Анализ существующих систем управления ветроэнергетическими установками

Аннотация

Иванников Д. Д., студент; Суков С. Ф. профессор. Исследование автоколебаний при моделировании гармонического осциллятора с использованием комплексов моделирования. В статье рассматриваются типы ветроэнергетических установок, способы управления ветроэнергетическими установками, особенности конструкции и их производительность. Определяется наиболее эффективный способ управления ветроэнергетической установки с наибольшим КПД.

Ветроэнергетическая установка (далее ВЭУ) – это устройство преобразовывающее кинетическую энергию потока ветра в механическую при помощи вращения ротора.

Выделяют два основных типа ВЭУ: ВЭУ с вертикальной осью вращения (далее ВОВ) и горизонтальной. ВЭУ с горизонтальной осью вращения имеют достаточно высокий коэффициент использования энергии ветра - около 0,45. Кроме того, их применение удобно в крупных установках, где механическая прочность достигается увеличением площади поперечного сечения применяемых конструкций. Их размещают там, где ветер имеет преимущественно постоянное направление. В случае непостоянства направления используются сервоприводы, ориентирующие ветроколесо в соответствии с направлением ветра. Однако ВЭУ с горизонтальной осью имеют ряд недостатков, в том числе необходимость подстройки под направление ветра, что существенно усложняет конструкцию и увеличивает стоимость установки в целом. Это существенно затрудняет применение установок данного типа в малой ветроэнергетике. К недостаткам данной конструкции можно отнести также повышенный шум из–за эффекта срыва потока.

ВЭУ с вертикальной осью вращения вследствие своей геометрии при любом направлении ветра находятся в рабочем положении. Кроме того, такая схема при необходимости позволяет за счет только удлинения вала установить редуктор с генераторами внизу башни.

Принципиальными недостатками таких установок являются:

1. большая подверженность их усталостным разрушениям из-за часто возникающих в них автоколебательных процессов;
2. пульсация крутящего момента, приводящая к нежелательным пульсациям выходных параметров генератора.

Тем не менее, в малых по мощности ВЭУ применение ветроколёс с вертикальной осью вращения является перспективным, поскольку применение современных материалов и правильный механический расчёт и балансировка ветроколеса может свести к приемлемому минимуму колебания ветроколеса.

Наиболее простым в реализации является способ управления мощностью со свободной частотой вращения ротора ветроколеса изображенный на рисунке 1

В этом способе управления ВЭУ ротор ветроколеса напрямую соединен с ротором синхронного генератора с возбуждением от постоянных магнитов. Обмотки генератора подключены ко входу диодного выпрямительного моста, выход которого подключен к аккумуляторной батарее.

В процессе работы такой ВЭУ при изменении скорости ветра изменяется напряжение на выходе генератора и выпрямителя соответственно. То есть, чем меньше скорость ветра и, соответственно, скорость ращения ротора, тем ниже выходное напряжение, поступающее на аккумуляторную батарею. Зарядный ток в АКБ перестает течь, что приводит к уменьшению снижению электромагнитного момента. При увеличении скорости ветра частота вращения генератора стремится увеличиться, что приводит к увеличению выходного напряжения генератора и росту тока в аккумуляторную батарею. Увеличение тока приводит к увеличению электромагнитного момента генератора на валу ветроколеса, что не позволяет ему разгоняться выше определенной частоты вращения, чем и достигается стабилизация.

Преимущества способа управления мощностью без изменения частоты вращения:

1. этот способ не требует таких агрегатов, как коробка передач или механизм изменения установочного угла лопастей, что позволяет упростить конструкцию ветроколеса, при этом увеличив ее надежность;
2. способ обеспечивает возможность применения генератора с возбуждением от постоянных магнитов, что позволяет повысить КПД генератора и всей ветроэнергетической установки в целом, т.к. такой генератор не требует электрической энергии на возбуждение магнитного поля;
3. использование упрощенной схемы преобразования переменного электрического тока генератора в постоянный ток заряда аккумуляторной батареи с помощью диодного выпрямительного моста позволяет упростить электрооборудование ветроэнергетической установки и уменьшить стоимость конечного изделия.

Выводы

Анализируя описанные выше способы управления мощностью ВЭУ можно сделать вывод, что наиболее простым и распространенным спосо¬бом управления является работа при свободной частоте вращения ветроколеса. В то же время ветроэнергетические установки, работающие при таком управлении, не могут обеспечить эффективное функциони¬рование в широком диапазоне скоростей ветра и требуют дополнитель¬ных механизмов для защиты конструкции ВЭУ при избытке ветровой мощности. Наиболее эффективным способом, обеспечивающим работу ВЭУ в широком диапазоне скоростей ветра, является работа при пере¬менной частоте вращения ветроколеса с использованием управляемого преобразователя переменного зарядного тока в постоянный по заданному алгоритму, когда при изменении скорости ветра изменяется частота вращения ветроколеса, обеспечивающая работу ветроколеса с наибольшей эффективностью.

Список использованной литературы

1. Безруких, П.П. Использование энергии ветра / П.П. Безруких.- М.: Колос, 2008. -С. 9-158.
2. Ваулин С. Д., Ганджа С. А., Мартьянов А. С. Электрический генератор для газотурбинной установки // Альтернативная энергетика И ЭКОЛОГИЯ. - М.: НИИЭС. — 2014. — 19(159). — С. 35—41
3. Дорошенко Н. И., Доржинкевич И. Б., Романов В. В., Харитонов В. П. Система управления возбуждением генератора ветроэнергетической установки малой мощности // Ветроэнергетика: Труды ВНИИЭ. Том 34. -М.: ВНИИЭ, 1970. С. 115-120.