Лукутин Б.В. и др. Возобновляемая энергетика в децентрализованном электроснабжении

Подождите немного. Документ загружается.

171

Построение устройства подобным образом позволяет повысить

точность стабилизации амплитуды вырабатываемого напряжения. Бло-

ки дискретного и фазового управления обеспечивают постоянство по-

требляемой активной мощности, а сигналы управления блока управле-

ния реактивной нагрузкой формируются таким образом, чтобы потреб-

ляемая реактивная мощность также оставались постоянной. При таком

регулировании, генератор всегда работает на неизменную по

величине и

характеру нагрузку, и соответственно, амплитуда и частота вырабаты-

ваемого напряжения будут стабильными. Это позволяет использовать в

автономных электроустановках практически любые типы электрических

машин, отпадает необходимость в регуляторе напряжения и повышает-

ся статическая устойчивость системы регулирования. Погрешность ста-

билизации амплитуды выходного напряжения может быть уменьшена в

4–5 раз.

результате обзора существующих конструкций микроГЭС

можно сделать вывод, что автобалластные системы стабилизации при-

менимы для любого типа генератора и могут выполняться на основе ти-

ристорных коммутаторов или схем регуляторов с фазовым управлени-

ем. Обычно фазовые регуляторы балластной нагрузки проще и дешевле

дискретных коммутаторов, но вносят больше искажений в форму фаз-

ных

токов и напряжений генератора. В ряде конструкций, например

предложенной авторами [31], удается удачно сочетать балластную на-

Рис. 44. Общий вид микроГЭС, мощностью 16 кВт, выпускаемой на заводе

«Тяжэлектромаш» г. Бишкек

а) – гидроэлектроагрегат; б) – шкаф управления.

172

грузку с механическими регулирующими устройствами путем исполь-

зования балластного тока для управления затвором турбины.

Результаты исследований в области автономной микрогидроэнер-

гетики, проведенных в ТПУ, позволили разработать и внедрить в произ-

водство некоторые типы микроГЭС. МикроГЭС мощностью 16 кВт вы-

пускается заводом "Тяжэлектромаш" г. Бишкек с 1988 г. Конструктор-

скую проработку станции, включая гидротурбину

, осуществлял Про-

ектно-конструкторский и технологический институт (ПКТИ) "Водоав-

томатика и метрология" г. Бишкек. Система стабилизации напряжения и

частоты автобалластного типа разработана в Томске и доведена до се-

рийного производства в результате совместных усилий ТПУ и ПКТИ

"Водоавтоматика и метрология".

В данной станции использована нерегулируемая гидротурбина

пропеллерного типа с горизонтальной

осью вращения, рассчитанная на

рабочий напор воды 7,5–15 метров и максимальный расход воды 0,5

/сек. Номинальная частота вращения – 1035 об/мин.

В качестве генератора микроГЭС использован серийный асин-

хронный двигатель серии 4А с конденсаторным возбуждением. Функ-

ции стабилизации выходных электрических параметров осуществляет

автобалластная система. Кроме того, имеются модификации с дополни-

тельным каналом регулирования возбуждения асинхронного генератора

Рис. 45. МикроГЭС на реке Чон-Курчак, Кыргызтан

173

с помощью управляемого тиристорного преобразователя, разработанно-

го специалистами Самарского политехнического университета. По-

грешность стабилизации величины выходного напряжения не превыша-

ет 10%, а его частоты – 2% относительно номинальных значений

230/400 В и 50 Гц.

Общий вид станции, включающий силовой гидроэнергетический

блок и шкаф управления показаны на рис. 44. Вариант установки этой

станции на местности показан на

рис. 45, где, кроме указанных конст-

руктивных блоков, видны балластные нагрузки в виде емкостей с водя-

ными ТЭНами и часть напорного трубопровода.

Эффективность и относительная простота схемных решений ав-

томатических регуляторов балласта, реагирующих на величину тока по-

лезной нагрузки, определили выбор именно этого типа автобалластной

системы стабилизации. Принципиальная схема регулятора балластной

нагрузки

рассматриваемой микроГЭС показана на рис. 46. Работает

схема следующим обра-

зом. Напряжение генера-

тора

через первичные

обмотки трансреакторов

Тр-р поступает к нагрузке

и к балластным нагрузкам

. Балластные нагрузки

включены в звезду через

силовой вентильный пре-

образователь, состоящий

из тиристоров

,Т

диодов

Другим вариантом

включения балластного

сопротивления является

включение его на вы-

прямленное напряжение

преобразователя. Управ-

ление углами включения

тиристоров

–Т

осуще-

ствляется с помощью

управляющего выпрями-

теля

–V

, питаемого от

трансреакторов Тр-р. Выходное напряжение трансреакторов, пропор-

циональное фазным токам нагрузки

, выпрямляется и прикладывается

Рис. 46. Принципиальная электрическая схема

регулятора автобалластной нагрузки

Тр-р

’

174

к резистору управления R

. Напряжение управления имеет запирающую

полярность для диодов

поэтому, они могут открываться,

включая соответствующие тиристоры

,Т

когда линейное напря-

жение генератора превысит величину управляющего напряжения на ре-

зисторе

. Следовательно, когда ток нагрузки равен нулю, напряжение

управления также равно нулю и тиристоры

,Т

полностью откры-

ты, обеспечивая максимум мощности, потребляемой балластными на-

грузками

или R

’

. При номинальном токе нагрузки I

, тиристоры

,Т

закрыты и балласт обесточен. Для любых промежуточных зна-

чений тока

в схеме осуществляется фазовое регулирование мощности

балласта путем формирования углов управления тиристорами в резуль-

тате сравнения на резисторе

линейного напряжения генератора с на-

пряжением управления, пропорциональном току нагрузки станции.

Удачное схемное решение регулятора балластной нагрузки позво-

лило предложить эту же схему для микроГЭС, разрабатываемых ТПУ

совместно с болгарской фирмой «Промышленная энергетика».

Особенностью этого договора являлось то, что он предусматривал

создание технологии производства электроэнергии с помощью малых

водотоков при

максимальном использовании имеющегося гидро- и

электротехнического оборудования общепромышленного назначения. В

частности, в качестве турбин использовались наиболее распространен-

ные и дешевые центробежные насосы. Исследования болгарской фирмы

"Випом" подтвердили возможность эффективного использования цен-

тробежного насоса в турбинном режиме с небольшим снижением коэф-

фициента полезного действия. Более того, конструкция насоса позволя-

ет в

турбинном режиме снимать с него мощность, превышающую но-

минальную, а дополнительная обработка рабочего колеса насоса повы-

шает его КПД в турбинном режиме практически до номинального зна-

чения. Эти особенности, а также широкая номенклатура насосов, позво-

ляют строить целый ряд простых и экономичных микроГЭС.

Системы стабилизации выходных параметров таких станций

должны строиться

на принципе автобалластного регулирования, что од-

нозначно определяется использованием нерегулируемого насоса в тур-

бинном режиме. Сравнительные испытания нескольких типов стабили-

зирующих систем в лабораториях ТПУ и фирмы "Промышленная энер-

гетика" показали преимущества схемы, предложенной выше, и она была

взята в качестве основного стабилизирующего элемента в серии микро-

ГЭС мощностью до 100

кВт. Эти станции серийно выпускаются в Бол-

гарии. Общий вид станций на мощности 8 и 16 кВт показан на рис. 47.

На фотографии видны собственно гидроэлектроагрегаты, шкафы управ-

175

ления, блоки регуляторов автобалласта и собственно балласт – воздуш-

ные нагревательные элементы.

Использование в микроГЭС асинхронных генераторов (АГ) огра-

ничивает возможность регулирования напряжения по цепи возбужде-

ния. Поэтому, наиболее приемлемым вариантом системы стабилизации

является одноканальная токовая балластная система.

На точность стабилизации генерируемого напряжения в той или

иной степени оказывают влияние все элементы

установки: гидротурби-

на, генератор, нагрузка. К основным параметрам, определяющим уро-

вень стабильности величины и частоты напряжения, относятся: коэф-

фициент саморегулирования гидротурбины, характеризующий «жест-

кость» ее механической характеристики, номинальная мощность балла-

стной нагрузки и закон ее регулирования, диапазон изменения и харак-

тер полезной нагрузки станции.

Одноканальная

автобалластная система не позволяет одновремен-

но с величиной напряжения АГ стабилизировать его частоту, поэтому

приходится находить приемлемый вариант стабилизации. Проведенные

исследования позволили определить оптимальную величину балластно-

го сопротивления

в зависимости от характера полезной нагрузки

станции. В частности, для активной нагрузки

= 1,25R

, для активно-

индуктивной нагрузки с cos

ϕ = 0,9, R

= 1,32Z

, для нагрузки с коэф-

фициентом мощности 0,8

= 1,45Z

Рис. 47. Основные агрегаты микроГЭС фирмы

«Промышленная энергетика»

176

Отклонение R

от рекомендованных значений приведет к возрас-

танию погрешности стабилизации напряжения станции при прочих рав-

ных условиях. Уменьшение

до значений, меньших расчетного значе-

ния номинальной нагрузки станции (

< Z

), приведет к развозбужде-

нию генератора, когда полезная нагрузка станции достигнет примерно

50% своей номинальной величины.

Ограниченные возможности регулирования микроГЭС только по

цепи балластной нагрузки приводят к взаимосвязи между точностью

стабилизации величины и частоты выходного напряжения. Так, приме-

нение более «жесткой» гидротурбины повышает точность стабилизации

частоты напряжения, однако, отклонение её величины

относительно

номинального значения при этом возрастает.

Очевидное объяснение этому явлению – пропорциональная связь

между частотой вращения генератора и величиной генерируемого на-

пряжения.

Иллюстрацией данному выводу служат расчетные зависимости

максимальной погрешности стабилизации напряжения

±ΔU

max

и час-

тоты

±Δ

max

от жесткости гидротурбины e

, приведенные на рис. 48.

Нагрузка станции в данном случае активная.

Характер нагрузки микроГЭС требует соответствующего измене-

ния емкости возбуждающих конденсаторов для компенсации индуктив-

ности нагрузки. Расчет мощности батареи конденсаторов приведен в

литературе [5] и, в частности, для машин малой мощности 5–6 кВт, ве-

личина возбуждающих емкостей должна составлять 150–160 мкФ на

фазу при cos

ϕ = 0,8. В результате выполнения рекомендаций по выбору

0 -1-2-3-4-5-6

о.е.

ΔU, Δω

ΔU

Рис. 48. Зависимость максимальной погрешности

стабилизации U и

ω от e

177

конденсаторов и величины R

, удается стабилизировать величину и час-

тоту напряжения станции не хуже, чем при нагрузке активного характе-

ра. Например, на рис. 49 показаны зависимости напряжения

U и часто-

ты

ω микроГЭС от величины полезной нагрузки Z. По рисунку видно,

что максимальная погрешность стабилизации по напряжению составля-

ет 16–17%, по частоте 3,4–3,6%.

Таким образом, можно сделать вывод, что микроГЭС с однока-

нальной системой стабилизации могут обеспечить уровень стабилиза-

ции напряжения по величине порядка

U=U

±9–12%, по частоте

ω=ω

± 1,8–5%. Такие показатели достигаются при работе на пассив-

ную нагрузку с неизменным коэффициентом мощности в диапазоне

cosϕ = 0,8–1,0.

Фазорегулируемая вентильная нагрузка генератора микроГЭС оп-

ределяет искажения формы фазных токов и напряжений. Уровень иска-

жений для синхронных и асинхронных машин примерно одинаков и

достигает значений коэффициента искажений синусоидальности напря-

жения

нс

порядка 10–12% [22,23].

Величина искажений зависит от степени загрузки микроГЭС, что

иллюстрируется экспериментальной зависимостью, приведенной на рис.

50.

Эксперимент проводился на лабораторной установке. В качестве

генератора использован асинхронный двигатель, мощностью 4 кВт.

0,8

0,9

1,1

о.е.

0,99

1,0 10,0

0,98

100,0

ω,

о.е.

1,0

1,01

Z, о.е.

Рис. 49. Выходные электрические параметры

микроГЭС при активно-индуктивном характере

нагрузки с cosφ=0,8

178

Для расчета величины искажений напряжения генератора, вы-

званных коммутацией вентильной нагрузки, генератор микроГЭС экви-

валентируется неискаженной ЭДС

e(t) с индуктивностью L

и активным

фазным сопротивлением якорной обмотки

. Эквивалентная схема за-

мещения генератора показана на рис. 51 [6,28].

Рис. 51. Эквивалентная схема замещения генератора с автобалластной

системой стабилизации

(t)

Рис. 50. Зависимость К

нс

напряжения АГ от

нагрузки станции

0,25

нс

0,5

0,75

, о.е.

179

Полезная нагрузка активно-индуктивного характера r

, L

с ко-

эффициентом мощности

cosϕ

. Балластная нагрузка, в общем случае,

также активно-индуктивная с параметрами

, L

. Расчетные схемы для

переходного процесса коммутации балласта приведены на рис. 52.

Дифференциальные уравнения, описывающие переходные про-

цессы при включении балластной нагрузки активного характера

имеют вид:

бнг

);(

=−−

=−+

=++

iii

При выключении

ток и напряжение генератора определяются

по уравнению:

()()

)(

нг

=+++ .

Данные уравнения решаются в общем виде, например, классиче-

ским методом. Расчетные кривые тока и напряжения генератора при уг-

ле управления вентилями балласта

α = 90 ° приведены на рис. 53.

Анализируя результаты расчетов, нетрудно заметить, что для ре-

альных соотношений между параметрами генератора, нагрузки и балла-

стного сопротивления:

≈ 0,1L

, r

≈ 0,04r

, cosϕ

= 0,7 ÷ 0,9, пере-

ходный процесс включения вентилей регулятора балласта заканчивает-

ся в пределах полупериода питающего напряжения и длится не более

0,1 его части. Поэтому для анализа искажений напряжения и тока гене-

Рис. 52. Расчетные схемы для переходного процесса коммутации балласта

е(t)

e(t)

180

ратора в первом приближении можно пренебречь параметрами генера-

тора

, r

, что дает возможность учитывать только вынужденные

составляющие в кривой тока генератора.

Выражения для тока балласта в этом случае имеют вид:

= 0 в диапазоне 0 ≤ ωt ≤ α;

= I

sinωt для α ≤ ωt ≤ π.

Гармонический состав тока балласта определится выражениями:

BAI

nnmn

+= – амплитудное значение n-ой гармоники;

()

[]

()

[]

()

[]

()

[]

ая;составляющ косинусная

1cos

−

⎥

⎦

⎤

⎢

⎣

⎡

ω−

−

−ω+

−

⎥

⎦

⎤

⎢

⎣

⎡

ω−

−

−ω+

−

α+π

ωt

рад.

e, U, i

о.е.

-1,0

-0,5

0,5

π/3π/3

Рис. 53. Расчетные кривые тока и напряжения синхронного

генератора при

α = 90 °