Модель управления Ветроэнергетической установкой

Ветровой поток, кинетическую энергию которого ВЭУ преобразует в электрическую, изменяется в крайне широких пределах, при этом мощность его пропорциональна кубу скорости ветра, а силовое воздействие на конструкцию ВЭУ пропорционально квадрату скорости ветра. По этим причинам создание работоспособной, надежной и приемлемой по стоимости ВЭУ без мехатронных элементов управления невозможно.

В качестве движительной установки ВЭУ выбрано быстроходное ветроколесо с тремя поворотными лопастями, диаметром 10 метров и номинальной быстроходностью Z ном = 8. Данное ветроколесо обеспечивает мощность 16 кВт при скорости ветра 7.5- 10 м/с. Расположение ветроколеса по направления к ветру за башней. Управление вращением ветроколеса производится за счет поворота лопастей. Рабочий режим ветроэнергетической установки 100 об/мин. Диапазон поворота лопастей 0..90 градусов.

Для управления ВЭУ используется микропроцессорная САУ, которая позволяет за счет поддержания оптимальных оборотов и потребляемой мощности достичь максимального преобразования энергии ветра в электрическую энергию. В этой статье приведена модель функционирования ВЭУ.

Рис. 1. Модель управления ВЭУ в рабочем режиме

Основное дифференциальное уравнение, описывающее динамику вращательного движения ветроколеса представляется в виде:

,где Мвала = Ma – Mc

Где, Ma – аэродинамический момент ВК;

Mc – момент сопротивления;

Jвк – момент инерции системы ВК + МЧВ + Генератор , приведенный к оси ВК;

ε – угловое ускорение ВК;

аэродинамический момент ВК равен:

Момент сопротивления на рабочем режиме:

Момент сопротивления при разгоне или торможении определяется потерями на трение в МЧВ и генераторе.

Mc = 0.05*M_ном

где, ω – частота вращения ВК

P – активная электрическая мощность нагрузки;

M_ном – номинальный крутящий момент ВК.

В результате решения дифференциального уравнения получаем частоту вращения ВК – w

Вычисление углового ускорения ВК по 7-и точкам основывается на аппроксимации угловой скорости вращения ВК по линейному закону и вычислении коэффициентов в законе по методу наименьших квадратов. Принимая, что на интервале вращение ВК является равноускоренным, тогда закон вращения ВК запишется:

Период опроса датчика оборотов ВК равен удвоенному периоду следования окон диска датчика:

Коэффициенты и определяются по методу наименьших квадратов:

где

Принимая в получим следующую формулу для вычисления текущего значения углового ускорения ВК:

На рабочем режиме, когда осуществляется стабилизация заданной частоты вращения ВК, управляющий сигнал на ЭД формируется следующим образом:

где S - управляющий сигнал на ЭД, рад/с;

К_w – коэффициент усиления по частоте вращения ВК;

К_e – коэффициент усиления по угловому ускорению ВК, с;

w_ном=10.47рад/с – заданная номинальная частота вращения ВК;

w - текущее значение частоты вращения ВК с учетом фильтрации и ограничения, рад/с;

e - фильтрованное и ограниченное угловое ускорение ВК, рад/с²;

где =314рад/с – максимальная частота вращения ЭД соответствующая максимальному значению управляющего сигнала на ЭД.

В соответствии с данным законом управления осуществляется формирование, ограничение и выдача управляющего напряжения на вход ЭД, которое задает направление и скорость вращения ЭД привода поворота лопастей ВК.

Далее исходя из уравнения движения электропривода поворота лопастей имеем:

Ток управления где S - значение кода, вычисляемое микропроцессором САУ и задающее угловую скорость вращения электродвигателя.