Разработка и исследование системы автоматического регулирования напряжения асинхронного генератора ветроэнергетической установки для автономного электротехнического комплекса малой мощности тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.09.03, кандидат наук Сангов Хушдил Саидович

• Сангов Хушдил Саидович
• кандидат наук
• 2019

Оглавление диссертации кандидат наук Сангов Хушдил Саидович

ВВЕДЕНИЕ

1. ПРИМЕНЕНИЕ ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК ДЛЯ ЭНЕРГОСНАБЖЕНИЯ СЕЛЬСКИХ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ РЕСПУБЛИКИ ТАДЖИКИСТАН, АНАЛИЗ СОВРЕМЕННЫХ СПОСОБОВ СТАБИЛИЗАЦИИ ВЫХОДНЫХ ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ

ВЕЛИЧИН И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Применение автономных систем электроснабжения на альтернативных источниках энергии для потребителей, расположенных в высокогорных

регионах Республики Таджикистан

1.2.Оценка потенциала энергии ветра и ее реализации на территории Республики Таджикистан

1.3. Принципы ветрогенерации электроэнергии, область применения, преимущества и недостатки эксплуатации ВЭУ

1.4. Обзор вариантов схем ВЭУ с подключением к электрическим сетям

1.5. Обзор литературы по стабилизации выходного напряжения и частоты

тока самовозбуждающегося АГ ВЭУ

Выводы по главе

2. РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ ТРЕХФАЗНОГО САМОВОЗБУЖДАЮЩЕГОСЯ АСИНХРОННОГО ГЕНЕРАТОРА ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ

2.1. Особенности самовозбуждения асинхронных генераторов и постановка задачи

2.2. Модель системы автоматического регулирования напряжения трехфазного самовозбуждающегося АГКЗ ВЭУ

2.3. Экспериментальное исследование трехфазного самовозбуждающегося АГКЗ ВЭУ

2.4. Расчёт рабочих характеристик АГКЗ ВЭУ и экспериментальные результаты исследования

2.5. Анализ расчётно-теоретических и экспериментальных результатов исследования

УСТАНОВКИ

3.1. Постановка задачи

3.2. Математическое и имитационное компьютерное моделирование самовозбуждающегося АГКЗ ВЭУ

3.3. Анализ характеристики момента вращения асинхронной машины

3.4. Статический анализ трехфазного самовозбуждающегося асинхронного генератора ветроэнергетической установки

3.4.1.Компьютерный алгоритм для анализа статической устойчивости

работы самовозбуждающегося АГ ВЭУ

3.4.2.Экспериментальное исследование трехфазного

самовозбуждающегося асинхронного генератора ВЭУ

3.5. Динамический анализ трехфазного самовозбуждающегося асинхронного генератора ветроэнергетической установки

3.5.1. Динамическая модель самовозбуждающегося АГ ВЭУ

3.5.2^тиНпк моделирование самовозбуждающегося АГ ВЭУ и

экспериментальные результаты

Выводы по главе

4. СТРУКТУРНЫЕ РЕШЕНИЯ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ И ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ АВТОНОМНЫХ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ НА ОСНОВЕ ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК

4.1. Структурные решения автономных систем электроснабжения на основе ветроэнергетических установок

4.2. Оценка экономической эффективности использования автономного ЭТК

на базе ВЭУ малой мощности

4.2.1. Постановка задачи

4.2.2. Анализ ветрового потенциала места размещения потребителя

4.2.3. Оценка характеристик потребителя

4.2.4. Выбор функциональной схемы автономного ЭТК малой мощности

на базе ВЭУ с АГКЗ

4.2.5. Выбор модели ВЭУ и основных функциональных узлов автономного ЭТК малой мощности

4.2.6. Расчёт и оценка технико-экономической эффективности реализации проекта автономного ЭТК на базе ВЭУ

Выводы по главе

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ СОКРАЩЕНИЙ

ПРИЛОЖЕНИЯ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка и исследование системы автоматического регулирования напряжения асинхронного генератора ветроэнергетической установки для автономного электротехнического комплекса малой мощности»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования. Из-за географических и естественно-климатических условий, а также особенностей структуры и функционирования электроэнергетического комплекса в зимний период в Республике Таджикистан (РТ) существует дефицит электроэнергии. Так, с одной стороны, недостаточен приток воды в водохранилище Нурекской гидравлической электрической станции (ГЭС) для выработки необходимого количества электрической энергии Вахшским каскадом электрических станций, с другой стороны, отсутствуют другие источники энергии для энергоснабжения городских, промышленных и сельских потребителей. Особенно проблематична сложившаяся ситуация для сельских потребителей, расположенных в высокогорных регионах РТ: значительная часть потребителей населённых пунктов получает электроэнергию в ограниченном объеме и в ограниченное время, что сдерживает социально-экономическое развитие отдельно взятых регионов и РТ в целом. Присоединение же сельских потребителей к энергосистеме РТ и обеспечение их электроэнергией от централизованных источников в значительной степени трудозатратно и экономически неэффективно.

Удовлетворение существующей и будущей потребностей сельских потребителей высокогорных регионов РТ в электрической и тепловой энергии является достаточно трудной задачей ввиду ограниченности запасов органических ископаемых и предъявляемых к объектам генерации экологических требований, что приводит к необходимости анализа возможности использования возобновляемых источников энергии (ВИЭ). Практически наиболее значимым и освоенным в мире видом ВИЭ является ветровая энергия, которая в настоящее время не только используется в более широких масштабах, чем остальные возобновляемые виды энергии, но имеет большие перспективы развития.

В этой связи ввод объектов распределенной генерации на основе ВИЭ и развитие ветровой энергетики является одним из способов решения проблемы дефицита электроэнергии страны в зимний период. Ветровая энергия в основном

сосредоточена в центральных, восточных и северных горных районах республики. При этом актуальным является создание высокоэффективного автономного электротехнического комплекса (ЭТК) малой мощности на базе ветроэнергетических установок (ВЭУ).

Основными элементами, определяющими технические характеристики ВЭУ, являются ветровая турбина (ветроколесо), мультипликатор (при наличии) и система генерирования электрической энергии (СГЭЭ). Под последней понимается электромеханический комплекс для преобразования механической энергии вала ветровой турбины в электрическую энергию и передачи её в нагрузку или энергосистему.

СГЭЭ на базе асинхронного генератора (АГ) с короткозамкнутым ротором (АГКЗ) получили распространение в ВЭУ малой и средней мощности (в диапазоне от 0,5 кВт до 2 МВт). Широкий мощностной диапазон применения СГЭЭ на базе АГКЗ в ВЭУ обусловлен малой стоимостью АГКЗ и широкой номенклатурой выпускаемых электротехническими производителями асинхронных машин. Однако результаты ряда исследований (например, специалистов крупнейших ветроэнергетических компаний «Vestas» и «Danish Wind Technology») демонстрируют, что применение стандартных АГКЗ в структуре ВЭУ не в достаточной степени эффективно ввиду невозможности стабилизации выходных параметров электрических величин с учетом климатических и других условий эксплуатации ВЭУ. При этом функционирование ВЭУ с АГКЗ при изменениях внешних возмущений требует разработки адаптивной системы автоматического регулирования для стабилизации выходных параметров электрических величин, соответствующей техническим и экономическим критериям.

Этими факторами определяется актуальность темы настоящей работы, в которой исследуются вопросы разработки новой микроконтроллерной системы автоматического регулирования напряжения (АРН) АГКЗ ВЭУ для автономного ЭТК малой мощности с обеспечением качества выходного напряжения при

одновременном снижении потерь мощности, повышении надежности и уменьшении массогабаритных показателей устройства.

Степень разработанности. Исследованию основных теорий и закономерностей работы ВЭУ, регулирования и стабилизации выходных электрических параметров ВЭУ посвящены работы многих известных ученых, таких как Н.Е. Жуковский, В.И. Виссарионов, О.С. Попель, П.П. Безруких, В.Г. Николаев, С.В. Ганага, В.В. Елистратов, Е.В. Соломин, С.В. Грибков, Р.С. Цгоев и др. Исследованием различных путей повышения качества генерирования электроэнергии в ВЭУ занимались О.В. Григораш, В.Ф. Белей, С.И. Кицис, А.Л. Встовский, В.Г. Еременко, В.Н. Андриянов, И.В. Деведеркин, А.Г. Васьков. Основные функции оптимального управления ВЭУ с учетом совершенствования конструктивных частей и алгоритмов автоматизированного управления исследовали В.П. Берзан, А.П. Бурман, А.И. Коршунов, Ю.Г. Шакарян, В.З. Манусов, С.Н. Удалов и др. Из зарубежных ученных, занимавшихся проблематикой стабилизации напряжения и частоты самовозбуждающегося АГ ВЭУ с применением полупроводниковых электронных устройств автоматического регулирования, следует выделить K.F. Charafeddine, T. Elango, A. Senthil Kumar, S. Tunyasrirut, A.M. Bouzid, D. Chermiti, T. Ahmed, T. Abedinzadeh, M. Ehsan, T. Masaud M, V. Roy C, D. Kasthab, A.K. Tandom, Mohd. Hasan Ali, D. Rekioua и др.

Анализ научных работ, перечисленных выше исследователей, показал, что в настоящее время в ВЭУ с АГ применяются способы получения переменного напряжения постоянной частоты при переменной частоте вращения ветроколеса, основанные на использовании статических устройств изменения частоты по схеме преобразования «переменное напряжение - постоянное напряжение -переменное напряжение» путем применения коллекторных генераторов переменного тока, циклоконвертеров и преобразователей частоты, высокочастотной и низкочастотной модуляции, преобразователей с амплитудной модуляцией частоты, которые в свою очередь повышают итоговую стоимость ВЭУ и автономного ЭТК в целом.

Несмотря на существенный вклад зарубежных и отечественных исследователей в проблематику стабилизации выходных параметров ВЭУ с АГ, с одной стороны, и на существующую актуальную потребность в создании электронных систем со стабилизируемыми силовыми полупроводниковыми устройствами, с другой стороны, в настоящее время не создана система автоматического регулирования выходных параметров самовозбуждающегося АГ ВЭУ, которая удовлетворяла бы техническим и экономическим критериям.

Целью диссертационной работы является разработка новой микроконтроллерной системы автоматического регулирования напряжения (АРН) асинхронного генератора ветроэнергетической установки для автономного электротехнического комплекса малой мощности для обеспечения требуемого качества электроэнергии с целью надёжного электроснабжения различных маломощных приёмников и потребителей электрической энергии.

Задачи исследования. Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие задачи:

1. Проанализировать и оценить уровень доступности источников энергии в отдаленных горных районах Республики Таджикистана (РТ), оценить степень обеспеченности потребителей электроэнергией и определить потенциальное месторасположение ВИЭ в сельских и отдаленных горных районах РТ с учетом географических и естественно-климатических факторов.

2. Произвести оценку и анализ среднегодового ветропотенциала на территории РТ для выработки дополнительной электроэнергии для обеспечения нужд сельских потребителей.

3. Провести анализ структурных схем ВЭУ, выявить их преимущества и недостатки и разработать на их основе структурную схему ВЭУ с асинхронным генератором для ее автономного подключения к системе электроснабжения потребителей.

4. Провести обзор и анализ существующих перспективных способов автоматического регулирования и стабилизации выходного напряжения и частоты АГ ВЭУ на базе стабилизирующих полупроводниковых устройств и обосновать

актуальность разработки новой системы автоматического регулирования напряжения самовозбуждающегося АГ ВЭУ.

5. Разработать физическую модель новой системы АРН, на основе современных комплектующих изделиях с высокими технико-эксплуатационными параметрами.

6. Разработать лабораторную установку для проведения экспериментальных исследований основных характеристик, параметров и режимов работы АГ ВЭУ и проверки основных узлов системы АРН АГ ВЭУ.

7. Разработать математическую и имитационную компьютерную модель (ИК-модель) системы АРН самовозбуждающегося АГ со стабилизирующими силовыми полупроводниковыми устройствами.

8. Выполнить анализ устойчивости работы самовозбуждающегося АГ ВЭУ для установившегося и динамического режимов.

9. Разработать новые схемотехнические решения для автономных ЭТК малой мощности на базе ВЭУ с АГ и системой АРН и определить экономическую эффективность данных ЭТК.

Объектом исследования диссертационной работы является автономный электротехнический комплекс (ЭТК) на базе ВЭУ малой мощности с системой АРН выходного напряжения АГ.

Предметом исследования является система АРН и способ автоматического регулирования напряжения асинхронного генератора ВЭУ.

В рамках диссертационного исследования получены следующие научные результаты:

1. Предложена новая структурная схема системы АРН самовозбуждающегося АГКЗ в составе автономного ЭТК малой мощности на базе ВЭУ на основе измерительного трансформатора напряжения, однофазного мостового выпрямителя, алгебраического сумматора, аналого-цифрового преобразователя, блока выбора ступени регулирования, и формирователя импульсов управления двунаправленными полупроводниковыми ключами с технико-эксплуатационными параметрами, превосходящими существующие

аналоги, позволяющая упростить стабилизацию выходного напряжения АГКЗ ВЭУ при одновременном снижении потерь мощности, повышении надежности и уменьшении массогабаритных показателей автономного ЭТК.

2. Разработана математическая модель самовозбуждающегося АГКЗ ВЭУ для статического анализа, работающая автономно при постоянной скорости вращения вала, представляющая собой систему уравнений по Второму Закону Кирхгофа для однофазной операционной эквивалентной схемы замещения АГКЗ и позволяющая при известных параметрах АГКЗ и изменении резистивной нагрузки в широком диапазоне определить требуемое значение емкости конденсаторов возбуждения и оценить статическую устойчивость работы АГКЗ ВЭУ.

3. Разработана математическая модель самовозбуждающегося АГКЗ ВЭУ для оценки динамической устойчивости его работы, определяемая системой уравнений в системе координат dq на основе применения модели Парка, позволяющая аналитически при подключении к выводам АГКЗ ВЭУ активно-индуктивной нагрузки определить напряжения, токи, потокосцепления и активную и реактивную мощности статора и ротора АГКЗ.

4. Разработана имитационно-компьютерная модель самовозбуждающегося АГКЗ ВЭУ с системой АРН, включающая алгоритм управления системой АРН на основе полупроводниковых устройств и позволяющая исследовать АГКЗ ВЭУ в автономном режиме работы и при параллельной работе с электрической сетью при постоянной скорости вращения вала. Данный результат является решением задачи по созданию информационно-методического обеспечения для системного проектирования автономных ЭТК на базе ВЭУ малой мощности.

Теоретическая и практическая значимость.

Теоретическая значимость диссертационной работы заключается в развитии теоретических подходов к совершенствованию способов автоматического регулирования выходных параметров асинхронных генераторов ветроэнергетических установок.

Практическая значимость диссертационной работы заключается в предложенных новых структурных схемах ЭТК малой мощности на базе ВЭУ с АГ для автономных потребителей и функциональной схеме системы автоматического регулирования напряжения и частоты самовозбуждающегося АГ, выполненной на микроконтроллерах, симисторах, аналого-цифровых блоках и ПИД-регуляторах, которые отличаются от аналогов совокупностью технических и экономических показателей.

Полученные в работе результаты являются информационно-методическим обеспечением для проектирования и разработки автономных ЭТК малой мощности на базе ВЭУ с самовозбуждающимся АГКЗ, которые могут быть полезны для инженеров, занимающихся проектированием ВЭУ.

Реализация результатов работы.

Результаты диссертационного исследования были внедрены и используются в практической деятельности ОАО «Системавтоматика» (организация занимается строительством ветроэлектрических и солнечных станций на территории РТ).

Результаты диссертационного исследования применяются в учебном процессе на кафедре «Электроснабжения промышленных предприятий и электротехнологий» ФГБОУ ВО «НИУ «МЭИ» при проведении лабораторных работ по дисциплине «Электроснабжение потребителей и режимы» и кафедре «Электроснабжение» Таджикского технического Университета им. М.С. Осими.

Соответствующие акты внедрения приведены в Приложении 4.

Методы исследования основаны на использовании методов теории электрических машин, теоретических основ электротехники, векторного анализа, теории управления и на методах имитационного компьютерного моделирования. Проверка адекватности экспериментально полученных результатов производится путём сравнения их с результатами численного моделирования на основе программного обеспечения (ПО) МАТЬАВ/81шиНпк и подтверждена результатами физических экспериментов.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Новый способ автоматического регулирования напряжения и частоты АГКЗ ВЭУ в составе автономного ЭТК малой мощности, отличающийся от известных способов тем, что к обмоткам статора АГКЗ ВЭУ подключают конденсаторы возбуждения с фиксированным значением емкости, а регулирование значения выходного напряжения АГКЗ ВЭУ осуществляется за счет подключения дополнительных конденсаторов с необходимым значением емкости при помощи системы АРН. Данный способ позволяет использовать преимущества АГКЗ ВЭУ, снизить потери мощности, повысить надежность и уменьшить массогабаритные показатели автономного ЭТК на базе ВЭУ.

2. Функциональная схема физической модели системы АРН АГКЗ ВЭУ для автономного ЭТК малой мощности, содержащая конденсаторы возбуждения, выполненная на однофазном автоматическом регуляторе возбуждения, содержащем однотипные параллельно соединённые регулирующие элементы, состоящие из последовательного соединения конденсатора и двунаправленного полупроводникового ключа. Система АРН содержит однофазный измерительный трансформатор напряжения, однофазный мостовой выпрямитель, алгебраический сумматор, аналого-цифровой преобразователь, блок выбора ступени регулирования, и формирователь импульсов управления двунаправленными полупроводниковыми ключами.

3. Функциональная схема лабораторной установки для исследования основных характеристик и параметров самовозбуждающегося АГКЗ ВЭУ.

4. Компьютерный алгоритм для программной реализации математической модели самовозбуждающегося АГКЗ автономной ВЭУ, работающей при постоянной скорости вращения вала в стационарном режиме, применение которого позволяет определить требуемое значение емкости конденсаторов возбуждения и оценить статическую устойчивость работы АГКЗ ВЭУ в среде программного комплекса MATLAB/SimuHnk.

5. Разработанные структурные схемы систем электроснабжения для автономных ЭТК малой мощности на базе ВЭУ с АГКЗ и системой АРН.

Достоверность результатов диссертационной работы обеспечивается применением известных методов теории автоматического управления, а также корректным использованием математического аппарата, применением общепринятых математических моделей и законов электротехники, теории электрических машин, численных методов решения дифференциальных уравнений, соответствием (при принятых допущениях) результатов теоретических расчетов с результатами имитационного компьютерного и физического моделирования.

Область исследования. Тема диссертационного исследования соответствует области исследования паспорта специальности ВАК Минобрнауки России 05.09.03 «Электротехнические комплексы и системы»: 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.

Личный вклад автора заключается в формулировке общей идеи и цели работы, определении путей их решения, в разработке новой системы АРН для стабилизации выходного напряжения и частоты АГКЗ ВЭУ, разработке лабораторной установки для испытаний АГКЗ в различных рабочих режимах, разработке компьютерной модели системы АРН при проведении исследований в среде программного комплекса MATLAB/Simulink, анализе, обобщении, получении научных результатов и выводов по работе.

Апробация результатов работы. Материалы диссертации были доложены и обсуждены на Республиканской научно-практической конференции «Электроэнергетика, гидроэнергетика, надежность и безопасность», г. Душанбе, 24 декабря 2016 г; на VIII Международной научно-технической конференции «Электроэнергетика глазами молодежи-2017» (г. Самара, СамГТУ, 02-06 октября 2017 г.); на XLVII Международной научно-практической конференции с элементами научной школы «ФЁДОРОВСКИЕ ЧТЕНИЯ - 2017» (г. Москва, НИУ "МЭИ", 15-17 ноября 2017 г.); на The 2nd International Conference on the Applications of Information Technology in Developing Renewable Energy Processes

and Systems, IEEE-IT-DREPS 2017. (Amman, Jordan, December 06-08, 2017); на IV Международный конгресс REENCON-XXI «Возобновляемая энергетика XXI век: Энергетическая и экономическая эффективность» (г. Москва, Сколково, 05-06 июня 2018 г.); на IX Международной научно-технической конференции «Электроэнергетика глазами молодежи-2018» (г. Казань, КГЭУ, 01-05 октября 2018 г.); на XLVIII Международной научно-практической конференции с элементами научной школы «ФЁДОРОВСКИЕ ЧТЕНИЯ - 2018» (г. Москва, НИУ "МЭИ", 14-16 ноября 2018 г.); и 2019 The IEEE Conference of Russian Young Researchers in Electrical and Electronical Engineering (EIConRus). (St. Petersburg, January 28-30, 2019); на Международной конференции «Водно-энергетические ресурсы, основа реализации Международного десятилетия действий «Вода для устойчивого развития», 2018-2028 годы». (ДФ НИУ "МЭИ" в городе Душанбе, Республика Таджикистан, 12-13 апреля 2019 г.), а также на заседаниях и научно-технических конференциях и семинарах кафедры Электроснабжения промышленных предприятий и электротехнологий ФГБОУ ВО «НИУ «МЭИ» в 2015-2019 гг.

Публикации. По результатам выполненных исследований по теме диссертации опубликовано 1 2 печатных работ, в том числе 2 в изданиях, включённых в перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, рекомендованных ВАК Минобрнауки России, и 2 в изданиях, индексируемых в базе данных Scopus.

Структура и обьем работы. Диссертационная работа изложена на 141 страницах машинописного текста, включая 1 1 таблицы и 60 иллюстрации. Список использованной литературы включает 98 наименований работ отечественных и зарубежных авторов. Работа состоит из введения, четырёх глав, заключения и 4 приложений. Приложения представлены на 9 страницах.

1.ПРИМЕНЕНИЕ ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК ДЛЯ ЭНЕРГОСНАБЖЕНИЯ СЕЛЬСКИХ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ РЕСПУБЛИКИ

ТАДЖИКИСТАН, АНАЛИЗ СОВРЕМЕННЫХ СПОСОБОВ СТАБИЛИЗАЦИИ ВЫХОДНЫХ ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Применение автономных систем электроснабжения на альтернативных источниках энергии для потребителей, расположенных в высокогорных регионах Республики Таджикистан

В Республике Таджикистан (РТ) в настоящее время основными производителями электрической энергии являются гидравлические электрические станции (ГЭС) и тепловые станции. Из-за географических и естественно-климатических условий, а также особенностей структуры и функционирования электроэнергетического комплекса в осенне-зимний период в РТ существует дефицит электроэнергии. Так, с одной стороны, недостаточен приток воды в водохранилище Нурекской ГЭС для выработки необходимого количества электрической энергии Вахшским каскадом электрических станций, с другой стороны, отсутствуют другие источники энергии для энергоснабжения городских, промышленных и сельских потребителей [1]. Особенно проблематична сложившаяся ситуация для сельских потребителей, расположенных в высокогорных регионах РТ: значительная часть потребителей населённых пунктов получает электроэнергию в ограниченном объеме и в ограниченное время, что сдерживает социально-экономическое развитие отдельно взятых регионов и РТ в целом.

Проблема дефицита электроэнергии с вводом в действие плотины Рогунской ГЭС, возможно, будет решена. Однако оборудование части достаточно старых электрических станций Вахшского каскада в значительной степени устарело и требует коренной реконструкции. Следовательно, на первой стадии начало ввода агрегатов Рогунской ГЭС в работу, эта проблема в стране в какой-то степени будет сохраняться [2, 3].

В Таджикистане, где 93% территории занимают горы, около 73% населения проживает в сельской и высокогорной местности. Характерной особенностью высокогорных мест является наличие большого числа мелких потребителей энергии, удалённых от источников энергии и центров её распределения - это небольшие населённые пункты, станций сотовой мобильной связи, геологические экспедиции, туристические базы, пастбища, пограничные заставы, объекты гражданской обороны и МЧС и многие другие автономные потребители, где централизованное электроснабжение очень затруднительно или малоэффективно

[4].

В некоторых местах установлены дизель-генераторные установки (ДГУ), с постоянным дежурным персоналом высокой квалификации. Применение ДГУ сопровождается высокими затратами, в особенности для бытового энергопотребителя. Также применение ДГУ в РТ сдерживается следующими факторами [5]:

• высокая стоимость доставки дизельного топлива;

• высокий уровень технического износа функционирующих ДГУ;

• ухудшение экологической обстановки из-за вредных выбросов в атмосферу.

В этой связи, одним из перспективных направлений по обеспечению электроэнергией высокогорных сельских потребителей, удалённых от источников энергии и центров её распределения, является использование собственных генерирующих мощностей на основе высокоэффективных энергоустановок, использующих возобновляемых источников энергии (ВИЭ) [6], наиболее перспективным из которых является ветер.

Следует отметить, что значительная потребность в энергоустановках малой мощности связана с широким использованием их при создании энергетических комплексов с ВИЭ и в установках распределенной энергетики [7]. Доля ВИЭ в общей структуре установленных мощностей по различным странам составляет: в Дании - 40%, Португалии - 23%, Испании - 27%, Ирландии - 20%, Германии -13%, Великобритании - 12%. При этом отмечается значительный прирост

инвестиций в «зеленную энергетику» и увеличение ввода новых генерирующих мощностей на базе ВИЭ в крупнейших экономиках: США и КНР. Так согласно [8] 68% построенных в 2015-ом году в США мощностей (10,9 ГВт) относятся к ВИЭ (из них 8,5 ГВт - ветряные электростанции (ВЭС)), а инвестиции в развитие ВИЭ составили 56 млрд. $ (30,2 млрд. $ было инвестировано в солнечную энергетику, 11,6 млрд. $ - на ветряную, 11,1 млрд. $ - на развитие электросетей и общее повышение энергоэффективности). Правительства КНР в 2017-ом году ввело в эксплуатацию 19 ГВт новых мощностей на базе ВЭС, общая установленная мощность ВЭС в стране составила 188 ГВт (34,8 % от установленной мощности всех ВЭС в мире) [9,10]. По данным Международной ассоциации ветроэнергетики в 2017-ом году общая установленная мощность ВЭС увеличилась на 52,5 ГВт с темпом роста 10,8%, составив 539,3 ГВт [11].

В Таджикистане по оценкам экспертов, потенциал альтернативных (возобновляемых) источников составляет [12]: солнечного излучения - 3103 млрд. кВт-ч/год, энергии биомассы - 2 млрд. кВт-ч /год, энергии ветра - 25-150 млрд. кВт-ч/год, геотермальной энергии - 450 млрд. кВт-ч/год. Даже частичное использование этого потенциала позволит значительно улучшить доступ населения к энергоресурсам, стабилизировать энергобаланс и экологическую ситуацию в стране.

В условиях Таджикистана есть много возможностей для строительства локальных мелких электростанций (ГЭС, СФЭС, ВЭС и т.д.) в горных регионах. Однако они используются не в полной мере. Всего в стране: 310 малых ГЭС до 25 МВт суммарной мощностью 131 МВт (подключено в общую сеть - 14); локальные солнечные фотоэлектрические установки (СФЭУ) с общим количеством 3000 шт. суммарной мощностью 4,8 МВт; небольшое количество ветроэнергетических установок (ВЭУ) мощностью от 0,5 до 50 кВт. В настоящее время на их долю приходит приблизительно 2% общего энергобаланса и это в основном связано с внедрением микро- и малых ГЭС [12].

В этой связи населённые пункты, находящиеся неподалеку от небольших рек, эффективнее всего будет питать от малых ГЭС при сочетании их с ВЭУ или

СФЭУ в одном энергокомплексе, которые можно построить в непосредственной близости. Так получиться еще более надёжное электроснабжение отдаленных населенных пунктов [13, 14]. Однако стоит выделить соответствующие факторы, влияющие на развитие сферы использования таких энергокомплексов на базе ВИЭ [14]:

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Сангов Хушдил Саидович, 2019 год

— - —

s m —

—

slip

—

M

3su2

-sR2

M =

зи—

slip

-2 r

3U2 — ,

1 - K, M = K

R

-2 R

(3.4)

(3.5)

где /2 - ток обмотки ротора, А; Рэм - электромагнитная мощность, Вт; ^ ■ скольжение; ат - угловая скорость вращения ротора генератора, рад с-1; -угловая скорость скольжения; К - постоянный коэффициент.

Крутящий момент,

Рис. 3.9. Характеристика крутящего момента асинхронной машины

Из последнего уравнения (3.6) можно сделать вывод, что развиваемый крутящий момент может регулироваться скольжением и сопротивление ротора. Этот утверждение можно использовать для поддержания постоянной скорости при увеличении крутящего момента нагрузки. Скорость ветровой турбины является переменной и имеет два предела - максимальный и минимальный. Изменение активной мощности влияет на скорость вращения ротора, а изменение реактивной мощности влияет на выходное напряжение генератора.

Таким образом, экспериментально к цепи ротора асинхронного генератора было добавлено внешнее сопротивление, а максимальный крутящий момент в

s

s

этом случае не менялся. График зависимости крутящего момента от скольжения машины показан на (рис. 3.10). Характеристика крутящего момента, приведенная на (рис. 3.10), показывает, что для скольжения - 0,2 скорость вращения составляет 1530 об/мин, для разных значений сопротивления ротора (в рассматриваемом случае 2 Ом, 4 Ом, 6 Ом и 10 Ом) имеется возможным поддерживать увеличение крутящего момента до - 55 Н-м, - 40 Н-м, -30 Н-м и -18 Н-м соответственно.

Рис. 3.10. График влияние сопротивления ротора на характеристику крутящего момента и скольжения асинхронной машины

Динамическое уравнение асинхронного генератора определяется следующим образом:

Мэм - М мех = -

dt

(3.6)

где Мэм - электромагнитный момент; Ммех - механический момент от ветряной турбины (в качестве эксперимента моделируется машиной постоянного тока); J - момент инерции, кгм2.

В области скольжение (б) уравнение (3.6) можно написать следующим выражением:

(=

М (5) - М

эм У /_м

Js

(3.7)

При управлении скоростью генератора можно использовать ПИД-регулятор, чтобы уменьшить ошибку состояния и улучшить реакцию (выходную характеристику). 81шиНпк моделирование блок-схемы системы управления скорости вращения АГ ВЭУ показан на (рис. 3.11), а полученная характеристика показана на (рис. 3.12).

Рис. 3.11. 81шиНпк моделирование блок-схемы управления скоростью

вращения АГ ВЭУ

Рис. 3.12. Переходная характеристика угловой скорости вращения ротора

АГ ВЭУ

3.4. Статический анализ трехфазного самовозбуждающегося асинхронного генератора ветроэнергетической установки

Во-первых, асинхронный генератор получает механическую энергию от ветряной турбины; когда наведенный крутящий момент на валу генератора изменяется, также изменяется и вырабатываемая электрическая мощность на его выводах. В связи с непостоянством скорости ветра большую часть времени ВЭУ вырабатывает меньшую мощность. Кроме того, при использовании самовозбуждающегося АГ в составе ВЭУ часто возникает проблема стабилизации напряжения и частоты на выводах генератора. При этом существуют несколько способов стабилизации выходного напряжения и частоты самовозбуждающегося АГ ВЭУ с использованием электронных систем автоматического регулирования для обеспечения требуемого качества электроэнергии. Изменения выходного напряжения самовозбуждающегося АГ в основном связана с изменением входной механический момент и изменении подключаемой нагрузки. Для того, чтобы регулировать напряжение и поддерживать его значение на необходимом уровне, емкость конденсаторных батарей должна регулироваться силовыми электронными устройствами. В качестве такого регулятора могут применятся широтно-импульсная модуляция (ШИМ) на основе полупроводниковых тиристоров.

В этой связи, в этом разделе предлагается математическая модель для анализа установившейся режима самовозбуждающегося АГ ВЭУ, работающей автономно при постоянной скорости вращения вала, представляющая собой систему уравнений по Второму Закону Кирхгофа для однофазной эквивалентной схемы замещения АГ и позволяющая при известных параметрах генератора и изменении резистивной нагрузки в широком диапазоне определить требуемое значение емкости конденсаторов возбуждения и оценить статическую устойчивость работы АГ ВЭУ. Также доказывается, что емкостное (Хс) и индуктивное реактивное сопротивление (Хт) асинхронного генератора примерно равны, что упрощает выбора требуемого значения емкость возбуждения.

Эквивалентная схема замещения АГКЗ, отнесенное к единице частоты и к единице скорости показана на (рис. 3.13).

R/a

-jxc/(a)

~7[\

I1 r1/a -—

jx1

+

V1/a

Im

\/

<

I jx

+

jXm Em

М/

r2/(a-b)

Рис. 3.13. Однофазная эквивалентная схема замещения АГ ВЭУ Для этой схемы было введено следующие параметры: (actual)frequency _ f и _ (actual)speed

ю

a ■■

b = -

(rated) frequency f6 (rated )sync.speed, at, f w6

(3.8)

где f - основная частота, Гц; fб - базисная частота, Гц; ш - действительная частота вращения; шб - базисная частота вращения.

Уравнение контура схемы (рис. 3.13) можно записать по закону Кирхгофа в

виде:

r2

a - b

+ JX2

(jXm)

r2

+ JX + - +

-jRXc

a - b

+ J (X2 + Xm )

a a(aR - JXC)

= 0

(3.9)

Расчёт уравнения (3.9) в функции относительной частоты (а), перепишется в следующем виде:

К3а3 + К2а2 + Кха + К0 = 0 (3.10)

К3, К2, К1 и К0 - являются коэффициентами, зависящими от параметров машины, емкости, скорости и сопротивления нагрузки и определяются как:

К3 = • Х2 + (+ Х2 ) • Хт,

К2 = ((Х + Хт ) • Г + Х2 • Хт / Я + (Хт + Х^Ъ + Х1 • X, / Я))

Х + Хт) Х2 + Х1 • Хт;

К, = ((х+Хт) • г • х / Я+г, • г2+(Х2 + Хт) • (1+г / Я) • Хс)

-jb(( x2 + ). r+(x+). Xe. xj R+Xm■ Xe. xj R); K = ((1+rj R). Xc. Г2) - jb■ ((X2+Xm) ■ (1+Г1) ■ X);

Решая уравнение (3.9), получим три сложных корней, а именно:

a=m + jn j a=m+jn» a=m3+jn3,

Самовозбуждение произойдет, если любой из корней уравнения (3.10) имеет положительную действительную часть. Стабильность работы асинхронной машины зависит от значений этих корней. Проведенные анализы показывают, что два из этих корней a1, а2, в которых значения m отрицательны, отклоняются. В то время как третий корень а3 рассматривается, где m может быть положительным, отрицательным или нулевым. Нулевое значение m определяет стационарную рабочую точку, ниже которой генератор становится нестабильным. Это утверждение было доказано экспериментально, для различных значений нагрузки, когда m3 равно нулю, АГ становится стабильной.

3.4.1. Компьютерный алгоритм для анализа статической устойчивости работы самовозбуждающегося АГ ВЭУ

Для реализация предлагаемой математической модели для анализа установившейся режима и оценки статической устойчивости работы самовозбуждающегося АГ ВЭУ, описанной в системе уравнений (3.8) - (3.10), также разработан компьютерный алгоритм для вычисления три найденных сложных корней а1, а2, а3 с комплексными коэффициентами K1, K2, K3 при постоянной скорости вращения вала (¿=1). На (рис. 3.14) представлена блок-схема компьютерной программы в среде программного комплекса MATLAB/Simulink для оценки статической устойчивости работы самовозбуждающегося АГ ВЭУ.

С помощью разработанной компьютерной алгоритм можно исследовать изменение напряжения на выводах самовозбуждающегося АГ при изменении нагрузки, а также регулирование напряжения в зависимости от соответствующего ёмкости возбуждения. Таким образом, в качестве примера применения предлагаемого метода статического анализа была выбрана резистивная нагрузка

Я=400 Ом для вычисления вариаций Хс и Хт при нулевой действительной значений корней и с постоянной скоростью вращения вала генератора. В качестве числовой иллюстрации для статического анализа в (табл. 3.1) и (табл. 3.2) приведены значений корней а1, а2, а3 уравнения (3.10), рассчитанные с использованием параметров асинхронной машины (в рамках проведенных экспериментальных исследований) для (Хс=40 Ом, Ь=1, Ян=400 Ом) и разных значений Хт. Полученные экспериментальные данные показывают, что в установившимся режиме работы, где действительная часть корня а3 равна нулю, Хт и Хс имеют примерно одинаковое значение при заданной значении нагрузки (табл. 3.2). Также значение Хт = 101,5 Ом или 31 мкФ является более точным для нагрузки Ян= 400 Ом, поскольку 400 Ом находится рядом с холостым ходом, где минимальная емкость возбуждения составляет 28 мкФ. Реальная часть корня а3 равна нулю (табл. 3.2), так как достигается устойчивое состояние.

Таблица 3.1

Корни характерного уравнения (3.10) для различных Хт и для Хс = 40 Ом, Ь = 1, Ян = 400 Ом

Хт, Ом аз Действ. часть Мнимая часть а2 Действ. часть Мнимая часть а1 Действ. часть Мнимая часть

120 0,0826 0,9828 -0,352 2,949 -0,174 -2,932

100 0,0779 0,9709 -0,603 2,950 -0,301 -2,911

80 0,0730 0,9720 -0,601 2,957 -0,300 -2,929

60 0,0650 0,9738 -0,598 2,969 -0,299 -2,943

40 0,0499 0,9770 -0,592 2,991 -0,297 -2,968

20 -0,0513 0,9949 -0,577 3,054 -0,293 -3,039

36,7 0,0000 0,9906 -0,323 2,106 -0,219 -2,096

Таблица 3.2

Корни характерного уравнения (3.10) для различных Хс и Хт, Ь = 1, Ян = 400 Ом

Хс, Ом Хт, Ом аз Действ. часть Мнимая часть а2 Действ. часть Мнимая часть а1 Действ. часть Мнимая часть

106 101,5 0,0000 0,9996 -0,2449 3,3554 -0,1914 -3,3550

80 77,5 0,0000 0,9937 -0,3509 2,9330 -0,2783 -2,9266

64 61,2 0,0000 0,9931 -0,3370 2,6331 -0,2580 -2,6262

40 36,7 0,0000 0,9906 -0,3232 2,1062 -0,2191 -2,0967

Рис. 3.14. Блок-схема компьютерной программы для оценки статической устойчивости работы самовозбуждающегося АГКЗ ВЭУ

3.4.2. Экспериментальное исследование трехфазного самовозбуждающегося

асинхронного генератора ВЭУ

Асинхронная машина имела следующими параметрами: трехфазный, мощностью Рн=1,5 кВт, номинальное напряжение ин=380 В, частота ^=50 Гц, номинальный ток /н=3,6 А, скорость вращения ротора «=1440 об / мин, четыре полюса. Для испытания асинхронной машины в режиме генератора (АГ) на нагрузки в качестве первичного двигателя было подключено отдельно возбужденный двигатель постоянного тока (ДПТ) со следующими номинальными характеристиками: возбуждение: 220 В, 0,65 А, цепь якоря: 220 В, 7,9 А. Также переменный блок конденсаторов возбуждения от 1 до 20 мкФ и резистивный нагрузочный блок мощностью Рн=3,0 кВт.

В соответствии со схемой лабораторной установки на (рис. 2.3) второй главы асинхронная машина установлен на одном фундаменте с двигателем постоянного тока через соединительный вал. Питание ДПТ выполнено через трехфазный автотрансформатор (ЛАТР) и выпрямительный мост, собранный по схеме Ларионова. Питание обмотки возбуждения ДПТ - независимое, ток в обмотке возбуждения (ОВ) регулируется. Плавное изменение частоты вращения ДПТ было достигнуто за счёт регулирования выходного напряжения ЛАТР. В процессе экспериментальных исследований крутящий момент асинхронной машины изменился от нуля до его номинального значения и частоты вращения вала двигателя (ют). Такая система позволяет получить переменное напряжение постоянной частоты при изменяющейся частоте вращения вала генератора.

Таким образом, проведенные исследования подтвердили правильность выбора количества ёмкостных батарей и значения их ёмкости, необходимого для самовозбуждения АГ, а также для регулирования напряжения на выводах АГ в условиях переменной нагрузки в интервале от режима холостого хода до номинальной.

Полученные численные значения параметров схемы замещения асинхронной машины по аналитическим расчетам, проведенные в разделе 2.4

следующие: Я1 =Я2 =2 Ом, Х1 =Х2 = 4,8 Ом. Полученные экспериментальные результаты нагрузочного опыта АГ приведены в (табл. 3.3).

В результате опыта холостого хода была построена характеристика намагничивания для определения минимальной емкости, необходимой для самовозбуждения АГ ВЭУ (рис. 3.15). Также, на основании полученных данных из опыта холостого хода было построено график напряжения на выводах АГ ВЭУ в зависимости от емкости возбуждения, как показано на (рис. 3.16).

Рис. 3.15. Зависимость выходного напряжения от тока намагничивания Ет(1т)

Целью следующего опыта являлось исследование зависимости переменной нагрузки при различных значениях емкости при постоянной скорости вращения вала «=1500 об/мин, как показано на (рис. 3.17).

Нагрузочные испытание проводилось при постоянном напряжении на выводах АГ и постоянной скорости вращения (и1 = 410 В, п =1500 об/мин). На основе данных из (табл. 3.3) были построены три зависимости, представленные на (рис. 3.18) и показывающие зависимость от выходной мощности для следующих параметров: емкость, (б) ток нагрузки и (в) сопротивление нагрузки соответственно.

со

а>

СЕ

*

л

т

т

ф

о

т -

с

л

со

600 530 560 540 520 500 430 460 440 420

/

У

У

/

/

/ /

/

30 35 40 45 50

Емкость возбуждения, С [мкФ]

55

Рис. 3.16. Напряжение холостого хода на выводах АГ в зависимости от

емкости возбуждения

Рис. 3.17. Напряжение на выводах АГ в зависимости от выходной мощности для разных значений емкости при постоянной скорости «=1500 об / мин

о

CD

ID rt O m

LU

35

30

25

20

15

10

-

Ю 7С Ю ЗС >0 9( 30 10 00 11 00 12 00 13

2 1.8 1.6 < 1-4

1.2

Рл 1 CL

® 0.3 -

P 0.6

0.4 0.2 0

00

Выходная мощность Рген [Вт]

(а)

/

/

/

600 700 300 900 1000 1100 1200 1300 Выходная мощность Рген [Вт]

(б)

Для стандартного АГ мощностью 1,5 кВт минимальная емкость, необходимая для самовозбуждения, составляет 28 мкФ. Если значение емкости конденсатора превышает 28 мкФ, то режим самовозбуждения не достигается, так как вольт-амперная характеристика конденсатора не будет являться касательной к основной кривой намагничивания (как это показано на рис. 3.15 для

конденсаторов с сопротивлениями ХС2=80 Ом и ХС3=60 Ом). Из (рис. 3.18 (а)) видно, что для поддержания напряжения на выводах АГ ВЭУ неизменным при уменьшении сопротивления нагрузки Ян от 400 до 133,4 Ом (табл. 3.3) значение емкости нужно увеличить с 31 мкФ до 40,5 мкФ.

(в)

Рис. 3.18. Результаты эксперимента в зависимости от выходной мощности для следующих величин: (а) емкость, (б) ток нагрузки (в) сопротивление нагрузки

Таблица 3.3

Результаты нагрузочного опыта АГ при постоянном напряжении и скорость вращения ротора (и1 = 410 В, п = 1500 об / мин)

Данные асинхронного генератора Данные ДПТ

№п. Ян, Ом С, мкФ Р, Гц /н,Л Лен, Вт Уь, В /а, ёс /а, ас /с, Л

1 400 31,0 49,7 0,50 600 190 2,45 1,85 2,15

2 300 32,5 49,5 0,70 700 190 3,10 2,15 2,25

3 200 33,5 49,5 1,10 900 190 4,40 2,50 2,35

4 167 35,7 49,3 1,35 1200 190 5,30 2,70 2,40

5 134 40,5 49,0 1,70 1300 195 6,60 2,80 2,55

3.5. Динамический анализ трехфазного самовозбуждающегося асинхронного генератора ветроэнергетической установки

3.5.1. Динамическая модель самовозбуждающегося АГ ВЭУ

Для реализации системы управления (СУ) в ВЭУ необходимо знать динамическую модель асинхронной машины. Модель электрической машины, которая подходит для проектирования системы управления, должна учитывать все важные динамические эффекты, возникающие во время статических и переходных режимах. Она должна сохранять работоспособность для любых произвольных временных изменений напряжений и токов, генерируемых преобразователем.

Известно, что с целью сокращения числа и упрощения структуры уравнений, описывающих рабочие процессы асинхронного генератора, токи и напряжения фаз статора и ротора трехфазная система векторов может быть представлена в компактной форме в виде одного вращающегося пространственного вектора [48, 49, 79]. В свою очередь пространственный вектор может быть представлен в виде проекций на оси ортогональной системы координат. Пространственные векторы АГ могут быть представлены в синхронно вращающейся системе координат dq, вращающаяся с синхронной скоростью.

Простое представление получается путем преобразования трехфазной системы в двухфазную (преобразование dq) с использованием модели Парка при следующих допущениях: фазные обмотки статора и ротора АГ считаются симметричными; результирующая магнитодвижущая сила (МДС) имеет синусоидальное распределение по окружности статора АГ; насыщение взаимных индуктивностей и гистерезис отсутствуют; поверхностным эффектом в проводниках обмоток фаз статора и ротора пренебрегают; механическими, магнитными и добавочными потерями пренебрегают, и учитываются только потери мощности на сопротивлениях фаз статора и ротора. Такое преобразование позволяет упростить СУ, поскольку в dq координатах проекции всех величин

имеют скалярный вид. Эквивалентная электрическая схема трехфазного самовозбуждающегося АГ в осях dq показана на (рис. 3. 19).

¡аг Яг

ыгУаг Ьгт

Lsm

ЮsWds

Я

L

iqг Яг Lгm Lsm Я ^ iqs

Я

L

Рис. 3.19. Модель самовозбуждающегося АГ в системе координат dq При разработке модели АГ ВЭУ были приняты следующие общепринятые обозначения векторных величин:

из - фазное напряжение питания статора (В); иг - фазное напряжение питания ротора (В);

фазный ток статора (А); /г- фазный ток ротора (А);

- потокосцепление статора на оси dq (Вб); х¥г - потокосцепление ротора на оси dq (Вб). Электрические параметры статора и ротора:

Яя - активное сопротивление фазной обмотки статора (Ом);

Яг - активное сопротивление фазной обмотки ротора (Ом); £т - индуктивность основного контура намагничивания (Гн); - индуктивность рассеяния фазных обмоток статора (Гн);

Ьг - индуктивность рассеяния фазных обмоток ротора (Гн);

- угловая частота вращения магнитного поля статора (радс-1); сг - угловая частота вращения магнитного поля ротора (рад-с-1); ст - электрическая угловая частота вращения ротора (радс-1). Соотношение между тремя угловыми частотами вращения имеет следующий вид [36]:

с =с + С •

s г т >

(3.11)

Связь между механической скоростью вала Пт и электрической частотой вращения ротора определяется так:

= Р ^т, (3.12)

где р - число пар полюсов.

Скольжение машины ^ определяется следующим образом:

с - с с

з т _ г

С

с

(3.13)

Следовательно, электрическую угловую частоту вращения ротора можно рассчитать так:

сг = з с, (3.14)

Уравнения напряжений в системе координатах dq определяется следующим образом [79]:

(РФ

dt

и, = Яг, +-^ - с Ч ,

аз в аи (у[{ S ^'

и = Я/ +-+

(3.15)

dx¥

иг = ЯТГ +—

Г Г Г 7. ^ Г Г

dt

dt а ч

з дя'

-^-сЧ ,

ах г дг г

сЩ/

и = Я / +-д- + ,

-- — г аг'

(3.16)

дг гдг ах

Аналогично, потокосцепления статора и ротора определяется следующим образом:

(3.17)

<

<

<

Ч* =Ь I +ы =>

г т з з г

ч* =ы +и , (318)

дг в дв г дг'

Активные мощности (Вт) статора и ротора вместе с реактивными мощностями (ВА) могут быть рассчитаны по следующим формулам:

3 3

р.=+иЛ); р.=-¿^г+V.); (3.19)

3 3

О = — (и ¡, + и Л ); О = — (и ¡, + ил ); (3.20)

^ ^ д. а. а. д. ^г дг аг аг дг V /

Уравнения электромагнитный крутящий момент (Нм), создаваемый АГ, может быть рассчитан с помощью следующего выражения:

3 Т

Мэм = 3Р(Чл -ЧЛг), (3.21)

вт

С другой стороны, при самовозбуждении АГ мгновенные значений напряжения и токи могут быть рассчитаны в соответствии со следующими уравнениями [49]:

Рд = ТтК(идг + ^тС ~ К1дг + ^ЛС) - ТгК ("д. ~ ~ "ьд)

д д (3.22)

Рд = ТтК(ид. - - иьд ) - Т..К(идг + а*Тт1сЬ - К1дг + ^ЛС ) РС = ТтК(иаЪ - - иЬС) - Т.К (иСг + ^т^ - Кг1Сг + ^Л^г )

где К = ——, постоянный коэффициент; , , ^, ^ - являются

т . г

продольные и поперечные составляющими токов статора и ротора по осям й и q; , идз, иы, ^ - являются продольными и поперечные составляющими

напряжения статора и напряжения нагрузки.

Обратим внимание, что ток намагничивания должен рассчитываться на каждом шаге интегрирования на выводах обмотки статора и ротора по осям й и q:

1т = ^/[ (с + )2 + (д + V )2 ] (3.23)

где 1т - ток намагничивания, А.

<

Изменение намагничивающего реактивного сопротивления играет важную роль в динамике нарастания и стабилизация напряжения в асинхронном генераторе. Зависимость между реактивным сопротивлением намагничивания Хт и током намагничивания /т была получена экспериментально путем приведения в действие АГ на синхронной скорости и показана на (рис. 3.20).

120

Е 100

X

§ 80

и

ф

(Б

О.

&0

40

20

\

\ \

ч \ V

Ток намагничивания 1т [А]

ю

Рис. 3.20. График зависимости изменение намагничивающее реактивное сопротивление от тока намагничивания Х^^) Уравнения состояния, которые описывают напряжение и тока на выводах

нагрузки генератора для условий индуктивной нагрузки, являются:

г

1

1

-Ь.

Риьа = 77 = ТГ ^ - Ь); РЬ =~г (иьа - ); Ри^ = - 1и)

С с

1

ь 1

с

-ь.

(3.24)

риЬч = = £ - ); ркч =2 (иьд - ); Ри„ - гь9)

где , ^ - являются продольной и поперечной составляющими тока

нагрузки, А; Я и Ь - активное сопротивление (Ом) и индуктивность (мГн) нагрузки.

Далее с целью динамического анализа системы управления в ВЭУ и проверки адекватности проведенного преобразования координат на основе предложенных уравнений в системе координат dq для самовозбуждающегося АГ будет использовано имитационно-компьютерное моделирование в среде ПО MATLAB/Simulmk.

3.5.2. Simulink моделирование самовозбуждающегося АГ ВЭУ и

экспериментальные результаты

Асинхронная машина имеет следующие параметры: трехфазный, мощностью Рн=1,5 кВт, номинальное напряжение ин=380 В, частота ^=50 Гц, номинальный ток /н=3,6 А, скорость вращения ротора «=1440 об / мин, четыре полюса, активное сопротивление ротора и статора Яа=Яг = 2 Ом, индуктивное сопротивление статора и ротора X=X = 4,8 Ом. Реализация всех уравнений (3.10) - (3.22) устанавливает асинхронный генератор с индуктивной нагрузкой. ПО Matlab/Simulink запускалась в режиме синхронной скорости генератора для разных значений нагрузок. Обратим внимание, что напряжение на выводах АГ поддерживается постоянным путем изменения значения емкости возбуждения. Simulink моделирование и динамические характеристики исследуемого самовозбуждающегося АГ приведены на (рис. 3.20) - (рис. 3.25).

Для нагрузочного опыта в качестве первичного двигателя было использовано отдельно возбужденный двигатель постоянного тока со следующими номинальными характеристиками: возбуждение: 220 В, 0,65 А, цепь якоря: 220 В, 7,9 А. Нагрузочный опыт проводилось при постоянном напряжении на выводах в режиме постоянной скорости вращения вала генератора (и1= 380 В, п = 1500 об / мин). Результаты нагрузочного опыта приведены в (табл. 3.4).

41»' I ... I I

0 9« г: го з» эо Время (секунд)

-о.а-------------

О 5 10 15 20 15 30

Время, секунд

Рис. 3.21. График нарастания фазного напряжения асинхронного генератора

Рис. 3.22. Ток нагрузки при активно-индуктивной нагрузки Я =400 Ом, Ь=5 мГн

Рис. 3.23. Ток нагрузки при активно-индуктивной нагрузки Я =300 Ом, Ь=5 мГн

Рис. 3.25. Ток нагрузки при активно-индуктивной нагрузки Я =167 Ом, Ь=5 мГн

Рис. 3.24. Ток нагрузки при активно-индуктивной нагрузки Я =200 Ом, Ь=5 мГн

Рис. 3.26. Ток нагрузки при активно-индуктивной нагрузки Я =134 Ом, Ь=5 мГн

Таблица 3.4

Результаты нагрузочных испытаний АГ при постоянной индуктивной нагрузки (5 мГн), и (и1 = 380 В, п = 1500 об / мин)

Данные асинхронного генератора Данные ДПТ

№ п. Я, Ом С, мкФ Е, Гц 1с, А 1наг, А 1ген, А Рген, Вт Цвозб, В 1возб, А

1 400 41,0 49,7 2,15 0,70 4,00 600 190 2,45

2 300 42,5 49.5 2,25 0,90 4,90 700 190 3,10

3 200 43,5 49.5 2,35 1,30 5,11 900 190 4,40

4 167 45,7 49.3 2,40 1,70 5,35 1200 190 5,30

5 134 50,5 49.0 2,55 2,25 5,80 1300 195 6,60

Для стандартного асинхронного генератора с номинальной мощностью Рн=1,5 кВт, минимальная емкость для нарастания напряжения составляет 28 мкФ. Из (рис. 3.22) - (рис. 3.26) видно, что при увеличении нагрузки емкость также увеличивается (Я уменьшается с 400 Ом до 133,4 Ом), в то время как индуктивность поддерживается постоянной и небольшой Ь=5 мГн. Чтобы поддерживать постоянное напряжение на выводах генератора, емкость конденсаторов была изменена от 41 мкФ до 50,5 мкФ. При этом частота выходного напряжения поддерживается постоянной.

Таким образом, исследования динамического анализа в результате имитационно-компьютерное моделирование, выполненные на основе самовозбуждающегося АГ в среде программного комплекса Matlab/Simulink, дали результаты, достаточно хорошо совпадающие с экспериментальными результатами. Теория преобразования координат может быть использована не только для упрощения анализа асинхронной машины, но также и для облегчения моделирования и реализации схем управления в ВЭУ.

Выводы по главе 3

1. На первом этапе представлены: разработанная имитационная компьютерная модель (ИК-модель) самовозбуждающегося АГКЗ с системой АРН и его СУ с применением стабилизатора напряжения с обратной связью и ПИД -регулятора, которая обеспечивает стабильную работу системы генерирования в режиме синхронной скорости, работающей автономно в соответствии с заданным алгоритмом управления; а также результаты исследования самовозбуждающегося АГ в режимах изменяющихся нагрузок.

2. Адекватность полученных результатов исследования подтверждается высокой степенью совпадения с экспериментальных и анализ расчётно-теоретических результатов параметров самовозбуждающегося АГКЗ (в главе 2), с результатами ИК-модель, полученных с помощью программного комплекса МАТЬАВ^тиНпк, что в частности, подтверждается высокой точностью полученных характеристик в результате моделирования.

3. Разработана математическая модель для анализа установившейся режима самовозбуждающегося АГКЗ ВЭУ, работающей автономно при постоянной скорости вращения вала, представляющая собой систему уравнений по Второму Закону Кирхгофа для однофазной эквивалентной схемы замещения АГ и позволяющая при известных параметрах АГКЗ и изменении резистивной нагрузки в широком диапазоне определить требуемое значение емкости конденсаторов возбуждения и оценить статическую устойчивость работы АГКЗ ВЭУ. Для программной реализации предложенной математической модели самовозбуждающегося АГКЗ разработан компьютерный алгоритм в среде программного комплекса МАТЬАВ^тиНпк.

4. Разработана математическая модель для динамического анализа самовозбуждающегося АГКЗ на основе модели Парка, представляющая собой системы уравнений (3.11) - (3.24), позволяющая при заданных значениях частоты вращения и момента и при известных параметрах машины рассчитать следующие переменные состояния: напряжения, токи и потокосцепления статора и ротора, а также энергетические показатели: активные и реактивные составляющие мощностей статора и ротора АГКЗ ВЭУ.

5. Для получения информации о динамических процессах в АГ необходима динамическая модель самовозбуждающегося АГКЗ с подключением к активно-индуктивной нагрузке. Она может быть записана системами уравнений в разных системах координат. Здесь также целесообразно выбрать систему координат, позволяющую максимально упростить уравнения, исключив в них периодически изменяющихся коэффициенты. Это может быть достигнуто системой уравнений самовозбуждающегося АГКЗ, записанных в системе координат dq на основе модели Парка.

4. СТРУКТУРНЫЕ РЕШЕНИЯ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ И ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ АВТОНОМНЫХ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ НА ОСНОВЕ ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК

4.1. Структурные решения автономных систем электроснабжения на

основе ветроэнергетических установок

Основной целью при осуществлении энергоснабжения как населённого пункта в целом, так и каждой семьи в частности, является обеспечение их развития в условиях изолированной работы от централизованной сети электроснабжения, поэтому возможны два подхода в обеспечении энергетической безопасности отдаленных населённых пунктов [81]-[88]:

1. Автономная работа ВЭУ и ВЭС.

1.1. Энергоснабжение одного частного дома (семьи) от ВЭУ. В функциональной схеме, представленной на (рис. 4.1) к промежуточной шине постоянного тока подключены ВЭУ и резервный источник - аккумуляторная батарея (АБ). ВЭУ выполнена на асинхронном генераторе (АГ) с короткозамкнутым ротором (АГКЗ) с ёмкостным возбуждением (БВ - блок конденсаторов возбуждения, БК - блок конденсаторов компенсации реактивной мощности нагрузки). Автономный инвертор (И) обеспечивает потребителей электроэнергией переменного тока промышленной частоты 50 Гц.

Для ВЭУ малой мощности до 10 кВт электроэнергия, вырабатываемая ветрогенератором в виде переменного тока, после выпрямления через двунаправленный конвертер постоянного напряжения (ДКПН) поступает в аккумуляторную батарею. Функция регулировки заряда аккумуляторной батареи возлагается на блок автоматики. Подключение теплонагревательных элементов (электробойлера) через контроллер Ветрогрей (КВ) осуществляется, если аккумуляторная батарея полностью заряжена. При этом тепловая энергия может аккумулироваться в виде горячей воды внутри помещений. Электрические

нагрузки подключаются как на постоянном токе 12/24 или 48 В, так и на переменном токе 380/220В, 50 Гц через инвертор.

Рис. 4.1. Функциональная электрическая схема энергоснабжения частного дома (ВК - ветроколесо; М - мультипликатор; В - выпрямитель; DC/DC -преобразователь постоянного тока; И - инвертор; КВ - контроллер Ветрогрей; ЭБ

- электробойлер)

1.2. Энергоснабжение нескольких домовладений и малых производственных предприятий с возможностью секционирования нагрузки. На (рис. 4.2) представлена функциональная схема автономного электротехнического комплекса (ЭТК) на базе ВЭУ средней мощности от 5 до 50 кВт. В этой схеме АГ ветроэнергетической установки является источником напряжения переменного тока повышенной частоты. Блок автоматического регулирования напряжения (АРН) выполняет функцию стабилизации напряжения и частоты на выводах генератора в рабочем режиме при изменении нагрузки [89].

В составе автономного ЭТК на базе ВЭУ дополнительно предусмотрен резервный дизель-генератор. При этом в такой системе обычно не предусматривается параллельная работа генератора ВЭУ и синхронного генератора дизель-генераторной установки (ДГУ). Параллельную работу можно осуществлять с помощью довольно сложной системы автоматического

управления, которая существенно удорожает весь энергокомплекс и поэтому применяется на больших мощностях [81].

СШ~ 0,4 кВ

--------------------1

Л

Ветер

Б К

-( »—

АРН

БС

ЧЬ

СГ