций и питания крупных нагрузочных узлов. Связь с энергосистемой Литовской Республики осуществляется по трём воздушным ЛЭП 330 кВ, трём воздушным ЛЭП 110 кВ, одной кабельно-воздушной ЛЭП 10 кВ и одной кабельной ЛЭП 10 кВ. В настоящее время на территории Калининградской области находятся в эксплуатации три подстанции классом напряжения 330 кВ: О-1 Центральная, Северная 330, Советск-330.

ЭЭС Калининградской области условно можно разделить на два района электрических сетей: Западные электрические сети и Восточные электрические сети. Ветропарк установленной мощностью 5,1 МВт подключен к Западным электрическим сетям, а именно к Западному энергетическому кольцу (рисунок 3.2).

Рисунок 3.2 - Упрощённая схема электрических сетей Калининградской области

Западные электрические сети характеризуются наличием крупных потребителей электрической энергии (промышленные предприятия, порты, заводы и т.д.). Для обеспечения электроснабжения потребителей в данном районе предусмотрены сети классом напряжения 6; 10; 15; 60; 110 кВ. При этом согласно «Программе реконструкции и развития электрических сетей Калининградской области до 2020 года» нестандартный класс напряжения для Российской Федерации 60 кВ будет переведён на современный стандарт 110 кВ [75].

Региональные энергосистемы в Российской Федерации в основном построены на напряжении 110/220 кВ, а ВЭУ средней мощности подключаются к сети среднего класса напряжения 6-35 кВ. В зависимости от установленной мощности ветропарк может оказывать различное по степени влияние на параметры электрической сети в точке подключения к ЭЭС. Ветропарк установленной мощностью 5,1 МВт в Калининградской области подключен к распределительной сети среднего класса напряжения 15 кВ. Выдача мощности ветропарка в сеть 110 кВ осуществляется по двум воздушным линиям 15 кВ, связывающим ветропарк с подстанциями 110 кВ О-9 «Зеленоградск» и 0-10 «Светлогорск», являющимися точками подключения сети среднего напряжения 15 кВ к сети высокого напряжения 110 кВ. С целью оценки влияния ветропарка на параметры электрической сети и разработки рекомендаций по повышению энергетической эффективности работы ВЭУ в электрической сети возникает необходимость разработки математической модели электрической схемы подключения ветропарка установленной мощностью 5,1 МВт к ЭЭС Калининградской области, которая состоит из двух уровней: сложно-замкнутой электрической сети 60-110 кВ и разомкнутой электрической сети среднего класса напряжения 15 кВ (рисунок 3.2).

Первый уровень - это часть ЭЭС региона, которая соединена с электрическими сетями 330 кВ (ПС 330/110 кВ Северная 330 и ПС 330/110 кВ 0-1 Центральная на рисунке 3.2), где замыкается на точки ЭЭС, мощность короткого замыкания в которых является бесконечно большой по отношению к мощности ветропарка, и влияние на параметры сети в которых ветропарк при всех возможных режимах работы оказывать не будет. Также в первый уровень математической

модели включены точки ЭЭС, являющиеся точками подключения сети среднего напряжения 15 кВ к сети высокого напряжения 110 кВ. Математическая модель сложно-замкнутой электрической сети 60-110 кВ позволяет провести анализ влияния планируемого к подключению ветропарка на параметры сети в этих точках (проанализировать баланс активной и реактивной мощности, оценить уровни напряжения в этих точках при различных режимах работы ВЭУ), то есть получить первичные данные о возможности подключения ветропарка к существующей энергосистеме.

Второй уровень - математическая модель разомкнутой электрической сети среднего класса напряжения 15 кВ - позволяет более подробно проанализировать влияние работы ветропарка на параметры распределительной сети среднего напряжения и, следовательно, на параметры сети в точках подключения близлежащих потребителей.

3.2