Приведены характеристики ветровой мощности ротора ветроэнергетической установки, характеристики генератора, проведено сравнение характеристик производительности предлагаемой математической модели и протестированного образца.
Ключевые слова: ветроэнергетика, математическое моделирование, преобразование энергии, регулирование мощности.
There are presented the characteristics of the rotor wind power of a wind power plant, generator characteristics, the comparison of suggested mathematical model efficiency characteristics and the tested sample.
Keywords: wind power engineering, mathematical modeling, power conversion, power regulation.
Применение возобновляемых источников энергии совместно с энергоэффективным оборудованием может дать значительный экономический и экологический эффект. Источником энергии является устройство, преобразующее первичную энергию в тепловую или электрическую.
Ветроэнергетическая установка ВЭУ-3 производства ООО ГРЦ-Вертикаль
(г. Миасс) в качестве преобразователя ветер – электроэнергия
использует ротор ВЭУ с лопастями и синхронный
электрогенератор на постоянных магнитах с осевым зазором [1].
Рассматриваемый источник электрической энергии может быть сопряжен с различными потенциальными маломощными и энергоэффективными потребителями, такими как инфракрасные системы обогрева, насосы и любые бытовые приборы. Не менее интересна возможность совместной работы как с общей сетью, так и с другими источниками энергии. Во всех таких системах в качестве источника электроэнергии может использоваться ВЭУ-3. Поэтому всестороннее изучение этого источника, общего для различных систем, даст возможность широкого его применения во многих сферах.
При помощи программного пакета MATLAB [2] была построена математическая модель ветрогенератора ВЭУ-3, которая представлена на рис. 1.
Общий принцип работы математической модели заключается в следующем.
К блоку Permanent Magnet Synchronous Machine прилагается отрицательный момент, который определяется скоростью ветра.
Крутящий момент, приложенный к генератору ВЭУ, в зависимости от скорости ветра равен [3]
где Cm – коэффициент крутящего момента, Cm = 0,15 ; ρ – плотность воздуха, ρ = 1, 2 кг/м3 ; V – скорость ветра, м/с; S – ометаемая площадь, S = 12,92 м2; R – радиус ветроколеса, R = 1,7 м.
Коэффициент крутящего момента Cm определяется при максимальном коэффициенте использования энергии ветра Cp = 0,4 и быстроходности Z = 2,7 (рис. 2), которая определяется как [3]
где Vлин – линейная скорость вращения, м/с; Vвет – скорость ветра, м/с.
Таким образом, за счет системы управления мы поддерживаем быстроходность Z = 2,7, обеспечивая при этом максимальный коэффициент использования энергии ветра Cp = 0,4 , при коэффициенте крутящего момента Cm = 0,15.
Определим момент, приложенный к ротору генератора:
При помощи блоков Ramp, Math Function, Gain определяется воздействие момента Mz на генератор.
Работа генератора Permanent Magnet Synchronous Machine описывается следующей системой уравнений в осях q и d , связанных с ротором [2]
Рис. 1. Модель ветрогенератора ВЭУ-3
Рис. 2. Зависимость Cp и Cm от быстроходности Z
где Lq , Ld – индуктивности статора по осям q и d ; R – сопротивление обмотки статора; iq , id – проекции тока статора на оси q и d ; Uq , Ud – проекции напряжения статора на оси q и d ; ωr – угловая частота вращения ротора; λ – магнитный поток постоянных магнитов, сцепленный с обмоткой статора; p – число пар полюсов; Te – электромагнитный момент; J – суммарный момент инерции ротора и нагрузки; F – коэффициент трения; Θ – угол положения ротора; Tm – момент сопротивления.
Генератор является источником тока, переменного по фазе, частоте и амплитуде, который сложно использовать для нужд потребителя. Поэтому напряжение подается на трехфазный неуправляемый выпрямительный мост Universal Bridge. Для сглаживания пульсации служит RC-фильтр с постоянной времени, которая много больше периода колебаний тока в обмотке.
Измерение выходного напряжения осуществляется при помощи вольтметра V1, частота вращения ротора – при помощи измерительного порта m блока.
На рис. 3 представлена зависимость выпрямленного напряжения от частоты вращения ротора в режиме холостого хода Ux.x , полученная на модели, которая практически совпадает с характеристикой опытного образца генератора.
Рис. 3. Характеристика холостого хода ВЭУ-3
Рис. 4. Модель ВЭУ-3 при работе на нагрузку
Рассматриваемый генератор позволяет получать номинальную мощность 3 кВт при номинальных 180 об/мин. Данные величины должны достигаться при скорости ветра 10,4 м/с. Результаты расчетов, выполненных по математической модели, представленной на рис. 4, показали, что при скорости ветра 10,43 м/с была зафиксирована частота вращения 180 об/мин, ток нагрузки 9,8 А, выпрямленное напряжение на нагрузке 309,8 В и мощность 3036 Вт.
Предложенная модель ветрогенератора ВЭУ-3 достаточно точно отражает работу установки в режиме холостого хода и в нагрузочном режиме и может быть использована при разработке и исследовании системы управления ВЭУ.
Литература
1. Соломин Е. В. Продукция / Е. В. Соломин // Сайт ООО ГРЦ-Вертикаль
. – www.srcvertical.com. – Челябинск, 2007. – 1 с.
2. Черных И. В. Моделирование электротехнических устройств в MATLAB, SimPowerSystems и Simulink / И. В. Черных. – М.: ДМК Пресс, СПб.:Питер, 2008. – 288 с.
3. Кирпичникова И. М. Преобразование энергии в ветроэнергетических установках / И. М. Кирпичникова, А. С. Мартьянов, Е. В. Соломин // Альтернативная энергетика и экология. – 2010. – № 1. – С. 93-97.