Моделирование динамических режимов работы гибридной ветроэлектрической установки
Бельский Алексей Анатольевич,
кандидат технических наук, ассистент кафедры электротехники, электроэнергетики, электромеханики Национального минерально-сырьевого университета «Горный».
Введение
Длительность автономной работы ветроэлектрической установки (ВЭУ) в условиях полного штиля или недостаточной выработки электроэнергии ВЭУ по сравнению с мощностью, потребляемой нагрузкой, определяется емкостью буферных аккумуляторных батарей. Увеличение емкости батарей приводит к значительному росту капитальных затрат, что снижает экономическую целесообразность использования ветроэнергетики. Поэтому для обеспечения гарантированного электроснабжения потребителей используются гибридные электротехнические комплексы (ЭТК) включающие в себя ВЭУ, промежуточные комбинированные накопители энергии постоянного тока (аккумуляторы и суперконденсаторы), и генераторные установки, работающие на углеводородном топливе, наиболее распространенными из которых являются дизель-генераторные станции (ДЭС).
На рисунке 1 представлена предложенная структура подобного автономного ЭТК с гибридной ВЭУ, при этом в состав данного комплекса могут быть включены и иные генераторные установки на базе возобновляемых источников энергии (фотоэлектрические, геотермальные, био- и гидроэнергетические) [1].
Использование ДЭС позволяет обеспечить энергоснабжение потребителей при недостаточной скорости ветра, но в то же время снижает эффективность комплекса, выражаемую в топливной составляющей стоимости 1 кВт∙ч электроэнергии, особенно при работе в условиях переменной нагрузки и скорости ветра [2]. В таких условиях актуальной задачей является оптимальный выбор элементов электротехнического комплекса, а именно ВЭУ и аккумуляторных батарей. Эта задача требует рассмотрения статических и динамических режимов работы ВЭУ по заряду аккумуляторов, с целью определения влияния характеристик ВЭУ и аккумуляторов на эффективность системы.
Рис. 1. Обобщенная схема автономного ЭТК с гибридной ВЭУ: WG – видеогенератор; Tr-r – трансформатор; DG – дизель-генератор; PMSM – синхронный генератор с постоянными магнитами; R – выпрямитель; SC – суперконденсатор; C – контактор; DC/DC – преобразователь постоянного тока; DC/AD – инвертор.
Основная часть
Для решения поставленных задач в среде MatLab SimPowerSystems было выполнено имитационное компьютерное моделирование гибридной ВЭУ из состава электротехнического комплекса гарантированного электроснабжения. Моделирование работы системы производилось для ВЭУ с синхронным генератором на постоянных магнитах номинальной мощностью 5 кВт при расчетной скорости ветра 12 м/с, с ветроколесом, имеющим типовую аэродинамическую характеристику (номинальная быстроходность — Znom=4).
Компьютерное моделирование работы ветроколеса (ветродвигателя) в виде зависимости момента вращения от частоты при заданной скорости ветра производилось в среде Simulink согласно формулам (1) – (3) [3, 4].
Между
коэффициентом использования энергии ветра Cp и величиной
относительного развиваемого ветроколесом крутящего момента 
есть связь определяемая выражением:
, (1)
где
Cp — коэффициент использования энергии ветра; — относительный крутящий момент развиваемый
ветроколесом; Z — быстроходность ветроколеса.
При этом для удобства выполнения расчетов отвлеченная аэродинамическая характеристика ветроколеса по моменту была аппроксимирована полиномом 6-той степени [5]:
. (2)
Коэффициенты выражения (2), соответствующие типовой аэродинамической характеристике трехлопастного ветроколеса равны: a6=13,6∙10-6; a5=49,9∙10-5; a4=69,1∙10-4; a3=44,5∙10-3; a2=0,125; a1=0,093; a0=0,025 [6].
Переход от относительного аэродинамического момента ветроколеса к крутящему моменту, развиваемому ветродвигателем проводится по формуле:
, (3)
где Мв — крутящий момент, развиваемый ветродвигателем, Н∙м. R — радиус ветроколеса, м; [rho] — плотность воздуха, кг/м3 (при нормальных условиях 1,225 кг/м3); V — скорость ветра, м/с.
В ходе исследований снимались осциллограммы изменения частоты вращения и электромагнитного момента генератора, мощности на выходе генератора, мощности на нагрузке и тока заряда аккумуляторной батареи при изменении скорости ветра для аккумуляторов различного номинального напряжения. Снятие осциллограмм производилось при напряжении от 24 В (0,154 r.u.) до 120 В (0,769 r.u) с шагом 12 В.
По полученным данным о зависимости мощности ВЭУ в относительных единицах (о.е.) в установившемся режиме работы ветроагрегата от скорости ветра для различных номинальных напряжений аккумуляторной батареи, построены энергетические характеристики ВЭУ в о.е, представленные на рисунке 2. Напряжение аккумуляторной батарей измеряется в о.е. и определяется выражением U*=Uфакт / Uхх.г., где за базисную величину принята амплитуда линейного напряжения холостого хода генератора Uхх.г.=156 В при номинальной частоте вращения.
Рис. 2. Энергетические характеристики ВЭУ с учетом вариации номинального напряжения аккумуляторной батарей, полученные в результате моделирования (линии) и эксперимента (звезды).
На графике видно, что с выбором большего номинального напряжения аккумуляторной батареи (U*) увеличивается максимальная мощность ВЭУ (P*), передаваемая в нагрузку, при номинальной (расчетной) скорости ветра для данного ветроагрегата, что является положительным моментом. Однако в тоже время происходит увеличение минимальной рабочей скорости ВЭУ, что отрицательно сказывается на эффективности работы ветроэлектрической установки в районах с преимущественно слабыми ветрами. Таким образом, в зависимости от среднегодовых ветровых условий можно определить наиболее эффективный базовый (номинальный) уровень напряжения аккумуляторной батареи, который позволит обеспечить максимальную выработку электроэнергии ВЭУ за выбранный период в месте установке ЭТК.
Адекватность разработанной компьютерной имитационной модели проверялась на автономном ЭТК с гибридной ВЭУ «Бриз 5000», расположенном на территории опытно-экспериментального полигона Национального минерально-сырьевого университета «Горный». Скорость ветра фиксировалась с помощью анеморумбометра «Ветромер–1». Данные о мощности, отдаваемой ВЭУ в нагрузку (на заряд аккумуляторов), были получены с помощью анализатора качества электроэнергии «Fluke 43B».
Экспериментальные точки (в виде «звездочек») зависимости мощности развиваемой ВЭУ от скорости ветра при различных номинальных напряжениях аккумуляторной батареи представлены на рисунке 2.
Сходимость результатов компьютерного моделирования с данными полученными в ходе эксперимента составила не хуже 90 %.
Заключение
Разработанная компьютерная имитационная модель гибридной ВЭУ с синхронным генератором с постоянными магнитами в системе MatLab Simulink, позволила:
- выявить влияние величины номинального напряжения на аккумуляторе на выходную мощность генератора ВЭУ при непосредственном присоединение его через выпрямитель;
- выявить изменения характеристики электромагнитного момента генератора при изменении напряжения на выходе выпрямителя;
- получить характеристику изменения частоты вращения ветроколеса (генератора) при различных скоростях ветра.
Полученные зависимости могут служить для определения объема вырабатываемой электроэнергии гибридной ВЭУ от выбранного номинального напряжения промежуточного накопителя энергии постоянного тока для различных ветровых условий.
Литература
1. Tankari, M.A., M.B. Camara, B. Dakyo, C. Nichita, 2011. Ultracapacitors and Batteries Integration for Power Fluctuations mitigation in Wind-PV-Diesel Hybrid System. International Journal Of Renewable Energy Research, IJRER , Vol. 1, No. 2: pp. 86–95.
2. Цыркин, М.И., 2000. Системы «ДЭС-ИБП». Двигателестроение, – 120 с.
3. Burton Tony, David Sharpe, Nick Jenkins, Ervin Bossanyi, 2001. Wind Energy — Handbook, LTd. – 643 р.
4. Харитонов, В.П., 2006. Автономные ветроэлектрические установки, М.: ГНУ ВИЭСХ. – 275 с.
5. Petersen Helge, 1984. Simplified laws of similarity for wind turbine rotors. The test station for small windmills. Riso National laboratory, Denmark. – 24 p.
6. Бельский, А.А., 2013. Электротехнический комплекс с гибридной ветроэлектрической установкой гарантированного электроснабжения: автореф. дис. … канд. тех. наук: 05.09.03 / Бельский Алексей Анатольевич. – С-Пб, – 22 с.
Поступила в редакцию 22.05.2014 г.