ВЕТРОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СТАНЦИИ

СПОСОБЫ ОГРАНИЧЕНИЯ ‘МОЩНОСТИ

Неотъемлемым условием надежной повседневной ра­боты ветроэлектрической станции является предотвра­щение перегрузок ветродвигателя, которые неизбежно возникают при работе в непрерывно меняющемся есте­ственном ветровом потоке. Колебания, присущие скоро­сти ветра, приводят к тому, что перегрувка сверх номи­нальной мощности может наблюдаться даже при сред­них скоростях воздушного потока, меньших расчетной скорости.

Наиболее вероятные микропульсации скорости ветра могут быть оценены приближенной формулой V — Рср = = zt:0,3fcp (см. § 5-1). Отсюда следует, что перегрузки могут возникать при средних скоростях воздушного

Потока vCp^ Величина ожидаемых перегрузок вет­роагрегата при Уср=Ур будет доходить до 60—70°/0. В тех же случаях, когда оср > ур возможны еще боль­шие перегрузки, которые являются нежелательными прежде всего для ветродвигателя, поскольку,'будучи даже кратковременными, они могут явиться опасными для механической прочности отдельных узлов кинемати­ческой схемы передачи вращающего момента от ветро­колеса.

Необходимость во время эксплуатации практически беспрерывного регулирования лопасти и то обстоятель­ство, что время, в течение которого должен уложиться весь процесс регулирования, является относительно ко­ротким (величина располагаемого времени регулирова­ния в сильной степени зависит от действительной кар­тины нарастания скорости ветра в переходном режиме), затрудняет решение задали ограничения вращающего момента ветродвигателя при параллельной работе с сетью связанного с ним синхронного генератора.

Разрешение вопроса о регулировании мощности вет­роэлектрической станции для предотвращения ее пере­грузки возможно в нескольких направлениях:

1. Центробежно-аэродинамическое стабилизаторное регулирование системы проф. Г. X. Сабинина и проф. Н. В. Красовского, применяемое в СССР на ветродви­гателях стаїбилизаторного типа D-18 и D-30, позволяет непосредственно осуществить регулирование ВЭС в ре­жиме параллельной работы только в случае работы со станцией равной мощности. В общем же случае парал­лельной работы оно должно быть дополнено устрой­ством, воздействующим на установку углов стабилиза­торов в условиях работы при постоянной скорости вра­щения. Такое устройство получило название ограничите­ля; момента. До настоящего времени законченной 'кон­струкции ограничителя еще не создано.

,2. На ветродвигателе тина 1-D-18 применено аэроди­намическое регулирование поворотом вбей лопасти под воздействием. силы давления относительного потока, на­бегающего на лопасть. Правильно функционирующий регулятор такого ветродвигателя способен во многих слу­чаях предохранить ВЭС от перегрузок в режиме парал­лельной работы. Метод расчета такого регулятора дан инж. К. П. Вашкевичем [Л. 5]. Опытная эксплуатация ветроэлектрической станции 1-D-18 при параллельной работе с дизельной электростанцией практически равной мощности, проведенная ЦАГИ, показала успешную ра­боту системы регулирования.

Диаграммы работы ветроэлектрической станции 1-D-18 при регулировании показаны на рис. 4-7.

3. На ветроэлектрической станции ограничение мо­мента, передаваемого на вал генератора, может бшть достигнуто с помощью муфты скольжения, помещаемой между ветроколесом и синхронным генератором.

Применение гибкой связи между ветродвигателем и синхронным генератором в форме муфты скольжения позволяет использовать центробежное регулирование для поворота лопасти с целью уменьшения мощности, разви­ваемой ветродвигателем при скорости ветра, выше рас­четной. Этот способ, в частности, приложим к ветродви­гателям, имеющим центробежно-аэродинамичеекое ста­билизаторное регулирование типа D-18. Применение того или иного типа муфты определяется временем работы муфты в режиме скольжения. Для сельских ветроэлек­трических станций,-притом прежде всего средней мощ­ности, наиболее перспективными являются электромаг-

Нитные муфты скольжения с безобмоточным якорем (рис. 4-8). Муфта 'этого типа выгодно отличается от других муфт тем, что основная доля тепла выделяется во внешнем ее элементе — якоре, состоящем из двух сплошных колец, одно из которых (массивное стальное) является магнитопроводо-м, другое (тонкое медное)—то-

Копроводом. Нагрев такого безобмоточнопо якоря лими­тируется только условиями сохранения механической (Прочности при больших скоростях вращения.

Если -электромагнитную муфту скольжения рассчи­тать таким образом, чтобы ее момент в любой части ха­рактеристики от нулевого скольжения (s = 0) до макси­

Удовлетворял условию M<iM

В. р

Где t—передаточное отношение от вала ветроколеса к валу генератора, Мвр — расчетный момент ветродвига­теля, то этим решается задача ограничения момента,
передаваемого ветродвигателем генератору при любой скорости ветра, превышающей расчетную v.

Если электромагнитная муфта скольжения рассчитан так, что на участке кривой M = f(s), находящейся в

Интервале от ^ = д0 52 = 5p-f-s (рис. 4-9),

DM 0 (е — нечувствительность регулятора), а регулято"

Настроен таким образом что

Пр~Т

Где пн — номинальная ско; рость вращения генерат ра, то этим исключаете как возможность перехо;

_____________ да в двигательный режи"

О, з ор о, ь при падении скорости вет ра, так и резкое колеба ние мощности петроэлек трической станции в прс цессе регулирования, об нечувствительности регуг

Условленное наличием зоны ля'тора.

Для уменьшения веса муфты необходимо, чтобы было минимальным. Но для того, чтобы колебания мощ­ности ветроэлектрической станции имели по возможности, плавный характер, что важно в случае работы со стан цией соизмеримой мощности, желательно некоторое уве­личение s. Имея в виду в этом варианте работы воз­можность изменения частоты системы, фактическое - скольжение электромагнитной муфты в момент регули;, рэвания будет где 5 — неравномерность ход~

Системы.

Как видно из рис. 4-9, sp=si + e. У современных вет] родівигателей в « 5% • Величина Si по конструктивным со­ображениям не может быть. меньше 2,5%!. С другой сто­роны, максимальная величина Si не может быть больше 25%, так как в противном случае вес муфты несоразмер-! но увеличивается и из-за увеличения потерь в ней на­чинает заметно падать эффективность ветроэлектриче-
ш

Ской станции1. Следовательно, практически целесообраз­ная величина sp будет лежать в пределах от 7,5 до 30%'.

На ветроэлектрической станции, работающей с до­статочно мощной станцией, когда колебания мощности ветроэлектростанции, возникающие вследствие изменчи­вости ветра, не могут оказать какого-либо существенного влияния на частоту сети, может быть использована более легкая муфта с характеристикой типа а. Для такой муфты sp = sMaKC ; форма кривой M = f(s) правее точки Sp —|— е при стабильности частоты может быть произ­вольной.

При. наличии электромагнитной муфты скольжения при самосинхронизации ветроэлектрической станции сня­тие избыточного момента достигается путем снижения тока возбуждения до величины, соответствующей мо­менту холостого хода агрегата М0. Прием нагрузки вет - роэлектрост-анЦией может бьгть осуществлен путем по­дачи соответствующего напряжения на зажимы обмотки возбуждения электромагнитной муфты после включения генератора в сеть. Указанные операции легко могут быть автоматизированы.

На рис. 4-10 показан внешний вид синхронного гене­ратора с электромагнитной муфтой скольжения ветро­электрической станции D-18 Запорожского филиала ВИЭСХ.

На рис. 4-11 даны снятые на этой станции диаграм­мы работы. На диаграмме, иллюстрирующей работу ветроэлектрической станции до предела регулирования (рис. 4-М, а), отчетливо видно сглаживающее действие маховых масс ветроколеса при наличии электромагнит­ной муфты скольжения. Диаграмма мощности на рис. 4-11,6 отчетливо показывает действие электромаг­нитной муфты скольжения как ограничителя нагрузки при сильном ветре.

Поскольку ветроагрегат, обладая относительно боль­шим моментом инерции и работая при переменной скоро­сти вращения, является своего рода аккумулятором вет­ровой энергии, наличие электромагнитной муфты сколь­жения позволяет ветроагрегату поддерживать отдачу ветроэлектрической станции в течение некоторого проме­жутка времени даже в случае резкого провала ветра, что наглядно видно в конце диаграммы мощности рис. 4-М, б.

Рис. 4-Ю. Внешний вид синхронного гене­ратора с электромагнитной муфтой сколь­жения.

Наличие потерь в муфте скольжения определяет ее тепловой режим и увеличивает нагрузку ветроколеса. С увеличением передаваемой мощности возрастают по­тери в муфте и сохранение температуры нагрева ее ча­стей в допустимых пределах становится все более за­труднительным. Одновременно повышаются требования к конструкции в смысле сохранения соосности между обоими элементами. Поэтому трудно уверенно предопре­делить до какой мощности ветроэлектрических станций окажется пригодной электромагнитная муфта скольже­ния с естественным охлаждением. Ориентировочно это будет ветроэлектрическая станция мощностью, видимо, до 100 кет.

4. Предотвращение перегрузки ветродвигателя может быть достигнуто использованием свойств аэродинамиче­ского саморегулирования ветродвигателя. Возможность аэродинамического саморегулирования ветродвигателя, показанная в работах проф. Г. X. Сабинина, состоит в получении таких моментных характеристик, когда они для скорости ветра, равной и выше расчетной, на опреде­ленном участке их левой части максимально сближают­ся, вплоть до переплетения (рис. 4-12) [Л. 2]. Наиболее

Полно эффект аэродинамического саморегулирования проявляется у ветродвигателей повышенной быстроход­ности с нормальной модульностью 2И>6.

В числе возможных способов регулирования мощно­сти ВЭС при параллельной работе с электрической си­стемой можно упомянуть о применении для этой дели аэродинамической передачи, предложенной А. Г. Уфим - цевым и разработанной применительно к ВЭС с синхрон­ным генератором Н. В. Красовским и Б. А. Васильевым [Л. 131.

В ветродвигателе с аэродинамической передачей на концах крыльев основного ветроколеса помещены вет­рянки, приводящие в движение электрические генерато­ры (рис. 4-13). Ветрянки работают в относительном
потоке 'при скоростях порядка 40—50 м/сек и передают энергию генераторам при скоростях вращения порядка: первых тысяч оборотов в минуту. При этом возможны два варианта привода генераторов ветрянками: 1) инди-

Видуальный, когда каждая ветрянка вращает свой ге­нератор, расположенный в крыле основного ветроколе­са, и 2) групповой, когда все ветрянки вращают один генератор, расположенный на головке ветродвигателя (вращение передается длинными валами, расположенны­ми в крыле ветроколеса).

Как видно, ветродвигатель с аэродинамической пере­дачей, значительно усложняется конструктивно, но при этом исчезает необходимость передачи момента при ма­лых скоростях вращения ветроколеса, что в свою очередь

Т

Приводило бы к применению редукторних передач, йес которых может достигать 25%' от общего веса установ­ки. Применение тяжелых и сложных редукторов сильно удорожает и усложняет производство мощных ветродви­гателей.