Для решения поставленных задач в среде MatLab SimPowerSystems было выполнено имитационное компьютерное моделирование гибридной ВЭУ из состава электротехнического комплекса гарантированного электроснабжения. Моделирование работы системы производилось для ВЭУ с синхронным генератором на постоянных магнитах номинальной мощностью 5 кВт при расчетной скорости ветра 12 м/с, с ветроколесом, имеющим типовую аэродинамическую характеристику (номинальная быстроходность — Z_nom=4).
Компьютерное моделирование работы ветроколеса (ветродвигателя) в виде зависимости момента вращения от частоты при заданной скорости ветра производилось в среде Simulink согласно формулам (1) – (3) [3,4].
Между коэффициентом использования энергии ветра C_p и величиной относительного развиваемого ветроколесом крутящего момента есть связь определяемая выражением:

, (1)

где C_p — коэффициент использования энергии ветра;  — относительный крутящий момент развиваемый ветроколесом; Z — быстроходность ветроколеса.
При этом для удобства выполнения расчетов отвлеченная аэродинамическая характеристика ветроколеса по моменту была аппроксимирована полиномом 6-той степени [5]:

. (2)

Коэффициенты выражения (2), соответствующие типовой аэродинамической характеристике трехлопастного ветроколеса равны: a₆=13,6•10^-6; a₅=49,9•10^-5; a₄=69,1•10^-4; a₃=44,5•10^-3; a₂=0,125;a₁=0,093; a₀=0,025 [6].
Переход от относительного аэродинамического момента ветроколеса к крутящему моменту, развиваемому ветродвигателем проводится по формуле:

, (3)

где М_в — крутящий момент, развиваемый ветродвигателем, Н•м. R — радиус ветроколеса, м; [rho] — плотность воздуха, кг/м³ (при нормальных условиях 1,225 кг/м³); V — скорость ветра, м/с.
В ходе исследований снимались осциллограммы изменения частоты вращения и электромагнитного момента генератора, мощности на выходе генератора, мощности на нагрузке и тока заряда аккумуляторной батареи при изменении скорости ветра для аккумуляторов различного номинального напряжения. Снятие осциллограмм производилось при напряжении от 24 В (0,154 r.u.) до 120 В (0,769 r.u) с шагом 12 В.
По полученным данным о зависимости мощности ВЭУ в относительных единицах (о.е.) в установившемся режиме работы ветроагрегата от скорости ветра для различных номинальных напряжений аккумуляторной батареи, построены энергетические характеристики ВЭУ в о.е, представленные на рисунке 2. Напряжение аккумуляторной батарей измеряется в о.е. и определяется выражениемU^*=U_факт / U_хх.г., где за базисную величину принята амплитуда линейного напряжения холостого хода генератора U_хх.г.=156 В при номинальной частоте вращения.

Рисунок 2 — Энергетические характеристики ВЭУ с учетом вариации номинального напряжения аккумуляторной батарей, полученные в результате моделирования (линии) и эксперимента (звезды)

На графике видно, что с выбором большего номинального напряжения аккумуляторной батареи (U^*) увеличивается максимальная мощность ВЭУ (P^*), передаваемая в нагрузку, при номинальной (расчетной) скорости ветра для данного ветроагрегата, что является положительным моментом. Однако в тоже время происходит увеличение минимальной рабочей скорости ВЭУ, что отрицательно сказывается на эффективности работы ветроэлектрической установки в районах с преимущественно слабыми ветрами. Таким образом, в зависимости от среднегодовых ветровых условий можно определить наиболее эффективный базовый (номинальный) уровень напряжения аккумуляторной батареи, который позволит обеспечить максимальную выработку электроэнергии ВЭУ за выбранный период в месте установке ЭТК.
Адекватность разработанной компьютерной имитационной модели проверялась на автономном ЭТК с гибридной ВЭУ «Бриз 5000», расположенном на территории опытно-экспериментального полигона Национального минерально-сырьевого университета «Горный». Скорость ветра фиксировалась с помощью анеморумбометра «Ветромер–1». Данные о мощности, отдаваемой ВЭУ в нагрузку (на заряд аккумуляторов), были получены с помощью анализатора качества электроэнергии «Fluke 43B».
Экспериментальные точки (в виде «звездочек») зависимости мощности развиваемой ВЭУ от скорости ветра при различных номинальных напряжениях аккумуляторной батареи представлены на рисунке 2. 
Сходимость результатов компьютерного моделирования с данными полученными в ходе эксперимента составила не хуже 90 %.
Заключение
Разработанная компьютерная имитационная модель гибридной ВЭУ с синхронным генератором с постоянными магнитами в системе MatLab Simulink, позволила:
– выявить влияние величины номинального напряжения на аккумуляторе на выходную мощность генератора ВЭУ при непосредственном присоединение его через выпрямитель;
– выявить изменения характеристики электромагнитного момента генератора при изменении напряжения на выходе выпрямителя;
– получить характеристику изменения частоты вращения ветроколеса (генератора) при различных скоростях ветра.
Полученные зависимости могут служить для определения объема вырабатываемой электроэнергии гибридной ВЭУ от выбранного номинального напряжения промежуточного накопителя энергии постоянного тока для различных ветровых условий.

Длительность автономной работы генерирующего комплекса на базе ФЭС и СЭС совместно с аккумуляторными батареями в условиях слабого ветра и низкой освещенности определяется емкостью буферных аккумуляторных батарей.

Для обеспечения гарантированного электроснабжения потребителей используются гибридные электротехнические комплексы (ЭТК) состоящие из ВЭС, ФЭС, буферных аккумуляторов и суперконденсаторов, и генераторных установок, работающих на углеводородном топливе, наиболее распространенными из которых являются ДЭС. Использование ВЭС и ФЭС в составе гибридного комплекса с ДЭС позволяет сократить затраты на закупку, доставку и хранение дизельного топлива. При этом схема гибридного комплекса должна обеспечивать заданный уровень надежности электроснабжения потребителей, минимальный компонентный состав, высокую экономичность по расходу привозного топлива, а также должна быть построена по принципу модульности, позволяя наращивать (уменьшать) суммарную мощность комплекса по необходимости без ущерба для технико-экономических параметров всей системы электроснабжения.

Существуют различные схемы построения автономного гибридного ветро-фотоэлектрического дизельного комплекса.

Схема #1.1 «Система связанная через общую шину переменного тока (AC-bus) нормальной частоты (50 или 60 Гц)» обладает преимуществом непосредственной связи нагрузки и общей шины переменного тока (AC-bus) гибридного комплекса, обеспечивая высокую надежность электроснабжения потребителей от генерирующего комплекса. Однако, данная схема требует сложных систем управления для согласования работы различных источников энергии и поддержания частоты выходного напряжения на уровне соответствующем стандартам по качеству электрической электроэнергии.

В схеме #1.2 «Система связанная через общую шину переменного тока (AC-bus) высокой частоты (например 400 Гц)» за счет промежуточной шины высокой частоты и наличия на выходе отдельного инвертора задача поддержания частоты выходного напряжения на уровне соответствующем стандартам по качеству электрической энергии упрощается по сравнению со схемой #1.1. Однако наличие большого числа преобразователей снижает надежность такой системы и повышает сложность ее управления.

В схеме #2 «система связанная через общую шину постоянного напряжения (DC-bus)» источник постоянного тока (ФЭС, аккумулятор) может быть подключен непосредственно к шине постоянного тока или через DC/DC преобразователь. При этом в данной схеме в качестве источников переменного тока могут использоваться генераторы с переменной частотой выходного напряжения (например генераторы с постоянными магнитами), которые подключаются через DC/DC преобразователи с MPPT-алгоритмами к общей шине постоянного тока. В данной схеме не требуется синхронизация различных источников энергии, тем сам обеспечивается принцип модульности гибридного комплекса, который позволяет наращивать (уменьшать) установленную мощность комплекса в зависимости от нужд электроснабжения. Надежность электроснабжения нагрузки переменного тока достигается путем установки нескольких инверторов напряжения.

Таким образом, схема #2 гибридного комплекса наиболее подходит в качестве основной для электроснабжения различных объектов в частности минерально-сырьевой отрасли.

В качестве ВЭС целесообразно использовать в составе гибридного комплекса ветрогенераторов с многополюсными синхронными генераторами с постоянными магнитами и DC/DC-преобразователями с MPPT-алгоритмами работы. Данные ветрогенераторы работают с переменой частотой вращения ветроколеса, тем самым обеспечивают высокую эффективность преобразования энергии ветра [3].

Основным параметром при выборе фотоэлектрических модулей является КПД преобразования солнечной энергии в электричество (см. таблицу 1), от которого зависит стоимость ФЭС. При этом в настоящее время наибольшее распространение получили фотоэлектрические элементы КПД которых составляет 14÷20 % [4]. Однако, развитие технологий получения поликристаллического кремния, позволяют ожидать получение фотоэлектрических элементов с КПД до 35 % в промышленных масштабах.

Таблица 1. Основные параметры фотоэлектрических элементов

Работа ДЭС в составе автономного гибридного комплекса в условиях переменчивости нагрузки, скорости ветра и освещённости сопряжена с высокой неравномерностью загрузки дизельного агрегата, что сказывается на его эффективности — топливной составляющей стоимости 1 кВт∙ч электроэнергии [5].

Эффективный режим работы типового дизельного агрегата с асинхронным генератором работающим при постоянной частоте вращения вала обеспечивается только при загрузке станции от 70 до 100 %, в противном случае с уменьшением коэффициента загрузки ДЭС происходит резкое снижение эффективности ее работы. При этом загрузка ДЭС менее 30–40 % недопустима, так как сопровождается резким скачком удельного потребления топлива [6].

Применение дизельного агрегата с синхронным генератором на постоянных магнитах, работающим с переменной частотой вращения вала генератора позволяет повысить эффективность работы ДЭС в режимах неполной загрузки до 80 % от номинальной по сравнению с типовой ДЭС, работающей при постоянных оборотах двигателя. Таким образом, в составе автономного гибридного энергетического комплекса наиболее целесообразно использовать ДЭС с переменной частотой вала, при этом выход генератора через выпрямитель и согласующий DC/DC-преобразователь может быть соединен с шиной постоянного тока всего комплекса.

Заключение

С учетом вышеприведённого анализа на рисунке 1 представлена предлагаемая структурная схема автономного гибридного ветро-фотоэлектрического дизельного комплекса для гарантированного электроснабжения потребителей, включающая в себя ВЭС и ДЭС с синхронными генераторами с постоянными магнитами, выпрямительные устройства, ФЭС объединённые общей шиной постоянного тока с комбинированным накопитель энергии и общий инверторный выход для подключения нагрузки. Топология гибридного комплекса может варьироваться с использованием средств силовой электроники (согласующих DC/DC преобразователей) с целью минимизации габаритов и количества компонентных блоков в зависимости от необходимости наращивания или сокращения генерирующих мощностей.

Рисунок 1 — Структурная схема автономного гибридного комплекса

В предлагаемой схеме автономного гибридного комплекса необходимое количество ВЭУ, ФЭС и ДЭС определяется необходимой степенью надежности электроснабжения потребителей с учетом единичных номинальных мощностей установок и станций.

В 2012 году американский рынок малых ВЭУ увеличился на 18,4 МВт новых мощностей в сфере продаж, что составляет почти 3700 турбин и $ 101 млн. инвестиций. В общей сложности совокупная мощность малых ветряных турбин составила 216 МВт, что составляет более 155 000 единиц ветрогенераторов, проданных с 1980 года.

В России процесс установки ветрогенераторов для энергоснабжения домов или малых производственных (коммерческих) объектов только зарождается.

С использованием возобновляемых источников энергии в России ежегодно вырабатывается не более 8,5 млрд. кВт∙ч электрической энергии, без учета гидроэлектростанций установленной мощностью более 25 МВт, что составляет менее 1 % совокупного объема.

На протяжении последних 10 лет в России для развития рынка производства и использования ветроэнергетических установок активно разрабатывается и принимается нормативно-правовая база, нормативно-техническая документация, создаются некоммерческие организации и партнерства, например, такие как: РАВИ – Российская ассоциация ветроиндустрии; РВЭА – Российская ветроэнергетическая ассоциация.

В 2007 году были приняты поправки к Федеральному закону «Об электроэнергетике», заложившие рамочные основы развития отрасли. Это событие способствовало как формированию институциональных условий функционирования рынка, так и повышению инвестиционной привлекательности отрасли. В мае 2013 года Правительство РФ подписало пакет мер по поддержке возобновляемых источников энергии.

Согласно ветровому кадастру России, 40 % ее территории может эффективно использоваться для выработки электроэнергии с помощью ВЭУ [1] .

В тоже время вопрос эффективности использования малых ВЭУ и энергетических комплексов на их основе, особенно отечественного производства в условиях сурового климата России представляется недостаточно изученным.

Горным университетом приобретен электротехнический комплекс на базе малой ВЭУ «Бриз 5000» отечественного производства ЗАО «Ветроэнергетическая компания» (г. Санкт-Петербург). Энергетический комплекс предназначен для проведения научных исследований, оценки эффективности работы подобных систем, а также для автономного электроснабжения наружного освещения территории учебной опытно-экспериментальной базы университета по адресу: Ленинградская область, Тосненский р-н, пос. Ульяновка, ул. Володарского, д. 133, лит. А. Место установки ВЭУ на территории базы было выбрано с учетом обеспечения минимального затенения (торможения ветрового потока) от существующих и проектируемых зданий с учетом планов развития учебного комплекса (см. рисунок 1).

Рисунок 1 — Место установки ВЭУ на территори учебной опытно-экспериментальной базы

Основные элементы генерирующего электротехнического комплекса — ВЭУ «Бриз 5000», кислотно-гелиевые аккумуляторные батареи (АКБ), инвертор, управляемое зарядное устройство.

ВЭУ «Бриз 5000» состоит из ветроколеса с тремя лопастями из стеклопластика, которое крепится непосредственно к валу генератора на постоянных магнитах. Генератор закреплён на опорно-поворотном узле, имеющем вынесенный хвостовой флюгер, для ориентирования ветрогенератора по направлению ветра. В опорно-поворотном узле размещается токосъемник для передачи энергии от электрического генератора дальше в кабельную линию, сам узел крепится к сборной трубчатой мачте, которая удерживается в вертикальном положении двумя уровнями оттяжек.

Основные технические характеристи электрогенерирующего комплекса на базе малой ВЭУ приведены в таблице 1. 

Таблица 1. Технические характеристики комплекса

Электротехнический комплекс на базе малой ВЭУ вырабатывает  электрическую энергию по следующей схеме (см. рисунок 2):

1. ВЭУ под воздействием ветра (при скоростях от 3 м/с до 45 м/с) вырабатывает переменный ток различного напряжения, при этом частота тока непостоянна и изменятся от 10 Гц до 100 Гц.

2. Далее переменный ток непостоянной частоты преобразуется в неуправляемом (диодном) выпрямителе и поступает на клеммы АКБ для их заряда.

3. Уровень заряда АКБ контролируется с помощью реле напряжения, которое при превышении допустимого уровня в 60 В, с помощью тиристорного ключа производит переключение с АКБ на балластное сопротивление выполненное в виде трубчатого электронагревателя (ТЭН). При понижении напряжения на АКБ ниже 56 В, реле производит обратное переключение и подзаряд аккумуляторов продолжается.

4. АКБ не только накапливают электроэнергию в буферном режиме, но и выравнивают и стабилизируют уровень выходящее напряжение с генератора ВЭУ.

5. На вход инвертора от выпрямителя подается стабилизированное напряжение в зависимости от степени заряда АКБ (от 42 В до 60 В). В случае когда ток нагрузки превышает, ток вырабатываемый ВЭУ, идет разряд аккумуляторов, в противном случае происходит заряд АКБ. На выходе инвертора в зависимости от его типа получается либо однофазное напряжение (230 В), либо трехфазное (380 В). В рассматриваемом комплексе используется однофазный инвертор номинальной мощностью 6 кВт.

Рисунок 2 — Схема ветроэнергетического комплекса

В ходе эксплуатации ветроэнергетического комплекса был выявлен ряд недостатков и замечаний, влияющих на удобство эксплуатации и обслуживания комплекса, а также надежность электроснабжения потребителей (см. рисунок 3).

Рисунок 3 — Схема энергетического комплекса на базе ВЭУ «Бриз 5000» с указанием выявленных недостатков

Замечание №1: Место крепления лопастей к ступице ветроколеса и валу генератора, не защищено аэродинамическим кожухом. Под действие атмосферных осадков, открытые резьбовые соединения покрываются ржавчиной, за 2,5 года стопорная металлическая проволока разрушилась.

Замечание №2: Отсутствует устройство ручного отключения (тормоз) ВЭУ, находящееся в открытом доступе на уровне земли.

Замечание №3: В качестве питающего силового кабеля, проложенного от генератора ВЭУ до выпрямительного устройства (регулятора заряда) использован кабель марки КГ, срок службы которого составляет 4 года, согласно ТУ 16.К73.05–93 и не соответствует 20-летнему сроку эксплуатации комплекса.

Замечание №4: В качестве силового разъем на корпусе регулятора заряда на конце трехфазной питающей линии использован силовой разъем «2Р+PE», 32 А для подключения трехфазной линии.

Замечание №5: Присоединение электрических выводов генератора к токосъемнику осуществлено с использованием не защищенного (от прикосновения и атмосферных осадков) болтового соединения на изоляторах.

Замечание №6: ВЭУ не оснащена отдельным заземляющим устройством, фундаментные блоки между собой соединяются посредством стальных тросов – выполняющих роль растяжек удерживающих мачту ВЭУ в вертикальном положении.

Замечание №7: Устройство натяжения тросов (талреп), удерживающих ВЭУ в вертикальном положении, имеет маленький диапазон регулирования, который не превышает 115 мм.

Замечание №8: Условия размещения аккумуляторных батарей (АКБ) согласно инструкции выданной поставщиком/производителем ВЭУ не соответствуют требованиям производителя АКБ.

Замечание №9: Регулирование степени заряда осуществляется под управления реле напряжения «48 В». Выход из строя данного элемента приводи к перезаряду АКБ. Данный ответственный элемент (реле «48В») не зарезервирован и не имеет аварийных цепей отключения ВЭУ.

Замечание №10 и 11: В инструкции по эксплуатации ВЭУ отсутствует информация о необходимости обеспечения заземления одного из полюсов АКБ, а также отсутствуют указания о необходимости установки двухполюсного аппарата защиты на фазный (L) и нулевой рабочий (N) проводники.

В представленном комплексе особое внимание следует уделить контроллерам заряда, так как они, по сути, являются управляющими устройствами всей системы. Данные приборы предназначены для: контроля и индикации величины зарядного тока и напряжения аккумуляторных батарей; отключения батарей от источников питания при достижении напряжения предельного значения; автоматического поиска точки максимальной эффективности.

При проведении научных исследований важно, чтобы контроллер заряда имел возможность регистрации данных с последующим их сохранением и передачей на персональный компьютер. Функция регистрации данных должна быть установлена и на инверторе. В таком случае можно будет оценить эффективность работы как всей системы в целом, так и отдельных ее элементов. При изучении работы подобных энергетических систем важно уделять внимание на то, куда расходуется полученная электроэнергия.

В процессе эксплуатации работниками кафедры была произведена модернизация установленного ветроэлектрическго комплекса (ВЭК) с целью полного устранения выявленных замечаний. В настоящее время ВЭУ используется:

-   в учебном процессе студентов и магистрантов при выполнении связанных с изучением ветроэнергетики лабораторных работ;

-   в научно-исследовательской работе магистрантов и аспирантов по направлению 05.09.03 «Электротехнические комплексы и системы»;

-   в качестве демонстрационного комплекса по использованию ВИЭ, энергии ветра для слушателей курсов повышения квалификации учебно-образовательного центра «Энергосбережение и энергоэффективность»;

-   в качестве комплекса автономного электроснабжения сети электроосвещения территории опытно-эксперементальной базы, а также некоторого оборудования ситем атоматики и местного освещения развернутой передвижной буровой установки МБУ-125 расположенной на территории учебной базы.