Проектирование и анализ асинхронизированного синхронного генератора для ветроэнергетических установок большой мощности : диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук : 05.09.01
ВВЕДЕНИЕ……………………………………………………………………………………6
1. ВЫБОР ТИПА ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ГЕНЕРАТОРА ДЛЯ
ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ. ОБЗОР СУЩЕСТВУЮЩИХ
МЕТОДИК ПРОЕКТИРОВАНИЯ ………………………………………………………………….. 22
1.1 Анализ возможных вариантов электрических генераторов для
ветроэнергетических установок 23
1.1.1. Генератор постоянного тока ………………………………………………………………. 24
1.1.2. Асинхронный генератор ……………………………………………………………………. 25
1.1.3. Синхронный генератор………………………………………………………………………. 26
1.1.4. Асинхронизированный синхронный генератор
(машина двойного питания)………………………………………………………………………… 27
1.2 Конструктивные варианты исключения щёточного узла для
асинхронизированных синхронных генераторов 30
1.2.1. Установка бесщеточного возбудительного устройства ……………………….. 30
1.2.1.1. Конструкция бесщеточного возбудительного устройства на основе
обращённого синхронного генератора. ……………………………………………………….. 32
1.2.1.2. Конструкция бесщеточного возбудительного устройства на основе
асинхронизированного синхронного генератора …………………………………………. 33
1.2.2. Установка вращающегося трансформатора ………………………………………… 34
1.3. Использование аккумуляторной батареи для бесконтактного питания цепи
ротора асинхронизированного синхронного генератора ………………………………. 37
1.4. Структура проектной системы асинхронизированного синхронного
генератора ………………………………………………………………………………………………….. 41
Выводы по главе ………………………………………………………………………………………… 43
2. РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО
РАСЧЕТА АСИНХРОНИЗИРОВАННОГО СИНХРОННОГО ГЕНЕРАТОРА
ДЛЯ ОПТИМИЗАЦИИ ЕГО ГЕОМЕТРИИ ……………………………………………………. 44
2.1. Разработка математической модели расчета максимальных габаритов
ротора при обеспечении отсутствия критических частот в рабочем диапазоне
скоростей вращения ……………………………………………………………………………………. 46
2.2. Разработка математической модели электромагнитного расчета
асинхронизированного синхронного генератора …………………………………………. 51
2.2.1. Входные параметры математической модели …………………………………….. 53
2.2.1.1. Константы ………………………………………………………………………………………. 53
2.2.1.2. Ограничения …………………………………………………………………………………… 54
2.2.1.3. Независимые переменные ……………………………………………………………….. 55
2.2.2. Выходные параметры математической модели …………………………………… 60
2.3. Уравнения связи элементов магнитопровода асинхронизированного
синхронного генератора и обобщённых переменных…………………………………… 61
2.4. Алгоритм математической модели расчета асинхронизированного
синхронного генератора ……………………………………………………………………………… 65
2.5. Блок-схема алгоритма расчета асинхронизированного синхронного
генератора ………………………………………………………………………………………………….. 75
2.6. Расчет выходных параметров и характеристик ……………………………………… 80
Выводы по главе ………………………………………………………………………………………… 85
3. РАЗРАБОТКА ПОДСИСТЕМЫ ОПТИМАЛЬНОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ
асинхронизированного синхронного генератора ДЛЯ РАЗЛИЧНЫХ
ПРОЕКТНЫХ СИТУАЦИЙ …………………………………………………………………………… 87
3.1. Постановка задачи однокритериальной оптимизации
асинхронизированного синхронного генератора …………………………………………. 88
3.2. Выбор метода оптимизации ………………………………………………………………….. 88
3.3. Определение уровней оптимизации ……………………………………………………… 90
3.3.1. Полная габаритная оптимизация ………………………………………………………… 91
3.3.2. Оптимизация при фиксированном наружном, внутреннем диаметрах и
наружной длине (в заданных габаритах) ……………………………………………………… 91
3.3.3. Габаритная оптимизация при фиксированном наружном диаметре …….. 92
3.3.4 Габаритная оптимизация при известном штампе…………………………………. 93
3.3.5. Поверочный расчет ……………………………………………………………………………. 93
3.4. Алгоритм выбора уровня оптимизации …………………………………………………. 94
Выводы по главе ………………………………………………………………………………………… 95
4. РАЗРАБОТКА ПОДСИСТЕМЫ АНАЛИЗА ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО И
ТЕПЛОВОГО СОСТОЯНИЯ АСИНХРОНИЗИРОВАННОГО СИНХРОННОГО
ГЕНЕРАТОРА ………………………………………………………………………………………………. 96
4.1. Анализ электромагнитного состояния асинхронизированного синхронного
генератора в программной среде Ansys Electronics Desktop …………………………. 97
4.2. Анализ теплового состояния асинхронизированного синхронного
генератора посредством решения связанной задачи теплового и
вентиляционного расчёта в программной среде MATLAB SIMULINK ………. 112
Выводы по главе ………………………………………………………………………………………. 128
ЗАКЛЮЧЕНИЕ …………………………………………………………………………………………… 130
ОПРЕДЕЛЕНИЯ…………………………………………………………… …….133
ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ………………………………………… …137
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ ……………………………………………………………………………. 139
Приложение А. Классификация ветроэнергетических установок по мощности и
конструктивному исполнению……………………………………………………………………… 158
Приложение Б. Конструкция асинхронной машины с фазным ротором ………… 159
Приложение В. Применение проектной системы при проектировании
асинхронизированного синхронного генератора для
ветроустановки 3,6 МВт. ……………………………………………………………………………… 160
Приложение Г. Обзор современных систем автоматизированного проектирования
……………………………………………………………………………………………………………………. 165
Приложение Д. Документы о внедрении результатов диссертационного
исследования в АО «Русские электрические двигатели» ………………………………. 172
Актуальность темы исследования
Последние десять лет в мировом научном сообществе идут острые
дискуссии о путях развития современной энергетики. Консервативная его часть
считает, что углеводородная энергетика, основанная на использовании угля,
нефти и газа, еще долгое время будет оставаться основным источником тепловой
и электрической энергии для экономически развитых стран. У этой точки зрения
есть основания. Запасы углеводородов на Земле еще достаточно велики.
Углеводородная индустрия имеет отлаженную инфраструктуру: в наличии
предприятия по производству необходимого оборудования, предприятия по
строительству и обслуживанию энергетических объектов, научные исследования
по повышению эффективности выработки электроэнергии этим способом.
Но при отмеченных преимуществах традиционная энергетика, основанная на
углеводородах, сталкивается с большим количеством проблем и противоречий.
Эти противоречия с каждым годом нарастают и, в конечном счете, могут привести
к кризису традиционной энергетики, если не предпринять попытки к развитию
энергетики альтернативной.
Одна из причин – удорожание добычи углеводородов. Рентабельные нефть,
газ и уголь уже использованы. Добычу ископаемых приходится вести на больших
глубинах под поверхностью земли, на дне океана, осваивать труднодоступные
северные регионы. В конце концов, это может оказаться экономически
невыгодным.
Вторая очень важная причина – экологические проблемы. Природа
миллионы лет стремилась уравновесить содержание углекислого газа в
атмосфере. Углеводородная энергетика это равновесие нарушает, и последствия
такого нарушения человечество еще до конца не оценило. Кризис может
коснуться не только изменения климата, но и живой природы, а на
заключительном этапе проблемы возникнут в человеческом обществе.
Кроме того, очень мало говорят о низкой эффективности традиционной
энергетики. Наивысший коэффициент полезного действия (КПД) тепловых
станций составляет около 30 %, а доля их в балансе мировой энергетики – по
разным оценкам, от 60 до 70 %. Данные цифры свидетельствуют о том, что
традиционная энергетика способствует не только нагреванию планеты, но
загрязнению ее выбросами производства. Этот процесс не может длиться долгое
время. Один из вариантов решения назревших проблем – изменение баланса
генерации электроэнергии в сторону расширения использования возобновляемых
источников энергии (ВИЭ) [127–129, 132–140, 144–149, 151, 157].
В настоящее время доля ВИЭ в общем балансе энергогенерации развитых
стран постоянно растет [46, 154]. Источники возобновляемой энергии достаточно
разнообразны: гидроресурсы, солнце, ветер, биогаз, геотермальная энергия,
энергия волн, энергия приливов и отливов. В связи с чем возникает вопрос, какому
источнику отдать приоритет в развитии. Энергия ветра является одним из
наиболее доступных вариантов.
По данным BP Statistical Review of World Energy, в 2019 году мировой объем
электроэнергии, выработанной ветроэнергетическими установками (ВЭУ),
составил 1 270 ТВт·ч (млрд кВт·ч). За год количество произведенной ВЭУ
электроэнергии увеличилось на 12,6 %. Тройку стран-лидеров составили КНР,
США, Германия (таблица В.1).
По данным Global Wind Energy Council [103], на конец 2019 года
наибольшая доля вырабатываемой мощности ВЭУ приходилась на Азию (44,8
%), Европу (31,4 %) и Северную Америку (26 %).
Таким образом, всего лишь за последние два десятилетия мировой объем
вырабатываемой ВЭУ электроэнергии вырос почти в 30 раз, а объем
установленных мощностей ВЭУ – почти в 40 раз.
Помогаем с подготовкой сопроводительных документов
Хочешь уникальную работу?
Больше 3 000 экспертов уже готовы начать работу над твоим проектом!