Меню
Главная
Авторизация/Регистрация
 
Главная arrow Техника arrow Основы ветроэнергетики

Регулировка параметров вертикально-осевого ветродвигателя

Как уже отмечено, управления вертикально-осевым ветродвигателем не требует ориентации на направление ветра, а требует только регулировки таких параметров ветродвигателя, как частота вращения и мощность.

Для регулирования вертикально-осевого ветродвигателя с Н-ротором Дарье (см. Рис. 4.12) наиболее часто используется поворот лопасти вокруг ее вертикальной оси. Механизм поворота может управляться центробежным регулятором, расположенным на основном вертикальном валу, или электрогидроприводом.

Способ регулирования пропуском ветрового потока мимо лопастные системы неподвижны реализован в схеме с ротором Масгроува (см. Рис. 4.14). В этом случае каждая пара пола лопастей из вертикального по-разложение может сложиться в горизонтальное положение.

Введение дополнительного сопротивления на ветродвигателей может быть осуществлено с помощью различного вида тормозных закрылок, в том числе и поворотом всей задней части профиля лопасти.

Другой метод аэродинамического торможения использует несимметричное крепления каждой лопасти с ротором в центральной ее части с помощью горизонтального торсиона. В случае увеличения частоты вращения выше номинальной лопасти под действием центробежных сил поворачивается вокруг горизонтальной оси торсиона и закручивает торсион, отклоняясь от своего вертикального положения. Наклоненное положение лопасти (отклонение от вертикального положения) вызывают увеличение ее аэродинамического сопротивления.

Принципы построения систем автоматического регулирования, управления и защиты ВЭУ

При разработке систем автоматического управления режимами работы ВЭУ необходимо учитывать следующие специфические особенности ветрового потока:

- Статический характер распределения во времени и пространстве;

- Низкие удельные энергетические показатели по сравнению с традиционными источниками энергии;

- Непредсказуемость резких изменений скорости и значительный уровень турбулентности;

- Невозможность регулирования уровня имеющейся мощности;

- Изменение профиля скорости с высотой.

Поэтому управление электромеханической системой, производящей электроэнергию, использует в качестве источника энергии ветровой поток, и контроль над ней представляют собой сложную задачу. Система автоматического регулирования режимами работы ВЭУ в общем случае должна включать в себя две взаимосвязанные основные подсистемы управления: 1) подсистему автоматического управления и контроля механических параметров (СУМ) 2) подсистему автоматического управления и контроля электромагнитных параметров (суе), их совместное функционирование способно обеспечить автоматическое поддержание заданного режима работы ВЭУ и эффектное использование ветроэнергетических ресурсов.

Подсистема автоматического управления и контроля механических параметров. К основным задачам подсистемы относятся:

- Ориентирование захватываемой поверхности ветродвигателя на направление распространения ветрового потока;

- Обеспечение надежного пуска и эффективного торможения ветродвигателя;

- Управление углом конусности лопастей ветродвигателя;

- Регулирование и контроль аэродинамического крутящего момента;

- Поддержка развивающей мощности на заданном уровне в зависимости от диапазона скоростей ветрового потока;

- Перевод лопастей в флюгерной положение при скоростях ветрового потока выше максимальной;

- Контроль угловой скорости вращения ветродвигателя;

- Контроль скорости ветрового потока;

- Контроль состояния лопастей ветродвигателя для своевременного выявления очагов их деформации и разрушения;

- Аварийное отключение и торможения ВЭУ в случае неисправности механической части.

Блок управления угла ориентирования для ВЭУ средней и большой мощности может представлять собой блок сравнения двух сигналов, который определяет рассогласование между сигналом, характеризующий реальное состояние оси горизонтально-осевого ветродвигателя в данный момент, и сигналом действительного направления ветрового потока. При этом управление приводом ориентирования таких ВЭУ должно осуществляться с изменением направления ветрового потока, связанного с прохождением фронта воздушной массы, а не при его кратковременных случайных флуктуаций, и по кратчайшему пути. При постоянной скорости ветрового потока величина давления на лопастях ветродвигателя значительно изменяется из-за увеличения максимальной составляющей вектора скорости с высотой. Поэтому подсистема автоматического регулирования и контроля механических параметров для ветродвигателей внушительных размеров должна включать в себя блок управления угла конусности, поскольку соответствующая его изменение является наиболее приемлемым методом стабилизации влияния этого явления на механические напряжения в лопастях неподвижны.

Основным требованием к подсистеме автоматического регулирования и контроля механических параметров в рабочем диапазоне скоростей ветрового потока является получение механической мощности на валу ветродвигателя при заданном значении угловой скорости вращения. Из-за значительной инерционности ветродвигателя добиться этого без применения специального блока управления и контроля угла установки лопастей практически невозможно, так как отсутствие последнего приведет к тому, что случайные колебания скорости ветрового потока будут вызывать колебания угловой скорости вращения. При этом ветродвигатель не может трансформировать энергию отдельных непродолжительных флуктуаций скорости ветрового потока, так как для этого было бы необходимо, чтобы подсистема автоматического регулирования и контроля механических параметров регулировала крутящий момент на валу пропорционально скорости изменения ветрового потока.

Система автоматического регулирования должна так регулировать произведенную мощность, чтобы отслеживать только средние значения изменений скорости ветрового потока (а не кратковременные пульсации скорости ветрового потока), а коэффициент быстроходности при этом поддерживался оптимальным в режиме изменяемой угловой частоты вращения. Таким образом, в общем случае блок управления и контроля угла установки лопастей может представлять собой:

- Замкнутый контур автоматического управления положением лопасти. При этом он управляет приводом угла установки лопастей до тех пор, пока не достигается значение заданного коэффициента быстроходности;

- Замкнутый контур автоматического управления частоты вращения неподвижны. При этом угол установки лопастей меняется до тех пор, пока не достигается заданная частота вращения ветродвигателя;

- Замкнутый контур автоматического управления мощностью. Угол установки лопастей меняется до тех пор, пока мощность развивается не становится равной заданной.

Для повышения эффективности регулирования и стабилизации нагрузок, действующих на лопасти, контур автоматического управления скоростью вращения ветродвигателя должен включать в себя в качестве подчиненного контур управления угла положения лопасти. При этом обеспечивается автоматическое регулирование, как частоты вращения, так и аэродинамического крутящего момента.

Принципиально возможно создание двух схем управления угловой частотой вращения ветродвигателя:

- По скорости ветрового потока V и угловой частотой вращения вала ветродвигателя;

- По крутящему моменту и угловой частотой вращения вала ветродвигателя.

Первая схема (рис. 6.9, а) регулирует развивается мощность так, чтобы частота вращения вала ветродвигателя ВД (датчик частоты вращения ДС) (сигнал ) изменялась пропорционально скорости ветрового потока. Если отношение угловой частоты вращения вала ветродвигателя и скорости ветрового потока (сигнал ) не соответствует заданному коэффициенту быстроходности (сигнал ), то вырабатывается сигнал рассогласования . При этом регулирование происходит до тех пор, пока он не станет равным нулю.

Сигнал о скорости ветрового потока от датчика скорости ветрового потока (ДВ) должен проходить через фильтр (Ф), чтобы в блок сравнения (БП) поступал только усредненный сигнал , что не зависит от турбулентной составляющей. Недостатком этой схемы является трудность выбора места установки датчика скорости (ДШ) ветрового потока. Поток в окрестности ветродвигателя значительно искажается и отличается высоким уровнем турбулентности, поэтому датчик ДВ необходимо устанавливать на некотором расстоянии от ветродвигателя, в результате чего между истинной скоростью ветрового потока непосредственно перед плоскостью вращения ветродвигателя и показателями датчика будет определенная погрешность.

Схемы управления: а - по скорости ветрового потока и угловой частоты вращения вала ВД;  б - по крутящим моментом и угловой скоростью вращения вала ВД

Рисунок 6.9 - Схемы управления: а - по скорости ветрового потока и угловой частоты вращения вала ВД; б - по крутящим моментом и угловой скоростью вращения вала ВД

Вторая схема (рис. 6.9, б) позволяет избежать погрешности, связанной с расположением датчика скорости ветрового потока. При этом, поскольку крутящий момент вала ветродвигателя изменяется пропорционально квадрату скорости потока, сигнал датчика крутящего момента (ДМ) следует усреднять с помощью фильтра (Ф) и в дальнейшем согласовывать его с сигналом датчика угловой скорости вращения вала ветродвигателя (ДШ) с помощью квадратора (К) . Недостаток этой схемы состоит в том, что резкое увеличение скорости ветрового потока приводит к снижению коэффициента использования энергии ветра, а, следовательно, к уменьшению крутящего момента вместо его увеличения. В результате возможна ошибка в работе системы автоматического регулирования. В день, чтобы избавиться от этого недостатка, необходимо, чтобы механическая система ВЭУ обеспечивала демпфирующего влияние, ветровой поток владел пологой характеристикой, а фильтр должен специально разработанную для этой схемы конструкцию и характеристики.

На основании приведенного сравнения двух предыдущих схем целесообразно использовать систему, в которой входными сигналами являются скорость ветрового потока , крутящий момент на валу ветродвигателя и угловая частота вращения вала ветродвигателя (рис. 6.10). При этом датчик ветрового потока ДВ должен устанавливаться не только перед плоскостью вращения ветродвигателя, но и над ней.

Многоканальный схема управления режимом работы ВЭУ (М - множитель)

Рисунок 6.10 - многоканальный схема управления режимом работы ВЭУ (М - множитель)

При регулировании частоты вращения ветродвигателя должен определяться сигнал рассогласования между заданной частотой вращения и истинным ее значением . Такое построение подсистемы автоматического регулирования и контроля механических параметров обеспечивает непосредственное регулирование мощности, передаваемой на вал электрогенератора. При этом она должна вырабатывать сигнал на прекращение вращения ветродвигателя в случае слишком высокой скорости ветрового потока и автоматически восстанавливать работу ВЭУ, когда его скорость лежит в установленном диапазоне эксплуатации.

Подсистема автоматического управления и контроля электромагнитных параметров должна решать следующие основные задачи:

- Регулировать и контролировать параметры электрических цепей ВЭУ;

- Обеспечивать изменение амплитуды, частоты и фазы напряжения возбуждения;

- Поддерживать качество производимой электроэнергии в соответствии с установленными нормами;

- Обеспечить синхронизацию ВЭУ с энергосистемой;

- Осуществлять при необходимости работу ВЭУ в автономном режиме;

- Контролировать температуру электрического генератора;

- Обеспечивать защиту для предотвращения неустойчивой работы и аварии, а также отключать ВЭУ при неисправности электрической части.

Несмотря на то, шо контур управления угла установки лопасти представляет собой надежную систему предотвращения генератора от перегрузок в результате резких изменений скорости ветрового потока и ограничивает при этом механическую мощность номинальным значением, улучшения работы ВЭУ на энергосистему может быть достигнуто только за счет эффективного регулирования соответствующих электромагнитных параметров .

Необходимость подсистемы автоматического управления и контроля электромагнитных параметров прежде всего объясняется тем, что для энергосистемы недопустимы скачкообразные изменения частоты вырабатываемой ВЭУ мощности, а, следовательно, и невозможности подсистемы автоматического регулирования и контроля механических параметров самостоятельно сглаживать эти колебания. Поэтому регулирование последних должно использоваться дополнительно к управлению угла установки лопастей, обеспечит приемлемое качество производимой электроэнергии.

Наиболее эффективное регулирование обеспечивается, когда управляющее воздействие пропорционально квазиоптимальной комбинации соответствующих изменений скорости, ускорения и крутящего момента вала электрического генератора ВЭУ. При этом обеспечивается минимальное время на отработку необходимого управляющего воздействия. Такая система должна использоваться в основном в синхронных ВЭУ, обеспечит поддержание оптимальных эксплуатационных режимов и предотвратит перегрузку генератора. Упрощение регулирования и использования, в частности, только управление угла установки лопастей или угла установки с обратной связью по частоте вращения, безусловно, реализуется немного легче, но приводит к существенному ухудшению качества переходных процессов в электромеханической системе ВЭУ. Кроме того, эффективное регулирование параметров электрических цепей ВЭУ обеспечит существенное сглаживание характеристик производимой электромагнитной мощности при пульсациях угловой частоты вращения и крутящего момента на валу электрического генератора.

Для обеспечения точной синхронизации ВЭУ с энергосистемой в режиме изменяемой угловой частоты вращения ветродвигателя необходимо, с помощью инвертора или преобразователя частоты, привести частоту вырабатываемой электрической энергии с частотой промышленной и при устойчивых и совпадающих фазах с напряжением линии электропередачи ВЭУ должна подключаться к энергосистеме. Причем синхронизацию можно гораздо усовершенствовать при ограничении переходных процессов за счет эффективности управления частотой вращения и применения автоматического синхронизатора. При достижении ветродвигателя скорости фиксации подсистема автоматического регулирования и контроля механических параметров должна выработать сигнал на перевод систему автоматического управления режимами работы ВЭУ из режима управления скоростью в режим управления мощностью. В режиме управления мощностью должен сформироваться сигнал коррекции, который поступает в блок управления и контроля угла установки лопастей и приводит к соответствующему изменению стратегии регулирования угла установки лопастей.

Перегрузка электрического генератора ведет к его перегреву, поэтому сигнал об этом должен поступать в подсистему автоматического управления и контроля электромагнитных параметров, которая, в свою очередь, либо снижает производимую мощность, или, в экстренных случаях, отключает ВЭУ от нагрузки.

Подсистема автоматического управления и контроля электромагнитных параметров должна ограничивать предельные колебания напряжения, вызываемые пуском, торможением, рассинхронизация и пульсациями скорости ветрового потока для обеспечения приемлемых эксплуатационных параметров, должно срабатывать автоматическая система защиты.

Аварийное выключение ветроагрегата

В экстренных случаях, в зависимости от характера аварийной ситуации, которая сложилась, можно использовать отключение ВЭУ от энергосистемы, механическое торможение ветродвигателя, динамическое торможение электрического генератора.

Во время отключений и переключений необходимо оберегать оборудования ВЭУ и нагрузки от бросков тока, избыточных напряжений и изменения частоты. Поэтому в системе защиты широко используются плавкие предохранители, автоматические выключатели и реле для управления напряжением и контроля переключений в кругу.

 
< Предыдущая   СОДЕРЖАНИЕ   Следующая >
 
Предметы
Агропромышленность
Банковское дело
БЖД
Бухучет и аудит
География
Документоведение
Естествознание
Журналистика
Инвестирование
Информатика
История
Культурология
Литература
Логика
Логистика
Маркетинг
Математика, химия, физика
Медицина
Менеджмент
Недвижимость
Педагогика
Политология
Политэкономия
Право
Психология
Региональная экономика
Религиоведение
Риторика
Социология
Статистика
Страховое дело
Техника
Товароведение
Туризм
Философия
Финансы
Экология
Экономика
Этика и эстетика
Прочее