Підвищення ефективності перетворення енергії вітроелектричних установок з аеродинамічною мультиплікацією

Abstract

Дисертація присвячена дослідженню особливостей роботи електромеханічної системи (ЕМС) нового класу вітроелектричної установки (ВЕУ) з аеродинамічною мультиплікацією (АМ) та обґрунтуванню схем перетворення енергії в ЕМС ВЕУ АМ з метою поліпшення ефективності ВЕУ АМ. В результаті комп’ютерного моделювання доведено ефект відбору максимальної потужності ВЕУ АМ при фіксованій частоті обертання вітротурбін при зміні частоти обертання вітроколеса в функції швидкості вітрового потоку. Показано, що при малих швидкостях вітрового потоку (<5 м/с) виникає розбіжність максимальної можливої і реальної генерації до 0,1 Рн електроенергії, яка може бути ліквідована зменшенням частоти обертання турбін в 2…3 рази, що потребує застосування допоміжних ПЧ потужністю до 0,2 Рн. Проаналізовано ряд схем використовуваних в ПЧ керованих мережею інверторів (КМІ), в тому числі і з імпульсним перетворювачем постійної напруги (ІППН). Теоретично отримані параметри і алгоритми керування ІППН. Обґрунтована доцільність використання ПЧ в складі випрямлячів з ІППН і багатофазних КМІ, що сприяє зниженню собівартості ПЧ та мережі, що з’єднує ВЕС з енергосистемою. Обґрунтовані вимоги до швидкодії ІППН в залежності від параметрів фільтру LC ланки постійного струму і фазності КМІ. Показано, що використання високочастотних індукторних генераторів дозволяє, практично без збільшення їх маси, збільшити потужність ВЕУ АМ та її ККД. Для автономного режиму запропоновано ПЧ з трирівневим інвертором напруги, обґрунтовані алгоритми керування, що забезпечують прийнятні коефіцієнти спотворення напруги. Наведені результати експериментальних досліджень ПЧ та їх промислового використання.

Диссертация посвящена исследованию особенностей работы электромеханической системы (ЭМС) ветроэлектрических установок (ВЭУ) с аэродинамической мультипликацией (АМ) и построению рациональных схем преобразования энергии в ЭМС ВЭУ АМ с целью повышения ее эффективности. В ВЭУ АМ турбогенераторы расположены на неповоротной части ветроколеса, что обеспечивает увеличение скорости набегания вторичного воздушного потока, и, соответственно, высокую частоту вращения генератора, обеспечивается аэродинамическая мультипликация. Использование синхронного индукторного генератора позволяет синхронизировать частоту напряжения генератора с частотой сети, что позволяет производить генерацию энергии в сеть без промежуточного преобразователя частоты. Отсутствие механического мультипликатора, преобразователя, а также высокое значение махового момента ветроколеса обуславливает достаточную простоту ВЭУ АМ, а следовательно, меньшую стоимость и значительно меньшие колебания генерируемой мощности при порывах ветра. Устойчивая работа ВЭУ АМ обеспечивается поддержанием баланса мощностей ветроколеса и ветротурбины. На базе уравнений динамики функциональной схемы ЭМС ВЭУ АМ моделированием получены статические и динамические характеристики ЭМС. В результате анализа установлен эффект максимального отбора мощности ветрового потока при фиксированной частоте вращения ветротурбин при переменной скорости вращения ветроколеса в функции скорости ветрового потока. Показано, что при малых скоростях ветрового потока (<5 м/с) наблюдается расхождение максимально возможного и реального отбора мощности до 0,1 Рн, для устранения которого требуется снижение частоты вращения ветротурбин в 2-3 раза. Реализация этого режима возможна при включении в состав ЭМС дополнительного ПЧ мощностью ≈0,2 Рн. Приведен анализ схем дополнительных ПЧ, в составе которых имеются ведомые сетью инверторы (ВСИ) и (или) импульсные преобразователи постоянного напряжения (ИППН). С целью снижения себестоимости в зависимости от алгоритма управления системой возбуждения генераторов наиболее целесообразны схемы ПЧ с параллельным включением выпрямителей с ИППН и ВСИ или последовательным включением выпрямителей и ВСИ, при приемлемых энергетических характеристиках и совместимости с сетью. Разработана методика расчета импульсного преобразователя повышающего напряжения, получена аналитическая зависимость его входного напряжения от параметров генератора нагрузки, скорости ветрового потока, что позволило определить критическое значение внутреннего сопротивления источника генерируемой энергии и алгоритм управления ключами импульсного преобразователя. Рассмотрены особенности построения схем преобразования энергии в ВЭУ АМ большой мощности. Доказана целесообразность использования высокочастотных индукторных генераторов, обеспечивающих повышение мощности ВЭУ в единице до 2000 кВт и выше при сохранении массы генератора, более высоком КПД и минимальной себестоимости ПЧ и линии электропередачи ВЭУ АМ в составе ветроэлектростанций. Определено соотношение постоянной времени параметров емкостного фильтра и периода модуляции ИППН и фазности инвертора, обеспечивающее устойчивую работу ведомого сетью инвертора при колебаниях напряжения сети. Определена взаимосвязь фазности ведомого сетью инвертора с параметрами энергосистемы в зависимости от мощности ВЭУ АМ. Для реализации автономного режима ВЭУ типа ТГ-1000 разработан и изготовлен ПЧ мощностью 1000 кВт , который содержит три выпрямителя мощностью 350 кВт с индивидуальными ИППН, и два трехуровневых инвертора мощностью по 500 кВт. Связь с сетью осуществляется трехобмоточным трансформатором. Обоснована рациональная частота модуляции напряжения инвертора, обеспечивающая электромагнитную совместимость. Приведены результаты практического применения, экспериментальных исследований разработанного ПЧ. Результаты исследований электромеханической системы ВЭУ АМ были использованы в ООО «НИИ «Преобразователь» при разработке и изготовлении преобразователей частоты типа ПЧ-ТТП-320-400-50УХЛ2 для опытной установки ВЭУ АМ типа ТГ-750 (г. Днепропетровск) и МПЧ-Т2ТПТ-415-630-50У3 для ВЭУ АМ типа ТГ-1000, предназначенной для ВЭС о. Змеиный, Украина.

Thesis deals with the peculiarities of the electromechanical system (EMS) of wind power plants (WPP) with wind multiplication (WM) and the construction of rational schemes of energy conversion in EMS WPP WM for the purpose to increase in its effectiveness. Resulting from the analysis the effect of maximum power take-off of the wind flow at fixed rotational frequency of the wind turbine at variable rotational speed of the wind wheel as function of the wind flow speed is found. It is demonstrated that at low wind flow speeds (below 5 m/s) the disagreement between maximum possible and actual power take-off up to 0.1Pn is evident. For the purpose to clear this effect the decrease in rotational frequency of the wind turbines by 2-3 times is required. To realize this operation is possible, when additional frequency converter with the power by approximately 0.2 Pn is integrated into the EMS. The control characteristics of the PDCVC that enable to determine requirements imposed upon control algorithms of the PDCVC and parameters of internal impedance of the EMS are derived. Distinctive features to construct the circuits for energy conversation in the high power WPP WM are discussed. The advisability to use DNI with PDCVC, high-frequency inductor generators is proved. These generators provide increase in capacity of DNI per unit up to 2000 kW and above while the generator mass is the same, higher efficiency and minimal cost for the frequency converter and transmission line of the DNI WM as the part of the wind plants providing stable operation of the DNI with power system. To realize the off-line operation of the ТГ-1000 type WPP the frequency converter with three-level voltage inverter is proposed, rational algorithm for the control by the frequency converter providing electromagnetic compatibility is justified. The results of practical application of the experimental studies are represented.