Исследование электромеханической совместимости ветроэнергетической установки с автономной электроэнергетической системой

Актуальность темы
Актуальность исследования связана с расширением использования
ветроэнергетических установок с синхронными генераторами с постоянными
магнитами на территории России. В большей степени это вызвано значительной
площадью не электрифицированных регионов страны и удорожанием привозного
топлива. При построении автономных систем с ветроэнергетическими
установками, возникает проблема обеспечения электромеханической
совместимости при сильных возмущающих воздействиях со стороны туpбины ВЭУ
или нaгрузки потребителя. Решение этой проблемы может быть реализовано путём
стабилизации частоты вращения генератора, либо путем стабилизации частоты
генерируемого напряжения при переменной частоте вращения ветровой турбины.
В настоящий момент для реализации первого пути используют накопители
энергии разной природы. Они выполняют роль демпферов и парируют влияние
возмущающих воздействий в автономных электроэнергетических системах.
Ограниченное применение этих накопителей обусловлено их низкой удельной
энергоёмкостью и ограниченным жизненным циклом [1]. Для стабилизации
частоты генерируемого напряжения при переменной частоте вращения турбины, в
настоящее время, применяют полупроводниковые преобразователи со вставкой
постоянного тока [8-21]. Реализация таких устройств затруднена в связи с тем, что
при снижении напряжения в автономной электроэнергетической системе при
коротком замыкании, происходит блокировка транзисторов. Это приводит к
прекращению выдачи активной мощности в автономную энергетическую систему
[8-10].
Основным каналом управления скоростью ветроэнергетической турбины
является изменение угла заклинения лопастей (управление моментом) [12].
Недостатком этого канала управления является его большая инерционность,
которая не позволяет обеспечить регулирование скорости вращения ротора
генератора при быстроизменяющихся электромеханических переходных
процессах в автономной системе. Перспективным направлением построения
ветроэнергетических систем в настоящее время является применение
электромагнитных вариаторов в составе ветроэнергетических установок.
Исследованию электроэнергетических систем с применением электромагнитных
вариаторов посвящена данная работа. Вариатор встраивается между ветровой
турбиной и генератором [42]. Быстродействующее изменение вращающего
момента электромагнитного вариатора позволяет удерживать частоту вращения
генератора.
Идея работы состоит в применении электромагнитных вариаторов для
ветроэнергетических установок в составе ветроэнергетической станции (ВЭС) при
организации дополнительного канала управления частотой вращения генераторов
путем регулирования добавочного вращающего момента при различных
возмущениях в автономной энергетической системе (АЭС).
Степень разработанности темы исследования
Исследование по обеспечению устойчивой параллельной работы
синхронных генераторов в составе автономных систем электроснабжения
посвящено большое количество работ. Среди них можно выделить А.Г. Фишова,
В.М. Чебана, Ю.Н. Кондрашовой, О.Н. Газизовой, В.А. Андреюка, Б.В. Лукутина,
Б. Н. Абрамовича, А.С. Яндульского, А.Н. Беляева, В.В. Бушуева, Н.Н. Лизалека,
Н.Л. Новикова, Симуса Д. Гарви и других [2-39]. Их исследования посвящены
разработке средств релейной защиты и автоматики (РЗиА), не допускающих
выхода из синхронизма параллельно работающих генераторов в составе
автономной энергетической системы. Работы по использованию
электромагнитного вариатора для ветроэнергетических установок было посвящено
ряд отечественных и зарубежных работ А.А. Афанасьева, П.А Курбатова, О.Н.
Молоканова, Л.Б. Ганзбурга, Якоба П. Ахо, Л. Гордона Крафта, Каиса Аталлаха, Р.
Г. Монтегю, К. Бинхама, Юлонга Лю, Райана Монтегю, Сиу Лау Ho и других [41-
65]. Их исследования рассматривают только работу одной ветроэнергетической
установки с электромагнитным вариатором, не учитывая её присоединения к сети.
Поэтому ими не был проведён анализ электромеханических переходных процессов
в составе автономной электроэнергетической системы, состоящей из нескольких
ветроэнергетических установок, которые соединены линиями электропередачи
между собой с учетом различных возмущающих воздействий со стороны ветровой
турбины и нагрузки.
Цель работы:
Исследование переходных режимов ветроэнергетических установок с
электромагнитными вариаторами в автономной электроэнергетической системе. А
также, разработка электромагнитного вариатора и способов управления им,
обеспечивающего электромеханическую совместимость параллельной работы
генераторов энергоблоков ветроэнергетической станции в составе автономной
электроэнергетической системы.
Задачи:
 исследование проблемы обеспечения электромеханической
совместимости работы генераторов группы ветроэнергетических станций;
 исследование электромеханических переходных процессов в АЭС, оценка
эффективности законов управления при различных возмущающих воздействиях в
ВЭС на базе ветроэнергетических установок (ВЭУ) с электромагнитным
вариатором;
 разработка технических решений по созданию электромагнитного
вариатора и его динамической модели;
 разработка законов и алгоритмов управления электромагнитным
вариатором в составе ВЭУ, обеспечивающих электромеханическую совместимость
с АЭС;
 разработка законов и алгоритмов комплексного управления
электромагнитным вариатором и механическим моментом турбины ВЭУ (на
примере управления аэродинамикой лопастей);
 обоснование возможности и целесообразность использования
электромагнитного вариатора в составе ВЭУ в целях реализации регулирования
частоты в АЭС;
 верификация модели на экспериментальном стенде.
Научная новизна:
 введено новое понятие эквивалентного угла ротора генератора,
представляющая собой сумму углов ротора быстроходного звена
электромагнитного вариатора и угла корректировки за счет динамической связи
ротора генератора и турбины. Данную корректировку предложено называть
приведенным углом дополнительного рассогласования, и его определение возможно
в разности угла быстроходного звена электромагнитного вариатора со стороны
генератора, умноженного на его число пар полюсов и угла тихоходного звена
вариатора, умноженное на число его ферромагнитных сегментов;
 подтверждено экспериментально, что приведенный угол дополнительного
рассогласования можно измерять косвенным способом путем известных значений
скоростей вращения турбины и генератора, а регулирование этого угла позволяет
стабилизировать частоту вращения генератора изменением добавочного момента на
валу генератора электромагнитным вариатором;
 сформулирована концепция комплексного управления скоростью
вращения генератора на быстроходной стороне электромагнитного вариатора с
использованием управления добавочным моментом электромагнитного вариатора и
на тихоходной стороне турбины путем изменения угла заклинения турбины ВЭУ
для обеспечения электромеханической совместимости с АЭС.
Теоретическая значимость работы заключается в развитии методологии
построения систем управления ветроэнергетическими установками на базе
электромагнитного вариатора и способов его управления, обеспечивающих
электромеханическую совместимость генераторов ВЭС в составе АЭС.
Практическая значимость работы:
 предложена компоновка ВЭУ с электромагнитным вариатором
позволяющая создать ВЭУ с повышенной регулировочной способностью;
 разработаны динамические модели электромагнитного вариатора в
составе ВЭУ, позволяющие регулировать значение приведенного угла
рассогласования ротора турбины и генератора;
 проведена верификация динамической модели электромагнитного
вариатора на экспериментальном образце обеспечивает достоверность
моделирования процессов приведенного рассогласования роторов турбины и
генератора;
 разработаны алгоритмы управления ветроэнергетической установкой с
электромагнитным вариатором, обеспечивающие стабилизацию скорости
вращения ротора генератора при сильных возмущениях в АЭС.
Разработанные в диссертации технические решения были использованы при
проектировании серийного образца ветроэнергетической установки с
вертикальной осью вращения на базе электромагнитного вариатора в компании
ООО «ЭКОФАКЕЛ» (г. Новосибирск) и АО «Сибирские приборы и системы» (г.
Омск).
Личный вклад автора
Соискателем, совместно с научным руководителем, была поставлена цель и
задачи исследования. Соискателем в соавторстве были опубликованы статьи в
российских и зарубежных изданиях. Было проанализировано текущие состояние
исследований по обеспечению устойчивой параллельной работы электрических
генераторов. Также разработаны алгоритмы стабилизации скорости вращения
ротора генератора для реализации функции центрального регулятора частоты в
автономной системе и согласования фазы по ведущему генератору при
параллельной работе разных видов источников с использованием
электромагнитного вариатора при различных возмущающих воздействиях в АЭС.
Методология диссертационного исследования
Методологической и теоретической основой диссертационного
исследования послужили научные работы отечественных и зарубежных ученых
касающихся вопросов устойчивости автономных электроэнергетических систем,
построение высокоэффективных электромеханических преобразователей, а также,
систем векторного управления ими.
Методы диссертационного исследования
Теория нелинейных дифференциальных уравнений, математическое
моделирование, элементы теории автоматического управления и метод объектно-
визуального моделирования в среде Matlab для анализа структурных схем и синтеза
законов и алгоритмов регулирования. Методы исследования анализа векторного
управления с использованием уравнений Парка-Горева. Структурный анализ
уравнений электромагнитного вариатора для разработки их динамических
моделей. Численное моделирование на базе метода конечных элементов и анализ
переходных процессов синхронного генератора и электромагнитного вариатора в
автономной энергетической системе.
Положения, выносимые на защиту:
 для приведения электродинамической системы турбина-вариатор-
генератор-линия-ШБМ при моделировании её устойчивости к системе турбина-
генератор-линия-ШБМ введено понятие эквивалентного угла ротора генератора,
представляющая собой сумму углов ротора генератора и его корректировки за счет
динамической связи ротора генератора и турбины. Данную корректировку
предложено называть приведенным углом дополнительного рассогласования, и его
определение возможно в разности угла быстроходного звена, умноженного на его
число пар полюсов со стороны генератора электромагнитного вариатора и угла
тихоходного звена, умноженного на число его ферромагнитных сегментов
вариатора со стороны турбины. Формирование угла рассогласования вызвано
действием вариатора, формирующего добавочный момент на валу генератора.
Экспериментально доказано, что приведенный угол рассогласования можно
измерять косвенным способом путем измерения скоростей вращения турбины и
генератора, а регулирование этого угла позволяет стабилизировать частоту
вращения генератора изменением добавочного момента на валу генератора;
 доказано, что необходимым условием обеспечения электромеханической
совместимости ВЭУ на базе электромагнитного вариатора с АЭС является
возможность управления жесткостью магнитной связи, которая формируется с
помощью изменения приведенного угла рассогласования θe, путем управления
скоростью вращения;
 сформулирована концепция комплексного управления скоростью
вращения генератора на быстроходной стороне электромагнитного вариатора и на
тихоходной стороны турбины с использованием управления добавочным
моментом электромагнитного вариатора и углом заклинения турбины ВЭУ. Это
позволяет обеспечить высокое быстродействие регулирования скорости генератора
при минимальной мощности управления электромагнитного вариатора для
обеспечения электромеханической совместимости с АЭС;
 определены условия внутренней устойчивости электромагнитного
вариатора, которое состоит в стабилизации угла дополнительного рассогласования
между ротором генератора и турбины. Путем линеаризации механической
характеристики электромагнитного вариатора определены допустимые диапазоны
изменения механического момента и приведенного угла рассогласования,
обеспечивающие внутреннюю устойчивость вариатора.
Степень достоверности результатов
Достоверность разработанных динамических моделей была подтверждена
экспериментальными исследованиями макетного образца, что дает основания
считать достоверными сформулированные законы управления и результаты
моделирования электромеханических переходных процессов в автономной
энергетической системе.
Апробация результатов
Основные теоретические положения и результаты диссертационной работы
были доложены на III и IV Международных технологических
форумах «Инновации. Технологии. Производство» (Рыбинск, 2016 и 2017гг); X
Международной научно-технической конференции «ЭНЕРГИЯ-2015» (Иваново,
2015г); XI Международном форуме по стратегическим технологиям IFOST-2016
(Новосибирск, 2016); XII Новосибирском инновационно-инвестиционном форуме
«Инновационная энергетика» (Новосибирск, 2016); Всероссийской научной
конференции с международным участием и на X молодежной школе
«Возобновляемые источники энергии» (Москва, 2016); Международном военно-
техническом форуме Армия 2017 (Москва, 2017); Всероссийском конкурсе
инновационных проектов и разработок в области электроэнергетики
«Энергопрорыв 2017» (Сколково, 2017); XI Международной IEEE научно-
технической конференции «Динамика систем, механизмов и машин» (Омск, 2017);
Международной выставке Технопром-2017 (Новосибирск, 2017).
По теме диссертационного исследования было опубликовано 25 работ, в том
числе: 8 – статей в рецензируемых изданиях, рекомендуемых ВАК РФ, 2 – патента
РФ, 9 – статей, индексируемых в Scopus и Web of Science.
Структура и объем работы
Диссертация содержит введение, четыре главы, заключение, список
литературы, состоящей из 102 наименований и 4 приложений. Общий объем
диссертации – 177 страниц, в том числе 155 страницы основного текста, включая
88 рисунков и 7 таблиц.