Эффективность ветроагрегатов в Арктике и на Крайнем Севере

В.И. БУЯЛЬСКИЙ
ЭФФЕКТИВНОСТЬ 
ВЕТРОАГРЕГАТОВ В АРКТИКЕ 
И НА КРАЙНЕМ СЕВЕРЕ
МОНОГРАФИЯ
Москва
ИНФРА-М
2025

УДК 621.548+621.311.245(075.4)
ББК 31.62
 
Б94
Р е ц е н з е н т ы:
Муравьева О.В., доктор технических наук, профессор, профессор кафедры приборов и методов измерений, контроля диагностики 
Ижевского государственного технического университета имени 
М.Т. Калашникова;
Кувшинов В.В., кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры 
энергетических систем и комплексов традиционных и возобновляемых источников Севастопольского государственного университета
Буяльский В.И.
Б94  
Эффективность ветроагрегатов в Арктике и на Крайнем Севере: 
моно 
графия / В.И. Буяльский. —  
Москва: ИНФРА-М, 2025. —  
187 с. — 
(Научная мысль). — DOI 10.12737/2163331.
ISBN 978-5-16-020227-3 (print)
ISBN 978-5-16-112755-1 (online)
В монографии на основе анализа современных методов автоматического управления ветроэлектростанцией предложено решение о корректной связи (в теоретическом плане) задач динамического поведения 
энергоагрегатов с оптимальным управлением выработки и распределения 
электроэнергии потребителям Арктики и Крайнего Севера. В этом направлении в работе получены принципы, структуры, математические модели 
и алгоритмы, обеспечивающие уменьшение динамических нагрузок составляющих частей современных ветрогенераторов на основе своевременной подготовки системы к внешним возмущающим воздействиям, учета 
вибрационной нагруженности привода и условий образования льда на лопастях ветроколеса, а также повышения надежности электроснабжения 
на основе учета выбора стратегии оптимального решения по управлению, 
состояния процесса ветроэнергоустановки и определения объема выработанной электроэнергии каждому потребителю.
Теоретические методы и подходы могут быть полезны для научных работников и специалистов в области ветроэнергетики, автоматизации технологических процессов, системного анализа, а также аспирантов и студентов соответствующих специальностей технических вузов.
УДК 621.548+621.311.245(075.4)
ББК 31.62
ISBN 978-5-16-020227-3 (print)
ISBN 978-5-16-112755-1 (online)
© Буяльский В.И., 2024

Введение
Ветроэлектрические установки относятся к наиболее перспективным системам альтернативной энергетики. В России офшорные ветропарки являются важным источником возобновляемой энергии, что обусловлено выходом к Балтийскому и Северному морям.
В то же время в некоторых регионах, где климат характеризуется суровыми зимами, эксплуатация ветроагрегатов имеет ряд 
проблем, связанных с образованием льда на лопастях ветроколеса. 
Согласно [1], незначительная толщина льда существенно снижает 
КПД ветроэнергоустановки, поскольку резко ухудшает аэродинамические характеристики лопастей.
Широко используемые методы управления ветроэнергетической установкой в условиях образования льда на лопастях ветроколеса и быстро изменяющихся ветровых нагрузок не обеспечивают должной стабильности частоты вращения ротора, что снижает 
надежность ветроэлектрических агрегатов, повышает собственное 
производимой ветроэнергетическими установками электроэнергии 
потребление, а также негативно влияет на эффективность использования энергии ветра. Решение этих проблем возможно лишь 
при наличии эффективного автоматизированного управления ветроэнергетической установкой.
В настоящее время общепринятые методы механической противообледенительной обработки лопастей обусловлены сложностью 
и дороговизной конструкции, что негативно отражается на показателях надежности составляющих частей современных ветрогенераторов и на энергоэффективности технологического процесса.
Существующий метод подготовки информации для реализации 
управления и способы механической противообледенительной обработки лопастей указывают на необходимость их модификации 
путем обеспечения своевременной подготовки системы к внешним 
возмущающим воздействиям за счет оценки характеристик ветровой энергии и электрической нагрузки, а также учета условий 
образования льда на лопастях ветроколеса, что способствует уменьшению времени переходного процесса регулирования угловой скорости.
Следует отметить, что необходимость в обеспечении энергоснабжения удаленных регионов Арктической зоны России с помощью 
независимой генерации электричества имеет тенденцию к возра3

станию из-за множества проблем, связанных с эффективностью 
работы электростанций и электроснабжением в удаленных регионах [2]. При отсутствии централизованного электроснабжения 
и традиционном обеспечении электроэнергией от устаревших 
дизельных электрогенераторов и небольших угольных станций 
в самых северных районах России критически важна роль возобновляемой энергетики и систем накопления энергии в совокупности с интеллектуальной энергетикой и повышением энергоэффективности [3–5].
Важность развития регио 
нальной энергетики Арктики и Крайнего Севера, в том числе за счет возобновляемых источников 
энергии, отражена в Энергетической стратегии России на период 
до 2035 года [6] и в Стратегии экономической безопасности России 
на период до 2030 года [7].
В то же время задача распределения электроэнергии потребителям является сложной актуальной вычислительной задачей 
и крайне востребованной с практической точки зрения.
Вместе с тем существуют определенные постановки задач, 
для которых недостаточно широко описаны математические модели или нет готовых и эффективных методов их решения, в частности, математического моделирования учета состояния процесса 
ветротурбины при распределении электроэнергии потребителям 
в северных широтах.
Эффективное управление ветроэлектростанцией на основе математического моделирования учета состояния процесса ветроэнергоустановки при распределении электроэнергии потребителям, 
обусловленное наличием динамических режимов в дискретные 
момен 
ты времени и стратегий выбора оптимального решения 
по управлению, может быть достигнуто применением следующих 
подходов:
 
– теория игр, когда неопределенность выбора решения связана с неизвестным поведением «природы», не содержащей 
элемен 
тов сознательного противодействия разработанным 
планам;
 
– математические методы анализа функционирования импульсных систем на основе разностных уравнений.
Таким образом, в настоящей монографии приводятся два подхода к созданию автоматизированной системы управления ветроэлектростанцией. Первый подход — на основе математического 
моделирования учета состояния процесса ветроэнергоустановки 
при распределении электроэнергии потребителям, обусловленного 
наличием динамических режимов в дискретные момен 
ты вре4

мени и стратегий выбора оптимального решения по управлению. 
При этом для решения проблемы разграничения времени их реализации разработан алгоритм согласованной работы режимов обеспечения электроэнергией потребителей. Второй подход основан 
на управлении ветроэнергоустановкой путем своевременной подготовки системы принятия управляющих решений на базе оценки 
времени включения двигателя привода питча угла лопасти в соответствии с упреждением скорости ветра и мощности потреб 
ляемой 
электроэнергии на последующий отрезок времени с учетом образования льда на лопастях ветроколеса.
Несмотря на значительное количество работ и научных исследований по отдельным аспектам проблем функционирования интеллектуальных электроэнергетических систем, в том числе удаленных 
регионов Арктической зоны России с помощью независимой генерации, комплексные вопросы развития регио 
нальной энергетики 
Арктики и Крайнего Севера, в том числе за счет возобновляемых 
источников энергии, имеют значительный потенциал развития, 
особенно в части создания методов и технологий обеспечения надежного электроснабжения на основе эффективного распределения 
электроэнергии потребителям в условиях быстроизменяющейся ветровой нагрузки и образования льда на лопастях ветроколеса.
Монография состоит из шести глав, заключения, библиографического списка, трех приложений.
5

Глава 1. 
ЗАДАЧИ ПО СОЗДАНИЮ СИСТЕМ 
АВТОМАТИЗИРОВАННОГО УПРАВЛЕНИЯ 
ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИМИ УСТАНОВКАМИ 
И РАСПРЕДЕЛЕНИЕМ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ 
ПОТРЕБИТЕЛЯМ
1.1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ 
УСТАНОВОК И ИХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ
Использование энергии ветра имеет большую историю. В 1913 г. 
в России действовало более 1 млн ветряных мельниц. В 1931 г. 
была построена в Балаклаве опытная ветроэлектростанция мощностью 100 кВт для параллельной работы на местную электросеть. 
В 1935 г. был выпущен первый Атлас ветроэнергетических ресурсов СССР. В 50-х годах для нужд сельского хозяйства производилось более 9 тыс. ветротурбин в год. Однако в последующие годы 
в связи с изменением стратегии развития энергетики —  
ориентацией на строительство крупных электростанций, созданием единой 
энергетической системы, мощных межсистемных связей —  
эти 
работы существенно сократились. Новый толчок развитию ветроэнергетики во всех странах дал энергетический кризис середины 
1970-х годов [8, 9].
Современные ветроэнергоустановки обеспечивают производство 
электроэнергии высокого качества с частотой, соответствующей 
сети, могут работать в непрерывном режиме без постоянного присутствия персо 
нала и при малом уровне технического обслуживания в течение 20 лет и более, обеспечивая ресурс в 120 000 часов 
службы, и характеризуются предназначением их работы:
 
– параллельной работы с энергосистемой в составе ветроэлектростанций;
 
– параллельной работы с другими ветротурбинами в составе 
ветроэлектростанции без связи с энергосистемой;
 
– автономной работой на изолированную нагрузку без аккумулирования электроэнергии [10, 11].
При параллельной работе с энергосистемой ветроэнергоустановки характеризуются следующими режимами работы [12]:
6

 
– режим 1 —  
с изменением угла установки лопастей и переменной частотой вращения турбины;
 
– режим 2 —  
с изменением угла установки лопастей и постоянной частотой вращения;
 
– режим 3 —  
с постоянным (фиксированным) углом установки 
лопастей и постоянной частотой вращения турбины;
 
– режим 4 —  
с постоянным (фиксированным) углом установки 
лопастей и переменной частотой вращения турбины.
Режимы с регулированием угла установки лопастей возможны 
только для поворотно-лопастных горизонтальных ветроагрегатов. 
Режимы с регулированием частоты вращения ветроколеса возможны при использовании преобразователя частоты в цепи статора 
или в цепи ротора генератора.
«Важнейший элемент ветроэнергоустановок —  
система регулирования мощности, которая определяет конструктивные особенности ветроагрегата и систему автоматики» [13, 14]. Существует 
два принципиально разных способа.
Первый —  
регулирование мощности путем изменения угла 
между лопастью и набегающим потоком воздуха («углом атаки — 
т.е. питч (pitch)-регулирование»). Эффективность и надежность 
этой системы определяется надежностью гидравлической и механической систем поворота лопастей.
Второй способ —  
это когда профиль лопасти неодинаков по всей 
длине. Тогда при одной и той же скорости ветра разные участки работают с разной эффективностью. При определенной для каждого 
участка скорости ветра наступает срыв потока. Такой способ называется «стол (stall)-регулирование». Система управления этими 
ветротурбинами упрощается, но эффективность использования 
энергии ветра зависит от тщательного расчета профиля.
Необходимость пользоваться большим количеством агрегатов, 
установленных на большом пространстве, выдвигает требование 
автоматизации и высокой надежности с минимальным надзором. 
Системы управления, сигнализации и измерения ориентированы 
на микропроцессоры и персо 
нальные компьютеры. Пуск и остановка ветроагрегата осуществляется автоматически по скорости 
ветра. Повторный автоматический пуск производится, если отключение произошло по внешней причине, а не из-за неисправности какого-либо элемента ветроустановки. Расшифровки вида 
неисправности, данные о выработке электроэнергии за различные 
периоды времени, начиная с даты ввода в работу, число и длительность остановок, дистанционный пуск и остановка и многое другое 
реализуется через персо 
нальные компьютеры [13].
7

Ветроэлектростанция представляет собой группу ветрогенераторов, которые объединены в единую систему и используют 
для производства электроэнергии силу ветра. Принцип работы ветроэлектростанции основан на том, что ветер вращает лопасти турбины, а редуктор приводит в действие электрогенератор. Электроэнергия, получаемая таким образом, транспортируется по кабелю 
через силовой шкаф, который расположен в основании ветроэнергоустановки.
Мачты ветряных энергетических установок, имея значительную 
высоту, позволяют использовать силу ветра в полной мере. При проектировании ветроэлектростанции в местности, где ее планируется 
разместить, заранее проводят исследования, определяющие силу 
и направления ветра при помощи приборов-анемометров. Как известно, отбор мощности начинается со скорости ветра около 4 м/с, 
а номинальная мощность достигается при скорости 14–16 м/с.
По экспертным оценкам, технический потенциал ветровой 
энергии России оценивается свыше 6000 млрд кВтч/год. Экономический потенциал составляет примерно 31 млрд кВтч/год. 
Россия —  
одна из самых богатых в этом отношении стран —  
самая 
длинная на Земле береговая линия, обилие ровных безлесных пространств, большие акватории внутренних рек, озер и морей —  
все 
это наиболее благоприятные места для размещения ветроэлектростанций [15].
Отечественная ветроэнергетика. В Уфимском государственном 
авиационном техническом университете разработана ветроэнергетическая установка средней мощности ВЭУ-100. Ветротурбина разработана в двух модификациях для работы в составе энергосистемы 
и в локальной сети совместно с дизель-генератором [16, 17].
Система автоматического управления служит для запуска, 
стабилизации работы генератора, останова, предотвращения аварийных ситуаций. В состав системы входят: электронная система 
управления, гидростанция, гидросистема, исполнительные механизмы. Для каждой модификации ветроустановки имеются свой 
алгоритм управления и свое аппаратное обеспечение.
Ветроэнергетика за рубежом. Ветроэнергоустановка АВЭ-250С 
с синхронным генератором была разработана КБ «Южное» 
(Украина) [18, 19] и предназначена для параллельной работы 
с энергосистемой в составе ветроэлектростанции, а также для параллельной работы с другими ветротурбинами в составе ветроэлектростанции без связи с энергосистемой; для автономной работы на изолированную нагрузку без аккумулирования электроэнергии. Рабочим органом энергоагрегата является ветроколесо. 
8

При достижении ветровым потоком рабочего диапазона скоростей 
по соответствующим командам системы управления ветроколесом 
лопасти разво 
рачиваются из флюгерного положения в сторону 
«мощность», ветроколесо приводится во вращение, и при достижении генератором номинальной частоты вращения контрольнораспределительный шкаф (КРШ-200) включает синхронный генератор в сеть методом самосинхронизации, а система управления 
ветроколесом обеспечивает максимальное использование энергии 
ветрового потока и активное гашение автоколебаний в системе ветроколесо —  
синхронный генератор.
Наряду с ветроагрегатом АВЭ-250С были созданы ветроустановки с горизонтальной осью вращения ГП-250 и вертикальной 
осью вращения ВТО-1250 [18]. Установки ГП-250 и ВТО-1250 
являются только сетевыми и, аналогично агрегату АВЭ-250С, полностью автоматизированы и позволяют в любых климатических 
условиях создавать ветроэлектростанцию с минимумом обслуживающего персо 
нала.
Ветроэнергетическая установка ВЭУ-500 разработки КБ 
«Южное» [20] предназначена для эксплуатации в составе ветроэлектростанции или самостоятельно с отдачей электроэнергии 
в промышленную сеть.
Автоматизированная система управления предназначена 
для управления энергоагрегатом при ее запуске, работе и выключениях, контроля параметров, диагностирования состояния 
устройств, систем и включает в себя:
 
– программно-технический комплекс типа «УНИКОНТ»;
 
– систему управления ветроколесом;
 
– измеритель рассогласования оси ветроколеса и направления 
ветра;
 
– согласующие устройства;
 
– устройства силовой коммутации и кабельную сеть;
 
– датчики с усилителями-преобразователями.
Программно-технический комплекс предназначен для управления, диагностирования технического состояния, выдачи команды 
на выключение ветротурбины при выходе одного из диагностируемых параметров за допустимые значения, обмена информацией 
между ветротурбинами и центральным пунктом управления.
Система управления ветроколесом обеспечивает выдачу команд 
на разворот лопастей в процессе запуска энергоагрегата и регулирование его мощности, а также обеспечивает технологический 
и аварийный останов ветроколеса.
9

В настоящее время проектно-конструкторским технологическим бюро «Конкорд» (Украина) разработаны ветроэнергоустановки большой мощности: ТГ-750, ТГ-1000, ТГ-2500 с автоматизированной системой управления [21].
Европейская ассоциация ветроэнергетики в октябре 1994 г. провела конференцию по широкому кругу проблем использования 
энергии ветра во многих странах мира [22, 23]. Большая часть докладов относилась к установкам, работающим с переменной частотой вращения. Главным преимуществом ветротурбин, регулируемых по частоте вращения, является повышение отдачи мощности 
при работе с изменяющейся скоростью ветра. К ветроэнергоагрегатам с переменной частотой вращения относятся ветротурбины 
GAMMA-60, Aeolus, Nasudden, Nordic 1000 и др.
Подробные исследования работы ветроэнергоагрегата с переменной частотой вращения проводятся в Японии. Проверяется работа системы регулирования при различных скоростях ветра, частоте вращения при постоянной частоте напряжения, отдаваемого 
в сеть, системы управления шагом лопастей, направлением оси турбины относительно направления ветра, системы пуска и останова, 
защиты от разноса.
Большое значение для эффективного использования режима 
с переменной частотой вращения турбины имеют электрические 
схемы ветроустановки, выбор типа генераторов и преобразователей частоты. Различные организации проводят исследования 
по использованию новых вариантов электрооборудования ветроустановки. Университет в Афинах изучает свой 
ства асинхронизованного генератора двой 
ного питания, университет в Ноттингеме 
испытывает ветроэнергоагрегат, работающий на сеть в режимах 
с переменной частотой вращения.
Основные электрические параметры ветрогенераторов, производимых за рубежом, базируются на использовании асинхронных 
генераторов, которые наилучшим образом отвечают условиям работы ветроагрегатов, характеризуемых резкими и частыми изменениями скорости ветра, а также инерционностью вращающихся 
частей [24–27].
Ветроэнергетическая установка средней мощности USW56-100 
американской фирмы «Kenetech wind power» [20] на сегодня является широко внедряемой на ветроэлектростанциях России. Ее 
подключение в систему осуществляется через трансформатор. 
Центральный пункт обеспечивает управление через компьютеризированную систему одновременно 250 ветротурбин, при этом режим 
работы каждой ветротурбины, включая запуск и остановку, уста10