Автономные генераторные установки возобновляемых источников энергии

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

.

В связи с медленным, но неизбежным исчерпанием ресурсов основных энергоносителей, в первую очередь, нефти и газа, а также ограниченностью перспектив развития гидрои атомной энергетики, во многих странах мира ведутся исследования по расширению использования альтернативных энергоносителей: торфа, горючих сланцев, битумов, нетрадиционных газов, энергии тепла земли, солнца, ветра, океана, биосинтеза и др. В ряде стран в этом направлении достигнуты определенные успехи: из угольных пластов добывается метан, работают солнечные, ветровые и геотермальные электростанции, из отходов вырабатывается биогаз, из биомассы получают моторное топливо и т. д. Работы по использованию альтернативных энергоносителей ведутся и в России.

По оценкам специалистов, технический потенциал возобновляемых источников энергии составляет порядка 4,6 млрд. т. у. т. в год, то есть в пять раз превышает объем потребления всех топливно-энергетических ресурсов России, а экономический потенциал определен в 270 млн. т. у. т. в год, что немногим более 25 процентов от годового внутреннего потребления, энергоресурсов в России. В настоящее время экономически целесообразный потенциал возобновляемых источников энергии существенно увеличился в связи с подорожанием традиционного топлива. Но пока использование альтернативных энергоносителей в основном сопровождается рядом трудностей, в том числе подорожанием киловатт-часа, загрязнением окружающей среды и т. п.

В настоящее время мировая проблема производства электроэнергии лежит в использовании возобновляемых источников энергии, в снижении себестоимости киловатт-часа, полученного на базе возобновляемых источников, в увеличении мотивации энергетиков использовать возобновляемые источники, в снижении загрязнения окружающей среды при производстве и при потреблении электроэнергии.

Перспективы развития современного экономичного использования энергетических ресурсов и экологически чистого производства электроэнергии во многом определяются успехами в области разработки и создания бесплотинных гидроэлектрических станций (ГЭС) и ветроэлектрических станций (ВЭС), которые являются более подходящими для достижения указанной цели.

Существуют многообразные конструкции ГЭС и ВЭС. Бесплотинные наплавные и погружные ГЭС, работающие на свободном течении воды, и деривационные ГЭС, преобразующие кинетическую и потенциальную энергию воды в электрическую. ВЭС, преобразующие энергию ветра в электрическую.

К сожалению, эти станции не получили распространения из-за их относительно высокой капитальной стоимости, так как включают сравнительно большое количество оборудования и из-за проблемы с их серийным производством. Нередко они выполняются по индивидуальным проектам в зависимости от географических параметров места проектируемой электрической станции (ЭС).

Эффективность работы, надежность, гибкость, уменьшение массогабаритных показателей, получение максимального КПД, простота эксплуатации и уменьшение стоимости таких ЭС во многом зависят от используемого типа генераторных установок. В связи с этим энергетики активно предпринимают поиски и исследования в области создания новых видов электрических станций на основе нетрадиционных возобновляемых, источников, которые не загрязняют атмосферу и позволяют избежать санкций международной организации энергетики против производства энергии на базе исчерпанных и загрязняющих источников энергии. Бесплотинная гидроэнергетика и ветроэнергетика среди нетрадиционных возобновляемых источников являются наиболее используемыми и наиболее перспективными.

Этой области посвящено множество работ, которые базируются на общем принципе: преобразование механической энергии ветра и воды в электрическую энергию. Использование механической энергии воды для получения электроэнергии только с помощью плотинных ГЭС не всегда целесообразно из-за их высокой стоимости и бывает технически трудно реализуемо. Например, преобразование механической энергии озер, океанов, морей и широких рек (река Конго, Амазонка .) в электрическую энергию традиционными методами построения ГЭС с плотинами является слишком дорогостоящим и технически почти нереализуемым.

Актуальной является задача разработки генераторных установок, имеющих преимущества асинхронных и синхронных генераторов. Достаточно простые установки, спроектированные в расчете на продолжительный режим работы, имеющие улучшенные массогабаритные показатели с усиленным охлаждением, могут быть конкурентно способны с традиционными электростанциями в зависимости от географического положения, плотности населения, климатических факторов, наличия инфраструктуры.

Создание и внедрение автономных генераторов должно сопровождаться целым рядом изменений в подходе к конструированию и эксплуатации элементов этих установок. Нежелательным будет применение промежуточных устройств с переменным передаточным отношением для стабилизации частоты вращения вала установки, мультипликаторов скорости вращения для увеличения скорости вращения вала установки, дополнительных механических решений, а также наличие скользящих контактов в электрических машинах.

Устойчивость и эффективность работы, обеспечение нужных выходных электрических параметров на меняющихся скоростях, также при малых скоростях вращении вала установки без электронных преобразователей частоты, расширяет диапазон единично установленной мощности установки и диапазон рабочих скоростей, что позволяет осуществлять серийное производство.

Уменьшение количества оборудования в составе установки, отсутствие электронных приборов, в том числе инверторов в силовых цепях (только лишь для защиты и дистанционного управления через понижающий трансформатор), подключение простых неуправляемых электронных приборов с использованием транзисторов вместо управляемых тиристоров на стороне возбуждения — все это повышает мощность и срок службы станции, уменьшает возможные аварии, связанные с выходом из строя электронных приборов, так как эти приборы быстрее выходят из строя по сравнению с электрическими машинами. Промежуточные отключения станции с целью преодоления аварий тоже сокращаются, сроки промежуточных и капитальных планированных ремонтов увеличиваются. Станции, спроектированные с такими генераторными установками, имеют повышенную надежность.

Указанным условиям удовлетворяют предлагаемые в данной работе генераторные установки.

Цель и задачи работы. Задачей настоящей диссертационной работы является разработка генераторной установки, позволяющей уменьшить себестоимость киловатт-часа электроэнергии возобновляемых источников с целью формирования мотивации использования возобновляемых источников энергии, позволяющих выработать чистую электроэнергию, которая носит название «зеленая» электроэнергия.

Для достижения указанной цели в диссертации были рассмотрены и решены следующие вопросы:

• Теоретическое рассмотрение малой электрической станции как необходимый элемента энергосистемы;

• «Зеленая» электроэнергия и введение «зеленого» сертификата в производстве электроэнергии;

• Разработка генераторных установок стабильной частоты генерируемого напряжения без электронных преобразователей частоты при переменных частотах вращения вала;

• Повышение установленной мощности генераторной установки для и возобновляемых источников энергии;

• Разработка требований к построению генераторных установок для осуществления их серийного производства;

• Расширение диапазона рабочих скоростей электрических станций возобновляемых источников.

Научная новизна диссертационной работы состоит в следующем:

• Сформулированы принципы создания генераторных установок, обеспечивающие расширение диапазона регулирования частоты выходного напряжения при переменных частотах вращения вала;

• Разработаны схемы генераторных установок для работы асинхронных машин при повышенных скольжениях;

• Предложены матрицы, описывающие зависимости частот вращений магнитных полей обмоток машин каскада по схемам: синхронная — асинхронная электрические машины и асинхронная — асинхронная электрические машины, подходящие для любой комбинации чисел пар полюсов. А также матрица, описывающая зависимость частот вращения магнитных полей обмоток обобщенного каскада электрических машин при любом соотношении чисел пар полюсов, при любой частоте питаемого тока (постоянный ток или переменный);

• разработаны математические модели в среде ЗптшНпк, позволяющие исследовать динамические процессы различных каскадов электрических машин, в том числе, синхронно-асинхронный и при двух асинхронных машинах;

• выполнены аналитические описания, математическое и физическое моделирование электромеханических преобразователей механической энергии созданных возобновляемых источников при стабильной и при переменной частоте их движения.

• предложены схемы замещения каскада асинхронных машин, позволяющие эффективно рассчитывать характеристики установки в установившихся режимах.

Практическую ценность представляет следующее:

1. Сформулированы принципы реализации схем и ограничений при создании автономных электрических установок для определенного класса возобновляемых источников энергии.

2. Анализ работы разработанной установки при пониженном напряжении возбуждения.

3. Анализ зависимости электрических потерь в роторе разработанной установки при больших скольжениях.

4. Проведено исследование физических моделей генераторных установок на базе синхронного генератора и на базе каскада двух асинхронных машин.

Методы исследований. При математическом описании процессов в рассматриваемой электромеханической системе использовалась вращающаяся система координат со скоростью вращения, совпадающей со скоростью вращения одного из магнитных полей. В работе созданы математические модели разработанных установок на базе схем замещений и систем уравнений асинхронной машины, трансформатора и синхронной машины. Для облегчения задачи решения дифференциальных уравнений была составлена система с минимальным количеством дифференциальных уравнений, а также преобразующая дифференциальные уравнения установки с периодическими параметрами в дифференциальные уравнения с постоянными параметрами с помощью предложенной для этой цели матрицы преобразования систем осей координат обмоток каскадных электрических машин. Была разработана математическая модель с помощью среды БипиНпк и программного пакета МаЙаЬ. Экспериментальным методом на базе трехкаскадного соединения асинхронных машин, в котором одна машина выполняет роль турбины, было подтверждено функционирование разработанной схемы стабилизации частоты выходного напряжения без применения электронных приборов при переменных частотах вращения вала установки и питании обмотки возбуждения возбудителя напряжением и током сетевой частоты. Была построена и введена в эксплуатацию бесплотинная наплавная микро ГЭС на свободном течении воды на реке Конго.

Достоверность полученных результатов следует из адекватности и корректности примененных теоретических и вычислительных методов. Она подтверждается результатами экспериментальных измерений опытного образца на базе двух асинхронных машин. Подтверждение результатов позволяет сделать вывод о работоспособности схемы генераторной установки, объединяющей синхронный генератор и электромеханический преобразователь частоты, содержащий асинхронизированную синхронную машину, асинхронный преобразователь частоты и инвертор со звеном постоянного тока на входе обмотки возбуждения возбудителя.

Реализация результатов работы. Разработанные установки позволяют создать надежные электрические станции, не требующие постоянного обслуживания. Срок их службы определяется сроками службы используемых электрических машин. В отличие от традиционных установок, которые, как правило, устанавливаются в помещениях, разработанные в данной диссертации установки могут работать в погружных и наплавных условиях, а также на высоте до сотен метров, где их обслуживание затруднено. Затруднения в обслуживании являются крупным недостатком, как для производителя энергии, который должен работать в трудных условиях, так и для потребителей (клиентов), которым на длительное время могут отключать энергию. Это часто встречается при использовании синхронных генераторов с контактными кольцами, которые требуют специального обслуживания.

В научном плане предложенные математические модели в среде Ма^аЬ и 81тиНпк позволяют исследовать каскадные соединения электрических машин.

Электростанции на основе данных генераторных установок позволяют экономично и экологически чисто вырабатывать электроэнергию там, где традиционными методами это практически мало реально. Трудности объясняются техническими и технологическими особенностями в их реализации и эксплуатации из-за необходимости больших денежных вложений. К таким местам относятся океаны, моря, широкие и мощные реки, озера, так как построение плотин в этих условиях практически невозможно.

На сегодняшний день по требованиям международной организации электроэнергии энергетики обязаны перейти на использование возобновляемых источников энергии. По разработанным ею правилам, производителей «зеленой» энергии (чистой энергии) награждают «зелеными» сертификатами (ценная бумага), стоимость которых зависит от количества произведенной энергии, а производителей энергии с помощью атомных электростанций, ядерных электростанций, топливных электростанций, плотинных гидроэлектростанций и т. п., которые вредны для окружающей среды, наказывают штрафами. Введенные штрафы рентабельно платить «зелеными» сертификатами, которые можно приобрести только у производителей «зеленой» электроэнергии. В итоге часть денежных эквивалентов, полученных штрафами, выдается производителям зеленой энергии с целью приближения себестоимости киловатт-часа «зеленой» электроэнергии к себестоимости киловатт-часа электроэнергии, полученной традиционными методами.

Разработанные генераторные установки с равным успехом могут быть использованы для ветрои гидроустановок с повышенной единичной мощностью, а также на транспорте, морской и авиационной технике. Установки могут быть успешно применены для стран центральной Африки, которые имеют колоссальные неиспользуемые водные энергоресурсы из-за отсутствия финансов и неэксплуатируемые из-за технических и технологических трудностей, переживаемых этими странами.

Что касается республики Конго, разработанные установки откроют путь к решению проблем электрификации страны при условии согласия властей государства. Традиционными способами неразумно вырабатывать энергию на реке Конго, средняя ширина которой составляет 5 км. и средний дебит 50 000 м3/с. Аналогичная ситуация встречается и в некоторых странах Центральной Африки, таких как Камерун, Ангола, Демократическая Республика Конго, Габон и Центральноафриканская Республика, а также в странах Южной Америки и некоторых Азиатских странах.

Основные результаты и выводы

1. Предложенные и созданные установки существенно расширяют диапазон мощностей электромеханических преобразователей энергии и повышают их надежность.

2. Разработанные установки позволяют создать отдельную сеть при их параллельном подключении, так как обладают строгой идентичностью в частоте выходных параметров при больших и малых скоростях вращения без применения мультипликаторов, а также при любых переменных скоростях вращения.

3. Установки могут экономично и экологически чисто эксплуатировать энергию различных видов водных источников энергии, так как они работают и в погружном виде в отличие от обычных неспециализированных установок для погружной работы.

4. Генераторные установки унифицированы.

5. Установки работают без обслуживающего персонала.

Апробация работы. Результаты работы докладывались на седьмой и восьмой международных научно-технических конференциях студентов и аспирантов г. Москвы в 2001;2002 годах, рассматривались на кафедре электромеханики МЭИ (ТУ), обсуждались на заседаниях лаборатории силовой электроники и электротехники Высшей Центральной Школы в городе Лилле во Франции в 2002;2004 г. По работе была подана заявка на получение патента изобретения. Использованная схема с двумя асинхронными машинами была защищена официальным решением бюро охраны изобретений во Франции. Проведены испытания бесплотинной, наплавной микроГЭС на свободном течении воды на реке Конго и на физической модели, выполненной из двух каскадно-соединенных асинхронных машин.

Публикации. Результаты работы опубликованы в сборниках материалов седьмой и восьмой международных научно-технических конференциях студентов и аспирантов в г. Москве, в 2001, 2002 годах, а также опубликованы две печатные работы.

Основные положения, выносимые на защиту:

1.Сравнение различных схем генераторных установок, используемых на электростанциях для возобновляемых источников, выбор базисной схемы, содержащей каскадные асинхронные машины.

2. Требования к выбранным схемам генераторных установок для достижения преобразования энергии и стабилизации частоты электрических параметров на выходе установок.

3. Общие правила определения соотношений частот вращения полей статоров и роторов машин в каскадах, содержащих синхронные и асинхронные машины при любых соотношениях чисел их полюсов.

4. Принципы действия, конструктивные и математические описания установок, содержащих каскады асинхронных и синхронных машин.

5. Математическое описание и модели установки каскадных асинхронных и синхронных машин в среде БтиНпк.

6. Схемы замещения каскада асинхронных машин, позволяющие эффективно рассчитывать характеристики установки в установившихся режимах. Алгоритм приведения параметров и расчета приведенных параметров схемы замещения в относительных единицах.

Структура и состав диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, библиографического списка использованных источников из 102 наименований и трех приложений.

Заключение

.

1. Разработаны установки для создания автономных электрических сетей при параллельном подключении нескольких генераторов.

2. Доказана экономичность использования энергии любого типа источника с помощью установок, не требующих значительных капитальных вложений.

3. Разработаны схемы установок для расширенного диапазона рабочих скоростей без применения мультипликаторов, не требующие обслуживающего персонала и пригодные для серийного производства.

4. Предложены принципы проектирования и схемы гидрои ветроустановок, функционирующие при наличии промышленных и городских электросетей стабильной частоты.

5. В среде БитИтк разработаны модели для исследования динамических процессов в электромеханических каскадах ветроустановок и бесплотинных гидроустановок.

6. Разработана, изготовлена, введена в эксплуатацию и испытана в течение трех лет микроГЭС мощностью 4 кВт на реке Конго, показавшая свою полную работоспособность в условиях стран, нуждающихся в развитии малой энергетики.

7. Предложена система уравнений, описывающая процессы в каскадном соединении двух гальванических соединенных по роторным цепям электрических машин.

8. Спроектирована, изготовлена и испытана установка на базе каскадного соединения двух асинхронных машин, фазные обмотки роторов которых соединены друг с другом напрямую, подтвердившая стабильность частоты выходных параметров при переменных скоростях вращения.

9. Предложена схема замещения каскада асинхронных машин, позволяющая эффективно рассчитывать характеристики установки в установившихся режимах.

10. Разработана аналитическая модель для определения вибраций в асинхронной и синхронной машинах, в установках возобновляемых источников энергии.

Список основных печатных работ

1. Б. Напам, В. А. Кузнецов, А. В. Иванов-Смоленский. Структурная схема генераторной установки для автономной бесплотинной микроГЭС, работающей на свободном течении воды // 7-ая межд. Научно-техн. Конф. Студ. и асп: Тез. Докл.-Т. 2. М.: МЭИ, 2001; С. 26.

2. Б. Напам, В. А. Кузнецов, А. В. Иванов-Смоленский. Математическое моделирование генераторных агрегатов для автономных бесплотинных деривационных минимикроГЭС. //8-ая межд. Научно-техн. Конф. Студ. и асп: Тез. Докл.-Т. 2. М.: МЭИ, 2001; С. 16.

3. В. Napame, V. A. Kuznetsov, P. Brochet, M. Hecquet, M. Gouegou, A. Randria. Трехмерная аналитическая модель расчета вибрации электрических машин. ICEM.-T.3., 2004;Р. 46−51.

4. В. Napame, Hait Amine, P. Brochet, M. Hecquet, M. Gouegou, A. Randria. Объемная модель прогнозирования виброакустических явлений в электрических машинах на этапе их проектирования. IEEE, Journal de physique.-T.2., 2004; P. 65 -70.