НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ ЕЛЕКТРОДИНАМІКИ

Тихевич Остап Олегович

УДК 621.311.24

Удосконалення методики узгодження параметрів

вітротурбіни та асинхронізованого синхронного генератора вітроенергетичної установки

Спеціальність 05.14.08 – Перетворювання відновлюваних видів енергії

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ - 2003

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі енергетики і електротехніки Національного аерокосмічного університету ім. М.Є. Жуковського „ХАІ” Міністерства освіти і науки України, м. Харків.

Науковий керівник – доктор технічних наук, професор Яковлєв Олександр Іванович, завідувач кафедри енергетики і електротехніки Національного аерокосмічного університету

ім. М.Є.Жуковського „ХАІ”.

Офіційні опоненти: – доктор технічних наук, с.н.с. Кудря Степан Олександрович, завідувач відділу загальних проблем використання відновлюваних джерел енергії Інституту електродинаміки НАН України, м. Київ; –

кандидат технічних наук, доцент Галіновський Олександр Михайлович, доцент кафедри електромеханіки Національного технічного університету України „КПІ”.

Провідна установа – Національний технічний університет „Харківський політехнічний інститут” Міністерства освіти і науки України (кафедра електричних станцій).

Захист відбудеться “ 18 ” листопада 2003 р. о 14:00 год. на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.187.03 при Інституті електродинаміки НАН України (03680, м. Київ-57, просп. Перемоги 56).

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Інституту електродинаміки НАН України (03680, м. Київ-57, просп. Перемоги 56).

Автореферат розіслано “ 16 ” жовтня 2003 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради О.І. Титко

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Вітроенергетика є одним із пріоритетних напрямків розвитку поновлюваних джерел енергії. Вартість вироблення електроенергії сучасної ВЕУ наближається до вартості електроенергії, отриманої за допомогою традиційних електростанцій. Використання асинхронізованих синхронних генераторів (АСГ), шлях до яких відкрив розвиток силової електроніки, може підняти ефективність роботи ВЕУ до рівня, недоступного іншим типам генераторних систем.

Тому виникає потреба в удосконаленні методик узгодження параметрів вітротурбіни й АСГ, а також створенні алгоритмів керування АСГ за умови змінної швидкості обертання вітротурбіни.

Виходячи з вищевикладеного, тема даної роботи актуальна, а її реалізація становить безсумнівний інтерес.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалася в Національному аерокосмічному університеті ім. М.Є. Жуковського „ХАІ” на кафедрі енергетики і електротехніки відповідно до плану науково-дослідної держбюджетної НДР Г 105-08/00 (ДР № 0100U002198) "Теоретичні основи створення сучасних енергоустановок для використання нетрадиційних і поновлюваних джерел енергії". Також проводилися НДР у рамках договорів про співробітництво 105-155/99 із ДНПО "Комунар", 105-208/99 з ВАТ "Електромашина", 105-208/00 з ВАТ "Харківський технологічний центр". Роль автора дисертації у виконанні НДР полягає у розробці методики узгодження параметрів вітроенергетичних установок, комп’ютерному моделюванні нових типів вітроустановок та оптимізації параметрів вітротурбіни і генератора, розробці алгоритмів керування вітроенергетичними установками.

Мета та задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є розробка методики послідовного узгодження параметрів вітротурбіни й АСГ, а також принципів керування АСГ, які дозволяють досягти ефективної роботи системи ВЕУ при змінній частоті обертання і забезпеченні стабільності частоти у режимі роботи в мережі і максимального аеродинамічного ККД вітротурбіни. При цьому необхідно визначити границі швидкостей ротора АСГ, при яких генерування електроенергії буде ефективним. Для досягнення цієї мети повинні бути вирішені наступні задачі: розробка математичної моделі системи "вітротурбіни – АСГ"; розрахунок параметрів АСГ з урахуванням характеристик конкретної вітротурбіни і вітрових умов; математичне моделювання системи "вітротурбіна – АСГ" з метою визначення алгоритму керування й оптимізації параметрів керування генератором; перевірка результатів чисельного моделювання експериментальними дослідженнями; розробка рекомендацій щодо застосування методик моделювання і розрахунку.

Об'єкт дослідження. ВЕУ як система, що включає у собі вітротурбіну й АСГ.

Предмет дослідження. Спільна робота вітротурбіни та АСГ в умовах нестабільності швидкості обертання і необхідності підтримки стабільної генерованої частоти при максимальному аеродинамічному ККД вітротурбіни.

Методи дослідження. Математичне моделювання системи "вітротурбіна – АСГ" шляхом спільного розв’язання рівнянь вітротурбіни і генератора. Експериментальне дослідження роботи АСГ і вітротурбіни.

Наукова новизна одержаних результатів:

1. Розроблено математичну модель вітроенергетичної установки з асинхронізованим синхронним генератором, засновану на системі рівнянь Парка-Горєва для еквівалентної двофазної машини, яка відрізняється від існуючих тим, що вона одночасно включає в себе рівняння вітротурбіни, генератора і системи керування та орієнтована на застосування індивідуального підходу до створення і вивчення вітроустановок. При чисельному інтегруванні системи рівнянь визначена область ефективної роботи, що відповідає ковзанню 35-40%. Модель дозволила проаналізувати різні режими роботи при мінливій швидкості обертання ротора і запропонувати алгоритм керування за умови максимуму аеродинамічного ККД вітротурбіни.

2. Розроблено принципи та методологію керування асинхронізованим синхронним генератором, який працює разом з вітроенергетичною установкою, удосконалено методи знаходження номінальної швидкості вітру і узгодження параметрів генератора і вітротурбіни при стабільній частоті на вихідних клемах генератора і максимальному виробленню електроенергії.

3. Показано теоретично й експериментально, що коефіцієнт використання встановленої потужності неадекватно характеризує ефективність роботи вітроустановки. Точніша оцінка може бути зроблена за допомогою коефіцієнта енергетичної віддачі.

4. Розроблено нові схемні рішення керування моментом генератора і розширення вітрового діапазону роботи вітроустановки без аеродинамічного регулювання швидкохідності вітротурбіни шляхом введення активного резистора в ланцюг статора генератора, що забезпечує виробництво електроенергії при максимальному коефіцієнті енергетичної віддачі.

Практичне значення одержаних результатів. У науково-дослідних роботах Інституту енергозбереження та енергоменеджменту Національного технічного університету України "КПІ" впроваджена розроблена автором діюча масштабна модель вітроенергетичної установки для експериментального дослідження характеристик і режимів спільної роботи вітротурбіни і генератора. Ця модель дозволила одержати експериментальні дані роботи вітроенергетичної установки у різних вітрових умовах і виявити удосконалені алгоритми керування вітроустановкою з генератором змінного струму.

Результати математичного моделювання вітроенергетичної установки з асинхронізованим синхронним генератором і системою керування, методики узгодження параметрів вітротурбіни та електрогенератора, результати дослідження алгоритмів керування генератором, отримані автором під час виконання дисертаційної роботи, використані в науково-дослідних роботах лабораторії ЦНДЛАТЕМА Національного аерокосмічного університету ім. М.Є. Жуковського "ХАІ" при створенні дослідних зразків вітроенергетичних установок і експериментальних стендів. У навчальний процес впроваджена лабораторна робота з курсу "Нетрадиційні джерела енергії" на базі виготовленого макетного зразка.

Розроблені методики й алгоритми необхідно та планується впроваджувати при проектуванні і випуску нових вітроагрегатів з високими енергетичними показниками на ДП "Завод ім. Малишева", НВО "Электроважмаш" і АТ "Харківський електротехнічний завод Укрелектромаш".

Особистий внесок здобувача. Особисто автором розроблена і реалізована на ЕОМ математична модель вітроенергетичної установки, що включає у собі модель вітру, вітротурбіну, асинхронізований синхронний генератор, збудник і систему керування. Запропоновано алгоритм керування вітроустановкою з асинхронізованим синхронним генератором. Спроектовано і виготовлено експериментальні стенди для дослідження аеродинамічних характеристик вітротурбіни і дослідження роботи асинхронізованого синхронного генератора.

Роботи [1], [4], [5] написані автором самостійно. У роботах, опублікованих у співавторстві, особисто автору належить: у [2] - аналіз аеродинамічних характеристик вітротурбін різних типів, розрахунок параметрів вітротурбіни при зміні величини коефіцієнта швидкохідності; у [3] - обробка й аналіз результатів експериментального дослідження вітроелектричної установки, математичне моделювання системи "вітротурбіна - навантаження" при варіації геометричних параметрів вітротурбіни.

Апробація результатів дисертації. Основні положення і результати дисертаційної роботи доповідалися й обговорювалися на наукових семінарах кафедри енергетики і електротехніки, лабораторії ЦНДЛАТЕМА, щорічних наукових конференціях Національного аерокосмічного університету ім. М.Є. Жуковського "ХАІ". Основні результати були представлені на міжнародних конференціях: Науково-технічна конференція "Енергетика - 2001. Нетрадиційні джерела, перетворювачі й акумулятори енергії" (Севастополь 18-22 червня 2001 р.); 3-я Міжнародна конференція "Нетрадиційна енергетика в 21 столітті" (Крим, Судак 9-15 вересня 2002р.); Міжнародний науково-технічний семінар "Проблеми підвищення ефективності автономних електромеханічних перетворювачів енергії в електроенергетичних системах" (Україна, м. Севастополь 1-4 жовтня 2002р.); Міжнародний симпозіум "Проблеми удосконалення електричних машин і апаратів. Теорія і практика. SІEMA 2002" (НТУ "ХПІ", Харків 17-19 жовтня 2002р.).

Публікації. Основний зміст дисертації відображений у п’ятьох статтях, опублікованих у фахових наукових виданнях.

Структура і обсяг дисертації. Дисертація складається із вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаної літератури та додатків. Повний обсяг роботи становить 190 сторінок, у тому числі 139 сторінок основного тексту, 62 рисунки, 24 таблиці, список використаної літератури із 233 найменувань та 9 додатків.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність теми, зв’язок роботи з науковими програмами, планами і темами, сформульовано мету і задачі роботи, викладено наукову новизну, практичну значимість одержаних результатів, наведено відомості про апробацію та публікації.

У першому розділі проведено аналіз стану питання і сформульовано задачі досліджень.

Розглядаючи історію розвитку світової вітроенергетики, відзначається значний внесок українських вчених у її розвиток. На Україні народжувалися принципово нові технічні рішення, що є стандартом для сучасних ВЕУ і за якими закріплено український пріоритет. Розробки Г.Ф. Проскури є фундаментом сучасної теорії і методів розрахунку вітротурбін, а деякі ідеї Ю.В. Кондратюка реалізовані тільки в сучасних ВЕУ.

Проведений огляд літературних джерел визначив основну тенденцію світової вітроенергетики - перехід на змінну швидкість обертання вітротурбіни. Аналіз теорії ідеальної вітротурбіни Ренкіна-Фроуда показує, що максимальне аеродинамічне ККД вітротурбіни можна одержати тільки при змінній швидкості обертання, дозволяючи вітротурбіні змінювати швидкість разом зі змінами швидкості вітру.

Далі розглянуті різні генераторні комплекси, що використовуються у ВЕУ. Зроблено висновок, що для роботи зі змінною швидкістю обертання вітротурбіни краще підходить асинхронізований синхронний генератор (АСГ), використання якого стало можливим завдяки сучасному розвитку силової електроніки. Володіючи позитивними якостями синхронного генератора (СГ) і забезпечуючи стабільність генерованої частоти, АСГ дозволить працювати вітротурбіні зі змінною швидкістю в ширшому діапазоні швидкостей вітру, ніж це дозволяють асинхронні генератори.

Найскладнішою задачею дослідження системи "вітротурбіна-АСГ" є узгодження параметрів вітротурбіни й АСГ, де мається на увазі не тільки конструктивна відповідність генератора потужності і моменту, що розвивається вітротурбіною, але й алгоритм керування збудженням генератора, що забезпечує відповідність моментів генератора і вітротурбіни за умови максимуму Ср для даної швидкості вітру.

Аналіз літератури показав, що більшість авторів досліджують окремі аспекти роботи ВЕУ, що стосуються, наприклад, роботи генератора, вітротурбіни чи системи керування. Але максимальна ефективність ВЕУ може бути досягнута тільки при системному підході, коли ВЕУ розглядається як єдине ціле. Тому в даній роботі реалізована системність підходу до дослідження ВЕУ, а використання АСГ як генераторного комплекса відповідає останнім світовим тенденціям вітроенергетики.

У другому розділі проаналізовані вітрові умови, розроблена методика вибору номінальної швидкості вітру і математична модель системи "вітротурбіна - навантаження", а також проведені математичне й експериментальне дослідження статичних і динамічних режимів роботи системи "вітротурбіна-навантаження".

Одним з головних факторів, що визначають сумарне вироблення електроенергії, є максимальна узгодженість системи "вітротурбіна - генератор". Причому досконалість вітротурбіни визначає кількість енергії, яку відібрано у вітру, а узгодженість і якість генератора визначають ту кількість механічної енергії вітротурбіни, що буде перетворено в електроенергію.

Проведений аналіз вітрових характеристик, заснований на масиві експериментальних даних метеостанції Харків АМСГ за 10 років, виявив залежності річного виробітку вітротурбиною механічної енергії від вітрового потенціалу, вибору номінальної робочої швидкості вітру ВЕУ, геометричних розмірів вітротурбіни. Це дозволило одержати методику вибору номінальної швидкості вітру Vном, в основу якої покладені метеорологічні і технічні критерії. Це означає, що з одного боку номінальна швидкість визначається інтегральними енергетичними показниками вітрового потоку за рік Wгод, а з іншого боку – швидкісними обмеженнями вітротурбіни. Таким чином, обмеження лінійної частини характеристики Wгод=f(Vном) з правої сторони максимально припустимою швидкістю вітротурбіни дає значення шуканої Vном.

Показано, що коефіцієнт використання встановленої потужності kи оцінює ВЕУ з позицій генератора і не характеризує оптимальність вибору параметрів ВЕУ в цілому, при цьому існує його залежність від вибору номінальної швидкості вітру - чим меншою обрана швидкість вітру і потужність, тим вище коефіцієнт. Це зв'язано, насамперед, з тим, що чим ближче до середньорічної швидкості вітру узята номінальна швидкість, тим більше число годин у рік вітроустановка буде працювати з номінальною потужністю. Тому запропоновано використовувати коефіцієнт енергетичної віддачі Се, що визначаеться як відношення річного виробітку електроенергії Wгод до енергії вітру, що пройшла крізь площину обвіювання вітротурбіни за рік WгодВТ: |

(1)

де Ро – миттєва потужність ВЕУ, Вт; А – площина вітротурбіни, що обвіюється вітром, м2; рw – щільність енергії вітрового потоку, Вт/м2.

Для дослідження динаміки руху вітротурбіни за різних вітрових умов і визначення моментної характеристики M=f(щ, V), що відповідає максимуму потужності вітротурбіни, розроблена математична модель системи "вітротурбіна-навантаження", яка умовно зображена на рис. 1.

Рис. 1. Модель вітротурбіни

У літературі аналіз роботи вітротурбін виконується при східчастій чи синусоїдальній зміні швидкості вітру. Таке представлення вітру можливо для розгляду деяких задач стійкості лінеарізованої моделі. Динаміку процесів роботи вітротурбіни, що максимально відповідає реальній, можна одержати з оглядом на випадковість амплітуди поривів вітру. Як вхідний вітровий вплив запропоновано використовувати коливання швидкості вітру, що змінюються згідно з періодичним законом з випадковою зміною амплітуди та частотою, що дорівнює частоті поривів (рис. 2). Така характеристика вітрових поривів використовується під час моделювання.

Характеристики даного впливу отримані в результаті структурного аналізу поривів вітру. Середнє значення максимальної швидкості вітру і частота її коливань (частота поривів) знаходяться у залежності від середньої швидкості вітру (рис. 3) |

(2)

(3)

де Vmax – середнє значення з максимумів швидкості поривів вітру; – число поривів у секунду.

Рис. 2. Модель зміни швидкості вітру для Vср = 8 м/с |

Рис. 3. Залежності частоти і кратності поривів від швидкості вітру

Рівняння вітротурбіни, що характеризує рух вітротурбіни без регулювання кута установки лопатей, становить умову рівноваги моментів відносно осі вітротурбіни у вигляді трансцендентного рівняння зв'язку нелінійної функції аеродинамічних і геометричних характеристик лопатей та змінних станів моделі |

(4)

де Jвт – момент інерції ротора, кгIм2; – рушійний момент вітротурбіни, Нм; Мнагр – гальмовий момент навантаження, обумовлений електромагнітним моментом генератора і механічними втратами, приведений до вала вітротурбіни, Нм.

Із загального виду рівняння (4) випливає, що вітротурбіна має властивості, що близькі до аперіодичної ланки. Якщо вважати, що V=const і ц=const, то коефіцієнт Cм буде лінійною функцією від : См=kщ, де . При цьому Mвт=k1щ, де , а рівняння руху в цьому випадку приймає вигляд . Вітротурбіна для значень є стійкою аперіодичною ланкою першого порядку. Це означає, що перехідна функція досягає свого сталого значення поступово згідно з експоненційним законом і відбиває інерційність процесу. Значення відповідають несталому режиму роботи вітротурбіни.

Складність практичного застосування математичної моделі роботи вітротурбіни полягає в тому, що процеси описуються системою нелінійних диференційних і трансцендентних рівнянь, які містять багато параметрів. Тому застосовуються чисельні методи моделювання. Обчислювальна модель має вид структурно-графічного відображення наведених вище рівнянь, виконаного в пакеті Sіmulіnk. Для моделювання процесів, що відбуваються в системі, використовуються чисельні методи інтегрування зі змінним кроком 5 порядку точності з відносною похибкою 1·10-5.

Запропонована модель придатна як для аналізу роботи горизонтально-осьових вітроустановок із заданими параметрами, так і для їхнього синтезу за заданими робочими характеристиками. В результаті моделювання вітротурбіни в сталих режимах роботи для фіксованих швидкостей вітру отримана крива навантажувальних моментів Mнагрopt(V) з урахуванням проведеного аналізу вітрових умов, обраної номінальної швидкості вітру та максимуму коефіцієнта використання енергії вітрового потоку Cp. Характеристика Mнагрopt(V) є вихідною при створенні і дослідженні АСГ для конкретної вітротурбіни.

Аналіз динамічних режимів роботи системи "вітротурбіна - навантаження" в умовах стохастичних змін швидкості вітру показав, що максимум потужності має місце при відстежуванні навантажувальним моментом змін вітрового потоку. Робота системи без регулювання навантажувального моменту (рис. 4) приводить до того, що Cp значно менший за максимальне значення (пунктирна лінія). Cp конкретної вітротурбіни при заданому куті установки залежить від швидкості вітру і навантажувального моменту. Задача регулювання навантажувального моменту може бути реалізована за допомогою системи автоматичного регулювання. Задачею системи керування ВЕУ є такий керуючий вплив, що змінить момент АСГ таким чином, щоб Cp залишався максимальним протягом усієї роботи.

Рис. 4. Розгін вітротурбіни при змінній швидкості вітру

Важливим етапом досліджень є експериментальна перевірка адекватності теорії, закладеної в рівняння математичної моделі системи "вітротурбіна - навантаження". Тому розроблено і створено експериментальний стенд (рис. 5), що складається з трьох основних систем: аеродинамічної труби, мініатюрної діючої вітроустановки з приладом безпосереднього вимірювання моменту вітротурбіни і вимірювальної системи.

Рис. 5. Експериментальна аеродинамічна установка

Проведені експериментальні дослідження статичних і динамічних режимів роботи системи "вітротурбіна - навантаження" підтвердили адекватність прийнятої математичної моделі.

Таким чином, аналіз вітрових умов дозволив отримати методику вибору номінальної швидкості, а математична модель і чисельне розв’язання її рівнянь – проаналізувати статичні та динамічні режими роботи вітротурбіни та отримати моментну характеристику навантаження Mнагр=f(V, щ), яка забезпечує максимум Cp і є вихідною для подальшого аналізу генераторної системи.

Третій розділ присвячений дослідженню динамічних особливостей АСГ і питанням регулювання його моменту, виходячи з характеристик вітротурбіни.

Асинхронізована машина вітроустановки – це електромеханічний комплекс, що складається з електричної машини (трифазна асинхронна машина з фазним ротором) 3, збудника 4, автоматичного регулятора збудження 5 і системи датчиків 6 (рис. 6).

Рис. 6. Структура ВЕУ з АСГ

Принцип дії АСГ такий: якщо кутова швидкість ротора є незалежною змінною (узагальнений асинхронний режим), то кутова швидкість векторів напруг, магнітних потоків і струмів ротора відносно тіла ротора ?f задається як функція кутової швидкості векторів напруг, магнітних потоків і струмів статора відносно статора та : |

(5)

Асинхронізована машина незалежно від способу формування напруг ротора дозволяє регулювати реактивну потужність, до того характеристики, статичні і динамічні властивості машини визначаються законом і параметрами регулювання амплітуди і фази просторового вектора напруги (струму) ротора. Збудник асинхронізованої машини є перетворювачем частоти напруги джерела живлення в частоту ковзання.

В результаті аналізу різних записів загальновідомих рівнянь узагальненого електромеханічного перетворювача Парка-Горєва показано, що вихідну трифазну машину доцільно привести до двофазної, тому що обмотки машини з'єднані в зірку без нульового проводу , а рівняння краще розглядати в осях ротора, тому що в цьому випадку легше оперувати частотою збудження відносно тіла ротора.

Таким чином, прийнята математична модель АСГ у вигляді системи нелінійних диференціальних рівнянь Парка-Горєва в осях dq, зв'язаних з ротором в абсолютних одиницях |

(6)

де змінними є: чотири напруги , , , ; чотири струми: , , , ; зовнішній момент вітротурбіни, що діє на вал ; кутова швидкість обертання ротора .

При цьому були прийняті такі припущення: магнітна проникність осердь ротора і статора машини дорівнює нескінченності; не враховується явище витиснення струму в обмотках якоря й індуктора; розподіл магнітних індукцій і МДС обмоток якоря і збудження вздовж кола вважається синусоїдальним із просторовим напівперіодом, рівним полюсному розподілу; магнітопровід і обмотки машини симетричні; трифазна якірна і роторна обмотки цілком симетричні; напруги на обмотках машини синусоїдальні.

Аналітичне розв’язання даної системи практично неможливе, внаслідок нелінійності рівнянь, тому використовуються чисельні методи у всіх випадках, коли протягом розглянутого процесу значно змінюється кутова швидкість обертання ротора. Для генератора задаються дві напруги статора , , два струми ротора , , і кутова швидкість обертання ротора щR. П'яти рівнянь досить для визначення інших п'яти величин.

Для математичного моделювання АСГ задаються параметри обмоток електричної машини , , , , . Спочатку на основі характеристик вітротурбіни за відомою методикою І.М.Постнікова визначені головні розміри електричної машини АСГ. Увівши замість діаметра полюсний розподіл і частоту , одержимо |

(7)

Далі вибирається величина універсальної машинної постійної, котра дозволяє наочно одержати залежність всіх основних геометричних розмірів. Ця постійна мало змінюється для машин будь-яких типів і потужностей |

(8)

де – результуючий коефіцієнт заповнення; – щільність струму в обмотці якоря; – середня індукція в зубцях.

Розраховані параметри необхідної машини виявилися дуже близькими до параметрів серійної машини 4АНК160М4У3 як по потужності, так і по геометрії, тому для попереднього моделювання використовуються дані цієї машини.

Методика моделювання аналогічна тій, що використана при дослідженні вітротурбіни. У якості вихідних даних задаються параметри обмоток електричної машини АСГ: активні опори обмоток статора і ротора , індуктивності обмоток статора і ротора , взаємна індуктивність ; амплітуда струму збудження і напруга статора ; швидкість обертання ротора n, об/хв; кут між векторами струму збудження і напруги статора. Крім того, задаємося допоміжними величинами: синхронною частотою, числом пар полюсів і коефіцієнтом приведення величин ротора до статора .

Обчислення проводяться в такій послідовності: 1) приведення всіх роторних величин до статора; 2) приведення трифазної машини до двофазної; 3) перехід від фазних осей до осей ротора ; 4) розв’язання рівнянь; 5.) зворотний перехід до фазних осей; 6) зворотний перехід усіх величин до трифазної машини; 7) зворотне приведення роторних величин.

Моделювання роботи серійної асинхронної машини з фазним ротором підтвердило припущення, що серійна машина не підходить для використання у ВЕУ за умови дотримання максимуму Cp, тому що необхідний для узгодження момент виходить при струмі збудження, що вдвічі перевищує припустимий. Тому параметри ротору генератора були перераховані.

Чисельний аналіз режимів роботи АСГ з перерахованою машиною дозволив одержати залежності електромагнітного моменту і потужності генератора від струму і фази збудження, які необхідні для розробки системи керування вітроустановки (рис. 7). Ці характеристики отримані наступним шляхом: задається амплітуда струму збудження і таким чином, що електромагнітний момент генаратора збігається з моментами навантаження, які забезпечують максимум Cp вітротурбіни. В результаті отримано криву амплітуди струму збудження при заданому , які цілком відповідають режиму роботи вітротурбіни і забезпечують максимум аеродинамічного ККД. Розрахунки показали, що максимальна потужність збудника складає 17 % від номінальної потужності генератора, що є однією з основних переваг АСГ у порівнянні з генераторами на постійних магнітах, у яких потужність перетворювача дорівнює встановленій потужності ВЕУ. Екстремум кривої потужності збудження Рвозб відповідає ковзанню 30%. За умови, що генерована потужність Pг у 2 рази більше потужності збудження Рвозб, максимальне ковзання роботи АСГ складає 60%, що відповідає швидкості вітру V = 4.5 м/с і n = 650 об/хв. Регулювання згідно з рис. 7 забезпечує ефективну роботу вітротурбіни тільки для швидкостей вітру, які не перевищують номінальну . Подальше зростання лімітовано номінальним струмом збудження.

Рис. 7. Характеристики АСГ з перерахованою машиною при

Для розширення вітрового діапазону роботи вітроустановки без аеродинамічного гальмування необхідно збільшити електромагнітний момент генератора, тому, відповідно до теорії узагальненого електромагнітного перетворювача, запропоновано ввести додатковий активний резистор у ланцюги статора. Режими роботи АСГ при введенні додаткового активного опору в ланцюгах статору були промодельовані і визначено максимальний електромагнітний момент. Шляхом зміни величини додаткового опору і були промодельовані характеристики АСГ і визначено криву для і максимальному струмі збудження А. На рис. 8 представлені характеристики генератора в цьому режимі.

Моделювання показує, що для значення И = 2.3 АСГ працює з максимальним моментом при Ом. При цьому момент генератора 329 Нм відповідає швидкості вітру більш ніж 15 м/с. У такий спосіб ВЕУ може утримувати номінальні оберти без зміни кута установки лопатей при швидкостях вітру не перевищуючих 15 м/с. Таким чином, коли швидкість вітру перевищує номінальну, а оберти досягли номінальних , величина додаткового резистора повинна змінюватися згідно з характеристикою на рис. 8.

Рис. 8. Моделювання АСГ при швидкостях вітру вище номінальної

При введенні в ланцюги статора відбуваються значні перехідні процеси, що згасають швидше при збільшенні . На активних резисторах повинна розсіюватися значна потужність, що є значною проблемою. Крім того, потрібна відповідна комутаційна апаратура, що включає резистори.

Для перевірки адекватності прийнятої математичної моделі проведені експериментальні дослідження АСГ. Через достатню складність системи АСГ, що особливо працює в мережі, експериментальна установка піддалася спрощенню - в установці відсутні датчики кутового положення ротора і датчики тригонометричних функцій кута зображуючого вектора напруг електричної системи. Експериментальний стенд складається з електричної машини АСГ, яка установлена на балансирний стенд ІDS 541 - 17 кВт, і электромашинного збудника. Електромашинний збудник складається з приводного двигуна постійного струму потужністю 3 кВт і трифазного синхронного генератора типу ГАБ-2-Т потужністю 2 кВт. Недоліком электромашинного збудника є неможливість забезпечення невеликих частот збудження в режимі роботи АСГ зі швидкостями, близькими до синхронної. У процесі експериментів було встановлено, що мінімальна частота збудження АСГ - 20 Гц. Крім того, такий збудник не забезпечує стабільності генерованої частоти внаслідок відхилень параметрів живильної мережі, тому частота збудження плаває у межах ± 5 %. Незважаючи на недоліки, электромашинний збудник є доступним рішенням при дослідженні принципових положень роботи АСГ. З рис. 9 видно, що розрахункові криві практично збігаються з експериментальними кривими. Амплітуди струмів і напруг відрізняються на 10-15%. Деякий зсув експериментальних даних щодо розрахункових викликано неточністю задання частоти збудження і похибками при знятті кривих. Вважаємо, що з прийнятими допущеннями математична модель системи АСГ адекватно відбиває процеси, що відбуваються в генераторі.

Рис. 9. Порівняння експериментальних (суцільна лінія) і розрахункових (пунктирна лінія) осцилограм струмів і напруг

Таким чином, чисельне моделювання дозволило розв’язати задачу знаходження необхідної кривої , виходячи з моментної характеристики вітротурбіни для швидкостей вітру, які не перевищують номінальну. Подальше підвищення моменту генератора запропоновано реалізувати шляхом введення додаткових резисторів в ланцюги статора згідно з отриманою кривою для .

У четвертому розділі досліджується спільна робота вітротурбіни й АСГ і виявляється алгоритм керування генератором, що забезпечує максимум вироблення електроенергії при заданих вітрових впливах.

Задаючим впливом системи є швидкість вітру , яка безпосередньо вимірюється датчиком швидкості вітру 6.7 (рис. 6). Непряма дія задаючого впливу вимірюється датчиком 6.5 (рис. 6) у вигляді кутової швидкості обертання ротора . Регульованою величиною є момент генератора , а керуючим впливом є амплітуда струму збудження при заданих значеннях .

Аналіз спільної роботи вітротурбіни й АСГ показав, що найпростішою системою, яка реалізує моментне узгодження, є програмна система з розімкнутим ланцюгом впливів на рис 10.

Рис. 10. Блок-схема автоматичної системи програмного управління

Аналіз усієї системи "вітротурбіна-АСГ" проводиться шляхом спільного розв’язання рівнянь вітротурбіни й АСГ. Для цього використані вже створені моделі, розглянуті в розділах 2 і 3. Для стикування моделей швидкість ротора і момент навантаження генератора приводяться до відповідної сторони трансмісії з урахуванням коефіцієнта передачі і ККД трансмісії .

Керуючий вплив системи задається згідно з отриманими у розділі 3 характеристиками або . На першому етапі за задаючий вплив береться швидкість вітру . В результаті робота ВЕУ виявилася нестабільною, а коливання вихідної потужності відбивають зміни вітрового потоку. Це зв'язано з тим, що з'являється тимчасова неузгодженість між моментом вітротурбіни і моментом генератора , тому що вітротурбіна характеризується інерційністю, а момент задається синхронно з коливаннями вітрового потоку. Використання задаючого впливу показало кращі результати. Незважаючи на значні зміни вітрового потоку, коливання генерованої потужності складають усього ±6 % (рис. 11-б).

Рис. 11. Динаміка зміни потужності ВЕУ при розгоні: а) задаючий вплив V(t); б) задаючий вплив щ(t)

При введенні додаткового активного резистору система задовільно працює при постійних вітрах, але при випадкових змінах вітрового потоку виникають значні перехідні процеси в обмотках машини, при цьому додаткові резистори вимагають розсіювання (чи використання) цієї потужності. У такому режимі установка працює без використання аеродинамічного обмеження швидкохідності при швидкостях на 30% перевищуючих номінальну швидкість вітру. Це може привести до спрощення механізму повороту лопатей або виключення його з системи.

Алгоритм керування ВЕУ наступний: коли швидкість вітру задовольняє умові і , струм збудження АСГ регулюється згідно з характеристикою на рис. 7, а додаткові резистори відключені; якщо вітротурбіна досягла номінальних обертів і швидкість вітру перевищує номінальну , то включаються додаткові резистори, а їх величина регулюється згідно з на рис. 8. Таким чином, цей алгоритм забезпечує діапазон роботи вітроустановки від м/с до м/с за умови відсутності аеродинамічних систем обмеження швидкохідності вітротурбіни, що є дуже високим показником в порівнянні з іншими типами ВЕУ.

Чисельне розв’язання нелінійних диференційних рівнянь значно розширює можливості для аналізу поведінки ВЕУ, але потребує значної обчислювальної потужності, крім того велика кількість параметрів, змінних ускладнює роботу з цією моделлю. Тому рекомендується використовувати спеціальні програмні математичні пакети, які є потужним інструментом для розв’язання складних систем нелінійних диференційних рівнянь та оптимізації параметрів моделі. Наводиться методика моделювання моделі ВЕУ у пакеті Simulink з MatLab, MathWorks Inc.

ВИСНОВКИ

На підставі комплексу проведених досліджень отримані наступні наукові і практичні результати:

1. Проведений огляд літературних джерел визначив основну тенденцію світової вітроенергетики - перехід на змінну швидкість обертання вітротурбіни, яка забезпечує максимальне аеродинамічне ККД. Для роботи зі змінною швидкістю обертання вітротурбіни краще підходить асинхронізований синхронний генератор, який має позитивні якості синхронного генератора і забезпечує стабільність генерованої частоти в ширшому діапазоні швидкостей вітру, ніж це дозволяють асинхронні генератори. Найскладнішою задачею дослідження системи "вітротурбіна-АСГ" є узгодження параметрів вітротурбіни й АСГ, де мається на увазі не тільки конструктивна відповідність генератора і вітротурбіни, але й алгоритм керування збудженням генератора, що забезпечує відповідність моментів генератора і вітротурбіни за умови максимуму Ср для даної швидкості вітру. Більшість авторів досліджують окремі аспекти роботи ВЕУ, але максимальна ефективність ВЕУ може бути досягнута тільки при системному підході, коли ВЕУ розглядається як єдине ціле. Тому в даній роботі реалізована системність підходу до дослідження ВЕУ, а використання АСГ як генераторного комплекса відповідає останнім світовим тенденціям вітроенергетики.

2. Розроблено математичну модель вітроенергетичної установки з асинхронізованим синхронним генератором і системою керування, яка заснована на системі рівнянь Парка - Горєва для еквівалентної двофазної машини в осях dq. При чисельному інтегруванні системи рівнянь визначена область ефективної роботи, що відповідає ковзанню 35-40%. За умови, що генерована потужність у 2 рази більше потужності порушення ковзання складе 60%.

3. Математична модель дозволила проаналізувати різні режими роботи при мінливій швидкості обертання ротора і запропонувати алгоритм керування за умови максимуму аеродинамічного ККД вітротурбіни. Найпростішою системою, що реалізує керування вітроустановкою, виявилася програмна автоматична система. Задаючим впливом даної системи є кутова швидкість обертання ротора, яка надходить з датчика кутового положення ротора. Програмна система керування і інерційність маси ротора забезпечують згладжування коливань потужності, що, незважаючи на значні зміни вітрового потоку, складають усього ±6%.

4. Уточнено методики вибору номінальної швидкості вітру. Наочно одержати номінальну швидкість вітру можна, побудувавши криву залежності річного виробітку енергії від вибору номінальної швидкості вітру. Максимальне вироблення дає швидкість вітру, що відповідає правій частині центральної ділянки цієї кривої. Розрахунки показали, що тривкісні можливості вітротурбін не дозволяють працювати їм з оптимальною швидкістю обертання при номінальній швидкості вітру.

5. Показано теоретично й експериментально, що коефіцієнт використання встановленої потужності не адекватно характеризує погодженість і оптимальність ВЕУ і підходить тільки для зроблених установок. Більш точна оцінка може вироблятися за допомогою коефіцієнта енергетичної віддачі. Виявлено залежність kи від вибору номінальної швидкості вітру (змінюється в 2-3 рази).

6. Науково обгрунтовано положення, що максимальне виробництво електроенергії можна одержати при змінній швидкості обертання ротора вітротурбіни. Для такої роботи у ВЕУ щонайкраще підходить АСГ.

7. Моделювання роботи серійної асинхронної машини з фазним ротором підтвердило припущення, що серійна машина не підходить для використання у ВЕУ за умови дотримання максимуму Ср, тому що необхідний для узгодження момент діє при струмі збудження, який вдвічі перевищує допустимий. Фазний ротор машини АСГ вимагає спеціальної адаптації до роботи з ВЕУ.

8. Результати розрахунків показали, що максимальна потужність збудника АСГ складає 17% від номінальної потужності генератора. Це є однією з основних переваг АСГ у порівнянні з генераторами на постійних магнітах ( що працюють із змінною швидкістю обертання ротора), у яких потужність перетворювача дорівнює встановленої потужності ВЕУ. Екстремум кривої потужності збудження Рвозб відповідає ковзанню 30%.

9. Аналіз можливості розширення вітрового діапазону роботи вітротурбіни шляхом введення додаткового активного опору в ланцюг статора виявив можливість значного збільшення швидкості вітру (у даному випадку на 30%), при якій установка працює без використання аеродинамічного обмеження швидкохідності. Математичне моделювання показало, що такий метод регулювання моменту генератора задовільно працює при постійних вітрах, а при випадкових змінах вітрового потоку виникають значні перехідні процеси в обмотках машини, при цьому додаткові резистори вимагають розсіювання або використання цієї потужності.

10. Дисертаційна робота є частиною робіт з автоматизації проектування вітроустановок, що ведуться в лабораторії ЦНДЛАТЕМА (ХАІ). Розроблені математична модель ВЕУ з АСГ, методики й алгоритми орієнтовані на застосування індивідуального підходу до створення і вивчення вітроустановок, а також розв’язання конкретних технічних задач, тому їх необхідно та планується впроваджувати при проектуванні і випуску нових вітроагрегатів з високими енергетичними показниками на ДП "Завод ім. Малишева", НВО "Электроважмаш" і АТ "Харківський електротехнічний завод Укрелектромаш" та ін.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Тыхевич О.О. Согласование параметров электрического генератора с характеристиками ветротурбины // Авіаційно-космічна техніка і технологія. – 2000. – Вип. 21. – С. 64-67.

2. Яковлев А.И., Затучная М.А., Тыхевич О.О. Энергетические характеристики ветротурбин различного типа // Авіаційно-космічна техніка і технологія. – 2000. – Вип. 21. – C. 88-91.

3. Яковлев А.И., Затучная М.А., Тыхевич О.О. Суммарные энергетические характеристики ветроэлектрических установок при вариации аэродинамических и электромеханических параметров // Авіаційно-космічна техніка і технологія. – 2002. – Вип. 27. – С. 88-93.

4. Тыхевич О.О. Математическое моделирование ветротурбины при согласовании параметров генератора автономной ВЭУ// Новини енергетики. – 2002. – №10. – С. 59-62.

5. Тыхевич О.О. Анализ режимов работы ветротурбины при согласовании параметров генератора автономной ВЭУ//Електротехніка і електромеханіка. – 2002. - №1. – С. 79-82.

АНОТАЦІЇ

Тихевич О.О. Удосконалення методики узгодження параметрів вітротурбіни та асинхронізованого синхронного генератора вітроенергетичної установки. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.14.08 - перетворювання відновлюваних видів енергії. – Інститут електродинаміки НАН України, Київ, 2003.

Дисертація присвячена проблемам підвищення ефективності вітроенергетичних установок (ВЕУ) з асинхронізованим синхронним генератором (АСГ) за умови максимуму аеродинамічного ККД і стабільності частоти генерування. Розроблено математичну модель, яка дозволила проаналізувати режими роботи ВЕУ з АСГ при змінній швидкості обертання ротору та визначити припустимі межі ковзання. У результаті проведених автором теоретичних і експериментальних досліджень удосконалено методики узгодження параметрів вітротурбіни і АСГ та розроблено алгоритм управління. Запропоновано методику розширення вітрового діапазону роботи вітротурбіни без використання аеродинамічного обмеження обертів шляхом введення додаткового активного резистору в ланцюг статора.

Ключові слова: вітроенергетична установка, узгодження параметрів, вітротурбіна, асинхронізований синхронний генератор, система управління.

Тыхевич О.О. Усовершенствование методики согласования параметров ветротурбины и асинхронизированного синхронного генератора ветроэнергетической установки. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.14.08 - преобразование возобновляемых видов энергии. - Институт электродинамики НАН Украины, Киев, 2003.

Диссертация посвящена проблемам повышения эффективности ветроэнергетических установок (ВЭУ) с асинхронизированным синхронным генератором (АСГ) при условии максимума аэродинамического КПД ветротурбины и стабильности частоты генерирования.

Проведенный автором анализ литературы определил основную тенденцию развития мировой ветроэнергетики – переход на переменную скорость вращения ветротурбины. Среди генераторных комплексов ВЭУ АСГ наилучшим образом подходит для работы с переменной скоростью вращения. Обладая достоинствами синхронного генератора и обеспечивая стабильность генерируемой частоты, АСГ позволит максимально использовать аэродинамический КПД ветротурбины в большем диапазоне скоростей ветра, чем это позволяет асинхронный генератор.

Одной из главных проблем исследования ВЭУ с АСГ является согласование параметров ветротурбины и генератора, под которым подразумевается не только конструктивное соответствие генератора и ветротурбины, но и создание эффективного алгоритма управления. Поэтому в данной работе, в отличие от работ большинства других авторов, реализована системность подхода к ВЭУ, а использование АСГ отвечает мировым тенденциям.

Автором разработана математическая модель, которая позволила проанализировать режимы работы ВЭУ с АСГ при переменной скорости вращения ротора и определить допустимые пределы скольжения. В основу этой модели заложена нелинейная модель ветротурбины и модель АСГ на основе уравнений обобщенного электромеханического преобразователя Парка – Горева в осях dq, связанных с ротором. Сложность практического применения заключается в том, что процессы в ВЭУ описываются сложной системой нелинейных дифференциальных уравнений, которые включают в себя множество переменных и параметров. Поэтому численное решение нелинейных дифференциальных уравнений модели значительно расширило возможности анализа работы и оптимизации параметров, но требует