Единое окно доступа к образовательным ресурсам

Автономное электроснабжение от микрогидроэлектростанций: Монография

Голосов: 1

Данная работа обобщает опыт авторов в области создания машинно-вентильных систем генерирования электроэнергии с приводом от нерегулируемых турбин. В монографии приведены результаты исследований переходных и установившихся режимов работы автономных систем электроснабжения, использующих энергию малых водотоков, с автобалластными системами стабилизации напряжения. Книга предназначена для специалистов, работающих в области микрогидроэнергетики, а также может быть полезна аспирантам, студентам электромеханических и электроэнергетических специальностей.

Приведенный ниже текст получен путем автоматического извлечения из оригинального PDF-документа и предназначен для предварительного просмотра.
Изображения (картинки, формулы, графики) отсутствуют.
        Б.В.Лукутин, С.Г.Обухов, Е.Б.Шандарова

АВТОНОМНОЕ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЕ

ОТ МИКРОГИДРОЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ




                 Томск - 2001

                                             3


УДК 621.311


     Б.В.Лукутин, С.Г.Обухов, Е.Б.Шандарова
     Автономное электроснабжение от микрогидроэлектростан-
ций: Монография. – Издатель, стр.

    Данная работа обобщает опыт авторов в области создания машинно-
вентильных систем генерирования электроэнергии с приводом от нерегу-
лируемых гидротурбин. В монографии приведены результаты исследова-
ний переходных и установившихся режимов работы автономных систем
электроснабжения, использующих энергию малых водотоков, с автобалла-
стными системами стабилизации напряжения.
    Книга предназначена для специалистов, работающих в области мик-
рогидроэнергетики, а также может быть полезна аспирантам, студентам
электромеханических и электроэнергетических специальностей.



                              Рецензенты:




2


                      1. ВВЕДЕНИЕ
     Энергетический кризис, связанный с сокращением запасов органиче-
ского топлива, и стремительно возрастающие проблемы экологии опреде-
ляют все больший интерес во всем мире к использованию природных во-
зобновляемых энергоресурсов. Среди них весьма существенное место по
запасам и масштабам использования занимает энергия потоков воды. Объ-
ясняется это высокой энергетической плотностью потока воды и относи-
тельной временной стабильностью режима стока большинства рек. Боль-
шая 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 ре-
гулированию его энергии позволяют использовать более простые и деше-
вые системы генерирования и стабилизации параметров производимой
электроэнергии. В итоге, гидроэлектростанции производят более дешевую
электроэнергию по сравнению с ветроэлектростанциями, а также с энер-
гоустановками, использующими другие виды возобновляемых энергоре-
сурсов.
     Следует отметить, что гидроэлектростанции могут устанавливаться
практически на любых водотоках: от небольших ручьев до крупнейших
рек. Соответственно изменяется и мощность их гидроагрегатов. В настоя-
щее 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. Конст-
рукция и принципы построения этих классов энергоустановок могут су-
щественно отличаться.
     Исторически, первые гидроэлектростанции относились к классу
микроГЭС, и время их появления совпадает с успехами в промышленном
освоении электромашинных генераторов. Такие простейшие, часто полу-
кустарные установки имели широкое распространение, особенно в сель-
ской местности. В частности, в СССР в 1937 году доля гидроэнергии в
сельскохозяйственном электроснабжении достигала 11% [9].
     До войны малая гидроэнергетика развивалась у нас главным образом
путем индивидуального строительства электростанций из элементов, вы-
пускавшегося в то время специального оборудования и использования
подходящих узлов и деталей от автомобилей, сельскохозяйственной тех-
ники и т.д. Гидротурбины выпускались на заводах им. Калинина
(г.Москва), им.Сталина (г.Бобруйск), Штампметиз (г.Ленинград), Благо-
вещенском заводе и некоторых других заводах местной промышленности.
Зачастую использовались самодельные, в том числе деревянные и дерево-
металлические конструкции гидротурбин. В качестве редукторов исполь-

                                                                     3


ВВЕДЕНИЕ

зовались задние мосты автомобилей, а в качестве гидрогенераторов - се-
рийные генераторы постоянного и переменного тока [9].
     Основные теоретические и опытно-конструкторские разработки про-
водились во Всесоюзном институте гидромашиностроения г.Москва под
руководством профессора Квятковского B.C., в Ленинградском индустри-
альном институте, во Всесоюзном институте гидротехники и мелиорации
г.Москва и других организациях. Результатом этих работ явилась первая
отечественная серия автоматизированных микроГЭС из 22 типов, спроек-
тированная и принятая к производству на Ленинградском заводе "Электро-
сила". В этих микроГЭС использовались турбины типов "Каплан" и
"Френсис" с вертикальной осью вращения с 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 "Электро-
сила": мощностью менее 8 кВт типа "П" и более 8 кВт - генераторами пе-
ременного тока 220/380 В типа "MСB". микроГЭС имели автоматические
регуляторы частоты вращения на базе масляного насоса, которые воз-
действовали на угол поворота лопастей турбины, и угольные регуляторы
возбуждения электромашинных генераторов [9].
     Следовательно, эта серия микроГЭС впервые имела полный набор ав-
томатических устройств, необходимых для стабилизации параметров про-
изводимой электроэнергии в любых режимах работы станции. Однако,
уровень развития техники того времени не позволил обеспечить приемле-
мых потребительских и производственно - технологических качеств стан-
ций. В этом смысле, полностью автоматизированные микроГЭС, опережа-
ли технический уровень своего времени. Изготовление и опытная эксплуа-
тация первых образцов серии микроГЭС завода "Электросила" показали
относительную сложность их конструкции, затруднявшую широкое раз-
вертывание заводского производства и трудности эксплуатационного ха-
рактера. По результатам испытаний пришлось признать необходимость
свести автоматизацию агрегатов к немногочисленным, хотя и грубым, но
надежно действующим деталям [9].
     Следует отметить, что упрощение конструкции микроГЭС, прежде
всего, сводилось к использованию нерегулируемых гидротурбин и, соот-
ветственно, совершенствованию электрической части станций, в первую
очередь генераторов. Так, в ВЭИ С.Б. Юдицким были разработаны са-
мовозбуждающиеся синхронные генераторы марки COГ-10/4 и СОГ-
16/6, возбуждение которых осуществлялось с помощью селенового вы-
прямителя. Выпуск этих, по существу одних из первых образцов вентиль-
ных электрических машин, был освоен на заводе "Вольта" г.Баранча [9].
     Дальнейшие работы над микроГЭС затормозила война 1941- 45 годов.
После войны успехи в области «большой», в том числе ядерной энергети-

4


Способы построения микроГЭС

ки, привели к практически полному прекращению в СССР работ по микро-
гидроэнергетике. Гидроэнергия использовалась путем построения крупных
ГЭС, которые, наряду с известными достоинствами, обладают рядом су-
щественных недостатков, особенно с экологической точки зрения. И толь-
ко в последние годы интерес к возобновляемым энергоисточникам, в том
числе и микроГЭС, вновь усилился. В нашей стране, в отличие от боль-
шинства зарубежных, где развитие микрогидроэнергетики осуществлялось
параллельно с другими энергоисточниками, эти работы приходилось начи-
нать практически с нуля. За время длительного игнорирования малой энер-
гетики вообще, а микроГЭС в частности, был утрачен даже имевшийся
опыт использования энергии малых рек, ликвидированы многие из имев-
шихся гидроэлектроустановок и свернуто производство оборудования для
них.
     В то же время, создание современных автоматизированных микроГЭС
требует проведения глубоких исследований, необходимость которых объ-
ясняется сложностью процессов преобразования потока воды в электро-
энергию со стабильными параметрами. Эта область исследований объеди-
няет такие разделы науки и техники как гидротехника, электромашино-
строение, теория автоматического регулирования, преобразовательная
техника, вопросы электроснабжения.
     Между тем, современные достижения в области электромашино-
строения, полупроводниковой и преобразовательной техники привели к
появлению нового класса электрических машин, который получил назва-
ние 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 гене-
рирование высококачественной электроэнергии при минимальных требо-
ваниях к приводному двигателю. Применительно к микроГЭС, это дает
возможность строить автоматизированные гидроагрегаты с нерегулируе-
мыми турбинами. Как показал еще довоенный опыт, именно это направле-
ние развития микроГЭС в наибольшей степени отвечает как производст-
венно-технологическим, так и эксплуатационным требованиям. Обзор за-
рубежной информации также показывает, что микроГЭС с применением
вентильных электрических машин получают в настоящее время наиболь-
шее распространение во всем мире [30].
     Тенденция к упрощению гидротехнической части станций существен-
но повышает требования к устройствам генерирования электроэнергии и
стабилизации ее параметров. Соответственно, вопросы, связанные с иссле-
дованиями режимов работы электромашинных генераторов микроГЭС в
комплексе со статическими полупроводниковыми системами регулирова-
ния величины и частоты выходного напряжения, приобретают первосте-
пенное значение для создания современных микрогидроэлектростанций.

                                                                      5


ВВЕДЕНИЕ

    Данная работа обобщает опыт авторов в области создания машинно-
вентильных систем генерирования электроэнергии с приводом от нерегу-
лируемых гидротурбин. Книга предназначена для специалистов, работаю-
щих в области микрогидроэнергетики, а также может быть полезна аспи-
рантам, студентам электромеханических и электроэнергетических специ-
альностей.


    1.1 Способы построения микроГЭС и стабилизации
параметров генерируемой электроэнергии
     Обычно микроГЭС содержит в своей конструкции такие обязательные
элементы как гидротурбина, электромашинный генератор, система стаби-
лизации выходного напряжения и ряд элементов, наличие и конструкция
которых зависит от типа и особенностей станции: определенные гидротех-
нические сооружения, запорная арматура, балластные нагрузки и т.д.
     В качестве гидродвигателей, преобразующих энергию потока в меха-
ническую энергию приводного вала генератора, в той или иной степени
используются все типы гидротурбин: поворотно-лопастные, радиально-
осевые, импульсные, осевые, турбины с горизонтальной и наклонной ося-
ми вращения и т.д. [9,17].
     Как правило, микроГЭС не требуют возведения сложных гидротехни-
ческих 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, гидротур-
бины активного типа, типичным примером которых могут служить водя-
ные 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 ограничивает их применение в гидроэнергети-
ке.
     Напорный трубопровод позволяет повысить энергию рабочего потока
воды, применять более эффективные типы гидротурбин реактивного типа.
Мощность, развиваемая гидротурбиной, определяется из выражения:
                                     Q⋅H
                              РТ = γ      ηT
                                      Ω
     где γ - вес единицы объема воды; Q - расход воды; Н – рабочий напор;
Ω - угловая частота вращения; η Т - полный к.п.д. турбины.
     Очевидно, что мощность гидротурбины с напорным трубопроводом
не будет зависеть от водного режима реки, если ее минимальный сток пре-
вышает количество воды, поступающей в трубопровод. Диаметр трубо-
провода и перепад высот между его верхней и нижней точкой определяют
расчетную мощность станции. Трубопровод микроГЭС может выполнять-

6


 Способы построения микроГЭС

  ся 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 ис-
  пользование рельефа местности, а также простейшие сооружения типа де-
  ривационных 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 стои-
  мость. В общем случае эти параметры связаны соотношением [25,26]:
                                     2
                                   D ⋅ lδ ⋅ Ω = σ 1
                                        P         A ⋅ Bδ
       где D - внутренний диаметр статора электрической машины; l δ -
  расчетная длина воздушного зазора; Р - расчетная полная мощность; Ω -
  частота вращения; А - линейная нагрузка; B δ - магнитная индукция в воз-
  душном зазоре; σ - коэффициент пропорциональности.
       При относительно постоянных значениях расчетной мощности и элек-
  тромагнитных нагрузок генератора его объем, характеризующийся произ-
  ведением D 2 ⋅ l δ определяется частотой вращения Ω. С этой точки зрения,
  быстроходные гидротурбины позволяют использовать генераторы, обла-
  дающие хорошими массогабаритными показателями и низкой стоимостью.
       В случае, когда частота вращения гидротурбины микроГЭС мала
  (практически менее 400 об/мин) целесообразно применение мультиплика-
  торов. Это позволяет добиться максимального к.п.д. преобразования и
  минимальной массы установки в целом.
                                                              Применительно
 Р,     М,
       100                                               к    низконапорным
кВт кН*м               М                     Р
                                                         микроГЭС, преиму-
25,0     80
                                   а=16,2 мм             щественное распро-
         60
                                                         странение получили
                                                         реактивные гидро-
12,5     40                                              турбины пропеллер-
                         а=12,5 мм                       ного типа с номи-
         20                                              нальной    частотой
                                                 Ω       вращения от 1000 до
          0
                                                         3000 об/мин. Этот
             0          1000           2000      об/мин
                                                    3000
                                                         тип турбин позволя-
     Рис.1.1 Характеристики гидротурбины типа К-245,     ет исключить муль-
                     D=289 мм, H = 9 м                   типликатор из соста-
                                                         ва гидроэнергоуста-
  новки. На рис. 1.1 показаны экспериментальные характеристики нерегули-

                                                                            7


ВВЕДЕНИЕ

руемой пропеллерной гидротурбины типа К-245, диаметром 289 мм, при
напоре Н = 9 м, для двух положений открытия направляющего аппарата
[16]. Как видно из рис.1.1 частота вращения гидроагрегата может сущест-
венно изменяться в зависимости от колебаний величины нагрузки и энер-
гии рабочего потока воды. Следовательно, особое внимание при создании
микроГЭС, необходимо обращать на системы стабилизации ее рабочих
режимов.
     Уравнение движения системы "гидротурбина - генератор" имеет вид:
                                            dΩ
                              Мт=Мг+J
                                            dt
     где М т - механический момент, развиваемый гидротурбиной; М г -
момент сопротивления генератора; J – момент инерции вращающихся час-
тей; Ω - угловая частота вращения гидроагрегата.
     Статическая устойчивость системы «гидротурбина – генератор» и по-
грешность стабилизации частоты ее вращения определяются суммарным
коэффициентом саморегулирования микроГЭС:
                              е∑ = е г − ет
                                   d М г М г.ном
                            ег =        ⋅          (1.1)
                                    dΩ    Ω ном
                                   d М т М т.ном
                            ет =         ⋅
                                    dΩ      Ω ном
     где е г , е т - коэффициенты саморегулирования генератора и гидро-
турбины соответственно; М г.ном , М т.ном - номинальные (расчетные) зна-
чения моментов генератора и гидротурбины в точке номинального режи-
ма; Ω ном - номинальная частота вращения гидроагрегата.
     Для устойчивой работы гидроагрегата суммарный коэффициент само-
регулирования должен иметь положительное значение.
     В зависимости от условий в микрогидроэлектростанциях применяют-
ся 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 гидротур-
бин тем, что у них нет устройств регулирования расхода воды и, следова-
тельно, мощности [29]. Насосы предназначены для работы в одном режи-
ме, что определяет их простоту и меньшую стоимость по сравнению с ре-
гулируемыми турбинами, мощность которых приводится в соответствие с
мощностью нагрузки путем регулирования расхода воды или поворотом
рабочих лопастей. Оптимизацию условий работы насоса в турбинном ре-
жиме несложно выполнить с помощью простейших гидротехнических со-



8


Способы построения микроГЭС

оружений, например напорного трубопровода и системы стабилизации
электрической мощности гидроагрегата.
     В агрегатах микроГЭС в основном применяются генераторы перемен-
ного тока синхронного или асинхронного типов. Преимуществами асин-
хронных генераторов являются высокая надежность, малые габариты, низ-
кая 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 уст-
ройств в ряде случаев делают более предпочтительным применение в мик-
роГЭС синхронных генераторов.
     В зависимости от условий работы энергоустановки, можно рекомен-
довать 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 син-
хронных генераторов [31,32].
     За рубежом выпускаются различные модификации генераторов, спе-
циально предназначенных для работы в составе микроГЭС [28,30]. Среди
них имеются как синхронные, так и асинхронные машины. В России и
странах содружества специальных генераторов для рассматриваемых це-
лей не выпускается, поэтому следует обратить внимание на общепромыш-
ленные 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 емкост-
ным возбуждением.
     К основным показателям качества источников электропитания в соот-
ветствии с ГОСТ 4.171-85 относятся параметры выходного напряжения,
характеризуемые номинальной величиной и частотой. Поэтому, важней-
шим элементом энергоустановки является система стабилизации, обеспе-
чивающая статически устойчивый режим работы гидроагрегата и стабили-
зацию его выходного напряжения. Проведенный анализ показал, что элек-
тромеханические системы преобразования энергии потоков воды в элек-
троэнергию необходимого качества можно условно разделить на пять ос-
новных классов [31,33,37]:
        системы со стабилизацией частоты вращения гидротурбины путем
        воздействия на элементы гидротехнического оборудования;



                                                                     9


ВВЕДЕНИЕ

       системы, в которых между гидродвигателем и генератором уста-
       навливаются приводы постоянной скорости, позволяющие стаби-
       лизировать частоту вращения электрической машины;
       системы, осуществляющие стабилизацию частоты выходного на-
       пряжения с помощью специальных конструкций электрических
       машин - генераторов стабильной частоты при переменной частоте
       вращения;
       системы с использованием статических преобразователей частоты,
       преобразующих напряжение генератора с переменной частотой
       вращения;
       системы, построенные на принципе регулирования тормозного мо-
       мента генератора с помощью введения дополнительной регули-
       руемой нагрузки.
    Необходимо отметить, что кроме указанных способов стабилизации
напряжения микроГЭС, могут применяться их комбинации в различных
сочетаниях. Первый и второй классы энергоустановок предполагают ис-
пользование различных электро- и гидромеханических регуляторов, другие
строятся на основе вентильных электрических машин. Указанное разделе-
ние систем стабилизации соответствует различным принципам регулиро-
вания выходного напряжения микроГЭС. Системы, регулирующие мощ-
ность гидротурбины или использующие приводы постоянной скорости,
управляют приводным двигателем генератора, осуществляя регулирование
механической энергии электромеханического преобразователя. Станции на
основе машинно-вентильных систем регулируют электрические парамет-
ры установки. Соответственно, свойства микрогидроэлектростанций, по-
строенных с использованием различных принципов стабилизации выход-
ных параметров, будут существенно различаться.
    В результате краткого знакомства с основными элементами микро-
ГЭС можно сделать следующие выводы:
       микроГЭС является перспективным экологически чистым источ-
       ником электроэнергии широкого назначения;
       принципиально процесс преобразования механической энергии по-
       тока воды в электрический ток может осуществляться с помощью
       достаточно широкого набора устройств, в том числе и не предна-
       значенных специально для применения в микроГЭС. Проблема за-
       ключается в оптимизации этого преобразования с целью получения
       наилучших потребительских и эксплутационных свойств энергоус-
       тановок;
       в гидроэлектростанциях класса «микро» наблюдается тенденция к
       некоторому усложнению электрической части установок, которая в
       большинстве случаев осуществляет и функции стабилизации про-
       изводимой электроэнергии, за счет соответствующего упрощения
       гидротехнического оборудования.

10



    
Яндекс цитирования Яндекс.Метрика