S.Vijayalakshmi, Saikumar.S - Моделирование и управление ветровых турбин использование синхронного генератора с постоянными магнитами

Аннотация

В статье предлагается стратегия управления, которая анализирует конфигурацию ветротурбины создание системы с PMSG.

ВВЕДЕНИЕ

Реализация ветровых турбин в качестве источника экологически чистой, и возобновляемой энергии может зависеть от оптимальной конструкции системы и стратегии управления различными возможными параметрами, которые могут работать эффективно при экстремальных изменениях в ветре. Общая цель данной работы заключается в оптимизации электромеханического преобразования энергии ветряков, разработке соответствующих стратегий управления [1]. Оба индукционных и синхронных генератора могут быть использованы ветровой турбинной системы [2]. В основном, три вида индукционных генератора используются в ветровой энергетике для преобразования системы: короткозамкнутый ротор, фазный ротор с контактным управлением и индукционный ротор с двойной подачей.Последний является наиболее используемым в генерации и скорости ветра, поскольку он обеспечивает широкий диапазон изменения скорости.

Для моделирования в ветровой архитектуре был выбран управляемый многополюсный синхронный генератор с постоянными магнитами с переменной скоростью (PMSG): он обеспечивает более высокую производительность за счет повышения эффективности и меньшего ухода, потому что у него нет тока ротора. Более того, PMSG может быть использован без коробки передач, что означает снижение веса гондолы и сокращение издержек.

Оптимальная добыча энергии ветра достигается запуском генератора ветротурбины (WTG) неизменной скорости из-за более высокого коэффициента усиления энергии и снижения напряжения. Использование постоянных магнитов синхронного генератора(PMSG) может быть еще более упрощенным. Однако последние достижения в области силовой электроники и контроль стратегии дал возможность регулировать напряжение PMSG по-разному. В предлагаемой системе VSI преобразователь предпочтительнее [3,4].

После того, как модели изготовлены и испытаны достаточно, ветровая турбина может вырабатывать максимум энергии.

ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ЭНЕРГИИ ВЕТРА

Кинетическая энергия ветра (воздушные массы м, скорость ветра V) задается следующим уравнением:

Где:

(Где S: Крытая поверхность турбины и р: плотность воздуха)

Энергии ветрa Pw задается следующим выражением:

Механическая энергия, которую турбина извлекает из ветра Pm уступает Pw. Это связано с тем, что скорость ветра после турбины не равна нулю (воздух должен быть проведён после турбины). Таким образом, коэффициент мощности турбины Ср может быть определен:

Рекуперации мощности определяются по формуле:

Где R:радиус ротора

Ср зависит от соотношения окружная скорость λ ветровой турбины и β угол наклона лопастей Ср=Ср(λ,β)

Где

ω скорость вращения ротора

Максимум для этой функции можно найти и этот максимум известный как предел Беца:

Крутящий момент ветровой турбины на вал может быть вычислен из силы:

Вводя

Часто момент коэффициента Ст используется

Это даёт

Моделирование системы

Ветровая турбина с использованием постоянного магнита синхронного генератора представлена на схеме [1]:

Рисунок 1 – Электрическая схема переменной скорости, где ветротурбина оснащена прямым диском PMSG.

Генератор основан на преобразовании парка, выпрямитель состоит из 6 выпрямителей, которые размещены в макете моста.

Преобразователь состоит из МОП-инвертора и контроллера тока, который генерирует сигналы управления для МОП-транзистора. В настоящее время контроллер измеряет выходные токи и сравнивает их с текущими значениями и изменениями сигналов управления МОП-транзисторов в соответствии с разницей между реальным и относительным током [5]. Три контролируемых блока источника напряжения необходимы, потому что энергоблок установки системы не содержит синусоидального источника напряжения.

А. Ветротурбина

Модель ветровой турбины показана на следующей схеме:

Рисунок 2 – Модель ветровой турбины

Первую подсистему можно рассчитать с помощью:

Cp стоимость рассчитывается в следующей подсистеме по следующей формуле:

Рисунок 3 – Аналитические приближение Сp характеристики

Скорость вращения определяется в последней подсистеме с учетом следующего:

J: момент инерции турбины, генератора и оси

F: Ось трения

Тем: Электромагнитный момент

B. Модель генератора

PMSG рассматривается как система, которая позволяет производить электроэнергию из механической энергии, получаемой из ветра.

Динамическая модель PMSG происходит от двух фаз синхронной системы отсчета,в которой д-оси это 90 градусов впереди г-оси по отношению к направлению вращения. Синхронизации между вращающимися DQ отсчета и ABC-трехфазный кадров ведется с использованием фазовой автоподстройки. PMSG могут быть смоделированы с помощью средств моделирования MATLAB Simulink. Уравнения, используемые для моделирования PMSG являются:

Там где d и q относятся к физической величине, которые были преобразованы в DQ синхронный вращающийся отсчет, Rs является сопротивлением статора, Ld, Lq являются индуктивности генератора на ωе d и q ось обеспечивающая скорость вращения электрического генератора.

где р-число пар полюсов генератора. Для того, чтобы завершить математическую модель PMSG механическое уравнение описывается следующим уравнением электромагнитного момента.

На следующем рисунке показана эквивалентная схема PMSG в DQ синхронной системе отсчета.

Рисунок 4 – Эквивалентная схема PMSG в синхронной системе.

Модель PMSG реализованы в Simulink и представлены на рисунке 5

Рисунок 5 – Модель PMSG реализованы в Simulink

Анализируя мощность производства ветровых турбин на различных ветрах и скоростях ротора, как показано на рисунке 5, то можно отметить, что оптимальный коэффициент мощности постоянная Кр. Этот коэффициент показывает сгенерированную мощность ассоциировано соответствующую оптимальной скорости вращения ротора [6], [7], [8]. Крoptis рассчитывается по отдельным характеристикам ветровой турбины. Измеряя генерируемую мощность,соответствующую оптимальной скорости ротора можно рассчитать и установить в качестве опорной скорости в соответствии с [8]

где WR выбирают оптимальную скорость вращения ротора [рад / с] и Pgen измеряемая генерируемая мощность [W]. Это является основой известного максимального слежения в формате PowerPoint (MPPT) [9], [10]: от предварительной обработки модели ветряных турбин можно отметить, что для того, чтобы извлечь максимальное количество энергии от инцидента ветра, Ср должна поддерживаться на уровне максимума. Для достижения этой цели цель может быть оценена из рис. 3 где видно, что скорость ротора генератора должна быть оптимизирована в соответствии с мгновенной скоростью ветра (это оптимизация достигается за счет использования (10)).

Результаты и анализ:

Для переменной скорости работы WECS, сигнал используется в MATLAB, с шагом 0,5 и входы до и после ступенчатого изменения в 4 и 5,5 м в секунду.

Рисунок 6 – PMSG Встроенная ветровая турбина

Рисунок 7 – График показывает изменение скорости, крутящего момента и напряжения в одной фазе с течением времени для ступенчатого изменения входного сигнала.

Это можно наблюдать на графике, что крутящий момент и скорость снижается после некоторого момента в то время как моделирование показало, что математическая модель прекрасно обрабатывает параметры для него модель была выполнена как ожидалось. Крутящий момент в отрицательной оси Y доказывает что машина здесь выступает в качестве генератора. Отмечено что на шаг по времени 0,5 система работает на различных скоростях тоже

Рисунок 8 – Три фазных напряжений производства PMSG

Рисунок 9 – Изменение выходной мощности во времени для ступенчатого ввода.

Рисунок 10 – Выходное напряжение в отдельных фазах

Рисунок 11 – Выход инвертора напряжения (масштаб изображения в плоскости х)

Рисунок 12 – Выход инвертора после применения фильтра сглаживания

Графики выше показывают изменения соответствующих параметров по времени. Важно отметить, что время моделирования составляет 1 сек шаг ввода по времени 0,5 сек используется, во всех графах выше есть изменение величины в момент т = 0,5 сек. Эта тенденция наблюдается на графиках проектирования создания трехфазного напряжения, генерируемой мощности, электромагнитного момента, выпрямленного выходного напряжения и инвертора.

Рисунок 13 – Крутящий момент по сравнению с скоростными характеристиками

Рисунок 14 – Скорость ветра по сравнению с другими параметрами

Для переменной скорости ветра от 3-5.5 м/с с шагом изменения 0,5 различными параметрами выходных графически. Поскольку скорость ветра возрастает выходные параметры, такие как механический момент, DC относительно напряжения, инвертор напряжения, тока генератора в три этапа (Iabc) и электрическая угловая частота увеличивается.

Выводы

Было расмотренно моделирование синхронного ветрогенератора с постоянными магнитами

Модель была реализована в MATLAB. Характеристики были получены в Simulink для того, чтобы проверить его крутящий момент и скорость ветра

Генератор был смоделирован в DQ синхронной вращающейся системе с учетом различных упрощений. Кроме того, концепция максимального отслеживания PowerPoint была представлена в условиях регулировки скорости ротора генератора в зависимости от мгновенной скорости ветра.

Список использованной литературы

[1] H. STIESDAL; The wind turbine, components andoperation; 1999.
[2] J. G. Slootweg, S. W. H. de Haan, H. Polinder and W. L. Kling. "General Model for Representing Variable Speed Wind Turbines in Power SystemDynamics Simulations". IEEE Transactions on Power Systems, vol. 18,no. 1,2003.
[3] A. Grauers, Efficiency of three wind energy generator systems, Department of Electric PowerEngineering, Chalmers University of Technology,Sweden.
[4] M. Rasilia; Torque- and Speed Control of a Pitchregulated Wind Turbine; Chalmers University oftechnology; Goteborg, Sweden; 2003.
[5] Thiringer T., Linders J.; Control by variable rotorspeed of a fixed-pitch wind turbine operating in speedrange; Chalmers University of technology; Goteborg,Sweden; 2003.
[6] T. Ackermann. Wind Power in Power Systems. New York: John Wiley &Sons, 2005.
[7] S. Heier, Grid Integration of Wind Energy Conversion Systems. NewYork: John Wiley & Sons, 1998.
[8] Z. Lubosny. Wind Turbine Operation in Electric Power Systems. Berlin:Springer, 2003.
[9] G. Ramtharan and N. Jenkins. "Modelling and Control of SynchronousGenerators for Wide-Range Variable-speed Wind Turbines". Wind Energy, Wiley Interscience, vol. 10, pp. 231-246, March 2007.
[10] M. Chinchilla, S. Arnaltes and 1. C. Burgos. "Control of PermanentMagnetGenerators Applied to Variable-Speed Wind-Energy SystemsConnected to the Grid". IEEE Transactions on Energy Conversion,vol. 21, no. 1,2006..