3.1. Микрогидроэлектростанции

Существенное место по запасам и масштабам использования за­нимает энергия потоков воды. Объясняется это высокой энергетической плотностью потока воды и относительной временной стабильностью режима стока большинства рек. Большая плотность воды по сравнению с воздухом (в 846 раз) определяет, при прочих равных условиях, соот­ветствующее уменьшение массогабаритных и стоимостных показателей рабочего колеса гидротурбины по сравнению с ветроколесом. Стабиль­ность потока воды и широкие возможности по регулированию его энер­гии позволяют использовать более простые и дешевые системы гене­рирования и стабилизации параметров производимой электроэнергии. В итоге, гидроэлектростанции производят более дешевую электроэнергию по сравнению с ветроэлектростанциями, а также с энергоустановками, использующими другие виды возобновляемых энергоресурсов.

Следует отметить, что гидроэлектростанции могут устанав­ливаться практически на любых водотоках: от небольших ручьев до крупнейших рек. Соответственно изменяется и мощность их гидроагре­гатов. В настоящее время принята следующая классификация: станции мощностью до 100 кВт - микроГЭС, от 100 до 1000 кВт - миниГЭС, от 1000 до 10000 кВт - малые ГЭС и свыше 10000 кВт - крупные гидро­электростанции. Конструкция и принципы построения этих классов энергоустановок могут существенно отличаться.

Станции класса «мини» и более мощные обычно используют в своей конструкции плотину, обеспечивающую запас воды в водохрани­лище и необходимый напор воды на гидротурбине.

МикроГЭС отличаются большим разнообразием конструктивных исполнений. Они могут строиться, как и более мощные станции, с ис­пользованием плотины, могут быть деривационного типа с использова­нием напорного трубопровода или канала. Наконец, микроГЭС могут устанавливаться в речной поток без всяких гидротехнических сооруже­ний - свободопоточные микроГЭС.

Исторически, первые гидроэлектростанции относились к классу микроГЭС, и время их появления совпадает с успехами в промышлен­ном освоении электромашинных генераторов. Такие простейшие, часто полукустарные установки имели широкое распространение, особенно в сельской местности. В частности, в СССР в 1937 году доля гидроэнер­гии в сельскохозяйственном электроснабжении достигала 11 % [35].

До войны малая гидроэнергетика развивалась у нас главным обра­зом путем индивидуального строительства электростанций из элемен­тов, выпускавшегося в то время специального оборудования и исполь­зования подходящих узлов и деталей от автомобилей, сельскохозяйст­венной техники и т. д. Гидротурбины выпускались на заводах им. Кали­нина (г. Москва), им. Сталина (г. Бобруйск), Штампметиз (г. Ленин­град), на Благовещенском заводе и некоторых других заводах местной промышленности. Зачастую использовались самодельные, в том числе деревянные и деревометаллические конструкции гидротурбин. В каче­стве редукторов использовались задние мосты автомобилей, а в качест­ве гидрогенераторов - серийные генераторы постоянного и переменного тока [35].

Основные теоретические и опытно-конструкторские разработки проводились во Всесоюзном институте гидромашиностроения (Москва) под руководством профессора Квятковского B. C., в Ленинградском ин­дустриальном институте, во Всесоюзном институте гидротехники и ме­лиорации (Москва) и других организациях. Результатом этих работ яви­лась первая отечественная серия автоматизированных микроГЭС из 22 типов, спроектированная и принятая к производству на Ленинградском заводе «Электросила». В этих микроГЭС использовались турбины ти­пов «Каплан» и «Френсис» с вертикальной осью вращения и диаметром рабочих колес от 200 до 500 мм. Турбины были рассчитаны на рабочие напоры от 2 до 35 метров при расходах воды от 50 до 1200 литров в се­кунду. Заводская марка этих турбин имела обозначение «К». Мощность агрегатов составляла ряд от 0,7 до 55,2 кВт. Станции снабжались гене­раторами завода «Электросила»: мощностью менее 8 кВт типа «П» и более 8 кВт - генераторами переменного тока 220/380 В типа «MСB». МикроГЭС имели автоматические регуляторы частоты вращения на ба­зе масляного насоса, которые воздействовали на угол поворота лопа­стей турбины, и угольные регуляторы возбуждения электромашинных генераторов [35].

Эта серия микроГЭС впервые имела полный набор автоматиче­ских устройств, необходимых для стабилизации параметров производи­мой электроэнергии в любых режимах работы станции. Однако уровень развития техники того времени не позволил обеспечить приемлемых потребительских и производственно-технологических качеств станций. В этом смысле, полностью автоматизированные микроГЭС опережали технический уровень своего времени. Изготовление и опытная эксплуа­тация первых образцов серии микроГЭС завода «Электросила» показа­ли относительную сложность их конструкции, затруднявшую широкое развертывание заводского производства и трудности эксплуатационного характера. По результатам испытаний пришлось признать необходи­мость свести автоматизацию агрегатов к немногочисленным, хотя и гру­бым, но надежно действующим деталям [35].

Следует отметить, что упрощение конструкции микроГЭС, преж­де всего, сводилось к использованию нерегулируемых гидротурбин и, соответственно, совершенствованию электрической части станций, в первую очередь генераторов. Так, в ВЭИ С. Б. Юдицким были разрабо­таны самовозбуждающиеся синхронные генераторы марки СОГ-10/4 и СОГ-16/6, возбуждение которых осуществлялось с помощью селеново­го выпрямителя. Выпуск этих, по существу одних из первых образцов вентильных электрических машин, был освоен на заводе «Вольта» г. Баранча [35].

Дальнейшие работы над микроГЭС затормозила война 1941-45 годов. После войны успехи в области «большой», в том числе ядерной энергетики, привели к практически полному прекращению в СССР ра­бот по микрогидроэнергетике. Гидроэнергия использовалась путем по­строения крупных ГЭС, которые, наряду с известными достоинствами, обладают рядом существенных недостатков, особенно с экологической точки зрения. И только в последние годы интерес к возобновляемым энергоисточникам, в том числе и микроГЭС, вновь усилился. В нашей стране, в отличие от большинства зарубежных, где развитие микрогид­роэнергетики осуществлялось параллельно с другими энергоисточника­ми, эти работы приходилось начинать практически с нуля. За время длительного игнорирования малой энергетики вообще, а микроГЭС в частности, был утрачен даже имевшийся опыт использования энергии малых рек, ликвидированы многие из имевшихся гидроэлектроустано­вок и свернуто производство оборудования для них.

В то же время, создание современных автоматизированных мик - роГЭС требует проведения глубоких исследований, необходимость ко­торых объясняется сложностью процессов преобразования потока воды в электроэнергию со стабильными параметрами. Эта область исследо­ваний объединяет такие разделы науки и техники как гидротехника, электромашиностроение, теория автоматического регулирования, пре­образовательная техника, вопросы электроснабжения.

Между тем, современные достижения в области электромашино­строения, полупроводниковой и преобразовательной техники привели к появлению нового класса электрических машин, который получил на­звание вентильных. Вентильные машины обладают принципиально но­выми свойствами и позволяют решать ранее недоступные задачи.

Например, вентильные электрические машины позволяют строить на их основе автономные источники электропитания, обеспечивающие генерирование высококачественной электроэнергии при минимальных требованиях к приводному двигателю. Применительно к микроГЭС, это дает возможность строить автоматизированные гидроагрегаты с нерегу­лируемыми турбинами. Как показал еще довоенный опыт, именно это направление развития микроГЭС в наибольшей степени отвечает как производственно-технологическим, так и эксплуатационным требова­ниям. Обзор зарубежной информации также показывает, что микроГЭС с применением вентильных электрических машин получают в настоя­щее время наибольшее распространение во всем мире [36].

Тенденция к упрощению гидротехнической части станций суще­ственно повышает требования к устройствам генерирования электро­энергии и стабилизации ее параметров. Соответственно, вопросы, свя­занные с исследованиями режимов работы электромашинных генерато­ров микроГЭС в комплексе со статическими полупроводниковыми сис­темами регулирования величины и частоты выходного напряжения, приобретают первостепенное значение для создания современных мик­рогидроэлектростанций.

Обычно микроГЭС содержит в своей конструкции такие обяза­тельные элементы как гидротурбина, электромашинный генератор, сис­тема стабилизации выходного напряжения и ряд элементов, наличие и конструкция которых зависит от типа и особенностей станции: опреде­ленные гидротехнические сооружения, запорная арматура, балластные нагрузки и т. д.

В качестве гидродвигателей, преобразующих энергию потока в механическую энергию приводного вала генератора, в той или иной степени используются все типы гидротурбин: поворотно-лопастные, ра­диально-осевые, импульсные, осевые, турбины с горизонтальной и на­клонной осями вращения и т. д. [35,37].

Как правило, микроГЭС не требуют возведения сложных гидро­технических сооружений - плотин. Поэтому их турбины устанавлива­ются либо в свободном потоке воды, либо в специальном напорном трубопроводе. Для работы в свободном потоке воды применяют, в ос­новном, гидротурбины активного типа, типичным примером которых могут служить водяные мельницы. Достоинством активных турбин яв­ляется их максимальная простота и относительная жесткость механиче­ских характеристик. Тем не менее, низкая частота вращения и малый коэффициент полезного действия активных гидродвигателей ограничи­вают их применение в гидроэнергетике.

Напорный трубопровод позволяет повысить энергию рабочего по­тока воды, применять более эффективные типы гидротурбин реактивно­го типа. Мощность, развиваемая гидротурбиной, определяется из выра­жения:

Q ■ H

Р т = г~^Пт ’

где у - вес единицы объема воды; Q - расход воды; Н - рабочий напор; Q - угловая частота вращения; Пт - полный КПД турбины.

Очевидно, что мощность гидротурбины с напорным трубопро­водом не будет зависеть от водного режима реки, если ее минимальный сток превышает количество воды, поступающей в трубопровод. Диа­метр трубопровода и перепад высот между его верхней и нижней точ­кой определяют расчетную мощность станции. Трубопровод микроГЭС может выполняться из стальных, бетонных, резиновых и других труб, широко применяемых в оросительных системах. Его стоимость сущест­венно зависит от рельефа местности, определяя целесообразность при­менения микроГЭС, прежде всего в горных районах с большими укло­нами русла реки. Правильное использование рельефа местности, а так­же простейшие сооружения типа деривационных каналов, во многих случаях, позволяют уменьшить длину, и соответственно, и стоимость напорного трубопровода.

Следует отметить, что мощность и частота вращения гидро­турбины определяют расчетную мощность генератора, его массу, габа­риты и стоимость. В общем случае эти параметры связаны соотношени­ем [38,39]:

где D - внутренний диаметр статора электрической машины; ls - расчетная длина воздушного зазора; Р - расчетная полная мощность;

Q - частота вращения; А - линейная нагрузка; Bs - магнитная индук­ция в воздушном зазоре; а - коэффициент пропорциональности.

При относительно постоянных значениях расчетной мощности и электромагнитных нагрузок генератора его объем, характеризующийся

произведением D2• ls, определяется частотой вращения Q. С этой точ­ки зрения, быстроходные гидротурбины позволяют использовать гене­раторы, обладающие хорошими массогабаритными показателями и низ­кой стоимостью.

В случае, когда частота вращения гидротурбины микроГЭС мала (практически менее 400 об/мин) целесообразно применение мультипли­каторов. Это позволяет добиться максимального КПД преобразования и минимальной массы установки в целом.

Применительно к низконапорным микроГЭС, преимущественное распространение получили реактивные гидротурбины пропеллерного типа с номинальной частотой вращения от 1000 до 3000 об/мин. Этот тип турбин позволяет исключить мультипликатор из состава гидроэнер­гоустановки.

0

Рис. 25. Характеристики гидротурбины типа К-245
D=289 мм, H=9 м

На рис. 25 показаны экспериментальные мощностные и механиче­ские характеристики нерегулируемой пропеллерной гидротурбины типа К-245, диаметром 289 мм, при напоре Н = 9 м, для двух положений от­крытия направляющего аппарата (а) [40]. Как видно из рис. 25 мощ­ность, развиваемая гидротурбиной, равна нулю в двух случаях:

1) при Q = 0, когда происходит протекание воды, но нет вращения и, следовательно, работа не совершается - энергия воды растрачивается на гидравлическое сопротивление;

2) при Q = Qy, когда под действием напора воды турбина развива­ет максимальные обороты, растрачивая энергию на гидравлические и механические сопротивления. Угонная частота вращения Qy гидротур­бины пропеллерного типа достигает 2...2,5 номинальной частоты.

С уменьшением открытия направляющего аппарата мощность турбины и максимальная частота вращения уменьшаются, поскольку падают расход воды и энергия потока.

Следовательно, частота вращения гидроагрегата может сущест­венно изменяться в зависимости от энергии рабочего потока воды и ко­лебаний величины мощности нагрузки, уравновешивающей мощность, развиваемую гидродвигателем.

Очевидно, что особое внимание при создании микроГЭС необхо­димо обращать на системы стабилизации ее рабочих режимов.

Уравнение движения системы "гидротурбина - генератор" имеет

вид:

где Mm - механический момент, развиваемый гидротурбиной; Мг - момент сопротивления генератора; J - момент инерции вращающихся частей; Q - угловая частота вращения гидроагрегата. Статическая устойчивость системы «гидротурбина - генератор» и погрешность стабилизации частоты ее вращения определяются суммар­ным коэффициентом саморегулирования микроГЭС:

ее ег ет;

d ММ г ^М г. н. dQ Qhom dМт ш М т. н dQ Q^

где Єг, Єт - коэффициенты саморегулирования генератора и гидротур­бины соответственно; М гн, Мтн - номинальные (расчетные) значения моментов генератора и гидротурбины в точке номинального режима; - номинальная частота вращения гидроагрегата.

Для устойчивой работы гидроагрегата суммарный коэффициент саморегулирования должен иметь положительное значение.

В зависимости от условий в микрогидроэлектростанциях приме­няются практически все типы гидротурбин: поворотно-лопастные, ра­диально-осевые, ковшовые, капсульные и др. Для максимального упро­щения и удешевления гидроагрегатов достаточно широко используется стандартное насосное оборудование. Насосы отличаются от традицион­ных гидротурбин тем, что у них нет устройств регулирования расхода воды и, следовательно, мощности [41]. Насосы предназначены для ра­боты в одном режиме, что определяет их простоту и меньшую стои­мость по сравнению с регулируемыми турбинами, мощность которых приводится в соответствие с мощностью нагрузки путем регулирования расхода воды или поворотом рабочих лопастей. Оптимизацию условий работы насоса в турбинном режиме несложно выполнить с помощью простейших гидротехнических сооружений, например напорного тру­бопровода и системы стабилизации электрической мощности гидроаг­регата.

Генератор является важнейшим элементом электрооборудования автономной энергоустановки. Кроме основного назначения, заключаю­щегося в генерировании электрической энергии, генератор должен вы­полнять определенные функции по стабилизации или регулированию параметров, характеризующих её качество. Поэтому одним из требова­ний, предъявляемых к генератору автономной электроустановки, явля­ется управляемость. Конструктивное выполнение генератора должно обеспечить возможность его эксплуатации на открытом воздухе с высо­кой степенью надежности в течение длительного времени.

В агрегатах микроГЭС в основном применяются генераторы пе­ременного тока синхронного или асинхронного типов. Преимуществами асинхронных генераторов являются высокая надежность, малые габари­ты, низкая стоимость, простота включения на параллельную работу. К основным их недостаткам относятся необходимость в конденсаторной батарее для самовозбуждения и относительная сложность регулирова­ния выходного напряжения. Синхронные машины имеют несколько большие габариты и массу, а также более дороги, чем асинхронные. Тем не менее, меньшая мощность возбуждения и простота возбуждающих и регулирующих устройств в ряде случаев делают более предпочтитель­ным применение в микроГЭС синхронных генераторов.

В зависимости от условий работы энергоустановки, можно реко­мендовать применение асинхронных генераторов, если станция работа­ет на мощную электрическую сеть или на пассивную автономную на­грузку. При автономном режиме работы на нагрузку с изменяющимся коэффициентом мощности преимущества имеют микроГЭС, построен­ные на основе синхронных генераторов [42, 43].

За рубежом выпускаются различные модификации генераторов, специально предназначенных для работы в составе микроГЭС [36]. Среди них имеются как синхронные, так и асинхронные машины. В России и странах содружества специальных генераторов для рассматри­ваемых целей не выпускается, поэтому следует обратить внимание на общепромышленные электрические машины, автотракторное электро­оборудование и некоторые типы синхронных генераторов серий ЕСС, ГО, ГСФ, СГВ и др., применяемых в передвижных электростанциях с двигателями внутреннего сгорания и ветроэлектроустановках. Заслужи­вает внимания так же опыт использования в генераторном режиме асинхронных двигателей с емкостным возбуждением.

К основным показателям качества источников электропитания в соответствии с ГОСТ 4.171-85 относятся параметры выходного напря­жения, характеризуемые номинальной величиной и частотой. Поэтому, важнейшим элементом энергоустановки является система стабилиза­ции, обеспечивающая статически устойчивый режим работы гидроагре­гата и стабилизацию его выходного напряжения.

Методы построения системы стабилизации частоты переменного тока автономного источника электропитания можно разделить на две группы: стабилизация частоты вращения приводного двигателя и гене­рирование переменного тока стабильной частоты при изменяющейся скорости привода. Основные варианты построения стабилизирующих систем показаны на рис. 26.

Регулирование частоты вращения турбины заключается в измене­нии угла поворота рабочих лопастей или регулировании расхода воды. При этом происходит выравнивание мощности, развиваемой турбиной, и мощности нагрузки. В микрогидроэлектростанциях наибольшее рас­пространение получило регулирование расхода воды путем изменения величины открытия направляющего аппарата. Схема энергоустановки с регулированием частоты вращения турбины путем изменения энергии рабочего потока или угла атаки рабочих лопастей показана на рис. 26, а.

Основными недостатками регулируемых турбин являются услож­нение их конструкции, а также необходимость в электромеханической системе регулирования частоты вращения установки. Из-за наличия в системе регулирования инерционных элементов частота выходного на­пряжения может изменяться в широких пределах. В литературе приво­дятся данные, что время регулирования для малых гидротурбин равно 1,5...3 с [45].

Упростить конструкцию турбин и добиться большего быстродей­ствия регуляторов частоты возможно путем регулирования величины нагрузки энергоустановки. Такая возможность определяется зависимо­стью частоты вращения турбины от развиваемой ею мощности, которая в автономной системе электроснабжения потребляется электрической нагрузкой. Следовательно, выбирая соответствующую нагрузку источ­ника электропитания, можно стабилизировать частоту вращения генера - тор-приводная турбина. Изменять величину нагрузки микроГЭС воз­можно включением на выход генератора регулируемой балластной на­грузки.

Если под «балластной» понимать некоторую полезную нагрузку, то данный способ стабилизации подразумевает автоматическое пере­распределение электрической мощности между некоторыми потребите­
лями, часть из которых допускает снижение величины питающего на­пряжения или его отключение. Схема энергоустановки с автобалласт­ным регулированием выходных параметров представлена на рис. 26, б.

Достоинством данного способа является полное исключение элек­тромеханических устройств из системы стабилизации частоты враще­ния гидродвигателя. Замена их статическим регулятором весьма выгод­на и с точки зрения улучшения характеристик микроГЭС, и с точки зрения чисто экономической. Так, по данным [44, 46], стоимость регу­лятора автобалласта может составлять лишь 20 % от механического ре­гулятора гидротурбины.

Системы с автобалластным регулированием имеют высокое быст­родействие, что положительно сказывается на качестве выходного на­пряжения. За счет стабилизации частоты вращения гидроагрегата, в рас­сматриваем типе энергоустановок, могут применяться общепромыш­ленные генераторы без большого запаса механической прочности, а в качестве гидродвигателя - насос в турбинном режиме. Кроме того, ав­тобалластный способ стабилизации хорошо сочетается с регулировани­ем выходных параметров асинхронного генератора с емкостным само­возбуждением, что позволяет применять в автономных микроГЭС как синхронные, так и асинхронные машины [44, 47, 48].

Одним из способов стабилизации частоты вращения электриче­ского генератора, входящего в состав энергоустановки с нерегулируе­мым двигателем, является применение приводов постоянной скорости (ППС), которые обеспечивают постоянство частоты вращения выходно­го вала при изменяющейся в определенных пределах частоте вращения приводной турбины. Схема такой установки показана на рис. 26, в. ППС применительно к микроГЭС является аккумулятором механической энергии, которая запасается в виде воды, поднятой в резервуар. В гид­роэнергоустановках подобные системы могут применяться при малых кинетических энергиях потока, когда для создания необходимого напо­ра вода поднимается в бак, расположенный на определенной высоте от­носительно турбины.

Машино-вентильные источники электропитания позволяют ста­билизировать частоту генерируемого переменного тока при изменяю­щейся в широком диапазоне частоте вращения привода (системы типа переменная скорость - постоянная частота, ПС - ПЧ). Достоинствами таких устройств являются высокое качество выходного напряжения и независимость электрических параметров генератора от режима работы турбины. Недостатки подобных систем заключаются в их сложности, а значит, более высокой стоимости. Кроме того, нерегулируемая турбина определяет повышенные требования к механической мощности генера­тора. Для пропеллерных турбин угонное число оборотов в 2,5 раза пре­вышает частоту вращения при номинальном режиме. В то же время для общепромышленных электрических машин допускается превышение номинальной частоты вращения не более чем на 30 %. Поэтому возни­кает необходимость либо использовать специальные электрические ма­шины, способные работать в широком диапазоне изменения частоты вращения, либо ограничивать частоту вращения гидротурбины. Схема установки, содержащей машинно-вентильный источник электропитания (МВИ), показана на рис. 26, г.

Таким образом, способ построения и стабилизации выходных электрических параметров микроГЭС зависит от напора воды, характе­ристик двигателя и от структуры и состава нагрузок.

В результате обзора существующих конструкций микроГЭС мож­но сделать вывод, что наиболее перспективным вариантом автономной станции является установка, содержащая машинно-вентильный источ­ник электропитания. Среди различных машинно-вентильных систем существенными преимуществами обладают системы стабилизации ав­тобалластного типа.

Опыт разработки и эксплуатации микроГЭС доказал, что наибо­лее перспективным вариантом построения станций является бесплотин­ная конструкция с автобалластной системой стабилизации напряжения. Именно по этому принципу выполнено большинство автономных сис­тем электроснабжения, которые успешно эксплуатируются во многих странах мира: США, Японии, Китае, Дании, Швеции и т. д. Также, сле­дует отметить, что микроГЭС автобалластного типа могут выполняться в различных модификациях, например [45.. .54].

В настоящее время основные усилия разработчиков микроГЭС направлены на совершенствование систем стабилизации выходного на­пряжения энергоустановки, что позволяет использовать максимально простое и дешевое гидротехническое оборудование. В результате стои­мость микроГЭС снижается при одновременном повышении её надеж­ности.