Генераторный комплекс на основе МДП для малых ГЭС

Развившийся экономический и экологический кризис затронул в настоящее время практически все страны, включая Россию. Особенно тяжелые последствия этого кризиса испытывают крупные регионы, в которых сосредоточены мощные энергетические производства, относящиеся к различным отраслям промышленности и сельского хозяйства. Это в полной мере относится и к Нижегородской области, имеющей 50% дефицит электроэнергии, составляющий около 12 миллиардов кВтч в год.

Одним из наиболее эффективных технических направлений, обеспечивающих разрешение этого кризиса, является энергосбережение. Нижегородская область на протяжении последних нескольких лет признана одним из немногих в России центров энергосбережения. Развитие современной рациональной энергетики связано с целым рядом серьезных исследований и разработок, в числе которых немаловажное место занимает создание экологически чистых возобновляемых источников энергии и, в частности, малых гидроэлектростанций (МГЭС).

В настоящее время отсутствует единое определение МГЭС. Существуют различные классификации МГЭС по различным признакам: по мощности, напору, режиму работы, степени автоматизации и др. Наиболее характерными показателями ГЭС, построенных на малых реках, являются: установленная мощность и уровень напора.

Исторически можно выделить три периода развития малой гидроэнергетики в нашей стране:

• в 1930 — 1940 годы были разработаны принципы проектирования, строительства и эксплуатации малых ГЭС, созданы типовые проекты этих ГЭС. Некоторые проекты были реализованы. По имеющимся данным установленная мощность малых ГЭС, получивших название сельских, достигла 38 МВт.

• в первые послевоенные годы строительство малых ГЭС получило значительное развитие. По данным ЦСУ СССР, в 1952 году эксплуатировалось 6614 сельских ГЭС, в 1959 году суммарная мощность их превысила 480 МВт, а выработка электроэнергии составила 1 млрд. кВтч/год. В Горьковской области к 1956 году функционировало около 560 МГЭС.

• в 60-е годы произошло фактическое разрушение созданной и отработанной системы малой гидроэнергетики Это во многом объясняется вводом в действие централизованной системы электроснабжения промышленных 5 и сельскохозяйственных объектов и не оправдано низкой стоимостью одного кВтч.

В последние годы МГЭС стали опять объектом всеобщего внимания, включая даже развитые страны мира. Повышение мировых цен на органическое топливо и трудности в обеспечении надежного топливоснабжения удаленных районов, с одной стороны, и значительные достижения в области энергетического оборудования и строительной техники, с другой, привели к повышению рентабельности этих установок. Кроме того, МГЭС относятся к разряду экологически чистых источников энергии. Особенно это относится к малонапорным МГЭС, когда они являются русловыми станциями, не вызывающими подтопления и не влияющих на фауну реки. В совокупности все эти факторы обусловили настоящий интерес к МГЭС и перспективы их широкого применения. Приближенные расчеты английских специалистов [77] оценивают потребность в МГЭС для мирового рынка в 2 миллиона единиц. Для стран бывшего СССР ежегодная потребность в МГЭС, по данным [77] составляла 8 тысяч единиц.

Несомненно, что наиболее широкое применение МГЭС могут найти для обеспечения электроэнергией изолированных от энергосистемы потребителей (сельские потребители, объекты отгонного животноводства, горнодобывающие и геологоразведывательные объекты, туристические комплексы). Однако и при наличии энергосистемы, в сегодняшних сложных экономических условиях, эксплуатация МГЭС в целом ряде случаев может оказаться целесообразной и экономически выгодной.

В ряде стран МГЭС рассматриваются в качестве наиболее дешевого и удобного источника электроснабжения отдаленных и труднодоступных районов. В Китае основные средства на строительство отпускаются местными органами управления. Успехи Китая в создании МГЭС огромны (60 тысяч единиц). Оборудования для них стандартизировано, начиная с мощности 12 кВт.

В Норвегии около 70% вырабатываемой электроэнергии обеспечивается МГЭС. Значительное внимание созданию и эксплуатации МГЭС уделяется в Германии, Франции, Италии и других развитых странах.

На территории бывшего Союза есть тысячи заброшенных плотин, гидротехнических створов, где можно без существенных затрат на проектирование, изыскательские работы и строительство установить гидросиловое оборудование. Именно на такое решение была направлена первая очередь программы Нижегородской администрации по восстановлению малой гидроэнергетики 6.

Нижегородской области, наметившей 11 перспективных створов на реках Пьяне и Усте.

Статистическая обработка стоимостных показателей МГЭС мощностью порядка 100 кВт, построенных в последние годы в странах третьего мира [76,77,79], показала, что распределение стоимости по отдельным составляющим (в %) таково: строительная часть — 28%- электрическая часть — 30%- механическая часть — 33%- прочие — 9%.

Основная часть расходов приходится на технологическое оборудование, тогда как крупные ГЭС характеризуются 80% затратами на строительно-монтажные работы и только 20% на оборудование. Учитывая это обстоятельство, главным направлением удешевления МГЭС следует считать снижение стоимости гидроагрегатов и, в частности, генераторного комплекса (ГК).

В настоящее время в МГЭС гидротурбина (с целью удешевления агрегата) выполняется нерегулируемой, т. е. с жестко установленным направляющим аппаратом (или без него) и неподвижными относительно ступицы лопастями. При использовании такого гидрооборудования техническая проблема разработки и создания ГК МГЭС сводится к обеспечению стабильного по амплитуде и частоте напряжения автономного генератора при переменной, в общем случае, частоте вращения его вала (со^аг). В этом случае стабилизация параметров вырабатываемой электроэнергии и оптимизация режимов работы гидроагрегата при переменной нагрузке осуществляется электрическим балластом или электрически управляемым генератором.

Известны варианты ГК реализующие первый способ управления на основе синхронных и асинхронных генераторов с регулируемым балластом в статоре. Например Томским Государственным техническим университетом, совместно с Академией наук Киргизстана разработан и внедрен в 1988 г. комплекс микроГЭС (порядка 10 кВт) на базе синхронного генератора и балластного устройства стабилизации параметров электроэнергии. В настоящее время выпуск подобных систем с синхронными и асинхронными генераторами организован ПО ЛМЗ (г. С-Петербург) и на Сызраньском заводе тяжелого машиностроения (г. Сызрань). При всей простоте подобного варианта он неэкономичен. Так например, в режиме холостого хода по нагрузке, мощность потерь в балласте равна номинальной. Вариант ГК на базе асинхронной машины с балластной нагрузкой рассмотрен в [77]. 7.

Представляет интерес второй вариант построения ГК с управляемым генератором. Если в качестве генератора используется синхронная машина, то это вариант ГК по схеме СГ-ПЧ (СГ — синхронный генератор, ПЧ — преобразователь частоты). При использовании в качестве генератора асинхронной машины (AM) ГК может быть построен по схеме АМ-ПЧ или по схеме машины двойного питанияМДП.

Использование асинхронной машины давно интересовало исследователей, работающих в области систем генерирования электроэнергии. Общее признание в этом направлении получили работы A.A. Иванова, Ю. Д. Зубкова, С. К. Бохяна, В. И. Радина, С. И. Кициса, М. Л. Костырева, A.B. Новикова, В. А. Лесника и др. [31,32, 45,46,80].

Основная проблема сдерживающая применение AM в подобных устройствах состоит в разработке компактного и регулируемого источника реактивной мощности (ИРМ). В литературе подробно освещены вопросы использования для этих целей конденсаторных батарей, синхронных машин и ТИРМ [8,10,13,45].

Новый этап в исследование асинхронных ГК связан с использованием для этой цели МДП. Благодаря широким регулировочным возможностям, МДП-генератор занимает равноправное место в ряду альтернативных ГК, а по некоторым показателям имеет существенные преимущества [66,67,22,25,80]. Глубокие научные и практические исследования в области МДП проведены во ВНИИ Электроэнергетики под руководством М. М. Ботвинника и Ю. Г. Шакаряна, отражены в работах Г. Б. Онищенко, А. Е. Загорского и др. ученых [7,66,67,80,92]. Новые возможности по использованию МДП-генератор получил, благодаря последним достижениям в области силовой электроники, созданию современных преобразователей частоты, которые обеспечивают практически синусоидальное питание цепей AM. Работы по исследованию и внедрению МДП-генератора в малую гидроэнергетику активно ведутся за рубежом. Например, в Японии фирмой Hitachi, в Норвегии — ABB KraftAs и ABB Corporate Research, в Австралии — Rainbow Power Company, в Германии — AKW [77].

Таким образом, накопленный мировой и отечественный опыт в исследование и разработке МДП-генераторов, в частности, для целей малой гидроэнергетики, позволяет сделать вывод о несомненной актуальности подобных исследований, необходимости продолжения работ в данном направлении, связанных как с анализом электромагнитных процессов в МДП-генераторе, так и с синтезом элементов силового оборудования с конкретными типами преобразователя, 8 источника реактивной мощности и др. Эти вопросы, на наш взгляд, исследованы недостаточно.

Учитывая вышеизложенное целью настоящей диссертационной работы является исследование, разработка и создание ГК на основе МДП с различными типами преобразователей частоты для малых гидроэлектростанций, обеспечивающих как автономную работу, так и режим параллельной работы с энергосистемой.

Цель работы определяет следующие задачи исследования:

• комплексный анализ целесообразности создания низконапорных МГЭС (на примере Нижегородской области);

• сравнительный анализ гидрои электротехнического оборудования.

МГЭС;

• выбор рациональных структур генераторного комплекса МГЭС;

• исследование стационарных режимов работы ГК на основе МДП при синусоидальных токах;

• исследование стационарных режимов работы ГК по схеме МДП на основе токового НПЧ;

• расчет и анализ эксплуатационных показателей ГК с целью определения рациональных параметров элементов силового оборудования МДП;

• экономическое сравнение вариантов ГК на основе МДП. 9.

Выводы.

1. Анализ мощности ИРМ ГК на базе МДП в автономном режиме работы показал, что:

— при синусоидальном питании МДП-генератора установленная мощность ИРМ определяется по максимальному значению из ряда требуемых Оирм, рассчитанных для наименьшего соэфнаг на всем диапазоне изменения скорости вращения турбины (т. Г на рис. 4.1.). Снижение 0Ирм можно добиться за счет завышения мощности АМ (РАм) в составе МДП-ГК. Установлено, что снижение <3Ирм в среднем на 30% соответствует увеличению РАм на 20%.

— для ГК на основе МДП-генеартора с ТНПЧ работа с Qиpм=:const во всем диапазоне частот вращения АМ невозможна (при определенных мощностях РАм) — Обеспечение автономного режима работы ГК в данном случае требует секционирования ИРМ (на две или более секций), либо увеличения установленной мощности АМ (при ОИрм=сопз0.

2. Проведенный анализ коэффициента нелинейных искажений напряжения (Кни) в автономной сети показал, что:

— Кни зависит от величины Хйг и установленной мощности секций 0Ирм-Например, увеличение Хаг от Хр до 5ХР для ГК с Рам=75 кВт при созфнаг=0−9 приводит к снижению Кни в среднем с 2% до 1%;

— увеличение мощности ИРМ, реализованного на конденсаторных батареях и выполняющих одновременно роль фильтра высших гармонических напряжения, приводит к снижению КниПоэтому работа ГК при использовании ТНПЧ с нерегулируемым ИРМ приводит к уменьшению Кни в среднем на 0,5%.

3. Коэффициент полезного действия ГК зависит от величины и характера нагрузки, частоты вращения и мощности АМ и типа применяемого ПЧ. Установлено, что в автономном режиме работы ГК:

— с ростом Рдм для обоих вариантов ПЧ снижается КПД ГК, так как увеличивается ток намагничивания АМ (для рассматриваемых АМ снижение г|Гк менее 1%);

— для варианта МДП-генератора с синусоидальным питанием лгк с увеличением соэфнАг при работе ГК с 0Ирм=сопз1 возрастает, так как снижается генерируемая через АМ реактивная мощность;

— для варианта МДП-генератора с ТНПЧ с увеличением соэфнаг при работе ГК с Оирм=соп81 КПД ГК снижается, так как ОИРМ=соп81 становится «излишней» и в соответствии с условием баланса реактивных мощностей возрастает потребление О МДП-генератором по статору АМ;

— с увеличением модуля скольжения МДП-генератора с синусоидальным питанием при неизменном собфнаг и Оирм=соп51 КПД ГК возрастает, так как генерирование активной мощности через статор, снижается, а по каналу ПЧ увеличивается. Отметим, что потери в АМ выше чем в ПЧ;

— с ростом |з| МДП-генератора с ТНПЧ при неизменном собфнаг и Оирм=сопз1 КПД ГК снижается, так как уменьшается потребление ТНПЧ реактивной мощности и в соответствии с балансом реактивных мощностей увеличивается потребление О АМ.

— для обоих вариантов ПЧ использование регулируемого ИРМ позволяет обеспечить работу ГК с максимальным КПД, когда он возрастает в среднем на (3*4)%;

— увеличение ХЬг ТНПЧ приводит к возрастанию КПД ГК. Например, при изменение Х^ от Хр до 5ХР КПД в среднем возрастает на 1.5%.

4. Из проведенного экономического сопоставления рассматриваемых вариантов ГК следует:

— при использовании в составе ГК МДП-генератора на основе ПЧ с ШИМ, обеспечивающего синусоидальное питание, завышение установленной мощности АМ в целях снижения 0Ирм нецелесообразно, так как себестоимость (капитальные затраты) ГК возрастают примерно на 17%;

— использование в составе ГК на основе МДП-генератора с ТНПЧ нерегулируемого по мощности ИРМ (ОирмгСОпэО приводит к увеличению себестоимости (капитальных затрат) ГК не более чем на 10%;

— по сравнению с ТНПЧ использование в составе МДП-генератора ПЧ с ШИМ практически не меняет себестоимость (капитальные затраты) ГК при.

Рам=75 кВт, поскольку снижается установленная мощность конденсаторной батареи примерно в 3.2 раза;

— для варианта ГК работающего параллельно с общей энергосистемой использование ПЧ с ШИМ по отношению к ТНПЧ позволяет повысить КПД ГК в среднем на 3%. При этом себестоимость (капитальные затраты) ГК увеличатся примерно на 13%.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Проведенный комплекс исследований стационарных процессов в ГК МГЭС на основе МДП расширил представления о свойствах МДП-генератора как в автономном режиме работы, так и при работе параллельно с энергосистемой. Настоящая работа является логическим продолжением работ, связанных с развитием систем МДП, как объекта генерирования электроэнергии. В результате исследований получен ряд новых результатов касающихся выбора параметров электрооборудования ГК на основе МДП-генератора в автономном режиме работы и при работе параллельно с энергосистемой при использовании нерегулируемого гидроагрегата. Проведен анализ полученных результатов с целью определения наилучших эксплуатационных показателей ГК МГЭС на основе МДП-генератора.

В итоге проведенных исследований получены следующие основные результаты:

1. Доказана целесообразность реализации ГК малой ГЭС на основе МДП-генератора, обеспечивающая стабилизацию частоты и напряжения автономной сети и оптимизацию работы ГК на энергосистему при изменяющихся параметрах реки и электрической нагрузки.

2. Показано, что для обеспечения генерирования электроэнергии со стабильной частотой (Г)) и амплитудой напряжения (1)-|) в автономном ГК МГЭС при его работе в широком диапазоне мощностей нагрузок целесообразно поддерживать максимальный напор воды (Нтах) — При этом в соответствии с требованиями по обеспечению баланса активных и реактивных мощностей в системе «ГК — нагрузка» (и^сог^ и Г^сопб!) снижение мощности нагрузки сопровождается уменьшением расхода воды через нерегулируемый гидроагрегат за счет увеличения подтормаживающего (генераторного) момента МДП-генератора и сброса «лишней» воды через плотину (т. к. Нтах) — При работе параллельно с энергосистемой подержание Нтах обеспечивает максимальную генерируемую мощность ГК.

3. Анализ механических характеристик п=^М) турбины и МДП-генератора показал, что диапазон изменения скорости вращения турбины, при регулировании ее мощности за счет формирования требуемого подтормажи.

153 вающего момента МДП-генератором, составляет 1:2, что определяет выбор основного регулирующего элемента ГК — преобразователя частоты. Из существующих вариантов ПЧ заслуживают внимание ТНПЧ, который в отличие от классического НПЧ обеспечивает широкий диапазон выходной частоты и ПЧ со звеном постоянного тока, управляемый по закону ШИМ и формирующий практически синусоидальную форму тока МДП-генератора.

4. Проведенный анализ установленной мощности ИРМ (Оирм) автономного МДП-генератора показал, что:

— при синусоидальном питании МДП-генератора значение установленной мощности ИРМ определяется минимальной величиной созфнаг, механической характеристикой юТур=^(Ммдп) и РамМинимизация 0Ирм ГК может быть достигнута за счет увеличения мощности АМ (снижение 0ирм в среднем на 30% соответствует увеличению РАм в среднем на 20%);

— для МДП с ТНПЧ значение установленной мощности ИРМ определяется минимальной величиной соэфнаг, механической характеристикой Ютур=^ММдп). Опч и не зависит от РАМ (если возбуждение АМ обеспечивается отдельной конденсаторной батареей).

— в отличие от варианта ГК на основе МДП-генератора с синусоидальным питанием использование МДП-генератора с ТНПЧ требует применения секционированного ИРМ. При этом достаточно использовать две секции конденсаторных батарей. Применение нерегулируемого по мощности ИРМ (Оирм^ог^) в этом случае потребует завышения РАМ.

5. Анализ коэффициента нелинейных искажений напряжения (Кни) в автономной сети показал, что:

— Кни зависит от величины Х^ и установленной мощности секций Оирм-Например, увеличение от Хр до 5ХР для ГК с РАМ=75 кВт при со5фНАг=0.9 приводит к снижению Кни в среднем с 2% до 1%;

— увеличение мощности ИРМ, реализованного на конденсаторных батареях и выполняющих одновременно роль фильтра высших гармонических напряжения, приводит к снижению Кни. Поэтому работа ГК при использовании ТНПЧ с нерегулируемым ИРМ приводит к уменьшению Кни в среднем на 0.5%.

В целом, необходимо отметить, что величина Ки удовлетворяет требованиям ГОСТ 13 109–87 по качеству электроэнергии.

6. Анализ коэффициента мощности ГК (КМгк) при работе параллельно с энергосистемой показал, что использование ПЧ с ШИМ позволяет обеспечить генерирование реактивной мощности ГК на всем диапазоне технологических частот вращения турбины или обеспечить режим работы 0Гк=0 (в частности закон 0-|=0). Использование ТНПЧ приводит к снижению КМгк до значений 0.6^-0.95 вследствие потребления реактивной мощности ТНПЧ из сети. Работа ГК по закону О^О возможна при использовании ТНПЧ только на ограниченном диапазоне скольжений |з|<0.25. С ростом скорости вращения ротора МДП-генератора с ТНПЧ величина КМгк возрастает.

7. Коэффициент полезного действия ГК зависит от величины и характера нагрузки, частоты вращения и мощности АМ и типа применяемого ПЧ. Установлено, что в автономном режиме работы ГК:

— с ростом РАМ для обоих вариантов ПЧ снижается КПД ГК, так как увеличивается ток намагничивания АМ (для рассматриваемых АМ снижение г|ГК менее 1%);

— для варианта МДП-генератора с синусоидальным питанием г|ГК с увеличением соэсрнАг при работе ГК с Оирм=сопз1 возрастает, так как снижается генерируемая по статору АМ реактивная мощность;

— для варианта МДП-генератора с ТНПЧ с увеличением соэфнаг при работе ГК с 0Ирм=соп81 КПД ГК снижается, так как 0Ирм=соп81 становится «излишней» и в соответствии с условием баланса реактивных мощностей возрастает потребление О МДП-генератором по статору АМ;

— с увеличением модуля скольжения МДП-генератора с синусоидальным питанием при неизменном соэфндг и ОИРм=соп81 КПД ГК возрастает, так как генерирование активной мощности по каналу статора снижается, а по каналу ПЧ увеличивается. Отметим что потери в АМ выше чем в ПЧ;

— с ростом |э| МДП-генератора с ТНПЧ при неизменном соэфндг и Оирм^ог^ КПД ГК снижается, так как уменьшается потребление ТНПЧ реактивной мощности и в соответствии с балансом реактивных мощностей увеличивается потребление О АМ;

— для обоих вариантов ПЧ использование регулируемого ИРМ позволяет обеспечить работу ГК с максимальным КПД, когда он возрастает в среднем на (Зч-4)%;

— увеличение Xdr ТНПЧ приводит к возрастанию КПД ГК. Например, при изменение Xdr от Хр до 5ХР КПД в среднем возрастает на 1.5%.

При работе параллельно с энергосистемой г|Гк существенно зависит от закона управления ГК. С увеличением скорости вращения турбины КПД ГК практически постоянен при режимах работы МДП-генератора по закону Q-i и APmin. Отметим, что использование ТНПЧ в составе МДП-генератора позволяет реализовать законы С^ и APmin только в области |s|<0.25. Снижение КПД с ростом пТуР при работе МДП-генератора с синусоидальным питанием в режиме 0Гк<0 обусловлено возрастанием реактивных токов в АМ. Для варианта ГК с РАм=75 кВт максимальный г|гк при синусоидальном питании МДП-генератора составляет примерно 94%, а при использовании МДП-генератора с ТНПЧ г|Гк в среднем 92%.

8. Из проведенного экономического сопоставления рассматриваемых вариантов ГК следует:

— при использовании в составе ГК МДП-генератора на основе ПЧ с ШИМ, обеспечивающего синусоидальное питание, завышение установленной мощности АМ в целях снижения QMpm нецелесообразно, так как себестоимость (капитальные затраты) ГК возрастает примерно на 17%;

— использование в составе ГК на основе МДП-генератора с ТНПЧ нерегулируемого по мощности ИРМ (QnPM=const) приводит к увеличению себестоимости (капитальных затрат) ГК не более чем на 10%;

— по сравнению с ТНПЧ использование в составе МДП-генератора ПЧ с ШИМ практически не меняет себестоимость (капитальные затраты) ГК при РАм=75 кВт, поскольку установленная мощность конденсаторной батареи снижается примерно в 3.2 раза;

— для варианта ГК работающего параллельно с общей энергосистемой, использование ПЧ с ШИМ по отношению к ТНПЧ позволяет повысить КПД ГК в среднем на 3%. При этом себестоимость (капитальные затраты) ГК увеличивается примерно на 13%.

Результаты исследований, проведенных в диссертационной работе применительно к двум вариантам ПЧ (ПЧ с ШИМ и ТНПЧ), предложены департаменту ТЭК для дальнейших работ по использованию энергоресурсов малых рек Нижегородской области.