Босов Е А - Системи за управление на вятърни паркове
Тема на магистърската теза: "Изграждане на система за управление и диагностика на генератори на вятърна електроцентрала"
Съставител: Босов Е.А.
Въведение. Обосновка за уместност
Проектирането на системите за управление се основава на изискването за осигуряване на надеждна и икономична работа на вятърните електроцентрали. Приемането на дизайнерски решения, като правило, се извършва въз основа на стандартни, вече съществуващи проекти. Но науката и технологиите непрекъснато се развиват. Създават се нови, по-усъвършенствани алгоритми за управление и хардуерни решения. Обширни изследвания в миналото на системи за управление на вятърни турбини с постоянна скорост показаха, че може да се получи значително увеличение на ефективността чрез прилагане на подходящ контролер (регулатор) като част от стратегия за нелинейно управление. Програмата за разработване на такива системи за управление на вятърни турбини с променлива скорост в момента е обект на интензивни изследвания. Следователно тази тема е актуална.
Преглед на съществуващите изследвания и разработки
Днес алтернативните източници на енергия стават все по-привлекателни. съвременните вятърни турбини със средна мощност все още имат ниска ефективност. За да се увеличи ефективността, се използват преобразуватели, свързани към вятърния генератор.
Ориз. 1- IGBT-B6-мостова верига
Схемата, показана на фиг. 1, се състои от два моста B6 - токоизправител и преобразувател. Енергията, генерирана от вятърния генератор, се прехвърля към мрежата. С помощта на преобразувател можете да промените скоростта на вятърното колело, увеличавайки ефективността.
Фигурата показва векторна диаграма на токове и напрежения, обясняваща работата на преобразувателя.
Фиг.2- Фазови напрежения и тяхната разлика.
Недостатъкът на тази схемае високата му цена. При директно свързване на вятърната турбина към мрежата без преобразувател, цената на вятърната турбина е значително намалена.
Списък на задачите за решаване в работата
1. Контрол на натоварването на въздушни турбини с постоянна скорост. Стандартният подход за управление на вятърни турбини е да се използват контролери за натоварване, които са доста ефективни в повечето практически приложения. Въпреки това, поради нелинейността на аеродинамиката на вятърния поток, един линеен параметричен контролер не може да поддържа адекватно необходимия режим на работа, т.к. линейното приближение при регулиране на натоварването на вятърния генератор е неприемливо поради бързо променящите се характеристики на скоростта на вятъра, а случайните пориви на вятъра могат да принудят регулатора да превключи вятърния генератор в режим, много далеч от необходимия.
2. Нелинейно управление на вятърни турбини с постоянна скорост. Условно линейните контролери се използват за регулиране на натоварването единствено за компенсиране на нелинейността на аеродинамичния поток. В този случай се реализира нелинейна контролна цел, която може значително да повиши ефективността на системата като цяло.
3. Деформация и вибрации на задвижващия вал. Поради голямата инерция на лопатките на главния ротор, въздушните турбинни задвижвания имат малка честотна лента. Преходните процеси, свързани с отклонение и трептения във валовата линия, могат да доведат до значително влошаване на работата на вятърната турбина. Поради влиянието на нискочестотните трептения на валовата линия върху контролната характеристика, методите за условна линеаризация са неефективни поради несигурността на продължителността на тези преходни процеси, така че е необходимо да се разработят новикритерии за формиране на контролни характеристики. Преходните процеси, свързани с колебанията в линията на вала на вятърната турбина, не играят съществена роля при определяне на нивото на енергийна ефективност на комплекса, но водят до значително стесняване на зоната на стабилност на системата за управление и в бъдеще до необходимостта от постоянно преструктуриране на регулатора.
Съвременните вятърни паркове въплъщават много технически идеи, които отговарят на най-новите постижения на науката. Ето далеч не пълен списък на уникални системи и механизми, които осигуряват ефективна и безопасна работа на вятърни паркове: -система за динамична промяна на ъгъла на атака (променя ъгъла на блокиране на перките, като по този начин поддържа желания ъгъл на атака); -система за динамично управление на скоростта на въртене на вятърното колело в зависимост от натоварването и скоростта на вятъра (избира оптималния режим на работа); - система за управление на отклонение - електронен ветропоказател (завърта гондолата с вятърна турбина по специален закон, като взема предвид преобладаващата посока на вятъра, неговите пориви и турбуленция); - система за оперативно регулиране на магнитното приплъзване на асинхронен генератор (използват се подобрени асинхронни генератори с ротор тип "катерица"). Съвсем наскоро беше пусната в производство изцяло нова вятърна турбина, която използва синхронен генератор с високо напрежение с кабелно навит статор и многополюсен ротор с постоянен магнит. Полученият променлив ток с ниска честота се изправя и след това преобразува от инвертора в променлив ток с честота на мрежата. Генераторът не се нуждае от скоростна кутия, тъй като е нискоскоростен. Такива инсталации могат да се използват във вятърни паркове с мощност от 500 kW до 5 MW и повече. Състоянието на ветроенергийните паркове и техните режими на работа се следят от контролера, където по каналите се получава цялата текуща информация. ако,например по време на работа се появяват краткотрайни пикове на напрежението (така нареченият ефект на трептене) при кратки, силни пориви на вятъра или при рязка промяна на натоварването, те се гасят с помощта на специални електронни устройства. Електрониката и автоматизацията са надеждно защитени от външно излъчване (включително електромагнитно излъчване от самата мрежа и превключващи мрежови устройства) чрез радиозаземяване и екраниране. Съвременните изолационни материали играят важна роля тук. При вятърните турбини с променлив наклон, изходната мощност на вятърния генератор се поддържа в определените граници чрез промяна на ъгъла на въртене на лопатките на турбината, което му позволява също така да реагира на промените в скоростта на вятъра. Въпреки това, внедряването на система за активна стабилизация на скоростта на въртене на вятърните турбини е доста сложен проблем за управление. Основните характеристики на вятърните турбини: -Аеродинамичните характеристики на ротора на вятърната турбина са нелинейни. - Диапазонът на промяна на скоростта на задвижване е ограничен, скоростният режим е в зоната на минималните стойности, честотната лента на сигнала е незначителна. Основната цел на управлението е да се намалят натоварванията в турбината и по този начин да се сведат до минимум щетите. Последното изискване въвежда значителна нелинейност в свойствата на цялата система за управление и дава незначителен ефект при нормални натоварвания на турбината, но на практика определя ефективността на проекта като цяло, когато се появят произволни високи натоварвания от вятър върху мачтата на вятърния генератор.
Собствени планирани резултати
В тази работа планирам да реша проблеми и задачи, свързани с регулирането на натоварването на вятърни турбини с постоянна скорост, нелинейно управление на вятърни турбини с постоянна скорост, отклонение ивибрации на задвижващия вал. Планира се използването на многофункционална платка за събиране на данни PCI-1710L за експериментални изследвания. За изграждане на система за събиране, обработка и управление на данни ще се използва системата LabVIEW. Резултатът от работата трябва да бъде хардуерно и софтуерно внедрена система за управление на вятърни турбини.
Преглед на резултатите и заключения
Разработването на система за управление на вятърна турбина изисква интегриран подход, като се вземат предвид много фактори, най-важните от които са типът на генератора, режимът на работа на вятърната турбина, системата за управление на ъгъла на лопатките и цената на системата за управление. Перспективи за по-нататъшни изследвания: можете да продължите да се развивате в тази област, като подобрявате съществуващите решения, правите свои собствени предложения. В бъдеще е възможно да се разработи система за управление на цялата вятърна турбина и група вятърни турбини. По този начин се планира да се разработи система за управление, способна ефективно да управлява вятърната турбина и да диагностицира възможни повреди и неизправности на генератора.
1. Управление на вятърни турбини. URL:http://www.polarcom.ru/
2. Regelung einer PMSM (SPARK) fur eine Windkraftanlage URL:http://www.iem.ing.tu-bs.de/paper/2002/turki_02.htm#tu-bi-04
3.Загидулин Р.Ш. LabView в изследванията и разработките. - М.: Гореща линия-Телеком, 2005. - 352 с.: ил.
4. Неклепаев Б.Н., Крючков И.С. Електрическа част на станции и подстанции. - М.: Енергоатомиздат, 1989. - 605 с.
5. Наръчник за електрически инсталации за високо напрежение / Pod. изд. И.А. Бумщайн. – М.: Енергоатомиздат, 1989. – 765 с.
6.LabVIEW: Лабораторно изследване на електрически вериги и машини. Несими Ертугрул. // Превод В. А. Гуриев
7. Обработка на сигнали с LabVIEW. Маш Л. Чугани, Абей Р.Самант, Майкъл Керна. //Превод изд. А. И. Макаршина