РЕФЕРАТ
(DE)

Тема магистерской диссертации:
"Построение системы управления и диагностики генераторами ветровой электростанции"

      Введение. Обоснование актуальности

   Проектирование систем управления базируется на требовании обеспечить надежную и экономичную работу ветроэлектроустановок. Принятие проектных решений, как правило, выполняется на основе типовых, уже имеющихся проектов. Но наука и техника постоянно развиваются. Создаются новые, более совершенные алгоритмы управления и аппаратные решения.
   Проведенные ранее обширные исследование систем управления ветровых турбин постоянной скорости показали, что значительное увеличение эффективности может быть получено при применении соответствующего контроллера (регулятора) в рамках стратегии нелинейного управления. Программа разработки подобных систем регулирования ветровым турбинам с регулируемой скоростью вращения ветрогенератора в настоящее время является предмет интенсивных исследований. Поэтому данная тема является актуальной.

      Обзор существующих исследований и разработок

    Сегодня альтернативные источники энергии становятся все более привлекательнее. современные ветроустановки средней мощности имеут все еще низкий КПД. С целью увеличения КПД применяют преобразователиб подключенные к ветрогенератору.



   Рис. 1- IGBT-B6-мостовая схема

    Изображенная на рис.1 схема представляет собой два В6-моста- выпрямитель и преобразователь.
    Выработанная ветрогенератором мощность отдается в сеть. СПри помощи преобразователя можно изменять частоту вращения ветроколеса, повышая КПД.


   



На раисунке изображена векторная диаграмма токов и напряжений, объясняющая работу преобразователя.


 Рис.2- Фазные напряжения и их разность.  

    Недостатком данной схемы является ее высокая стоимость. При непосредственном подключении ветрогенератора к сети без преобразователя стоимость ветроустановки значительно уменьшается.


      Перечень решаемых в работе задач

   1.Управление с регулированием нагрузки воздушных турбин постоянной скорости.
Стандартный подход к управлению ветрогенератором состоит в использовании регуляторов нагрузки, являющихся достаточно эффективными в большинстве практических приложений. Однако, вследствие нелинейности аэродинамики ветрового потока, единичный линейный параметрический регулятор не может адекватно поддерживать требуемый эксплуатационный режим, т.к. линейная аппроксимация при регулировании нагрузки ветрогенератора неприемлема ввиду быстропеременной характеристики скорости ветра, причем случайные порывы ветра могут заставить регулятор перевести ветрогенератор в режим весьма далекий от требуемого.

   2.Нелинейное управление ветровых турбин постоянной скорости.
Условно линейные контроллеры используются для регулирования нагрузки исключительно в целях компенсации нелинейности аэродинамического потока. При этом реализуется нелинейная цель управления что позволяет существенно повысить эффективность системы в целом.

   3.Прогиб и колебания приводного валопровода.
Вследствие большой инерции лопастей несущего винта, приводы воздушной турбины имеют незначительную ширину полосы пропускаемых частот. Переходные процессы, связанные с прогибом и колебаниями в линии валопровода могут привести к существенному ухудшению рабочих характеристик ветрогенератора. Вследствие влияния низкочастотных колебаний линии валопровода на характеристику регулирования, методы условной линеаризации неэффективны из за неопределенности длительности этих переходных процессов, поэтому необходимо выработать новые критерии формирования характеристик управления. Переходные процессы, связанные с колебаниями в валовой линии ветрогенератора не играют существеенй роли в определении уровня энергетической эффективности комплекса, но приводят к значительному сужению области устойчивости системы управления, а в дальнейшем к необходимости постоянной перестройке регулятора.

      Теоретический анализ

   В современных ВЭС воплощено множество технических идей, отвечающих последним достижениям науки. Вот далеко не полный перечень уникальных систем и механизмов, обеспечивающих эффективную и безопасную работу ветроэлектростанций:
       -система динамического изменения угла атаки (изменяет угол заклинивания лопастей, удерживая тем самым нужный угол атаки);
       -система динамического регулирования скорости вращения ветроколеса в зависимости от нагрузки и скорости ветра (выбирает оптимальный режим работы);
       -система управления рысканием - электронный флюгер (поворачивает гондолу с ВЭУ по особому закону с учетом доминирующего направления ветра, его порывов и турбуленции);
       -система оперативного регулирования магнитного скольжения асинхронного генератора (используются усовершенствованные асинхронные генераторы с ротором "беличья клетка").
   Совсем недавно запущена в производство совершенно новая ВЭУ, в которой использован высоковольтный синхронный генератор со статором, имеющим обмотки из кабеля, и многополюсным ротором на постоянных магнитах. Получаемый переменный ток низкой частоты выпрямляется, а затем преобразуется инвертором в переменный ток сетевой частоты. Редуктор генератору не нужен, поскольку он низкооборотный. Такие установки можно использовать на ВЭС мощностью от 500 кВт до 5 МВт и выше.
   За состоянием ВЭС и режимами их работы следит контроллер, куда по каналам поступает вся текущая информация. Если, например, во время работы возникают кратковременные всплески напряжения (так называемый фликкерный эффект), происходящие при коротких, сильных порывах ветра либо при резком изменении нагрузки, их гасят с помощью специальных электронных устройств. Электроника и автоматика надежно защищены от постороннего излучения (в том числе от электромагнитного излучения самой сети и переключающих сетевых устройств) радиотехническим заземлением и экранированием. Важную роль здесь играют современные изоляционные материалы.
   В ветровых турбинах с регулируемым шагом выходная мощность ветрогенератора поддерживается в заданных пределах за счет изменения угла поворота лопастей турбины, что позволяет также реагировать на изменение скорости ветра. Однако, реализация системы активной стабилизации частоты вращения ветровых турбин, представляет достаточно сложную проблему управления.
   Основные особенности ветрогенераторов:
       -Аэродинамические характеристики ротора ветровой турбины нелинейны.
       -Диапазон изменения частоты вращения привода - ограничен, скоростной режим в зоне минимальных значений, частотная полоса пропускания сигнала - незначительна.
   Главная цель управления состоит в том, чтобы уменьшить нагрузки в турбине, и тем самым минимизировать повреждение.
   Последнее требование вносит существенную нелинейность в свойства всей системы управления и даёт незначительный эффект при нормальных нагрузках на турбину, но практически определяет эффективность проекта в целом при появлении случайных высоких ветровых нагрузок на мачту ветрогенератора.

      Собственные планируемые результаты

   Планирую в данной работе решить проблемы и задачи, связанные с регулированием нагрузки воздушных турбин постоянной скорости, нелинейным управление ветровых турбин постоянной скорости, прогибом и колебанием приводного валопровода.
    Для экспериментальных исследований планируется использовать многофункциональную плату сбора данных PCI-1710L. Для построения системы сбора, обработки и управления данными будет применена система LabVIEW. Результатом работы должна стать аппаратно и программно реализованная система управления ветрогенератором.

      Обзор результатов и выводы

   Разработка системы управления ВЭУ требует комплексного подхода с учетом множества факторов, важнейшие из которых – вид генератора, режим работы ветроагенератора, система регулирования угла поворота лопастей, стоимость системы управления. Перспективы дальнейших исследований: можно продолжить разработки в данной области, усовершенствовав имеющиеся решения, внеся собственные предложения. В дальнейшем можно разработать систему управления всей ветроустановкой и группой ветроагрегатов.
   Таким образом, планируется разработать систему управления, способную эффективно управлять ветроустановкой и диагностировать возможные поломки и неисправности генератора.

   В данный момент (06.2006) работа находится в стадии разработки. Окончательный результат работы будет в 03.2007. С вопросами, касающимися данной работы, обращаться к автору или к руководителю.

      Литература

1.Управление ветровыми турбинами.
URL:http://www.polarcom.ru/~vvtsv/ref2001/r108_01.htm

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.Загидуллин Р.Ш. LabView в исследованиях и разработках. – М.: Горячая линия-Телеком, 2005. – 352 с.: ил.

4.Неклепаев Б.Н., Крючков И.С. Электрическая часть станций и подстанций. – М.: Энергоатомиздат, 1989. – 605 с.

5.Справочник по электрическим установкам высокого напряжения / Под. ред. И.А. Боумштейна. – М.: Энергоатомиздат, 1989. – 765 с.

6.LabVIEW: Лабораторное Исследование Электрических Цепей и Машин. Несими Эртугрул. //Перевод В.А.Гурьева

7.Обработка сигналов с LabVIEW. Мэш Л. Чугани, Эбей Р. Самант, Майкл Керна. //Перевод под ред. А.И.Макаршина