Анализ динамики ВЭУ с поворотными лопастями

Рассмотрим особенности управления угловой скоростью вращения ВЭУ, представленной на рис. 7. На подвижном основании размещается барабан с необходимым количеством токопроводящих дорожек, которые обеспечивают передачу энергии и необходимой информации для реализации связи наземной аппаратуры (источников питания, датчиков угловой скорости и ускорения ВЭУ, анемометров и датчиков нагрузки) с элементами системы управления, находящимися на подвижном основании (двигателем, микроконтроллерам вычислителем, датчиками угла и угловой скорости поворота лопасти).

Функциональная схема объекта управления приведена на рис. 1.

Рисунок 1 Функциональная схема объекта регулирования

На рис. 1 приняты следующие обозначения:

– скорость ветра;

– угол поворота лопасти относительно оси вращения;

– крутящий момент, создаваемый лопастью;

– суммарный крутящий момент, создаваемый ротором ВЭУ;

– угловая скорость вращения ротора электрогенератора;

– ток нагрузки электрогенератора;

– напряжение на выходе генератора.

Уравнение динамики (1) и структура объекта регулирования имеют вид (рис. 2):

(1)

Рисунок 2 Структурная схема объекта регулирования

Особенностью объекта регулирования является наличие трех входных переменных.

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

На рис. 3 приведена функциональная схема системы управления, и которой использован данный принцип. На основании информации с датчиков о величине текущих параметров формируется управляющим сигнал для исполнительного механизма, в роли которого выступает электродвигатель, который поворачивает лопасть на требуемый угол для обеспечения заданной угловой скорости вращения электрогенератора.

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 поворота и угловой скорости поворота лопасти, что значительно повышает быстродействие и точность системы.

На рис. 3 введены следующие обозначения:

ЗД – задающее устройство выходной угловой скорости электрогенератора; УМ – усилитель мощности; ЭД – электродвигатель; ДУ – датчик угла поворота лопасти; ДУСI – датчик угловой скорости поворота лопасти; ДУГ – датчик угловой скорости генератора; А – анемометр; Д – датчик нагрузки.

Рисунок 3 Функциональная схема системы управления ВЭУ

ЛЕКЦИЯ №6

Система управления ветрогидроэнергетической установкой (ВГЭУ)

На сегодняшний день стало ясно, что основные энергоресурсы нефть, уголь и природный газ – исчерпаемы, и время их эффективной добычи и ис­пользования невелико. При существующей тенден­ции увеличения энергопотребления ветроэнергетика может компенсировать солидную часть потребляе­мой электроэнергии. Уже сейчас бурное развитие ветроэнергетики свидетельствует о том, что эта от­расль в ближайшем будущем станет одним из важ­ных источников удовлетворения энергетических потребностей человечества. К концу 2003 года ми­ровой ветропарк (40 стран) насчитывал 68000 ветротурбин суммарной мощностью 40301 МВт, вырабо­тано 82 ТВт–ч электроэнергии. К 2030 году отдель­ные страны планируют довести долю ветровой энергии в национальных энергобалансах до сущест­венного уровня: Дания – до 50%, Германия – до 30%, США – до 25%, Китай – до 15%, Испания – до 20%.

Национальные программы многих стран пре­дусматривают крупные ветроэнергетические проек­ты. Например, в США в 2010 – 2030 гг. будут введе­ны в строй ветроэлектростанции (ВЭС): в штате Техас – на 500 МВт, в штате Калифорния – на 439 МВт, в штатах Орегон и Вашингтон – на 300 МВт, в штате Невада – на 260 МВт. В Японии на острове Хоккайдо строится ВЭС на 30 МВт, в Дании – на 9000 МВт. В Германии установлено ВЭУ общей мощностью 2647 МВт. В Испании эксплуатируются ветроустановки общей мощностью 6920 МВт. Важ­но отметить, что в последние годы себестоимость 1 кВт/ч электроэнергии, вырабатываемой на оффшор­ных ВЭС, составляет 0,049 – 0,064 евро.

Экономическое развитие Украины, которая вынуждена закупать за рубежом свыше половины энергоносителей (нефть, газ и так далее), невозможно без укрепления энергетической базы. В условиях дефи­цита минеральных энергоресурсов нетрадиционные способы получения электроэнергии, в первую оче­редь – ветроэнергетика, приобретают особое значе­ние, отвечая самым высоким требованиям экологии и энергоснабжения. На начало 2002 года суммарная мировая уста­новленная мощность электростанций на НВИЭ со– ставила около 30000 МВт, а первое место среди них занимают ветроэлектрические установки (ВЭУ) и ветроэлектростанции (ВЭС) – около 20000 МВт.

По планам развития ВЭУ в Украине до 2012 года общая мощность ВЭС должна достичь 3500 МВт, а до 2030 года – 16000 МВт, при этом ежегод­ное производство электроэнергии на базе ВЭУ пла­нируется вывести на уровень 20–35% от общего ко­личества вырабатываемой в стране электроэнергии.

Перспективными для внедрения ветроэнерге­тики в Украине являются районы, где среднегодо­вые скорости ветра превышают 5 м/с. Это Азово–Черноморская зона, равнинный и горный Крым, Карпаты, Донецкая и Луганская области.