Русский   Deutsch
ДонНТУ   Портал магістрів

Реферат за темою випускної роботи

Зміст

Вступ

У наш час у всьому світі спостерігається підвищений інтерес до використання нетрадиційних джерел енергії. Це повʼязано, передусім, з виснаженням викопних природних ресурсів, а також зростаючою необхідністю охорони довкілля. Одним з альтернативних джерел енергії є вітроенергетика, яка розвивається стрімкими темпами у всьому світі. Основна відмінність вітряної електростанції від традиційних видів електростанцій–повна відсутність споживання як палива, так і відсутність відходів.

Вітроенергетика – це галузь енергетики, яка спеціалізується на перетворенні кінетичної енергії повітряних мас в атмосфері в електричну, механічну, теплову або у будь-яку іншу форму енергії, зручну для використання в народному господарстві. Таке перетворення здійснюватися за допомогою вітрогенератора. Сучасний вітрогенератор – це високотехнологічний виріб з одиничною потужністю від 5 до 4 500 кВт. Розробка проектів, повʼязаних з поновлюваними джерелами електроенергії, зокрема вітроенергетикою, є нині перспективним напрямом.

1. Актуальність теми

Сучасна вітроенергетика має ряд проблем, які негативним чином впливають на підвищення ефективності енергозбереження. Найбільш актуальні з них наступні:

Також із зростанням долі поновлюваних джерел енергії придбаває якість енергії, яку вони поставляють в мережу. Вітроенергетика є нерегульованим джерелом енергії. Вироблення енергії залежить від сили вітру, чинника, що відрізняється великою непостійністю. Відповідно, видача електроенергії з вітрогенератора в енергосистему відрізняється великою нерівномірністю. Ця проблема особливо актуальна для вітрових генераторів, оскільки швидкість вітрового потоку є дуже нестабільною величиною, отже, без якісного регулювання нестабільною виявляється і вихідна потужність вітрогенератора.

2. Мета та завдання роботи

Від системи управління потрібно виконання різних за своїм характером дій – від безперервного управління зі швидкою реакцією до дискретних аварійних захисних дій і процесів із строго послідовними операціями. Оскільки різні функції, що управляють, різною мірою впливають на забезпечення безпеки і надійності роботи ВЭУ, система не може бути оптимальною в усіх відношеннях. В умовах різко змінюванной швидкості вітру вітрогенераторам, через недосконалість системи регулювання, часто доводиться працювати із зниженим к. к. д. і видавати в мережу потужність з великими сплесками і коливаннями. Знижений к. к. д. приводить до недовикористання енергії вітрового потоку, а різкі зміни потужності вітрогенератора призводять до погіршення якості напруги живильної мережі і в разі слабкої мережі можуть привести до істотних коливань напруги у споживачів. Система регулювання повинна оптимізувати роботу вітрогенератора за наступними критеріями:

Існує багато варіантів реалізації силової частини вітроустановок, тому система регулювання повинна бути адаптована до певного обраному варіанту. На рисунку 2.1 представлена структура вітроустановки для якої здійснено вирішення завдання забезпечення максимального коефіцієнта корисної дії та стабілізації вихідної потужності вітрогенератора.

Рисунок 2.1 – Структурна схема вітроустановки

Силова частина вітроустановки побудована на основі асинхронного генератора з короткозамкненим ротором, зʼєднаного з мережею через перетворювач частоти. Перетворювач частоти у свою чергу складається з тиристорного мережевого інвертора, що забезпечує віддачу енергії в мережу, і транзисторного інвертора, що задає частоту обертання генератора. Обидва інвертора зʼєднані між собою контуром постійної напруги. Вибір асинхронного короткозамкненого генератора пояснюється його дешевизною, невибагливістю в роботі і низькими витратами на обслуговування, оскільки в цьому генераторі виключені щіткові контакти.

В якості вітроколеса вибирається трехлопастное вітроколесо з горизонтальною віссю і можливістю повороту лопаті стосовно площини обертання вітроколеса. З формули потужності, яку вітер передає вітроколеса, випливають можливості впливу на к. к. д. вітрогенератора.

 Де ρ–щільність повітря;

 F–площа, ометаєма колесом;

 Vω–Швидкість вітру;

 сpω–коефіцієнт потужності вітроколеса, який залежить від швидкохідності і кута між площиною обертання вітроколеса і хордою крила.

Швидкохідність визначається, як відношення окружної швидкості обертання кінця лопаті до швидкості вітру. Причому окружна швидкість кінця лопаті може бути визначена як добуток кутової швидкості обертання ω на радіус вітроколеса R.

Якщо розглянути залежність коефіцієнта потужності сpω від швидкохідності λ при фіксованому куті δ для певного профілю лопаті, то отримаємо залежність зображену на малюнку 2.2. Наведений малюнок показує, що існує деяка швидкохідність вітроколеса λ, при якій коефіцієнт потужності сpω досягає свого найбільшого значення, тобто ця швидкохідність є оптимальною з точки зору підтримки максимального коефіцієнта потужності. Необхідно відзначити, що відповідно до теорії ідеального вітроколеса, максимально можливий коефіцієнт потужності для вітроколеса з горизонтальною віссю дорівнює сpωmax = 0,5926. У звʼязку з цим права вертикальна вісь на малюнку 2.2 показує значення к. к. д.  вітроколеса. Величина к.к.д. демонструє, наскільки коефіцієнт потужності сpω реального вітроколеса наближається до максимально можливого коефіцієнту потужності сpωmax.

Рисунок 2.2 – Залежність коефіцієнта потужності сpω від швидкохідності λ

Однак, швидкість вітру величина дуже нестабільна і значно змінюється протягом доби. Таким чином,стає очевидним, що через постійне зміни швидкості вітру величина швидкохідності вітроколеса так само буде змінюватися і відхилятися від оптимального значення, якщо кутова швидкість обертання вітроколеса залишатиметься незмінною. Тобто істотну частину часу ветроколесо працюватиме із заниженим к.к.д. Отже, для підтримки оптимальної швидкохідності необхідно змінювати швидкість обертання вітроколеса пропорційно швидкості вітру, іншими словами підлаштовувати під вітер. Таке завдання щодо зміни швидкості обертання вітроколеса здатний виконати інвертор, зображений на рисунку 2.1. Оскільки потужні асинхронні генератори мають ковзання в межах 1–2%, то швидкість обертання поля, задана інвертором, практично буде визначати швидкість обертання вітроколеса, звичайно з урахуванням передавального числа редуктора. Але якщо поглянути на поведінку швидкості вітру на протязі досить короткого інтервалу часу, то можна побачити, що швидкість вітру дуже нестабільна і суттєво може змінитися за 1–2 секунди (див. рисунок 2.3). У цьому випадку для підтримки оптимальної швидкохідності можна орієнтуватися тільки на деякий середнє значення швидкості вітру усередині певного інтервалу часу.

Рисунок 2.3 – Поведінка швидкості вітру усередині тимчасового інтервалу

Нестабільна поведінка швидкості вітру, крім впливу на к. к. д., призводить до різких змін потужності вітроколеса. Так як у формулі потужність вітроколеса залежить від швидкості вітру в кубі. Це означає, що навіть при невеликій зміні швидкості вітру потужність буде змінюватися істотно. І якщо нічого не робити в цьому відношенні, то вітрогенератор буде передавати в мережу потужність з великими коливаннями і сплесками, що негативно відбивається на стані мережі Завданням цієї системи регулювання є згладжування сплесків і коливань потужності вітрогенератора, що виникають через нестабільність.

Методіка вирішення задачі

Перший засіб це так зване пітч-регулювання, яке передбачає управління кутом повороту лопаті з метою стабілізації моменту, створюваного вітровим потоком на валу вітрогенератора. Це управління здійснює регулятор потужності.

Otto-von-Guericke

Малюнок 3.1 – Регулювання повороту лопатей вітроустановки, (анімація: 6 кадрів, 6 повторень циклів, 146 кілобайт)

Проте потужність вітроколеса знаходиться в нелінійній залежності від кута повороту лопаті, тому в контурі регулювання потужності регулятору доводиться працювати з нелінійним обʼєктом регулювання. Отже, регулятор потужності повинен бути адаптивним. Для адаптації регулятора до нелінійних властивостях вітроколеса можна використовувати нейро або фази алгоритми. У нових системах вітрогенераторних установок реалізується принцип відділення частоти мережі від частоти обертання генератору за рахунок використання перетворювачів. Вітроустановки, які працюють за цим принципом отримали назву – вітроустановки зі змінною швидкістю обертання. Це дає цілий ряд переваг, а саме:

Структурна схема системи регулювання, яка має вищезазначені переваги, представлена на рисунку 3.2.

Рисунок 3.2 – Структурна схема системи регулювання

Для реалізації і підтримання стабільності активного струму генератора в складній системі з двома контурами регулювання повинна використовуватись основна структура. У цій системі управління регулювання потужності здійснюється за рахунок використання контуру регулювання електромагнітним моментом генератора, а регулювання швидкості обертання вітрової турбіни за рахунок впливу регулятора швидкості на пітч-кут лопаті. Таким чином функція регулювання швидкістю обертання передається у підпорядкованим контур. Важливо, що при регулюванні електромагнітного моменту генератора швидкість вітроколеса змінюється відповідно до формули:

Фізичним змістом цього правила є те, що в разі відхилення від заданої швидкості, момент вітроколеса повинен у порівнянні із моментом генератора збільшитись чи зменшитися для досягнення позитивного або негативного кутового прискорення вітроустановки. Як показано у формулі, вплив на момент вітроколеса при змінній швидкості вітру має коефіцієнт потужності вітроустановки сpω, який залежить від пітч-кута лопаті. Таким чином впливаючи на пітч-кут лопаті вітрової турбіни можна підтримувати швидкість вітроколеса на певному рівні. Система управління пітч-кута є занадто інерційною для стабілізації вихідної потужності, але з метою регулювання швидкості вітроколеса може використовуватись, тому що таке управління має великий момент інерції через велику інерцію вітрогенератора загалом. Завдання для моменту генератора дає не контур регулювання частоти обертання вітрової турбіни, а блок розрахунку максимальної потужності, для підтримки максимального коефіцієнта потужності. Момент вітрогенератора розраховується за формулою:

 Де Vber – розрахункова швидкість вітру, яка відповідає максимальному моменту генератора.

Висновки

У роботі представлений аналіз якості функціонування ВЕУ в умовах мінливого вітрового потоку, навантаження і кутів установки лопатей. Були обрані критерії оптимальності системи регулювання. Зниження к. к. д. приводить до недовикористання енергії вітрового потоку, а різкі зміни потужності вітрогенератора призводять до погіршення якості напруги жівільної мережі и в разі слабкої мережі можуть привести до істотних коливань напруги у споживачів. І якщо нічого не робити в цьому відношенні, то вітрогенератор буде передавати в мережу потужність з великими коливаннями и сплесками, що негативно впливає на стан мережі.

При написанні даного реферату магістерська робота ще не завершена. Остаточне завершення: грудень 2014 року. Повний текст роботи та матеріали по темі можуть бути отримані у автора або його керівника після зазначеної дати.

    Перелік посилань

    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.