Українська   Deutsch
ДонНТУ   Портал магистров

Реферат по теме выпускной работы

Содержание

Вступление

В наше время во всем мире наблюдается повышенный интерес к использованию нетрадиционных источников энергии. Это связано, прежде всего, с истощением ископаемых природных ресурсов, а также растущей необходимостью охраны окружающей среды. Одним из альтернативных источников энергии является ветроэнергетика, которая развивается стремительными темпами во всем мире. Основное отличие ветряной электростанции от традиционных видов электростанций – полное отсутствие потребления в качестве топлива, так и отсутствие отходов.

Ветроэнергетика – это отрасль энергетики, специализирующаяся на преобразовании кинетической энергии воздушных масс в атмосфере в электрическую, механическую, тепловую или в любую другую форму энергии, удобную для использования в народном хозяйстве. Такое преобразование осуществляется с помощью ветрогенератора. Современный ветрогенератор – это высокотехнологичное изделие с единичной мощностью от 5 до 4500 кВт. Разработка проектов, связанных с возобновляемыми источниками электроэнергии, в частности ветроэнергетики, является сейчас перспективным направлением.

1. Актуальность темы

Современная ветроэнергетика имеет ряд проблем, которые негативным образом влияют на повышение эффективности энергосбережения. Наиболее актуальные из них следующие:

Также с ростом доли возобновляемых источников энергии приобретает значение качество энергии, которую они поставляют в сеть. Ветроэнергетика является нерегулируемым источником энергии. Выработка энергии зависит от силы ветра, фактора, отличающегося большим непостоянством. Соответственно, выдача электроэнергии с ветрогенератора в энергосистему отличается большой неравномерностью. Эта проблема особенно актуальна для ветровых генераторов, поскольку скорость ветрового потока является очень нестабильной величиной, следовательно, без качественного регулирования нестабильной оказывается и выходная мощность ветрогенератора.

2. Цель и задачи работы

От системы управления требуется выполнение различных по своему характеру действий – от непрерывного управления с быстрой реакцией на дискретных аварийных защитных действий и процессов со строго последовательными операциями. Поскольку различные управляющие функции, в разной степени влияют на обеспечение безопасности и надежности работы ВЭУ, система не может быть оптимальной во всех отношениях. В условиях резко изменяющейся скорости ветра ветрогенератору, из-за несовершенства системы регулирования, часто приходится работать с пониженным к. п. д. и выдавать в сеть мощность с большими всплесками и колебаниями. Пониженное к. п. д. приводит к недоиспользованию энергии ветрового потока, а резкие изменения мощности ветрогенератора приводят к ухудшению качества напряжения питающей сети и в случае слабой сети могут привести к существенным колебаниям напряжения у потребителей. Система регулирования должна оптимизировать работу ветрогенератора по следующим критериям:

Существует много вариантов реализации силовой части ветроустановок, поэтому система регулирования должна быть адаптирована к определенному выбранному варианту. На рисунке 2.1 представлена структура ветроустановки для которой осуществлено решение задачи обеспечения максимального коэффициента полезного действия и стабилизации выходной мощности ветрогенератора.

Рисунок 2.1 – Структурная схема ветроустановки

Силовая часть ветроустановки построена на основе асинхронного генератора с короткозамкнутым ротором, соединенного с сетью через преобразователь частоты. Преобразователь частоты в свою очередь состоит из тиристорного сетевого инвертора, что обеспечивает отдачу энергии в сеть, и транзисторного инвертора, который задает частоту вращения генератора. Оба инвертора соединены между собой контуром постоянного напряжения. Выбор асинхронного короткозамкнутого генератора объясняется его дешевизной, неприхотливостью в работе и низкими затратами на обслуживание, поскольку в этом генераторе исключены щеточные контакты.

В качестве ветроколеса выбирается трехлопастное ветроколесо с горизонтальной осью и возможностью поворота лопасти относительно плоскости вращения ветроколеса. Из формулы мощности, которую ветер передает ветроколесу, вытекают возможности влияния на к. п. д. ветрогенератора.

 Где ρ–плотность воздуха;

 F–площадь, ометаемая колесом;

 Vω–Скорость ветра;

 сpω–коэффицтент мощности ветроколеса,который зависит от быстроходности и угла между площадью вращения ветроколеса и хордой крыла.

Быстроходность определяется, как отношение окружной скорости вращения конца лопасти к скорости ветра. Причем окружная скорость конца лопасти может быть определена как произведение угловой скорости вращения ω на радиус ветроколеса R.

Если рассмотреть зависимость коэффициента мощности сpω от быстроходности λ при фиксированном угле δ для определенного профиля лопасти, то получим зависимость изображенную на рисунке 2.2.Приведенный рисунок показывает, что существует некоторая быстроходность ветроколеса λ, при которой коэффициент мощности сpω достигает своего наибольшего значения, то есть эта быстроходность является оптимальной с точки зрения поддержания максимального коэффициента мощности. Необходимо отметить, что согласно теории идеального ветроколеса, максимально возможный коэффициент мощности для ветроколеса с горизонтальной осью равен сpωmax = 0,5926. В связи с этим права вертикальная ось на рисунке 2.2 показывает значения к. п. д. ветроколеса. Величина к. п. д. демонстрирует, насколько коэффициент мощности сpω реального ветроколеса приближается к максимально возможному коэффициенту мощности сpωmax.

.

Рисунок 2.2 – Зависимость коэффициента мощности сpω от быстроходности λ

Однако, скорость ветра величина очень нестабильная и значительно меняется в течение суток. Таким образом, становится очевидным, что из-за постоянного изменения скорости ветра, величина быстроходности ветроколеса так же будет меняться и отклоняться от оптимального значения, если угловая скорость вращения ветроколеса останется неизменной, то есть существенную часть времени ветроколесо работает с пониженным к.п.д. Итак, для поддержания оптимальной быстроходности необходимо изменять скорость вращения ветроколеса пропорционально скорости ветра, то есть подстраивать его под ветер. Такую задачу по изменению скорости вращения ветроколеса способен выполнить инвертор, изображенный на рисунке 2.1. Поскольку мощные асинхронные генераторы имеют скольжения в пределах 1–2 %, то скорость вращения поля, заданная инвертором, практически будет определять скорость вращения ветроколеса, конечно с учетом передаточного числа редуктора. Но если взглянуть на поведение скорости ветра в течение достаточно короткого интервала времени, то можно увидеть, что скорость ветра очень нестабильная и существенно может измениться за 1–2 секунды (см. рисунок 2.3). В этом случае для поддержания оптимальной быстроходности можно ориентироваться только на некоторое среднее значение скорости ветра внутри определенного интервала времени.

Рисунок 2.3 – Поведение скорости ветра в середине временного интервала

Нестабильное поведение скорости ветра, кроме влияния на к. п. д, приводит к резким изменениям мощности ветроколеса. Так как мощность ветроколеса зависит от скорости ветра в кубе. Это означает, что даже при небольшом изменении скорости ветра мощность будет меняться существенно. И если ничего не делать в этом отношении, то ветрогенератор будет передавать в сеть мощность с большими колебаниями и всплесками, что негативно отражается на состоянии сети. Задачей этой системы регулирования является сглаживание всплесков и колебаний мощности ветрогенератора, возникающих из-за нестабильности.

Методика решения задачи

Первый метод это так называемое питч-регулирование, предусматривающее управление углом поворота лопасти с целью стабилизации момента, создаваемого ветровым потоком на валу ветрогенератора. Это управление осуществляет регулятор мощности.

Otto-von-Guericke

Рисунок 3.1 – Регулирование поворота лопастей ветроустановки, (анимация: 6 кадров, 6 циклов повторений, 146 килобайт)

Однако мощность ветроколеса находится в нелинейной зависимости от угла поворота лопасти, поэтому в контуре регулирования мощности,регулятору приходится работать с нелинейным объектом регулирования. Итак, регулятор мощности должен быть адаптивным. Для адаптации регулятора к нелинейным свойствам ветроколеса можно использовать нейро или фазы алгоритмы. В новых системах ветрогенераторных установок реализуется принцип отделения частоты сети от частоты вращения генератора за счет использования преобразователей. Ветроустановки, которые работают по этому принципу получили название – ветроустановки с переменной скоростью вращения.
Это дает целый ряд преимуществ, а именно:

Структурна схема системи регулирования, которая имеет вышеупомянутые преимущества, представлена на рисунке 3.2.

Рисунок 3.2 – Структурная схема системы регулирования

Для реализации и поддержания стабильности активного тока генератора в сложной системе с двумя контурами регулирования должна использоваться основная структура. В этой системе управления регулирования мощности осуществляется за счет использования контура регулирования электромагнитным моментом генератора, а регулирование скорости вращения ветровой турбины за счет влияния регулятора скорости на питч-угол лопасти. Таким образом функция регулировки скоростью вращения передается в подчиненным контур. Важно, что при регулировании электромагнитного момента генератора скорость ветроколеса изменяется в соответствии с формулой:

Физическим содержанием этого правила является то, что в случае отклонения от заданной скорости, момент ветроколеса должен по сравнению с моментом генератора увеличиться или уменьшиться для достижения положительного или отрицательного углового ускорения ветроустановки. Как показано в формуле, влияние на момент ветроколеса при переменной скорости ветра имеет коэффициент мощности ветроустановки сpω, который зависит от питч-угла лопасти. Таким образом воздействуя на питч-угол лопасти ветровой турбины можно поддерживать скорость ветроколеса на определенном уровне. Система управления питч-угла является слишком инерционной для стабилизации выходной мощности, но с целью регулирования скорости ветроколеса может использоваться, так как такое управление имеет большой момент инерции из-за большой инерцией ветрогенератора в целом. Задание для момента генератора дает не контур регулирования частоты вращения ветровой турбины, а блок расчета максимальной мощности, для поддержания максимального коэффициента мощности. Момент ветрогенератора рассчитывается по формуле:

 Где Vber – расчетная скорость ветра, которая соответствует максимальному моменту генератора.

Выводы

В работе представлен анализ качества функционирования ВЭУ в условиях изменяющегося ветрового потока, нагрузки и углов установки лопастей. Были выбраны критерии оптимальности системы регулирования. Снижение к. п. д приводит к недоиспользованию энергии ветрового потока, а резкие изменения мощности ветрогенератора приводят к ухудшению качества напряжения питательной сети и в случае слабой сети могут привести к существенным колебаниям напряжения у потребителей. И если ничего не делать в этом отношении, то ветрогенератор будет передавать в сеть мощность с большими колебаниями и всплесками, что негативно влияет на состояние сети.

При написании данного реферата магистерская работа еще не завершена. Окончательное завершение: декабрь 2014 года. Полный текст работы и материалы по теме могут быть получены у автора или его руководителя после указанной даты.

    Перечень литературы

    1. Черников В. Г. Оптимизация работы ветрогенераторов Донбас–2020: наука і техніка Матеріали II науково–практичної конференції м. Донецьк 03–04 лютого 2004 року
    2. Черников В. Г. Оптимизация работы ветрогенераторов по критерию максимальной мощности / В. Г. Черников. – 115–123 с.
    3. Черников В. Г. Стабилизация мощности ветрогенератора посредством механизма поворота лопасти /Електромашинобуд. та електрообладн.– 2006. – Вип. 67. – 21–26 с.
    4. Munteanu I. Optimal Control of Wind Energy Systems. – Springer – Verlag London Limited, 2008. – 297 s.
    5. Stiebler M. Wind Energy Systems for Electric Power Generation. – Springer – Verlag Berlin Heidelberg, 2008. – 200 S.
    6. Андрианов В. Н., Быстрицкий Д. Н., Ветроэлектрические станции–М.:Ленинград, 1960. – 320 с.
    7. Erich Hau, Windkraftanlagen–Grundlagen, Technik, Einsatz, Wirtschaftlichkeit, 2008. – 924 S.
    8. Dr. Linus Yves Grellet, Rechtliche Fragestellungenrund um die Errichtung und den Betrieb von Windenergieanlagen, 2010. – 345 S.
    9. Johnson G. Wind Energy System /G. Johnson. – N. Y: Prentice Hall, 1985 – 421 s.