Регулирование выходной мощности ветроэнергетической установки

Сырых М.А

Донецкий национальный технический университет

г. Красноармейск, Украина

Актуальность. Современная ветроэнергетика имеет ряд проблем, которые негативным образом влияют на повышение эффективности энергосбережения.

Также с ростом доли возобновляемых источников энергии приобретает значение качество энергии, которую они поставляют в сеть. Выработка энергии зависит от силы ветра, фактора, отличающегося большим непостоянством. Соответственно, выдача электроэнергии с ветрогенератора в энергосистему отличается большой неравномерностью.

Описание задачи. От системы управления требуется выполнение различных по своему характеру действий – от непрерывного управления с быстрой реакцией на дискретных аварийных защитных действий и процессов со строго последовательными операциями. В условиях резко изменяющейся скорости ветра ветрогенератору, из-за несовершенства системы регулирования, часто приходится работать с пониженным к. п. д. и выдавать в сеть мощность с большими всплесками и колебаниями. Пониженное к. п. д. приводит к недоиспользованию энергии ветрового потока, а резкие изменения мощности ветрогенератора приводят к ухудшению качества напряжения питающей сети и в случае слабой сети могут привести к существенным колебаниям напряжения у потребителей.

Система регулирования должна оптимизировать работу ветрогенератора по следующим критериям:

· обеспечение максимального коеффициента полезного действия;

· стабилизация выходной мощности ветрогенератора в условиях резкоменяющейся скорости ветра.

На рисунке 1 представлена структура ветроустановки для которой осуществлено решение задачи обеспечения максимального коэффициента полезного действия и стабилизации выходной мощности ветрогенератора.

Рисунок 1 – Структурная схема ветроустановки

Из формулы мощности, которую ветер передает ветроколесу, вытекают возможности влияния на к. п. д. ветрогенератора.

 Где ρ–плотность воздуха; F–площадь, ометаемая колесом; V_ω–Скорость ветра;

с_pω–коэффицтент мощности ветроколеса, который зависит от быстроходности и угла между площадью вращения ветроколеса и хордой крыла.

Быстроходность определяется, как отношение окружной скорости вращения конца лопасти к скорости ветра. Причем окружная скорость конца лопасти может быть определена как произведение угловой скорости вращения ω на радиус ветроколеса R.

Если рассмотреть зависимость коэффициента мощности с_pω от быстроходности λ при фиксированном угле δ для определенного профиля лопасти, то получим зависимость, изображенную на рисунке 2. Приведенный рисунок показывает, что существует некоторая быстроходность ветроколеса λ, при которой коэффициент мощности с_pω достигает своего наибольшего значения, то есть эта быстроходность является оптимальной с точки зрения поддержания максимального коэффициента мощности. В связи с этим права вертикальная ось на рисунке 2 показывает значения к. п. д. ветроколеса. Величина к. п. д. демонстрирует, насколько коэффициент мощности с_pω реального ветроколеса приближается к максимально возможному коэффициенту мощности с_pωmax.

Рисунок 2 – Зависимость коэффициента мощности с_pω от быстроходности λ

Для поддержания оптимальной быстроходности необходимо изменять скорость вращения ветроколеса пропорционально скорости ветра, то есть подстраивать его под ветер.

Методика решения задачи. Первый метод — это так называемое питч-регулирование, предусматривающее управление углом поворота лопасти с целью стабилизации момента, создаваемого ветровым потоком на валу ветрогенератора. Это управление осуществляет регулятор мощности.

В новых системах ветрогенераторных установок реализуется принцип отделения частоты сети от частоты вращения генератора за счет использования преобразователей. Ветроустановки, которые работают по этому принципу получили название – ветроустановки с переменной скоростью вращения.

Структурна схема системы регулирования, которая имеет вышеупомянутые преимущества, представлена на рисунке 3.

Рисунок 3 – Структурная схема системы регулирования

Для реализации и поддержания стабильности активного тока генератора в сложной системе с двумя контурами регулирования должна использоваться основная структура. В этой системе управления регулирования мощности осуществляется за счет использования контура регулирования электромагнитным моментом генератора, а регулирование скорости вращения ветровой турбины за счет влияния регулятора скорости на питч-угол лопасти. Таким образом функция регулировки скоростью вращения передается в подчиненным контур. Важно, что при регулировании электромагнитного момента генератора скорость ветроколеса изменяется в соответствии с формулой:

Ошибка! Источник ссылки не найден.

Физическим содержанием этого правила является то, что в случае отклонения от заданной скорости, момент ветроколеса должен по сравнению с моментом генератора увеличиться или уменьшиться для достижения положительного или отрицательного углового ускорения ветроустановки. Как показано в формуле, влияние на момент ветроколеса при переменной скорости ветра имеет коэффициент мощности ветроустановки с_pω, который зависит от питч-угла лопасти. Таким образом воздействуя на питч-угол лопасти ветровой турбины можно поддерживать скорость ветроколеса на определенном уровне. Система управления питч-угла является слишком инерционной для стабилизации выходной мощности, но с целью регулирования скорости ветроколеса может использоваться, так как такое управление имеет большой момент инерции из-за большой инерцией ветрогенератора в целом.

Перечень литературы

1. Черников В. Г. Оптимизация работы ветрогенераторов Донбас–2020: наука і техніка Матеріали II науково–практичної конференції м. Донецьк 03–04 лютого 2004 року

2. Черников В. Г. Оптимизация работы ветрогенераторов по критерию максимальной мощности / В. Г. Черников. – 115–123 с.

3. Черников В. Г. Стабилизация мощности ветрогенератора посредством механизма поворота лопасти /Електромашинобуд. та електрообладн.– 2006. – Вип. 67. – 21–26 с.

4. Erich Hau, Windkraftanlagen–Grundlagen, Technik, Einsatz, Wirtschaftlichkeit, 2008. – 924 S.