ISO БПИ – БГПА - БНТУ

Университет

Одно окно

Услуги

Обучение иностранных граждан

Работодателям

Вакансии

УНИВЕРСИТЕТ

Новости - Конференция МИДО

Санкевич С. А., Петренко Ю. Н. МОДЕЛИРОВАНИЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ВЕТРОЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ

 

УДК 621.311.24.01

 

МОДЕЛИРОВАНИЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ВЕТРОЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ

Санкевич С. А., Петренко Ю. Н.

Белорусский национальный технический университет, Беларусь, Этот e-mail адрес защищен от спам-ботов, для его просмотра у Вас должен быть включен Javascript .

Развитию возобновляемых источников энергии (ВИЭ) ныне уделяется пристальное внимание во всех странах мира и на всех континентах[1]. Среди всех видов ВИЭ особое место занимает энергия ветра, которая имеет свои специфические свойства - доступность с одной стороны, и непостоянство, обусловленное вероятностным характером прогноза. Существует множество решений по составы и режимам работы ветроэлектрических установок (ВЭУ), зависящих от разных факторов[2]. Естественно на первый план выступает проблема оптимизации режимов работы ВЭУ.

Широко применимы ВЭУ с переменной скоростью вращения генератора позволяющие получать больше энергии, чем установки с постоянной скоростью вращения. Это связано с тем, что ВЭУ с переменной скоростью вращения проектируются таким образом, чтобы обеспечить максимальное значение аэродинамической эффективности в возможно более широком диапазоне скорости ветра.

Задачей является непрерывная адаптация частоты вращения ротора ω, к переменной скорости ветра νв. Это позволяет поддерживать оптимальное соотношение скоростей λ (быстроходности), что обеспечивает получение максимальной выходной мощности. Таким образом имеет место главное преимущество турбины с переменной скоростью вращения -извлечение большей мощности. Однако проблема не только в этом. необходимо также ограничить мощность при достижении некоторой граничной скорости ветра. Согласно принятой практике используется два вида торможения[3]: механическое(МТ) и электрическое(ЭТ1) или МТ и ЭТ2 (рис1).

Рисунок 1 - Функциональный состав ВЭУ

Для конкретизации задачи далее рассмотрим ВЭУ (рис. 2) с синхронным генератором с постоянными магнитами (СГПМ), соединенный с потребитель и сетью через автономный инвертор напряжения (АИН), схему управление которым здесь не рассматриваем. В представленной на рисунке 2 схеме для ограничения мощности ВЭУ в её системе управления используются четыре различных подсистемы: система управления шагом лопастей; контроллер выходного напряжения генератора; контроллер торможения в звене постоянного тока; контроллер выходной мощности АИН.

Имеется несколько подходов к управлению аэродинамическими усилиями ротора турбины с целью ограничения мощности при высоких скоростях ветра с целью предотвращения поломки турбины. Самый простой и дешевый способ - пассивное управление. При таком методе ограничения лопасти жестко крепятся к ступице ветроколеса, а ограничений выходной мощности осуществляется за счет аэродинамической формы самих лопастей. Второй подход - это активное управление углом поворота лопастей при изменении скорости ветра. Преимуществом этого метода является хорошее управление мощностью, возможности плавного пуска и аварийной остановки. Особенностью данного способа является возможность получения мощности близкой по величине к номинальной мощности генератора при высокой скорости ветра. недостатком является усложнение механизма регулирования, а также колебания мощности при высокой скорости ветра.

Рисунок 2 - Структура системы управления ВЭУ

В данной работе рассматривается ВЭУ с активным управлением углом поворота лопастей. Управление углом осуществляется по изменению выходной мощности. структура такой системы представлена на рисунке 3, где: РМ - регулятор мощности; ИМ - исполнительный механизм, в качестве которого может применятся гидро- или электропривод.

Рисунок 3 -Функциональная схема регулятора угла поворота лопастей.

Естественными значениями ограничений являются максимальное и минимальное значение угла βмакс, βмин и его производной. Таким образом, контур регулирования содержит нелинейность типа "насыщение" по переменной β и ее производной. Передаточную функцию ИМ можно представить в виде рис. 4, где К1 - коэффициент усиления системы. Пренебрегая насыщением ИМ может быть представлен как система первого порядка:

СГПМ позволяет перегрузки в определенные интервалы времени. При таком условии можно обеспечить торможение турбины посредством тормозного модуля в звене постоянного тока. Силовая схема преобразователя ВЭУ представленная на рис. 5.

Рисунок 5 - Силовая схема преобразователя ВЭУ

Результаты моделирования.

Моделировании производилось с помощью программы Matlab в среде Simulink ode23tb с переменным шагом. Общий вид модели ВЭУ представлен на рис. 6. В качестве объекта моделирования была взята ВЭУ малого класса с номинальной мощностью 4 кВт, при номинальной скорости ветра 6,5 м/с. Тип ветроколеса - трехлопастное с горизонтальной осью вращения, радиусом 5 м, профиль лопасти "эксперо". Максимальны коэффициент использования энергии ветра (КИЭФ) 0,476, при значении быстроходности λном=8,1 и βном=0 °. Ветроколесо снабжено системой управления шагом, при значении угла βмакс=90° колесо флюгируется. Передаточное число мультипликатора 20. Генератор синхронный с постоянными магнитами трехфазный с номинальным моментом 24 Нм, с номинальной частотой вращения 2300 об/мин. Выпрямитель трехфазный мостовой неуправляемый. Емкость конденсаторов в звене постоянного тока 0,3 мФ. В качестве силового ключа для тормозного модуля использован IGBT транзистор. Значение тормозного сопротивления 2,5 Ома. Максимальное значение напряжения в звене постоянного тока 300 В.

Динамическая модель ветра представлена на рис. 7, основанная на описании турбулентности Девенпортом[4].

На рисунках 8-11 преведены результаты моделирования. Следует отметить что на участки времени от 10 до 17 секунды когда скорость ветра выше номинального значения 6,5 м/с. вступает в работу система управления углом, дабы не допустить перенапряжение на генераторе. На участке времени от 19 до 30 секунды моделирования происходит просадка скорости ветра ниже номинальной, но при этом КИЭФ стремится к своему максимальному значению 0,476 для данного ветроколеса, β=0°. Это означает что ВЭУ работает с максимально возможным кпд для данного ветра. Скорость, а следовательно напряжение генератора при этом должны быть уменьшены до значений меньше номинальных, путём сброса излишка энергии через тормозной модуль и тормозной резистор. Однако в качестве тормозного резистора могут выступить различные накопители энергии, способные эффективно утилизировать энергию.

Рисунок 6 - Общий вид модели ВЭУ

Рисунок 7 - Динамическая модель ветра

Рисунок 8 - Скорость ветра

Рисунок 9 - коэффициент использования энергии ветра

Рисунок 10 - Значения угла установки лопастей β

Рисунок 11 - Напряжение в звене постоянного тока

Заключение

В данной работе, приведены результаты моделирования, которые показывают преимущество управления по средством комбинации управления шагом ветроколеса и ограничением энергии на уровне звена постоянного тока с помощью тормозного модуля. Представленная модель позволяет исследовать системы с большим количеством параметров, нежели стандартная модель ВЭУ в Simulink.

Список литературы

1. Global Wind Energy Council // Global Wind Statistics 2012 [Electronic resource]. – Brussels, 2013. – Mode of access: http://www.gwec.net/wp-content/uploads/2012/06/glob_cum_inst_wind-_cap_1996-2012.jpg. – Date of access: 04.04.2013.

2. Санкевич С.А. Анализ функциональных схем электрической части ветроэлектрических установок / Петренко Ю.Н., Санкевич С.А. // Энергетика – Изв. высш. учеб. заведений и энерг. объединений СНГ. – 2014. – № 2. – С. 10–20.

3. Петренко Ю.Н., Санкевич С.А. Разработка алгоритма управления, обеспечивающего максимально высокую выходную мощность ветроэнергетической установки с накопителями энергии // Электроника, автоматика и измерительная техника: межвузовский сборник научных трудов с международным участием / Уфимский гос. авиационный тех. ун-т; под науч. ред.: Г. В. Миловзоров. – Уфа, 2011. – с. 47-52.

4. Санкевич, С. А. Петренко Ю.Н. Применение контролера нечеткой логики для управления ветроэлектрической установкой / С. А. Санкевич // Информационные технологии и системы 2012: материалы междунар. науч. конф., Минск, 24 октября 2012 г. / БГУИР; редкол.: Л. Ю. Шилин [и др.]. – Минск, 2012. – с. 66-67.