Оптимизация режима автономной ветроэлектростанции с распределенной системой генерации

Александр [Aleksandr] Михайлович [M.] Олейников [Oleynikov]; Лев [Lev] Николаевич [N.] Канов [Kanov]

doi:10.24160/1993-6982-2022-3-63-70

Александр [Aleksandr] Михайлович [M.] Олейников [Oleynikov]
Лев [Lev] Николаевич [N.] Канов [Kanov]

DOI: https://doi.org/10.24160/1993-6982-2022-3-63-70

Ключевые слова: асинхронный генератор, ветроэлектрическая установка, стабилизация напряжения и частоты, балластная и емкостная проводимости

Аннотация

Рассмотрены физические взаимодействия и математическая модель ветроэлектрической станции, состоящей из отдельных распределенных на большой территории ветроагрегатов, вырабатывающих электрическую энергию на общие шины и далее — на трансформатор и нагрузку. В качестве электромеханических преобразователей применены асинхронные генераторы, отличающиеся от синхронных простотой конструкции и более высокой надежностью в эксплуатации. Распределенное расположение ветроагрегатов обусловливает различные ветровые условия для каждого из них, кроме того, их взаимодействие зависит как от протяженности кабельных трасс до сборных шин, так и от параметров трансформаторов. Указанные обстоятельства формируют интерес к исследованию параллельной работы распределенных асинхронных генераторов и возможности оптимизации режима ветроэлектростанции с целью обеспечения качества вырабатываемой электроэнергии — частоты и величины напряжения.

Режим работы подобной ветроэлектростанции на примере двух параллельно работающих на общую активно-индуктивную нагрузку асинхронных генераторов представлен комплексной Т-образной схемой замещения, математическое описание которой сформировано нелинейными комплексными однородными уравнениями для потенциалов узлов. Индуктивности намагничивания являются нелинейными функциями от ЭДС, а для их аналитической аппроксимации применена обратная тригонометрическая функция.

Уравнения механического равновесия включают вращающие моменты ветротурбин, электромагнитные моменты генераторов, моменты инерции вращающихся частей, эпизоды сопротивления и трения, причем при заданных размерах ветротурбины её вращающий момент зависит от угловой скорости вращения, скорости ветра и угла установки лопастей и аппроксимируется сплайн-функциями от сопротивления нагрузки и скоростей вращения ветротурбин.

Анализ рабочего режима основан на численном расчете нетривиальных решений нелинейных комплексных уравнений для потенциалов узлов схемы замещения, напряжения нагрузки и частоты и последующей их аппроксимации как функции от скоростей вращения и сопротивления нагрузки при фиксированных величинах индуктивности нагрузки, емкостях, балластной проводимости и других параметров.

На примере расчета, выполненного для типичных параметров ВЭС небольшой мощности при реальном различии в скоростях ветра для отдельных ВА и переменном сопротивлении нагрузки, показано, что с помощью только изменения углов установки лопастей не удается стабилизировать параметры напряжения на нагрузке, в то время как при одновременном изменении емкостной и балластной проводимостей стабилизация частоты и напряжения осуществляется на заданном уровне. С ростом скоростей вращения ветротурбин емкостная и балластная проводимости должны увеличиваться, с ростом сопротивления нагрузки балластная проводимость также должна возрастать, а емкостная — уменьшаться. Последующим развитием представленного метода может быть анализ способов стабилизации работы ветроэлектростанции при произвольном числе генераторов.

Сведения об авторах

Александр [Aleksandr] Михайлович [M.] Олейников [Oleynikov]

доктор технических наук, профессор, главный научный сотрудник лаборатории экоэнергетики Института природно-технических систем, Севастополь, e-mail: oma091041@gmail.com

Лев [Lev] Николаевич [N.] Канов [Kanov]

кандидат технических наук, доцент кафедры судового электрооборудования Севастопольского государственного университета, Севастополь, e-mail: lnkanov48@mail.ru

Литература

1. Даниленко А.И. Анализ перетоков реактивной энергии на промышленной ветровой электростанции с асинхронными генераторами // Оптимизация производственных процессов. 2005. № 8. С. 58—64.
2. Нетушил А.В. К расчету режима самовозбуждения автономного асинхронного генератора // Электричество. 1988. № 4. С. 52—54.
3. Кривцов В.С., Олейников А.М., Яковлев А.И. Неисчерпаемая энергия. Кн. 2. Ветроэнергетика. Харьков: Изд-во Харьковского авиационного института, 2004.
4. Буяльский В.И. Повышение эффективности управления ветротурбиной // Вестник СевНТУ. Серия «Механика, энергетика, экология». 2008. Вып. 88. С. 152—156.
5. Олейников А.М., Канов Л.Н., Мирошниченко М.С. Математическое моделирование ветроэлектрической установки с автономным асинхронным генератором малой мощности под резистивной нагрузкой // Труды Института электродинамики НАН Украины. 2013. Вып. 36. С. 18—24.
6. Касаткин А.С., Немцов М.В. Электротехника. М.: Высшая школа, 2002.
7. Бессонов Л.А. Теоретические основы электротехники. Т. 1. Электрические цепи. М.: Юрайт, 2012.
8. Ещин Е.К. Управление состоянием группы асинхронных электродвигателей в сети электроснабжения // Известия ВУЗов. Серия «Электромеханика». 2020. Т. 63. № 1. С. 62—68.
9. Ибрагим А. и др. Стратегия управления на основе отслеживания точки максимальной мощности асинхронного генератора двойного питания ветроэнергетической установки // Электротехнические системы и комплексы. 2018. № 4. С. 56—62.
10. Варганова А.В., Ирихов А.С. Оценка надежности внешнего электроснабжения сетей 6 — 10 кВ с источниками распределенной генерации // Электротехнические системы и комплексы. 2021. № 3(52). С. 22—28.
11. Варганова А.В., Байрамгулова Ю.М., Гончарова И.Н., Кроткова О.А. Технико-экономическое обоснование места установки источников распределенной генерации // Электротехнические системы и комплексы. 2019. № 3(44). С. 68—72.
12. Валеев И.М., Нгуен Х.Д. Разработка методики расчета потерь мощности и уровня напряжения в сложных распределительных сетях // Известия ВУЗов. Серия «Проблемы энергетики». 2017. Т. 19. № 1—2. С. 75—85.
13. Сидорова В.Т., Карчин В.В. Перераспределение потоков мощностей в сложнозамкнутых воздушных сетях 10 кВ для уменьшения потерь и улучшения качества электроэнергии // Известия ВУЗов. Серия «Проблемы энергетики». 2016. № 11—12. С. 51—55.
14. Мустафаев Р.И., Гасанова Л.Г. Моделирование и исследование квазистационарных режимов работы ВЭУ с асинхронными генераторами при частотном управлении // Электричество. 2009. № 6. С. 36—42.
15. Удалов С.Н., Ачитаев А.А., Юманов М.С. Исследование режимов работы ветроэнергетической установки на базе электромагнитной трансмиссии в составе автономной системы электроснабжения // Электро. Электротехника, электроэнергетика, электротехническая промышленность. 2015. № 5. С. 32—35.
16. Олейников А.М., Канов Л.Н. Исследование режимов работы многомашинной ветроустановки с механической редукцией // Альтернативная энергетика и экология. 2019. № 10—12. С. 12—22.
17. Баранов Н.Н. Нетрадиционные источники и методы преобразования энергии. М.: Издат. дом МЭИ, 2012.
18. Сафонов В.А. и др. Специальные вопросы возобновляемой энергетики. Севастополь: Колорит, 2017.
19. Торопцев Н.Д. Асинхронные генераторы автономных систем. М.: Знак, 2017.
20. Зубова Н.В., Удалов С.Н., Манусов В.В. Анализ приоритетности контуров управления ветроэнергетической установкой // Электро. 2015. № 6. С. 27—31.
---
Для цитирования: Олейников А.М., Канов Л.Н. Оптимизация режима автономной ветроэлектростанции с распределенной системой генерации // Вестник МЭИ. 2021. № 3. С. 63—70. DOI: 10.24160/1993-6982-2021-3-63-70.
#
1. Danilenko A.I. Analiz Peretokov Reaktivnoy Energii na Promyshlennoy Vetrovoy Elektrostantsii s Asinkhronnymi Generatorami. Optimizatsiya Proizvodstvennykh Protsessov. 2005;8:58—64. (in Russian).
2. Netushil A.V. K Raschetu Rezhima Samovozbuzhdeniya Avtonomnogo Asinkhronnogo Generatora. Elektrichestvo. 1988;4:52—54. (in Russian).
3. Krivtsov V.S., Oleynikov A.M., Yakovlev A.I. Neischerpaemaya Energiya. Kn. 2. Vetroenergetika. Khar'kov: Izd-vo Khar'kovskogo Aviatsionnogo Instituta, 2004. (in Russian).
4. Buyal'skiy V.I. Povyshenie Effektivnosti Upravleniya Vetroturbinoy. Vestnik SevNTU. Seriya «Mekhanika, Energetika, Ekologiya». 2008;88:152—156. (in Russian).
5. Oleynikov A.M., Kanov L.N., Miroshnichenko M.S. Matematicheskoe Modelirovanie Vetroelektricheskoy Ustanovki s Avtonomnym Asinkhronnym Generatorom Maloy Moshchnosti pod Rezistivnoy Nagruzkoy. Trudy Instituta Elektrodinamiki NAN Ukrainy. 2013;36:18—24. (in Russian).
6. Kasatkin A.S., Nemtsov M.V. Elektrotekhnika. M.: Vysshaya Shkola, 2002. (in Russian).
7. Bessonov L.A. Teoreticheskie Osnovy Elektrotekhniki. T. 1. Elektricheskie Tsepi. M.: Yurayt, 2012. (in Russian).
8. Eshchin E.K. Upravlenie Sostoyaniem Gruppy Asinkhronnykh Elektrodvigateley v Seti Elektrosnabzheniya. Izvestiya VUZov. Seriya «Elektromekhanika». 2020;63;1:62—68. (in Russian).
9. Ibragim A. i dr. Strategiya Upravleniya na Osnove Otslezhivaniya Tochki Maksimal'noy Moshchnosti Asinkhronnogo Generatora Dvoynogo Pitaniya Vetroenergeticheskoy Ustanovki. Elektrotekhnicheskie Sistemy i Kompleksy. 2018;4:56—62. (in Russian).
10. Varganova A.V., Irikhov A.S. Otsenka Nadezhnosti Vneshnego Elektrosnabzheniya Setey 6 — 10 kV s Istochnikami Raspredelennoy Generatsii. Elektrotekhnicheskie Sistemy i Kompleksy. 2021;3(52):22—28. (in Russian).
11. Varganova A.V., Bayramgulova Yu.M., Goncharova I.N., Krotkova O.A. Tekhniko-ekonomicheskoe Obosnovanie Mesta Ustanovki Istochnikov Raspredelennoy Generatsii. Elektrotekhnicheskie Sistemy i Kompleksy. 2019;3(44):68—72. (in Russian).
12. Valeev I.M., Nguen Kh.D. Razrabotka Metodiki Rascheta Poter' Moshchnosti i Urovnya Napryazheniya v Slozhnykh Raspredelitel'nykh Setyakh. Izvestiya VUZov. Seriya «Problemy Energetiki». 2017. T. 19;1—2:75—85. (in Russian).
13. Sidorova V.T., Karchin V.V. Pereraspredelenie Potokov Moshchnostey v Slozhnozamknutykh Vozdushnykh Setyakh 10 kV dlya Umen'sheniya Poter' i Uluchsheniya Kachestva Elektroenergii. Izvestiya VUZov. Seriya «Problemy energetiki». 2016;11—12:51—55. (in Russian).
14. Mustafaev R.I., Gasanova L.G. Modelirovanie i Issledovanie Kvazistatsionarnykh Rezhimov Raboty VEU s Asinkhronnymi Generatorami pri Chastotnom Upravlenii. Elektrichestvo. 2009;6:36—42. (in Russian).
15. Udalov S.N., Achitaev A.A., Yumanov M.S. Issledovanie Rezhimov Raboty Vetroenergeticheskoy Ustanovki na Baze Elektromagnitnoy Transmissii v Sostave Avtonomnoy Sistemy Elektrosnabzheniya. Elektro. Elektrotekhnika, Elektroenergetika, Elektrotekhnicheskaya Promyshlennost'. 2015;5:32—35. (in Russian).
16. Oleynikov A.M., Kanov L.N. Issledovanie Rezhimov Raboty Mnogomashinnoy Vetroustanovki s Mekhanicheskoy Reduktsiey. Al'ternativnaya Energetika i Ekologiya. 2019;10—12:12—22. (in Russian).
17. Baranov N.N. Netraditsionnye Istochniki i Metody Preobrazovaniya Energii. M.: Izdat. Dom MEI, 2012. (in Russian). (in Russian).
18. Safonov V.A. i dr. Spetsial'nye Voprosy Vozobnovlyaemoy Energetiki. Sevastopol': Kolorit, 2017. (in Russian).
19. Toroptsev N.D. Asinkhronnye Generatory Avtonomnykh Sistem. M.: Znak, 2017. (in Russian).
20. Zubova N.V., Udalov S.N., Manusov V.V. Analiz Prioritetnosti Konturov Upravleniya Vetroenergeticheskoy Ustanovkoy. Elektro. 2015;6:27—31. (in Russian).
---
For citation: Oleynikov A.M., Kanov L.N. Optimizing the Operation Mode of an Autonomous Wind Power Plant with a Distributed Generation System. Bulletin of MPEI. 2021;3:63—70. (in Russian). DOI: 10.24160/1993-6982-2021-3-63-70.