Міністерство освіти і науки України

Національний гірничий університет

АЛЕКСІЄВСЬКИЙ Дмитро Геннадійович

УДК 62-83-52:621.311.24

ЕЛЕКТРОМЕХАНІЧНА СИСТЕМА

ВІТРОЕНЕРГЕТИЧНОЇ УСТАНОВКИ НА БАЗІ

НАДСИНХРОННОГО ВЕНТИЛЬНОГО КАСКАДУ

05.09.03 - Електротехнічні комплекси та системи

Автореферат дисертації на здобуття

наукового ступеня кандидата технічних наук

Дніпропетровськ - 2003

Диссертаціею є рукопис.

Робота виконана в Запорізькій державній інженерній академії Міністерства освіти і науки України на кафедрі промислової електроніки і електронної техніки.

Науковий керівник:

кандидат технічних наук, доцент Семенов Всеволод Всеволодович, Запорізька державна інженерна академія Міністерства освіти і науки України, доцент кафедри промислової електроніки і електронної техніки.

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, доцент Труфанов Іван Дмитрович, Запорізький національний технічний универсітет Міністерства освіти і науки України, професор кафедри електроприводу і автоматизації промислових установок.

кандидат технічних наук, доцент Казачковський Микола Миколайович, Національний гірничий університет Міністерства освіти і науки України (м. Дніпропетровськ), професор кафедри електроприводу.

Провідна установа: Національний технічний університет "Харьковський політехнічний інститут" Міністерства освіти і науки України, кафедра автоматизованих електромеханічних систем (м. Харків).

Захист відбудеться 3 липня 2003 р. о 10 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 08.080.07 по захисту дисертацій при Національному гірничому університету Міністерства освіти і науки України (49027, м.Дніпропетровськ-27, пр. Карла Маркса, 19, тел. 47-24-11).

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного гірничого університету Міністерства освіти і науки України (49027, м. Дніпропетровськ-27, пр. Карла Маркса, 19).

Автореферат розісланий 2 червня 2003 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради,

доктор техн. наук, професор В.Т. Заїка

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Однією з найважливіших задач, що стоять перед розробниками вітроенергетичних установок (ВЕУ), є зниження її вартості і підвищення видобутку електроенергії.

Останнім часом намітився напрямок в конструюванні ВЕУ, пов'язаний з відмовою від аеродинамічного регулювання вітротурбіною. Вітротурбіна, в цьому випадку, має жорстку конструкцію без спеціальних механізмів повороту лопастей, що дозволяє знизити її вартість. Жорстка конструкція вітротурбіни здатна істотно знизити капітальні експлуатаційні витрати. Функції управління режимом роботи ВЕУ, в цьому випадку, покладаються на енергоустаткування. Це призводить до застосування напівпровідникових перетворювачів частоти (НПЧ). Таким чином, при виборі раціональної структури вітроелектрогенеруючої системи виникає проблема техніко-економічного плану.

Знизити вартість енергоустаткування можливо шляхом застосування схем з неповним перетворенням активної потужності. У цих системах значна частина потужності, що генерується, передається в мережу безпосередньо із затискачів генератора, а частина, що залишилася, зазнає перетворення з метою регулювання за допомогою НПЧ. Встановлена потужність НПЧ, в цьому випадку, нижча за величину сумарної потужності, що дозволяє знизити його вартість. Один з варіантів системи з неповним перетворенням потужності може бути виконаний на базі надсинхронного вентильного каскаду (НВК). Перевагами цієї схеми, крім приведеного вище, є її простота, а також можливість компонування силової частини з стандартного енергоустаткування, яке серійно випускається.

Статичні траєкторії регулювання, що застосовуються в цей час, відрізняються тим, що робочі точки, для максимальної швидкості вітрового потоку, відповідають максимальним кутовій швидкості і моменту на валу генератора. Внаслідок цього, встановлена потужність енергоустаткування повинна бути значно вище номінального значення потужності. Одним з шляхів зниження встановленої потужності енергоустаткування може бути застосування статичної траєкторії регулювання з обмеженням моменту на рівні номінального. Методика розрахунку параметрів такої траєкторії на цей час відсутня.

Однією з головних задач проектування НВК є вибір робочого ковзання. У разі застосування НВК для ВЕУ, при виборі робочого ковзання з'являється невизначеність, пов'язана з неоднозначністю впливу його величини на техніко-економічні показники енергоустаткування і вітроелектрогенеруючої системи загалом. Методика ж вибору максимального ковзання для ВЕУ без аеродинамічного регулювання на базі НВК відсутня.

Номінальний режим ВЕУ на базі НВК відповідає глибокому надсинхронному режиму. Він має певні особливості в порівнянні з поширеним в цей час і досить детально розглянутим в спеціальній літературі режимом двигуна при невеликих ковзаннях. В зв'язку із цим, під час розрахунку параметрів і характеристик роторного перетворювача необхідне урахування особливостей надсинхронного режиму, зокрема його впливу на процес комутації у роторному випрямлячі.

ВЕУ значну частину часу знаходиться в умовах електромеханічного перехідного процесу, завдяки змінному характеру швидкості вітрового потоку. В зв'язку з цим, виникає проблема забезпечення максимальної вихідної потужності під час електромеханічного перехідного процесу. Це ставить завдання розробки відповідного способу управління та системи керування, що його реалізує.

У режимах, які відповідають швидкості вітрового потоку вище номінальної, під час перехідного процесу момент на валу генератора короткочасно може перевищити номінальний момент. Таким чином, визначення встановленої потужності генератора та роторного трансформатору треба проводити з урахуванням поривчастості вітрового потоку. Методика розрахунку відповідного поправлення зараз відсутня.

Розв'язання вищеперелічених проблем дозволить розробити рекомендації по вибору раціональних параметрів енергоустаткування ВЕУ з підвищеними техніко-економічними показниками, створити відповідну методику розрахунку параметрів і характеристик електромеханічної системи ВЕУ на базі НВК.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана відповідно до Державної науково-технічної програми "Розробка та виробництво електротехнічної продукції загальнопромислового призначення" (шифр “Електротехніка 2005"), і держ. бюджетної роботи "Розробка напівпровідникових перетворювачів для вітроенергетичних систем на базі асинхронізованих синхронних генераторів", (шифр 19-1Г/2001).

Мета роботи. Основною метою дисертаційної роботи є підвищення техніко-економічних показників вітроелектрогенеруючої системи на базі надсинхронного вентильного каскаду та некерованої вітротурбіни шляхом оптимізації параметрів електромеханічної системи та застосування більш досконалих алгоритмів керування.

Об'єктом дослідження у дисертації є електромеханічні та електромагнітні процеси у електрогенеруючий системі вітроенергетичної установки на базі надсинхронного вентильного каскаду та некерованої вітротурбіни.

Предметом дослідження є сталі та динамічні режими роботи електромеханічної системи ВЕУ, її параметри та характеристики.

Основні задачі дослідження:

- проведення порівняльного техніко-економічного аналізу узагальнених схемних рішень вітроелектрогенеруючих систем і обґрунтування на його основі доцільності вибору схеми на базі НВК, як енергоустаткування ВЕУ;

- обґрунтування критерію вибору максимального ковзання НВК, побудова та дослідження оптимізаційної моделі на основі отриманого критерію;

- аналіз електромагнітних процесів у НВК з урахуванням впливу ефекту витискування струму ротора, та проведення експериментальних досліджень характеристик НВК для підтвердження результатів теоретичних досліджень;

- розробка динамічних траєкторій керування електрогенеруючою системою, яка дозволяє підвищити видобуток електроенергії під час електромеханічного перехідного процесу, та розробка системи керування, яка реалізує динамічні траєкторії регулювання;

- розробка методики визначення номінальної потужності електрообладнання ВЕУ з урахуванням поривчастого характеру вітрового навантаження;

- створення математичної моделі електромеханічної системи ВЕУ та перевірка на її основі працездатності розробленого алгоритму керування.

В роботі використані наступні методи дослідження: вирішення нелінійних трансцендентних рівнянь методом половинного ділення для визначення координат сталої траєкторії регулювання, в розрахунках миттєвих значень роторного струму та при обчислюванні динамічних траєкторій регулювання у математичній моделі електромеханічної системи ВЕУ; числове інтегрування для розрахунку видобутку електроенергії, для розрахунку коефіцієнтів ряду Фур'є при обчислюванні роторного струму, та при реалізації математичної моделі електромеханічної системи; поліноміальна апроксимація нелінійних залежностей за допомогою степенного поліному для опису механічних характеристик вітротурбіни; імітаційне математичне моделювання електромеханічної системи; оптимізація за допомогою мультиплікативного критерію при розрахунку максимального робочого ковзання; аналітичні рішення диференційного рівняння за допомогою інтеграла зі змінною верхнею частиною для виведення аналітичних залежностей, які описують вплив параметрів електричної машини на процеси комутації роторного випрямляча; визначення потужності електрообладнання методом середніх витрат.

Найбільш суттєві наукові положення та результати, отримані здобувачем, та їхня новизна.

Наукові положення:

1. Залежність мультиплікативного критерію оптимізації максимального ковзання генератора вітроелектрогенеруючої системи на базі надсинхронного вентильного каскаду та некерованої вітротурбіни, який характеризує її комплексні техніко-економічні показники, від значення максимального ковзання у робочому діапазоні має вигляд функції, що зростає і має пологу ділянку у кінці діапазону. Оптимальне значення максимального ковзання відповідає заданому мінімальному значенню першої похідної по максимальному робочому ковзанню.

2. Механічні характеристики, отримані з урахуванням впливу ефекту витискування струму у роторі асинхронного генератора з фазовим ротором на процеси комутації у роторному випрямлячі, на відміну від характеристик, розрахованих за допомогою відомих методів, мають меншу жорсткість на початковій ділянці, що відповідає першому режиму роботи роторного випрямляча. Урахування впливу ефекту витискування струму у розрахунку електромагнітного моменту генератора дозволяє підвищити точність математичної моделі, що використовується для побудови системи керування електромеханічною системою ВЕУ.

Наукові результати:

1. У результаті оцінки техніко-економічних показників усереднених класів енергоустаткування вперше підтверджена доцільність побудови вітроелектрогенеруючих систем з частковим перетворенням активної потужності без аеродинамічного регулювання.

2. Вперше отримані розрахункові співвідношення між номінальною потужністю електрообладнання і розрахунковою активною потужністю ВЕУ з урахуванням перевищення номінального моменту під час електромеханічного перехідного процесу.

3. Вперше сформульована задача оптимізації максимального робочого ковзання надсинхронного вентильного каскаду у складі вітроенергетичної установки з некерованою вітротурбіною. На основі розробленого критерію оптимізації та умов вибору максимального робочого ковзання створена математична модель, що дозволяє визначати максимальне робоче ковзання з урахуванням умов експлуатації системи.

4. Вперше розроблена математична модель, яка дозволяє досліджувати характеристики надсинхронного вентильного каскаду при великих значеннях ковзання. Особливістю моделі є урахування впливу ефекту витискування струму на процеси комутації у роторному випрямлячі.

Практична цінність отриманих результатів полягає у тому, що:

- отримані співвідношення дозволяють вибирати номінальні потужності асинхронного генератора з фазовим ротором та трансформатора інвертора з урахуванням поривчастого характеру вітрового потоку.

-

-

-

Результати роботи використані у розробці електроустаткування вітроенергетичної установки ВАТ НДІ СЕ "Перетворювач" у вигляді алгоритму програмного забезпечення мікропроцесорної системи керування, та методики розрахунку параметрів електромеханічної системи.

Особистий внесок автора. Автор самостійно сформулював наукові положення, виконав теоретичну частину роботи, розробив і створив експериментальний стенд та виконав на ньому експериментальну частину. Зміст дисертації викладений автором особисто.

Апробація результатів дисертації. Основні теоретичні положення, результати і висновки докладалися автором і обговорювалися: на науково-практичних конференціях "Силова електроніка як ефективний засіб ресурсо- і енергозбереження, створення прогресивних технологій" (Запоріжжя, 1997), та "Екологічно чиста енергетика для Криму" (Гурзуф, 2001); на Міжнародних науково-технічних конференціях "Проблеми сучасної електроніки - 2000" (Київ, НТУУ "КПІ", 2000), та "Силовая электроника и энергоэффективность -2001" (Алушта, ХДПУ, 2001); на наукових семінарах "Асоціації інженерів силової електроніки" (Запоріжжя, 2000-2001 рр.)

Публікації. За темою дисертаційної роботи опубліковано 10 друкованих робіт. Із них 6 статей у спеціалізованих наукових виданнях (5 - в співавторстві і 1-самостійно), 1- у збірці наукових праць, 3- тези доповіді на конференціях. У роботах, які опубліковані у співавторстві, особисто дисертанту належать: [1, 8, 9, 10] - аналіз доцільності застосування НВК в складі вітроелектрогенеруючій системи; [2, 4]- методика розрахунку діаграми вироблення; [2, 7]- траєкторія регулювання в координатах механічної характеристики НВК; [3]- виведення основних розрахункових залежностей, що описують електромагнітні процеси в НВК; [6] - розроблені алгоритм керування електромагнітним моментом генератора та структура системи керування.

Структура та обсяг роботи. Повний обсяг дисертації становить 199 сторінки друкованого тексту, до складу якого входять 156 сторінки основної частини, що містить вступ, п'ять розділів та висновки по роботі, список використаних літературних джерел та десять додатків. Список використаних джерел містить 74 найменувань та займає 6 сторінок. В дисертації 56 малюнки та 2 таблиці, які займають 32 сторінки основного тексту.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність проблеми та показано її зв'язок з науковими програмами та темами, сформульовані мета та головні наукові і практичні задачі дослідження, викладені наукові положення, що захищаються, показані наукова новизна та практична цінність отриманих результатів, а також показано рівень апробації результатів роботи, кількість публікацій за темою та особистий внесок автора.

У першому розділі розглянуті типи структурних схем енергоустаткування ВЕУ із визначенням їхніх переваг і недоліків. Приведена класифікація схем по ознаках наявності аеродинамічного регулювання і відносини величин встановленої потужності перетворювача частоти до потужності, що передається в мережу. У рамках цієї класифікації зроблений техніко-економічний аналіз усереднених класів вітроелектрогенеруючих систем з метою вибору раціонального напряму розробки енергоустаткування ВЕУ.

В результаті порівняльного аналізу була показана доцільність використання схеми з неповним перетворенням активної потужності у перетворювачі частоти та некерованою вітротурбіною.

В якості сталої траєкторії регулювання для вибраної електромеханічної системи була запропонована стала траєторія регулювання з обмеженням на рівні номінального моменту асинхронної електричної машини з фазовим ротором.

Запропонована стала траєкторія регулювання приведена на рис. 1.

Вона складається з п'яти дільниць:

Т1-Т2 - дільниця нечутливості;

Т2-Т3 -дільниця виходу на оптимальний режим;

Т3-Т4 -дільниця оптимального відбору потужності (проходить по лінії "Срmax");

Т4-Т5 -дільниця обмеження на рівні максимального ковзання;

Т5-Т6 -дільниця обмеження на рівні номінального моменту генератора.

Треба зазначити, що обмеження по номінальному моменту існують тільки для сталого режиму. При перехідних процесах, момент на валу генератора короткочасно може перевищувати номінальне значення.

У другому розділі розглянуто питання оптимізації максимального робочого ковзання асинхронної електричної машини у складі електрогенеруючої системи.

Робоче ковзання генератора є одним з найбільш важливих початкових параметрів для розрахунку енергоустаткування ВЕУ на базі НВК. Величина максимального робочого ковзання неоднозначним чином впливає на техніко-економічні показники енергоустаткування і всю ВЕУ.

З одного боку, збільшення робочого ковзання веде до розширення діаграми видобутку електроенергії і, як наслідок, збільшує вироблення електроенергії. Це також дозволяє збільшити коефіцієнт використання асинхронної електричної машини з фазовим ротором по потужності.

З іншого боку, його збільшення веде до зростання встановленої потужності перетворювача частоти роторного ланцюга і, як наслідок, збільшує капітальні витрати на виготовлення енергоустаткування.

Таким чином, виникає задача оптимізації максимального робочого ковзання. Вона вирішується шляхом визначення критерію оптимізації та дослідження, побудованої на його основі оптимізаційної моделі.

Критерій оптимізації максимального робочого ковзання визначається як відношення річного видобутоку електроєнергії до капітальних витрат на ВЕУ:

, (1)

де - максимальні робочі ковзання;

- швидкість вітру;

- щільність вирогідності розподілу швидкості вітру;

- капітальні витрати на побудову ВЕУ;

- потужність на виході ВЕУ.

Максимальне робоче ковзання визначається за допомогою вимоги:

, (2)

де ; . (3)

Результати розрахунку для різних середніх швидкостей вітру приведено на рис.2. Дослідження оптимізаційної модели проводились для різних умов експлуатації ВЕУ, зокрема для різних середніх швидкостей вітру. В результаті моделювання встановлено, що максимальне робоче ковзання треба вибирати у межах, близьких до (-1). Для серійних электричних машин з фазовим ротором робота з таким ковзанням пов'зана зі зменшенням механічної прочності та перевищенням напруги ротора. З цього, треба зазначити, що робота з такими великими ковзаннями потребує спеціалізованої електричної машини з фазовим ротором.

У третьому розділі розглянуто електромагнитні процеси у роторному ланцюгу НВК з метою дослідження впливу ефекту витискування струму ротора на механічні характеристики НВК. Результати оптимізації максимального робочого ковзання та структура системи керування (розглянута у п'ятому розділі) ставить завдання отримання уточнених механічних характеристик НВК з урахуванням впливу ефекту витискування струму ротора на процеси комутації роторного випрямляча.

Еквівалентна схема контуру комутації роторного випрямляча приведена на рис.3.

Рівняння, яке описує закон зміни струму комутації, має вигляд

, (4)

де - амплитудне значення фазної ЕДС ротору;

.

Комутація закінчується, коли струм комутації досягає значення постійного струму Id. Виходячі з цього, та на основі рівняння (4) може бути виведено рівняння для визначення кута комутації

, (5)

де .

Еквівалентна схема ланцюга постійного струму приведена на рис.4. Для сталого режиму роботи вона описується рівнянням

, (6)

де - коефіцієнти трансформації асинхронної електричної машини і трансформатора інвертора відповідно;

- кут керування інвертора.

За допомогою (5) і (6) можна одержати рівняння для розрахунку кута комутації роторного випрямляча

. (7)

Рівняння (7) - є трансцендентним, тому кут комутації визначеня за допомогою численного методу (методом половинного діління).

Електромагнітний момент генератора визначається активною механічною потужністю генератора. Таким чином, він розраховувається по формулі

, (8)

де m2 - число фаз електричної машини,

I2(1)- діюче значення першої гармоніки струму ротора,

2 - кут між фазами ЕРС та струму ротора.

Значення I2 та 2 визначаються через розкладання форми струму в ряд Фур'є за допомогою виразів

, , (9)

де А1 і А2 - коефіцієнти розкладання форми роторного струму в ряд Фур'є.

Вплив ефекту витискування струму на активний та реактивний опір ротору будемо враховувати за допомогою відповідних коефіцієнтів для багатошарової обмотки

, . (10)

де n - число витків,

- приведена висота провідника.

Функції r (), r(), x(), x() визначаються з рівняннь

, ,

, . (11)

На рис. 5 приведено результати порівняльного розрахунку механічних характеристик для НВК мегаватного класу без урахування (переривчата лінія) та з урахуванням впливу ефекту витискування струму ротора (безперервна лінія), для різних кутів керування інвертору.

Вплив ефекту витискування струму призводить до зменшення жорсткості механічної характеристики на начальній ділянці, що відповідає першому режиму роботи некерованого випрямляча роторного ПЧ, і у середньому складає 5-7%.

У четвертому розділі розглянуті методика та результати експериментальних дослідженнь характеристик НВК. Адекватність розрахункових залежностей, які були отримані у результаті теоретичних досліджень, повинна була получити підтвердження шляхом експерименту. Для цього було створено експериментальний стенд потужністю 3,5 кВт для дослідження механічних характеристик НВК. В якості гонного блоку у складі стенду було використано привод постійного струму. Двигун постійного струму безпосередньо приєднаний до асинхронного генератора з фазовим ротором за допомогою спеціальної муфти.

Вимірювання електромагнітного моменту на валу генератора було здійснено за допомогою скісного методу через вимірювання електричної потужності на вході двигуна постійного струму, з урахуванням загальних втрат потужності у системі.

Швидкість обертання генератору вимірювалась за допомогою спеціально розробленого пристрою на базі інфрочервоного датчика положення.

В ході аналізу результатів експеримента підтверджена адекватність методики розрахунку механічних характеристик НВК, яку запропоновано у третьому розділі.

У п'ятому розділі наведено опис способу керування електромеханічною системою ВЕУ та структурну схему системи керування, що його реалізує. Також розглянуте питання вибору встановленої потужності генератору та трансформатора інвертора з урахуванням перевантаження під час перехідного процесу у електромеханічній системі. Розглянуті математична модель електромеханічної системи ВЕУ та аналіз результатів моделювання. У розділі також приведена інженерна методика розрахунку параметрів і характеристик електромеханічної системи ВЕУ на базі НВК та некерованої вітротурбіни.

Запропонована вище статична траєкторія регулювання являє собою безліч робочих точок, в яких система повинна знаходитися в сталому режимі. Реальна ж електрогенеруюча система значну частину часу знаходиться в умовах електромеханічного перехідного процесу внаслідок значення швидкості вітрового потоку, що змінюється.

В зв'язку з цим, стає питання розробки динамічних траєкторій регулювання, які б забезпечили максимально можливе значення потужності, що передається в навантаження під час перехідного процесу. Динамічні траєкторії регулювання можна розділити на три групи. Перша - перехідні процеси із збільшенням швидкості обертання валу. Друга - перехідні процеси із зменшенням швидкості обертання валу, при максимальному приведеному моменті вітротурбіни, що нижчий за номінальний момент генератору. Третя - перехідні процеси із зменшенням швидкості обертання вала, при максимальному приведеному моменті вітротурбіни, вищому за номінальний момент генератору.

Варіанти динамічних траєкторій регулювання (жирна лінія), які відповідають кожній з групп, приведено на рис. 6-8 відповідно. На графіках початковій і кінцевій швидкостям обертання відповідають індекси 1 і 2 відповідно. Стрілками показаний динамічний момент, діючий у системі.

В перехідних процесах із збільшенням швидкості обертання, динамічна траєкторія повинна пройти нижче за механічну характеристику вітротурбіни. При цьому необхідно забезпечувати фіксований динамічний момент.

У перехідних процесах із зменшенням швидкості обертання, при максимальному моменті вітротурбіни нижче за номінальний момент генератору, динамічна траєкторія регулювання повинна пройти по лінії номінального моменту генератора до досягнення заданої швидкості обертання.

У перехідних процесах із зменшенням швидкості обертання при максимальному моменті вітротурбіни вище номінального моменту генератора динамічна траєкторія регулювання повинна пройти вище за механічну характеристику вітротурбіни з фіксованим динамічним моментом. Цей режим є важким з точки зору перевантаження енергоустаткування, оскільки воно працює в режимі вище номінального. Встановлена потужність генератора чи трансформатора інвертора визначається за допомогою рівняння

, (11)

де М - відносне перевантаження генератора по моменту;

Рном - номінальна потужність генератору чи трансформатора інвертору, виходячи з номінального режиму.

Рівняння (11) отримано за допогою методу середніх втрат в ході аналізу найгіршого циклу зміни швидкості вітрового потоку.

Блок-схема математичної моделі електромеханічної системи ВЕУ на базі НВК та некерованої вітротурбіни приведена на рис. 9.

Результати моделювання поведінки системи в координатах швидкості вітру - VB(t), потужності на виході генеруючої системи - Р(t), кутової швидкості обертання вала генератора - 1(t), електромагнітного моменту генератора - MЕМ(t) у відносних одиницях та MЕМ(1), приведені на рис. 10.

Результати моделювання підтверджують працездатність запропонованого способу керування НВК та системи керування, що його реалізує.

ВИСНОВКИ

В дисертаційній роботі наведене вирішення науково-практичної задачі, яка полягає у дослідженні параметрів та характеристик електромеханічної системи вітроенергетичної установки на базі надсинхронного вентильного каскаду та некерованої вітротурбіни з підвищеними техніко-економічними показниками, з метою створення методів параметричного синтезу цієї системи.

Виконані у дисертаційній роботі дослідження дали змогу зробити наступні висновки:

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

Основні наукові положення та результати дисертації відображені в наступних роботах:

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

8.

9.

10.

Анотація

Алексієвський Д.Г. Параметричний синтез електромеханічної системи на базі надсинхронного вентильного каскаду - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук по спеціальності 05.09.03 - "Електротехнічні комплекси і системи". Національний гірничий університет Міністерства освіти та науки України, Дніпропетровськ, 2003.

Дисертація присвячена методам параметричного синтезу електромеханічної системи вітроенергетичної установки без аеродинамічного регулювання на базі надсинхронного вентильного каскаду (НВК).

У роботі проведений аналіз структур вітроелектрогенеруючіх систем, який показав перспективність побудови ВЕУ без аеродинамічного регулювання на базі схем енергоустаткування з неповним перетворенням потужності.

Запропонована стала траєкторія регулювання вітроелектрогенеруючій системи, яка дозволяє знизити встановлену потужність електрообладнання НВК.

Розроблена оптимізаційна математична модель вибору робочого ковзання. Розроблена методика розрахунку механічних характеристик НВК з урахуванням впливу ефекту витискування струму на процеси комутації роторного випрямляча.

Запропоновані спосіб регулювання НВК в складі ВЕУ і структурна схема системи керування, що його реалізує. Шляхом дослідження математичної моделі електромеханічної системи була підтверджена працездатність запропонованого в роботі способу регулювання та структурної схеми системи керування. В роботі приведено інженерну методику розрахунку електромеханічної системи ВЕУ на базі НВК та некерованої вітротурбіни.

Ключові слова: асинхронний генератор, вітроенергетична установка, асинхронний вентильний каскад, некерована вітротурбіна, напівпровідниковий перетворювач, ефект витискування струму.

Аннотация

Алексеевский Д.Г. Параметрический синтез электромеханической системы на базе сверхсинхронного вентильного каскада. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.09.03 - "Электротехнические комплексы и системы". Национальный горный университет Министерства образования и науки Украины, Днепропетровск, 2003.

Диссертация посвящена методам параметрического синтеза электромеханической системы ветроэнергетической установки без аэродинамического регулирования на базе сверхсинхронного вентильного каскада (СВК).

В работе проведен анализ обобщенных классов структур ветроэлектрогенерирующих систем, который показал перспективность построения ВЭУ без аэродинамического регулирования на базе схем электрооборудования с неполным преобразованием мощности нагрузки в преобразователе частоты. Достоинство таких схем заключается в возможности применения жесткой конструкции ветротурбины и, как следствие, снижение ее стоимости и повышение эксплуатационной надежности, а также в снижении установленной мощности электрооборудования.

Предложена статическая траектория регулирования ветроэлектрогенерирующей системы в координатах электромагнитного момента и угловой скорости вращения вала генератора, позволяющая снизить установленную мощность генератора и трансформатора инвертора. Снижение достигается за счет обеспечения режима ограничения мощности ветротурбины при номинальном значении момента генератора.

Предложен критерий оптимизации рабочего скольжения на СВК для ВЭУ без аэродинамического регулирования. Разработана оптимизационная математическая модель выбора рабочего скольжения на основе предложенного критерия оптимизации.

Получены теоретические расчетные зависимости для описания электромагнитных процессов в СВК с учетом эффекта вытеснения тока в роторе генератора. Разработана методика расчета механических характеристик СВК с учетом влияния эффекта вытеснения тока на процессы коммутации роторного выпрямителя.

Разработан и изготовлен экспериментальный стенд для исследования характеристик СВК, с целью проверки адекватности математических зависимостей, полученных аналитически.

Предложены способ регулирования СВК в составе ВЭУ и структурная схема системы управления, которая его реализует. Для исследования поведения электромеханической системы была разработана ее математическая модель. В результате исследования математической модели электромеханической системы была подтверждена работоспособность предложенного в работе способа регулирования и структурной схемы системы управления.

В работе приведена инженерная методика расчета электромеханической системы ВЭУ на базе СВК и нерегулируемой ветротурбины.

Ключевые слова: асинхронный генератор, ветроэнергетическая установка, асинхронный вентильный каскад, нерегулируемая ветротурбина, полупроводниковый преобразователь, эффект вытеснения тока.

Annotation

Alecseevskey D.G. Parameters and characteristics of the electromechanical complex for wind power plant on the base of supersynchronous Scherbius system. - Manuscript.

Thesis for candidate of sciences degree by speciality 05.09.03 - Electrotechnical complexes and systems. - National mining academy of Ukraine, Dnepropetrovsk, 2003.

In the thesis, an electromechanical complex for wind power plant (WPP) on the base of supersynchronous Scherbius system (SSS) have been studied. The system is destined for run with wind turbines, which are not provided with adjusting of blade angles. The future trends of electromechanical systems for WPP on the base of SSS without aerodynamic control and with partial power conversion by semiconductor converters are shown.

It is proposed the static control trajectory in moment - speed coordinates, which enables to cut down the rated power of generator and inverter transformer.

Operating slip optimization criterion is suggested and mathematical model for choice of the operating slip is worked out.

Skin-effect in generator rotor winding and its influence on rectifier commutation is analyzed. The mechanical characteristics of the system with taking account of skin-effect are calculated.

The mathematical model for dynamic behavior of the all complex is proposed and a way of control is worked out.

The engineering method for calculation the whole complex is designed and example of system calculation is cited.

Key-words: asynchronous generator, wind power plant, Scherbius system, unregulated wind turbine, semiconductor inverter, skin-effect.