SMALL HYDROPOWER PLANTS AND EFFECTIVE HYDROPOWER UNITS FOR THESE PLANTS
The article deals with a review of the prospects of small hydropower plants in Ukraine. The requirements for its part in the whole energy production system in comparison with developed countries are shown. Some potential opportunities in the area of reconstruction of small hydropower plants and desi...
Збережено в:
| Дата: | 2018 |
|---|---|
| Автори: | , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Українська |
| Опубліковано: |
Institute of Renewable Energy National Academy of Sciences of Ukraine
2018
|
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://ve.org.ua/index.php/journal/article/view/182 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Vidnovluvana energetika |
| Завантажити файл: |  |
Репозитарії
Vidnovluvana energetika| _version_ | 1871103204599529472 |
|---|---|
| author | Permynov, Y. Monakhov, E. |
| author_facet | Permynov, Y. Monakhov, E. |
| author_institution_txt_mv | [
{
"author": "Y. Permynov",
"institution": "Institute of Renewable Energy, NAS of Ukraine"
},
{
"author": "E. Monakhov",
"institution": "National Technical University of Ukraine «Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute»"
}
] |
| author_sort | Permynov, Y. |
| baseUrl_str | https://ve.org.ua/index.php/journal/oai |
| collection | OJS |
| datestamp_date | 2026-07-18T06:32:12Z |
| description | The article deals with a review of the prospects of small hydropower plants in Ukraine. The requirements for its part in the whole energy production system in comparison with developed countries are shown. Some potential opportunities in the area of reconstruction of small hydropower plants and design of new plants are determined. At the present day, general energy forecast of small hydropower energy in Ukraine is estimated by 1240 MW. A constructive scheme of an effective hydro generator for small hydropower plant is proposed. Its main geometric relationships are provided. The previous experience of designing the low head small hydropower plants is used. The usage of a synchronous generator with high-density energy permanent magnet excitation (rare-earth permanent magnets NdFeB, SmCo) for hydropower units is proposed. It allows to simplify its design, increase reliability. The replacement electromagnetic excitation by permanent magnet excitation allows to exclude slipping rings, decrease power losses. The comparison of different synchronous permanent magnet generators for these electric stations is provided. Their constructive features are described. Also, some recommendations are given for its usage. A new design of synchronous generator with combined excitation is proposed. Its output characteristic is given, namely natural and stabilized external characteristic of a generator. The proposed generator with combined excitation allows substantially decrease total price due to the minimization expenses on electronic semiconductor converters. |
| doi_str_mv | 10.36296/1819-8058.2018.4(55).64-72 |
| first_indexed | 2025-07-17T11:37:32Z |
| format | Article |
| fulltext |
ГІДРОЕНЕРГЕТИКА ISSN 1819-8058
Відновлювана енергетика. 2018. № 4 64
УДК 621.311.212
МАЛЫЕ ГЭС И ЭФФЕКТИВНЫЕ ГИДРОАГРЕГАТЫ
ДЛЯ ЭТИХ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ
Ю.Н. Перминов1, кандидат техническних наук, Е.А. Монахов2
1Институт возобновляемой энергетики НАН Украины,
02094 ул. Гната Хоткевича, 20А, г. Киев
2Национальный технический университет Украины «Киевский политехнический институт имени Игоря Сикорского»,
03059 пр-т Победы, 37, г. Киев
В статье рассматриваются перспективы развития малой гидроэнергетики в Украине и указаны требования о доле этой
энергетики в структуре мощностей в сравнении с развитыми странами, определены потенциальные возможности по ре-
конструкции и восстановлению малых гидроэлектростанций, строительству новых гидроэлектростанций. На сегодняш-
ний день общие прогнозы величины развития малой гидроэнергетики в Украине составляют 1240 МВт. Предложена кон-
структивная схема эффективного гидроагрегата для малой гидроэлектростанции и приведены основные геометрические
соотношения. При этом использован предыдущий опыт по созданию низконапорных малых гидроэлектростанций. В рабо-
те предлагается использовать синхронные генераторы с возбуждением от постоянных магнитов с высокой удельной
энергией (редкоземельные постоянные магниты NdFeB, SmCo) в качестве гидрогенераторов, что позволяет упростить их
конструкцию, повысить их надежность. Замена электромагнитного возбуждения на магнитоэлектрическое позволяет
исключить скользящие контакты, уменьшить потери, устранив их в обмотке возбуждения ротора и повысить надеж-
ность. Проведено сравнение различных конструкций синхронных генераторов с возбуждением от постоянных магнитов
для этих электростанций; описаны их конструктивные особенности, а также даны рекомендации по их применению.
Предложена и исследована конструкция синхронного генератора смешанного возбуждения, приведены его выходные ха-
рактеристики, а именно – естественная и стабилизированная внешние характеристики генератора. Рассмотренный ва-
риант генератора с комбинированным возбуждением позволяет существенно снизить стоимость установки за счет ми-
нимизации расходов на электронные полупроводниковые преобразователи. Библ. 12, рис. 3.
Ключевые слова: малая гидроэнергетика; гидроагрегаты; синхронные генераторы; постоянные магниты; выходные ха-
рактеристики.
SMALL HYDROPOWER PLANTS AND EFFECTIVE HYDROPOWER UNITS
FOR THESE PLANTS
Y. Permynov1, candidate of technical sciences, E. Monakhov2
1Institute of Renewable Energy, NAS of Ukraine
02094, 20A Hnata Khotkevicha Street, Kyiv, Ukraine
2National Technical University of Ukraine «Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute»
03059, 37 Peremohy Avenue, Kyiv, Ukraine
The article deals with a review of the prospects of small hydropower plants in Ukraine. The requirements for its part in the whole
energy production system in comparison with developed countries are shown. Some potential opportunities in the area of reconstruc-
tion of small hydropower plants and design of new plants are determined. At the present day, general energy forecast of small hy-
dropower energy in Ukraine is estimated by 1240 MW. A constructive scheme of an effective hydro generator for small hydropower
plant is proposed. Its main geometric relationships are provided. The previous experience of designing the low head small hydro-
power plants is used. The usage of a synchronous generator with high-density energy permanent magnet excitation (rare-earth per-
manent magnets NdFeB, SmCo) for hydropower units is proposed. It allows to simplify its design, increase reliability. The replace-
ment electromagnetic excitation by permanent magnet excitation allows to exclude slipping rings, decrease power losses. The com-
parison of different synchronous permanent magnet generators for these electric stations is provided. Their constructive features are
described. Also, some recommendations are given for its usage. A new design of synchronous generator with combined excitation is
proposed. Its output characteristic is given, namely natural and stabilized external characteristic of a generator. The proposed gene-
rator with combined excitation allows substantially decrease total price due to the minimization expenses on electronic semiconduc-
tor converters. References 12, figures 3.
Keywords: small hydropower plants, hydropower unit, synchronous generators, permanent magnets, output characteristics.
© Ю.Н. Перминов, Е.А. Монахов, 2018
ГІДРОЕНЕРГЕТИКА ISSN 1819-8058
Відновлювана енергетика. 2018. № 4 65
Ю. Перминов
Y. Permynov
Сведения об авторе: кандидат техни-
ческих наук, старший научный сотруд-
ник Института возобновляемой энерге-
тики НАН Украины.
Образование: окончил в 1968 г. Киев-
ский политехнический институт по
специальности «Электрические маши-
ны и аппараты».
Научная сфера: ветрогенераторы,
ветроустановки малой мощности, гид-
рогенераторы, устройства с постоян-
ными магнитами.
Публікації: 84.
ORCID: 10000-0001-5604-8327
Контакты:
тел. /факс +38 (044) 206-28-09
e-mail: renewable@ukr.net
Author information: candidate of tech-
nical sciences, Senior Researcher at Insti-
tute for Renewable Energy, National
Academy of Sciences of Ukraine.
Education: graduated from the Kyiv Poly-
technic Institute in 1968 with a degree in
Electrical Machines and Apparatuses.
Research area: wind power systems,
small capacity wind units, hydrogenera-
tors, devices with permanent magnets.
Publications: 84.
ORCID: 10000-0001-5604-8327
Contacts:
phone /fax: +38 (044) 206-28-09
e-mail: renewable@ukr.net
Е. Монахов
E. Monakhov
Сведения об авторе: асистент кафед-
ры электромеханики КПИ им. Игоря
Сикорского, Киев.
Образование: окончил в 2012 г. Киев-
ский политехнический институт по
специальности «Электрические маши-
ны и аппараты».
Научная сфера: машины с постоян-
ными магнитами, синхронные генера-
торы, малые электростанции, гидро-
электростанции.
Публикации: 23.
ORCID: 0000-0001-8408-8051
Контакты:
Тел./факс +38-095-317-61-15
e-mail: emonachov@gmail.com
Author information: assistant of Elec-
tomechanics Department in Igor Sikorsky
Kyiv Polytechnic Institute.
Education: graduated from Kyiv Poly-
technic Institute in 2012 with a digree in
«Electrical machines and apparatus».
Research area: permanent magnet ma-
chines, synchronous generators, small
energy plants, hydropower plants.
Publications: 23.
ORCID: 0000-0001-8408-8051
Contacts:
Phone./fax: +38-095-317-61-15
e-mail: emonachov@gmail.com
Используемые сокращения и обозначения:
V – скорость потока; H – расчетная величина напора;
устN – установленная мощность; МГЭС – малые гидроэлектростанции;
– плотность воды; ГЭС – гидроэлектростанции;
k – К.П.Д.; АЭС – атомная электростанция;
турбS – площадь омываемой поверхности турбины; микроГЭС – микрогидроэлектростанция;
Q – расчетная величина расхода; ПЭС – приливная электростанция.
Введение. Гидроэнергетика имеет высо-
кий возобновляемый энергоресурс, наименьшую
себестоимость производства электроэнергии, вы-
сокие показатели надѐжности. Для гидроэнерге-
тики характерно комплексное использование
гидроресурсов: выработка электроэнергии; защи-
та от наводнений; решение водохозяйственных
задач судоплавания; водообеспечение населѐн-
ных пунктов и промышленных предприятий; ир-
ригации; рыболовства [1].
МГЭС любой мощности, разных гидро-
логических и гидрографических характе-ристик
могут иметь комплексные свойства экономиче-
ского влияния на хозяйственное состояние раз-
ных территорий [2].
На территории Украины протекает 63029 ма-
лых рек и водотоков общей длиной в 185,8 тысяч
километров. Они относятся к бассейнам Вислы,
mailto:renewable@ukr.net
mailto:renewable@ukr.net
ГІДРОЕНЕРГЕТИКА ISSN 1819-8058
Відновлювана енергетика. 2018. № 4 66
Дуная (Тиса и Прут с притоками), Днестра, Юж-
ного Буга, Днепра. Водные ресурсы малых рек
используются также для водоснабжения мощных
тепловых и атомных электростанций (например,
Чернобыльской, Ровненской, Хмельницкой и
Южноукраинской АЕС) [3].
Сегодня в Украине в эксплуатации находится
84 малых ГЭС общей мощностью около
107 МВт. В развитых странах существует требо-
вание о наличии в структуре мощностей энерге-
тических систем не менее 15% гидроэнергетики.
В Швеции на гидроэлектростанциях вырабатыва-
ется 40% электроэнергии [3].
Потенциальные возможности малой гидро-
энергетики в Украине на ближайшую перспекти-
ву (на период до 2030 года) оцениваются сле-
дующими составляющими и показателями [4, 5]:
реконструкция и восстановление малых
ГЕС (общая мощность – 135 МВт, годовой объем
выработки электроэнергии – 540 млн. кВт·год);
строительство новых малых ГЭС на
р. Тиса и еѐ притоках (общая мощность –
460 МВт, годовой объем выработки электроэнер-
гии – 1461 млн. кВт·год) [7];
строительство новых малых ГЭС на реке
Днестр и еѐ притоках – общая мощность
560 МВт, годовой объем выработки электроэнер-
гии – 1779 млн. кВт·год;
строительство новых децентрализо-
ванных малых ГЭС на малых водотоках – общая
мощность 121 МВт, годовой объем выработки
электроэнергии – 426 млн. кВт·год.
Общие прогнозы величины развития малой
гидроэнергетики составляют 1240 МВт [6].
На сегодня в Украине используется лишь 8%
экономического потенциала малой гидроэнерге-
тики, в то время как в странах Европы эксплуа-
тируется 15000 МГЭС; наблюдается большая за-
интересованность в микроГЭС для повышения
надежности объектов горнолыжных курортов и
«зеленого туризма», малых перерабатывающих
предприятий и фермерских хозяйств. При этом
оборудование соответствует требованиям качест-
ва генерированной энергии и возможности па-
раллельной работы с электрической сетью дру-
гих энергокомпаний и легко модифицируется по
требованиям потребителей. Это обусловливает
высокие требования к используемым в микро-
ГЭС гидроагрегатам, в частности – к стабильно-
сти выходных электрических параметров, мини-
мизации их габаритов, массы, цены; упрощении
конструкции; повышении надежности.
В этом плане, вероятно, возможно использо-
вать опыт, полученный в результате проектиро-
вания и создания МГЭС (Кислогубской ПЭС) [8].
В этой электростанции используется энергия,
накопленная в водном бассейне определѐнного
объема и напора. Применение вертикальной тур-
бины приводит к большим потерям напора [8],
поэтому применен агрегат капсульного исполне-
ния горизонтального расположения. Генератор
этого агрегата – асинхронизированный синхрон-
ный генератор, который обеспечивает возмож-
ность генерирования напряжения стандартной
частоты на статоре машины при несинхронной
частоте вращения ротора. Генератор обеспечива-
ет регулирование частоты вращения в диапазоне
±30%: 50,4–93,6 об/мин – по турбине и через
мультипликатор, 420–790 об/мин – по электриче-
ской машине. К недостаткам такого генератора
следует отнести, в первую очередь, сложность
конструкции ротора за счет наличия трехфазной
обмотки, во-вторых сложную тиристорную сис-
тему возбуждения. Ввиду капсульного исполне-
ния генератор имеет громоздкую систему охлаж-
дения, в которой для устранения конденсата
внутри капсулы используются холодильники и
затруднена работоспособность подшипников.
Постановка задачи. В данной работе пред-
лагается использовать в МГЭС синхронные гене-
раторы с возбуждением от постоянных магнитов
с высокой удельной энергией (NdFeB, SmCo), что
позволит упростить гидроагрегаты капсульного
исполнения, повысить их надежность. Замена
электромагнитного возбуждения за счет приме-
нения магнитных систем с постоянными магни-
тами позволяет исключить скользящие контакты,
уменьшить потери, устранив их в обмотке воз-
буждения ротора.
Поскольку капсульные гидроагрегаты рабо-
тают в потоке воды, их обслуживание затрудне-
но, поэтому в предлагаемом к рассмотрению ва-
рианте агрегата, сложная система смазки [8] мо-
жет быть заменена заключением энергетической
ГІДРОЕНЕРГЕТИКА ISSN 1819-8058
Відновлювана енергетика. 2018. № 4 67
части агрегата в капсулу, заполненную, напри-
мер, трансформаторным маслом (в целях охлаж-
дения этой части, электроизоляции и облегчения
условий работы подшипников). В целом, разуме-
ется, требуется серьезная конструкторско-
технологическая проработка агрегата [9].
На рис. 1 показана конструктивная схема
предлагаемого капсульного гидроагрегата.
Рис. 1. Конструктивная схема капсульного гидроагрегата: 1 – железобетонная камера; 2 – железобетонная
капсула; 3 – турбина; 4 – стальной вал; 5 – подшипники; 6 – утолщенная железобетонная часть капсулы;
7 – мультипликатор; 8 – гидрогенератор; 9 – трубопровод; 10 – расширительный бачок;
11 – железобетонные решетки.
Fig. 1. Constructive scheme of capsule hydropower unit: 1 – concrete chamber; 2 – concrete capsule; 3 – turbine;
4 – steel shaft; 5 – bearings; 6 – thickened part of a concrete capsule; 7 – gearbox multiplier; 8 – hydrogenerator;
9 – pipeline; 10 – extension tank; 11 – concrete grate.
Основные геометрические соотношения аг-
регата, расчет установленной мощности – Nуст
агрегата и расчеты основной геометрии агрегата
и синхронного генератора с возбуждением от по-
стоянных магнитов могут быть проведены по ре-
комендациям, приведенным в [9]. При этом ско-
рость рабочего потока определяется по установ-
ленной мощности агрегата:
3
2 уст
турб
N
V
S
,
где ρ = 1020 кг/м
3
– плотность морской воды;
κ ≈ 0,85 ÷ 0,87 – К.П.Д. турбины, Sтурб – площадь
омываемой поверхности турбины:
0,785турб турбS D
Расчетная величина расхода:
турбQ S V
Расчетная величина напора:
9,8
устN
H
Q
На массо-габаритные и выходные параметры
гидроагрегата влияет конструкция и параметры
используемого в нем генератора, поэтому прове-
дено сравнение синхронных генераторов разных
конструкций с возбуждением от постоянных
магнитов с высокой удельной энергией (NdFeB)
[10, 11], представленных на рис. 2а, б, в, г. При
выборе конкретного конструктивного варианта
генератора проводится анализ технологии изго-
товления, электрических и электромагнитных
параметров и характеристик. Также следует учи-
тывать способ регулирования, возможность агре-
гатирования и геометрические соотношения, ко-
торые определяют стоимость и массо-габаритные
показатели агрегата в целом.
В данном случае, предпочтение отдано гене-
раторам «уплощенной» конструкции, позволяю-
щей уменьшить осевой размер гидроагрегата.
ГІДРОЕНЕРГЕТИКА ISSN 1819-8058
Відновлювана енергетика. 2018. № 4 68
а) б) в) г)
Рис. 2. Конструкции генераторов с возбуждением от постоянных магнитов
для гидроагрегатов МГЭС и микроГЭС.
Fig. 2. Design of the permanent magnet generator for hydropower units for small hydropower plants
На рис. 2а показана машина торцевого ис-
полнения, в которой І – статор, ІІ – ротор. Статор
представляет собой тороидальный сердечник 1 из
электротехнической ленты. Вокруг сердечника
намотана однофазная или многофазная обмотка
2. Ротор состоит из магнитов 3 в виде секторов,
расположенных на ярмах статора 4 из литой
электротехнической стали. Магнит расположен
по обоим торцам статора.
На рис. 2б показан генератор торцевого ис-
полнения, в котором ІІ – ротор, І – статор. Статор
выполнен в виде тороидальных сердечников 1 из
электротехнической ленты, на поверхности кото-
рых уложены однофазные или многофазные об-
мотки 2. Генератор может представлять две ма-
шины в одном корпусе при независимом вклю-
чении обмоток. В этом генераторе вращение
внутренней части облегчает еѐ агрегатирование.
Ротор состоит из ярма 5 из литой электротехниче-
ской стали, на торцевых поверхностях которого
расположены магниты 3. Корпус машины 4 может
быть выполнен из немагнитных материалов.
На рис. 2в показан генератор цилиндри-
ческой конструкции с радиальной магнитной
системой. Статор состоит из ярма 1, в пазы кото-
рого уложена обмотка 2. На ярме ротора 5 из ли-
той электротехнической стали расположены маг-
ниты 3 в виде сегментов. Корпус машины 4 мо-
жет быть выполнен из немагнитной стали.
На рис. 2г показан генератор комбинирован-
ного возбуждения, в котором осуществляется
регулирование выходных параметров машины с
возбуждением от постоянных магнитов с помо-
щью обмотки, позволяющей, по сути, иметь по-
стоянный результирующий магнитный поток в
машине на разных скоростях и нагрузках. Статор
представляет собой тороидальный сердечник 1 из
электротехнической ленты. Трехфазная обмотка
2 укладывается в полузакрытые пазы, организо-
ванные на поверхности торцов статора. В центре
расположен сердечник из литой электротехниче-
ской стали, на котором установлена дополни-
тельная обмотка возбуждения 5. Ротор 3 пред-
ставляет из себя феромагнитный диск из литой
стали, на поверхности которого расположены
постоянные магниты одноименной полярности со
стороны рабочего зазора, между которой распо-
ложены феромагнитные сердечники из литой
электротехнической стали. При вращении ротора
в статорной трехфазной обмотке наводится ЭДС.
Выпрямленное значение ЭДС подается на ка-
тушку возбуждения. И поток, создаваемый об-
моткой возбуждения, проходит через сердечники.
На роторе происходит чередование полюсов.
ГІДРОЕНЕРГЕТИКА ISSN 1819-8058
Відновлювана енергетика. 2018. № 4 69
Подробный сравнительный анализ генерато-
ров различных конструкций в том числе и пока-
занных на рис. 2а, б, в приведен в [11].
Необходимо более внимательно рассмотреть
варианты (рис. 2а, в, г). В [10] проведено сравне-
ние вариантов (рис. 2а, в). Сравнение проведено
на основе расчетов при известном из испытаний
экспериментальных образцов удельном тепловом
потоке A J и при равных активных длинах про-
водников. Принципиальное отличие варианта
(рис. 2а) от варианта (рис. 2в) в том, что величи-
ны немагнитных зазоров отличаются на порядок,
так как в первом случае (рис. 2а) обмотка мотает-
ся вокруг стального тора, – т.е. не имеет пазов, –
а в традиционном варианте (рис. 2в) обмотка
расположена в пазах. Но в первом случае не тре-
буется изготовление штампа, поэтому облегчает-
ся изготовление генератора. Результаты расчетов
этих вариантов (рис. 2а, в) позволяют сделать
следующие выводы:
индукция в рабочем зазоре в генераторе
(рис. 2а) в 2,8 раза ниже, чем в генераторе
(рис. 2в);
наличие двух магнитных систем в генераторе
(рис. 2в) не сопровождается удвоением полез-
ного потока, так как поток разветвляется меж-
ду полюсами разноименной полярности и в
результате через контур, занимаемый катуш-
кой обмотки, проходит поток одного полюса;
при соизмеримых геометрических соотноше-
ниях роторов электромагнитные моменты со-
поставимы;
расход магнитов в генераторе (рис. 2а) по
сравнению с генератором (рис. 2в) примерно
вдвое больше.
Резюмируя вышеприведенные выводы, мож-
но сказать, что генератор торцевой конструкции
с беспазовым статором, даже при двух магнит-
ных системах, расположенных по торцам статора
(рис. 2а), не имеет явных преимуществ по элек-
тромагнитным параметрам в сравнении с генера-
тором традиционной конструкции (рис. 2в) с па-
зовым статором. Но учитывая тот фактор, что
при сопоставимых мощностях и размерах на из-
готовление генератора торцевой конструкции с
беспазовым статором, расходуется почти вдвое
больше магнитов NdFeB, цена которых составля-
ет около $100, расходы на материалы беспазово-
го варианта будут существенно выше, но не тре-
буется изготовление штампа. Преимущество по
электромагнитным параметрам возможно в кон-
струкции (рис. 2б) при расположении обмотки в
полузакрытых пазах, но это более сложная кон-
струкция в технологическом плане. Следует от-
метить, что в генераторе (рис. 2а, б, в) стабилиза-
ция выходных параметров возможна только с
помощью электроники, а это требует определен-
ных затрат (контроллеры заряда (фирмы Hybri-
don, R&X Energy, Avian, EzPower и др.) стоят
$250–400 за 3 кВт). По этой причине, рассмотрен
вариант генератора с комбинированным возбуж-
дением (рис. 2г), позволяющим минимизировать
расходы на электронику.
Как было описано выше, возбуждение осу-
ществляется двумя способами: от постоянных
магнитов и от дополнительной обмотки возбуж-
дения. При согласном включении обмотки воз-
буждения и постоянных магнитов поток обмотки
возбуждения замыкается по пути: обмотка воз-
буждения – радиальный зазор – вал – диск ротора
– сердечник – аксиальный воздушный зазор –
статор – ступица – обмотка возбуждения. Таким
образом, увеличивается общий поток в основном
воздушном зазоре и изменяется выходное напря-
жение генератора. Диапазон регулирования огра-
ничен насыщением магнитной цепи и для 3 кВт
генератора диапазон регулирования напряжения
составляет до 50%. Более детально принцип, кон-
струкция описаны в [12]. На рис. 3 представлена
внешняя характеристика при отсутствии стаби-
лизации (сплошная линия) и с учетом стабилиза-
ции выходного напряжения (штриховая линия).
ГІДРОЕНЕРГЕТИКА ISSN 1819-8058
Відновлювана енергетика. 2018. № 4 70
Рис. 3. Внешняя характеристика генератора без стабилизации и со стабилизацией.
Fig. 3. External characteristics of a generator with and without stabilization.
При стабилизации внешней характеристики
возможно как грубое регулирование, так и пре-
цизионное. При этом электрические потери на
обмотке возбуждения при прецизионном управ-
лении приблизительно в 1,5 раза выше, нежели
при грубом регулировании, когда необходимо
поддерживать напряжение в пределах ±5%.
Выводы. 1. Отмечены положительные аспек-
ты использования МГЭС.
Проведена оценка состояния развития МГЭС;
определены потенциальные возможности малой
гидроэнергетики в Украине на ближайшую пер-
спективу и указаны требования о доле этой энер-
гетики в структуре мощностей развитых стран.
Указаны требования к оборудованию совре-
менных МГЭС.
Предложена конструктивная схема капсуль-
ного гидроагрегата упрощенной конструкции.
Проведено сравнение синхронных генерато-
ров разных конструкций с возбуждением от по-
стоянных магнитов применительно к МГЭС, оп-
ределены возможные решения по стабилизации
их выходных параметров.
Предложенный вариант конструкции генера-
тора (рис. 2г) с комбинированным возбуждением
позволяет решать задачу стабилизации выходных
параметров генератора с минимизацией расходов
на электронику, повышает надежность гидроаг-
регата, не сопровождается увеличением его
стоимости; машина конструктивно-
технологически проста.
1. Васько П.Ф. Сучасний стан, потенційні можливості
та передумови подальшого розвитку малої гідроенергетики
в Україні // Відновлювана енергетика – К.: Інститут віднов-
люваної енергетики НАН України, 2006. – №1 – С. 60–66.
2. Вихорев Ю.О. Вирішення проблем розвитку малої гі-
дроенергетики Україні потребує загальнодержавної коорди-
нації // Відновлювана енергетика – К.: Інститут відновлюва-
ної енергетики НАН України, 2013. – №1 – С. 69–75.
3. Васько П.Ф. Стан та потенціал малої гідроенергетики
Україні // Відновлювана енергетика – К.: Інститут відновлю-
ваної енергетики НАН України, 2014. – №3 – С. 81–87.
4. Никиторович О.В. Малые ГЭС. Опыт строительства.
// Гидроэнергетика Украины. – 2005. – №3. – С. 23–24.
5. Проскура Г.Ф. Вибрані праці. – Київ: Наукова думка,
1972 – 484 с.
6. А.В. Яцик. Малі річки України. Справочник. – Київ:
Урожай, 1991. – 296 с.
7. Васько П.Ф. Опыт создания каскада ГЭС на малых и
больших реках. // Відновлювана енергетика – К.: Інститут від-
новлюваної енергетики НАН України, 2012. – №3. – С. 21–25.
8. Бернштейн Л.Б. Приливные электростанции. – М.:
Энергоатомиздат, 1987. – С. 38–39.
ГІДРОЕНЕРГЕТИКА ISSN 1819-8058
Відновлювана енергетика. 2018. № 4 71
9. Перминов Ю.Н., Коханевич В.П,, Шихайлов Н.А.,
Перминова С.Ю. Определение параметров и основных раз-
меров генераторов для приливных электростанций малой
мощности (до 1000 кВт). // Відновлювальна енергетика – К.:
Інститут відновлюваної енергетики НАН України, 2017. –
№3. – С. 66–72.
10. Перминов Ю.Н., Коханевич В.П., Марченко Н.В.
Сравнение торцевых беспазовых генераторов для ветроус-
тановок с генераторами традиционной конструкции // Від-
новлювальна енергетика – К.: Інститут відновлюваної енер-
гетики НАН України, 2015. – №3. – С. 40–43.
11. Кудря С.О., Перминов Ю.М. Порівняння синхрон-
них вітрогенераторів різних конструкцій зі збудженням від
постійних магнітів // Відновлювальна енергетика – К.: Ін-
ститут відновлюваної енергетики НАН України, 2007. – №2.
– С. 54–59.
12. Чумак В.В. Управление магнитоэлектрическим
генератором с аксиальным потоком / В.В. Чумак, Е.А. Мо-
нахов // Технічна електродинаміка. – 2016. – №2. – С. 55–57.
МАЛІ ГЕС ТА ЕФЕКТИВНІ ГІДРОАГРЕГАТИ
ДЛЯ ЦИХ ЕЛЕКТРОСТАНЦІЙ
Ю.Н. Перминов1, кандидат технічних наук, Є.А. Монахов2
1Інститут відновлюваної енергетики НАН України
02094 вул. Гната Хоткевича, 20А, м. Киев
2Національний технічний університет України «Київський
політехнічний інститут ім. Ігоря Сікорського»,
03059 пр-т Перемоги, 37, м. Киев
У статті розглянуто перспективи розвитку малої гідрое-
нергетики в Україні та вказані основні вимоги щодо долі
гідроенергетики в структурі потужностей в порівнянні з
розвинутими країнами. Визначені потенційні можливості
реконструкції та відновлення малих гідроелектростанцій,
будівництва нових гідроелектростанцій. На сьогоднішній
день, загальні прогнози величини розвитку малої гідроенер-
гетики в Україні складають 1240 МВт. Запропоновано
конструктивну схему ефективного гідроагрегату для малої
гідроелектростанції та наведено основні геометричні спів-
відношення. При цьому, було використано минулий досвід зі
створення низьконапірних малих гідроелектростанцій. В
роботі запропоновано використовувати синхронні генера-
тори зі збудженням від постійних магнітів з високою пи-
томою енергією (рідкоземельні постійні магніти NdFeB,
SmCo) в якості гідрогенераторів, що дозволяє спростити
їхню конструкцію, підвищити їхню надійність. Заміна еле-
ктромагнітного збудження на магнітоелектричне дозволяє
виключити ковзкий контакт, зменшити втрати та підви-
щити надійність. Проведено порівняння різноманітних
конструкцій синхронних генераторів зі збудженням від по-
стійних магнітів для цих електростанцій; описано їхні
конструктивні особливості, а також надано рекомендації
стосовно їхнього застосування. Запропоновано та дослі-
джено конструкцію синхронного генератора змішаного
збудження, наведено його вихідні характеристики, а саме –
природна та стабілізована зовнішні характеристики гене-
ратора. Розглянутий варіант генератора з комбінованим
збудженням дозволяє суттєво знизити вартість установки
за рахунок мінімізації витрат на електронні напівпровідни-
кові перетворювачі. Бібл. 12, рис. 3.
Ключові слова: мала гідроенергетика; гідроагрегати; синх-
ронні генератори; постійні магніти; вихідні характеристики.
REFERENCES
1. Vasko P. (2006) Suchasniy stan, potentsiyni mozhlivosti
ta peredumovi podalnosho rozvitku maloyi gidroenergetiki v
Ukrayini [The current state, potential opportunities and prerequi-
sites for the further development of small hydropower in
Ukraine]. Vidnovliuvana Enerhetyka [Renewable energy], 1. P.
60–66 (in Ukr)
2. Vihorev Yu. (2013) Virishennya problem rozvitku maloyi
gidroenergetiki Ukrayini potrebue zagalnoderzhavnoyi koordi-
natsiyi [Solving problems of development of small hydropower
Ukraine needs nationwide coordination]. Vidnovliuvana Enerhe-
tyka [Renewable energy], 3. P. 69-75 (in Ukr)
3.Vasko P. (2014) Stan ta potentsial maloui gidroenerg-
etiki Ukrayini [Status and potential of small hydropower in
Ukraine] Vidnovliuvana Enerhetyka [Renewable energy], 3.
P. 81–87 (in Ukr)
4. Nikitorovich O. (2005) Malyie GES. Opyit stroitelstva
[Small hydropower plants. Building experience]. Gidroenergetika
Ukrainyi [Hydroenergy of Ukraine], 3. P. 23–24 (in Rus)
5. Proskura G. (1972) Vibrani pratsi. [Selected works].
Kiev, Ukraine: Naukova dumka, 484 p. (in Rus)
6. Yatsik A. (1991) Mali richki Ukrayini. Spravochnik.[ Small
rivers of Ukraine. Directory]. Kiev, Urozhay, 296 p. (in Ukr)
7. Vasko P. (2012) Opyit sozdaniya kaskada GES na malyih
i bolshih rekah. [Experience in creating a cascade of hydroelec-
tric power plants on small and large rivers.]. Vidnovliuvana
Enerhetyka [Renewable energy], 3. P. 21–25 (in Rus)
8. Bernshteyn L. (1987) Prilivnyie elektrostantsii [Tidal
power]. Moscow, Russia, Energoizdat, P. 38–39. (in Rus)
9. Perminov Yu., Konahevich V., Shihaylov N., Perminova
S. (2017) Opredelenie parametrov i osnovnyih razmerov genera-
torov dlya prilivnyih elektrostantsiy maloy moschnosti (do 1000
kVt) [Determination of parameters and basic dimensions of the
generator of low power tidal plants (up to 1000 kW)]. Vidnovli-
uvana Enerhetyka [Renewable energy], 3. P. 66–72 (in Rus)
10. Perminov Yu., Kohanevich V., Marchenko N. (2015)
Sravnenie tortsevyih bespazovyih generatorov dlya vetroustano-
vok s generatorami traditsionnoy konstruktsii [Comparison of
slotless axial flux generators for wind turbines with traditional
generators].Vidnovliuvana Enerhetyka [Renewable energy], 3. P.
40–43 (in Rus)
11. Kudrya S., Perminov Yu. (2007) Porivnyannya
sinhronnih vitrogeneratoriv riznih konstruktsiy zi zbudzhennyam
vid postiynih magnitiv [Comparison of synchronous windgene-
rator of various designs with excitation from permanent
magnets]. Vidnovliuvana Enerhetyka [Renewable energy], 2. P.
54–59 (in Ukr)
12. Chumak V., Monahov E. (2016) Upravlenie magnitoe-
lektricheskim generatorom s aksialnyim potokom [Control of axial
flux permanent generator]. Tehnichna elektrodinamika [Technical
electrodynamics], 2. P. 55–57 (in Rus)
ГІДРОЕНЕРГЕТИКА ISSN 1819-8058
Відновлювана енергетика. 2018. № 4 72
SYNOPSES
The article deals with review of the present state and
prospects of development of small hydropower in Ukraine.
The positive aspects of small hydropower plants usage are
shown; requirements to modern hydropower unit are noted. A
constructive scheme of simplified capsule hydropower unit is
proposed and comparison of different designs of permanent
magnet synchronous generator is provided. As a result possi-
ble solutions for stabilizing the output parameters of hydro-
generator are determined. An option of the design generator
with combined excitation for a hydropower plant is proposed.
Its output parameters are estimated.
РЕФЕРАТ
В статье рассматривается сегодняшнее состояние и пер-
спективы развития малой гидроэнергетики в Украине, при этом
отмечены положительные аспекты использования малых ГЭС
(МГЭС); указаны требования к оборудованию современных
МГЭС. Также предложена конструктивная схема капсульного
гидроагрегата упрощѐнной конструкции и проведено сравнение
синхронных генераторов разных конструкций с возбуждением
от постоянных магнитов применительно к МГЭС. В результате
определены возможные решения по стабилизации выходных
параметров гидрогенераторов. Предложен вариант конструк-
ции гидрогенератора с комбинированным возбуждением и
проведена оценка его выходных параметров.
Стаття надійшла до редакції 05.11.18
Остаточна версія 30.11.18
|
| id | veorgua-article-182 |
| institution | Vidnovluvana energetika |
| keywords_txt_mv | keywords |
| language | Ukrainian |
| last_indexed | 2026-07-19T01:04:29Z |
| publishDate | 2018 |
| publisher | Institute of Renewable Energy National Academy of Sciences of Ukraine |
| record_format | ojs |
| resource_txt_mv | veorgua/84/1568defad26ad0e73a1613399f307f84.pdf |
| spelling | veorgua-article-1822026-07-18T06:32:12Z SMALL HYDROPOWER PLANTS AND EFFECTIVE HYDROPOWER UNITS FOR THESE PLANTS МАЛЫЕ ГЭС И ЭФФЕКТИВНЫЕ ГИДРОАГРЕГАТЫ ДЛЯ ЭТИХ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ Permynov, Y. Monakhov, E. small hydropower plants, hydropower unit, synchronous generators, permanent magnets, output characteristics. малая гидроэнергетика; гидроагрегаты; синхронные генераторы; постоянные магниты; выходные характеристики. The article deals with a review of the prospects of small hydropower plants in Ukraine. The requirements for its part in the whole energy production system in comparison with developed countries are shown. Some potential opportunities in the area of reconstruction of small hydropower plants and design of new plants are determined. At the present day, general energy forecast of small hydropower energy in Ukraine is estimated by 1240 MW. A constructive scheme of an effective hydro generator for small hydropower plant is proposed. Its main geometric relationships are provided. The previous experience of designing the low head small hydropower plants is used. The usage of a synchronous generator with high-density energy permanent magnet excitation (rare-earth permanent magnets NdFeB, SmCo) for hydropower units is proposed. It allows to simplify its design, increase reliability. The replacement electromagnetic excitation by permanent magnet excitation allows to exclude slipping rings, decrease power losses. The comparison of different synchronous permanent magnet generators for these electric stations is provided. Their constructive features are described. Also, some recommendations are given for its usage. A new design of synchronous generator with combined excitation is proposed. Its output characteristic is given, namely natural and stabilized external characteristic of a generator. The proposed generator with combined excitation allows substantially decrease total price due to the minimization expenses on electronic semiconductor converters. В статье рассматриваются перспективы развития малой гидроэнергетики в Украине и указаны требования о доле этой энергетики в структуре мощностей в сравнении с развитыми странами, определены потенциальные возможности по реконструкции и восстановлению малых гидроэлектростанций, строительству новых гидроэлектростанций. На сегодняшний день общие прогнозы величины развития малой гидроэнергетики в Украине составляют 1240 МВт. Предложена конструктивная схема эффективного гидроагрегата для малой гидроэлектростанции и приведены основные геометрические соотношения. При этом использован предыдущий опыт по созданию низконапорных малых гидроэлектростанций. В работе предлагается использовать синхронные генераторы с возбуждением от постоянных магнитов с высокой удельной энергией (редкоземельные постоянные магниты NdFeB, SmCo) в качестве гидрогенераторов, что позволяет упростить их конструкцию, повысить их надежность. Замена электромагнитного возбуждения на магнитоэлектрическое позволяет исключить скользящие контакты, уменьшить потери, устранив их в обмотке возбуждения ротора и повысить надежность. Проведено сравнение различных конструкций синхронных генераторов с возбуждением от постоянных магнитов для этих электростанций; описаны их конструктивные особенности, а также даны рекомендации по их применению. Предложена и исследована конструкция синхронного генератора смешанного возбуждения, приведены его выходные характеристики, а именно – естественная и стабилизированная внешние характеристики генератора. Рассмотренный вариант генератора с комбинированным возбуждением позволяет существенно снизить стоимость установки за счет минимизации расходов на электронные полупроводниковые преобразователи. Institute of Renewable Energy National Academy of Sciences of Ukraine 2018-12-03 Article Article application/pdf https://ve.org.ua/index.php/journal/article/view/182 10.36296/1819-8058.2018.4(55).64-72 Vidnovluvana energetika ; No. 4(55) (2018): Scientific and Applied Journal Vidnovluvana energetika; 64-72 Возобновляемая энергетика; ##issue.no## 4(55) (2018): Научно-прикладной журнал Возобновляемая энергетика; 64-72 Відновлювана енергетика; № 4(55) (2018): Науково-прикладний журнал Відновлювана енергетика; 64-72 2664-8172 1819-8058 uk https://ve.org.ua/index.php/journal/article/view/182/121 Copyright (c) 2018 Y. Permynov, E. Monakhov https://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0 |
| spellingShingle | small hydropower plants hydropower unit synchronous generators permanent magnets output characteristics. Permynov, Y. Monakhov, E. SMALL HYDROPOWER PLANTS AND EFFECTIVE HYDROPOWER UNITS FOR THESE PLANTS |
| title | SMALL HYDROPOWER PLANTS AND EFFECTIVE HYDROPOWER UNITS FOR THESE PLANTS |
| title_alt | МАЛЫЕ ГЭС И ЭФФЕКТИВНЫЕ ГИДРОАГРЕГАТЫ ДЛЯ ЭТИХ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ |
| title_full | SMALL HYDROPOWER PLANTS AND EFFECTIVE HYDROPOWER UNITS FOR THESE PLANTS |
| title_fullStr | SMALL HYDROPOWER PLANTS AND EFFECTIVE HYDROPOWER UNITS FOR THESE PLANTS |
| title_full_unstemmed | SMALL HYDROPOWER PLANTS AND EFFECTIVE HYDROPOWER UNITS FOR THESE PLANTS |
| title_short | SMALL HYDROPOWER PLANTS AND EFFECTIVE HYDROPOWER UNITS FOR THESE PLANTS |
| title_sort | small hydropower plants and effective hydropower units for these plants |
| topic | small hydropower plants hydropower unit synchronous generators permanent magnets output characteristics. |
| topic_facet | small hydropower plants hydropower unit synchronous generators permanent magnets output characteristics. малая гидроэнергетика гидроагрегаты синхронные генераторы постоянные магниты выходные характеристики. |
| url | https://ve.org.ua/index.php/journal/article/view/182 |
| work_keys_str_mv | AT permynovy smallhydropowerplantsandeffectivehydropowerunitsfortheseplants AT monakhove smallhydropowerplantsandeffectivehydropowerunitsfortheseplants AT permynovy malyegésiéffektivnyegidroagregatydlâétihélektrostancij AT monakhove malyegésiéffektivnyegidroagregatydlâétihélektrostancij |