ВЕТРОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СТАНЦИИ

ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ РАСЧЕТЫ

Рассмотрим различные случаи совместной работы сельских гидростанций и тепловых станций с ветроэлек - тростанциями.

Энергетические расчеты при совместной работе гидро - и ветроэлектрических станций

При параллельной работе гидро- и ветроэлектриче­ских станций дополнительная энергия, получаемая от последних, может аккумулироваться в виде воды, запа­саемой в водохранилище.

Дополнительная энергия, получаемая за счет работы ветроэлектростанций, может быть использована двумя способами: Ііутем повышения установленной мощности потребителей, турбин и генераторов гидроэлектростан­ции, мощность которой была запроектирована без уче­та использования энергии ветра, или путем повышения установленной мощности потребителей при сохранении установленной мощности гидроэлектрстанции. Второй вариант менее желателен, поскольку для части потре­бителей должен быть введен принудительный график потребления в часЬі с небольшими скоростями ветра при максимуме нагрузки.

Энергетический эффект от присоединения ветроэлек­трических станций на параллельную работу с гидро­электрическими станциямр в первую очередь оценивает­ся той величиной мощности, на которую можно повы­сить установленную мощность гидроэлектрической стан­ции, запроектированной без ветроэлектрических станций, исходя из полного использования бытового стока реки.

Для объективной оценки целесообразности присоедине­ния ветроэлектростанций необходимо уяснить степень увіеличения объема водохранилища, требуемого при та­ком присоединении.

Энергетические расчеты следует проводить прежде всего для месяца с расчетным расходом, что соответ­ствует практике проектирования сельских ГЭС, к кото­рым относятся излагаемые здесь положения. Однако оценка энергетического эффекта только для условий расчетного расхода не позволяет полностью оценить эффект работы ветроэлектросганции параллельно с гид­роэлектростанцией. Поверочные гидроветроэнергетиче­ские расчеты следует также проводить для месяцев, рас­ходы которых равньи наименьшему расходу расчетного и маловодного годов. Наконец, поверочный расчет дол­жен быть проведен для условий осенних месяцев — достаточно одного, когда расход воды в реке примерно равен расчетному или несколько выше его, но сред­немесячная скорость ветра ниже, чем для зимних меся­цев.

На основании указанных четырех расчетов может быть установлена энергетическая эффективность вклю­чения ветроэлектрической станции на параллельную ра­боту с гидроэлектрической станцией, а также выбрана величина наиболее рационального объема водохрани­лища.

Выбор наиболее оптимального варианта присоедине­ния ветроэлектрических станций к гидравлическим свя­зан с проведением в каждом конкретном случае боль­шого числа трудоемких расчетов. Чтобы избежать мно­гочисленных вычислений при инженерных расчетах, удобно пользоваться типовыми кривыми, позволяющими в первом приближении оценить возможную степень уве­личения расчетной мощности нагрузки и гидроэлектро­станции и требуемый при этом объем водохранилища в зависимости от числа и мощности добавляемых ветро­электростанций.

Приведенные ниже типовые кривые составлены для случая совместной работні гидро - и ветроэлектрических станций, имеющих характерные параметры в условиях определенного ветрового района. Подобные типовые кри­вые могут быть один раз составлены для различных условий совместной работы гидро - и ветроэлектрических станций, а затем многократно использоваться при прак­тических расчетах.

В основу методики составления типовых кривых по­ложен энергетический баланс системы ветроэлектростан - ция — гидроэлектростанция в суточном и месячном раз­резах для среднего расчетного месяца гидроэлектро­станции. Для составления суточного баланса энергии применяется табличная форма, для месяца — строятся интегральные кривые. Расчеты могут быть распростра­нены и на другие периоды времени, однако данные, по­лучаемые для расчетного месяца в первом приближе­нии, в достаточной мере позволяют оценить эффектив­ность совместной работы ветро - и гидроэлектростанции.

Рассматриваемая методика энергетических расчетов учитывает следующие положения: а) ход графиков вет­ра и нагрузки, б) возможную долю участия ветроэлек­трических станций в покрытии графика нагрузки, в) уве­личение удельных расходов воды на агрегатах гидро­электростанции при их разгрузке за счет ветроэлектро­станций.

График работы ветроэлектростанций строят, исходя из данных о среднемесячных скоростях іветра. Основной расчет, как указывалось выше, производится для меся­ца с расчетным расходом.

Применяя кривую повторяемости скоростей ветра для интервала, времени, равного одному месяцу, опре­деляют количество дней повторяемости той или иной скорости ветра за месяц. В случае получения при рас­четах дробных чисел их следует округлять до одного дня.

Для упрощения расчетов скорость ветра в течение суток (суточный ход ветра) для зимних месяцев может быть принята постоянной. В том случае, если суточный ход ветра имеет дневной подъем и ночной спад, как это обычно бывает в летние месяцы, весь график суточного хода ветра следует разбить на отдельные ступени. Практически достаточно разбить график на две ступени, соответствующие дневному подъему и ночному спаду скорости ветра.

Полученное из расчетов суммарное количество повто­ряющихся за месяц дней с различными среднесуточны­ми скоростями ветра следует. разбить на отдельные цик­лы, характерные для месячного хода ветров. В боль­
шинстве случаев в расчетах можно принимать двухцик - личный месячный ход ветра.

График работы гидроэлектростанции при наличии ветроэлектрических станций находится при наложении графика работы ветроэлектрической станции на график нагрузки. Такие совмещенные графики нагрузки и отда­чи мощности ветроэлектростанций строятся для дней с различными среднесуточными скоростями ветра. Рас­четы сводятся в табличную форму и выполняются в си­стеме относительных единиц. Таблицы составляются для

Расчет основных показателей

Наименование строк

Часы суток..............................................................................

График нагрувки, обеспечиваемый от гид­роэлектростанции, спроектированной без учета использования энергии ветра Измененный график нагрузки при учете

Использования энергии ветра............................

Необходимое число работающих турбии для покрытия измененного графика на­грузки без учета использования энергии

Ветра................................................................................

Загруака турбии без учета использования

Энергии ветра...............................................................

Доля участия мощности ветроэлектростан­ций в покрытии измененного графика нагрузки системы

Возможная величина нагрузки системы, покрываемая за счет ветроэлектростан­ций

Мощность одной ветроэлектростанции при скорости ветра, соответствующей усло­виям данной таблицы

Количество работающих ветроэлектриче­ских станций

Величина нагрузки, обеспечиваемая за счет мощности работающих ветроэлектро­станций

Величина нагрузки, обеспечиваемая за счет мощности гидроэлектростанции при

Работе ветроэлектростанций..................................

Количество работающих турбин при работе ветроэлектростанций..........

Ззгрузка турбин при работе ветроэлектри­ческих станций....

Расход воды за I ч..'.'....................................

Расход воды за интервал времени", соответ­ствующий ступени упрощенного гра­фика нагрузки г

Расход воды за сутки............................................. . . .

Суток со средними скоростями ветра 5, 6, 7, 8, 9, Юл/сек и т. д., т. е. начиная со скоростей ветра, при которых ветроэлектростанция начинает отдавать энергию в сеть, и кончая скоростями ветра, при которых допускается 100%-я доля участия ветроэлектростанций в покрытии нагрузки, и начинают работать ограничители мощности ветроагрегатов.

Еще одна таблица составляется для безветренных су­ток, когда ветроэлектростанций не работают. Кроме то­го, составляется одна таблица для суток, когда график

Таблица 5-1

Системы ВЭС—ГЭС

17—2412

Нагрузки соответствует расчетным условиям гидроэлек­тростанции, спроектированной без учета использования энергии от ветроэлектростанций. Из этого графика в до­левых единицах находится суточный расход воды на гидроэлектростанции, соответствующий расчетному ме­сяцу среднего расчетного года. Следовательно, для каж­дых одинаковых исходных данных нахождение величины энергетического эффекта и объема водохранилища тре­бует составления семи-восьми таблиц в зависимости от количества дней с различной скоростью ветра.

Ход расчета показателей одной из указанных таб­лиц поясняется на примере табл. 5-1. Исходные данные таблицы следующие:

Среднемесячная скорость ветра ^мес = 5,5 м/сек; среднесуточная скорость ветра исут = 8 мсек количество ветроагрегатов т= 5 шт.; суммарная установленная мощность группы ветро­электростанций в долях от расчетной мощности гидро­электростанции, которая предназначается для параллель-

Ной работы с ветроэлектростанциями у= , БЭС— = 0,7;

'"ГЭС расч

Расчетная мощность гидроэлектростанции при исполь­зовании энергии ОТ ветростанций Р'гэс расч = РГЭС расч = = 1;

Тип турбины — радиально-осевая; количество установленных турбин п = 2 шт.; степень возможного увеличения графика нагрузки при использовании энергии от ветроэлектростанций

(кроме часов максимума нагрузки) — ,4.

Нагр

Вначале задаются приблизительным значением k. Если в результате энергетического расчета будет уста­новлено, что величина k была принята недостаточно точной, то проводится второй расчет с уточненным зна­чением k и в результате двух расчетов устанавливается действительное значение k.

Ниже излагается порядок составления горизонталь­ных строк таблицы:

Строка 1. Для уменьшения вычислений суточный график нагрузки заменяется ступенями, соответствую­щими нескольким часам. В рассматриваемом примере каждая ступень соответствует 2 ч графика нагрузки для зимних суток.

Строка 2. График нагрузки гидроэлектрической стан­ции, спроектированной исходя из расчетного расхода среднего расчетного года без учета использования энер­гии ветра. График выражается в долях от наибольшего значения нагрузки, принимаемого за единицу ^нагр. макс= = 1 дол. ед.

Строка 3. Измененный график нагрузки, который подсчитывается по, формуле

Р' __ ьр

Нагр нагр

Строка 4. Количество работающих турбин праб из числа всех турбин п, необходимое для покрытия каждой ступени измененного графика нагрузки.

Строка 5. Величина загрузки работающих турбин,

Указанных в строке 4, подсчитывается по выражению-.

Р'

Р____ р> П нагр. макс

_ иагр "раб ' SP;.yCT "

Здесь загрузка турбины дается в долевых единицах от номинальной установленной мощности турбины, для

Р'

Чего В выражении введен множитель --------------------------------------- нагр. макс ^ g KQ_

^ т. уст

Тором Р'н макс ■— наибольшая мощность при изменении графика нагрузки гидроэлектростанции, кет;

2/>;уст — суммарная установленная мощность всех турбин при наличии ветроэлектростанций и измененном графике нагрузки, кет.

В рассматриваемом примере этот множитель равен единице, так как установленная мощность турбин равна наибольшей мощности из графика нагрузки.

Строка 6. Доля участия мощности ветроэлектриче­ских станций в системе. Определяется по кривым

^нагр

Допустимой доли участия, составленной для ветроэлек­тростанций, исходя из средней скорости ветра, числа работающих ьетроагрегатов и загрузки работающих гид­
ротурбин (см. § 5-2). Здесь kx k2= РЪЭСраб — расчет­ная мощность работающих ветроэлектростанций.

Доля участия ветроэлектрических станций в системе дана в долях от общей нагрузки сети.

Строка 7. Величина возможной нагрузки, обеспечи­ваемой за счет ветроэлектрических станций, подсчиты­вается' путем умножения величины измененной нагрузки в сети (строка 3) на величину доли участия ветроэлектро­станций в системе (строка 6).

Строка 8. Чтобы определить, какую действитель­ную мощность могут обеспечивать ветроэлектрические станции при принятой для данной таблицы скорости ветра, необходимо иметь зависимость относительной мощ­ности ветроэлектрической станции Р

ВЭС

От

ВЭС "

Скорости ветра.

Для ветроэлектрических станций с быстроходными ветродвигателями при различных расчетных скоростях ветра ир эта зависимость может быть линеаризирована и в примерных расчетах принята следующей:

В рассматриваемом примере г>р = 9 м]сек. Мощность, обеспечиваемая одной ветроэлектрической станцией в до­левых единицах, равна:

Р _______ ГЭС. рас ч р

Вэс~ т м

Строка 9. Число работающих ветроагрегатов отраб же­лательно иметь как можно большее, т. е. использовать все установленные ветроагрегаты т, поскольку увеличе­но
ниє количества ветроагрегатов в группе увеличивает возможную долю участия в покрытии графика нагруз­ки. Предварительно количеством работающих ветро­агрегатов задаются при заполнении строки 6, когда определяется допустимая доля участия ветроэлектро­станций в покрытии графика нагрузки.

Строка 10. Возможная величина нагрузки, обеспечи­ваемой за счет ветроэлектростанций (строка 7), уста­навливалась по допустимой доли участия ветроэлектро­станций (строка 6) в покрытии измененного графика нагрузки системы (строка 3). Однако действительная величина нагрузки, которая покрывается за счет мощ­ности работающих ветроэлектростанций, может ока­заться большей или меньшей, чем возможная.

Для проверки мощность одной ветроэлектростанций (строка 8) при скорости ветра, соответствующей данной таблице, умножается на количество работающих вет­роэлектрических станций (строка 9), и полученный ре­зультат, являющийся действительной величиной нагруз­ки, сравнивается со строкой 7.

Если действительная величина нагрузки, могущая быть обеспеченной за счет ветроэлектростанций, оказы­вается больше возможной величины нагрузки (строка 7), то в строку 10 вписывается величина мощности из стро­ки 7, соответствующая допустимой доле участия. Осталь­ная часть мощности, развиваемой ветроэлектростанция - - ми, будет сниматься ограничителями мощности ветро­агрегатов.

І Строка 11. Величина нагрузки, обеспечиваемая за счет мощности гидроэлектростанций, при работе ветро­электростанций РнагрТЭС находится как разность между величиной измененной нагрузки сети (строка 3) и на­грузки, обеспечиваемой за счет мощности ветроэлектро­станций (строка 10).

Строка 12. Количество работающих гидротурбин при параллельной работе гидро - и ветроэлектрических стан - ций Лраб может быть уменьшено против случая работы одной гидроэлектрической станции (строка 4) в соответ­ствии с величиной нагрузки, покрываемой гидроэлек­тростанцией (строка 11).

Однако при уменьшении числа работающих гидро­турбин следует учитывать наличие пульсаций скорости ветра вверх и вниз от его средней величины, обуслов­ливающих изменение мощности ветроэлектростанций. Для компенсации колебаний мощности ветроэлектро­станций на гидроэлектростанции должна быть преду­смотрена определенная величина вращающегося резерва. При относительно больших скоростях ветра, учитывая наличие базиса в графике мощности ветроэлектрической станции, величину мощности' вращающегося резерва можно выбирать меньшей, чем полезная мощность ра­ботающих ветроагрегатов (строка 10).

Строка 13 по своей структуре аналогична подсче­там для строки 5, но вместо Рцагр в формулу вводится ^нагр. гэс (строка 11).

Строка 14. Часовой расход воды работающими гид­ротурбинами определяется в долях расхода, принимае­мого за единицу. Этот расход соответствует полному открытию направляющих аппаратов всех гидротурбин, установленных на гидроэлектростанции, спроектирован­ной без учета работы ветроэлектростанций и обеспечи­вающей нагрузку только за счет бытового стока:

' ур'

Уст

Где 2Руст — суммарная установленная мощность гидро­турбин при отсутствии ветроэлектростан­ций;

2Р;ст—то же, при наличии ветроэлектрических станций;

Р — загрузка турбин при работе ветроэлектро­станций;

QH=1—расход воды при полном открытии направ­ляющих аппаратов гидротурбин;

Qxx —расход воды при холостом ходе гидроагре­гатов.

При проведении примерных расчетов величина QKX в долях от <3И может быть принята для:

TOC o "1-3" h z поворотнолопастных гидротурбин.................... 0,1

Радиально-осевых гидротурбин......................... 0,25

Пропеллерных гидротурбин............................... 0,5

Величина загрузки гидротурбин принимается соглас­но строке 13.

Строка 15. Расход воды за 1 ч умножается на коли­чество часов в интервале, соответствующем одной сту­пени упрощенного графика нагрузки.

Строка 16. Подсчитывается расход воды за сутки, для которых производился расчет в данной таблице.

Этим заканчивается составление каждой из таблиц энергетического баланса в суточном разрезе.

Используя полученные из табличных расчетов суточ­ные расходы воды, выраженные в долевые: единицах, производят построение интегральных кривых притока и расхода воды за месяц.

Для построения графика притока воды за месяц ис­пользуются данные о суточном расходе воДы из табли­цы, составленной для суток, когда график нагрузки соответствует расчетным условиям гидроэлектрической станции, спроектированной без учета использования энергии от ветроэлектростанций. Величина такого расхо­да в относительные единицах будет равна бытовому стоку реки за сутки расчетного месяца.

Построение интегральной кривой месячного расхода производится на основании принятого месячного хода ветра (например, двухцикличного) путем суммирования подсчитанных в таблицах расходов воды для суток с соответствующими среднесуточными скоростями ветра.

На рис. 5-8 показан принятый в описываемом при­мере месячный ход ветра. График изменения скорости ветра имеет два цикла с резким подъемом скорости вет­ра вначале и постепенным понижением к концу каждого цикла. Такой график месячного хода скорости ветра определяет более или менее оптимальные условия с точ­ки зрения выбора требуемого объема водохранилища. Наиболее тяжелым условием, при котором объем водо­хранилища окажется наибольшим, будет случай, когда месячный ход ветра представляется в виде одного цик­ла с резким подъемом скорости ветра в начале и сниже­нием в конце его.

Необходимый объем водохранилища определяется из интегральных кривых (рис. 5-8). К суммарной кривой расхода проводятся касательные параллельные линии притока. Расстояние между обеими касательными по вертикали W показывает необходимый для регулирова-

Ния объем водохранилища. Отношение этого - объема к объему суточного бытового стока является коэффици­ентом а, с помощью которого оценивается объем водо­хранилища. Обычно для сельских ГЭС эта величина при суточном регулировании равна 0,15... 0,25, а при недель­ном регулировании 0,3... 0*75.

Как видно из графиков рис. 5-8, при принятой в опи­сываемом выше примере (табл. 5-1) степени увеличения графика нагрузки ^агр = ^Рнагр= 1,4Янагр, кривая рас­хода воды в конце мееяца не совпала с линией притока воды, поскольку значение k=A было взято несколько завышенным. Повторный расчет был проведен анало­гично первому, но при k=,2. Однако в этом случае кривая расхода воды оказалась расположенной ниже ли­нии притока. На основании двух расчетов путем интер­поляции находится действительная величина коэффи­циента k, при которой кривая потребления воды в конце месяца совпадает с линией притока. Подобным образом находится и коэффициент а.

Для рассматриваемого примера на рис. 5-8 действи­тельная степень увеличения графика нагрузки за счет использования энергии ветра оказалась равной £=1,27, т. е график нагрузки можно увеличить на 27%' при а='1,38.

С помощью методики, изложенной выше, проводится ряд вариантных расчетов для одной и той же гидро­электростанции, но при различных числах ветроагрега - тов и различных отношений расчетных мощностей всех ветроагрегатов и гидроэлектростанции. На основании таких расчетов строятся типовые кривые.

На рис. 5-9 и 5-10 даны типовые кривые энергетиче­ского эффекта и требуемого объема водохранилища в зависимости от установленной мощности ветроэлектро­станций, составленные для района со среднегодовой ско­ростью ветра на высоте ветроколеса равной 5 м/сек, и типового графика сельскохозяйственной нагрузки при совместной работе ВЭС и ГЭС, расположенной на рав­нинной реке и оборудованной радиально-осевыми гидро­турбинами.

Кривые даны для двух случаев:

1) когда установленная мощность ГЭС остается прежней, установленная мощность потребителей возра­
стает и для некоторой части потребителей в часьи макси­мума нагрузки вводятся принудительные графики (рис. 5-9);

2) когда установленная мощность ГЭС соответствен­но повышается (рис. 5-10).

К заметному увеличению энергетического эффекта и в то же время затруднит, ведение эксплуатации. Боль­шие результаты в этом отношении должно дать приме­нение на гидротурбинах быстродействующих регулято­ров скорости вращения, что позволит увеличить энерге­тический эффект ветроэлектростанций примерно до ве­личины, соответствующей случаю т=со.

Имея возможность находить по типовым кривым без трудоемких расчетов энергетические показатели для ва­риантов использования группы ветроэлектрических стан­ций при параллельной работе с гидроэлектрическими станциями, следует дополнить их технико-экономически­ми данными, полученными по укрупненным показате­лям, и выбрать наиболее целесообразный вариант.