Оптимизация режима автономной ветроэлектростанции с распределенной системой генерации

Аннотация

Рассмотрены физические взаимодействия и математическая модель ветроэлектрической станции, состоящей из отдельных распределенных на большой территории ветроагрегатов, вырабатывающих электрическую энергию на общие шины и далее — на трансформатор и нагрузку. В качестве электромеханических преобразователей применены асинхронные генераторы, отличающиеся от синхронных простотой конструкции и более высокой надежностью в эксплуатации. Распределенное расположение ветроагрегатов обусловливает различные ветровые условия для каждого из них, кроме того, их взаимодействие зависит как от протяженности кабельных трасс до сборных шин, так и от параметров трансформаторов. Указанные обстоятельства формируют интерес к исследованию параллельной работы распределенных асинхронных генераторов и возможности оптимизации режима ветроэлектростанции с целью обеспечения качества вырабатываемой электроэнергии — частоты и величины напряжения.

Режим работы подобной ветроэлектростанции на примере двух параллельно работающих на общую активно-индуктивную нагрузку асинхронных генераторов представлен комплексной Т-образной схемой замещения, математическое описание которой сформировано нелинейными комплексными однородными уравнениями для потенциалов узлов. Индуктивности намагничивания являются нелинейными функциями от ЭДС, а для их аналитической аппроксимации применена обратная тригонометрическая функция.

Уравнения механического равновесия включают вращающие моменты ветротурбин, электромагнитные моменты генераторов, моменты инерции вращающихся частей, эпизоды сопротивления и трения, причем при заданных размерах ветротурбины её вращающий момент зависит от угловой скорости вращения, скорости ветра и угла установки лопастей и аппроксимируется сплайн-функциями от сопротивления нагрузки и скоростей вращения ветротурбин.

Анализ рабочего режима основан на численном расчете нетривиальных решений нелинейных комплексных уравнений для потенциалов узлов схемы замещения, напряжения нагрузки и частоты и последующей их аппроксимации как функции от скоростей вращения и сопротивления нагрузки при фиксированных величинах индуктивности нагрузки, емкостях, балластной проводимости и других параметров.

На примере расчета, выполненного для типичных параметров ВЭС небольшой мощности при реальном различии в скоростях ветра для отдельных ВА и переменном сопротивлении нагрузки, показано, что с помощью только изменения углов установки лопастей не удается стабилизировать параметры напряжения на нагрузке, в то время как при одновременном изменении емкостной и балластной проводимостей стабилизация частоты и напряжения осуществляется на заданном уровне. С ростом скоростей вращения ветротурбин емкостная и балластная проводимости должны увеличиваться, с ростом сопротивления нагрузки балластная проводимость также должна возрастать, а емкостная — уменьшаться. Последующим развитием представленного метода может быть анализ способов стабилизации работы ветроэлектростанции при произвольном числе генераторов.