Система управления ВЭУ

Существует много способов управления вы­ходными параметрами ВЭУ [6]. Все они делятся на активные и пассивные. Достоинством пассив­ного способа управления ВЭУ является относительная простота в проектировании таких систем и их экс­плуатации, активного – высокая точность выходных управляемых параметров.

В данной статье рассмотрено активное управ­ление путем изменения угла атаки лопастей. Угло­вая скорость вращения ротора ВЭУ зави­сит от ско­рости ветра, угла поворота лопасти относительно набегаю­щего потока и нагрузки на генераторе. Сле­довательно, при изменении ветра и нагрузки, варьи­руя углом атаки можно обеспечить постоянство уг­ловой скорости.

На рис. 3 приведена функциональная схема си­стемы управления, в ко­торой использован данный принцип.

Эта система имеет следующие датчики: датчик угловой скорости элек­трогенератора, 4 датчика ско­рости ветра и датчики угла поворота лопастей и ее угловой скорости. На основании информации с них о вели­чине текущих параметров формируется управляющий сигнал для исполнительного меха­низма, в роли которого выступает электропривод, который поворачивает лопасть на требуемый угол для обеспечения задан­ной угловой скорости враще­ния электрогенератора.

Рисунок 3 – Функциональная схема системы управления ВЭУ

На рис. 3 введены следующие обозначения:

ЗД – задатчик выходной угловой скорости электрогенератора:

ДУС – датчик угловой скорости;

ДУ – датчик угла;

ДСВ – датчик скорости ветра;

УМ – усилитель мощности;

Р – редуктор;

ДСГ – датчик угловой скорости генератора.

Четыре ДСВ расположены таким образом, что фиксируют значение скоро­сти ветра в 4 разных точ­ках и направлениях относительно оси вращения ро­тора. Блок обработки воздушной скорости форми­рует среднее значение скорости. Таким образом, решается проблема учета возникновения рез­ких по­рывов ветра и вихревых потоков, которые возника­ют в результате враще­ния ротора ВЭУ.

В данную систему, в отличие от классической, которая имеет одну об­ратную связь по угловой скорости вращения электрогенератора, введены еще две до­полнительные обратные связи по углу отклонения и угло­вой скорости лопасти, что значительно повы­шает быстродействие и точность системы.

Реализация системы управления ВЭУ в среде MAT­LAB/SIMULINK

Рассмотрим систему управления трехлопаст­ной ВЭУ с горизонталь­ной осью вращения мощно­стью 600 кВт [2].

Согласно [2] радиус ометаемой поверхности ротора ВЭУ, которая обеспечит требуемую мощ­ность при рабочей скорости ветра V ₀ = 8 м/с, дол­жен быть равным R = 24 м. Начальный угол атаки лопастей данной установки θ ₀ = 10°.

На рис. 4 приведена зависимость коэффициента мощности от быстро­ходности для разных типов ветроустановок. Рабочую точку целесо­образно выби­рать на кривой за пиковым ее значением коэффици­ента мощности [6].

Для ВЭУ данного типа таковой является точка с быстроходностью 5 и С_Р0 = 0,45.

Рисунок 4 – Зависимость коэффициента мощности С_Р от быстроходности

Следовательно, ветроколесо должно вращаться с угловой скоростью w ₀ = 2,7 рад/с.

Из всего вышеперечисленного определены ко­эффициенты ветроко­леса R = 1,41, R ₂ = 0,016, R ₃ = 0,24 и постоянная времени
Т = 0,3 с.

На рис.5 приведена схема моделирования си­стемы в среде
MAT­LAB/SIMULINK. Группа блоков Step1 – Step5 формирует диаграмму скачко­образного изменения ветрового возмущения. Блоки Sine Wave, Gain3 предназначены для формирования изменяю­щейся составляющей, а блок Constant1 – постоянной составляющей ветрового потока.

Рисунок 5 – Схема моделирования системы в среде MATLAB/SIMULINK

Блок Step формирует задающее воздействие в виде ступенчатой функ­ции; Gain1 – усилитель вы­ходного сигнала; блок Transfer Fnc1 – передаточная функция исполнительного механизма; Transfer Fnc2 – Trans­fer Fnc4 – передаточные функции объекта со­ответственно с вход­ными переменными: скоростью ветра, угла атаки лопасти и изменения нагрузки. Блок Constant2 задает уровень исходной нагрузки.

Блок Gain соответствует уменьшению общего коэффициента пере­дачи системы в результате дей­ствия нагрузки.

Блок Gain2 – коэффициент усиления мощно­сти; Gain8 – коэффици­ент передачи датчика угловой скорости; Gain9 – коэффициент передачи датчика угла; Gain10 – датчика угловой скорости внешнего контура; Gain12 – датчика нагрузки.

Блоки Gain8 и Gain9 – коэффициенты обратных связей по угловой скорости вращения лопасти и ее углу отклонения соответственно.

Блоки Step, Step1 – Step5 предназначены для имитации скачкообраз­ного изменения ветра.

Блок Switch предназначен для исследования качества системы регули­рования при различных изменениях ветрового потока: синусоидаль­ного и ступенчатого.

Блоки регистрации сигналов позволяют полу­чить реакции: угла лопа­сти ВЭУ (Scope), угловой скорости электрогенератора (Scope1), формирования ветрового порыва (Scope2), изменения нагрузки (Scope3), угловой скорости ротора ВЭУ (Scope4), результирующего ветро­вого воздействия (Scope5) соответственно

Рекомендованные источники литературы:

1. Чи зможе ЄС вдвічі збільшити виробництво поновлюваної енергії, або про що йдеться у White Paper? / Гуннар Бой Ольсен // Зелена енергетика. - 2001. -Ne2.-C.4-5.

2. Кривцов В.С. Неисчерпаемая энергия. Кн. I. Ветроэнергогенера­торы: учебник / Кривцов B.C. Олейников А.М., Яковлев А.И. - X.: Нац. аэро­косм, ун-т «Харьк. авиац. ин-т», Севастополь: Севаст. нац. полит, ун-т, 2003. – 400 с.

3. Солод М. Ветроэнергетика. Попытка ре­анимации? / М.Солод //Наука и техн и ка. 2008. -№ II-21-26.

4. Gasch R. Windkraftanlagen: Grundlagen und Entwif /R. Gasch. – Stulgart: Teibner, 1995. – 391 c.

5. Fernandez Die: Pedro. Energia colica / D.P Fernandez // Metalucguiz у elea tcicida - 1980. - Vol. 44. - № 509. - P. 63-68.

6. Сабинин Г.Х. Характеристики ветродвига­теля в зависимости от на­правления ветра. Труды ЦАГИ / Г.Х Сабинин, – М.: ЦАГИ, Вып. 28, 1926. – 112 с.

7. Фатеев Е.М. Ветродвигатели и ветроустановки. Учебное пособие. / Е.М. Фатеев. – М.: Гос­издат. с.-х. лит., 1957. – 536 с.