Последнее десятилетие характеризуется впечатляющими успеха­ми в области практического использования ветроэлектростанций (ВЭС). Сегодня стоимость электроэнергии крупных сетевых ветроэлектростан­ций сопоставима с тарифами тепловых электростанций. Экономическая эффективность малых ВЭС, работающих на изолированного потребите­ля, пока не вышла на такой же высокий уровень. Это отставание объяс­няется в основном двумя причинами: необходимостью в устройствах аккумулирования энергии и неравномерностью графика нагрузки элек­троприемников потребителя.

В качестве наиболее распространенного устройства аккумулиро­вания обычно применяется батарея аккумуляторов. Аккумуляторная ба­тарея характеризуется возможностью отдавать потребителю значитель­ную мощность, однако запасать электроэнергию она способна только на уровне мощности, определяемой величиной зарядного тока. Следова­тельно, избыток мощности ветрогенератора над уровнем потребления нагрузкой и аккумуляторной батареей в большинстве случаев не может использоваться полезно. «Лишняя» мощность расходуется на увеличе­ние частоты вращения ветродвигателя при снижении коэффициента по­лезного действия энергоустановки.

Несоответствие мощности ветрового потока мощности нагрузки определяется переменным характером графика нагрузки и нестационар­ностью ветрового потока. В частности, скорость ветра характеризуется коэффициентом порывистости Кп, который представляет собой отноше­ние максимального порыва ветра за интервал Ах к средней скорости ветра на этом временном интервале. Методика сетевых метеорологиче­ских наблюдений приборными средствами определяет измерение сред­ней за 10 минут скорости ветра и максимального порыва за последую­щие 2 минуты. Сопоставление результатов исследований ветрового по­тенциала г. Томска показывает, что среднегодовая скорость ветра в го­роде равна 4,1 м/с, а с учетом порывов - 7,8 м/с [9]. Если учесть, что мощность ветродвигателя пропорциональна кубу скорости ветра, то ис­пользование энергии порывов ветра даст ощутимую прибавку мощно­сти и энергии, генерируемой ветроэлектростанцией. Увеличение выра­ботки энергии, при прочих равных условиях, приводит к снижению ее удельной стоимости и улучшению всех экономических показателей станции.

Утилизация электроэнергии ВЭС, которая не может быть потреб­лена нагрузками в конкретный момент времени, может производиться автоматически управляемой балластной нагрузкой, включаемой на вы­ход генератора станции параллельно реальным электроприемникам. В качестве балластных нагрузок целесообразно использование электрона­гревательных элементов, обеспечивающих горячее водоснабжение и электроотопление потребителей.

Статистика процентного распределения значений коэффициента порывистости для ряда ветровых диапазонов позволяет определить воз­можную выработку электроэнергии ВЭС с управляемым балластом. На­пример, для г. Колпашево порывы ветра в диапазоне Кп = 1...1,4 для наиболее типичного диапазона скорости ветра 0 - 5 м/с составляют 54 %, Кп = 1,5...1,9 достигает 21,8 %, Кп = 2,0...2,4 равен 13,8 %. Если учиты­вать продолжительность порывов на уровне 17 % времени работы стан­ции, что соответствует методике их измерения, то дополнительная вы­работка электроэнергии, например для условий Колпашево, составит не менее 60.70 %.

Согласовать зарядную мощность батареи аккумуляторов с избыт­ком мощности ветрогенераторной системы позволяет регулирование количества аккумуляторных батарей, а, следовательно, и ёмкости бата­реи с помощью соответствующего управляющего устройства.

Структурная схема ВЭС с регулируемым количеством аккумуля­торных батарей показана на рис. 11. На схеме обозначены ВД - ветро­двигатель, Г - электромашинный генератор ветроэлектростанции, В - выпрямитель, Н - блок полезных нагрузок, УУ - управляющее устрой­ство, АБ - блок аккумуляторных батарей.

Отличительная особенность предлагаемой системы электропита­ния заключается в возможности регулирования с помощью управляю­

щие. 11. Ветроэлектростанция с регулируемыми
аккумуляторными батареями

щего устройства ёмкости аккумуляторных батарей, подключаемых к машинно-вентильному генератору ВЭС [31]. Это позволяет регулиро­вать зарядный ток аккумуляторных батарей и, соответственно, позволя­ет утилизировать практически всю мощность, развиваемую ветродвига­телем.

В автономных системах генерирования электроэнергии типа гид - ро - или ветротурбина-электромашинный генератор соизмеримой мощ­ности получили широкое распространение автобалластные системы ре­гулирования режимов работы. Обычно балластные нагрузки включают­ся через вентильный регулятор мощности на выход синхронного или асинхронного генератора параллельно полезной нагрузке электростан­ции [32]. Балластную нагрузку следует рассматривать как дополни­тельную к полезной нагрузке станции, представляющую собой различ­ные тепловые нагрузки. Таким образом, балластное регулирование энергоустановок является эффективным способом утилизации энергии первичного источника с преобразованием ее в тепловую энергию.

В зависимости от типа электростанции, характера изменения мощности первичного энергоносителя Щ1, закона регулирования балла­стной мощности Рб, такие системы могут решать различные задачи, свя­занные с генерированием электроэнергии. Например, автобалластное регулирование может обеспечить стабилизацию выходного напряжения генератора по величине и частоте в условиях изменяющейся полезной нагрузки станции Щн или изменяющейся мощности Щг, и мощности Р1.

Кроме функции стабилизации рабочего режима системы турбина - генератор, автобалластные системы могут успешно решать и другие за­дачи. Например, в ветроэлектростанциях такие системы могут обеспе­чить максимальное использование изменчивой энергии ветра при ре­альных графиках нагрузки электроприемников. Баланс мощностей вет­роэлектростанции для этого режима описывается равенством:

Рг - Рн + Рб.

На рис. 12 изображена структурная схема ВЭС с автобалластным регулированием. Условные обозначения: Т - ветротурбина, Г - генера­тор, РН - регулятор напряжения, В - выпрямитель, РБ - регулятор бал­ласта, БН - блок балластных сопротивлений, АБ - аккумуляторная ба­тарея, И - инвертор, Н - полезная нагрузка.

Отличие предложенной ВЭС от существующих заключается в том, что в нее дополнительно введен регулятор мощности балласта, включаемый на выход якорной цепи генератора [35].

Основным назначением автобалластной системы в данной схеме является утилизация максимальной мощности ветротурбины при любых рабочих параметрах ветра и изменяемой мощности полезной нагрузки от номинальной до холостого хода. Дополнительным эффектом дейст­вия автобалластной системы является ограничение диапазона частот вращения системы ветротурбина-генератор, что снижает требования к её механической прочности и улучшает использование активных частей электрической машины.

В качестве параметров регулирования мощности балласта целесо­образно использовать мощность, потребляемую полезной нагрузкой, и скорость ветра, определяющую мощность ветротурбины.

Формирование и стабилизация напряжения с необходимыми ха­рактеристиками качества осуществляется в таких системах с помощью вторичных источников электропитания, обычно выпрямительно­инверторных преобразователей. Преобразователи со звеном постоянно­го тока, кроме известных достоинств, удобны для ветроэлектростанции с аккумуляторными батареями.

Силовые схемы полупроводниковых регуляторов балластной на­грузки могут быть достаточно разнообразны. Принципиально можно отметить два типа регуляторов, отличающихся по принципу действия: регуляторы с набором дозированных по мощности балластных нагрузок и фазорегулируемые устройства, регулирующие мощность на тепловой нагрузке.

Переключение вентилей коммутатора дискретного балласта обычно осуществляется естественным образом, поэтому для ряда схем­ных решений полупроводниковых ключей характерно отсутствие иска­жений формы напряжения генератора. В этом заключается важнейшее достоинство автобалластных систем стабилизации с полупроводнико­выми коммутаторами.

Недостатком таких схем является необходимость использования большого числа управляемых вентилей, что усложняет и удорожает систему регулирования. Для достижения высокой точности ста­билизации число дозированных ступеней балластной нагрузки должно быть не менее 15 [32]. Кроме усложнения схемы, дробление балласта на ряд точно дозированных ступеней затрудняет полезное использование рассеиваемой на нем мощности. Поэтому полупроводниковые коммута­торы более целесообразны в установках небольшой мощности - в пре­делах нескольких кВт.

Фазорегулируемые автобалласты в значительной мере лишены указанных недостатков, но вносят заметные искажения в форму кривых тока и напряжения генератора. При наличии вторичного источника электропитания искажения напряжения генератора практически не ска­зываются на качестве напряжения на нагрузке, поэтому несину­соидальность токов и напряжений влияет в основном на потери в элек­тромашинном генераторе.

Принимая во внимание важность таких показателей автономных электростанций, как простота, надежность и дешевизна, следует отме­тить перспективность фазорегулируемых систем балластного управле­ния электрической мощностью нагрузки энергоустановок.

Стремление улучшить энергетические характеристики и точность регулирования автобалластных систем приводит к комбинированным схемам регулирования, сочетающим принципы дискретного и фазового регулирования. Структурная схема такой энергоустановки показана на рис. 13 [34]. Особенностью схемы является наличие коммутатора с до­зированными балластными нагрузками и фазорегулируемой балластной нагрузки БН с блоком управления. Такая схема позволяет уменьшить количество ступеней дискретного балласта с одновременным обеспече­нием плавности регулировки за счет фазорегулируемой части балласта. Относительное уменьшение мощности фазорегулируемого балласта обеспечивает меньший уровень искажений напряжения генератора.

Особенностью предлагаемой новой схемы комбинированного ре­гулирования балластной нагрузки является возможность раздельного регулировании активной и реактивной составляющих балластной на­грузки. Это позволяет более точно регулировать режимы работы элек­тромашинного генератора, что особенно ценно для асинхронных машин с короткозамкнутым ротором.

Устройство содержит коммутатор, осуществляющий подключе­ние дозированных балластных нагрузок, и два блока фазового управле­ния. Преимущество данной схемы заключается в том, что она дополни­тельно снабжена блоком фазового управления активной мощностью и блоком фазового управления реактивной мощностью, управляемых от логического блока, выходные сигналы которых суммируются и посту­пают на управление вентильного фазорегулируемого устройства ФР, питающего балластную нагрузку.

Возможность раздельного регулирования составляющих мощно­сти, рассеиваемой на балласте, имеется только при условии выполнения полупроводникового фазорегулируемого блока на полностью управляе­мых вентилях, предусматривающих регулирование угла включения вен­тилей. Предлагаемая система регулирования режимов работы ВЭС, кроме более точного регулирования её электрической мощности, обес­печивает меньшие искажения формы кривой напряжения генератора.

Дальнейшим развитием автобалластных систем в ветроэлектро­станциях, особенно с ветродвигателями аэродинамического регулиро­вания, является ВЭС с контролем теплового режима генератора. Такая система позволяет в максимальной степени использовать габаритную мощность электрической машины и обеспечить максимально возмож­ную выработку и утилизацию электроэнергии.

Структурная схема ветроэлектростанции с датчиком температуры представлена на рис. 14, где ДТ - датчик температуры, БОВ - блок ори­ентации ветроколеса.

Особенностью схемы является наличие датчика температуры, ко­торый контролирует нагрев обмоток статора генератора при сильных порывах ветра. Если температура не достигла предельной величины, с ветроколеса снимается вся мощность, соответствующая ветру.

Таким образом, вентильные автобалластные системы являются мощным инструментом регулирования рабочих режимов системы тур­бина-генератор и могут использоваться для повышения энерго­эффективности автономных ветроэлектростанций.

Следует отметить технико-экономическую целесообразность ис­пользования автобалластных систем регулирования мощности нагрузки в ВЭС. Расчеты, проведенные для автономной ветроэлектростанции, питающей бытовую нагрузку в умеренных ветровых условиях, показали возможность увеличения выработки энергии на 30... 40 %. При этом стоимость ВЭС увеличивается не более чем на 10.15 %.