Многомашинные ветроэнергоустановки в Арктике и на Крайнем Севере
Покупка
Новинка
Основная коллекция
Издательство:
НИЦ ИНФРА-М
Автор:
Буяльский Владимир Иосифович
Год издания: 2025
Кол-во страниц: 168
Дополнительно
Вид издания:
Монография
Уровень образования:
Дополнительное профессиональное образование
ISBN-онлайн: 978-5-16-113677-5
Артикул: 854751.01.99
Доступ онлайн
от 404 ₽
В корзину
В монографии на основе анализа современных методов автоматического управления ветроэлектростанцией предложено решение о корректной связи (в теоретическом плане) связанных 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 повышение эффективности и с максимальным коэффициентом полезного действия работы ветроустановки в широком диапазоне скорости ветра и в заданном графике выдаваемой потребителю электроэнергии путем дробления потока мощности на несколько генераторов, а также учета выбора стратегии оптимального решения по управлению состоянием процесса энергоагрегата и определению объема выработанной электроэнергии каждому потребителю.
Представленные 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.
Многомашинные ветроэнергоустановки в Арктике и на Крайнем Севере: повышение эффективности и надежности
В монографии В.И. Буяльского рассматривается актуальная проблема энергоснабжения удаленных регионов Арктики и Крайнего Севера, где традиционные источники энергии не всегда эффективны. Автор предлагает решение, основанное на анализе современных методов автоматического управления ветроэлектростанциями (ВЭС) и разработке инновационного подхода к управлению многомашинными ветроэнергоустановками (МВЭУ).
Актуальность и цели исследования
Актуальность исследования обусловлена необходимостью повышения эффективности и надежности энергоснабжения в условиях сурового климата и удаленности арктических регионов. Целью работы является разработка автоматизированной системы управления (АСУ) МВЭУ, обеспечивающей оптимальное распределение электроэнергии потребителям, максимальный коэффициент полезного действия (КПД) и устойчивую работу в широком диапазоне скоростей ветра.
Анализ существующих методов и обоснование нового подхода
Автор проводит обзор и критический анализ существующих методов автоматического управления ВЭС, выявляя их недостатки, такие как ограниченная надежность, низкий КПД при неноминальных режимах работы и отсутствие эффективных решений для работы в условиях Арктики. В качестве решения предлагается метод дробления потока мощности на несколько генераторов, что позволяет повысить надежность и КПД МВЭУ.
Математическое моделирование и разработка алгоритмов управления
В работе разработана математическая модель, учитывающая состояние процесса МВЭУ, включая динамические режимы, и стратегии выбора оптимальных решений по управлению. Особое внимание уделяется учету влияния скорости ветра, электрической нагрузки и образования льда на лопастях ветроколеса. Предложены алгоритмы управления, обеспечивающие:
- Выбор уровня (верхний/нижний) и режима загрузки технологических процессов.
- Выбор стратегии состояния технологических процессов (ветротурбина, накопительная система электроэнергии).
- Определение объема выработанной электроэнергии для каждого потребителя.
- Подготовку рекомендаций по управлению загрузкой генераторов.
- Подготовку рекомендаций по переходу на соответствующий уровень.
Программное обеспечение и реализация системы
Для реализации предложенного метода разработано программное обеспечение, обеспечивающее синхронное функционирование вычислительных процедур. Описаны основные функции программного модуля, включая управление, мониторинг, конфигурацию и тестирование. Представлены структурно-функциональные схемы АСУ, реализующие предложенный метод.
Результаты и выводы
В результате проведенных исследований разработана АСУ МВЭУ, обеспечивающая повышение стабильности частоты вращения ветроколеса, уменьшение времени переходного процесса, улучшение аэродинамических характеристик лопастей, уменьшение потребления электроэнергии, повышение эффективности использования энергии ветра. Предложенный подход позволяет повысить надежность электроснабжения потребителей в Арктике и на Крайнем Севере, а также обеспечить оптимальный объем потребляемой электрической энергии.
Тематика:
ББК:
УДК:
ОКСО:
- ВО - Бакалавриат
- 13.03.02: Электроэнергетика и электротехника
- 15.03.04: Автоматизация технологических процессов и производств
ГРНТИ:
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов
В.И. БУЯЛЬСКИЙ МНОГОМАШИННЫЕ ВЕТРОЭНЕРГОУСТАНОВКИ В АРКТИКЕ И НА КРАЙНЕМ СЕВЕРЕ МОНОГРАФИЯ Москва ИНФРА-М 2025
УДК 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 кафедры энергетических систем и комплексов традиционных и возобновляемых источников Севастопольского государственного университета Буяльский В.И. Многомашинные ветроэнергоустановки в Арктике и на Крайнем Севере : монография / В.И. Буяльский. — Москва : ИНФРА-М, 2025. — 168 с. ISBN 978-5-16-113677-5 (online) В монографии на основе анализа современных методов автоматического управления ветроэлектростанцией предложено решение о корректной связи (в теоретическом плане) связанных 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 повышение эффективности и с максимальным коэффициентом полезного действия работы ветроустановки в широком диапазоне скорости ветра и в заданном графике выдаваемой потребителю электроэнергии путем дробления потока мощности на несколько генераторов, а также учета выбора стратегии оптимального решения по управлению состоянием процесса энергоагрегата и определению объема выработанной электроэнергии каждому потребителю. Представленные 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 621.311.245(075.4) ББК 31.62 ISBN 978-5-16-113677-5 (online) © Буяльский В.И., 2025 ФЗ № 436-ФЗ Издание не подлежит маркировке в соответствии с п. 1 ч. 2 ст. 1 Б94
Введение Ветроэлектрические установки относятся к наиболее перспективным системам альтернативной энергетики. В России оффшорные ветропарки являются важным источником возобновляемой энергии, что обусловлено выходом к Балтийскому и Северному морям. Необходимость в обеспечении энергоснабжения удаленных регионов Арктической зоны России с помощью независимой генерации электричества имеет тенденцию к возрастанию из-за множества проблем, связанных с эффективностью работы электростанций и электроснабжением в удаленных регионах [2]. Отсутствие централизованного электроснабжения и традиционное обеспечение 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 региональной 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]. При этом использование в ветроэнергоустановках, как правило, одного генератора явно ограничивает как надежность энергоагрегата в целом, так и его КПД при неноминальных режимах работы в результате суровых арктических нагрузок. 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 обеспечения эффективной и с максимальным коэффициентом полезного действия работу ветроэнергоустановки в широком диапазоне ветровых нагрузок и в заданном графике выдаваемой потребителю электроэнергии. Решение этих проблем возможно лишь при наличии эффективного автоматизированного управления многомашинной ветроэнергетической установкой. В то же время задача распределения электроэнергии потребителям является сложной актуальной вычислительной задачей и крайне востребованной с практической точки зрения, и требует эффективных методов ее решения, в частности, математического моделирования учета состояния процесса многомашинной ветротурбины при распределении электроэнергии потребителям в северных широтах.
Эффективное управление ветроэлектростанцией на основе математического моделирования учета состояния процесса многомашинной ветроэнергоустановки при распределении электроэнергии потребителям, а также обеспечения эффективной и с максимальным коэффициентом полезного действия работу энергоагрегата в широком диапазоне ветровых нагрузок и в заданном графике выдаваемой потребителю электроэнергии базируется на двухуровневом (иерархическом) технологическом процессе, где верхний уровень представляет совокупность ветроагрегатов, а нижний уровень – совокупность генераторов дополнительно подключенных к отдельной ветроэнергоустановки, и стратегий выбора оптимального решения по управлению с применением следующих подходов: – Теория игр, когда неопределенность выбора решения связана с неизвестным поведением «природы», не содержащей элементов сознательного противодействия разработанным планам. – Математические методы анализа функционирования импульсных систем на основе разностных уравнений. Таким образом, в настоящей монографии приводится подход к созданию автоматизированной системы управления ветроэлектростанцией на основе математического моделирования учета состояния процесса многомашинной ветроэнергоустановки при распределении электроэнергии потребителям, обусловленное наличием двухуровнего технологического процесса (верхний/нижний уровень) в дискретные моменты времени и стратегий выбора оптимального решения по управлению. При этом для решения проблемы разграничения времени их реализации разработан алгоритм согласованной работы двухуровнего технологического процесса обеспечения электроэнергией потребителей. В то же время управление ветроэнергоустановкой реализуется путем своевременной подготовки системы принятия управляющий решений на базе оценки времени включения двигателя привода питча угла лопасти в соответствии с упреждением скорости ветра и мощности потребляемой электроэнергии на последующий отрезок времени, что способствует уменьшению динамических на основные элементы составляющих частей современных ветрогенераторов.
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 1913г. в России действовало более 1 млн. ветряных мельниц. В 1931г. была построена в Балаклаве опытная ветроэлектростанция мощностью 100 кВт для параллельной работы на местную электросеть. В 1935г. 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 70-х годов [8,9]. Современные ветроэнергоустановки обеспечивают производство электроэнергии высокого качества с частотой, соответствующей сети, могут работать в непрерывном режиме без постоянного присутствия персонала и при малом уровне технического обслуживания в течение 20 лет и более, обеспечивая ресурс в 120000 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]: – 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 поворотнолопастных 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 вида 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 системой 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. Система управления, сигнализации и измерения ориентированы на микропроцессоры и персональные 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 какоголибо 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 персональные компьютеры [13]. 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 её планируется разместить, заранее проводят исследования, определяющие силу и направления ветра при помощи приборованемометров. 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. При достижении ветровым потоком рабочего диапазона скоростей по соответствующим командам системы управления ветроколесом лопасти разворачиваются из флюгерного положения в сторону «мощность», ветроколесо приводится во вращение и при достижении генератором
номинальной частоты вращения контрольно-распределительный 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 была создана ветроустановка 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 персонала. 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. 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 1994г. 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 свойства асинхронизованного генератора двойного 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, устанавливается автономно в зависимости от силы и направления ветра в месте ее расположения. Примером ветроэнергетической установки большой мощности, работающей параллельно с энергосистемой, является ветротурбина Nordex N80/250 немецкой фирмы «Nordex» [20]. Управление работой
ветротурбины осуществляется программируемым логическим контроллером, анализирующим данные, поступающие от различных датчиков. Все ветротурбины Nordex оборудованы системами удаленного контроля и автоматической системой управления, постоянно контролирующей работу ветротурбины, а необходимое программное обеспечение может быть установлено на любой персональный компьютер. Показатели работы ветроагрегата, такие, как мощность, скорость ветра, направление ветра, температура каждой системы и гидравлическое давление, могут быть не только отображены на экране монитора, но и скорректированы. В случае возникновения аварийных ситуаций сервисная команда анализирует сбой без выезда на место. Контроллер обеспечивает оптимальную работу ветротурбины в зависимости от ветровых и погодных условий. 1.2. Обзор и критический анализ современных методов автоматического управления ветроэнергоустановками. Основные направления по созданию автоматизированных систем управления ветроэнергоустановкой и постановка задачи исследований Для корректности предложенного метода в монографии представлены результаты исследований автоматизированной системы управления ветроэнергетической установкой USW56−100 фирмы «KENETECH WINDPOWER» [20, 28]. В настоящее время ветроэнергоустановка USW56−100 используется на ветроэлектростанциях России. Её эксплуатация осуществляется в Крыму на Сакской, Донузлавской, Судакской и Тарханкутской ветроэлектростанциях. На рисунке 1.1. представлена структурная схема ветроэлектростанции. Технический состав оборудования ветроэлектростанции включает: группу ветротурбин, метеорологическую башню, автоматизированную систему управления ветроэлектростанцией, локальный трансформатор и подстанцию. Метеорологическая башня. На площадке ветроэлектростанции имеется метеорологическая башня, расположенная на участке наиболее характерного ветра. На метеостанции установлено измерительное оборудование для определения скорости и направления ветра. Показания параметров скорости ветра, полученные от метеорологической башни, используются системой управления ветроэлектростанцией для определения момента запуска или останова ветроэнергетической установки.
Доступ онлайн
от 404 ₽
В корзину