ВЕТРОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СТАНЦИИ

МЕТОД РАБОТЫ И ТИП ГЕНЕРАТОРА

Изолированная работа ветроэлектрической станции переменного тока даже при наличии теплоэлектрическо- го резерва, вступающего в работу тогда, когда не рабо­тает ветроустановка, осложнена отсутствием равномер­ной подачи энергии. Для ветроэлектроагрегата с син­хронным генератором задача поддержания постоянства напряжения и частоты может быть решена следующим путем:

А) заставляют станцию работать только при скоро­стях ветра, больших расчетной, ,в таком случае регулиро­вание обеспечивает практически постоянную скорость вращения ветроколеса;

Б) сближают при изменении скорости ветра кривые мощности, развиваемой ветродвигателем и потребляе­мой нагрузкой, путем автоматического включения и от­ключения нагрузки по частям и допускают в определен­ных пределах колебания частоты, обусловленные наличи­ем микропульсадий скорости ветра; импульсом на пере­ключение может служить изменение частоты, обусловлен­ное нарушением баланса между располагаемой мощ­ностью ветродвигателя и требуемой потребителем; влия­ние колебаний нагрузки на напряжение может быть устранено с помощью компаундирующих устройств;

В) применяют специальные схемы, обеспечивающие поддержание постоянными напряжения и частоты в опре­деленном диапазоне изменения скорости вращения вет­родвигателя и соединенного с иим генератора.

На рис. 4-1 дана схема стабилизации тока при опре­деленной величине нагрузки на установке, имеющей син-

3

Ф-

Хронный генератор с постоянными магнитами при изме­нении скорости вращения в широком диапазоне. Схема применима к ветроэлектроустановке, предназначенной для освещения небольших наружных объектов и жилых помещений при определенном числе ламп [JI. 11].

Для изолированно работающей ветроэлектростанции существенным является уменьшение колебаний мощности •при кратковременных изменениях (микропульсациях) скорости ветра.

Ветроагрегат, обладая относительно большим момен­том инерции и работая при переменной скорости враще­ния, является своего рода аккумулятором ветровой энер­гии. Емкость этого аккумулятора пропорциональна вы­ражению.

<[(l+s)2-(l-S)2],

Где пр — скорость вращения начала регулирования; е — нечувствительность регулятора; о — неравномерность вращения.

Например, величина запасенной энергий ветродвига­теля D-18 при s = 0,05, пр = 40 об/мин и 5 = 0,07 со­ставит 131 кет-сек.

Эффективным устройством может оказаться инерци­онный аккумулятор, представляющий собой массивный быстровращающийся диск, соединенный наглухо с валом генератора и через муфту свободного хода с валом вет­родвигателя (рис. 4-2). Инерционный аккумулятор по­зволяет заполнять наиболее кратковременные провалы

П

Мощности ветродвигателя, длительность которых не пре­вышает 10—40 сек. Наличие выравнивающего устройства и применение нежесткого регулирования ветродвигате­ля, обеспечивающего защиту от буревых нагрузок, позво­ляет более эффективно использовать энергию ветра, зна­чительно сокращая число нерабочих дней. Поскольку скорость вращения ветродвигателя и генератора при этом может изменяться только сравнительно медленно, ветростанция становится гибкой в отношении присоеди­нения, к ней разных рабочих машин, резервных агрега­тов и позволяет для поддержания постоянства напряже­ния использовать регуляторы напряжения обычного типа. Таким образом, если не предъявлять строгих требований в отношении постоянства скорости вращения ветродвига­теля, напряжения и развиваемой мощности, а ограни­читься условием, чтобы скорость вращения изменялась медленно и отсутствовали провалы мощности, ведущие к быстрой остановке рабочих машин, то представляется возможным-создать изолированную ветроэлектрическую станцию.

Применение на изолированной ветроэлектрической станции асинхронного генератора дополнительно ослож­няется необходимостью иметь статические конденсаторы и практически предопределяет лишь осветительную на­грузку.

Отмеченные особенности, присущие изолированно ра­ботающим ветроэлектрическим станциям, практически исключают возможность их широкого распространения. Но если в отдельных случаях такие станции все же най­дут применение, то, во-первых, они будут более целесо­образными на основе ветродвигателя с защитно-парус - ным регулированием (типа 1D-18) и, во-вторых, в сель­ском хозяйстве они должны работать преимущественно по схеме механо-электрического использования энергии ветра. Ветроэлектростанция с инерционным аккумулято­ром сможет обеспечить по принудительному графику электрификацию трудоемких сельскохозяйственных про­цессов, как-то: водоснабжение, кормоприготовление, стрижку овец и пр.; при недостатке основной нагрузки полезную отдачу ветроелектроустановки можно исполь­зовать, присоединяя тепловую нагрузку в виде обогре­вательных печей и водонагревателей.

Ставя вопрос о широком использовании энергии вет- pa для целей электрификации, параллельную работу на общую сеть следует рассматривать как основной метод работы для ветроэлектрических станций. Объединение ветроэлектрических станций с гидро - и теплоэлектро­станциями. в комплексную энергетическую систему, начи­ная с практически равных мощностей ветровой и невет - ровой электростанций и вплоть до работы ветростанций в системе несоизмеримой мощности, наиболее просто устраняет основной недостаток в работе ветродвигате­лей— непостоянство и неравномерность их действия. Так как работа ветроустановок зависит от изменений ветро­вых условий, то мощность ветростанций при работе в си­стеме полностью или частично должна дублироваться аг­регатами других, параллельно работающих электростан: ций. Этот вопрос, имеющий существенное значение для оценки экономической эффективности применения ветро­электрических станций, рассматривается в гл. 5. Но и в том случае, когда ветроэлектрические станции не под­вышают рабочей мощности системы в целом, они позво­лят восполнить в той или иной мере недостаток других энергоресурсов или сократить их расход. В других слу­чаях ветроэлектрические станции смогут в определенной мере войти равноправной составляющей в общую систе­му, причем больших результатов можно ожидать - при со­четании ветроэлектрических станций с зарегулирован: ными гидроэлектростанциями, водохранилища которых могут использоваться в качестве аккумуляторов.

Возможность выбора места расположения ветроэлек­трической станции благодаря, вообще говоря, повсемест­ному распространению энергии ветра, исходя из распре­деления нагрузок открывает перспективу снижения стои­мости передачи и эксплуатации.

Возможны два режима работы ветроэлектрического агреігата: 1) при переменной скорости вращения и посто­янном числе модулей Z ветродвигателя, соответствующем наибольшему значению коэффициента использования энергии ветра; 2) при постоянной скорости вращения.

Работа ветроагрегата при переменной скорости вра­щения сопровождается приростам годовой выработки ветроколеса и при пульсирующем характере энергии ветра ставит ветроагрегат в более легкие условия в отно­шении динамических нагрузок. Вместе с тем работа при переменной скорости вращения приводит к значительному усложнению электросиловой части установки, требуя или применения специальной электрической машины или схемы из ряда электрических машин, в том числе и спе­циальных. На рис. 4-3 дана схема коллекторного генера­тора переменного тока с регулированием частоты, не за­висимым от скорости вращения, предложенная акад. М. П. Костенко [Л. 12]. Усложнение электросиловой ча­сти, особенно для ветроэлектрических установок средней

Мощности, является крайне нежелательным. К тому же сопутствующее усложнению схемы уменьшение ее к. п. д. •может снизить и даже вовсе обесценить эффект, получен­ный от повышения коэффициента использования энергии ветра ветроколесом (рис. 1-22).

Правильным направлением в развитии ветроэлектри­ческих станций мощностью до 1 ООО кет следует считать создание для них ветроэлектрических агрегатов при ра­боте ветродвигателя на переменном числе модулей и по­стоянной скорости вращения, что приводит к использова­нию нормальной электрической машины переменного тока. Что же касается более крупных ветроэлектростан - ций, то здесь следует идти не по пути увеличения мощ­ности одного ветроагрегата, а по пути увеличения числа

12—2412 177

І

Ветроагрегатов. Это позволит обойти конструктивные за­труднения, свойственные крупным ветроагрегатам, и бу - j дет способствовать повышению устойчивости электриче - - ской системы благодаря вводу рассредоточенных мощно - { стей со значительными маховыми массами. 5 Как известно, способность синхронной машины к ге - ! нерироваиию не только активной, но и реактивной мощ - ности предопределила исключительное применение этого | типа машины переменного тока в качестве генераторов электрических станций. Это соображение остается спра - ведливьгм и столь же важным для ветроэлектрических | станций. Поэтому является правильным внедрение на і ветроэлектрических установках синхронных генераторов, как это обычно и имеет место на электростанциях. Но ; ветродвигатель, являющийся приводным двигателем электрического генератора, устанавливается в воздуш - 1 ном потоке открыто и использует непосредственно его кинетическую энергию, меняющуюся непрерывно и про,- I извольно. Это вносит новые. моменты. в работу синхрон­ных генераторов сравнительно с тем, как она проходит з на тепловых и гидравлических электростанциях. По­скольку основная специфика вызвана пульсацией подво - | димой энергии, приобретают значение частотные харак - | теристики самой электрической системы и становится су - щественным, насколько жесткой является связь электри - | чесшго генератора с системой. Синхронный генератор J в этом смысле уступает асинхронному, который, работая 1 со скольжением относительно сети, дает возможность | большего проявления маховичных свойств ветроагрегата J и определяет более благоприятные условия его работы! | в динамических режимах. 1