Системы генерирования электрической энергии для ветроэнергетики и автономных подвижных объектов: Анализ и синтез

Рациональное использование и экономия топливно-энергетических ресурсов является важнейшим условием динамичного экономического развития общества. В достижении этих целей весьма важное значение имеет вовлечение в хозяйственный оборот возобновляемых источников энергии. Их внедрение не только снизит возрастающие темпы истощения топливно-сырьевой базы, но и окажет благоприятное влияние на состояние окружающей среды.

По оценкам «Международного энергетического агентства» (МЭА) благодаря увеличению населения планеты с 5 млрд. в 1990 г. до 7 млрд. в 2010 г., несмотря на интенсивное внедрение энергосберегающих технологий, суммарные мировые потребности в первичных энергоносителях возрастут на 354−40% при среднегодовом темпе роста 1.74−2.1%. [1]. При этом прогнозируется, что глобальные выбросы СОг увеличатся в 2010 г. по сравнению с уровнем 1990 г. примерно на 304−40%. В связи с этим практически во всех разрабатываемых сценариях развития энергетики на ближайшие годы предусматривается опережающий рост доли использования возобновляемых энергоносителей, так, по некоторым оценкам он составит 5.5% в год [1].

В соответствии с данными МЭА в 1992 г. в странах Организации экономического сотрудничества и развития (ОЭСР) производство энергии на геотермальных, ветровых, приливных и солнечных установках составило 38ТВт-ч, то есть 0.5% общей выработки электроэнергии, и было сконцентрировано главным образом в Северной Америке. К 2010 г. предполагается значительный рост производства электроэнергии на этих энергоисточниках, и при ежегодном темпе роста 7.14−9.3% выработка электроэнергии достигнет 1314−190 ТВт-ч. При этом доля производства электроэнергии нетрадиционной энергетикой составит 1.24−2.1%. Среднегодовой темп роста производства электроэнергии на возобновляемых энергоносителях в остальных странах мира на тот же период прогнозируется в 8.5%, что приведет к производству в 2010 г. более 401Вт-ч электроэнергии [1,2,15,16,17,18].

Прогнозируемая суммарная годовая экономия топливно-сырьевых ресурсов ежегодно в мире за счет использования возобновляемых энергоносителей может составить 1.84−2 млрд. т условного топлива [3,4,5].

Уже сегодня в ряде стран использование возобновляемых энергоносителей получило существенное развитие, и показатели их использования значительно выше среднемировых. Так, в Сальвадоре 38% всей электроэнергии вырабатывается на геотермальных станциях, а в Коста-Рике около 10% [8]. В Дании в ближайшие два года будет вырабатываться 6% от всей электроэнергии на ветроэнергетических станциях, обсуждается национальная программа, по которой этот уровень будет доведен до 15%. В США возобновляемые энергетические ресурсы (геотермические, водные, ветровые, древесные и солнечные) уже сейчас обеспечивают 9% всей электроэнергии, вырабатываемой в стране[2].

Представляет интерес такой факт, что архитектурный комплекс Олимпийских игр 2000 года, которые состоятся в Сиднее (Австралия) будет полностью обеспечиваться электроэнергией за счет энергии солнца. Технические характеристики мини-электростанций на солнечных батареях таковы, что позволят вырабатывать в общей сложности 1 млн. кВт-ч электроэнергии в год [9].

Интерес мирового сообщества к нетрадиционной энергетике был инициирован энергетическим кризисом начала 70-х гг [19,21]. И эта отрасль энергетики стала достаточно интенсивно развиваться, начиная с 1981 г., благодаря субсидиям и льготной налоговой политике правительства США. Необходимо отметить, что при разработке новых технологий получения энергии большое внимание стало уделяться освоению вет-роэнергоресурсов. Это объясняется колоссальным ветроэнергетическим потенциалом многих стран и регионов. Так, мощность ветроэнергетического потенциала Новосибирской области (весьма средней по этому показателю) только в 10-метровом слое атмосферы примерно равна мощности 300 ГЭС типа Новосибирской [10].

Краткая историческая справка Первые археологические сведения о «ветряках» относятся к Египту (2000 лет до нашей эры). Первый распространенный ветродвигатель, применявшийся за 600 лет до нашей эры для помола зерна в Персии, был примитивным парусным устройством с вертикальной осью вращения [11]. Ветряные мельницы попали в Европу в ХШ в. нашей эры с возвращавшимися крестоносцами, а в XIV в. Голландия стала (говоря современным языком) их ведущим разработчиком и производителем.

К концу прошлого века и началу нашего в России насчитывалось 25(к-300тыс. ветряных мельниц, которые перемалывали треть урожая зерновых [6,7]. В Дании около 3 тыс. ветродвигателей использовалось в промышленности, и около 30 тыс. ВЭУ других типов применялось для бытовых целей. Общая мощность установок составляла 200МВт. В середине XIX в. В США было построено более 6 млн. малых ветродвигателей мощностью до 0.75кВт, причем свыше 150 тыс. из них находятся в рабочем состоянии до настоящего времени [23].

После более чем столетнего перерыва сегодня ветроэнергетика стремительно развивается во многих странах мира, и в настоящее время около 300 зарубежных фирм занимаются производством и использованием ВЭУ и ВЭС.

Наибольшие успехи в использовании энергии ветра достигнуты в США и Дании. Общее количество ВЭУ в мире составляет более 100 тыс. с суммарной мощностью около 2000МВт. Здесь уместно упомянуть о самом крупном в мире ветроэнергетическом комплексе в штате Калифорния, где установлено 90% коммерческих ВЭУ мира [11,22,23].

В США энергия ветра используется как для централизованного энергоснабжения, так и для автономного. В 1987 г. для этих целей только в Калифорнии применялось более 15 тыс. ветроферм. Общее количество ВЭУ оценивается в 17 000, а суммарной мощностью 1600МВт. Средняя стоимость 1кВт установленной мощности составляет 1125-^-2000 долл., а цена 1кВт-ч электроэнергии — 5-г-7 центов [3,14,23].

В Дании построено около 1600 ВЭУ общей мощностью 100МВт. Эта небольшая страна является крупнейшим производителем ВЭУ, их экспорт только в США составляет 800 шт. в год. Сегодня на ВЭУ мощностью более 200кВт, установленных в Дании, себестоимость электроэнергии составляет 0.34 крон за 1кВтч, а энергии, производимой на ТЭС г 0.32 крон/кВт-ч [11].

В приложении 1 приводится таблица, где отражено состояние развития мощной зарубежной ветроэнергетики.

В СССР в довоенный период выпускалось несколько типов ВЭУ относительно небольшой мощности, все они были плохой копией зарубежных образцов, и вследствие низкого качества от их выпуска отказались. В послевоенные годы выпуск ВЭУ составлял 9 тыс. в год (1956 г.). Из-за массовой электрификации сельского хозяйства путем подключения к государственным энергосистемам в 60-е годы работы по ветроэнергетике были практически прекращены [11]. В 70-е годы работы над ветровой техникой были возобновлены, в основном производились ВЭУ для водоподъема. Разработкой и производством ветроэнергоустановок занимались НПО «Циклон» и НПО «Ветроэн» .

Наиболее распространенной установкой стала АВЭУ 6−4 мощностью 4кВт. В период с 1979;1987 гг. из общего числа 3 тыс. шт. ВЭУ АВЭУ 6−4 составили 2 тыс. шт. в 1987 г.

В 1981 г. ГКНТ СССР и АН СССР была принята общесоюзная научно-техническая программа 0.01.08 по развитию возобновляемых нетрадиционных видов энергетики, в том числе ветроэнергетики. В 1987 г. было принято постановление Совета Министров СССР № 1052, целиком посвященное ветроэнергетике. Этим документом предусматривалось ускоренное развитие малой ветроэнергетики с ВЭУ мощностью от 4 до 100кВт, с доведением общего объема выпуска к 2000 г. до 8000 тыс. шт./г. 11,21].

Программой, в частности, намечалось создание экспериментальной базы ветроэнергетики для испытания опытных образцов различных типов и освоение опытных образцов ВЭУ мегаватнош класса. Отметим, что ВЭУ такого уровня мощности за рубежом уже эксплуатировались в течение нескольких лет, отечественных же аналогов не было. Хотя первый в мире «ветряк» этого класса мощностью 5МВт был разработан в СССР в 1932 инженерами Ю. В. Кондратюком и П. К. Горчаковым [11,6].

К сожалению, практически ни по одному пункту, касающемуся особенно производства ВЭУ, ни общесоюзная программа, ни постановление СМ СССР выполнены не были. Наибольшим достижением явилось изучение ветрового потенциала страны в приземном слое атмосферы.

В этот период проблемами ветроэнергетики в инициативном порядке занимались институт гидродинамики СО АН СССР, институт электродинамики АН УССР, МАИ, МЭИ, НЭГИ, Уфимский авиационный институт и целый ряд других организаций [95,104,107,109,130,132 149,].

В конце 1988 г. в связи с конверсией оборонной промышленности в разработку и освоение ветровой техники включились МКБ «Радуга», АКБ «Якорь» МинАвиаПрома СССР (ВЭУ мощностью 250 и 1000кВт) и НПО «Южное» МинОбщеМаша СССР (ВЭУ мощностью 100/250кВт). В это же время к разработке ВЭУ мощностью 250 и 1000кВт была подключена Отраслевая научно-исследовательская лаборатория электрооборудования летательных аппаратов (ОНИЛЭЛА) НЭТИ (НГТУ), созданная МинАвиаПро-мом СССР, а также НИИ СЭТМ. В 1989 г. Минэнерго СССР было принято решение о проектировании и строительстве опытно-экспериментальных ВЭС: Ленинградской — на 25МВт, Джунгарской — на 15МВт, Крымской — на 12.5МВт, Махачкалинской — на 6МВт.

С распадом СССР работы по ветроэнергетике в России продолжались, но, к сожалению, без государственного финансирования.

Была завершена разработка и запущена в составе будущей ВЭС мощностью на 18МВт в Калмыкии первая ВЭУ «Радуга-1», разработчик МКБ «Радуга» (система генерирования разработки ВНИИЭ, ХЭМЗ). Готовится к запуску вторая ВЭУ «Радуга-Г с системой генерирования, разработанной АКБ «Якорь», ОНИЛЭЛА НГТУ и НИИ СЭТМ.

Проведена модернизация ВЭУ АВЭУ6−4М, разработана ВЭ-16 на мощность 16кВт и выпущена её модификация ВЭ-30 (бывшее НПО «Ветроэн»). Завершена разработка ВЭУ «Радуга-250» (МКБ «Радуга»). Появилась целая серия ВЭУ малой мощности от 40Вт до 100кВт разработчики МАИ, НГТУ, АО «ЭЛМАТРОН», Уфимский авиационный институт и ряд других ВЭУ, в том числе, выпускаемые по лицензии зарубежных фирм, о которых автор не имеет документально подтвержденных сведений.

Развитие автономной энергетики, в том числе и на базе ветроэнергетики, для России сегодня имеет весьма важное значение как в связи с её огромными расстояниями, что делает подчас невозможным централизованное энергоснабжение, так и в связи с необоснованными ценами на Тепло-электроэнергию, диктуемыми, так называемыми, «естественными» монополистами.

Остановимся коротко на основных направлениях развития ветроэнергетики, которые вытекают из анализа национальных программ по освоению нетрадиционных видов энергии США, Дании, ФРГ, Англии, Нидерландов, Канады, Италии и Японии [8,9,10,11,12,13,14,20,10(Ы 03 и др.].

Предполагается, что в ближайшее время энергия ветра не станет альтернативным источником энергии, но останется дополнительным, причем, в основном, в целях экономии природного топлива. Для того, чтобы ВЭУ обладали достаточной конкурентоспособностью по сравнению с традиционными энергоисточниками, нужно вдвое сократить стоимость их производства и в З-г-5 повысить надежность. Принципиально это достижимо, поскольку за последние 5 лет производительность ВЭУ повысилась примерно в 1.5 раза в расчете на 1 м ометаемой поверхности и вдвое снизилась стоимость установленного киловатта. Надежность лучших ВЭУ сегодня составляет 95% [102,103].

В общем объеме мирового производства ВЭУ 90% составят энергоустановки генерирующие универсальную электрическую энергию. К настоящему времени считается серийно освоенным и практически не требующим научной поддержки производство ВЭУ мощностью от десятков ватт до десятков киловатт и средней мощности до 250кВт. Эти ВЭУ производятся многими фирмами, рынки производства спроса на них велики [40ч-50,102].

С начала 80-х годов наметилась тенденция к росту единичной мощности ВЭУ, были осуществлены проекты крупных ВЭУ мощностью 1- 2- 2.5- 3 и 4МВт, проектируются и испытываются установки мощностью 5 и 7 МВт [11,14]. ВЭУ единичной мощностью 4МВт выполнены в разных странах, начиная с 1983 г. Основной проблемой мощных ВЭУ является надежность, слишком часты отказы систем главного вала, лопастей и гидравлических систем управления шагом лопасти, что объясняется значительными механическими нагрузками в динамических режимах. По этой причине многие эксперты склонны считать, что наиболее оптимальными являются ВЭУ мощностью от 200-ь300кВт до 500^750кВт, то есть те установки, которые относятся к классу средней мощности. Однако, несмотря на это, в национальных программах таких стран, как США, Дания и Англия, строительство ВЭУ мегаватного класса предусматривается [11], что можно объяснить меньшими удельными затратами на производство ветроэнергетической установки такого уровня мощности [102].

Принято считать, что освоение ВЭУ мощностью свыше 300кВт фактически ещё только начинается, отдельные партии на мощность от 400 до 1200кВт ещё нельзя считать серийными. В частности полагают, что не завершено формирование методологии построения электрической части ВЭУ того, что нами далее будет определено как системы генерирования электрической энергии [12,18,30,46,56,57].

Одной из основных тенденций, которая просматривается в новых конструкциях, разрабатываемых ВЭУ различного класса мощности, является использование режима работы ветровой турбины с переменной скоростью вращения [50,68,105,106,112,240] и расширение диапазона вращения вала ВТ от 1:2 до 1:3 для ВЭУ малой мощности. Данный режим позволяет повысить эффективность работы ВЭУ в 1.2-Я.5 раза за счет сохранения постоянного значения коэффициента быстроходности ВТ, близкого к оптимальному в большом диапазоне скоростей ветра, а также за счет использования низко потенциальных ветров.

Как постоянно существующую тенденцию в разрабатываемых ВЭУ, следует отметить стремление исключить из конструкции мультипликатор. Однако такое решение всегда сопряжено со сложностями преобразования механической энергии в электрическую [114]. В научно-исследовательских разделах национальных программ США, Японии, Швеции и др. отмечен интерес к разработке низкоскоростных дисковых синхронных генераторов с возбуждением от постоянных магнитов на основе редкоземельных элементов [12,60]. Также появились разработки редуктансных генераторов (switch reluctance generator) [12,61] и системы с индукторными генераторами [108].

И последнее направление в развитии ветроэнергетики, на котором мы остановимся, связано с преобладанием тенденции оптимизировать и проектировать ВЭУ единичной мощности, исходя из работы в составе группы аналогичных установок, то есть в составе ВЭС. Такое требование приводит к необходимости обеспечения одной или несколькими ВЭУ генерации реактивной мощности [904−93].

Основными элементами ВЭУ, определяющими их технические характеристики, являются ветровая турбина (ветроколесо), мультипликатор (если таковой имеется) 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. Данное название заимствовано4 из терминологии авиационной электротехники, где содержательно оно определено ГОСТом 19 705−89 [415].

Системы генерирования для ВЭУ (СГЭЭ ВЭУ) относятся к классу СГЭЭ для автономных объектов, или, как принято в отечественной литературе, к автономным системам генерирования электрической энергии (АСГЭЭ).

Отметим некоторые особенности, характерные для этого типа АСГЭЭ:

• величина генерируемой мощности определяется скоростью ветра, и поэтому СГЭЭ должна обеспечивать работоспособность в широком диапазоне мощностей при постоянном её колебанииучитывая длительность режимов работы при нагрузках ниже номинальной, системы генерирования должны иметь высокое значение кпд при частичной нагрузке;

• стремление обеспечить работоспособность ветровой турбины с постоянной и оптимальной величиной быстроходности приводит к требованию переменности скорости вращения вала генератора в СГЭЭ, причем, чем шире диапазон изменения скорости вала, тем выше эффективность ВЭУ;

• СГЭЭ большой и средней мощности (а последние годы это требование предъявляется и к СГЭЭ для маломощных ВЭУ) должны обеспечивать режим параллельной работы с сетью, а в случае работы в составе ВЭС, состоящей из ВЭУ соизмеримой мощности, к СГЭЭ предъявляется требование обеспечения работы в автономном режиме на нагрузку с коэффициентом мощности меньше ед иницы;

• СГЭЭ большой и средней мощности должны обеспечивать режим электростартер-ного плавного запуска ВТ;

• ВЭУ является сложной механической системой с упругими связями и распределенными массами, что делает её склонной к возникновению собственных колебаний, которые могут попадать в резонанс с вынужденными колебаниями, в связи с этим к СГЭЭ предъявляются требования по обеспечению сглаживания колебаний момента при порывах ветра и бросках нагрузки;

• расположение генератора в гондоле предъявляет повышенные требования к его массе и габаритам;

• разнообразие климатических условий эксплуатации предъявляет повышенные требования к исполнению электрооборудования СГЭЭ.

Рассмотрим основные типы СГЭЭ для ВЭУ их влияние на характеристики установок. Основным элементом СГЭЭ, определяющим её свойства, является либо собственно электрическая машина, либо сочетание электрической машины с устройством силовой электроники — машиновентильные системы (МВС). В зарубежной литературе отсутствует общепризнанная классификация СГЭЭ. В отечественных публикациях в качестве основных классификационных признаков СГЭЭ принят тип электрической машины и факт наличия вентильного преобразователя электрической энергии [6,12]. В этом случае СГЭЭ подразделяются на:

• СГЭЭ на основе синхронных генераторов (СГ);

• СГЭЭ на основе асинхронных генераторов (АГ):

• Машиновентильные системы (МВС).

Машиновентильные системы, в свою очередь, делятся на подклассы в зависимости от используемой электрической машины и типа преобразователя.

С нашей точки зрения, классификационный признак — тип электрической машины, является основным, так как этот элемент структуры СГЭЭ определяет характер энергообмена между нагрузкой (энергосистемой) и системой генерирования. Наличие и тип преобразователя электрической энергии являются вторичными классификационными признаками. В связи с чем классификация СГЭЭ для ВЭУ нам представляется в виде изображенном на рис. 1.

Системы генерирования на базе СГ и АГ с короткозамкнутым ротором (АГкзр) без вентильных преобразователей используются в системах с постоянной скоростью вращения вала ВТ.

Рис. 1.

Применение СГ с электромагнитным возбуждением (ЭМГ) обусловлено известными их преимуществами [96]:

• способность вырабатывать как активную, так и реактивную мощность с возможностью её регулирования;

• возможность регулирования или поддержания выходного напряжения;

• возможность работы как параллельно сетью, так и в автономном режиме без применения дополнительных устройств;

• высокий кпд;

• многолетний опыт производства и эксплуатации;

• отработанность технических решений для различных модификаций.

К недостаткам СГ обычно относят:

• сложность синхронизации в условиях ВЭУ при параллельной работе с сетью;

• более высокую по сравнению с АГ стоимость;

• наличие в большинстве случаев контактных колец для подачи возбуждения;

• склонность к качаниям при параллельной работе с другими агрегатами в случае колебаний частоты вращения ВТ или нагрузки.

Работа систем генерирования на базе СГ в различных режимах фундаментально исследована, в связи с тем, что этот тип электрической машины является основным производителем электрической энергии в традиционной энергетике.

СГ (ЭМГ) применяется в мощных ВЭУ при параллельной работе с сетью и в маломощных установках в автономных режимах [12,24-кЗ6,94,98,99]. Вот несколько примеров применения. В Дании в 1978 г. пущена в эксплуатацию установка мощностью 2МВт. В 1983 г. в Швеции введена в эксплуатацию ВЭУ WTS-3 мощностью 3МВт (напряжение б. бкВ, скорость вращения 1500 об/мин, коэффициент мощности 0.9). Одна из первых мощных ВЭУ MOD-1, созданная фирмой General Electric в рамках правительственной программы США, оборудована ЭМГ мощностью 1800кВт с напряжением 4160 В и скоростью вращения 1800 об/мин. На Гавайских островах установлено 15 ВЭУ WWG-0600 фирмы Westinghouse мощностью по 600кВт каждая. В 1985 г. три ВЭУ MOD-2 фирмы Boeing Aerospace мощностью по 2.5МВт запущены в эксплуатацию. На Оркнейских островах (Англия) в 1986 г. установлена ВЭУ типа LSI мощностью 3МВт. Имеются сведения об использовании СГ в установках средней мощности от 100 до 300кВт.

В автономных ВЭУ малой мощности начинают применяться магнитоэлектрические СГ (МЭГ) [344−36,131,151,240,418], однако их применение без устройств силовой электроники встречает определенные трудности, связанные со стабилизацией выходного напряжения и зашитой потребителя.

СГЭЭ на базе АГ с короткозамкнугым ротором (АГкзр) получили распространение в ВЭУ средней мощности [110,111]. Хотя общий диапазон их применения простирается от 0.5кВт до 3МВт, причем их используют и для маломощных автономных ВЭУ. Столь многообразное использование АГ связано с его известным преимуществом — малой стоимостью, а также с широкой номенклатурой выпускаемых электротехническими фирмами асинхронных двигателей. Однако, как показали исследования специалистов фирмы ABB, применение стандартных асинхронных двигателей в качестве генераторов д ля ВЭУ не оптимально ввиду совершенно иных режимов работы, климатических и других условий эксплуатации. Была разработана специальная серия АГ для ВЭУ [38,39] на мощность до 500кВт, которая обеспечивала более высокое значение кпд и коэффициента мощности при нагрузках ниже 50%. Но даже применение таких АГ не позволяет получить при низких скоростях ветра высокое значение кпд, поэтому в распространенной схеме СГЭЭ с использованием АГ монтируется два генератора, один из которых на 20-г25% мощности ВЭУ, кроме этого используется комбинация с СГ.

ВЭУ средней мощности с АГ генератором выпускают такие известные фирмы, как MBB (ФРГ), Windmaster (Нидерланды), ELSSAN и Danish Wind Technology (Дания), ELKRAFT и другие.

Работу АГ с сетью можно считать достаточно хорошо изученной, так как этот режим является частным случаем работы асинхронной машины, являющейся основным типом исполнительного механизма в современных электроприводах переменного тока. А в этой области нет недостатка в фундаментальных теоретических исследованиях.

Остальные типы СГЭЭ относятся к классу машиновентильных систем, реализуют возможность работы с переменной скоростью вращения вала ВТ и считаются наиболее перспективными для применения в разрабатываемых ВЭУ. Их использование обеспечивает наиболее высокие энергетические и технические характеристики ВЭУ различных конструкций, позволяет успешно решать вопросы оптимизации конструкции, а также проблемы технологического, экономического и эксплуатационного характера.

СГЭЭ на базе МВС в зависимости от используемого типа генератора подразделяются на два класса, а именно, на системы «синхронный генератор-преобразователь частоты» (СГТТЧ) и «асинхронный генератор-преобразователь частоты» (АГПЧ). Характеристики этих систем существенно различаются, и эти отличия определяются электрической машиной, наиболее кардинальное из них — это то, что системы АГПЧ без дополнительного источника реактивной мощности не могут работать в автономном режиме.

Следует констатировать, что до настоящего времени нет сложившегося мнения об оптимальных областям применения той или иной системы в составе СГЭЭ ВЭУ, что отчасти объясняется различной степенью изученности их свойств. Рассмотрим известные мнения и результаты разработок, испытаний и эксплуатации опытных систем генерирования.

Системы на базе АГ с короткозамкнутым ротором и ПЧ (это может быть НПЧ с ЕК или выпрямитель с автономным инвертором напряжения) нашли широкое применение в регулируемом асинхронном электроприводе, но в СГЭЭ для ВЭУ применяется пока весьма ограниченно. Нам известно, что только лишь специалисты фирма Tohoki Electric Power и института Hachione Institute of Technology (Япония) спроектировали системы генерирования мощностью 3.7кВт и 16.5кВт для нетрадиционной энергетики [61,62]. ПЧ построен на транзисторных модулях, система имеет емкостной источник реактивной мощности. С появлением мощных JGBT модулей большой мощности с высокими рабочими частотами позволяет надеяться, что данная структура как на базе схемы «АГ-УВ-ИН», так и с использованием обращенного инвертора («АГ-ИН-ИН») найдет свою достойную нишу.

Системы на базе АГ с фазным ротором являются наиболее широко теоретически и практически исследованными в части их использования в регулируемом электроприводе переменного тока. Система асинхронный вентильный каскадный генератор представляет собой один из вариантов машины двойного питания, у которой в роторе установлен ПЧ со звеном постоянного тока на базе инвертора тока с естественной коммутацией. Такая система способна работать только параллельно с сетью при скорости АГ выше синхронной. Это существенно ограничивает область её применения. Все работы по использованию АВКГ пока носят научно-исследовательский характер.

Система асинхронизированный синхронный генератор (АСГ) была исследована одной из первых, когда в 30-е годы была сформулирована проблема создания генератора переменного тока стабильной частоты, работающего при переменной скорости вращения. Первые исследования в этом направлении проводились с целью подтверждения известных идей А. А. Горева о повышении статической устойчивости синхронной машины, работающей на сеть, путем специального регулирования возбуждения в двух взаимно — перпендикулярных осях ротора [69]. Наиболее фундаментальное развитие это направление получило в известных научных отечественных центрах ВНИИЭ, ВНИИ-ЭМ, МЭИ и связано с именами советских ученых М. М. Ботвинника, Н. Н. Блоцкого, А. И. Важнова, А. Е. Загорского, А. В. Орлова, В. И. Радина, П. А. Кяляна, Ю. Г. Шакаряна и др. [704−82]. Успехи в технической реализации АСГ определялись прогрессом в силовой электронике.

АСГ для мощных ВЭУ строится на базе серийной или специально спроектированной асинхронной машины с фазным ротором. В качестве возбудителя, как правило, используется НПЧ с ЕК (циююконвертор). Такое построение системы позволяет обеспечить работу АСГ как с синхронной скоростью вращения, так выше и ниже её. Важнейшей особенностью АСГ данного типа является то, что механическая энергия преобразуется в электрическую (и наоборот) по двум каналам — через статорную и роторную цепь. Это позволяет при ограниченных диапазонах изменения скоростей вращения получить выигрыш по массогабаритным и энергетическим показателям по сравнению с другими системами МВС.

Реально АСГ может иметь преимущества перед другими системами при весьма ограниченном диапазоне скоростей вращения (менее 2-х), что связано с увеличением мощности скольжения и мощности циклоконвертора. Кроме этого, электрическая машина для АСГ при большой мощности ВЭУ весьма дорогая, требует больших эксплуатационных расходов, может быть ненадежной из-за щеточного узла и контактных колец, а при малых мощностях — характеризуется пониженным значением кпд и коэффициента мощности. Помимо этого, мощный АСГ при малых ветрах потребляет относительно высокий уровень реактивной мощности, что также снижает кпд. Следует отметить определенные сложности в обеспечении автономного режима работы АСГ, так как для ее устойчивой работы требуется источник реактивной мощности для начального запуска [97]. Применение циклоконвертора при низких кратностях частот ухудшает качество генерируемой энергии [11,12,13,86,88]. Данный недостаток может быть устранен при использовании в цепи ротора ПЧ со звеном постоянного тока на базе схемы «ИН-ИН», реализованной на транзисторах. Исследования в этом направлении начаты в последние годы [83ч-87,392-ь400] и пока носят научно-исследовательский характер.

До настоящего времени АСГ имеет небольшое по сравнению с СГ, АГ и системой СГПЧ распространение в СГЭЭ ВЭУ. Но тем не менее, в первой отечественной установке мегаватного класса ВЭУ «Радуга-1» (мощность 1000кВт), введенной в строй в 1996 г. вблизи г. Элиста, смонтирована СГЭЭ на базе АСГ разработки ВНИИЭ и ХЭМЗ. За рубежом также функционирует несколько ВЭУ с АСГ.

В одной из 18-ти крупнейших в мире ВЭУ в установке типа GROWIN-1 мощностью 3МВт (ФРГ, фирма MAN) установлена система АСГ, разработчиком электрооборудования для неё была фирма Siemens [65].

В ВЭУ мегаватного класса третьего поколения типа MOD-5B (Boeing Aerospace) также установлена АСГ мощностью 3440кВ-А изготовленная Siemens [66]. При номинальной мощности система может работать 7 мин. из каждых 22 мин. Для компенсации реактивной мощности и фильтрации выходного напряжения предусмотрена конденсаторная батарея, подключенная через реакторы к фазам генератора.

Специалисты фирмы Westinghouse считают систему АСГ одной из самых перспективных [67,68]. При этом приводится информация о натурных испытаниях АСГ и АВКГ в составе ВЭУ MOD-O мощностью 200кВт на полигоне NACA Plumbrook.

СГЭЭ на базе систем СГПЧ, по мнению многих разработчиков ВЭУ, являются наиболее универсальными, могут использоваться в установках любого класса и любой мощности, они позволяют максимально реализовать достоинства ВТ с переменной скоростью вращения [51-^61,86,115,240]. К основным преимуществам СГПЧ относятся:

• повышенное производство электроэнергии;

• снижение расходов на обслуживание:

• повышенная надежность ВЭУ;

• сглаживание колебаний момента и скорости вращения;

• взаимная развязка ВЭУ и сети переменного тока, отсутствие проблем параллельной работы с сетью;

• упрощение конструкции ВЭУ и снижение капитальных затрат;

• возможность генерации реактивной мощности и регулирования коэффициента мощности, реализация автономного режима работы;

• плавный запуск от сети, плавное электрическое торможение;

• регулирование практически с любой скоростью быстродействия.

К недостаткам системы обычно относят её относительно высокую стоимость, а для систем на базе СГ с выпрямителем и ведомым сетью инвертором тока (СГ-УВ (В)-ИТ) добавляют необходимость фильтрующих устройств [11].

В соответствие с рис. 1 СГПЧ могут бьггь разного типа, прежде всего они различаются синхронным генератором в одних используется СГ с электромагнитным возбуждением в других — возбуждение обеспечивается постоянными магнитами. Дальнейшие различия определяются типом преобразователя частоты. Идеология систем СГПЧ с МЭГ в ветроэнергетику была привнесена из авиационной электротехники, где подобные системы генерирования появились в СССР и США в середине 70-х годов. Применение МЭГ в СГПЧ не изменяет кардинально свойств систем, но улучшает их благодаря тем преимуществам, которые свойственны этому типу электрической машины, а именно:

• малая масса и габариты;

• повышенная надежность и практически отсутствие эксплуатационных расходов;

• некритичность к климатическим условиям, широкий температурный диапазон эксплуатации;

• меньшая трудоемкость в изготовлении;

• согласованность электромагнитных характеристик с ПЧ и характером изменения мощности, генерируемой ВЭУ;

• возможность создания многополюсного генератора, исключающего применение мультипликатора.

Последнее преимущество оценивается особенно высоко, и к нему привлечено внимание многих разработчиков ВЭУ. В конце 80-х гг. по этой проблеме было выдано около 20 патентов США таким ведущим фирмам в разработке ветроустановок, как UNITED TECHNOLOGIES CORP. и POWER GROUP INTERNATIONAL CORP.

Самый простой тип СГПЧ, получивший реальное воплощение в мощных ВЭУ, это системы «СГ-УВ (В) — ИТ» (в данных системах используется инвертор тока с естественной коммутацией или по другим классификациям ведомый сетью инвертор напряжения), они обладают практически всеми достоинствами систем СГПЧ, но при таком построении могут работать только параллельно с сетью и требуют специальных мер по улучшению качества электрической энергии [89]. Системы с использованием автономного режима работы инвертора тока применяются лишь в установках малой мощности [151].

Системы СГПЧ на базе НПЧ с ЕК и на базе ПЧ с промежуточным звеном постоянного тока с ИН являются основными схемами в этом классе, именно благодаря им системы СГПЧ считаются перспективными. Причем, системы с НПЧ с ЕК уже нашли свое применение в автономных СГЭЭ, а системы с ИН, в связи с появлением новой элементной базы, получили возможность к применению только в последние годы. Использование систем типа «СГ-ИН-ИН» открывает достаточно уникальные возможности по реализуемым функциям и достижимым электрическим параметрам.

Системы СГПЧ для ВЭУ малой мощности («СГ-В-ПСН-ИН») обычно строятся на базе трехступенчатого преобразования электрической энергии за счет введения промежуточного стабилизатора напряжения (ПСН), что позволяет расширить диапазон изменения скоростей вращения до З-й-х.

Первые системы СГПЧ для мощных ВЭУ создавались на базе ПЧ для электроприводов общепромышленного назначения фирм ABB, Siemens, Toshiba и др. [51]. Так фирмой ABB на основе стандартных ПЧ типа CNG OlOa-fCNG 017а разработаны СГЭЭ для ВЭУ без мультипликатора (LSG) и для ВЭУ с мультипликатором (MSG).

Самая крупная в мире действующая ВЭУ EOLE с вертикальной осью вращения мощностью 4МВт, построенная компанией Hydro Quebec на побережье в районе Квебека, снабжена СГЭЭ на базе СГПЧ, который собран по схеме «СГ-УВ-ВИН». Особенностью этой ВЭУ является отсутствие мультипликатора. В Европе разработана ВЭУ EOLE-D, которая отличается от предыдущей наличием мультипликатора и тем, что принята в СГЭЭ схема «СГ-В-ВИН», что позволило улучшить степень использования генератора.

В 1985 г. в Нидерландах была сдана в опытную эксплуатацию ВЭУ типа NEWECS-45 мощностью 1МВт [56] фирмы Storck FDO-WES В.В. с СГЭЭ типа СГПЧ. С такими же системами смонтированы ВЭУ типа WKA-60 мощностью 1.2МВт (ФРГ, MAN Technologie AG). ВЭУ типа ELODA 500 и 600, соответственно мощностью 500 и 600кВт (Австрия, Villas) [58,59]. По имеющимся сведениям в США ведутся разработки ВЭУ мощностью 6МВт на базе системы «СГ-НПЧ с ЕК» .

В 1997 г. в России завершены заводские испытания СГЭЭ типа СГПЧ на базе схемы «МЭГ-НПЧ с ЕК» для ВЭУ мощностью 1МВт типа «Радуга-1». Разработчиками циклоконвертора являлись АКБ «Якорь», ОНИЛЭЛА НГТУ, разработчик и изготовитель магнитоэлектрического генератора НИИ СЭТМ. Данная разработка является пионерской, в мире нет прецедентов создания подобных систем на такой уровень мощности с использованием идеологии модульного принципа построения [269,273,274,276,280].

Специалистами НГТУ совместно с АОЗТ «ЭЛМОТРОН» разработан ряд ВЭУ мощностью от 0.5кВт до 10кВт, в основе СГЭЭ которой положены магнитоэлектрические генераторы типа ВГ-О.5-ь10 с постоянными магнитами (феррит-сгронций), предназначенные для работы в составе систем СГПЧ [418].

Определенный интерес представляет исследование, изложенное в работе [55], суть которого заключается в том, что на примере действующей в США ВЭУ типа WTS-4 мощностью 4МВт показано, что переход на переменную скорость вращения и систему СГПЧ приводит к снижению стоимости электроэнергии, выработанной ВЭУ на 404−60%.

Специалисты шведского университета Charmers University of Technology разработали серию низкоскоростных дисковых СГ с возбуждением от постоянных магнитов на базе редкоземельных элементов (ниодима-феррита-бария) для работы в системах СГПЧ мощностью 1,64 и 100кВт [60].

В НИИ СЭТМ разработана серия синхронных генераторов с возбуждением от постоянных магнитов (феррит-стронций, КС-25, КС-37) для СГЭЭ типа СГПЧ, это генераторы типа МАГ-12, МАГ-15 и ГСВ-260, соответственно мощностью 12,15, и 260кВт [131].

Применение АСГЭЭ связано не только с ветроэнергетикой. Приоритет в создании современных АСГЭЭ и масштабности их использования принадлежит транспорту. Для ветроэнергетики характерно лишь то, что в ней используются АСГЭЭ, быть может, с самыми большими единичными мощностями. Автору не удалось документально подтвердить, на каком из видов транспорта впервые появились преобразователи механической энергии вращающегося вала в электрическую, можно лишь предположить, что это был водный транспорт.

Вторая половина 20-го столетия характеризуется резким ростом энерговооруженности транспортных средств. В 50-г-70-е гг. это было связано прежде всего с техникой специального назначения: авиация стратегического назначения, летающие радиотехнические комплексы типа «АВАКС» и командные пунктыавионесущие крейсеры и подводные лодкистационарные и передвижные ракетные комплексы автотранспортного и железнодорожного базированиясистемы противоракетной обороны, включая космического базирования. Именно потребности военной техники стимулировали научно-технический прогресс в области создания новых типов АСГЭЭ.

В 70^-90-е гг. отмечен достаточно бурный рост энерговооруженности транспортных средств общего назначения, что связано с изменением качества жизни. Появилось множество электротехнических и радиоэлектронных бытовых средств, с которыми человек не желал расставаться и во время передвижения.

Разработкой автономных систем генерирования для транспортных средств и устройств, используемых в них, в разные годы занимались многие известные у нас в стране и за рубежом специалисты в области электротехники, электромеханики и силовой электроники, здесь уместно назвать такие фамилии, как: Бертинов А. И., Брускин Д. Э., Быков Ю. М., Грабовецкий Г. В., Зиновьев Г. С., Иньков Ю. М., Коробан Н. Т., Конев Ю. И., Кобзев A.B., Лаптев H.H., Лабунцов В. А., Радин В. И., Сипайлов Г. А., Соустин Б. П., Смольников Л. Е., Тонкаль В. Е. и многие другие [115-Я26,133−7-147].

Наиболее зримо прогресс в разработке относительно мощных систем генерирования проявился в авиации, что объясняется спецификой этого транспорта. Приведем некоторые конкретные факты.

Суммарная мощность СЭС истребителя фронтовой авиации за указанный период увеличилась с единиц киловатт до 60-ь90кВт (три канала, включая вспомогательную силовую установку — ВСУ, мощностью по 20кЗОкВт каждый).

Суммарная мощность всех каналов генерирования электрической энергии на военно-транспортных самолетах и самолетах гражданской авиации составляет 24СН-500кВт. Имеются сведения о СЭС с мощностью 750кВт, установленных на самолетах, выполняющих функцию летающих командных пунктов.

Классификация первичных СГЭЭ для ЛА представлена на рис. 2. Откуда следует, что они включают в себя три основных класса, это системы генерирования постоянного и переменного тока, а также системы комбинированные.

Рис. 2.

Исторически первыми на борту самолета появились системы постоянного тока с напряжением 27 В и долгие годы они оставались единственными. Достоинства таких систем достаточно хорошо известны [97,98,115,164,183]. СГЭЭ постоянного тока строились как на базе генераторов постоянного тока (1111), так и с применением синхронных генераторов с электромагнитным возбуждением. В этом случае для исключения колец электрическая машина выполнялась двухкаскадной с вращающимися диодами и встроенным в статор выпрямителем. В 80-е годы в СССР на предприятии АКБ «Якорь» была разработана серия систем постоянного тока типа СГР по схеме «МЭГ-УВ» с мощностью от 3-х до 24кВт.

С повышением энерговооруженности самолетов в 40-е годы появляются системы генерирования переменного тока с переменной и постоянной частотой генерируемого напряжения [167]. Первые из них практически не получили распространения ввиду значительных трудностей при организации параллельной работы каналов СЭС, ограничений в унификации электрооборудования и увеличении массога-баритных показателей потребителей электрической энергии. По этой причине они не введены в классификацию.

Последние десятилетия на основных классах самолетов системы постоянного тока перешли в разряд вторичных, а системы переменного тока стабильной частоты стали основным типом первичных СЭС. В связи с тем, что в этих системах осуществляется преобразование механической энергии вращающегося с переменной скоростью вала в электрическую энергию переменного тока стабильной частоты, они получили за рубежом название «Variable Speed Constant Frequency «или сокращенно «VSCF», в отечественной технической литературе они называются «Переменная Скорость — Постоянная Частота» («ПСПЧ») [163].

Долгие годы системы ПСПЧ строились на базе синхронных генераторов с электромагнитным возбуждением и вращающимися диодами, при этом проблема стабилизации скорости вращения возлагалась на специальное промежуточное устройство, которое получило название привода постоянной скорости «ППС». Стремление минимизировать массу и габариты привело к появлению СГЭЭ интегрального типа, в котором ППС и СГ интегрировались вместе с маршевым двигателем в единую конструктивную систему, что позволило получить на ряде разработок уникальные удельные весовые характеристики — 0.6 кг/кВ-А. Лидирующее положение в мире по разработке и изготовлению гидроприводов ППС и интегральных СГЭЭ на их основе принадлежит фирме Sundstrand (США), в СССР подобные системы производило НПО «Дзержинец». Сегодня выпускается шкала таких систем на мощности до 120кВ-А. Такого рода системам присущи известные недостатки [161 162,166,169,171]:

• сложность организации параллельной работы двух каналов генерирования между собой;

• высокая конструктивная сложность;

• большие эксплуатационные расходы;

• низкое значение кпд (75⁸⁰%);

• большая инерционность и, как следствие, значительный «заброс «частоты генерируемого напряжения в переходных режимах по скорости вращения;

• наличие теоретических ограничений по реализации ППС на мощности более 12(Ы50кВ-А.

Интерес к системам СГПЧ, как к основному элементу СЭС типа ПСПЧ, проявился в научно-технической среде в 60-е годы в СССР и США, тогда ПЧ, в основном, рассматривался на базе циклоконвертора [152ч-159]. В конце 60-х годов задача создания статических систем УБСБ для аэрокосмического комплекса и наземных передвижных установок специального назначения была включена в список пятисот важнейших стратегических научно-технических проблем США, и публикации в открытой печати перестали появляться вплоть до конца 80-х гг. Аналогичная ситуация складывалась и в СССР, результаты всех реальных достижений в этой области либо вообще не публиковались, либо публиковались в весьма сжатой форме без конкретной привязки к объектам и конкретных технических результатов. В силу того, что автор данной работы практически с первых лет становления этой тематики активно в ней принимал участие, то может назвать научные школы, производственные коллективы и конкретных исследователей, имевших значимые достижения. Среди организаций, где эта тематика впервые была сформулирована и долгие годы успешно развивалась было АКБ «Якорь» (Главный конструктор д.т.н. Б.Н. Калугин), затем это направление развивалось в НПО «Дзержинец» (под руководством д.т.н. А.Ф. Федосеева), во ВНИИЭМ и ЗВИ (под руководством д.т.н. В.И. Радина). С начала 70-х годов к работам в этом направлении была подключена Отраслевая научно-исследовательская лаборатория преобразовательной техники (ОНИЛГТГ) НЭТИ (под руководством д.т.н Г. В. Грабовецкого), позднее — созданная специально для проведения работ по системам СГПЧ для ЛА ОНИЛЭЛА НЭТИ (под руководством к.т.н. С.А. Харитонова). Активно развивалась эта тематика в ТЛИ (под руководством д.т.н. Г. А. Сипайлова), а также в МАИ, институте электродинамики АН УССР, ВЭИ, МЭИ, МИРЭА, КПИ, КИИГА и в ряде других научных центрах.

Значительный вклад в разработку систем СГПЧ для транспортных средств специального назначения внесли следующие специалисты: Андреев В. Г., Алексеев И. И., Айзенштейн Б. М., Нежданов И. В., Юхнин М. М., Клейман М. Г., Зечихин Б. С., Старовойтова Н. П., Лотоцкий B. JL, Цкловер И. А., Быков Ю. М., Радин В. И., Загорский А. Е., Грабовецкий Г. В., Подъяков Е. А., Харитонов С. А., Иванцов В. В., Бородин Н. И., Семенов Ю. Е., Лучкин В. Ф., Кожухов В. В., Сипайлов Г. А., Лукутин Б. В., Цукублин А. Б., Майбородин Б. А., Филатов В. В., Лукин И. И. и многие другие [143,150,160+162,166,170+239].

За рубежом разработкой систем авиационных систем СГПЧ занимались фирмы General Electric, Bendix, Boeing, Westinghouse, Auxilec, Precision Mecanique Labial, Artus, Aerospatiale, ATEL, EAS, Bronzavia, Lucas, Plessey [152+159,168].

Наиболее значимые разработки в этой области относятся к середине 70-х и на 80-е годы. Так фирмой General Electric для ВВС США разработана система «МЭГ-НПЧ с ЕК» мощностью 150кВ-А, используется 9-ти фазный магнитоэлектрический генератор (постоянные магниты на базе сплава самарий — кобальт) и эквивалентная 9-ти фазная нулевая схема НПЧ с выходным LC фильтром, кпд системы в номинальном режиме 89% [213,226,230,233,235,238,246].

Фирмой Auxilec разработана система «МЭГ-НПЧ с ЕК» мощностью 60кВ-А. Система охлаждения СГ типа «масляный туман», ПЧ — жидкостное масляное. Скорость вращения вала 16 500+30000 об/мин. Масса системы 38 кг.

Известны разработки систем СГПЧ фирм Boeing (мощностью 60/75 кВ-А, схема «ЭМГ-НПЧ с ЕК», НПЧ — шестифазная эквивалентная схема), Auxilec (шкала начиная с 30 кВ-А), ATEL (мощность 20 кВ-А).

В СССР первая авиационная система СГПЧ по схеме «ЭМГ-НПЧ с ЕК» на мощность 30/45 кВ-А разработана и испытана в начале 70-х годов, система на этот же уровень мощности с использованием магнитоэлектрического генератора испытана в середине 70-х годов, что позволяет говорить о приоритете перед зарубежными разработками в создании таких систем. Разработчиком и изготовителем агрегатов системы было АКБ «Якорь», на всех стадиях разработки принимали участие сотрудники ОНИЛПТ НЭТИ (включая автора данной работы). К середине 80-х годов этим же предприятием и созданной к тому времени ОНИЛЭЛА НЭТИ разработана, изготовлена и испытана шкала систем СГПЧ типа СГ-30/45, СГ-60/90, СГ-120/150 по схеме «МЭГ-НПЧ с ЕК» на номинальную мощность соответственно 30, 60 и 120 кВА [188,198,200,201,204,209].

Отечественные и зарубежные системы «МЭГ-НПЧ с ЕК» различаются подходом к построению силовой схемы НПЧ, это отличие заключается в том, что в наших разработках дроссели силового LC фильтра установлены на входе преобразователя, а сам НПЧ подключен непосредственно к емкости фильтра (поэтому такие системы иногда называют с С — фильтром). Фильтр в зарубежных разработках включен «классически» на выходе преобразователя. Столь внешне незначительное изменение схемы кардинально изменяет электромагнитные процессы в системе и создает следующие преимущества [178,233]:

• уменьшается величина обратного напряжения на вентилях и степень её зависимости от рабочего диапазона скоростей вращения вала МЭГ;

• уменьшается di/dt и как следствие du/dt в тиристорахпрактически исключается необходимость защитных RC цепочек от перенапряжений, возникающих при выключении тиристоров, что важно при работе от МЭГ на высоких переменных частотах, так как данное решение приводит к уменьшению массогабаритных показателей системы за счет интегральных конструктивных решений и повышает кпд системы;

• повышается быстродействие системы в связи с прерывистым характером токов в дросселях входной цепи;

• повышается устойчивость системы к аварийным режимам работы, снижаются требования к точности устройства раздельного управления;

• появляется возможность быстрого «гашения» накопленной в электромагнитных элементах энергии при «сбросе» нагрузки за счет кратковременного перехода в режим совместного управления;

• создаются условия для независимой работы вентилей, подключенных к разным фазам СГ, что благоприятно сказывается на коэффициенте гармоник генерируемого тока, уменьшается его зависимость от глубины модуляции углов управления;

• в связи с тем, что характер изменения тока во входной цепи преобразователя и в вентилях приближается по форме к синусоидальной, уменьшается уровень радиопомех.

Перечисленные достоинства данной схемы, а также большое количество вариаций её построения, позволяют считать данное решение для создания систем «МЭГ-ВП», работающих при широком диапазоне изменения скорости вращения вала генератора, концептуальным.

Таким образом, система СП 14 находит широкое применение в АСГЭЭ различного уровня мощности и назначения, где механическая энергия вращающегося с переменной скоростью вала преобразуется в энергию постоянного или переменного тока.

Однако, несмотря на перечисленный список работающих систем и обилие публикаций по различным аспектам расчета параметров [171−7-180 и др.], можно констатировать, что не существует общей методологии построения систем, в основе которой бы лежали теории, позволяющие осуществить сравнение различных схемных вариантов и выбрать оптимальные в каком-либо смыслерассчитать системные параметры, позволяющие сформулировать обоснованные технические требования на отдельные агрегаты системы (абсолютное значение рабочих скоростей и частот СГ, установленные мощности генератора и преобразователя, включая основные энергетические показатели и требования к реактансам, ЭДС холостого хода и току короткого замыкания генераторасогласование энергетических характеристик СП 14 и первичного двигателя при заданной генерируемой мощности) — выбрать или синтезировать законы управления системой в различных режимах работы.

Если расчетам параметров систем с ЭМГ и ВП при установленном фильтре в цепи «выпрямленного тока» посвящено достаточно много работ [121ч-123,150,168,175], в том числе и работы автора [190,197,198,201,205*209, 222], то анализу процессов в системе «МЭГ-ВП» при переменной скорости вращения и С — фильтре посвящены лишь работы [176*180], однако, в них синхронная машина представлена простейшей «ЬЕ» схемой замещения, что не позволяет учесть специфику её влияния на электромагнитные процессы и адекватно оценить величину и качество генерируемой мощности.

Процессы регулирования и стабилизации параметров генерируемой электрической энергии в системе «МЭГ-ВП», независимо от типа преобразователя, связаны с циркуляцией больших потоков неактивной мощности как в сечении электрической машины, так и в сечении нагрузки, которые до настоящего времени не изучены. Знание качественных и количественных характеристик энергетических процессов в системе позволит минимизировать потоки неактивной мощности, что откроет возможность к оптимальному синтезу структур и параметров. В связи с этим возникает необходимость построения теории энергообменных процессов в электромеханических системах, содержащих синхронный генератор с произвольным числом фаз и вентильный преобразователь достаточно общего вида.

Разработке теории энергопроцессов в системах с вентилями посвящены известные работы [291³⁰⁷]. Специфика построения систем генерирования связанна с соизмеримостью мощности, потребляемой нагрузкой и генерируемой первичным двигателем, с многоконтурностью, большим количеством нелинейных элементов, наличием электромагнитных связей и зависимостью режимов работы от внешних возмущающих факторов (скорость ветра, режим полета и др.). Это приводит к необходимости дальнейшего развития известных теорий энергообмена, учитывая сложность систем было бы обосновано сосредоточить основное внимание на анализе процессов с использованием действующих значений электрических величин. Идея анализа систем с использованием лишь модулей электрических величин предложена в работах [297,299], нашла развитие в работах автора [282,284,287,289], где на основании выявленного изоморфизма 4-мерных пространственных векторов и периодических временных функций нелинейной электрической цепи, возбуждаемой несинусоидальным источником электрической энергии, определены некоторые общие закономерности представления составляющих полной мощности.

Детальное и всестороннее исследование процессов в системах типа «МЭГ-ВП» позволит не только оптимизировать параметры этих структур, но и определить их место среди других систем.

Таким образом, анализ состояния и тенденций развития автономной энергетики свидетельствует об актуальности разработки проблемы и методов повышения эффективности систем преобразования энергии вращающегося вала в электрическую.

Цель работы и задачи исследования.

Цель диссертационной работы состоит в решении крупной научно-технической проблемы повышения эффективности систем преобразования механической энергии вращающегося с переменной скоростью вала в электрическую путём теоретического и практического обоснования новых концепций построения систем с применением устройств силовой электроники и разработкой методов их расчета и алгоритмов управления, что связано с масштабным использованием автономной энергетики в различных отраслях и имеет большое экономическое значение.

Для достижения поставленной цели решались следующие основные задачи.

1. Разработка концепции анализа энергетических характеристик нелинейных электрических цепей с вентилями при воздействии на них несинусоидальных источников электрической энергии.

2. Разработка теории представления электрических величин нелинейной цепи с вентилями с помощью обобщенных пространственных векторов и операторов, определение основных законов теории электрических цепей и правил их преобразования с использованием адекватного задаче тензорного способа описания.

3. Разработка «символического» метода представления энергетических процессов в нелинейных однофазных и многофазных электрических цепях с использованием алгебр кватернионов и октав.

4. Создание математической модели и метода расчета электромагнитных процессов в электромеханических системах «СГ-ВП» при переменной скорости вращения вала генератора.

5. Анализ электромагнитных процессов (во временной и частотных областях) и энергетических характеристик электромеханических систем «магнитоэлектрический синхронный генератор — управляемый выпрямитель» («МЭГ-УВ»), «магнитоэлектрический синхронный генератор — непосредственный преобразователь частоты с естественной коммутацией» («МЭГ-НПЧ с ЕК»), «магнитоэлектрический синхронный генератор — управляемый выпрямитель — автономный инвертор напряжения» («МЭГ-УВ-АИН»).

6. Разработка алгоритмов синтеза и синтез законов управления вентильными преобразователями различного типа в составе системы «МЭГ-ВП» при автономной и параллельной работе с сетью.

7. Синтез основных параметров систем генерирования типа «МЭГ-НПЧ с ЕК» и «МЭГ-УВ-АИН» для летательных аппаратов и ВЭУ средней и большой мощности.

8. Разработка новых типов систем «СГ-ВП» для систем генерирования летательных аппаратов и ветроэнергетических установок различного типа и уровня мощности на базе магнитоэлектрического генератора и устройств силовой электроники и их внедрение.

Основанием для выполнения работ были тематические планы ОНИЛГТГ МЭШ СССР при НГТУ (НЭТИ) и ОНИЛЭЛА МАП СССР при НГТУ (НЭШ) — приказы МАП СССР и постановления МинЭнерго СССР. Хозяйственные договоры на проведение научно-исследовательских работ.

Методы исследования.

Решение поставленных задач потребовало привлечения математического аппарата аналитической и дифференциальной геометрий, тензорного анализа, алгебр кватернионов и октав, теории матриц и линейных операторов, функционального анализа, преобразования Фурье, дифференциального и интегрального исчислений, методов решения экстремальных задач, математической статистики и численного моделирования.

Достоверность основных теоретических положений подтверждается сопоставлением расчетных и экспериментально определенных электрических параметров, а также результатами испытаний серии систем генерирования, технические задания, на проектирование отдельных агрегатов которых сформулированы с использованием предлагаемых методов.

Научная новизна.

1. Выявлен изоморфизм 4-мерных пространственных векторов и временных функций токов и напряжений пространства Ь2[0,2к] нелинейной одноконтурной электрической цепи. На основе геометрических аналогий предложена и развита концепция анализа одно — и многоконтурных электрических цепях с вентилями при питании от несинусоидальных источников электрической энергии с использованием действующих значений электрических величин. Данное обобщение раскрывает множественность форм описания электрических процессов, включая энергообменные, позволяет формализовать процедуру синтеза физически обоснованных способов разложения полной мощности и синтезировать критерии минимизации отдельных её компонент и поиска алгоритмов управления вентилями.

2. Предложена тензорная трактовка основных законов электрических цепей в 4-мерном пространстве с использованием действующих значений токов и напряжений, введены понятия тензоров различного типа сопротивлений, определены их компоненты и правила преобразования при изменении системы координат и преобразованиях цепи. Предложен аналог символического метода описания электрических величин с использованием алгебры кватернионов. На основе данных представлений выявлен алгоритм определения взаимосвязи действующих значений токов и напряжений электрической цепи с вентилями и способ построения векторных диаграмм в 2-, 3- и 4-мерных пространствах, что позволяет в ряде случаев получить замкнутые аналитические выражения для определения интегральных параметров и энергетических характеристик.

3. Введено понятие изображающего обобщенного вектора 3-х фазной нелинейной электрической цепи с вентилями в 8-мерном пространстве с использованием алгебры октав. Показана содержательность и конструктивность данного представления для анализа симметричных и несимметричных режимов работы цепи, что подтверждено разработанным методом определения эквивалентных составляющих полной мощности трехфазной нелинейной цепи.

4. Разработан метод анализа электромагнитных процессов во временной и частотных областях электромеханических систем «СГ-ВП основанный на методе переключающих функций, сформированных для производных тока во входных цепях преобразователя, методе быстрого преобразования Фурье и методе симметричных составляющих. С помощью данного метода и методов обобщенного векторного представления проведен анализ энергообменных процессов в системах «МЭГ-ВП», что позволило выявить их основные закономерности и дать им количественную оценку.

5. Проведен анализ электромагнитных процессов в системах «МЭГ-УВ», «МЭГ-НПЧ с ЕК», «МЭГ-УВ-АИН «при переменной скорости вращения вала генератора и работе преобразователя на сеть постоянного или переменного тока. Определены ранее неизвестные режимы работы выпрямителя и НПЧ с ЕК, обусловленные спецификой электромагнитных процессов в генераторе при переменной скорости вращения, выявлены условия их существования и определено влияние на величину и качественные показатели генерируемой мощности и энергетические характеристики системы.

6. Обоснована энергетическая эффективность принципа модульного построения систем генерирования электрической энергии для ветроэнергетических установок средней и большой мощности при переменной скорости вращения вала ветровой турбины. Выдвинута и обоснована концепция модульного построения автономных инверторов напряжения для систем генерирования электрической энергии, позволяющая повысить качествр генерируемой энергии и улучшить энергетические показатели схемы за счет повышения эквивалентной частоты пульсаций и уменьшения их величины во входных и выходных токах системы.

Основные положения, защищаемые автором.

1. Концепцию представления электрических величин нелинейных электрических цепей с вентилями в установившемся режиме при питании от несинусоидальных источников электрической энергии с помощью 4-мерных пространственных векторовтензорную и кватернионную трактовку основных законов электрических цепей с использованием действующих значений токов и напряжений и способы их записи в различных координатных системах.

2. Способ векторного и операторного представления в К4 полной и неактивной мощностей нелинейной электрической цепи с вентилями и формы записи условий энергетического баланса цепи с их использованием. Способы определения компонент векторов и операторов мощности и правила их преобразований при изменении системы координат и преобразованиях цепи.

3. Метод изображающего обобщенного вектора в пространстве октав для анализа энергетических процессов в трехфазных нелинейных электрических цепях с вентилями при питании от несинусоидальных источников электрической энергии в симметричных и несимметричных режимах.

4. Метод анализа электромагнитных процессов в системах «СГ-ВП» и результаты исследований электромагнитных процессов во временной и частотных областях в системах «МЭГ-ВП» .

5. Результаты исследований энергетических процессов в трех типах систем генерирования: «МЭГ-УВП», «МЭ-НПЧ с ЕК» и «МЭГ-УВ-АИН» .

6. Синтезированные и использованные в реальных разработках законы управления выпрямителями, непосредственными преобразователями частоты с естественной коммутацией и автономными инверторами напряжения, при работе в составе систем генерирования электрической энергии в автономных режимах и параллельно с сетью.

7. Результаты синтеза основных параметров систем генерирования переменного тока типа «МЭ-НПЧ с ЕК» и «МЭГ-УВ-АИН» для ЛА и ВЭУ.

Практическая ценность работы.

1. Предложенная концепция и разработанные на её основе методы обобщенного векторного описания энергетических процессов с использованием действующих значений токов и напряжений позволили получить ряд замкнутых аналитических соотношений для расчета основных интегральных параметров и энергетических характеристик синхронного генератора и вентильных преобразователей, что является основой инженерной методики выбора варианта структуры СГЭЭ.

2. Разработанный метод анализа электромагнитных процессов в системах «МЭГ-ВП», проведенные расчеты величин потокосцеплений, токов и напряжений структурных элементов системы, а также показателей их качества, определенные параметры элементов эквивалентных по действующим значениям схем замещения для различных режимов работы трех типов систем генерирования являются основой методики расчета основных электрических параметров элементов СГЭЭ постоянного и переменного тока.

3. На основании предложенных критериев определены рациональные диапазоны изменения скорости вращения вала синхронного генератора для систем генерирования постоянного и переменного тока на базе схем «МЭГ-УВ», «МЭГ-УВ-НПЧ с ЕК» и «МЭГ-УВ-АИН» .

4. Предложенный критерий минимизации величины неактивной мощности и активных потерь для систем генерирования в одномодульном и в многомодульном вариантах и результаты синтеза основных системных параметров предназначены для использования в процессе проектирования на стадии формирования технических требований к отдельным агрегатам систем генерирования переменного и постоянного тока для летательных аппаратов и ветроэнергетических установок средней и большой мощности.

5. Разработанные законы управления выпрямителями, непосредственными преобразователями частоты с естественной коммутацией и автономными инверторами напряжения в составе систем генерирования типа «МЭГ-ВП», обеспечивают повышение качества генерируемой электрической энергии как в режимах автономной работы, так и в режиме параллельной работы с сетью, минимизируют величину неактивной мощности в сечении нагрузки преобразователя, тем самым повышают эффективность процесса преобразования электрической энергии.

6. Рассмотренные принципы построения, критерии и законы управления нашли применение в разработанных впервые системах генерирования электрической энергии на базе магнитоэлектрического генератора для летательных аппаратов специального назначения и ветроэнергетических установок.

7. Ряд положений разработанной теории использованы в учебном процессе.

Реализация результатов работы.

На различных этапах работы были получены следующие практические результаты:

1. Совместно с АКБ «Якорь» (г. Москва) разработана, изготовлена и испытана серия систем генерирования переменного тока стабильной частоты для летательных аппаратов по схеме «МЭГ-НПЧ с ЕК» типа СГ — 30/45, СГ — 60/90, СГ- 120/150 соответственно мощностью 45,90 и 150кВА.

2. Совместно с АКБ «Якорь» разработаны, изготовлены и испытаны системы генерирования постоянного тока с напряжениями 27 В и 270 В по схеме «МЭГ — УВ» для малых летательных аппаратов, а также мощных систем электроснабжения постоянного тока для «полностью электрического самолета» .

3. Совместно с АКБ «Якорь» разработана, изготовлена и испытана система генерирования мощностью 1кВт (СГ1-ВЧ) с промежуточным звеном высокой частоты по схеме «магнитоэлектрический генератор — выпрямитель — высокочастотный транзисторный повышающий стабилизатор постоянного напряжения — автономный инвертор напряжения — выпрямитель» для малых самолетов.

4. Совместно с АКБ «Якорь» разработан интегральный вариант исполнения системы генерирования типа «МЭГ-НПЧ с ЕК», включая аппаратуру управленияразработаны, изготовлены и испытаны гибридные интегральные схемы, реализующие предложенные законы управления.

5. Разработаны и внедрены в состав САПР «ЭЛЕКТРО» АКБ «Якорь» программы расчета непосредственных преобразователей частоты и выпрямителей в составе систем «МЭГ — ВП» .

6. Совместно с АКБ «Якорь», НИИ СЭТМ, СИБстанкоэлектропривод (г. Новосибирск) и з-д Гидроприбор (г. Феодосия) разработаны, изготовлены и испытаны системы генерирования типа «МЭГ-НПЧ с ЕК» для ветроэнергетических установок ВЭУ «Радуга-250» и «Радуга-1» (Разработчик МКБ «Радуга» г. Дубна) соответственно мощностью 250 и 1000 кВт.

7. Совместно с НИИ СЭТМ разработана, изготовлена и испытана система генерирования по схеме «МЭГ-НПЧ с ЕК» мощностью 5кВт для ВЭУ-5 (Разработчик АНЖ «Крыло» г. Омск).

8. Разработан, изготовлен и испытан непосредственный преобразователь частоты для системы генерирования СГ-3.0−1, спроектированной по схеме «синхронный генератор с электромагнитным возбуждением — НПЧ с ЕК», предназначенной для ВЭУ мощностью 3кВт (Разработчик Гидропроект г. Москва).

9. Совместно с АО «ЭРАСИБ» (г. Новосибирск) разработан, изготовлен и испытан бесперебойный источник питания мощностью 17кВА на базе автономного инвертора напряжения на ЮВТ модулях. Функционирует в составе ВЭУ в погранвойсках РФ.

Ю.Разработаны устройства, обеспечивающие режим параллельной работы с сетью, системы генерирования электрической энергии мощностью 10кВт, спроектированной по схеме «МЭГ — В — повышающий стабилизатор напряжения (ЮВТ) -АИН (ЮВТ)» для ВЭУ мощностью 10кВт (Разработчики ВЭУ и системы генерирования АО «ЭЛМАТРОН» и «СИБИРЬ МЕХАТРОНИКА» г. Новосибирск).

Основные научные результаты использованы в учебных курсах «Спецглавы преобразовательной техники», «Машиновентильные системы» и частично отражены в учебных пособиях:

• «Энергетические характеристики нелинейных электрических цепей с вентилями. Геометрические аналогии», издание НГТУ, 1998 г. объем 10 печатных листов.

• Непосредственные преобразователи частоты с естественной коммутацией для электромеханических систем. Часть 1, издание НГТУ, 1997 г., объем 4 печатных листа.

• Машинный расчет и анализ электронных схем. издание НГТУ, 1992 г., объем 3 печатных листа.

Апробация работы.

Основные материалы работы были представлены на:

Всесоюзных НТК по преобразовательной технике в г. Киев: (1975,1979,1983). Всесоюзной НТК «Вентильные электромеханические системы с постоянными магнитами» (г. Москва, 1989 г.), Всесоюзном совещании по проблемам преобразовательной техники (г. Таллин, 1982 г.), НТК по электроприводу переменного тока (г. Свердловск (Екатеринбург) 1975, 1985, 1995, 1998), НТК с международным участием «Проблемы электротехники» (г. Новосибирск, 1993 г.), Заседании «Круглого стола» Научного Совета по проблеме «Научные основы электрофизики электроэнергетики» отделении физико-технических проблем энергетики АН СССР (г. Рига, 1991 г.), Всесоюзном совещании по проблемам автономных электромеханических систем (г. Севастополь 1990 г.), МНТК «Актуальные проблемы электронного приборостроения» (г. Новосибирск 1992,1994,1996,1998 гг.) НТК по электрооборудованию (г. Комсомольск — на — Амуре 1989 г.), МНТК по информатике и проблемам теле.

40 коммуникаций (г. Новосибирск 1995 г.), Третьем Сибирском конгрессе по прикладной и индустриальной математике (ИНПРИМ — 98) в г. Новосибирске и ряде других конференций и совещаний.

Основные результаты работы отражены в 108 печатных работах, в том числе в 44 тезисах и докладах, 15 авторских свидетельств и в патенте, в трех учебных пособиях.

Структура и объем диссертации

.

Диссертация состоит из введения, трех разделов, заключения, списка литературы из 420 наименований и приложений, содержащих фотографии и осциллограммы, протоколы испытаний систем, актов внедрения. Основная часть диссертации содержит 300 страниц текста, 276 страниц рисунков и таблиц.

Основные результаты по теоретической и практической разработке проблемы и методов повышения эффективности преобразования механической энергии вращающегося с переменной скоростью вала в электрическую состоят в следующем:

1. Обоснована концепция построения автономных систем генерирования электрической энергии (СГЭЭ) постоянного и переменного тока средней и большой мощности на базе систем «магнитоэлектрический синхронный генератор — вентильный преобразователь электрической энергии» (МЭГ — ВП) и модульном принципе. Для систем генерирования летательных аппаратов (ЛА) специального назначения и ветроэнергетических установок (ВЭУ) определены структурные и принципиальные силовые схемы систем, а также диапазоны мощностей возможного использования данной концепции.

2. Предложена и развита концепция анализа энергетических характеристик нелинейных электрических цепей с вентилями при питании от несинусоидальных источников электрической энерщи, основанная на изоморфизме 4-мерных пространственных векторов и временных функций гильбертова пространства, определяющих токи и напряжения одноконтурной электрической цепи.

3. Предложен и использован для анализа сложных систем с вентильными преобразователями математический аппарат обобщенного векторного описания, основанный на тензорной трактовке основных законов электрических цепей и правил их преобразования с представлением компонент тензоров токов и напряжений с помощью действующих значений. Разработан адекватный символический метод для исследования энергетических процессов в однофазных и трехфазных линейных и нелинейных электрических цепях с использованием алгебр кватернионов и октав.

4. С целью формализации процедур формирования критериев минимизации неактивной мощности в электрических цепях с вентилями и критериев синтеза законов управления вентильными преобразователями, а также для формализации процедур расчета полной мощности в многоконтурных цепях с несинусоидальными токами и напряжениями предложены и использовались способы представления полной мощности и её составляющих в виде тензоров первого и второго рангов.

5. На базе метода обобщенного векторного описания и разработанного метода анализа электромагнитных процессов во временной и частотной областях, основанного на использовании переключающих функций для производных токов и быстрого преобразования Фурье, а также метода симметричных составляющих, создана теория энергетических процессов в системах «МЭГ — ВП», позволившая выявить основные закономерности преобразования электрической энергии и дать им количественную оценку.

6. Проведен анализ электромагнитных процессов в СГЭЭ переменного и постоянного тока типа «МЭГ — ВП» при переменной скорости вращения вала генератора и параллельной работе преобразователя с сетью. Определены ранее неизвестные режимы работы и условия их существования в ряде схем ВП. Выявлены рациональные диапазоны изменения скоростей вращения вала СГ и определено влияние режимов работы систем и их параметров на величины и качественные характеристики генерируемой мощности, токов и напряжений структурных элементов систем.

7. Исследованы энергообменные процессы между синхронным генератором и вентильным преобразователем, между преобразователем и нагрузкой в системах генерирования «МЭГ — ВП», определена зависимость величин полной мощности и её составляющих (в различных формах разложения), а также основных энергетических характеристик от параметров системы и режимов работы. Показано, что в системах с магнитоэлектрическим генератором процесс регулирования генерируемой активной мощности при переменной скорости вращения обеспечивается изменением величины и структуры неактивной мощности. Обоснована энергетическая эффективность модульного принципа построения СГЭЭ с магнитоэлектрическим генератором для ряда областей применения.

8. Предложен критерий синтеза параметров СГЭЭ, обеспечивающий минимизацию активных потерь и неактивной мощности, циркулирующей в цепи МЭГ — ВП. Осуществлена процедура синтеза основных системных параметров СГЭЭ для ЛА и ВЭУ. Для систем генерирования ВЭУ определены диапазон изменения скорости вращения вала ветровой турбины, в котором целесообразно применение модульного принципа, оптимальное количество модулей и алгоритмы их включения.

9. Сформулированы критерии синтеза и синтезированы законы управления вентильными преобразователями в составе систем генерирования постоянного и переменного тока типа «МЭГ-ВП» при параллельной работе с сетью, минимизирующие величину генерируемой неактивной мощности в цепи нагрузки.

10. Разработана впервые серия систем генерирования типа «МЭГ — ВП» мощностью от ЗкВА до 150кВА для летательных аппаратов специального назначения и ветроэнергетических установок мощностью от 1.5кВт до 1000кВт, при проектировании которых применялись обоснованная концепция построения, предложенные методы анализа и расчета основных параметров и энергетических характеристик систем, синтезированные законы управления вентильными преобразователями с естественной коммутацией и автономными инверторами напряжения в составе СГЭЭ при автономной и параллельной работе с сетью.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.