ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ 3
ОСНОВНЫЕ НАУЧНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ
ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ 5
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ 7
Заключение 23
ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ 24
Актуальность предмета исследования. В современных условиях традиционная энергетика, основанная на углеводородах, сталкивается с большим количеством проблем и противоречий. Эти противоречия с каждым годом нарастают и в конечном счете могут привести к ее кризису, если не предпринять попытки к развитию энергетики альтернативной.
Один из вариантов решения назревших проблем - изменение баланса генерации электроэнергии в сторону расширения использования возобновляемых источников энергии (ВИЭ).
В настоящее время доля ВИЭ в общем балансе энергогенерации развитых стран постоянно растет, при этом энергия ветра является одним из наиболее доступных источников возобновляемой энергии. По данным Global Wind Energy Council, на конец 2019 года объем установленных мощностей ветроэнергетических установок (ВЭУ) в мире составил 651 ГВт. Наибольшая доля приходится на Азию (44,8 %), Европу (31,4 %) и Северную Америку (26 %). За последние два десятилетия мировой объем вырабатываемой ВЭУ электроэнергии вырос почти в 30 раз, а объем установленных мощностей ВЭУ - почти в 40 раз.
В России ветроэнергетика используется в меньшем масштабе, тем не менее, в последнее время эта отрасль в стране достаточно интенсивно развивается. Особенность ее развития заключается в том, что строительство ветроэнергетических станций (ВЭС) реализуется в основном с привлечением зарубежных компаний, таких как Siemens Gamesa Renewable Energy S.A., Vestas, Lagerwey. Согласно постановлению правительства РФ № 426 от 03.06.2008 г., иностранные партнеры обязаны не только ввозить оборудование, но и размещать его производство на территории РФ, создавая новые предприятия и рабочие места. В том числе локализуется производство крупных электрических генераторов для ВЭУ. При всех положительных эффектах этого постановления следует признать, что ни одно развитое государство не будет переносить новейшие научные разработки и инновационные индустриальные технологии на территорию другого государства. В Россию поставляется морально устаревшее, довольно часто и физически изношенное оборудование, которое отслужило свой срок и требует серьезной модернизации. Поэтому развитие собственной научной базы и соответствующей ей современной индустрии является как экономической, так и стратегической задачей. В связи с этим отечественные научно-исследовательские работы в области развития ветроэнергетики являются весьма важными и актуальными.
Степень научной разработанности проблемы. В России в области ветроэнергетики существует большое количество научных разработок.
Наиболее значимый научный вклад в развитие ВЭУ в целом и отдельных ее компонентов внесли следующие научные учреждения: Московский энергетический институт (государственный технический университет)(К. Я. Вильданов, В. А. Морозов, В. И. Нагайцев, А. В. Иванов-Смоленский, С. В. Иваницкий, Н. И. Пашков, С. А. Грузков, Н. Ф. Ильинский, В. А. Кузнецов, А. Б. Красовский, О. П. Темирев, В. Н. Остриров, В. Ф. Козаченко, А. М. Русаков), Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики (С. Г. Герман-Галкин), Уральский федеральный университет (А. Т. Пластун, Ф. Н. Сарапулов, С. Е. Миронов, Е. Н. Андреев), Ивановский государственный энергетический университет( Н. Н. Новиков, Е. Б. Герасимов, Ю. Б. Казаков, А. И. Тихонов), Самарский государственный технический университет (Ю. А. Макаричев, А. В. Стариков, Ю. В. Зубков, Э. Г. Чеботков, А. С. Ануфриев) , Липецкий государственный технический университет (В. Н. Мещеряков, А. А. Муравьев) , Томский политехнический университет (Инженерная школа энергетики) (В. М. Завьялов, С. Е. Клочков) , Уфимский государственный авиационный технический университет (Р. Н. Султангалеев, В. В. Семенов), Нижегородский государственный технический университет: ученые О. С. Хватов, В. Г. Титов, А. В. Шахов, О. Н. Ошмарин), Южно-Уральский государственный университет (Ю. С. Усынин, М. А. Григорьев, Д. А. Сычев, С. А. Ганджа).
Имеется большое количество публикаций зарубежных исследователей в наукометрических базах Scopus и Web of Science, посвященных вопросам создания машин двойного питания и систем управления ими. Следует выделить разработки следующих ученых: M. J. Harandi, S. G. Liasi, M. T. Bina, M. Niraula, L. Maharjan, L. Wei, R. J. Kerkman, R. A. Lukaszewski, M. M. Liwschitz, L. A. Kilgore, A. Pfeiffer, W. Scheidl, M. Eitzmann, E. Larsen, E. Nikravesh, Slavomir Seman, Jouko Niiranen, Reijo Virtanen, Jari-Pekka Matsinen.
Большое количество публикаций говорит о том, что многие проблемы ветроэнергетики до сих пор не решены. Основная часть научных исследований посвящена анализу электроприводов ВЭУ и способам управления ими, а вопросы, связанные с проектированием и оптимизацией самой электрической машины, в полной мере не раскрываются. Существующие CAE-системы являются основой для реализации проектных систем электрических машин. Разработанные методы нелинейного программирования позволяют создавать многоуровневые системы оптимизации, но применительно к генераторам ВЭУ эти исследования не выполнены и эти научные пробелы должны быть восполнены. В представленной диссертации предпринята попытка разработать проектную систему, сочетающую в себе методику синтеза оптимальной геометрии и анализа полученных конструкторских решений применительно к генератору двойного питания для мощных ВЭУ...
В диссертационной работе содержатся научно обоснованные теоретические положения оптимального проектирования и подробного анализа АСГ, активно использующегося в составе ВЭУ. В результате расширена существующая теоретическая база по проектированию электрических машин этого класса. На основании выполненных теоретических и экспериментальных исследований автором получены следующие основные результаты:
1. В качестве основного варианта для ВЭУ большой мощности выбран АСГ (машина двойного питания). Этот тип электрических машин позволяет без дополнительных ступеней преобразования непосредственно генерировать стандартную энергию при изменении частоты вращения ротора в широком диапазоне от 0 до сверхсинхронной скорости, что обеспечивает высокий КПД преобразования.
2. Разработана математическая модель расчета максимальных габаритов ротора при обеспечении отсутствия критических частот в рабочем диапазоне скоростей вращения. Модель, исходя из условий механической прочности и стабильности, рассчитывает минимально допустимый внутренний диаметр сердечника ротора, максимально допустимый наружный диаметр ротора и максимально допустимую длину активных частей ротора. Данная математическая модель дает возможность связать параметры механической стабильности ротора и электромагнитные параметры.
3. Разработана математическая модель электромагнитного расчета АСГ для оптимизации геометрии активных частей. В качестве независимых переменных выведены и применены обобщенные переменные, представляющие собой соотношения площадей активных зон электрической машины. В математической модели определены основные аналитические зависимости и формализованы показатели качества.
4. На основе проведенного анализа разработана подсистема синтеза АСГ, реализующая многоуровневую однокритериальную оптимизацию для различных проектных ситуаций. Система позволяет реализовать до пяти проектных ситуаций, учитывая практически все потребности реального проектирования АСГ.
5. Разработана подсистема анализа электромагнитного состояния, построенная на основе CAE-системы Ansys Electronics Desktop и включающая два этапа. На первом этапе проводятся расчеты в модуле Ansys RMxprt, который реализует метод схем замещения. На втором этапе данные передаются в модуль Ansys Maxwell 2D Design, использующий метод конечных элементов.
6. В подсистеме анализа реализована оценка теплового состояния АСГ в программной среде MATLAB SIMULINK, при этом решается связанная задача теплового и вентиляционного расчета методом схем замещения. Комплекс позволяет рассчитать динамику нагрева от пуска до установившегося режима. Разбиение реальной конструкции на большое количество однородных тел дает возможность получить требуемую точность расчета.
7. На основе проведенного исследования создана система проектирования АСГ большой мощности. Система, начиная с данных ТЗ, позволяет определить допустимые габариты ротора для дальнейшего учета в оптимизационном цикле, провести оптимизацию геометрии по заданным критериям и сделать подробный анализ электромагнитного и теплового состояния на основе современных CAD-систем. Данную проектную систему можно использовать для создания генераторов этого класса другого назначения.
Дальнейшее направление исследования
Дальнейшее направление данного исследования предполагает создание точной методики анализа критических частот ротора методом конечных элементов. В перспективе разработанную проектную систему можно включить в комплекс сквозного проектирования АСГ для мощных ветроустановок.
Помощь студентам и аспирантам в выполнении работ от наших партнеров
