Содержание
Таблица 2 5
3.3. Выбор магнитных пускателей 25
Введение
Ветроэнергетика - отрасль энергетики, специализирующаяся на преобразовании кинетической энергии воздушных масс в атмосфере в электрическую, механическую, тепловую или в любую другую форму энергии, удобную для использования в народном хозяйстве. Такое преобразование может осуществляться такими агрегатами, как ветрогенератор (для получения электрической энергии), ветряная мельница (для преобразования в механическую энергию), парус (для использования в транспорте) и другими.
Энергию ветра относят к возобновляемым видам энергии, так как она является следствием деятельности солнца. Ветроэнергетика является бурно развивающейся отраслью, ежегодно многие мировые аналитические агентства составляют воодушевляющие рейтинги роста использования ВИЭ, в частности ветроэнергетики об увеличении использования в развитых странах.
Крупные ветряные электростанции включаются в общую сеть, более мелкие используются для снабжения электричеством удалённых районов. В отличие от ископаемого топлива, энергия ветра практически неисчерпаема, повсеместно доступна и более экологична. Однако, сооружение ветряных электростанций сопряжено с некоторыми трудностями технического и экономического характера, замедляющими распространение ветроэнергетики. В частности, непостоянство ветровых потоков не создаёт проблем при небольшой пропорции ветроэнергетики в общем производстве электроэнергии, однако при росте этой пропорции, возрастают также и проблемы надёжности производства электроэнергии. Интеллектуальное управление распределением электроэнергии может помочь в решении подобныхjh проблем.
В данной работе необходимо при проектировании электроснабжения поселка необходимо выбрать ВЭУ мощностью, достаточной для покрытия графика нагрузки; предохранители и магнитные пускатели для каждого присоединения; питающие провода. Также необходимо произвести компоновку гондолы и выбрать режим работы ветроколеса. Произвести конструктивное исполнение ЛЭП с учетом всех требований по безопасности.
Исходные данные
Жилой сектор:
Количество домов n1=40
Мощность P1=162 кВт
Промышленный сектор:
Мощность P3=48кВт
Теплица
Мощность P5=42 кВт
Освещение поселка
P7=8кВт
Ферма
Мощность P8=50 кВт
Птичник
Мощность P10=30кВт
Гараж
Мощность P12=7кВт
Тип источника
Ветроэнергетическая установка, дизельный источник
Количество отходящих линий
n2=10
Выбор мощности и количества вэу
Расчет электрической нагрузки проектируемого объекта
Расчет общей нагрузки:
В данной работе для электроснабжения поселка используются два источника энергии: дизельная электростанция (ДЭС) и ветроэнергетическая установка (ВЭУ), которые работают параллельно друг другу. В период безветрия предполагается использовать дизельную электростанцию. Когда же скорость ветра достигает (8 м/с2 и более), дизельная электростанция прекращает свою работу и энергия вырабатывается ветроустановкой.
Принимаем расчетное значение мощности дизельной установки равным половине суммарного потребления активной мощности поселком:
Дизельные установки выполняются на стандартный ряд мощностей: 25, 50, 75, 100, 125, 150, 200, 250, 400, 630 кВт. Округляя полученное значение до ближайшего большего стандартного, принимаем мощность дизельной установки равной 200 кВт.
Ветроэнергетический расчет
Для
определения ожидаемой выработки
электроэнергии в конкретном местоположении
необходимо располагать данными о
распределении скорости ветра по градациям
.
Учитывая изменчивость скорости ветра
во времени, для получения достоверных
данных о повторяемости и необходимо
иметь ряд наблюдений за период не менее
10 лет по флюгеру или анеморумбометру.
Недостатком наземных наблюдений за
ветром является существенная их
зависимость от степени защищенности
метеостанции. Практически наблюдения
за ветром на метеостанциях характеризуют
условия ветрового режима на самой
станции, а ни того района, где предполагается
устанавливать ВЭУ. Поэтому для того
чтобы получить расчетные значения
скорости ветра у земли лучше использовать
данные радиозондовых измерений на
различных высотах нижнего слоя атмосферы
при условии их достоверности и
репрезентативности. Преимущество
такого подхода заключается в том, что
здесь используются данные о скорости
ветра на высотах, где влияние рельефа
и прочих неоднородностей подстилающей
поверхности несущественно.
Таблица 1
Технические данные ВЭУ
|
Марка |
ВЭУ-04-450 |
ВЭУ-0750 |
|
Номинальная мощность |
450 |
50 |
|
Количество лопастей |
3 |
3 |
|
Высота оси |
32,7 |
37 |
|
Минимальная рабочая скорость ветра |
5 |
2,5 |
|
Максимальная рабочая скорость ветра |
25 |
20 |
Таблица 2
Зависимости мощности ВЭУ от скорости ветра
|
м/с |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
11 |
12 |
13 |
14 |
|
|
кВт |
кВт |
кВт |
кВт |
кВт |
кВт |
кВт |
кВт |
кВт |
кВт |
кВт |
кВт |
|
ВЭУ-04-450 |
0 |
0 |
24,9 |
63,9 |
109,9 |
162,4 |
217,8 |
272 |
331,1 |
373,3 |
423,5 |
454,7 |
|
ВЭУ-0750 |
0,46 |
1,86 |
3,86 |
6,79 |
11,44 |
16,75 |
22,91 |
29,72 |
37,58 |
43,89 |
47,66 |
49,8 |
|
м/с |
15 |
16 |
17 |
18 |
19 |
20 |
21 |
22 |
23 |
24 |
25 | |
|
ВЭУ-04-450 |
466,9 |
476,2 |
469,7 |
435,7 |
425 |
414,9 |
410 |
405 |
400 |
395 |
390 | |
|
ВЭУ-0750 |
50,65 |
51,02 |
49,8 |
49,8 |
49,8 |
49,8 |
49,8 |
49,8 |
49,8 |
49,8 |
49,8 | |
Таблица 3
Среднемесячная скорость ветра для заданной области (Сюркуль)
|
месяц |
Ui, м/с |
|
январь |
7,2 |
|
февраль |
7,9 |
|
март |
7,1 |
|
апрель |
6,5 |
|
май |
6,9 |
|
июнь |
6,4 |
|
июль |
6,3 |
|
август |
5,9 |
|
сентябрь |
6,1 |
|
октябрь |
6,3 |
|
ноябрь |
7,2 |
|
декабрь |
7,5 |
Средняя годовая скорость ветра принимается равной 6,8 м/с.
Таблица 4
Коэффициент возрастания скорости ветра с высотой в нижнем 100-метровом слое атмосферы. Ровная открытая местность
|
Сезон |
10 |
20 |
40 |
60 |
80 |
100 |
m |
|
Зима |
1 |
1,12 |
1,26 |
1,35 |
1,43 |
1,50 |
0,17 |
|
Весна |
1 |
1,17 |
1,36 |
1,50 |
1,59 |
1,66 |
0,22 |
|
Лето |
1 |
1,18 |
1,40 |
1,55 |
1,67 |
1,76 |
0,24 |
|
Осень |
1 |
1,12 |
1,26 |
1,35 |
1,43 |
1,50 |
0,17 |
|
Год |
1 |
1,15 |
1,32 |
1,44 |
1,53 |
1,60 |
0,20 |
Для
расчета выработки энергии ВЭУ в конкретном
пункте на заданной высоте необходимо
в значение скорости ветра на уровне
флюгера ввести поправку на уменьшение
,
приведя ее к высоте оси ветроколеса, с
учетом рельефа и климатических условий
местности.
На основе степенного закона ветра рассчитывается средняя скорость ветра, приведенная к высоте оси ветроколеса.
- среднегодовая
скорость на высоте флюгера;
высота оси
ветроустановки;
высота флюгера;
сезонный показатель.
ВЭУ-04-450
Среднеквадратическое отклонение скорости:
ВЭУ-0750
Среднеквадратическое отклонение скорости:
Определим годовую выработку электроэнергии ВЭУ-04-450.
Таблица 5
Определение годовой выработки электроэнергии ВЭУ-04-450
|
Ui |
Pi |
Zi |
σf(u)i |
f(u) |
Wcp |
|
м/с |
кВт |
|
|
|
кВт |
|
3 |
0 |
-1,3 |
0,085 |
0,0205 |
0,0000 |
|
4 |
0 |
-1,0 |
0,3 |
0,0722 |
0,0000 |
|
5 |
24,9 |
-0,8 |
0,33 |
0,0794 |
1,9777 |
|
6 |
63,9 |
-0,6 |
0,36 |
0,0866 |
5,5367 |
|
7 |
109,9 |
-0,3 |
0,35 |
0,0842 |
9,2579 |
|
8 |
162,4 |
-0,1 |
0,34 |
0,0818 |
13,2896 |
|
9 |
217,8 |
0,2 |
0,33 |
0,0794 |
17,2989 |
|
10 |
272 |
0,4 |
0,31 |
0,0746 |
20,2945 |
|
11 |
331,1 |
0,6 |
0,28 |
0,0674 |
22,3134 |
|
12 |
373,3 |
0,9 |
0,22 |
0,0530 |
19,7664 |
|
13 |
423,5 |
1,1 |
0,185 |
0,0445 |
18,8570 |
|
14 |
454,7 |
1,4 |
0,13 |
0,0313 |
14,2271 |
|
15 |
466,9 |
1,6 |
0,095 |
0,0229 |
10,6757 |
|
16 |
476,2 |
1,9 |
0,08 |
0,0193 |
9,1691 |
|
17 |
469,7 |
2,1 |
0,065 |
0,0156 |
7,3482 |
|
18 |
435,7 |
2,3 |
0,05 |
0,0120 |
5,2433 |
|
19 |
425 |
2,6 |
0,035 |
0,0084 |
3,5802 |
|
20 |
414,9 |
2,8 |
0,025 |
0,0060 |
2,4965 |
|
21 |
410 |
3,1 |
0,015 |
0,0036 |
1,4802 |
|
22 |
405 |
3,3 |
0,01 |
0,0024 |
0,9748 |
|
23 |
400 |
3,5 |
0,01 |
0,0024 |
0,9627 |
|
24 |
395 |
3,8 |
0,01 |
0,0024 |
0,9507 |
|
25 |
390 |
4,0 |
0,01 |
0,0024 |
0,9387 |
–отклонение
центрированной функции;
F(u0) – функция распределения от скорости;
закон распределения
скорости в относительных единицах;
определим по рис.2;
– Мощность
ветроустановки по закону распределения
скорости в относительных еденица
годовая выработка
электроэнергии, кВт*ч.
ч
Рис.1. Распределение скорости ветра
Рис.2. Распределение скорости ветра в безразмерных координатах
Определим годовую выработку электроэнергииВЭУ-04-450.
Таблица 6
Определение годовой выработки электроэнергии ВЭУ-07-50
|
Ui |
Pi |
Zi |
σf(u)i |
f(u) |
Wcp | ||
|
м/с |
кВт |
|
|
|
кВт | ||
|
3 |
0,46 |
-1,3 |
0,085 |
0,0200 |
0,0092 | ||
|
4 |
1,86 |
-1,1 |
0,295 |
0,0693 |
0,1288 | ||
|
5 |
3,86 |
-0,8 |
0,33 |
0,0775 |
0,2991 | ||
|
6 |
6,79 |
-0,6 |
0,36 |
0,0845 |
0,5740 | ||
|
7 |
11,44 |
-0,4 |
0,37 |
0,0869 |
0,9939 | ||
|
8 |
16,75 |
-0,1 |
0,37 |
0,0869 |
1,4552 | ||
|
9 |
22,91 |
0,1 |
0,37 |
0,0869 |
1,9904 | ||
|
10 |
29,72 |
0,3 |
0,35 |
0,0822 |
2,4425 | ||
|
11 |
37,58 |
0,6 |
0,28 |
0,0657 |
2,4708 | ||
Продолжение таблицы 6
|
Ui |
Pi |
Zi |
σf(u)i |
f(u) |
Wcp |
|
12 |
43,89 |
0,8 |
0,23 |
0,0540 |
2,3703 |
|
13 |
47,66 |
1,1 |
0,185 |
0,0434 |
2,0703 |
|
14 |
49,8 |
1,3 |
0,17 |
0,0399 |
1,9879 |
|
15 |
50,65 |
1,5 |
0,15 |
0,0352 |
1,7840 |
|
16 |
51,02 |
1,8 |
0,085 |
0,0200 |
1,0183 |
|
17 |
49,8 |
2,0 |
0,07 |
0,0164 |
0,8185 |
|
18 |
49,8 |
2,2 |
0,06 |
0,0141 |
0,7016 |
|
19 |
49,8 |
2,5 |
0,03 |
0,0070 |
0,3508 |
|
20 |
49,8 |
2,7 |
0,01 |
0,0023 |
0,1169 |
|
21 |
49,8 |
2,9 |
0 |
0,0000 |
0,0000 |
|
22 |
49,8 |
3,2 |
0 |
0 |
0 |
|
23 |
49,8 |
3,4 |
0 |
0 |
0 |
|
24 |
49,8 |
3,6 |
0 |
0 |
0 |
|
25 |
49,8 |
3,9 |
0 |
0 |
0 |
ч
Рис.3. Распределение скорости ветра
Зная график энергопотребления в % и суммарную мощность поселка, определим потребляемую мощность в кВт в зимний и летний период:
Таблица 7
График нагрузки
|
Время, час |
1-2 |
3-4 |
5-6 |
7-8 |
9-10 |
11-12 |
|
зима, % |
30 |
30 |
30 |
30 |
100 |
100 |
|
лето, % |
20 |
20 |
20 |
20 |
85 |
85 |
|
Время, час |
13-14 |
15-16 |
17-18 |
19-20 |
21-22 |
23-24 |
|
зима, % |
80 |
80 |
40 |
40 |
30 |
30 |
|
лето, % |
70 |
85 |
85 |
70 |
70 |
70 |
Рис 4. Зимней и летний график нагрузки для Сюркуль (в процентах)
Суточный график нагрузки
Энергия, потребляемая поселком:
где nз=240- количество зимних дней; nл=125– количество летних дней.
- часовая нагрузка
зимой в процентах;
- часовая нагрузка летом в процентах;
длительность
нагрузки в сутки;
Выбор количества ветроэнергетических установок
Зная потребляемую и вырабатываемую энергию, найдем количество ветроустановок для обеспечения электроснабжения поселка из условия:
где
– количество ВЭУ.
Таким образом, принимаем установкуодной ВЭУ-04-450
Тогда при питании потребителя ВЭУпревышение генерации над потреблением составляет 5,2 %. Лишняя выработка сбрасывается на балластную нагрузку, например резистор.
Выбор режима работы ВЭУ и компоновки гондолы
Ветроколесо обтекается практически безграничным потоком воздуха, поэтому здесь нет возможности отвести прошедший через ветроколесо воздух за пределы огибающего потока, и это определенным образом ограничивает эффективность ветроустановок. Наиболее существенное ограничение связано с тем, что «отработанный» воздушный поток должен покинуть окрестности ветроколеса, не создавая помех набегающему потоку.
Практика показывает, что для n-лопастного колеса оптимальная быстроходность равна:
Для трехлопастного колеса:
Одним из наиболее ценных результатов является критерий Глауэрта, связывающий максимальное значение коэффициента мощности Ср (характеризует эффективность использования ветрогенератором энергии воздушного потока, проходящего через ометаемую ветроколесом площадь ) с быстроходностьюZ.
По рисунку 2.23[1] определяем Ср. Ср=0,35.
При
Ср=0,35 параметр а
принадлежит диапазону
,
что соответствует нормальному режиму
работы ветроколеса.
Скорость вращения ветроколеса намного ниже, чем скорость вращения ротора генератора. По этой причине скорость ветроколеса в большинстве ВЭУ увеличивается с помощью повышающего редуктора. Система может быть с фиксированной или переменной скоростью.
Выбираем систему с переменной скоростью. Скорость асинхронной машины может регулироваться изменением сопротивления ротора или подведением внешнего напряжения с частотой, соответствующей желательному скольжению.
Достоинства ветроколес с переменной скоростью вращения:
более высокая эффективность ротора, следовательно, более высокая выработка энергии за год;
низкий переходный вращающий момент;
меньше шестерен, следовательно, недорогой редуктор;
нет необходимости в механической системе демпфирования, так как электрическая система может обеспечить демпфирование, если потребуется;
нет проблем с синхронизацией;
жесткий электрический контроль может уменьшить отклонение напряжения в системе.
Компоновку гондолы выбираем исходя из типа генератора. Так как генератор асинхронный, то выбираем базовую компоновку гондолы Klatt-генератор.
Klatt-генератор - это модификация базовой модели асинхронного генератора с фазным ротором. В компоновке Klatt-генератор существует магнитная PE- подсистема, в состав которой входят следующие элементы:
- силовая электроника, датчики и электронная аппаратура управления во вращающейся и неподвижной частях высокочастотного трансформатора;
- высокочастотный вращающийся трансформатор, находящийся на одном валу с асинхронным генератором.
Благодаря связи асинхронного генератора с вращающимся трансформатором и модуляции сигнала возможно преобразование мощности в обмотке ротора и передача её в обмотку статора и в сеть через повышающий трансформатор. Частота на выходе асинхронного генератора поддерживается за счёт управления потоком мощности скольжения. Чтобы на выходе была постоянная частота 50 Гц, нужно искусственно подать ток определённой частоты, соответствующий скольжению, с помощью блока силовой электроники.
0,4
кВ
Рис.4. Функциональная блок-схема компоновки ВЭУ с дифференциально-вращающимся трансформатором на основе асинхронного генератора с фазным ротором: 1 – ветроколесо, 2 – ветроколесо; 3 – трёхступенчатый редуктор; 4 – статор; 5 – ротор с трёхфазной обмоткой; 6 – асинхронный двигатель с фазным ротором; 7 – поток мощности ротор – ротор; 8 – статор вращающегося дифференциального трансформатора с встроенным в него блоком силовой электроники; 9 – ротор вращающегося дифференциального трансформатора с встроенным в него блоком силовой электроники; 10 – трансформация высокочастотного сигнала через воздушный зазор дифференциально – вращающегося трансформатора.
Выбор места расположения ВЭУ
При выборе расположения источников энергии необходимо учитывать экологические последствия от их работы.
Для исключения влияния помех на работу телевизионных, радиотехнических и др. систем рекомендуется следующие минимальные расстояния между ВЭУ и объектами:
- радио- и телепередатчики 6000 м;
- системы навигации 500 м;
- телеприемники 100-800 м;
- аэропорты 4000-6000 м.
Также кроме этого при работе ВЭУ возникают низкочастотные колебания, которые при работе ВЭУ в диапазоне частот 380 - 480 об/мин создают звуковые шумы мощностью 50 - 70 дБ днем и 40 дБ ночью на расстоянии 150-200 метров от ВЭУ.
Дизельная установка при работе выбрасывает в окружающую среду загрязняющие вещества, которые выделяются при сжигании топлива, следовательно дизельную установку также необходимо удалить на некоторое расстояние от жилых объектов.
Принимая во внимание все вышеперечисленные факторы располагаем ветроэнергетические установки на окраине жилого поселка. Дизельная электростанция может находится в одном помещении с распределительным устройством, но вследствие того, что при работе дизельной электростанции создается шум и присутствует вибрация, располагаем дизельную установку рядом с распределительным устройством в отдельном помещении, но на общем фундаменте.
Схема установки ВЭУ и расчет электропитающих сетей
Определение количества отходящих линий к потребителям
Распределим линии по характерным электроприемникам:
Линии с первая ,третья ,пятая ,шестая,седьмая ,восьмая и десятая обеспечивают электроэнергией жилой сектор, каждая линия мощностью по 162 кВт
Седьмая линия запитывает промышленной сектор мощностью 42 кВт и жилой сектор,в количестве 10 домов
Восьмая линия запитывает теплицу мощностью 32 кВт. И жилой сектор в количестве 5 домов
Вторая линия запитывает ферму мощностью 30 кВт
Четвертая линия запитывает птичник мощностью 31 кВт
Девятая линия запитывает гараж и освещение мощностью и гараж 14 кВт.
Принципиальная схема электроснабжения приведена в приложении 1 рисунок 1
Выбор типа линиии сечения проводов (жил) по нагреву
Питание поселка будет осуществляться трехжильными кабелем с алюминиевыми жилами бумажной пропитанной маслоканифольной и нестекающими массами изоляцией в свинцовой или алюминиевой оболочкой прокладываемых в земле напряжением до 3 кВ.
Провода выбираются по условию длительно допустимого тока
Iдд >Iр
Расчетный ток определяется как:
Находится расчетный ток для линии жилого сектора 1
(От точки А до В)
Для этой линии выбирается провод сечением 25 мм2 с длительно допустимым током равным Iдд=125 А
Дальнейший расчет для остальных линий производится таким же образом, как и для линии жилого сектора 1, и сведен в таблицу 7
Кабели имеют марку АСБ.
Таблица 8
Выбор проводов по нагреву
Выбор сечения проводов (жил) по потере напряжения
Сечения
проводников должны удовлетворять
условию, чтобы суммарная потеря напряжения
по линии от источника питания к потребителю
не превышала допустимой величины
,
которая принимается равной ±7%. Суммарная
потеря напряжения в процентах от
номинального равна:
где
– реактивная и активная мощность,
передаваемая поi
– ой линии, кВт, квар;
,
– активное и индуктивное сопротивлениеi
– ой линии, Ом, определяется как
и
Рассчитывается потеря напряжения на линии жилого сектора 1 (от точки A до B)
Потеря напряжения в линии превышает допустимого значения (7%), поэтому необходимо увеличить сечение провода.
Для остальных линий расчет производится аналогично, результаты сведены в таблицу 9
Таблица 9
Выбор сечений проводов по потере напряжения
В линиях, где потеря напряжения превышает допустимое, сечение проводов увеличивается. Расчет с измененным сечением провод производится аналогично и сведен в таблицу 10
Таблица 10
Выбор сечений проводов по потере напряжения (уточненная)
Расчет токов короткого замыкания
В сетях напряжением до 3000 В для проверки обеспечения отключения замыканий между фазами и нулевыми проводами ток однофазного короткого замыкания определяют приближенно по формуле
где
- фазное напряжение сети, В;
– сопротивление нулевого провода, Ом.
– сопротивление фазного провода, Ом.
сопротивление
нулевой последовательности для
электроустановок
Рассчитывается как:
где
≈0,2,
→
сопротивление
нулевой последовательности для ВЭУ
:
Uн=450
В, соsф=0,9
Для
данного типа проводов сопротивления
нулевого и фазного провода одинаковы
т.е.
Рассчитывается ток короткого замыкания для линии жилого сектора 1 (от точки А до В):
Расчет для остальных линий производится аналогично, результат расчета токов короткого замыкания сведен в таблицу 11
Таблица 11
Расчет токов короткого замыкания
Выбор оборудования в автономной системе.