Автономная ветроэнергетическая станция

Использование: в области электроэнергетики. Технический результат заключается в упрощении ветроэнергетической станции и расширении области ее применения. В ветроэнергетической станции, содержащей несколько ветроэнергетических установок с генераторами переменного тока и электромеханический преобразователь из двух электрических машин, статорная обмотка генератора переменного тока которого подключена к шинам переменного тока станции, двигатель электромеханического преобразователя выполнен как электрическая машина переменного тока с числом пар полюсов, равным числу ветроэнергетических установок станции, а статорные обмотки двигателя электромеханического преобразователя соединены со статорными обмотками генераторов ветроэнергетических установок, при этом обмотка одной пары полюсов статора двигателя соединена со статорной обмоткой генератора только одной из ветроэнергетических установок. Если двигатель электромеханического преобразователя выполнен в виде синхронной машины переменного тока, генераторы ветроэнергетических установок выполнены в виде асинхронных машин переменного тока, если двигатель электромеханического преобразователя выполнен в виде асинхронной машины переменного тока, генераторы ветроэнергетических установок будут выполнены в виде синхронных машин переменного тока. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Предлагаемое техническое решение относится к области ветроэнергетики, конкретно - к автономным ветроэнергетическим станциям, содержащим несколько ветроэнергетических установок с генераторами переменного тока.

Известна автономная ветроэнергетическая станция, содержащая несколько ветроэнергетических установок с синхронными генераторами, работающими параллельно на общую нагрузку. Ветроэнергетическая станция сооружается так, чтобы расстояние между ветроэнергетическими установками составляло примерно 6-18 диаметров ВК. (Дьяков А.Ф., Перминов Э.М., Шакарян Ю.Г. Ветроэнергетика России. Состояние и перспективы развития. - М.: Издательство МЭИ, 1996, см. стр.90-91.) Это позволяет свести к минимуму взаимное влияние ветроэнергетических установок, устраняя снижение скорости ветра у стоящих во вторых эшелонах установок по направлению ветра. Но ветер имеет случайный характер. Поэтому скорости ветра перед ветроколесами всегда разнятся, а следовательно, разнятся и мощности ветроэнергетических установок. Например, при возрастании скорости ветра перед первой ветроэнергетической установкой ее мощность возрастет в кубической зависимости, а скорости перед последующими ветроэнергетическими установками имеют прежнее значение, пока фронт указанного возрастания скорости ветра не преодолеет указанное расстояние между ветроэнергетическими установками. В свою очередь это вызывает взаимное влияние ветроэнергетических установок и в электрической части в виде колебаний мощности на шинах ветроэнергетической станции. При порывах ветра эти колебания мощности особо очевидны и зачастую приводят к нарушению устойчивости синхронной работы станции, т.к. устойчивость между ее синхронными генераторами обеспечивается по взаимному углу.

Известна ветроэнергетическая станция (прототип), содержащая несколько ветроэнергетических установок с синхронными генераторами переменного тока и электромеханический преобразователь из двух электрических машин. Статорная обмотка генератора переменного тока электромеханического преобразователя подключена к шинам переменного тока станции (Дьяков А.Ф., Перминов Э.М., Шакарян Ю.Г. Ветроэнергетика России. Состояние и перспективы развития. - М.: Издательство МЭИ, 1996, см. стр.81-84). При этом двигатель электромеханического преобразователя, выполненный как машина постоянного тока, подключен к шинам постоянного тока станции. К этим же шинам постоянного тока станции подключены каждый через свой полупроводниковый выпрямитель синхронные генераторы всех ветроэнергетических установок в параллель. Такая схема сохраняет взаимное влияние ветроэнергетических установок по шинам постоянного тока, но решает проблему устойчивости синхронной работы станции и снижает колебания мощности на шинах общей нагрузки станции за счет общей маховой массы роторов машин электромеханического преобразователя.

Данное устройство (прототип) обладает следующими недостатками. Во-первых, схема станции содержит машину постоянного тока. Однако известно (Электротехнический справочник. 4 изд., т.1, кн.1, М., 1971), что наличие коллектора и щеточного устройства усложняет ее конструкцию, обусловливает высокую стоимость и сравнительно низкую эксплуатационную надежность. Во-вторых, схема станции содержит полупроводниковые выпрямители по числу ветроэнергетических установок. Эти моменты в целом усложняют схему ветроэнергетической станции.

Техническая задача, решаемая предлагаемым устройством, состоит в упрощении ветроэнергетической станции.

Поставленная задача решается тем, что в известной ветроэнергетической станции, содержащей несколько ветроэнергетических установок с генераторами переменного тока и электромеханический преобразователь из двух электрических машин, статорная обмотка генератора переменного тока которого подключена к шинам переменного тока станции, согласно изобретению двигатель электромеханического преобразователя выполнен как электрическая машина переменного тока с числом пар полюсов, равным числу ветроэнергетических установок станции, а статорные обмотки двигателя электромеханического преобразователя соединены со статорными обмотками генераторов ветроэнергетических установок, при этом обмотка одной пары полюсов статора двигателя соединена со статорной обмоткой генератора только одной из ветроэнергетических установок. Кроме того, двигатель электромеханического преобразователя может быть выполнен в виде синхронной машины переменного тока, при этом генераторы ветроэнергетических установок выполнены в виде асинхронных машин переменного тока. Кроме того, двигатель электромеханического преобразователя может быть выполнен в виде асинхронной машины переменного тока, при этом генераторы ветроэнергетических установок выполнены в виде синхронных машин переменного тока.

На чертеже представлен общий вид предлагаемой автономной ветроэнергетической станции с тремя ветроэнергетическими установками.

В автономной ветроэнергетической станции согласно чертежу в первой ветроэнергетической установке ветроколесо 1 через мультипликатор 2 соединено с генератором 3 переменного тока, а вторую и третью ветроэнергетические установки образуют соответствующие элементы 4, 5, 6 и 7, 8, 9. В электромеханическом преобразователе 10 ротор 11 двигателя 12 соединен с ротором 13 генератора 14 посредством вала 15. Обмотки 16, 17 и 18 являются обмотками соответственно первой, второй и третьей пары полюсов статора 19 двигателя 12 электромеханического преобразователя 10. Обмотка 16 через цепь 20 соединена со статорной обмоткой генератора 3 первой ветроэнергетической установки. Обмотка 17 через цепь 21 соединена со статорной обмоткой генератора 6 второй ветроэнергетической установки. Обмотка 18 через цепь 22 соединена со статорной обмоткой генератора 9 третьей ветроэнергетической установки. Обмотка статора 23 генератора 14 электромеханического преобразователя 10 через цепь 24 соединена с шинами переменного тока 25 локальной энергосистемы. При этом автономная ветроэнергетическая станция имеет два вида исполнения. Первый - двигатель 12 электромеханического преобразователя 10 выполнен в виде синхронной машины переменного тока, при этом генераторы 3, 6 и 9 ветроэнергетических установок выполнены в виде асинхронных машин переменного тока. Второй - двигатель 12 электромеханического преобразователя 10 выполнен в виде асинхронной машины переменного тока, при этом генераторы 3, 6 и 9 ветроэнергетических установок выполнены в виде синхронных машин переменного тока.

Обмотка каждой пары полюсов двигателя 12 электромеханического преобразователя 10 может быть выполнена, например, по схеме трехфазной концентрической обмотки для разъемного статора (Вольдек А.И. Электрические машины. 2 изд., переработанное и дополненное, издательство "Энергия", ленинградское отделение, 1974 г., см. стр.416-419).

Автономная ветроэнергетическая станция при выполнении двигателя 12 электромеханического преобразователя 10 в виде синхронной машины переменного тока и генераторов 3, 6, 9 ветроэнергетических установок в виде асинхронных машин переменного тока, работает следующим образом. Как упоминалось, скорости ветра U₁, U₂, U₃, указанные на чертеже, всегда разнятся, а следовательно, разнятся и мощности ветроэнергетических установок. При этом ветроколеса 1, 4 и 7 вращаются с различающимися скоростями. Поэтому роторы асинхронных генераторов 3, 6, 9 также вращаются с различающимися скоростями со скольженьями, не превышающими критические значения. Так как электрической связи между цепями обмоток 16, 17 и 18 пар полюсов статора 19 синхронного двигателя 12 и статорных обмоток асинхронных генераторов соответственно 3, 6 и 9 нет, то потоки активных мощностей последних направлены к двигателю 12 и суммируются им в механическую мощность на валу генератора 14 электромеханического преобразователя 10. При этом общая маховая масса роторов 11 и 13 машин 12 и 14 снижает колебания мощности на шинах 25 общей нагрузки станции. Потоки реактивных мощностей, необходимых для нормальной работы асинхронных генераторов 3, 6 и 9 ветроэнергетических установок, генерируются синхронным двигателем 12 и направлены от его обмоток 16, 17 и 18 к генераторам 3, 6 и 9, т.е. направлены против потоков активных мощностей.

Автономная ветроэнергетическая станция при выполнении двигателя 12 электромеханического преобразователя 10 в виде асинхронной машины переменного тока, а генераторов 3, 6, 9 ветроэнергетических установок в виде синхронных машин переменного тока работает по активной мощности так же, как и в предыдущем случае. Т.е. потоки активных мощностей направлены от генераторов 3, 6 и 9 к двигателю 12. Но так как каждая пара полюсов двигателя 12 работает в режиме отдельной асинхронной машины, то реактивные мощности, необходимые для их нормальной работы, генерируются синхронными генераторами 3, 6 и 9. При этом потоки реактивных мощностей направлены также от генераторов 3, 6 и 9 к двигателю 12. В этом и заключается режимное отличие от предыдущего случая.

Поставленная задача решена предлагаемым устройством. Автономная ветроэнергетическая станция упрощена, так как в ней нет двигателя постоянного тока и полупроводниковых преобразователей. Кроме того, в ней могут использоваться ветроэнергетические установки как с синхронными генераторами, так и с асинхронными генераторами, что расширяет область ее применения. Предлагаемое устройство может быть применено и для работы параллельно с мощной энергосистемой подключением к ней шин переменного тока станции.

1. Ветроэнергетическая станция, содержащая несколько ветроэнергетических установок с генераторами переменного тока и электромеханический преобразователь из двух электрических машин, статорная обмотка генератора переменного тока которого подключена к шинам переменного тока станции, отличающаяся тем, что двигатель электромеханического преобразователя выполнен как электрическая машина переменного тока с числом пар полюсов, равным числу ветроэнергетических установок станции, а статорные обмотки двигателя электромеханического преобразователя соединены со статорными обмотками генераторов ветроэнергетических установок, при этом обмотка одной пары полюсов статора двигателя соединена со статорной обмоткой генератора только одной из ветроэнергетических установок.

2. Ветроэнергетическая станция по п.1, отличающаяся тем, что двигатель электромеханического преобразователя выполнен в виде синхронной машины переменного тока, а генераторы ветроэнергетических установок выполнены в виде асинхронных машин переменного тока.

3. Ветроэнергетическая станция по п.1, отличающаяся тем, что двигатель электромеханического преобразователя выполнен в виде асинхронной машины переменного тока, а генераторы ветроэнергетических установок выполнены в виде синхронных машин переменного тока.