Модель ветряной электростанции: Проект :МИНИ ВЕТРЯНАЯ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ | Образовательная социальная сеть

Проектная работа «Ветряная электростания — альтернативный источник энергии»

Рыжова Ирина — ученица 10 класса

МБОУ Лицей №25 г.Димитровград

Проектная работа «Ветряная электростанция – альтернативный источник энергии»

Актуальность

Интерес автора к данной теме изначально был вызван желанием узнать, как и где получают электрическую энергию, какие виды электростанций существуют и где они расположены.

Не возможно представить жизнь без электричества. Потребности человечества в электроэнергии с каждым годом увеличиваются. В России около 75% энергии производится на тепловых электростанциях. Для её получения используются в основном ископаемые углеводородные источники земли (нефть, природный газ, уголь). Эти углеводороды являются невосполнимыми и их количество в земной коре уменьшается. Существует также проблема в их вредном воздействии продуктов сгорания на окружающую среду и климат. Небезопасными оказались и ГЭС, и АЭС. С целью устранения этих недостатков для получения электроэнергии стали использовать альтернативные источники энергии.

Популярная энергия ветра. Уже давно используется энергия ветра для получения электроэнергии. Это перспективное направление, поскольку движение воздуха происходит постоянно, а запасы ветровой энергии намного превышают запасы энергии воды во всех реках нашей планеты. Однако ветряные генераторы составляют всего 0,001% от общей энергетической потребности.

В ходе изучения и теоретического анализа литературы нас заинтересовал следующий вопрос: возможно ли, изготовить модель ветряной электростанции, которая отсутствовала в школьном кабинете физики.

Таким образом, целью работы является изготовление действующей модели ветряной электростанции.

Объект проекта: получение электрической энергии.

Предмет:

ветряная электростанция.

Задачи проекта:

1. Проанализировать научную литературу по проблеме исследования.

2. Изучить принцип действия и устройство электростанции.

3. Изготовить модель ветряной электростанции.

Практическая значимость: создана модель ветряной электростанции для практического использования на уроках физики и географии.

При выполнении проекта были использованы следующие основные методы исследования:

• изучение интернет-материала;

• теоретический анализ научной литературы;

• конструирование и сборка модели ветряной электростанции;

• физический эксперимент.

Теоретическая основа

В процессе изучения материала выяснено, что электрическая энергия может считаться основой цивилизации. Преобразование первичной энергии в электрическую производится на электростанциях.

В нашей стране производится и потребляется огромное количество электроэнергии. Она почти полностью вырабатывается тремя основными типами электростанций: тепловыми, атомными и гидроэлектростанциями.

В России около 75% энергии производится на тепловых электростанциях. ТЭС строят в районах добычи топлива или в районах потребления энергии.

ГЭС выгодно строить на полноводных горных реках. Поэтому наиболее крупные ГЭС построены на сибирских реках: Енисее, Ангаре. Но также построены каскады ГЭС и на равнинных реках: Волге, Каме.

АЭС построены в районах, где потребляется много энергии, а других энергоресурсов не хватает (в западной части страны).

Основными источниками энергии являются твердое топливо, нефть, газ, вода, энергия распада ядер урана и других радиоактивных веществ.

Все основные типы электростанций оказывают значительное негативное воздействие на природу. ТЭС загрязняют воздух, шлаки станций, работающих на угле, занимают огромные территории. Водохранилища равнинных ГЭС заливают плодородные пойменные земли, приводят к заболачиванию земель. Небезопасными оказались и АЭС.

Я считаю, что будущее за использованием нетрадиционных источников энергии — энергии ветра, приливов, Солнца и внутренней энергии Земли. Нужно заботиться о природе, поэтому самый оптимальный вариант – это ветряная электростанция.

Остановимся на преимуществах ветряных электростанций:

• Использование энергии ветра имеет тысячелетнюю историю. Энергия ветра использовалась еще в Древнем Риме для доставки воды и помола зерна.

• Энергия ветра – возобновляемая энергия, а Земля производит ветер постоянно, бесплатно и без ущерба для окружающей среды.

• Энергия ветра не создаёт выбросы парниковых газов.

• Энергия ветра доступна практически в любом месте на планете. Где-то ветер слабее, где-то сильнее, но он есть практически везде.

• Ветрогенераторы не производят вредных выбросов в процессе эксплуатации.

• Ветряные турбины расположены на мачтах, и занимают очень мало места, что позволяет размещать их совместно с другими строениями и объектами.

• Энергия ветра будет особенно востребована в удаленных местах, куда доставка электричества другими привычными способами затруднена.

• Как и другие альтернативные источники энергии, ветряные электростанции снижают зависимость компаний и частных лиц от монополии нефтегазовых кампаний, т.е. создают конкуренцию, от которой должны выиграть конечные потребители. 

Эти преимущества подтолкнули меня узнать, как работает ветряная электростанция, а затем сконструировать и собрать её модель.

Описание работы модели

Ветряная электростанция – это устройство для преобразования кинетической энергии ветрового потока в механическую энергию вращения ротора с последующим ее преобразованием в электрическую энергию.

Создать поток воздуха для модели можно, если использовать здоровые легкие человека, либо вентилятор. Для этого пригодился старый компьютер, детали которого прибрели «вторую жизнь». Для работы вентилятора требуется напряжение в 12 В, поэтому использовали трансформатор.

При работе вентилятора создается воздушный поток, который попадает на лопасти вертушки (ротор), соединенной с валом электрогенератора. При вращении лопастей генератор вырабатывает электрический ток. По проводам ток доходит до закрепленного светодиода. Таким образом, светодиод горит.

Результат

1. В процессе изучения материала выяснено, что электрическая энергия может считаться основой цивилизации. Преобразование первичной энергии в электрическую производится на электростанциях.

2. Я считаю, что будущее за использованием нетрадиционных источников энергии. Самый оптимальный вариант – это ветряная электростанция.

3. Изготовлена действующая модель ветряной электростанции (см. приложение — фото). Она позволяет демонстрировать принцип работы ветряной электростанции, при этом развивает интерес детей к конструированию, моделированию, исследованию.

Литература

1. Безруких П. П., Безруких П.П. (мл.) Что может дать энергия. Ответы на 33 вопроса. М.: НИЦ Инженера, 1998, — 47 с.

2. Кириллин В. А. Энергетика. Главные проблемы: В вопросах и ответах. – М.: Знание, 1997. – 128 с.

3. Лабейш В.Г. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии: Учеб. пособие. — СПб.: СЗТУ, 2003.-79 с.

4. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии: Пособие для проведения практических занятий. /Сост. Хахалева Л.В. – Ульяновск, 2008. – 32 с.

5. http://x-creators.ru/neobychnoe/133-vetryanaya-melnica-svoimi-rukami.html

Приложение

особенности, цена, преимущества и недостатки.| UA Energy

К сожалению, ископаемое топливо не безгранично. С каждым годом запасов становится все меньше. Чтобы не наступил момент полного истощение ресурсов человечество дошло до альтернативной энергетики. Другими словами, теперь человек может получать электричество из энергии солнца, ветра, воды. В этой статье мы рассмотрим что такое ветряная электростанция и как она работает, какие типы ВЭС существуют, разберем все их достоинства и недостатки. Кроме того мы приведем примеры известных мировых и украинских производителей ветряков, которые можно найти на рынке.

Принцип работы ветровой электростанции

Вне зависимости от типа электростанции, ее принцип работы заключается в одном: поток ветра определенной силы раскручивает лопасти ветрогенератора. Буквально происходит следующее — подвижная часть вращается, передавая это же вращение непосредственно на генератор. Благодаря этому в системе и образуется электропоток. 

Далее он заряжает установленные аккумуляторы, которые подключены к инверторам. Они, в свою очередь преобразовывают полученный ток в обычное напряжение, которое необходимо для питания приборов, оборудования и техники. Для получения большего объема мощности отдельные ветрогенераторы соединяют в сеть, образуя при этом ветровую электростанцию.

Если же разделить ВЭС на два основных типа, то они бывают роторными и крыльчатыми. Первые оснащены вертикальной осью вращения, за счет чего более удобные в работе, малошумные и не привязаны к направлению ветра. Но, в свою очередь, роторные станции считаются менее эффективными и производительными и чаще всего устанавливаются на мелких, частных станциях.

Для выработки энергии в больших, промышленных масштабах, используют крыльчатые установки. Однако же в обслуживании и монтаже куда сложнее. Крыльчатые ветряки важно располагать в правильно направлении ветра для получения большей производительности.

Уcтpoйcтвo и виды вeтpoвых элeктpocтaнций

ВЭС вырабатывает электроток благодаря энергии ветра. Промышленные и крупные ветровые станции состоят из нескольких больших ветряков, которые соединены в одну сеть. Их мощности хватает для обеспечения электричеством сел, поселков и городов. Мелкие станции вырабатывают меньше мощности, но даже ее может хватить на удовлетворение энергопотребности небольшого массива. 

По функциональности ветровые электростанции можно разделить на:

• стационарные;
• мобильные.

В зависимости от расположения ВЭС бывают:

• наземные;
• прибрежные;
• плавающие;
• офшорные.

Также станции можно разделить по типу конструкции:

• роторные;
• крыльчатые.

Преимущества и недостатки ВЭС

Самым основным достоинством ветровой станции является независимость от ископаемого топлива. Для работы и генерации электричества ВЭС использую полностью бесплатный источник — ветер. К тому же, ветропарк не наносит природе никакого урона, как, например, гидроэлектростанции. То есть, можно сказать, что ВЭС — экологически чистая и безвредная методика получения энергии.

Однако можно выделить и некоторые недостатки, среди которых основным можно выделить высокую стоимость оборудования. В результате это влияет и на цену конечного продукта — ветровой энергии. Говоря о финансовой стороне стоит упомянуть долгую и практически отсутствующую окупаемость оборудования. Кроме того для сбережения энергии также требуется большое количество аккумуляторов, поскольку ветер не всегда есть, что провоцирует перебои в генерации. Среди минусов можно также назвать высокий шум от работы ветряков и низкий уровень КПД, который практически невозможно увеличить. 

Вeдyщиe мировые производители 

Поскольку рынок альтернативной энергетики непрестанно растет и развивается, существует огромное количество компаний, специализирующихся на строительстве ветрогенераторов. Среди большого количества компаний мы выделили пятерку самый популярных и надежных.

Датская компания Vestas

Предприятие Vestas Wind Systems A/S одним из первых начало производство, установку и обслуживание ветрогенераторов еще в 1986 году. С тех пор она добилась колоссальных успехов в отрасли альтернативной энергетики. Vestas являются одним из самых крупных застройщиков ветроэлектростанций. На счету предприятия около 10 тысяч МВт мощности со всех произведенных единиц.

Немецкое производство Nordex

Компания была основана в 1985 году, еще до того как в первой половине 90-х годов увеличился спрос на ветряные турбины в мире. С самого начала Nordex сосредоточились на больших и мощных турбинах. Всего за два года, в 1995, компания установила самую большую в мире ветряную турбину N54 на 1000 кВт. С серийно выпускаемыми мульти-мегаваттными ветряными турбинами Generation Gamma, компания может предложить высокоэффективные ветряные турбины для наземного использования. С 2013 года Nordex выпускает Delta Generation для сильных, средних и слабых ветров.

Немцы Superwind

Компания Superwind GmbH была основана в 2004 году после четырех лет успешных исследований, проектирования и испытаний. Ветрогенераторы предприятия запатентованы в мире микротурбин. С тех пор тысячи коммерческих турбин Superwind 350 и Superwind 1250 обеспечивали бесшумную и надежную генерацию электричества от ветра как на суше, так и на воде. Superwind GmbH является частной компанией, управляемой основателями Клаусом Кригером и Мартином ван Эгереном. Компания не стремится продавать акции или искать инвесторов.

Она просто разрабатывает, проектирует и производит свою продукцию наивысшего качества, чтобы удовлетворить потребности клиентов. Компания тесно сотрудничает с системными интеграторами и высококвалифицированными дистрибьюторами по всему миру.

Испанская компания Ecotecnia

Ecotècnia была производителем и установщиком ветряных турбин, основанным в 1981 году с главным офисом в Барселоне. Первым ветрогенератором компании была установка мощностью 30 кВт, разработанная в 1984 году при финансовой поддержке Министерства науки Испании. Со временем и активным развитием компания увеличила выходную мощность своей ветряной турбины до 1,67 МВт. А к 2007 году Ecotècnia установила ветряные электростанции с общей мощностью более 1 ГВт. Основным продуктом, которые завоевал весь мир, является морская ветряная турбина Haliade мощностью 6 МВт, одна из самых мощных турбин на Земле.

Французское предприятие Vergnet

Компания Vergnet, основанная в 1989 году, обладает более чем 25-летним опытом инженерного совершенства. Главный офис находится в Орлеане, Франция. В штате компании числится 166 сотрудников в 10 офисах по всему миру, работающих в более чем 40 странах. На сегодняшний день Vergnet установили более 900 ветровых турбин, выполнили более 45 МВт солнечных проектов и разработали ряд уникальных гибридных энергетических решений, включая первый в своем роде Hybrid Wizard™. Всемирная ветроэнергетическая ассоциация (WWEA) вручила Vergnet престижную премию World Wind Energy Award 2013, ежегодно присуждаемую отдельным лицам и организациям, которые внесли огромный вклад в использование энергии ветра во всем мире.

Украинские производители ветровых турбин

Украинское производство еще не настолько развито, чтобы конкурировать с иностранными компаниями. Однако одно из самых крупных производств ветряных мельниц не для промышленного использования принадлежит предприятию FLAMINGO AERO. Мощность из ветрогенераторов варьируется от 0,8 до 20 кВт. 

Также стоит выделить фирму Winder, которая уже на протяжении 14 лет обеспечивает ветряными генераторами частные дома и небольшие предприятия.

Но несомненным лидером украинского рынка смело можно назвать «Фурлендер Виндтехнолоджи». Они первые и единственные на территории стран постсоветского пространства, кто производит ветрогенераторы мультимегаватного класса. 

Самая большая электростанция

Самый крупный по габаритам и производимой мощности ветрогенератор в мире считается Энеркон Е-126 (Enercon E-126). Производитель гиганта — немецкая компания, специализирующаяся на проектировании, строительстве и монтаже ветровых электростанций. Первый такой ветряк был установлен еще в 2007 году в немецком городе Эмден. Тогда его мощность составляла 6 МВт. Позже, в 2009 году, провели модернизацию турбины, увеличив мощность до 7,58 МВт. Отметим, что какой бы ни был надежный ветрогенератор, его мощность все равно колеблется в зависимости от погодных условий.

Но что остается неизменным, так потрясающие размеры. Ветряк имеет высоту основной колонны в 135 метров, а диаметр подвижного ротора равен 127 метрам. То есть, если лопасть поднимается вверх, общая высота сооружения достигает 198 метров. А вес ветряка равен 6000 тоннам.

На фото ниже мы покажем размеры этого гиганта. На первой картинке может показаться, что лопасть ветряка просто огромна, однако это только ее половина. 

На втором фото представлена целая лопасть Энеркона. 

Также представлены фото, где ветряк можно сравнить с другими вещами, привычного нам размера.

Oбзop пoпyляpных моделей мировых производителей

Датская компания Vestas выпускает ветротурбину V112. Отличительной особенностью этой модели является то, что предприятие производит как морскую турбину, которую можно размещать на шельфовой зоне, так и береговую. Представляют собой турбины Vestas огромные промышленные ветряки, у которых диаметр ротора равен 112 метрам, а номинальная мощность — 3000 кВт. Ветряк функционирует на разной скорости ветра — от 4 до 23 м/с. Шесть таких ветряков были установлены в 2017 году во Львовской области, на ВЭС “Старый Самбор-2”.

Еще один промышленный ветряк, но уже украинского производства от компании “Фурлендер Виндтехнолоджи”. WTU-2.0 имеет номинальную мощность в 2 мВт, а диаметр ротора достигает 100 метров. Минимальная скорость ветра, при которой работает ветряк, 3 м/с, а максимальная — 25 м/с. 22 ветряка WTU-2.0 от “Фурлендер Виндтехнолоджи” были введены в эксплуатацию в Казахстане.

Немецкая компания Enercon выпускает три модели наземных ветряков E66 разной мощности: 1500 кВт, 1800 кВт и 2000 кВт. Диаметр их ротора неизменен, несмотря на разную производимую мощность, и равен 66 метрам. Трехлопастные ветряки работают при минимальной скорости ротора в 8 об/мин и максимальной в 22 оборота в минуту. 

Также в Германии есть предприятие, выпускающее небольшие ветряки, схожие больше для частного использования. Как пример — Nordex N27, которые включают в себя турбины разной мощности: 150 кВт, 225 кВт и 250 кВт. Диаметр роторной подвижной части достигает 27 метров. Это старые модели, которые теперь сложно найти на рынке новыми и продаются они в основном в состоянии б/у. Средняя цена варьируется между 22 и 25 тысячами евро.

Невероятную производительность также имеет ветровой генератор Siemens SWT-7.0-154. Его мощность достигает 7 МВт, а диаметр движущейся части — 154 метра. Гигант работает при минимальной скорости ветра в 3 м/с и при максимальной в 25 м/с. Трехлопастный ветряк работает на прямом приводе и на одном генераторе. Стоимость формируется индивидуально для заказчика, исходя из объемов производства и количества ветряков.

Научная модель способна выбрать месторасположение ветропарка и спрогнозировать его производительность

Ветер всегда есть в том или иной местности, но определить конкретный район размещения ветроэлектростанции немного сложнее, чем просто подняв вверх смоченный слюной палец. Теперь в распоряжении команды исследователей университета штата Пенсильвания есть модель, которая способна не только обнаружить лучшую возможную площадку для новой ВЭС, но даже помочь в составлении прогноза энерговыработки на ближайшие 24 часа.

«Обычно при планировании ветряной электростанции ищется подходящая местность со средней скоростью ветра – не слишком высокой и не слишком низкой – но постоянной», – поделился профессор географии, метеорологии и науки об атмосфере Гвидо Сервоун (Guido Cervone). Мы обнаружили более точный и эффективный способ оценить на конкретных площадках постоянство скорости ветра, т.е. ключевой фактор, учитываемый при рассмотрении вопроса о строительстве новой ветроэлектростанции. С ископаемыми источниками энергии и мирным атомом можно заранее знать, какой будет энерговыработка. Но с ветром всё не так просто».

Для производства электроэнергии важно не только местоположение, но также важно иметь возможность предсказать, сколько энергии ветра ветропарк сможет получить в течение последующих 24 часов. Когда поставщики электроэнергии закупают электроэнергию, произведенную ВЭС, они хотят надёжности. Операторы ВЭС, в свою очередь, регулярно продают выработанную электроэнергию поставщикам, но и последние также хотели бы иметь возможность планировать за сутки, какой объём первые смогут выработать.

«Поставщикам электроэнергии необходимо знать, сколько электроэнергии можно приобрести ещё за день до непосредственной покупки», – заявил г-н Сервоун, который также является по совместительству директором институт кибернетической науки при университете штата Пенсильвания. «У них должны быть надёжные источники, потому что прекращения электроснабжения допустить нельзя. Они также не хотят покупать излишки на оперативном рынке электроэнергии, потому что такие покупки, произведённые в тот же день, обходятся дороже».

Для анализа ошибок в прогнозах производства электроэнергии ветроэлектростанциями по всей стране Сервоун и Мехди Шахриар (Mehdi Shahriar), недавно получивший степень доктора наук в области энергетики и минералогии в университете штата Пенсильвания, использовали технологию «Analog Ensemble» (AnEn), разработанную американским Национальным научно-исследовательским центром по изучению атмосферы.

AnEn использует среднестатистические сведения о прошлых наблюдениях и прогнозах, охватывающих периоды от нескольких месяцев до двух лет, что является более предпочтительным вариантом. Технология составляет вероятностную модель прогноза погоды, в конкретном случае – доступности ветра для производства электроэнергии.

«Было отмечено, что в районах, где зафиксирована более высокая средняя скорость ветра, ей сопутствует и бόльшая степень неопределённости прогнозов, что усложняет успешное прогнозирование скорости ветра в таких местах», – говорится в недавнем отчёте исследователей.

Воспользовавшись прошлыми прогнозами с потенциальных площадок для размещения ветропарков, строители смогут выбрать места, вероятно, с более низкой средней скоростью ветра, но при этом более постоянной и предсказуемой.

С помощью подхода, используемого исследователям, нельзя просто ответить «да» или «нет» на вопрос о том, будет ли на некотором участке ветер. Модель используется для создания кривой распределения вероятностей наличия ветра, необходимого для генерации, основываясь на которой компании смогут принимать решения, полностью осознавая риски. Если модель покажет, что вероятность наличия ветра, достаточного для производства электроэнергии, составляет около 80 %, то как владельцы ВЭС, так и покупатели электроэнергии будут знать, что особых рисков нет. Если же вероятность составит 20 %, то, несомненно, обе стороны будут понимать, что полагаться на энергию ветра в целях генерации в некоторой местности – слишком опрометчиво.

«Раз мы сможем предсказать скорость ветра, то сможем предсказать, и сколько энергии выработаем за определённый период», – считает Сервоун.

Представленная модель показывает чрезвычайно эффективные результаты. Она берёт за основу текущий прогноз, далее просматривает среднестатистические данные на предмет совпадений и указывает фактическую скорость ветра и его продолжительность в конкретный ранее зафиксированный период времени.

«Она эффективна в вычислительном отношении», – заявляет Сервоун. «Может непрерывно работать с большими объёмами данных без особых проблем».

Источник: www.sciencedaily.com

Неравномерное размещение ветряков повысило эффективность электростанции на 30%

Juliaan Bossuyt et al. / Physical Review Fluids, 2018

Физики из Бельгии и США построили миниатюрную модель ветряной электростанции, состоящей из ста ветряков, рассмотрели 56 различных расстановок генераторов и выяснили, при какой из них мощность станции максимальна. Оказалось, что меньше всего энергии теряется в том случае, если ряды ветряков сильно неравномерно — в этом случае средняя мощность ветряка станции составляла около 60 процентов от мощности одиночного ветряка. Это примерно на 30 процентов больше, чем при равномерной расстановке ветряков. Статья опубликована в Physical Review Fluids, кратко о ней сообщает Physics, препринт работы выложен на сайте arXiv.org.

Чтобы увеличить количество электроэнергии, извлекаемой из ветра, и уменьшить стоимость постройки, ветряки часто объединяют в ветряные электростанции (также их называют фермами). Крупные ветряные электростанции содержат сотни турбин (а крупнейшие — тысячи), выстроенных в несколько рядов. К сожалению, близко расположенные ветряки поглощают импульс ветра, создают турбулентности и мешают друг другу — в зависимости от плотности расположения ветрогенераторов, погодных условий и режима эксплуатации, средняя мощность ветряка в ферме может достигать порой только 50 процентов от мощности отдельно стоящего генератора. Станции из-за этого теряют около половины доступной энергии, поэтому физики активно исследуют, как потоки воздуха распространяются внутри фермы, и пытаются уменьшить потери.

К сожалению, существующие аналитические модели только в общих чертах ухватывают динамику происходящих процессов, а численное моделирование требует слишком много ресурсов ввиду сложности уравнений гидродинамики. Тем не менее, физики смогли вывести несколько общих закономерностей, позволяющих повысить мощность фермы. Во-первых, ученые предложили увеличить интервал между ветряками, ориентированными по направлению ветра, — например, разместить их в шахматном порядке. Во-вторых, более аккуратные исследования показали, что небольшие отклонения от идеально шахматного порядка позволяют повысить мощность станции еще на несколько процентов. В третьих, в больших фермах, состоящих из нескольких рядов генераторов, важную роль играет вертикальный перенос энергии между потоками воздуха, которые направлены на турбину или пролегают около поверхности земли. Как бы то ни было, универсального правила размещения турбин, позволяющего извлечь из ветра максимум энергии, до сих пор не существует, и физики продолжают искать оптимальную конфигурацию.

Группа ученых под руководством Юлиана Боссёйт (Juliaan Bossuyt) экспериментально изучила, как расположение ветряков сказывается на мощности ветряной электростанции, и неожиданно обнаружила, что наибольшей эффективности можно добиться, размещая генераторы через неравномерные интервалы. Для этого физики построили макет миниатюрной ветряной фермы из ста ветряков, собранных в двадцать рядов (пять ветряков в каждом ряду). Численно смоделировать такую систему в настоящее время невозможно. Характерный диаметр каждого ветряка D находился в диапазоне от 2,5 до 7 сантиметров, а расстояние между рядами и ветряками в ряду составляло примерно 5—7D.

Фотография модели ветряной электростанции

Juliaan Bossuyt et al. / Physical Review Fluids, 2018

Схема модели, вид сбоку

Juliaan Bossuyt et al. / Physical Review Fluids, 2018

Давление воздуха, который обдувал мини-ветряки, было нормальным, поэтому физикам пришлось скорректировать форму ветряков, чтобы приблизить число Рейнольдса модели к числу Рейнольдса в реальной задаче. Для этого исследователи заменили турбину ветряка пористым диском, который замедляет проходящий поток воздуха. В результате число Рейнольдса для наблюдаемых потоков находилось на уровне Re ~ 10⁴, что согласуется с числами для настоящих ветряных ферм. Авторы статьи отмечают, что потоки воздуха вблизи пористого диска отличаются от потоков вокруг турбины, однако на больших расстояниях (порядка нескольких диаметров ветряка) все такие особенности перекрываются внешними турбулентностями. Следовательно, система с пористыми дисками должна хорошо моделировать реальные электростанции в соотношении 1:3000.

Модель ветряка с пористым диском

Juliaan Bossuyt et al. / Physical Review Fluids, 2018

Используя построенную механическую модель, ученые смоделировали 56 различных конфигураций ветряков и сравнили их энергетические эффективности. В основном конфигурации разбивались на три больших класса. В первом классе расстояние между рядами и ветряками в одном ряду поддерживалось постоянным. Во втором классе расстояние между соседними рядами было слегка неравномерным и составляло либо 3,5D, либо 10,5D. В третьем классе неравномерность увеличивалась еще сильнее: расстояние между рядами менялось от 1,5D до 12,5D. Во всех трех случаях ученые размещали ветряки в шахматном «правильном» порядке. Кроме того, для неравномерных схем физики рассматривали еще несколько расстановок с переменным сдвигом между ветряками в соседних рядах.

В результате исследователи обнаружили, что наибольшей эффективностью обладает сильно неравномерная схема с шахматным порядком турбин. Несмотря на то, что в рядах, которые закрывали передние близко расположенные ряды, средняя мощность турбин падала до 10–20 процентов (от мощности одиночной турбины), в остальных рядах она была близка к ста процентам, а иногда даже превышала мощность одиночной турбины. Суммарная мощность фермы при этом достигала 60 процентов. В слабо неравномерной схеме эти эффекты проявлялись более слабо, а в равномерной схеме потери энергии были еще больше, а потому средняя мощность ее турбин не превышала 45 процентов. Это согласуется с соотношениями для настоящих ветряных электростанций, которые теряют почти половину доступной энергии.

Средняя энергия ветряка в ряду в зависимости от номера ряда: случай сильно неравномерной расстановки. Конфигураций расстановок приведена над соответствующими графиками

Juliaan Bossuyt et al. / Physical Review Fluids, 2018

Средняя энергия ветряка в ряду в зависимости от номера ряда: случай слабо неравномерной расстановки. Конфигураций расстановок приведена над соответствующими графиками

Juliaan Bossuyt et al. / Physical Review Fluids, 2018

Средняя энергия ветряка в ряду в зависимости от номера ряда: случай равномерной расстановки. Конфигураций расстановок приведена над соответствующими графиками

Juliaan Bossuyt et al. / Physical Review Fluids, 2018

Тем не менее, авторы статьи отмечают, что неравномерная схема размещения ветряков имеет свои недостатки. В частности, при некоторых направлениях ветра эффективность фермы сильно падает, и схема с равномерным размещением ветряков становится более выгодной. Поэтому в будущем ученые собираются более детально исследовать взаимодействие потоков воздуха в больших ветряных фермах с тесно расположенными ветряками.

С каждым годом ветряные электростанции производят все больше и больше энергии. Например, в октябре 2017 года компании Statoil и Masdar запустили первую в мире плавучую ветряную электростанцию Hywind, мощность которой составляла около 30 мегаватт, а уже в сентябре 2018 компания Ørsted открыла аналогичную электростанцию мощностью более 650 мегаватт. Этого достаточно, чтобы обеспечить энергией почти 600 тысяч домов. Более того, ветряные электростанции так выгодны, что некоторые компании полностью отказываются от других источников энергии — в частности, в октябре этого года компания ScottishPower продала все свои тепловые электростанции, работающие на угле и газе.

Впрочем, физики стараются повысить эффективность не только ветряных электростанций, но и станций, использующих другие источники энергии. Например, в сентябре этого года китайские физики разработали «линзу» из метаматериала, которая концентрирует энергию океанских волн за счет их интерференции. Построенные прототипы усиливали амплитуду колебаний поверхности воды до трех раз и практически не создавали отраженных волн. В будущем ученые собираются использовать свою разработку, чтобы увеличить эффективность волновых электростанций.

Дмитрий Трунин

Ветрогенераторы: классификация и типы, конструкция и схема работы

Ветрогенераторы: классификация и типы, конструкция и схема работы

 

Самым актуальным и дешевым источником альтернативной энергии можно считать ветряные электростанции, ведь, как известно, ветер не зависит от расположения залежей природных ресурсов и является абсолютно бесплатным.

В связи с серьезностью положения, крупнейшие страны мира даже заключили Киотское соглашение, которое предписывает стимулировать выработку электроэнергии при помощи альтернативных источников, а также обязывает государство выкупать выработанную таким образом энергию у производителей по высоким тарифам. К альтернативным источникам энергии можно отнести и солнечную энергию, переработку бытовых отходов, использование гидротермальных вод и ряд других, однако наиболее привлекательной является именно энергия ветра. Это обусловлено в первую очередь сравнительно небольшим объемом вложения начального капитала для запуска ветряной электростанции и крайне незначительной зависимостью от необходимого сырья, потому что ветрогенератор может работать в любом месте, где есть ветер, а количество вырабатываемой электрической энергии без труда можно рассчитать с помощью научных методов.

На сегодняшний день ветряные электростанции для дома и промышленного использования уже получили достаточно широкое применение в рядовой жизни. Их можно встретить на объектах, которые удалены от основных электрических сетей. Ведь для подключения электричества приходится прокладывать дополнительные линии электропередач или использовать автономные электростанции, что дорого и не всегда целесообразно.

По расчетам специалистов, для полного обеспечения одного дома электрической энергией достаточно одного ветрогенератора мощностью 5 кВт, при условии, что скорость ветра 1,8-4,5 метра в секунду. Но, к сожалению, ветер весьма непостоянное погодное явление, поэтому желательно приобретать вместе с ветряной электростанцией резервный генератор, приводимый в действие двигателем внутреннего сгорания, или устраивать большую аккумуляторную батарею для запасания выработанной электроэнергии «впрок».

Именно поэтому, прежде чем начинать выбирать модель ветряной электростанции, необходимо проконсультироваться со специалистом, который сможет ответить на ваши вопросы и подобрать оптимальный вариант ветряной электростанции под конкретные требования.

Ветрогенератор, помимо лопастей, которые непосредственно улавливают ветер, и генератора, который преобразует энергию ветра в электрическую, как правило, включает в себя аккумуляторную батарею и инверторную установку. Аккумуляторная батарея необходима для накопления электроэнергии, которая в связи с непостоянством погодных условий просто не может вырабатываться равномерно, а также компенсировать разницу выработки при разной скорости ветра.

Инвертор, в свою очередь, преобразует постоянный ток, подающийся из аккумулятора, в переменный ток, необходимый для работы бытовых электроприборов. Таким образом, каждый элемент ветряной электростанции необходим для выполнения конкретной задачи, и его выбор должен быть обусловлен потребностями в энергии, а по техническим характеристикам подходить для остальных компонентов системы. Все же параметры должны быть предварительно рассчитаны с учетом конкретных условий энергопотребления.

Основные преимущества ветрогенераторов:

 1. Топливо для работы не требуется, основные затраты идут на установку и проведение систематических профилактических работ для стабильной работы ветрогенератора. В итоге затраты на приобретение оборудования могут окупиться уже в течение года.

2. Не требует вмешательства в работу, так как выработка электроэнергии происходит в любой момент, когда дует ветер, и благодаря аккумуляторам накапливается впрок.

3. В отличие от других видов генераторов ветряки абсолютно бесшумны. Качественно сделанные и установленные ветрогенераторы производят не больше шума, чем тот, который создает ветер, крутящий их лопасти.

4. Не уменьшается производительность в зимнее время, поскольку в отличие от солнечных панелей у ветрогенераторов в зимнее время производительность не падает, а, наоборот, вырастает за счет того, что скорость ветра в зимний период обычно выше, чем летом, что является значительным преимуществом, потому что как раз в зимний период сильно возрастает потребность в электроэнергии.

5. Ветрогенераторы можно устанавливать в любых климатических условиях, и для них подходит практически любой рельеф, но следует учитывать, что любая преграда на пути ветра, как-то деревья или дома, может снизить производительность работы ветряка до 30%, но все равно она окажется выше, чем у солнечных батарей.

6. Профилактическое обслуживание генератора следует проводить регулярно, но оно значительно облегчается тем, что при регулярном обслуживании конструкции износ, как правило, незначительный и даже в случае замены определенных компонентов не является дорогим и трудоемким занятием. Таким образом, комплексная ветро-солнечная система для стабильной работы должна включать в себя: ветрогенератор (средний срок службы 15-20 лет), солнечные панели (30-40 лет), контроллер заряда, инвертор (работают примерно по 5-10 лет) и аккумуляторные батареи, которые в зависимости от типа прослужат от 4 до 10 лет.

Такие системы обычно предназначаются для обеспечения электричеством отдельно стоящих объектов, доступ централизованной энергоподачи к которым затруднен или отсутствует. Их мощность может колебаться от 0,8 до 26 кВт и зависит только от потребления электроэнергии объектом и мощности установленного оборудования.

Неуклонное истощение природных ресурсов приводит к тому, что в последнее время человечество занято поиском альтернативных источников энергии. На сегодняшний день известно достаточно большое количество видов альтернативной энергетики, одним из которых является использование силы ветра. Энергия ветра применялось людьми с древности, например, в работе ветряных мельниц. Самый первый ветрогенератор (ветряная турбина), который служил для производства электричества, был построен в Дании в 1890 г. Такие устройства стали применяться в тех случаях, когда требовалось обеспечить электроэнергией какой-либо труднодоступный район.

Принцип действия ветрогенератора:

1. Ветер вращает колесо с лопастями, которое передает крутящий момент на вал генератора через редуктор.
2. Инвертор выполняет задачу преобразования полученного постоянного электрического тока в переменный.
3. Аккумулятор предусмотрен для подачи в сеть напряжения при отсутствии ветра.

Мощность ВЭУ находится в прямой зависимости от диаметра ветроколеса, высоты мачты и силы ветра. В настоящее время производятся ветрогенераторы, диаметр лопастей которых от 0,75 до 60 м и более. Самая маленькая из всех современных ВЭУ – G-60. Диаметр ротора, имеющего пять лопастей, всего 0,75 м, при скорости ветра 3-10 м/с она может вырабатывать мощность 60 Вт, вес ее составляет 9 кг. Такая установка с успехом применяется для освещения, зарядки батарей и работы средств связи.

Все ветрогенераторы могут быть классифицированы по нескольким принципам:

1. Оси вращения.
2. Количеству лопастей.
3. Материалу, из которого выполнены лопасти.
4. Шагу винта.

Классификация по оси вращения:

1. Горизонтальные.
2. Вертикальные.

Наибольшую популярность получили горизонтальные ветрогенераторы, ось вращения турбины которых расположена параллельно земле. Этот тип получил название «ветряной мельницы», лопасти которой вращаются против ветра. Конструкция горизонтальных ветрогенераторов предусматривает автоматический поворот головной части (в поисках ветра), а также поворот лопастей, для использования ветра небольшой силы.

Вертикальные ветрогенераторы гораздо менее эффективны. Лопасти такой турбины вращаются параллельно поверхности земли при любом направлении и силе ветра. Так как при любом направлении ветра половина лопастей ветроколеса всегда вращается против него, ветряк теряет половину своей мощности, что значительно снижает энергоэффективность установки. Однако ВЭУ такого типа проще в установке и обслуживании, поскольку ее редуктор и генератор размещаются на земле. Недостатками вертикального генератора являются: дорогостоящий монтаж, значительные эксплуатационные затраты, а также то, что для установки такой ВЭУ требуется немало места.

Ветрогенераторы горизонтального типа больше подходят для производства электроэнергии в промышленных масштабах, их используют в случае создания системы ветряных электростанций. Вертикальные часто применяют для потребностей небольших частных хозяйств.

Классификация по количеству лопастей:

1. Двухлопастные.
2. Трехлопастные.
3. Многолопастные (50 и более лопастей).

По количеству лопастей все установки делятся на двух- и трех- и многолопастные (50 и более лопастей). Для выработки необходимого количества электроэнергии требуется не факт вращения, а выход на необходимое количество оборотов.

Каждая лопасть (дополнительная) увеличивает общее сопротивление ветрового колеса, что делает выход на рабочие обороты генератора более сложным. Таким образом, многолопастные установки действительно начинают вращаться при меньших скоростях ветра, однако они применяются в том случае, когда имеет значение сам факт вращения, как, например, при перекачке воды. Для выработки электроэнергии ветрогенераторы с большим количеством лопастей практически не применяются. К тому же на них не рекомендуется установка редуктора, потому что это усложняет конструкцию, а также делает ее менее надежной.

Классификация по материалу лопастей:

1. Ветрогенераторы с жесткими лопастями.
2. Парусные ветрогенераторы.

Следует отметить, что парусные лопасти значительно проще в изготовлении, а потому менее затратные, нежели жесткие металлические или стеклопластиковые. Однако подобная экономия может обернуться непредвиденными расходами. Если диаметр ветроколеса составляет 3 м, то при оборотах генератора 400-600 об/мин кончик лопасти достигает скорости 500 км/ч. С учетом того обстоятельства, что в воздухе содержится песок и пыль, этот факт является серьезным испытанием даже для жестких лопастей, которые в условиях стабильной эксплуатации требуют ежегодной замены антикоррозийной пленки, нанесенной на концы лопастей. Если не обновлять антикоррозионную пленку, то жесткая лопасть постепенно начнет терять свои рабочие характеристики.

Лопасти парусного типа требуют замены не раз в год, а непосредственно после возникновения первого серьезного ветра. Поэтому автономное электроснабжение, требующее значительной надежности компонентов системы, не рассматривает применение лопастей парусного типа.

Классификация по шагу винта:

1. Фиксированный шаг винта.
2. Изменяемый шаг винта.

Безусловно, изменяемый шаг винта увеличивает диапазон эффективных рабочих скоростей ветрогенератора. Однако внедрение данного механизма ведет к усложнению лопастной конструкции, к увеличению веса ветрового колеса, а также снижает общую надежность ВЭУ. Следствием этого является необходимость усиления конструкции, что приводит к значительному удорожанию системы не только при приобретении, но и при эксплуатации.

Современные ветрогенераторы представляют собой высокотехнологичные изделия, мощность которых составляет от 100 до 6 МВт. ВЭУ инновационных конструкций позволяют экономически эффективно использовать энергию самого слабого ветра – от 2 м/с. При помощи ветрогенераторов сегодня можно с успехом решать задачи по электроснабжению островных или локальных объектов любой мощности.

 

Гигантская ветровая электростанция в Атлантике может обеспечить энергией весь мир — Наука

Производительность ветряных электростанций зависит от эффективности использования энергии ветра. Ветровой поток, вращая лопасти ветрогенератора, теряет энергию, а значит, скорость. Потоки воздуха, находящиеся выше, передают часть своей энергии ветру, вращающему ветрогенераторы, но, несмотря на это, эффективность работы ветровой фермы, состоящей из нескольких ветрогенераторов, снижается при увеличении их числа. Таким образом, физические свойства атмосферы задают предел выработки электричества, и для крупных ветровых ферм он был ранее определен.

Однако атмосферные процессы над океаном и сушей различаются, и, следовательно, может отличаться процесс переноса энергии к замедленным ветрогенератором воздушным потокам от свободных ветров, двигающихся выше. Ученых также привлекал тот факт, что средняя скорость ветра над океаном на 70% выше, чем над сушей.

Используя модель The Community Earth System Model, включающую данные об атмосферных процессах, океанских течениях и температуре, льдах и углеродном цикле, ученые рассчитали возможный предел выработки ветровой электроэнергии для Северной Атлантики. Минимальное значение этой величины составило 6 Вт/м², что в четыре раза превышает тот же показатель для суши.

Благодаря тому что над океаном происходит активная передача кинетической энергии (движения) от свободных воздушных течений замедленным ветровым потокам, которые вращают ветрогенераторы на высоте 30—120 метров, ветряные электростанции могут работать здесь более эффективно. Особенности атмосферы над океаном связаны с наличием в Северной Атлантике вихрей, подпитываемых струйным течением, а также с тем, что океан нагревает атмосферу, что особенно ярко проявляется в зимние месяцы.

Расчеты ученых говорят о том, что размещение ветровой фермы размером с Гренландию (2 млн км²) в Северной Атлантике принесет более чем 10 ТВт электроэнергии в год, что покроет потребности в электричестве для всей планеты. Для сравнения: ветровая электростанция такого же размера на суше не сможет обеспечить электричеством даже двух главных мировых энергопотребителей — Китай (4,1 ТВт) и США (2,9 ТВт).

Однако размещение крупных ветровых ферм в Атлантике, по расчетам ученых, скажется на климате. Так, температуры внутри самой фермы в модели были ниже на 2 градуса, тогда как в северных атлантических водах и Баренцевом море температура снизилась на 13 градусов. Ученые подчеркивают необходимость более детальных исследований основных механизмов нисходящего переноса кинетической энергии, а также возможных климатических эффектов и последствий применения ветроэнергетики.

В настоящее время нет ни одной ветряной электростанции, которая была бы установлена в глубоководной акватории и вырабатывала электроэнергию в коммерчески значимых масштабах.

Исследование опубликовано в журнале Proceedings of the National Academy of Science of the USA.

Ранее ученые разработали план для почти всех стран мира, по которому теоретически можно перейти на «зеленую» энергетику к 2015 году.

 Евгения Щербина

Проект новой морской ветряной электростанции Далянь Чжуанхэ III компании China Three Gorges

Проект

Компании China Three Gorges New Energy и Dalian Power Generation, владельцы многих шельфовых ветрогенераторных предприятий в Китае, заключили подрядный договор с Шанхайским проектно-исследовательским институтом (SIDRI) на проектирование морской ветряной электростанции в заливе Бохайвань. Строительство крупного проекта, включающего в себя 72 ветрогенератора общей мощностью 300 мегаватт и подстанцию на 220 киловольт, должно было осуществляться на дне моря со впадинами и пещерами. Также было необходимо, чтобы конструкция обеспечивала защиту башен ветрогенераторов от льда в зимние месяцы. Компания SIDRI никогда раньше не сталкивалась с проектами такого масштаба и уровня сложности.

Решение

Поскольку сроки исполнения были слишком сжатыми для применения традиционных методов 2D проектирования, SIDRI обратился к решениям 3D BIM и использовал OpenPlant и OpenBuildings для создания цифровой модели iTwin всей ветряной электростанции, в том числе для платформы морской подстанции. Проектная команда проанализировала сложный рельеф шельфа и определила места, в которых подводный грунт может выдержать нагрузку башни ветрогенератора, и оптимизировала проект фундамента. С помощью итеративного 3D-моделирования специалисты смогли внести усовершенствования во все аспекты конструкции ветряной электростанции, в частности, создать конусы для защиты от льда. За счет утолщения участка башни в форме конуса на поверхности воды был обеспечен более эффективный отвод льдин от башни, чем при более узкой поверхности. Также проектная команда создала специальную библиотеку моделей соединений стальных конструкций в приложениях Bentley для 3D проектирования, с помощью которой стало возможным автоматизировать размещение таких соединений.    

Результат

Проводя все работы в открытой единой среде данных с точной цифровой моделью iTwin, SIDRI выявил и устранил более 80 коллизий, сэкономив таким образом 400 человекодней на внесение изменений в проект, 100 человекодней на корректуру, 70 человекодней на устранение ошибок на объекте и 3 миллиона юаней дополнительных расходов. В целом, 3D проектирование и визуализация помогли проектной команде сэкономить 500 человекодней на проектирование и 50 миллионов юаней, при этом удалось оптимизировать проектные элементы и преодолеть препятствия, обусловленные особенностями рельефа и погоды. SIDRI планирует применять такие же методы проектирования в разработке морских ветряных электростанций в будущем, рассчитывая на экономию около 5 миллионов юаней на проект.

Программное обеспечение

С помощью SACS и OpenWindPower SIDRI смог проанализировать сложный рельеф местности, спрогнозировать конструкционные характеристики и оптимизировать проект фундамента. Компоненты индивидуальных цифровых 3D моделей iTwin были созданы с помощью OpenBuildings Designer, Bentley Raceway Design и Cable Management, OpenPlant и ProSteel, которые помогли повысить эффективность комплексной инженерно-технической разработки конструкции, трубопроводной системы, механических и электрических компонентов. Компания SIDRI построила открытую единую среду данных с помощью ProjectWise. Все индивидуальные элементы проектирования были объединены в Navigator, что помогло членам команды работать вместе и автоматически выявлять и устранять коллизии.

Список ПО, использовавшегося в проекте: MicroStation, Navigator, OpenBuildings Designer, OpenPlant, OpenWindPower (в том числе SACS), ProjectWise, ProSteel

Моделирование ветряных турбин | Исследование ветра

Узнайте об инструментах компьютерного моделирования ветряных турбин NREL и программных средствах моделирования.

Ветряные турбины — это уникальные устройства, которые обычно крепятся к земле, но работают в атмосфере, которая подвергает их воздействию различных крутящих моментов и нагрузок в зависимости от погодных условий. условия меняются.

Моделирование такого поведения наземных ветряных турбин достаточно сложно, но проблемы становятся еще более сложными для плавучих морских ветряных турбин, которые могут реагировать на такие условия движения и могут подвергаться волнам волн, которые могут повлиять на их работу.

Исследователи из NREL разработали различные модели компьютерного моделирования и программного обеспечения. инструменты для поддержки ветроэнергетики с современными возможностями проектирования и анализа.

FAST / OpenFAST

FAST — это инструмент автоматизированного проектирования аэроупругих материалов для ветряных турбин с горизонтальной осью. FAST — это основной инструмент автоматизированного проектирования NREL для моделирования связанных динамический отклик ветряных турбин. Это позволяет анализировать ряд ветряных турбин. конфигурации, в том числе:

• Двух- или трехлопастный ротор с горизонтальной осью
• Регулировка шага или стойла
• Ступица жесткая или качающаяся
• Ротор по ветру или по ветру
• Решетчатая или трубчатая башня
• На суше или на море
• Для морских платформ — основания с фиксированным дном или плавучие конструкции.

OpenFAST — это следующее поколение инструмента моделирования всей турбины FAST.

Имитатор для ветряных электростанций

В имитаторе для приложений ветряных электростанций (SOWFA) используется вычислительная гидродинамика. чтобы пользователи могли исследовать производительность ветряных турбин и ветряных электростанций в полный спектр атмосферных условий и местности.Инструмент позволяет исследователям и проектировщики ветряных электростанций должны исследовать и минимизировать влияние следа турбины на общая производительность завода.

Прочтите информационный бюллетень SOWFA.
Скачать SOWFA.

Проектирование и проектирование интегрированной системы ветроустановок Модель

Модель проектирования и проектирования интегрированной системы ветроустановок (WISDEM ^® ) — это набор моделей для оценки общей стоимости энергии ветряной электростанции.В моделях используются стоимость ветряной турбины и установки, а также расчетное производство энергии, так как а также финансовые модели для оценки стоимости энергии и других систем ветряных электростанций. атрибуты. Модели WISDEM включают:

• Ротор Aero
• Конструкция ротора
• Конструкция гондолы
• Конструкция башни
• Стоимость турбины
• Заводской баланс системных затрат
• Операционные расходы завода
• Завод по производству энергии
• Plant Finance.

Скачать WISDEM.

Модели и инструменты ветроэнергетики

Доступен ряд инструментов, которые обеспечивают моделирование, отображение и оптимизацию приложений ветроэнергетики.

Модель системного советника

(SAM): помогает в принятии решений людям, работающим в отрасли возобновляемых источников энергии, посредством моделирования производительности и финансового моделирования. SAM делает прогнозы производительности и оценки стоимости энергии для проектов энергоснабжения, подключенных к сети, на основе затрат на установку и эксплуатацию, а также параметров проектирования системы, указанных пользователем модели.

Модели воздействия на рабочие места и экономическое развитие (JEDI): оценка экономического воздействия от энергетических проектов. Модели ветровой энергии включают распределенный ветер, ветер коммунального масштаба и морской ветер.

Модель

Small Wind Economic Model: позволяет пользователям оценивать производительность и экономику потенциальных распределенных проектов ветряных турбин с акцентом на сертифицированные бытовые турбины.

Модель региональной системы развертывания энергии: моделирует эволюцию основной энергосистемы, генерации и передачи с сегодняшнего дня до 2050 года или позже.

Модель потенциала возобновляемой энергии (reV): дает пользователям возможность рассчитывать мощность, генерацию и стоимость возобновляемых источников энергии на основе геопространственного пересечения с сетевой инфраструктурой и характеристиками землепользования.

Модель спроса на рынке распределенной генерации (dGenTM): позволяет пользователям моделировать принятие и использование клиентами в США технологий солнечной, ветровой и накопительной энергии до 2050 г. на уровне конкретного объекта, штата и страны.

Наборы разрешений для ветроэнергетики: Включает информацию о том, как юрисдикции могут стандартизировать свои правила зонирования и процессы выдачи разрешений для обеспечения безопасного и экономичного развития ветроэнергетики, подходящего для их сообщества.Стратегии предусмотрены для крупномасштабных ветровых проектов, связанных с линиями электропередач, и небольших проектов, предназначенных для использования на месте. Этот инструментарий посвящен вопросам местного зонирования, планирования и выдачи разрешений на уровне округа или муниципалитета. Разработано Северо-западным центром ветряных ресурсов и действий.

Инструмент картирования энергетических зон: определяет области потенциальных энергоресурсов и энергетические коридоры в Соединенных Штатах.

DoD Siting Clearinghouse: дает пользователям всестороннюю ускоренную оценку энергетических проектов и их потенциального воздействия на операции Министерства обороны (DoD), такие как радар.Разработчики должны заполнить информацию для Министерства обороны перед размещением своих проектов.

West-Wide Wind Mapping Project: наносит на карту ресурсы ветровой энергии на государственных землях и определяет существующие исключения землепользования и другие потенциальные уязвимые места, которые могут повлиять на возможности развития ветроэнергетики.

Инструмент

для интеграции и оптимизации возобновляемых источников энергии (REopt ™): определяет и приоритезирует проекты возобновляемой энергии на одном объекте или в портфеле объектов в нескольких городах, штатах или странах, каждый со своими потребностями в энергии, ресурсами, целями и ограничениями. .Новый распределенный ветряной модуль в веб-инструменте REopt ™ Lite помогает менеджерам зданий и сооружений лучше анализировать данные о потреблении энергии, оценивать возможности выработки энергии и устойчивости на месте, а также оценивать затраты на системы производства и хранения энергии на коммерческих объектах.

Электронное дерево решений RE-Powering: оценивает загрязненные земли на предмет потенциала развития солнечной и ветровой энергии. Дерево принятия решений по ветроэнергетике, разработанное Национальной лабораторией возобновляемой энергии и U.Инициатива Агентства по охране окружающей среды США «RE-Powering America Land» — полезный инструмент не только для проектов на загрязненных землях, но и для общего выбора площадок.

Wind Prospector: помогает разработчикам рассматривать проблемы размещения на высоком уровне с крупномасштабными ветряными электростанциями, обеспечивая легкий доступ к наборам данных о ветровых ресурсах на основе ГИС и другим данным, имеющим отношение к размещению проектов ветроэнергетики. Разработчики Wind собирают свою собственную скорость ветра и другую информацию в местах проекта на протяжении всего процесса разработки.

База данных ветряных турбин США: позволяет пользователям находить и узнавать больше о площадках ветряных турбин на всей территории Соединенных Штатов. Эта база данных совместно финансировалась Управлением ветроэнергетических технологий Министерства энергетики США через Группу по рынкам и политике в области электроэнергии Национальной лаборатории Лоуренса Беркли, Программу геологических исследований США по энергетическим ресурсам и Американскую ассоциацию ветроэнергетики.

Платформа государственного и местного планирования в области энергетики (SLOPE): объединяет десятки отдельных источников данных об энергоэффективности, возобновляемых источниках энергии и устойчивом транспорте и анализирует их, чтобы обеспечить принятие решений на уровне штата и на местном уровне на основе данных.Эти данные включают морской ветер на уровне штата и наземный ветер на уровне штата и округа.

Закон штата о размещении ветроэнергетических установок: Предоставляет доступную для поиска базу данных всех законодательных актов штата, включая ссылки. Разработано Национальной конференцией законодательных собраний штатов.

Портал данных северо-восточного океана: обеспечивает удобный доступ к картам, данным, инструментам и информации, необходимым государственным учреждениям, неправительственным организациям и заинтересованным сторонам океана для поддержки планирования, управления и принятия решений в океане от пролива Лонг-Айленд до Персидского залива. штата Мэн.Разработано Северо-восточным региональным органом планирования.

OceanReports: позволяет пользователям рисовать настраиваемую область в любом месте в водах США или выбирать из заранее определенного списка местоположений для мгновенного получения настраиваемых отчетов. Отчеты включают инфографику и вспомогательные данные, которые можно использовать для морского планирования, получения разрешений, экологической экспертизы, связей с общественностью и т. Д. Создано Бюро управления океанической энергией Министерства внутренних дел и Национальным управлением океанических и атмосферных исследований Министерства торговли.

WindView: расширяет возможности планирования для операторов энергосистем и улучшает их понимание динамики их уникальных энергетических систем. Узнайте больше об этом инструменте визуализации прогнозов энергии ветра, созданном Национальной лабораторией возобновляемой энергии Министерства энергетики и Аргоннской национальной лабораторией, а также Техасским университетом в Далласе.

(PDF) Моделирование и моделирование ветряной электростанции мощностью 12 МВт

Достижения в области электротехники и вычислительной техники Том 11, номер 2, 2010 г.

1

Резюме. Установка ветряных турбин в энергетических системах

быстро развивалась благодаря последние 20 лет.В этом документе

представлена ​​полная имитационная модель ветряной турбины

мощностью 6 x 2 МВт с использованием данных ветряной электростанции

, установленной в Дании. Подробно представлена ​​модель ветроэнергетической установки с роторным индукционным генератором

. Выполнен набор из

симуляций, и они показывают, что

можно смоделировать полную ветряную электростанцию ​​от ветра до сети. Инструмент моделирования

может также использоваться для моделирования более крупных ветряных ферм

, подключенных к сети.

Ключевые слова — аэродинамическая система, управление углом наклона лопастей,

ветряная турбина постоянной скорости, индукционные генераторы, ветряная ферма

.

I. ВВЕДЕНИЕ

Стоимость ветровой электроэнергии

снизилась примерно на 90% за последние 20 лет. Сегодня большие новые ветряные фермы

на отличных ветровых площадках вырабатывают электроэнергию по цене

от 0,04 до 0,06 долларов США / кВтч [1, 2]. Таким образом, стоимость электроэнергии от наиболее эффективных ветряных электростанций

находится в диапазоне

, который конкурирует с ценой на электроэнергию от новых традиционных электростанций

.

Установка ветряных турбин в энергосистемах

быстро развивалась в течение последних 20 лет, и

национальные и международные темпы роста и политика

указывают на то, что это развитие будет продолжаться.

Традиционно датские ветряные турбины используют индукционные генераторы

, напрямую подключенные к сети, потому что

индукционных генераторов являются наиболее экономически эффективными и

надежными машинами для преобразования энергии [3-6].

Однако индукционным генераторам требуется реактивная мощность

для намагничивания, особенно во время запуска, что может вызвать падение напряжения, например,

. после неисправности в сети. Чтобы

преодолел такие проблемы со стабильностью, использование силовой электроники

в ветряных электростанциях может быть полезным вариантом. Сегодня,

, многие ветряные турбины используют индивидуальные преобразователи мощности,

, тогда как центральные решения, такие как STATCOM и HVDC

передачи, исследуются [8].

В этой статье представлена ​​полная имитационная модель

с использованием данных ветряной электростанции в Дании. Детально представлена ​​также модель

ветряка с индукционными генераторами мощностью 2 / 0,5 МВт.

. Системная модель, предложенная в

в этой статье, разработана в специальных инструментах моделирования энергосистемы

DIgSILENT, которая дает доступ к обширной библиотеке компонентов сети

, но требует реализации соответствующей модели ветряной турбины

.

II. МОДЕЛИРОВАНИЕ ВЕТРОВОЙ ТУРБИНЫ

Для моделирования ветряной турбины как части распределительной системы

были разработаны модели для каждого элемента

и реализованы в специальном инструменте моделирования энергосистемы

DIgSILENT.

Целью модели является моделирование динамического поведения

и электрических свойств ветряной турбины

, существующей в ветряной электростанции. Моделирование ветряной турбины

должно создать модель как можно более простую с механической точки зрения

, но способную обеспечить хорошее описание электрических характеристик ветровой турбины

.

A. Модель ветряной турбины

Модель ветряной турбины состоит из различных моделей

компонентов: модели ветра, аэродинамической модели, модели передачи

и электрических компонентов, таких как

, таких как индукционный генератор, устройство плавного пуска, конденсаторная батарея и Модель трансформатора

[4, 10-11].

Упрощенная модель ветряной турбины представлена ​​на рис. 1.

Ветровая турбина характеризуется не

размерными кривыми коэффициента мощности Cp как

как функция как отношения конечной скорости, λ, так и лопасти. шаг

угол,

θ

шаг.Передаточное отношение скорости кончика лопастей — это отношение линейной скорости

кончика лопастей к скорости ветра.

B. Модель скорости ветра

Модель скорости ветра описана в [4]. Модель wind

генерирует эквивалентную скорость ветра ueq, которая вместе с углом наклона лопастей

θ

и скоростью

вращения ротора

ω

rot обеспечивают исходные данные для аэродинамической модели.

Ветер, действующий на плоскость ротора ветряной турбины,

очень сложен и включает как детерминированные эффекты

(средний ветер, тень башни), так и стохастические вариации, обусловленные

турбулентностью.Детерминированная и стохастическая части складываются вместе, чтобы получить общую эквивалентную скорость ветра

.

В этой статье учтена турбулентность, создаваемая вращающимся ветром.

лопаток турбины.

Wind

модель

Угол лопастей

контроль

Аэродинамическая передача

система Генератор

eq

urot

T

gen

ω3000

000 9000 9000 9000 9000 9000 9000 9000 9000 9000 9000

000

лезвие

θ

hss

T

изм

P

ref

P

Трансформатор

0.96/10 кВ

Рис. 1. Блок-схема упрощенной модели ВЭУ

с постоянной частотой вращения и индукционным генератором.

МОДЕЛИРОВАНИЕ и МОДЕЛИРОВАНИЕ

ветровой фермы мощностью 12 МВт

Lucian MIHET-POPA1 и Voicu Groza2

«POLITEHNICA» Университет Тимишоара1, Университет Оттова2

B-dul V. Parvan-dul V.

[email protected]

Простая модель ветра для моделирования ветряных электростанций в JSTOR

Abstract

ABSTRACT В этой статье представлена ​​модель ветра, которая позволяет моделировать реалистичные скорости ветра над территорией ветряной электростанции.Основное предназначение этой модели — моделирование энергосистемы, где высокая скорость моделирования имеет решающее значение и где нежелательно использовать различные инструменты для запуска моделирования. Предлагаемая модель ветра сочетает в себе слишком простые модели ветра, обычно используемые при моделировании ветряных турбин в энергосистеме, и сложную модель ветра, которая представляет различные скорости ветра, возникающие в роторе ветряной турбины. Результатом является ветровая модель фермы для моделирования поведения энергосистемы ветряной электростанции.

Journal Information

Постоянно публикуемый с 1977 года, Wind Engineering является старейшим и наиболее авторитетным рецензируемым англоязычным журналом, полностью посвященным ветроэнергетике.Под руководством выдающегося редактора и редакционной коллегии Wind Engineering выходит раз в два месяца с полностью рецензируемыми вкладами активных деятелей в этой области, книжными заметками и резюме наиболее интересных статей из других источников. В Wind Engineering публикуются статьи по аэродинамике роторов и лопастей; подсистемы и узлы машин; дизайн; тестовые программы; производство и передача электроэнергии; методы измерения и регистрации; установки и приложения; а также экономические, экологические и правовые аспекты.Ветроэнергетика имеет первостепенное значение для всех, кто связан с ветром как источником энергии

Информация об издателе

Сара Миллер МакКьюн основала SAGE Publishing в 1965 году для поддержки распространения полезных знаний и просвещения мирового сообщества. SAGE — ведущий международный поставщик инновационного высококачественного контента, ежегодно публикующий более 900 журналов и более 800 новых книг по широкому кругу предметных областей. Растущий выбор библиотечных продуктов включает архивы, данные, тематические исследования и видео.Контрольный пакет акций SAGE по-прежнему принадлежит нашему основателю, и после ее жизни она перейдет в собственность благотворительного фонда, который обеспечит дальнейшую независимость компании. Основные офисы расположены в Лос-Анджелесе, Лондоне, Нью-Дели, Сингапуре, Вашингтоне и Мельбурне. www.sagepublishing.com

Оптимизация мощности ветровой электростанции за счет управления следом

Значение

Эффект следа в ветряных электростанциях может значительно снизить выработку электроэнергии и повысить ее стоимость.Здесь мы разработали схему управления следом для увеличения выработки энергии ветряными электростанциями. Метод управления в спутном следе был протестирован на группе из шести турбин коммунального масштаба, где он увеличил выработку энергии для скоростей ветра в районе средней годовой скорости от 7% до 13% и снизил изменчивость до 72% для выбранных направлений ветра в ночное время. . Эти улучшения могут способствовать повышению способности ветряных электростанций обеспечивать надежную, недорогую и эффективную базовую энергетическую нагрузку.

Реферат

Мировое производство электроэнергии все больше полагается на ветряные электростанции в качестве источника энергии с низким содержанием углерода.В недавнем специальном отчете Межправительственной группы экспертов по изменению климата (МГЭИК) прогнозировалось, что производство возобновляемой энергии должно вырасти с 20% мирового энергобаланса в 2018 году до 67% к 2050 году, чтобы глобальные температуры не повысились на 1,5 ° C по сравнению с доиндустриальными уровнями. Это увеличение требует надежного и недорогого производства энергии. Однако ветряные турбины часто размещаются в непосредственной близости от ветряных электростанций из-за ограничений, связанных с землей и линиями электропередачи, что приводит к снижению эффективности ветряной электростанции до 40% для направлений ветра, совпадающих с колоннами турбин.Чтобы увеличить выработку энергии ветряной электростанцией, мы разработали схему управления следом. Такой подход максимизирует мощность ветряной электростанции за счет смещения по рысканью, которое отклоняет следы от расположенных ниже по потоку турбин. Оптимизация была выполнена с помощью аналитического градиентного подъема для конкретного участка на основе исторических операционных данных. Протокол был протестирован на действующей ветряной электростанции в Альберте, Канада, что привело к статистически значимому (P <0,05) увеличению мощности на 7–13% для скорости ветра вблизи средней площадки и направлений ветра, которые происходят менее чем в 10% ночной работы. и 28–47% для малых скоростей ветра при тех же направлениях ветра.Управление в спутном следе также снизило изменчивость выработки энергии ветряной электростанцией на 72%. Хотя результирующий прирост годового производства энергии на этой ферме был незначительным, эти статистически значимые результаты управления следом демонстрируют потенциал повышения эффективности и предсказуемости производства энергии за счет снижения потерь в следе.

Специальный доклад 15 Межправительственной группы экспертов по изменению климата (МГЭИК) о глобальном потеплении (1) обнаружил, что нынешние темпы выбросов приведут к повышению температуры с доиндустриального уровня, равного 1.5 ° C к 2040 г. Между тем недавние исследования предсказали, что Парижское соглашение по климату (2) не сможет удержать потепление ниже заявленной цели 2 ° C (3, 4). В Специальном отчете 15 установлено, что производство электроэнергии на основе угля должно снизиться с нынешних 40% мирового производства энергии до 1–7%. В результате возобновляемые источники энергии должны компенсировать этот переход, увеличившись с 20% выработки энергии в 2018 году до 67% к 2050 году (1). Ветровая и солнечная энергия, вероятно, составят основную часть этих добавленных мощностей из-за снижения стоимости электроэнергии (5).Хотя недавние исследования (5) показали, что береговая ветровая энергия является экономически выгодной по сравнению с углем и природным газом с комбинированным циклом, такие оценки характерны для участков с надежными и надежными ветровыми ресурсами. Чтобы достичь целей Парижского климатического соглашения, ветряные электростанции должны значительно увеличиться в количестве и плотности, а также распространиться на участки с менее определенным ветровым ресурсом (6). В результате методы повышения эффективности ветряных электростанций по-прежнему имеют первостепенное значение для сокращения выбросов углерода.

Хотя основной причиной снижения эффективности ветряных электростанций является изменчивость скорости ветра, аэродинамические потери в больших массивах турбин также являются ключевой проблемой при эксплуатации ветряных электростанций (7).Из-за процесса извлечения энергии из пограничного слоя атмосферы ветровые турбины обязательно создают область следа с уменьшенным импульсом непосредственно ниже по потоку (8). Этот след снизит выработку энергии турбинами, расположенными ниже по потоку в группе. Потери мощности в следе в ветряной электростанции зависят от скорости и направления падающего ветра.

Потери в следе возникают, когда скорость ветра ниже номинального значения (9) и турбины, по крайней мере, частично выровнены по углу набегающего ветра.Средняя скорость ветра на большинстве ветряных электростанций значительно ниже расчетного значения (10). Направления ветра в турбулентном пограничном слое атмосферы по своей природе изменчивы и будут меняться в зависимости от времени суток, сезона и других геофизических параметров (11). Компоновки ветряных электростанций предназначены для извлечения максимальной прибыли с учетом исторически наблюдаемых распределений направления и скорости ветра, что обычно приводит к увеличению продольного расстояния между турбинами в наиболее распространенных направлениях ветра. Однако для других направлений ветра ветровые турбины расположены ближе друг к другу (12).В наихудших сценариях размещения ветряных турбин и направлений притока в современных ветряных электростанциях происходит потеря более 40% эффективности, когда ветер смещается в направлении, совмещенном с колоннами турбин (13).

Чтобы минимизировать аэродинамические потери между турбинами при преобладающих ветровых условиях, было найдено оптимальное продольное расстояние 10–15D, где D — диаметр турбины (14⇓ – 16). Современные турбины увеличиваются в размерах, при этом морские турбины теперь имеют диаметр ротора более 200 м (17).Соответствующее расстояние между турбинами в несколько километров значительно увеличивает стоимость линий электропередачи и землепользования (18). В результате проектировщики ветряных электростанций сталкиваются со сложной многокритериальной задачей оптимизации, которая обычно приводит к рабочему расстоянию между турбинами 6-10D (18). На этом расстоянии в современных ветряных электростанциях сохраняются значительные аэродинамические потери в следе, когда поток направлен вдоль колонн турбин, а скорость ветра ниже номинального значения (13).

В то время как влияние потерь в спутной струе на эффективность ветровой электростанции может быть большим для некоторых направлений притока, совокупное влияние на годовое производство энергии меньшими ветряными электростанциями обычно ниже, поскольку турбины хорошо разнесены в направлениях с высокой скоростью ветра.Тем не менее, влияние потерь в следе может быть значительным, как, например, в морской ветряной электростанции Хорнс Рев, где было обнаружено, что они снижают годовое производство энергии примерно на 20% (13, 19). С увеличением размера и количества ветряных электростанций (20) потери в следе становятся все более важным фактором эффективности ветряных электростанций (21). В то время как масштабы снижения эффективности, вызванного следом, будут зависеть от конкретной площадки ветряной электростанции, методы, которые могут снизить потери в следе, после разработки, вероятно, будут широко применимы к глобальному парку ветроэнергетики.Таким образом, потенциальные методы смягчения последствий следа были в центре внимания многолетних исследовательских инициатив, проводимых Министерством энергетики США, таких как кампания от атмосферы к электронам (A2e) и объект Scaled Wind Farm Technology (SWiFT) (22). Учитывая широкое потенциальное влияние метода уменьшения потерь в следе, мы разработали схему управления и протестировали ее на шести турбинах коммунального масштаба на ветряной электростанции в Альберте, Канада, для скоростей ветра и направлений, где потери в следе наблюдались исторически.Наш метод увеличил выработку энергии для этих направлений ветра от 7% до 13% для умеренных скоростей ветра вблизи площадки и до 47% для низких скоростей ветра, что представляет собой статистически значимую демонстрацию оптимизации мощности рулевого управления в спутной струе для ветряной электростанции с несколькими турбинами. .

Помимо средней выработки электроэнергии, следы ветряных турбин способствуют прерывистой работе. Прерывистое производство электроэнергии вызывается как ветровыми колебаниями в турбулентном пограничном слое атмосферы, так и внутренней нелинейностью выработки энергии ветровыми турбинами в зависимости от скорости ветра (23).Кроме того, следы турбин вносят свой вклад в отсутствие точной управляемости производства энергии ветряной электростанцией. Прерывистые возобновляемые источники энергии увеличивают потребность в дорогостоящих системах резервирования энергии, чтобы гарантировать надежность сетевых услуг (24). При низкой скорости ветра ветряные турбины могут колебаться примерно со скоростью включения в результате порывов ветра и динамического меандрирования следа (25). Методы управления, которые уменьшают изменчивость производства электроэнергии ветряными электростанциями, измеряемую здесь как SD временной записи выработки электроэнергии, могут снизить потребность в дополнительных услугах для энергосистемы (26).Наш метод, примененный на ветряной электростанции в Альберте, Канада, снизил SD производства энергии ветряной электростанцией до 72% для рассматриваемых ветровых условий.

Управление рулевым управлением по следу

В последнее время внимание было сосредоточено на уменьшении потерь в следе за счет использования протоколов управления турбиной и оптимизации систем, которые приносят в жертву индивидуальные характеристики турбины для улучшения производительности коллективной ветровой электростанции. В нескольких исследованиях была предпринята попытка оптимизировать выработку электроэнергии ветряной электростанцией за счет работы турбины, расположенной выше по потоку, в неоптимальном состоянии для повышения эффективности турбины ниже по потоку (27, 28), но результаты еще не привели к окончательному решению, которое может можно экстраполировать на произвольные конфигурации ветряных электростанций (29).

Современная работа турбины сводит к минимуму угол несоосности рыскания, который представляет собой угол между осью гондолы турбины и направлением набегающего ветра. В то время как ветряные турбины обычно демонстрируют небольшое отклонение по рысканью из-за ошибок управления, шума и неопределенности датчиков (30), цель промышленных алгоритмов управления состоит в том, чтобы минимизировать это рыскание. Когда ветровые турбины смещены относительно набегающего ветра, они создают боковое усилие, которое отклоняет область следа (31), как показано на рис.1 А . Несмотря на то, что смещенная турбина вырабатывает неоптимальную мощность, след больше не может напрямую попадать на турбину, расположенную ниже по потоку, в результате рулевого управления в следе. Применение управления в спутной струе для ветряной электростанции с шестью турбинами показано на рис. 1 B и C . Такая стратегия управления оказалась полезной для турбин с подветренной стороны в ряде экспериментов в аэродинамической трубе (32, 33) и вычислительных исследованиях (34–37). Управление по кильватерному следу также использовалось в полевом эксперименте с двумя турбинами, который продемонстрировал увеличение выработки энергии турбиной по ветру в зависимости от стабильности атмосферы (38).Влияние рулевого управления в спутном следе на сумму выработки энергии турбинами по ветру и по ветру было безрезультатным в отдельном полевом эксперименте с двумя турбинами (39). Здесь мы демонстрируем статистически значимый эффект следящего управления в полевых исследованиях с шестью турбинным агрегатом.

Рис. 1.

( A ) Ветряная турбина диаметром D наклонена под углом γ относительно набегающего ветра и вид сверху. Набегающий ветер со скоростью u∞ падает слева. Центральная линия стандартного рабочего следа без отклонения от курса будет следовать по пунктирной синей линии.Центральная линия следа по рысканию следует за сплошной красной линией. ( B и C ) Поле продольной скорости модели следа для управления отслеживанием базовой точки максимальной мощности ( B ) и оптимального управления рысканием ( C ). Скорость набегающего ветра на самой верхней турбине u∞ = 7,5 м⋅с-1, моделируются шесть турбин. След за шестой турбиной не показан, поскольку модель следа автоматически игнорирует калибровку параметров шестой турбины для повышения эффективности вычислений.

Из-за сложности экспериментов и вычислительных затрат параметрические исследования и оптимизация мощности ветряных электростанций в реальном времени ограничены предыдущими подходами (29). Таким образом, для облегчения управления с обратной связью в реальном времени требуется разработка точной и эффективной с вычислительной точки зрения модели выработки электроэнергии ветряной электростанцией в зависимости от срабатывания рулевого управления в спутном следе (40).

Оптимизация мощности для конкретного объекта

Мощность ветровой турбины, P, зависит от компоновки ветряной электростанции и условий притока.Кроме того, выработка энергии ветряной турбиной является функцией угла смещения по рысканью, а также смещения по рысканью турбин, расположенных выше по потоку, которое проявляется в виде отклонений в следе. Мы разработали аналитическую формулировку для прогнозирования выработки энергии ветровыми турбинами в зависимости от атмосферных условий и решений о несоосности ветровых турбин по рысканью. Управление в спутной струе фиксируется с помощью недавно разработанной модели подъемной линии (41). В то время как величина поворота в спутном следе (42), скорость и направление ветра (43) являются функциями вертикального размера, измерения, доступные на месте в настоящем исследовании, были ограничены точечными датчиками на высоте ступицы.В то время как включение трехмерности изогнутого следа (42) может улучшить точность модели в определенных атмосферных условиях, 2D-модели достаточно, чтобы уловить основные физические аспекты нынешнего эксперимента ветряной электростанции. Подробная информация об аналитической модели прогнозируемого следа приведена в Приложении SI . Максимизация выработки энергии ветряной электростанцией за счет использования следящего управления позиционируется как оптимизация, максимизация γ → ∑i = 1NtPis при условии γi∈ [γmin, γmax], [1] где γi — угол рыскания для турбины i, Nt — количество турбин, а γmin и γmax являются границами несоосности рыскания для каждой турбины.Уравнение 1 не является выпуклым, но может быть оптимизирован с помощью ряда алгоритмов. Подобные исследования ранее использовали генетические алгоритмы (44) или дискретные градиенты (35). Поскольку мы разработали аналитическую функцию для прогнозирования производства энергии ветряной электростанцией, уравнение. 1 можно эффективно оптимизировать, используя аналитические градиенты в сочетании с общей стратегией подъема градиента, называемой оптимизацией Адама (45).

Калибровка модели следа для конкретной площадки

Модель ( SI, приложение ) откалибрована с использованием исторических полевых данных в масштабе коммунального предприятия из пяти 1.Ветряные турбины Vestas V80 мощностью 8 МВт и одна турбина Vestas V80 мощностью 2,0 МВт на действующей ветряной электростанции в Альберте, Канада. Шесть турбин в ветряной электростанции выровнены под углом ∼335 °, где север равен 0 °, а угол продолжается по часовой стрелке до 360 ° на севере. При ветре от 335 ° турбины разнесены на ∼3,5D в преобладающем направлении ветра. Условия ветрового притока задаются установленными на гондоле системой диспетчерского управления и сбора данных (SCADA), измеряющей скорость ветра и направление гондолы.В настоящем исследовании интенсивность турбулентности не измерялась из-за ограничений оборудования ветряной турбины. Подробности измерений ветровой обстановки обсуждаются в Приложении SI . Пять лет усредненных за 1 минуту эксплуатационных данных SCADA, включая мощность, направление гондолы и скорость ветра, были использованы для калибровки константы пропорциональности предполагаемого гауссова следа и коэффициента распространения следа. Последний параметр определяет диаметр следа, который является функцией продольного расстояния после ветряной турбины.Эта модель позволяет каждой турбине иметь независимые значения для двух параметров модели, поскольку эти параметры, как известно, являются функцией условий атмосферного пограничного слоя (46), а также количества турбин против ветра (47). Параметры модели были определены с помощью аналитического градиентного спуска ( SI Приложение ). Результирующая откалиброванная модель с использованием ночных исторических фоновых данных показана на рис. 2 для притока 330 ° ± 5 ° при u∞ = 5-6 м⋅с-1 и u∞ = 7-8 м⋅с-1. Выработка электроэнергии нормирована на мощность самой ветреной турбины.Вторая турбина в среднем вырабатывает около 30% и 40% мощности предшествующей турбины при низкой и умеренной скорости ветра соответственно. Потери в следе больше при более низких скоростях ветра из-за более высокой относительной тяги, которую турбина передает полю скоростей при низких скоростях ветра.

Рис. 2.

( A и B ) Калибровка модели следа с использованием 5-летних исторических данных о мощности турбины SCADA для притока от 330 ° ± 5 ° для ( A ) u∞ = 5-6 м⋅с −1 и ( B ) u∞ = 7−8 м⋅с − 1.Планки погрешностей представляют 1 стандартное отклонение в данных. Турбина 4 — это Vestas V80 мощностью 2,0 МВт, а остальные — Vestas V80 мощностью 1,8 МВт. Нормализация выработки мощности турбиной осуществляется самой противоточной турбиной Р1.

Модель, подходящая для умеренной скорости ветра, имеет среднюю абсолютную ошибку 0,02, в то время как модель для низкой скорости ветра имеет среднюю абсолютную ошибку 0,09 (выраженную как отношение, нормированное на мощность первой турбины). Менее точная подгонка в интервале низкой скорости ветра ожидается из-за присущей ему нелинейности при эффективной скорости включения 5 м⋅с-1 для турбин Vestas V80 на интересующей площадке.В частности, выше точки включения турбина вырабатывает мощность и оказывает сопротивление жидкости, создавая зону следа. Ниже точки включения вырабатывается нулевая мощность и нет значимой области следа. Из-за динамического меандрирования следа турбины, расположенные ниже по потоку, будут колебаться между включением и отключением при очень низких скоростях ветра, а статические модели, которые учитывают только усредненное по времени поведение, также не могут уловить эту динамику (48). Это проиллюстрировано на рис. 2 A , где производство нулевой мощности происходит в пределах 1 SD от среднего.Поскольку контроллер рыскания на турбинах Vestas V80 не позволял выполнять динамические маневры рыскания, такие динамические расширения не применялись в рамках моделирования. Калибровки модели спутного следа для других направлений и скоростей притока северо-западного ветра для краткости не показаны.

План полевого эксперимента

В то время как ветряная электростанция в Альберте была спроектирована для высокоскоростного потока с юго-запада, ночные ветры с северо-западными скоростями от низких до умеренных наблюдаются летом и осенью. Настоящий эксперимент направлен на оптимизацию углов отклонения от курса для этих скоростей ветра с северо-запада, для которых существуют значительные эффекты следа.

Оптимизация несоосности рыскания была проведена с откалиброванной моделью для притока от 315 ° до 355 °, для которого наблюдаются потери в следе. Эти углы составляют ~ 8% от ночной работы ветряной электростанции, при этом почти все пробы приходятся на летний и осенний сезоны. Роза ветров с историческими данными представлена ​​в приложении SI , рис. S1 A . Оптимизация угла рыскания привела к смещению рыскания по часовой стрелке на ~ 20 ° по отношению к набегающему ветру для каждой из первых пяти турбин в колонне и нулевому смещению для турбины, которая находилась дальше всего по ветру.Из-за аппаратных ограничений систем управления рысканием ветряных турбин, только один набор углов отклонения от рыскания мог быть выбран для диапазона северо-западного притока. Следовательно, смещенные турбины постоянно смещались на 20 ° для всех северо-западных направлений притока, от 315 ° до 355 °. Хотя измерения интенсивности турбулентности не были доступны на участке ветряной электростанции, ночная работа обычно приводит к довольно низкой интенсивности турбулентности и, следовательно, к большим потерям в следе из-за подавленного перемешивания в следах (11).Подробная информация об оптимизации несоосности по рысканью приведена в приложении SI . Другие углы смещения по рысканью не тестировались из-за экспериментальных ограничений реализации и увеличения количества уникальных дней экспериментов с одним набором смещений. Более длительная продолжительность эксперимента была необходима для достижения статистической достоверности.

Настоящая стратегия оптимизации, основанная на управлении, была протестирована в полномасштабном полевом эксперименте на шести промышленных турбинах с 15 по 25 октября 2018 года.Фотография смещенных по рысканию турбин представлена ​​на рис. 3 A . Эскиз вида сверху оптимальных углов рыскания для эталонного притока с северо-запада можно увидеть на рис. 3 B .

Рис. 3.

( A ) Фотография шести турбин Vestas V80 на действующей ветряной электростанции в Альберте, Канада. ( B ) Оптимизированный перекос шести турбин, вид сверху. Поток берет начало с северо-запада, что представляет интерес для данного эксперимента по оптимизации.Турбины с первой по пятую смещены на 20 ° по часовой стрелке относительно набегающего ветра. Турбина шестерка не смещена. Координаты в метрах. ( C и D ) Мощность в зависимости от номера турбины сравнивается для базовой работы с историческими данными SCADA за 5 лет (синие кружки), экспериментальной кампанией по рысканию (зеленые треугольники) и прогнозами модели (красные ромбы). ) на основе калибровок, приведенных на рис. 2. Условия притока показаны для 330 ° ± 5 ° при ( C ) u∞ = 5-6 м⋅с-1 и ( D ) u∞ = 7− 8 м⋅с − 1.Планки погрешностей представляют 1 стандартное отклонение в данных.

Результаты полевых экспериментов

Значительное увеличение мощности по сравнению с базовой линией наблюдалось при низкой и умеренной скорости ветра с северо-запада. Влияние наведения в следе на среднее и стандартное отклонение выработки электроэнергии для условий северо-западного притока показано в таблице 1. Показаны направления и скорости ветра с более чем 15 усредненными за 1 мин выборками данных.

Таблица 1.

Шесть эффектов управления следом от ветряных турбин в масштабе коммунальных предприятий на среднее (Δm), стандартное отклонение (Δs) и скорость отклонения выработки электроэнергии по сравнению с базовой работой

Для низких скоростей ветра u∞ = 5-6 м⋅с − 1 и приток 325 ° ± 5 °, общая мощность шести турбин увеличилась со среднего временного значения 390 кВт до 570 кВт, что на 47% больше.Между тем, для притока 330 ° ± 5 ° при u∞ = 5-6 м⋅с-1 увеличение мощности составило 28% (рис. 3 C ). Большое процентное увеличение в этих случаях происходит из-за низкой выработки электроэнергии при низких скоростях ветра и близости скоростей ветра к скорости включения 5 м⋅с-1. Значительное улучшение в этих двух случаях можно объяснить отклонением восходящего следа. Частичное перекрытие в следе происходит, когда часть области ротора ветряной турбины находится в следе за встречной турбиной, в то время как другая часть находится в невозмущенном набегающем потоке.Такой случай имеет место для шести турбин с потоком от 325 ° до 330 °. Во время сценария частичного следа небольшое отклонение от курса для турбины против ветра может привести к тому, что турбина, расположенная ниже по потоку, будет работать исключительно в условиях набегающего потока. Уменьшение частичного пробуждения полезно для выработки электроэнергии и значительно снижает усталость и отказы турбины (49). Модель учитывает влияние несоосности рыскания в сценарии частичного следа, как показано на рис. 1 B и C , где следы турбин выше по потоку отклоняются от турбин ниже по потоку.Следы воздействуют на турбины, расположенные ниже по потоку, более непосредственно при 330 °, чем при 325 °. В результате для отклонения следа от турбин, расположенных ниже по потоку, требуются большие отклонения следа при 330 °, чем при 325 °. Следовательно, ожидаемое увеличение мощности выше для 325 °, где сценарий частичного следа наиболее заметен.

Для более высокой скорости ветра u∞ = 7-8 м⋅с-1 с ​​330 ° ± 5 ° общая мощность увеличилась с 1,86 МВт до 2,11 МВт, что на 13% больше (Рис. 3 D ). Процентное увеличение меньше в случаях с более высокой скоростью ветра в результате уменьшения эффекта следа на этих скоростях.

Поток, непосредственно падающий вдоль трассы колонны ветряной электростанции под углом 335 ° ± 5 °, имел место в значительной степени только при скорости ветра между u∞ = 7-8 м⋅с-1. В этих условиях выработка электроэнергии шести турбин увеличилась на 7%. Ветряные электростанции обычно располагаются в местах со средней скоростью ветра около 8 м⋅с-1 (10). Таким образом, для ветряных электростанций с аналогичным шагом в продольном направлении и прямым выравниванием в среднем ожидается увеличение мощности на 7%, наблюдаемое в этих ветровых условиях.

Управление по кильватерному следу также значительно уменьшило изменчивость суммы выработки энергии шестью турбинами, измеренной здесь как стандартное отклонение во временном ряду данных, усредненных за 1 мин (таблица 1).Уменьшение SD суммы мощности связано с уменьшением эффекта следа между турбинами. Это проявляется в заметном уменьшении процента времени, в течение которого турбины не производят мощность (сбой) при всех ветровых условиях. Стоит отметить, что все рассматриваемые здесь ветровые условия превышают скорость включения турбин Vestas V80 и, следовательно, без эффектов следа скорость отключения будет 0% для всех случаев ветровых условий. Высокие коэффициенты отключения в случае базового управления являются результатом падения скорости столкновения с данной турбиной ниже скорости включения.В результате рулевого управления в следе процент времени, в течение которого скорость снижается ниже значения включения для турбин по ветру, заметно снизился.

Модель низкого порядка способна предсказать влияние рыскания на тенденции выработки мощности в полевом эксперименте на основе калибровки с использованием только исторических данных (рис. 3 C и D ). Как и ожидалось, выработка мощности турбинной (т. Е. Самой наветренной турбины) была снижена из-за работы с несоосностью рысканья.Однако выработка энергии турбинами со второй по пятую, и особенно шестой турбиной, находящейся дальше всего по ветру, значительно увеличилась. В случае низкой скорости ветра, показанном на рис. 3 C , имеются расхождения в результате нелинейности скорости включения и динамического меандрирования следа, не зафиксированных в модели. Однако качественное совпадение с тенденциями прогнозирования модели способствует использованию данной модели для управления в реальном времени произвольными ветряными электростанциями в масштабе коммунальных предприятий.

Самым большим источником ошибок в существующей структуре моделирования является функциональная зависимость мощности от угла несоосности рысканья.В настоящем подходе предполагалось, что производство мощности как функция рыскания соответствует экспериментальному результату в аэродинамической трубе cos2 (γ) (50). Хотя эта модель достаточно хорошо работает в случае низкой скорости ветра, показанном на рис. 3 C , она неточна для случая более высокой скорости ветра, показанного на рис. 3 D . В результате, вероятно, существует функциональная зависимость показателя косинуса от скорости набегающего ветра, а также ранее сообщавшаяся зависимость от типа турбины (44) и сдвига и поворота в пограничном слое атмосферы.

Результаты увеличения мощности статистически значимы (P <0,05) по двухвыборочному критерию Колмогорова – Смирнова. Подробности статистических экспериментов приведены в документе «Материалы и методы» . Однако статистический тест не исследует доминирующие причины неопределенности, которыми являются условия притока атмосферного пограничного слоя, включая скорость и направление ветра, а также ограниченное количество уникальных дней экспериментальной кампании по рысканью. Полный набор данных доступен по адресу https: // purl.stanford.edu/rn821pp7681.

Обсуждение

Мы демонстрируем статистически значимый полевой эксперимент по управлению в спутном следе, увеличивающий выработку энергии многотурбинной ветровой электростанцией для ветровых условий, которые демонстрируют потери в спутном следе. В то время как влияние наведения в спутной струе на годовое производство энергии зависит от конкретной площадки (например, ниже 0,3% на этой ветряной электростанции), этот эксперимент служит доказательством концепции потенциала управления в спутной струе для значительного снижения потерь в спутной струе, что снижает годовое производство энергии. ветропарков (13).Управление рулевым управлением в спине также уменьшило прерывистость выработки мощности. Поскольку вспомогательные услуги по регулированию частоты требуются в масштабе времени в минутах (26), SD в отношении временных рядов производства электроэнергии, усредненных за 1 минуту, имеют отношение к планированию энергосистемы. Это демонстрирует, что управление в спутном следе может снизить непостоянство ветровой энергии и, таким образом, повысить надежность этого компонента энергосистемы. Прогресс в нашем понимании физики ветряных электростанций в сочетании с улучшениями в моделировании, проектировании и оптимизации управления еще больше повысит ценность этой технологии возобновляемых источников энергии и ее способность обеспечивать недорогую и надежную энергию для устойчивой сети.

Для достижения такого потенциального увеличения мощности глобального парка ветряных электростанций требуется эффективная вычислительная модель. Данная формулировка аналитической модели была выбрана из-за ее вычислительной эффективности, которая облегчает ее использование для управления ветряными электростанциями в масштабе коммунальных предприятий в реальном времени. Вычислительная стоимость предыдущих методов масштабируется как O (NxNy), где Nx и Ny — количество точек сетки, используемых в вычислительной области, тогда как стоимость настоящего метода масштабируется как O (Nt), где Nt — количество турбин. .Обычно для каждой турбины ветряной электростанции (34) используется O (10) точек сетки, что приводит к приблизительному масштабированию O (100Nt2). Следовательно, настоящий метод имеет вычислительное сокращение, по крайней мере, на два порядка. Это масштабирование обеспечивает калибровку модели в реальном времени и управление ветровой фермой с помощью только стандартного персонального компьютера. Учитывая, что все ветряные турбины коммунального масштаба сконструированы с контроллерами рыскания, настоящая схема управления может быть напрямую внедрена в любую действующую ветряную электростанцию, таким образом, немедленно увеличивая выработку энергии с этих площадок без дополнительных затрат.

Недавнее моделирование отметило потенциальное влияние направления несоосности рыскания на выработку энергии в упрощенном, выровненном сценарии управления в следе с двумя ветряными турбинами (51, 52). Это наблюдение не было подтверждено во всех других исследованиях управления в спутном следе и, вероятно, во многом зависит от компоновки турбины (53). Потенциальная асимметрия в выработке мощности в зависимости от направления отклонения от курса, вероятно, вызвана изогнутым трехмерным следом (42), а также изменением и сдвигом скорости ветра.Недавняя работа предполагает, что эта асимметрия связана с эффектом Кориолиса (37). Эти эффекты являются предметом продолжающейся работы по моделированию (36, 43, 54, 55) и поэтому не были включены в настоящую схему.

Помимо наблюдаемого здесь эффекта несоосности рыскания на выработку мощности, управление в спутном следе также влияет на неустойчивую нагрузку ветряной турбины и, следовательно, на механическую усталость. Теоретические и численные исследования предсказывают, что смещение по рысканью может уменьшить или увеличить механическую усталостную нагрузку на лопасти ветряной турбины в зависимости от направления смещения по рысканью (56).Однако влияние перекоса по рысканью на усталостную нагрузку является функцией конкретной ветряной турбины и системы управления, поскольку недавние исследования показали разные результаты в зависимости от интересующей ветряной турбины (49, 57). Кроме того, смещение по рысканью может уменьшить частичное перекрытие спутного следа, которое, как известно, значительно увеличивает усталостную нагрузку (58). В описанном здесь эксперименте на ветряной электростанции в Альберте частичное перекрытие следа значительно уменьшилось. Хотя усталостная нагрузка ветряной турбины не измерялась в текущем полевом эксперименте, она является предметом будущих работ и контрольно-измерительных приборов на этом полевом участке.В более общем плане, точные прогнозы влияния перекоса по рысканью на усталостную нагрузку всех ветряных турбин в ветряной электростанции, вероятно, потребуются до широкого внедрения управления в спутном следе в качестве оптимальной схемы управления для ветряных электростанций промышленного масштаба. Это является предметом текущей работы в рамках программы A2e Министерства энергетики с использованием инструмента моделирования FAST Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии (59).

Материалы и методы

Статистические тесты.

Статистическая значимость результатов экспериментальной оптимизации мощности рыскания проверялась с помощью двухвыборочного теста Колмогорова – Смирнова. Был выбран критерий Колмогорова – Смирнова, поскольку наборы данных являются ненормальными распределениями. Нулевая гипотеза состоит в том, что сумма выработки электроэнергии шестью турбинами из исходных исторических данных и экспериментальных измерений рыскания является одним и тем же распределением. Статистический тест запускается для конкретных условий притока, показанных в таблице 1. Существует более чем на порядок больше выборок из набора исторических базовых данных, чем для кампании рыскания из-за ограниченной продолжительности полевого эксперимента.Таким образом, значения P вычисляются с использованием случайной выборки из полного распределения, так что базовый набор данных имеет то же количество точек данных, что и данные эксперимента по несовпадению рыскания. Значения P затем усредняются вместе как метод Монте-Карло. Полученные значения P показаны в таблице 2. Все результаты статистически значимы (P <0,05), за исключением притока под углом 320 ° ± 5 ° со скоростью 5–6 м⋅с − 1. Образцы во время экспериментальной кампании по смещению по рысканью не являются строго независимыми, поскольку они могут возникать в аналогичных условиях атмосферного пограничного слоя.Результаты будут аналогичными, если для вычисления условных средних используются меньшие интервалы скорости или направления ветра. Полный набор данных доступен по адресу https://purl.stanford.edu/rn821pp7681.

Таблица 2.

Двухвыборочный статистический тест Колмогорова – Смирнова для нулевой гипотезы о том, что базовые исторические данные о мощности SCADA и экспериментальные данные о мощности отклонения от вертикали являются образцами одного и того же распределения

Благодарности

Мы благодарим TransAlta Corporation и TransAlta Renewables за любезно предоставив исторические эксплуатационные данные ветряной электростанции и для проведения экспериментальной кампании по смещению рыскания на действующих турбинах.М.Ф.Х. финансируется через стипендию для аспирантов Национального научного фонда в рамках гранта DGE-1656518 и стипендию для аспирантов Стэнфордского университета.

Сноски

• Автор: M.F.H. и J.O.D. спланированное исследование; М.Ф.Х. проведенное исследование; M.F.H., S.K.L. и J.O.D. добавили новые аналитические инструменты; M.F.H., S.K.L. и J.O.D. проанализированные данные; и M.F.H., S.K.L. и J.O.D. написал газету.

• Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

• Эта статья представляет собой прямое представление PNAS.

• Размещение данных: данные из этой статьи были депонированы в Стэнфордском цифровом репозитории, https://purl.stanford.edu/rn821pp7681.

• Эта статья содержит вспомогательную информацию на сайте www.pnas.org/lookup/suppl/doi:10.1073/pnas.1

  0116/-/DCSupplemental.

• Copyright © 2019 Автор (ы). Опубликовано PNAS.

Управляемая динамическая модель ветряной электростанции: WFSim

Исследовательская статья 06 мар 2018

Исследовательская статья | 06 мар 2018

Шорд Боерсма ¹ , Барт Докемейер ¹ , Мехди Вали ² , Йохан Мейерс ³ и Ян-Виллем ван Вингерден ¹ Sjoerd Boersma et al. Шорд Боерсма ¹ , Барт Докемейер ¹ , Мехди Вали ² , Йохан Мейерс ³ и Ян-Виллем ван Вингерден ¹

• ¹ Делфтский технологический университет, Делфтский центр систем и управления, Mekelweg 2, 2628 CC, Делфт, Нидерланды
• ² Группа исследований ветроэнергетических систем, ForWind, Küpkersweg 70, 26129 Ольденбург, Германия
• ³ KU Leuven, Департамент машиностроения, Celestijnenlaan 300A, B3001 Leuven, Бельгия

• ¹ Делфтский технологический университет, Делфтский центр систем и управления, Mekelweg 2, 2628 CC, Делфт, Нидерланды
• ² Группа исследований ветроэнергетических систем, ForWind, Küpkersweg 70, 26129 Ольденбург, Германия
• ³ KU Leuven, Отдел машиностроения, Celestijnenlaan 300A, B3001 Leuven, Belgium

Для корреспонденции : Sjoerd Boersma ([email protected])

Скрывать Получено: 3 октября 2017 г. — Начало обсуждения: 17 октября 2017 г. — Исправлено: 20 января 2018 г. — Принято: 6 февраля 2018 г. — Опубликовано: 6 марта 2018 г.

Аннотация. Ветровые турбины часто устанавливают вместе на ветряных электростанциях, поскольку это экономически выгодно. Управление потоком в ветряных электростанциях для снижения усталостных нагрузок, максимального производства энергии и предоставления дополнительных услуг является сложной задачей управления из-за лежащей в основе изменяющейся во времени нелинейной динамики следа.В этой статье мы представляем ориентированную на управление динамическую модель ветряной электростанции, называемую WindFarmSimulator (WFSim), которую можно использовать в алгоритмах управления ветровой электростанцией с обратной связью. Трехмерные уравнения Навье – Стокса явились отправной точкой для построения ориентированной на управление динамической модели ветряной электростанции. Затем, чтобы уменьшить вычислительную сложность, члены, связанные с вертикальным размером, либо пренебрегли, либо оценили, чтобы частично компенсировать пренебрежение вертикальным размером. Редкость и структура системных матриц делают эту модель относительно недорогой в вычислительном отношении.Мы показали, что при частичном учете вертикального измерения оценка данных о потоках, созданных с помощью высокоточной модели ветряной электростанции, улучшается по сравнению с тем, когда вертикальный размер полностью игнорируется в WFSim. Более того, мы показали, что для исследуемых случаев, рассмотренных в этой работе, WFSim потенциально достаточно быстр для использования в онлайн-среде управления с обратной связью, включая обновления параметров модели. Наконец, мы показали, что предлагаемая модель ветряной электростанции способна оценивать сигналы потока и мощности, генерируемые двумя различными трехмерными моделями ветровой электростанции с высокой точностью.

Об использовании агрегированных моделей ветряной электростанции — Pterra Consulting

( Серийную и расширенную версию этой статьи можно найти здесь)

По мере того, как к энергосистеме подключается , количество ветряных турбин увеличивается, и требуется все больше и больше исследований по объединению ветряных электростанций. Обычно ветропарк состоит из десятков, ветряных турбин и кабелей. Ветровые турбины в основном одного типа в одной конкретной ветряной электростанции, но кабели, соединяющие эти ветряные турбины , различаются по длине, мощности и конфигурации .Аналитику передачи может потребоваться избегать моделирования каждой турбины и каждого кабеля в ветряной электростанции для исследования взаимосвязи по одной или нескольким из нескольких возможных причин:

1. Настроить детальную модель трудоемко. Например, ветряная электростанция мощностью 300 МВт будет состоять из 200 ветряных турбин мощностью 1,5 МВт, соединенных между собой на уровне распределения с напряжением , например, 34,5 кВ в фидерной сети, аналогичной сети пригородного жилого комплекса. Программное обеспечение для моделирования потока энергии, короткого замыкания или анализа устойчивости может не поддерживать , несущие подробные модели для всех существующих и предлагаемых ветряных электростанций.Чтобы учесть размеры, возьмем случай системы с установленной ветровой мощностью около 5000 МВт. Для детального моделирования ветряных электростанций потребуется около 4000 моделей турбин, 5000 дополнительных узлов и такое же количество дополнительных ветвей в базе данных.
2. Подробная модель требует представления фидерных цепей уровня распределения, которые увеличивают « распространение » импедансов ветвей в модели потока мощности. «Разброс» здесь относится к диапазону импедансов, включенных в базу данных.(см. дальнейшее обсуждение распространения или разнообразия в статье «Конвергенция потока энергии»). Слишком большой разброс может привести к трудностям в решении или сведении потока мощности.

Принимая во внимание все вышеперечисленные причины, может быть достаточно объединить группы ветряных турбин в эквиваленты, которые отражают их чистое влияние на систему передачи.

Проблемы моделирования

Для типичного исследования межсоединений, состоящего из расчета потока мощности, переходной стабильности и анализа короткого замыкания, агрегированная модель ветряной электростанции должна эффективно отражать поведение ветровой электростанции в течение

.

• стационарный режим;
• переключений или коротких замыканий;
• переходный период после запланированных и незапланированных событий, таких как отказ, отключение линии, повторное включение выключателя или отключение турбины.

Компоненты, которые необходимо учитывать при агрегированном моделировании:

• Устойчивое состояние, короткое замыкание и стабильность модели отдельных турбин . Обычно на ферме используются ветряные турбины одного типа и одного производителя. Агрегирование отдельных турбин в этом случае составляет , прямое . Большинство моделей турбин обладают характеристиками агрегирования по мощности. Например, переменные модели генератора ветровой турбины GE1.5 указаны на единицу на базе MVA генератора.Чтобы смоделировать агрегатный блок, нужно изменить только базовый генератора МВА на сумму МВА отдельных турбин. Если турбины относятся к разным типам (типы ветряных турбин см. В статье о ветряных фермах), для получения хорошего эквивалента требуется более сложный процесс для агрегирования. В общем, исследования взаимосвязей предполагают, что каждая турбина имеет одинаковую скорость ветра; однако в действительности разнесение ветра по ферме таково, что некоторые турбины могут работать ниже порогового значения ветра и обеспечивать нулевую мощность, в то время как другие могут работать на полную мощность.
• Электрическая схема ветроэлектростанции. Планировка ветряной электростанции очень похожа на пригородную застройку, где «дома» или в данном случае отдельные ветряные турбины разнесены, чтобы минимизировать тени от ветра и максимально улавливать ветер. Турбины соединены между собой фидерами, которые устроены и оптимизированы аналогично загородной распределительной сети, только в этом случае они являются частью системы « коллектор ». Чем больше в хозяйстве ветряных турбин, тем сложнее коллекторная система.Для целей агрегирования, если питатель радиально , один агрегат может быть разработан для всего фидера, как показано на рисунке 1. Для определения электрического импеданса эквивалентного питателя два наиболее распространенных метода: (a) использовать суммируйте импеданса фидера до самой дальней ветряной турбины или (b) используйте практическое правило для эквивалентного импеданса, чтобы он составлял 1/3 полного импеданса фидера.
• Повышающий трансформатор характеристики. Как правило, они моделируются явно, даже если ветряные турбины агрегированы.
• Конденсаторные батареи и статические переменные устройства . Они также явно смоделированы.

На рис. 1А показана подробная ветровая электростанция с 16 турбинами, расположенными в двух радиальных питателях, а на рис. 1В — предлагаемый эквивалент с двумя агрегатами, по одному для каждого питателя. На рисунке числа в кружках представляют общее количество турбин на соответствующих автобусах. В подробной модели каждая турбина моделируется точно так же, как она электрически расположена в ветряной электростанции, и к каждой шине ветряных турбин подключена только одна турбина.В упрощенной модели две агрегированные ветряные турбины моделируются на удаленном конце каждой кабельной ветки, одна объединяет двенадцать ветряных турбин, а другая — четыре ветряных турбины.

Рисунок 1: (A) Подробная модель ветряной электростанции и ее (B) упрощенный эквивалент

Для анализа устойчивого состояния две модели показывают очень похожие рабочие характеристики. Фактически, разница между этими двумя моделями заключается в незначительных различиях в потерях мощности на кабелях, соединяющих ветряные турбины.Поскольку при анализе устойчивого состояния ветряная электростанция моделируется так, как это видно из системы, учитываются только эффекты ввода мощности в систему, а поведение внутренней ветровой электростанции не учитывается.

Для анализа устойчивости переходных процессов агрегированная модель точно представляет ветряную электростанцию, особенно когда кабели, соединяющие ветряные турбины, короткие. Однако бывают случаи, когда реакции внутренней ветровой электростанции различаются, и это приводит к значительным различиям в воздействии на систему.

Для анализа короткого замыкания , различия двух моделей в исследовании межсоединений различаются. Для ветряных турбин, которые не вносят ток короткого замыкания, выбор моделирования не имеет значения. Например, ветрогенератор с постоянным магнитом от Clipper не имеет вклада тока в рубашку цепи. Для ветряных турбин, которые вносят ток короткого замыкания, подробная модель может иметь более высокий ток, чем упрощенная модель.

Тестовый набор

В нашем тестовом примере ветряная электростанция мощностью 32 МВт, , показанная на Рисунке 1 (A), предлагается для подключения к существующей линии 115 кВ номинальной мощностью 105 МВА.В упрощенной модели ответвления фидера моделируются с полными эквивалентными импедансами , то есть соответствующим наибольшим импедансом фидера.

• Производительность в установившемся режиме: инжекция мощности в POI (точка соединения) для подробной модели и упрощенной модели составляет 31,6 МВт и 31,5 МВт соответственно, а соответствующие реактивные требования и напряжения в точке POI составляют 0,7 МВАр, 1,020 единиц. и 0,2 МВАР, 1,022 о.е., соответственно. Разница в активной и реактивной мощности возникает из-за незначительных потерь мощности и различий профиля напряжения на соединительных кабелях.Разница в мощности, выдаваемой в точке подключения к сети 115 кВ, составляет менее 1% номинальной мощности линии и не будет иметь существенного влияния на тепловые характеристики в установившемся режиме. Разница в потребляемой реактивной мощности 0,5 МВАр также не повлияет существенно на характеристики напряжения в установившемся режиме моделей. (Ферма достаточно мала, , чтобы ее можно было подключить к системе на 69 или 34,5 кВ. В этом случае тепловое воздействие и влияние напряжения от разницы в моделировании могут быть более значительными .)
• Характеристики короткого замыкания. В этом тестовом случае генератор ветряной турбины не имеет вклада короткого замыкания. Таким образом, максимальный уровень тока короткого замыкания с добавлением проекта ветра не изменится.
• Переходная стабильность работы. Модели показывают очень похожие характеристики для большинства помех, за исключением , близкого к POI . Когда трехфазное короткое замыкание применяется в точке POI, напряжение на клеммах ветряной турбины рядом с повышающим трансформатором в детальной модели (на блоках, обозначенных как «N1» и «M1», показанных на рисунке 1A) меньше, чем соответствующей агрегированной турбины в упрощенной модели.Разница в напряжении может привести к тому, что некоторые ветряные турбины в детальной модели отключатся из-за низкого напряжения, в то время как агрегированные турбины в упрощенной модели все подключены. На рис. 2 показаны результаты моделирования для тестового примера трехфазного короткого замыкания в точке интереса (A) для подробной модели и (B) для упрощенной или агрегированной модели. На рисунке 2 отслеживаются активная мощность (pbr), ток (ibr) через трансформатор и напряжение (vbus) на стороне низкого напряжения трансформатора.В случае подробной модели все четыре турбины в правой ветви (блоки от «M1» до «M4» на Рисунке 1) все отключены из-за низкого напряжения, в то время как агрегированные турбины в упрощенной модели все остаются в рабочем состоянии. Моделирование подробной модели показывает, что напряжения на клеммах для блоков от «M1» до «M4» падают достаточно низко и на достаточно долгое время, чтобы сработать защита напряжения ветряных турбин. С другой стороны, напряжения на клеммах агрегированных блоков превышают допустимые пределы.

Рисунок 2: Различные ответы (A) Детальной модели
и (B) Упрощенной модели (вывод из программного обеспечения PSLF; PSLF является коммерческим продуктом
компании General Electric Energy)

Для целей тестирования , частичный эквивалент импеданса фидера, равный 1/3 полного импеданса , применяется к упрощенной модели.Эта модель более консервативна в отношении профиля напряжения во время КЗ, чем модель с полным эквивалентным импедансом. Применяя ту же ошибку в точке POI, с 1/3 соответствующего максимального импеданса фидера, блок с сосредоточенными параметрами с 4 турбинами отключается. Это результат , аналогичный результату для случая с подробной моделью.

Еще одно примечание, примечание в тестовом примере: когда требуется повторная отправка с участием ветряной электростанции, проще включить / выключить турбины в подробной модели, чем рассчитать новый эквивалент в агрегированной модели.

Выводы

• В целом агрегированная модель обеспечивает достаточно хорошее приближение характеристик ветряной электростанции для использования в исследованиях межсетевого взаимодействия.
• Есть определенных ситуаций, когда требуется подробная модель.
  • Когда размер ветряной электростанции , подлежащей соединению, является значительным по сравнению с сетью; например, ветроэлектростанция 30 МВт к сети 34,5 кВ
  • Когда сбой применяется в точке POI или близко к ней для обеспечения устойчивости при переходных процессах
• Чтобы избежать неточностей, при моделировании коротких замыканий для обеспечения устойчивости при переходных процессах предпочтительнее использовать детализированную модель .Все другие неисправности можно моделировать с приемлемой точностью , используя упрощенную модель. Применительно к исследованиям присоединения обычно достаточно смоделировать другие ветряные электростанции, которые не являются предметом оценки, с использованием упрощенной модели.

Список литературы

1. J.G.Slootweg, W.L. Клинг, «Агрегированное моделирование ветряных парков в энергосистеме», Летнее собрание Энергетического общества, 2002 г., IEEE, том 1, 25-25 июля 2002 г. Страница (и): 503 — 508 том 1
2. М.Поллер, С. Ахиллес, «Агрегированные модели ветряных электростанций для анализа динамики энергосистемы», онлайн: http://www.digsilent.de/Consulting/Publications
3. К. Элкингтон, В. Кназкинс, М. Гандхар, «Об устойчивости угла ротора энергосистем с индукционными генераторами с двойным питанием», Power Tech, 2007 IEEE Lausanne, 1-5 июля 2007 г. Страница (и): 213 — 218
4. Руководство пользователя PSLF, август 2006 г.
Брошюра
5. Clipper Liberty.