Анотація до роботи:

Пекур П.П. Імовірнісні характеристики навантажувальних режимів роботи вітроелектричних установок з асинхронними генераторами.
– Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.14.08 – перетворювання відновлюваних видів енергії. – Інститут відновлюваної енергетики НАН України, Київ, 2009.

Дисертація присвячена розробленню стохастичних математичних моделей динамічних навантажень ВЕУ з асинхронними генераторами для визначення імовірнісних характеристик параметрів навантажувального режиму роботи. Удосконалено стохастичну модель турбулентності повітряного потоку в приземному шарі атмосфери. Отримано аналітичний вираз та кількісні оцінки електромеханічної сталої часу ВЕУ. Обґрунтовано використання квазістатичного методу для визначення та дослідження імовірнісних характеристик ВЕУ. Розроблено стохастичні математичні моделі потужності та сили лобового тиску на ротор ВЕУ, визначені імовірнісні характеристики. Основні результати роботи знайшли застосування у конструкторських організаціях та машинобудівних підприємствах при розробці і створенні ВЕУ потужністю 15, 37, 100, 220 і 500 кВт.

В дисертаційній роботі вирішено важливу науково-прикладну задачу створення теоретичних основ визначення імовірнісних характеристик параметрів навантажувального режиму роботи ВЕУ в турбулентному повітряному потоці. Отримані імовірнісні математичні моделі, кількісні показники електромеханічної сталої часу та режимні обмеження дозволяють проектувати ВЕУ з врахуванням фактичних випадкових зусиль та навантажень систем ВЕУ, що підвищує надійність, ефективність та ресурс їх роботи.

В роботі одержані наступні наукові та практичні результати:

1. Запропоновано описувати мінливість швидкості вітру в приземному шарі атмосфери безумовним розподілом осереднених на 10-и хвилинному інтервалі значень швидкості вітру та умовним законом розподілу її пульсацій. Такий підхід дозволив більш адекватно описувати динаміку реального повітряного потоку. Умовний розподіл пульсацій швидкості вітру апроксимується функціональним ортогональним рядом, побудованим на основі поліномів Чебишева-Ерміта. Коефіцієнти ряду визначаються через статистичні числові характеристики розподілу експериментальних даних. Перевагою розкладання є збереження статистичних моментів початкової функції розподілу. Встановлено, що нехтування відхиленням розподілу швидкості вітру від нормального при апроксимації щільності імовірності пульсацій швидкості вітру приводить до появи похибки в 12…80%.

2. Удосконалено стохастичну модель турбулентності повітряного потоку в приземному шарі атмосфери на 10-и хвилинному інтервалі осереднення, в якій, на відміну від існуючих моделей, враховуються відхилення функції розподілу швидкості вітру від нормального закону, що дозволило оцінити вплив шорсткості земної поверхні, характеру сталості атмосфери, висоти вимірювання на імовірнісні характеристики навантажувальних режимів роботи ВЕУ і зменшити похибку у їх визначенні. Реалізація стохастичної моделі базується на перетворенні псевдовипадкових чисел, рівномірно розподілених на інтервалі (0, 1), у дискретну послідовність випадкових значень швидкості вітру. Стохастична модель швидкості вітру разом з математичною моделлю динаміки руху електромеханічної системи ВЕУ складають основу для визначення імовірнісних характеристик параметрів навантажувального режиму її роботи методом статистичних випробувань.

3. Отримано кількісні оцінки електромеханічної сталої часу ВЕУ з асинхронними генераторами у навантажувальному режимі роботи паралельно з електричною системою. Числове значення сталої часу залежить від жорсткості механічних характеристик ротора ВЕУ, генератора та сил опору. У діапазоні робочих швидкостей вітру жорсткість механічної характеристики генератора на порядок перевищує жорсткість механічної характеристики ротора ВЕУ і обумовлює практичну сталість електромеханічної сталої часу при зміні кута повороту лопатей як за флюгерного, так і антифлюгерного режимів керування.

14

Для ВЕУ потужністю 4-500 кВт електромеханічна стала часу складає 0,5 – 0,08 с і зменшується з ростом потужності.

4. Обґрунтовано можливість використання квазістатичного методу для дослідження та визначення імовірнісних характеристик параметрів навантажувального режиму роботи ВЕУ з асинхронними генераторами. Це обумовлено тим, що інтервал кореляції швидкості вітру на 1-2 порядки перевищує електромеханічну сталу часу ВЕУ. Таке співвідношення свідчить про практично безінерційне відпрацювання електромеханічною системою змін швидкості вітру, а визначення імовірнісних характеристик зводиться до нелінійних безінерційних перетворень.

5. Розроблено стохастичну математичну модель сили лобового тиску на ротор ВЕУ. Математична модель являє собою систему нелінійних параметричних рівнянь, що визначає зв`язок між щільностями імовірностей і розподілами швидкості вітру та сили лобового тиску з врахуванням нелінійності аеромеханічної характеристики. Стохастичні характеристики випадкового процесу зміни сили лобового тиску дозволили визначити імовірність перевищення її миттєвим значенням заданого рівня та тривалість цього перевищення, що надає можливість з`ясувати закономірності накопичення утомних пошкоджень та виконати розрахунки на циклічну довговічність лопатей, башти та фундаменту ВЕУ.

6. Розроблено стохастичну математичну модель потужності ВЕУ, яка являє собою систему нелінійних параметричних рівнянь, що встановлюють зв`язок між щільністю імовірності і розподілом швидкості вітру та щільністю імовірності і розподілом потужності ВЕУ. Модель враховує неоднозначність та немонотонність функціональної залежності потужності ВЕУ від швидкості вітру. Імовірнісні характеристики потужності дозволили встановити співвідношення тривалості періодів роботи з повним і частковим навантаженням, величину та тривалість перевантаження генератора, тривалість роботи в режимі двигуна та величину споживаної при цьому енергії. Для
ВЕУ-220 за номінальної швидкості вітру (v_н=11 м/с) на оптимальних кутах повороту лопатей (_л = 0…1^о) імовірність перевантаження генератора при передавальному числі мультиплікатора k_м = 31,5 складає 50…55%. Зміна передавального числа мультиплікатора з 31,5 на 50,0 приводить до аеродинамічної стабілізації потужності. Нехтування відхиленням розподілу швидкості вітру від нормального при визначенні тривалості роботи генератора в режимі двигуна приводить до похибки в 35%.

7. Встановлено, що імовірнісні оцінки участі ВЕУ у покритті максимуму навантаження електричної системи в грудні-січні місяцях практично однакові для періодів тривалістю 62, 45 та 30 діб. Середня потужність ВЕУ у зазначені періоди складає 27…30% від номінального значення, а імовірність простоїв – 26…31%.

8. Результати дисертаційної роботи знайшли застосування у конструкторських організаціях та машинобудівних підприємствах при розробці і створенні вітчизняних ВЕУ потужністю 15, 37, 100, 220 і 500 кВт. Результати

15

роботи рекомендуються для подальшого використання на підприємствах і організаціях, що займаються проектуванням, будівництвом і експлуатацією вітроелектричних установок (КБ «Південне», м.Дніпропетровськ; «Укренергомережпроект», м.Харків; «Кримдіпроводгосп», м.Сімферополь; підприємствах Мінпромполітики України та промислових ВЕС).

Публікації автора:

1. Режимы работы ветроэлектрических установок с генераторами постоянного тока / Г.И. Денисенко, П.Ф. Васько, А.А. Брыль, П.П. Пекур // Электричество. – 1986. - № 4. – С. 7-11.

2. Ветроэлектрические станции мощностью 100-1000 кВт в условиях Крыма / П.Ф. Васько, А.А. Брыль, В.И. Валенко, В.Я. Зинченко, П.П. Пекур // Энергетика и электрификация. – 1989. - № 4. – С. 27-29.

3. Экспериментальное определение энергетических характеристик ветроэлектрической установки с вертолётными лопастями / А.А. Брыль,
В.И. Валенко, О.Г. Денисенко, П.П. Пекур // Преобразование и стабилизация параметров электроэнергии: cб. науч. трудов. – К.: Наукова думка, 1990.
– С. 110-114.

4. Денисенко Г.И. Стохастическое моделирование параметров ветра для задач ветроэнергетики / Г.И. Денисенко, П.Ф. Васько, П.П. Пекур // Изв. АН СССР. Энергетика и транспорт. – 1990. - № 2. – С. 109-115.

5. Энергетика автономных ветроустановок / Г.И. Денисенко,
П.Ф. Васько, А.А. Брыль, П.П. Пекур // Изв. АН СССР. Энергетика и транспорт. – 1990. - № 3. – С. 130-135.

6. Васько П.Ф. Управление пуском и остановкой ветроэлектрического агрегата в функции скорости ветра / П.Ф. Васько, А.Т. Ведев, П.П. Пекур // Проблемы создания и использования возобновляемых источников энергии: сб. науч. работ. – К.: Ин-т электродинамики АН Украины, 1991. – С. 53-59.

7. Брыль А.А. Система генерирования электрической энергии для ветроэлектрического агрегата мощностью 500 кВт / А.А. Брыль, П.Ф. Васько, П.П. Пекур // Энергетика и электрификация. – 1992. - № 1. – С. 48-50.

8. Васько П.Ф. Управление режимами работы системы генерирования электрической энергии ветроэлектрического агрегата мощностью 500 кВт / П.Ф. Васько, А.А. Брыль, П.П. Пекур // Энергетика и электрификация. – 1992.
- № 2. – С. 47-50.

9. Васько П.Ф. Математическая модель для выбора асинхронных генераторов двухмашинных ветроагрегатов / П.Ф. Васько, П.П. Пекур // Электричество. – 1992. - № 2. – С. 36-39.

10. Брыль А.А. Система генерирования электрической энергии на основе асинхронных машин с короткозамкнутым ротором для автономных ветроэлектрических установок / А.А. Брыль, П.Ф. Васько, П.П. Пекур //

Регулируемые асинхронные двигатели: сб. науч. трудов. – К.: Ин-т электродинамики АН Украины, 1992. – С. 39-44.

16

11. Васько П.Ф. Определение технических показателей эффективности использования ветроэлектрических агрегатов в Украине / П.Ф. Васько,
А.А. Брыль, П.П. Пекур // Енергетика и электрификация. – 1995. - № 2.
– С. 48-51.

12. Васько П.Ф. Імовірнісні характеристики участі вітроелектричних станцій у покритті максимуму навантаження електросистеми / П.Ф. Васько, П.П. Пекур // Технічна електродинаміка. – 2002. - № 6. – С. 46-49.

13. Пекур П.П. Аналітичне зображення щільності ймовірності та функції розподілу швидкості вітру / П.П. Пекур // Відновлювана енергетика. – 2005.
- № 2. – С. 53-58.

14. Пекур П.П. Стохастичне моделювання динаміки повітряного потоку в приземному шарі атмосфери за довільної функції розподілу швидкості вітру / П.П. Пекур // Відновлювана енергетика. – 2005. - № 3-4. – С. 29-33.

15. Васько П.Ф. Електромеханічна стала часу вітроелектричних установок з асинхронними генераторами в навантажувальних режимах роботи /
П.Ф. Васько, П.П. Пекур // Відновлювана енергетика. – 2006. - № 2. – С.49-55.

16. Пекур П.П. Режимні обмеження на параметри роботи вітроелектричних установок під навантаженням / П.П. Пекур // Технічна електродинаміка. – 2007. - № 5. – С. 70-76.

17. Бриль А.О. Статистична оцінка участі вітроелектричних станцій у покритті максимуму навантаження електросистеми / А.О. Бриль, П.Ф. Васько, П.П. Пекур // Вітроенергетика України. – 2002. - № 1. – С. 12-14.

18. Определение эффективности преобразования энергии ветра экспериментальной ветроэлектрической установкой мощностью 20 кВт /
А.А. Брыль, В.И. Валенко, С.В. Корниенко, П.П. Пекур // Проблемы преобразовательной техники: IV Всесоюз. науч.-техн. конф., сентябрь 1987 г. : тезисы докл. – Киев, 1987. – С. 37-38.

19. Пекур П.П. Методи дослідження ймовірнісних характеристик вітроелектричних установок / П.П. Пекур // Нетрадиционная энергетика XXI века: V междунар. конф., 23-27 сентября 2004 г.: тезисы докл. – Крым, 2004.
– С. 176-178.

20. Пекур П.П. Режимні обмеження роботи вітроелектричних установок / П.П. Пекур // Відновлювана енергетика XXI століття: VI міжнар. конф., 19-23 вересня 2005 р.: тези допов. – Крим, 2005. – С. 108-110.

21. Пекур П.П. Імовірнісні характеристики аеромеханічних та електричних навантажень вітроелектричної установки / П.П. Пекур // Відновлювана енергетика XXI століття: VIII міжнар. конф., 17-21 вересня
2007 р.: тези допов. – Крим, 2007. – С. 135-137.

17