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.

Ветроэнергетика с ее современным техническим оснащением является вполне сложившемся направлением энергетики. Большинство ветроустановок используется для производства электроэнергии – как в единой энергосистеме, так и в автономных режимах.

Одним из основных условий при проектировании ветровых установок является обеспечение их защиты от разрушения очень сильными случайными порывами ветра.

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

Cos=0.95

Мощность P₁=164 кВт

Промышленный сектор:

Cos=0.76

Мощность P₃=39 кВт

Теплица

Cos=0.6

Мощность P₅=33 кВт

Освещение поселка

P₇=6 кВт

Ферма

Cos=0.8

Мощность P₈=51 кВт

Птичник

Cos=0.8

Мощность P₁₀=28кВт

Гараж

Cos=0.8

Мощность P₁₂=6 кВт

Тип источника

Ветроэнергетическая установка, дизельный источник

Количество отходящих линий

n₂=6

1. Выбор мощности и количества вэу

   1. 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 150 кВт.

2. 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-19-300	ВЭУ-08-300
Номинальная мощность	300кВт	300кВт
Количество лопастей	3 против ветра	3 против ветра
Высота оси	52 м	30м
Минимальная рабочая скорость ветра	4,5м/с	5м/с
Максимальная рабочая скорость ветра	24 м/с	25 м/с

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-19-300	0	0	9	20	46	77	111	149	188	229	265	287
ВЭУ-08-300	0	0	4	22	48	79	114	155	198	243	280	300
м/с	15	16	17	18	19	20	21	22	23	24	25
ВЭУ-15-200	300	300	300	300	300	300	300	300	300	300	300
ВЭУ-08-300	300	300	300	300	300	300	300	300	300	300	300

Таблица 3

Среднемесячная скорость ветра для заданной области (Тахкуну)

месяц	Ui, м/с
январь	7,2
февраль	6,1
март	6,1
апрель	5,8
май	5,7
июнь	5,3
июль	5,3
август	5,8
сентябрь	6,8
октябрь	7,4
ноябрь	7,3
декабрь	7,5

Средняя годовая скорость ветра принимается равной 6,4 м/с.

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-19-300

Среднеквадратическое отклонение скорости:

ВЭУ-08-300

Среднеквадратическое отклонение скорости:

Таблица 5

Определение годовой выработки электроэнергии ВЭУ-19-300

Ui	Pi	Zi	σf(u)i	f(u)	Wcp
м/с	кВт				кВт
3	0	0,7075	0,07	0,0165	0
4	0	0,9434	0,12	0,0283	0
5	9	1,1792	0,19	0,0448	0,4033
6	20	1,4151	0,26	0,0613	1,2264
7	46	1,6509	0,30	0,0708	3,2547
8	77	1,8868	0,32	0,0755	5,8113
9	111	2,1226	0,35	0,0825	9,1627
10	149	2,3585	0,36	0,0849	12,6509
11	188	2,5943	0,38	0,0896	16,8491
12	229	2,8302	0,38	0,0896	20,5236
13	265	3,0660	0,38	0,0896	23,7500
14	287	3,3019	0,38	0,0896	25,7217
15	300	3,5377	0,37	0,0873	26,1792
16	300	3,7736	0,35	0,0825	24,7642
17	300	4,0094	0,32	0,0755	22,6415
18	300	4,2453	0,29	0,0684	20,5189
19	300	4,4811	0,27	0,0637	19,1038
20	300	4,7170	0,23	0,0542	16,2736
21	300	4,9528	0,19	0,0448	13,4434
22	300	5,1887	0,16	0,0377	11,3208
23	300	5,4245	0,13	0,0307	9,1981
24	300	5,6604	0,10	0,0236	7,0755
25	300	5,8962	0,09	0,0212	6,3679

–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

Таблица 6

Определение годовой выработки электроэнергии ВЭУ-08-300

Ui	Pi	Zi	σf(u)i	f(u)	Wcp
м/с	кВт				кВт
3	0	-1,3807	0,07	0,0207	0
4	0	-1,0844	0,12	0,0356	0
5	4	-0,7881	0,19	0,0563	0,2252
6	22	-0,4919	0,26	0,0770	1,6948
7	48	-0,1956	0,3	0,0889	4,2667
8	79	0,1007	0,32	0,0948	7,4904
9	114	0,3970	0,35	0,1037	11,8222
10	155	0,6933	0,36	0,1067	16,5333
11	198	0,9896	0,38	0,1126	22,2933
12	243	1,2859	0,38	0,1126	27,3600
13	280	1,5822	0,38	0,1126	31,5259
14	300	1,8785	0,38	0,1126	33,7778
15	300	2,1748	0,37	0,1096	32,8889
16	300	2,4711	0,35	0,1037	31,1111
17	300	2,7674	0,32	0,0948	28,4444
18	300	3,0637	0,29	0,0859	25,7778
19	300	3,3600	0,27	0,0800	24,0000
20	300	3,6563	0,23	0,0681	20,4444
21	300	3,9526	0,19	0,0563	16,8889
22	300	4,2489	0,16	0,0474	14,2222
23	300	4,5452	0,13	0,0385	11,5556
24	300	4,8415	0,1	0,0296	8,8889
25	300	5,1378	0,09	0,0267	8,0000

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

Часы	1-2	3-4	5-6	7-8	9-10	11-12	13-14	15-16	17-18	19-20	21-22	23-24
Зима	20	20	20	60	100	100	80	90	90	60	30	30
Лето	10	10	10	80	80	80	60	60	60	60	40	20

Рис.4. Суточный график нагрузки для Зимы

Рис.4. Суточный график нагрузки для лета

Энергия, потребляемая поселком:

- часовая нагрузка зимой в процентах; - часовая нагрузка летом в процентах;длительность нагрузки в сутки;

3. Выбор количества ветроэнергетических установок

Зная потребляемую и вырабатываемую энергию, найдем количество ветроустановок для обеспечения электроснабжения поселка из условия:

где – количество ВЭУ.

≤ +

Таким образом, принимаем установку одной ВЭУ-19-300

Тогда при питании потребителя ВЭУ превышение генерации над потреблением составляет 7,6%. Лишняя выработка сбрасывается на балластную нагрузку, например, резистор.

4. 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 быстроходностью.

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.

5. 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. Взаимное расположение всех комплексов поселка и источников энергии показано на рисунке 1 приложения

2. Схема установки ВЭУ и расчет электропитающих сетей

1. Определение количества отходящих линий к потребителям

Распределим линии по характерным электроприемникам:

Линии с первой по пятую обеспечивают электроэнергией жилой сектор, каждая линия мощностью по 12, кВт

Шестая линия запитывает птичник, гараж, теплицу, ферму мощностью 12 кВт.

1. Выбор типа линиии сечения проводов (жил) по нагреву

Питание поселка будет осуществляться одножильными кабелями с алюминиевыми жилами марки АПВ (Напряжение до 1 кВ). Провода выбираются по условию длительно допустимого тока

Iдд >Iр

Расчетный ток определяется как:

Находится расчетный ток для лини жилого сектора 1

(От точки А до В)

Для этой линии выбирается провод сечением 10 мм² с длительно допустимым током равным Iдд=75 А

Дальнейший расчет для остальных линий производится таким же образом, как и для линии жилого сектора 1, и сведен в таблицу 8

Кабель освещения протягивается на опорах жилого сектора, на них же ставятся светильники.

Кабели имеют марку АПВ Х, где Х – сечение в мм,

Таблица 8

Выбор проводов по нагреву

Название линии	Iдл.доп (А)	Iр (А)	сечение мм^2	rуд Ом/км		x уд Ом/км	Длина км
Жилой комплекс 1 (от А до В)	75	30,996	10	3,12	0,0073		0,175
Жилой комплекс 2 (от C до D)	75	30,996	10	3,12	0,0073		0,175
Жилой комплекс 3 (от E до F)	75	30,996	10	3,12	0,0073		0,175
Жилой комплекс 4 (от G до J)	75	30,996	10	3,12	0,0073		0,175
Жилой комплекс 5 (от K до L)	75	46,493	10	3,12	0,0073		0,175
Птичник (от M до N)	75	67,528	10	3,12	0,0073		0,18
Ферма (от O до м P)	75	59,087	10	3,12	0,0073		0,175
Теплица (от Q до T)	75	37,141	10	3,12	0,0073		0,12
Пром. Сектор и гараж (от R до S)	125	79,768	25	1,25	0,0662		0,034
Освещение	75	12,155	10	3,12	0,0073		0,17

2. 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 3 (от точки K до L)

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

Название линии	Iдл.доп. (А)	Iр (А)	сечение мм^2	r уд (Ом/км)	x уд (Ом/км)	Длина км
Жилой комплекс 1 (от А до В)	75	30,996	10	3,12	0,0073	0,175
Жилой комплекс 2 (от C до D)	75	30,996	10	3,12	0,0073	0,175
Жилой комплекс 3 (от E до F)	75	30,996	10	3,12	0,0073	0,175
Жилой комплекс 4 (от G до J)	75	30,996	10	3,12	0,0073	0,175
Жилой комплекс 5 (от K до L)	75	46,493	10	3,12	0,0073	0,175
Птичник (от M до N)	75	67,528	10	3,12	0,0073	0,18
Ферма (от O до м P)	75	59,087	10	3,12	0,0073	0,175
Теплица (от Q до T)	75	37,141	10	3,12	0,0073	0,12
Пром. Сектор (от R до S)	125	79,768	25	1,25	0,0662	0,034
Освещение	75	12,155	10	3,12	0,0073	0,17
Название линии	R (Ом)	Х (Ом)	P (Вт)	Q(Вт)	ΔU%
Жилой комплекс 1 (от А до В)	0,546	0,001278	20400	0	7,71
Жилой комплекс 2 (от C до D)	0,546	0,001278	20400	0	7,71
Жилой комплекс 3 (от E до F)	0,546	0,001278	20400	0	7,71
Жилой комплекс 4 (от G до J)	0,546	0,001278	20400	0	7,71
Жилой комплекс 5 (от K до L)	0,546	0,001278	30600	0	11,57
Птичник (от M до N)	0,5616	0,001314	40000	19360	15,57
Ферма (от O до м P)	0,546	0,001278	35000	16940	13,25
Теплица (от Q до T)	0,3744	0,000876	22000	10648	5,71
Пром. Сектор (от R до S)	0,0425	0,002251	42000	21000	1,27
Освещение	0,5304	0,001241	8000	0	2,94

В линиях, где потеря напряжения превышает допустимое, сечение проводов увеличивается. Расчет с измененным сечением провод производится аналогично и сведен в таблицу 10

Выбор сечений проводов по потере напряжения (уточненная)

Название линии	Iдл.доп. (А)	Iр (А)	сечение мм^2	r уд (Ом/км)	x уд (Ом/км)	Длина км
Жилой комплекс 1 (от А до В)	125	30,996	1,25	0,0662	0,175	0,175
Жилой комплекс 2 (от C до D)	125	30,996	1,25	0,0662	0,175	0,175
Жилой комплекс 3 (от E до F)	125	30,996	1,25	0,0662	0,175	0,175
Жилой комплекс 4 (от G до J)	125	30,996	1,25	0,0662	0,175	0,175
Жилой комплекс 5 (от K до L)	125	46,493	25	1,25	0,0662	0,175
Птичник (от M до N)	125	67,528	25	1,25	0,0662	0,18
Ферма (от O до м P)	125	59,087	25	1,25	0,0662	0,175
Теплица (от Q до T)	75	37,141	10	3,12	0,0073	0,12
Пром. Сектор (от R до S)	125	79,768	25	1,25	0,0662	0,034
Освещение	75	12,155	10	3,12	0,0073	0,17
Название линии	R (Ом)	Х (Ом)	P (Вт)	Q(Вт)	ΔU%
Жилой комплекс 1 (от А до В)	0,21875	0,011585	20400	0	3,09
Жилой комплекс 2 (от C до D)	0,21875	0,011585	20400	0	3,09
Жилой комплекс 3 (от E до F)	0,21875	0,011585	20400	0	3,09
Жилой комплекс 4 (от G до J)	0,21875	0,011585	20400	0	3,09
Жилой комплекс 5 (от K до L)	0,21875	0,011585	30600	0	4,64
Птичник (от M до N)	0,225	0,011916	40000	19360	6,39
Ферма (от O до м P)	0,21875	0,011585	35000	16940	5,44
Теплица (от Q до T)	0,3744	0,000876	22000	10648	5,71
Пром. Сектор (от R до S)	0,0425	0,002251	42000	21000	1,27
Освещение	0,5304	0,001241	8000	0	2,94

3. Расчет токов короткого замыкания

В сетях напряжением до 1000 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=400В, 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

Название линии	Длина км	R (Ом)	Zф (Ом)	Iкз (А)
Жилой комплекс 1 (от А до В)	0,175	0,21875	0,21875	494,7155
Жилой комплекс 2 (от C до D)	0,175	0,21875	0,21875	494,7155
Жилой комплекс 3 (от E до F)	0,175	0,21875	0,21875	494,7155
Жилой комплекс 4 (от G до J)	0,175	0,21875	0,21875	494,7155
Жилой комплекс 5 (от K до L)	0,175	0,21875	0,21875	494,7155
Птичник (от M до N)	0,18	0,225	0,225	481,1899
Ферма (от O до м P)	0,175	0,21875	0,21875	494,7155
Теплица (от Q до T)	0,12	0,3744	0,3744	291,0053
Пром. Сектор (от R до S)	0,034	0,0425	0,0425	2386,117
Освещение	0,17	0,5304	0,5304	405,9925

2. Выбор оборудования в автономной системе.