Солнечная электростанция 30кВт - бизнес под ключ за 27000$

15.08.2018 Солнце в сеть




Производство оборудования и технологии
Рубрики

Повышение энергоэффективности режимов работы автономных ветроэнергетических установок

Последнее десятилетие характеризуется впечатляющими успеха­ми в области практического использования ветроэлектростанций (ВЭС). Сегодня стоимость электроэнергии крупных сетевых ветроэлектростан­ций сопоставима с тарифами тепловых электростанций. Экономическая эффективность малых ВЭС, работающих на изолированного потребите­ля, пока не вышла на такой же высокий уровень. Это отставание объяс­няется в основном двумя причинами: необходимостью в устройствах аккумулирования энергии и неравномерностью графика нагрузки элек­троприемников потребителя.

В качестве наиболее распространенного устройства аккумулиро­вания обычно применяется батарея аккумуляторов. Аккумуляторная ба­тарея характеризуется возможностью отдавать потребителю значитель­ную мощность, однако запасать электроэнергию она способна только на уровне мощности, определяемой величиной зарядного тока. Следова­тельно, избыток мощности ветрогенератора над уровнем потребления нагрузкой и аккумуляторной батареей в большинстве случаев не может использоваться полезно. «Лишняя» мощность расходуется на увеличе­ние частоты вращения ветродвигателя при снижении коэффициента по­лезного действия энергоустановки.

Несоответствие мощности ветрового потока мощности нагрузки определяется переменным характером графика нагрузки и нестационар­ностью ветрового потока. В частности, скорость ветра характеризуется коэффициентом порывистости Кп, который представляет собой отноше­ние максимального порыва ветра за интервал Ах к средней скорости ветра на этом временном интервале. Методика сетевых метеорологиче­ских наблюдений приборными средствами определяет измерение сред­ней за 10 минут скорости ветра и максимального порыва за последую­щие 2 минуты. Сопоставление результатов исследований ветрового по­тенциала г. Томска показывает, что среднегодовая скорость ветра в го­роде равна 4,1 м/с, а с учетом порывов — 7,8 м/с [9]. Если учесть, что мощность ветродвигателя пропорциональна кубу скорости ветра, то ис­пользование энергии порывов ветра даст ощутимую прибавку мощно­сти и энергии, генерируемой ветроэлектростанцией. Увеличение выра­ботки энергии, при прочих равных условиях, приводит к снижению ее удельной стоимости и улучшению всех экономических показателей станции.

Утилизация электроэнергии ВЭС, которая не может быть потреб­лена нагрузками в конкретный момент времени, может производиться автоматически управляемой балластной нагрузкой, включаемой на вы­ход генератора станции параллельно реальным электроприемникам. В качестве балластных нагрузок целесообразно использование электрона­гревательных элементов, обеспечивающих горячее водоснабжение и электроотопление потребителей.

Статистика процентного распределения значений коэффициента порывистости для ряда ветровых диапазонов позволяет определить воз­можную выработку электроэнергии ВЭС с управляемым балластом. На­пример, для г. Колпашево порывы ветра в диапазоне Кп = 1…1,4 для наиболее типичного диапазона скорости ветра 0 — 5 м/с составляют 54 %, Кп = 1,5…1,9 достигает 21,8 %, Кп = 2,0…2,4 равен 13,8 %. Если учиты­вать продолжительность порывов на уровне 17 % времени работы стан­ции, что соответствует методике их измерения, то дополнительная вы­работка электроэнергии, например для условий Колпашево, составит не менее 60.70 %.

Согласовать зарядную мощность батареи аккумуляторов с избыт­ком мощности ветрогенераторной системы позволяет регулирование количества аккумуляторных батарей, а, следовательно, и ёмкости бата­реи с помощью соответствующего управляющего устройства.

Структурная схема ВЭС с регулируемым количеством аккумуля­торных батарей показана на рис. 11. На схеме обозначены ВД — ветро­двигатель, Г — электромашинный генератор ветроэлектростанции, В — выпрямитель, Н — блок полезных нагрузок, УУ — управляющее устрой­ство, АБ — блок аккумуляторных батарей.

Отличительная особенность предлагаемой системы электропита­ния заключается в возможности регулирования с помощью управляю­

Повышение энергоэффективности режимов работы автономных ветроэнергетических установок

щие. 11. Ветроэлектростанция с регулируемыми
аккумуляторными батареями

щего устройства ёмкости аккумуляторных батарей, подключаемых к машинно-вентильному генератору ВЭС [31]. Это позволяет регулиро­вать зарядный ток аккумуляторных батарей и, соответственно, позволя­ет утилизировать практически всю мощность, развиваемую ветродвига­телем.

В автономных системах генерирования электроэнергии типа гид — ро — или ветротурбина-электромашинный генератор соизмеримой мощ­ности получили широкое распространение автобалластные системы ре­гулирования режимов работы. Обычно балластные нагрузки включают­ся через вентильный регулятор мощности на выход синхронного или асинхронного генератора параллельно полезной нагрузке электростан­ции [32]. Балластную нагрузку следует рассматривать как дополни­тельную к полезной нагрузке станции, представляющую собой различ­ные тепловые нагрузки. Таким образом, балластное регулирование энергоустановок является эффективным способом утилизации энергии первичного источника с преобразованием ее в тепловую энергию.

В зависимости от типа электростанции, характера изменения мощности первичного энергоносителя Щ1, закона регулирования балла­стной мощности Рб, такие системы могут решать различные задачи, свя­занные с генерированием электроэнергии. Например, автобалластное регулирование может обеспечить стабилизацию выходного напряжения генератора по величине и частоте в условиях изменяющейся полезной нагрузки станции Щн или изменяющейся мощности Щг, и мощности Р1.

Кроме функции стабилизации рабочего режима системы турбина — генератор, автобалластные системы могут успешно решать и другие за­дачи. Например, в ветроэлектростанциях такие системы могут обеспе­чить максимальное использование изменчивой энергии ветра при ре­альных графиках нагрузки электроприемников. Баланс мощностей вет­роэлектростанции для этого режима описывается равенством:

Рг — Рн + Рб.

На рис. 12 изображена структурная схема ВЭС с автобалластным регулированием. Условные обозначения: Т — ветротурбина, Г — генера­тор, РН — регулятор напряжения, В — выпрямитель, РБ — регулятор бал­ласта, БН — блок балластных сопротивлений, АБ — аккумуляторная ба­тарея, И — инвертор, Н — полезная нагрузка.

Повышение энергоэффективности режимов работы автономных ветроэнергетических установок

Рис. 12. Схема ВЭС с автобалластным регулированием

Отличие предложенной ВЭС от существующих заключается в том, что в нее дополнительно введен регулятор мощности балласта, включаемый на выход якорной цепи генератора [35].

Основным назначением автобалластной системы в данной схеме является утилизация максимальной мощности ветротурбины при любых рабочих параметрах ветра и изменяемой мощности полезной нагрузки от номинальной до холостого хода. Дополнительным эффектом дейст­вия автобалластной системы является ограничение диапазона частот вращения системы ветротурбина-генератор, что снижает требования к её механической прочности и улучшает использование активных частей электрической машины.

В качестве параметров регулирования мощности балласта целесо­образно использовать мощность, потребляемую полезной нагрузкой, и скорость ветра, определяющую мощность ветротурбины.

Формирование и стабилизация напряжения с необходимыми ха­рактеристиками качества осуществляется в таких системах с помощью вторичных источников электропитания, обычно выпрямительно­инверторных преобразователей. Преобразователи со звеном постоянно­го тока, кроме известных достоинств, удобны для ветроэлектростанции с аккумуляторными батареями.

Силовые схемы полупроводниковых регуляторов балластной на­грузки могут быть достаточно разнообразны. Принципиально можно отметить два типа регуляторов, отличающихся по принципу действия: регуляторы с набором дозированных по мощности балластных нагрузок и фазорегулируемые устройства, регулирующие мощность на тепловой нагрузке.

Переключение вентилей коммутатора дискретного балласта обычно осуществляется естественным образом, поэтому для ряда схем­ных решений полупроводниковых ключей характерно отсутствие иска­жений формы напряжения генератора. В этом заключается важнейшее достоинство автобалластных систем стабилизации с полупроводнико­выми коммутаторами.

Недостатком таких схем является необходимость использования большого числа управляемых вентилей, что усложняет и удорожает систему регулирования. Для достижения высокой точности ста­билизации число дозированных ступеней балластной нагрузки должно быть не менее 15 [32]. Кроме усложнения схемы, дробление балласта на ряд точно дозированных ступеней затрудняет полезное использование рассеиваемой на нем мощности. Поэтому полупроводниковые коммута­торы более целесообразны в установках небольшой мощности — в пре­делах нескольких кВт.

Фазорегулируемые автобалласты в значительной мере лишены указанных недостатков, но вносят заметные искажения в форму кривых тока и напряжения генератора. При наличии вторичного источника электропитания искажения напряжения генератора практически не ска­зываются на качестве напряжения на нагрузке, поэтому несину­соидальность токов и напряжений влияет в основном на потери в элек­тромашинном генераторе.

Принимая во внимание важность таких показателей автономных электростанций, как простота, надежность и дешевизна, следует отме­тить перспективность фазорегулируемых систем балластного управле­ния электрической мощностью нагрузки энергоустановок.

Стремление улучшить энергетические характеристики и точность регулирования автобалластных систем приводит к комбинированным схемам регулирования, сочетающим принципы дискретного и фазового регулирования. Структурная схема такой энергоустановки показана на рис. 13 [34]. Особенностью схемы является наличие коммутатора с до­зированными балластными нагрузками и фазорегулируемой балластной нагрузки БН с блоком управления. Такая схема позволяет уменьшить количество ступеней дискретного балласта с одновременным обеспече­нием плавности регулировки за счет фазорегулируемой части балласта. Относительное уменьшение мощности фазорегулируемого балласта обеспечивает меньший уровень искажений напряжения генератора.

Повышение энергоэффективности режимов работы автономных ветроэнергетических установок

Рис 13. Комбинированная автобалластная система с раздельным регулированием активной и реактивной мощности

Особенностью предлагаемой новой схемы комбинированного ре­гулирования балластной нагрузки является возможность раздельного регулировании активной и реактивной составляющих балластной на­грузки. Это позволяет более точно регулировать режимы работы элек­тромашинного генератора, что особенно ценно для асинхронных машин с короткозамкнутым ротором.

Устройство содержит коммутатор, осуществляющий подключе­ние дозированных балластных нагрузок, и два блока фазового управле­ния. Преимущество данной схемы заключается в том, что она дополни­тельно снабжена блоком фазового управления активной мощностью и блоком фазового управления реактивной мощностью, управляемых от логического блока, выходные сигналы которых суммируются и посту­пают на управление вентильного фазорегулируемого устройства ФР, питающего балластную нагрузку.

Возможность раздельного регулирования составляющих мощно­сти, рассеиваемой на балласте, имеется только при условии выполнения полупроводникового фазорегулируемого блока на полностью управляе­мых вентилях, предусматривающих регулирование угла включения вен­тилей. Предлагаемая система регулирования режимов работы ВЭС, кроме более точного регулирования её электрической мощности, обес­печивает меньшие искажения формы кривой напряжения генератора.

Дальнейшим развитием автобалластных систем в ветроэлектро­станциях, особенно с ветродвигателями аэродинамического регулиро­вания, является ВЭС с контролем теплового режима генератора. Такая система позволяет в максимальной степени использовать габаритную мощность электрической машины и обеспечить максимально возмож­ную выработку и утилизацию электроэнергии.

Структурная схема ветроэлектростанции с датчиком температуры представлена на рис. 14, где ДТ — датчик температуры, БОВ — блок ори­ентации ветроколеса.

Повышение энергоэффективности режимов работы автономных ветроэнергетических установок

Рис. 14. Структурная схема ВЭС с датчиком температуры

Особенностью схемы является наличие датчика температуры, ко­торый контролирует нагрев обмоток статора генератора при сильных порывах ветра. Если температура не достигла предельной величины, с ветроколеса снимается вся мощность, соответствующая ветру.

Таким образом, вентильные автобалластные системы являются мощным инструментом регулирования рабочих режимов системы тур­бина-генератор и могут использоваться для повышения энерго­эффективности автономных ветроэлектростанций.

Следует отметить технико-экономическую целесообразность ис­пользования автобалластных систем регулирования мощности нагрузки в ВЭС. Расчеты, проведенные для автономной ветроэлектростанции, питающей бытовую нагрузку в умеренных ветровых условиях, показали возможность увеличения выработки энергии на 30… 40 %. При этом стоимость ВЭС увеличивается не более чем на 10.15 %.

Комментарии запрещены.