CC BY
80УДК 621.311.1:621.316.1
АВТОМАТИЗАЦИЯ РАСЧЕТА НЕКОТОРЫХ ПАРАМЕТРОВ СИСТЕМЫ РЕГУЛИРОВАНИЯ МОЩНОСТИ БОЛЬШИХ ВЕТРОЭЛЕКТРОУСТАНОВОК
Сопов И. В., Муровская А. С.,
Академия строительства и архитектуры, ФГАОУ ВО «КФУ им. В. И. Вернадского» Адрес: г. Симферополь, ул. Киевская, 181, i.v.s0102@mail.ru , murovskay@mail.ru
Аннотация. В работе рассматриваются возможности автоматизации расчета некоторых параметров ветротурбины мощных ветроэлектроустановок входящих в состав ветроэлектрических станций, подключенных в общую энергосистему.
Ключевые слова: ветровая электростанция, общая электросеть, ветроэлектроустановка, ветротурбина, параметры ветротурбины, лопасть, угол установки лопасти.
ВВЕДЕНИЕ
Ветроэлектростанции (ВЭС), наряду с солнечными (СЭС), сооружаются в более чем в 100 станах мира, а их мощность ежегодно возрастает значительными темпами. Мощность ВЭС с 2007 по 2016 гг. увеличилась в пять раз - до 466 ГВт. [1, 2].
В составе ВЭС используются ветроэлектроустановки (ВЭУ), представляющие собой комплекс взаимосвязанного оборудования и сооружений, предназначенный для преобразования энергии ветра в электрическую энергию с помощью электрогенераторов (ЭГ) для подключения к потребителю со стандартными параметрами электроэнергии [3].
Большинство ВЭУ представляют собой горизонтально-осевые ветровые установки, содержащие ветротурбину (ВТ) с лопастями аэродинамического профиля, создающими вращающий момент [3].
ВЭУ содержат две системы регулирования ВТ - систему ориентации по направлению ветра и систему регулирования мощности. Система регулирования мощности ВТ - комплекс устройств, обеспечивающий регулирование в требуемых пределах мощности, частоты вращения и момента ВТ при изменении скорости ветра в рабочем диапазоне [3].
Для регулирования мощности ВТ используются два способа регулирования: «р^Л -регулирование» и «stall - регулирование». Для «рйЛ
- регулирования» применяются механизмы поворота лопастей ВТ. Основной частью этого устройства является система изменения угла положения лопастей ВТ. При «stall -регулировании» используется неподвижно закрепленная лопасть, аэродинамические свойства которой обеспечивают стабилизацию мощности при скоростях ветра выше номинальных [4, 5].
Система «рйЛ - регулирования» находит наибольшее применение в мощных ВЭУ. В данной работе рассматриваются возможности
автоматизации расчета некоторых параметров ВТ ВЭУ в системе «рйЛ - регулирование».
ХАРАКТЕРИСТИКА ПАРАМЕТРОВ МОЩНЫХ ВЕТРОУСТАНОВОК
ВТ мощных ВЭУ содержит обычно три лопасти и характеризуется рядом важнейших параметров, определяющих мощностные и регулировочные характеристики ВЭУ [4-6].
К ним относятся: диаметр окружности, описываемый наиболее удаленными от оси вращения ВТ лопастями длиной L и ометаемой площадью А с диаметром D, равным 2 L.
Важнейшими характеристиками ВТ являются аэродинамические характеристики - безразмерные зависимости момента вращения вала турбины Мвт, развиваемой мощности ВТ РВТ, коэффициента использования энергии ветра (коэффициента мощности) Ср, быстроходности Z и других от
частоты вращения вала ВТ Овт и от скорости ветра V.
Быстроходность ВТ Ъ определяется отношением окружной скорости конца лопасти VQ к скорости ветра V [3-6].
Z =-
vn т
ВТ
V
V
(1)
Коэффициент использования энергии ветра Ср равен отношению мощности ВТ Рвт к мощности набегающего ветрового потока Р0 [3 - 6].
Ср =
Р
ВТ
Рп
(2)
Значение коэффициента СР зависит от скорости ветра V, скорости вращения Qвт, угла положения лопастей в и других параметров ВТ.
Для одной (каждой) лопасти рассматриваются углы положения лопастей (рис. 1) [4-6].
Рис. 1. Диаграмма сил и скоростей на профиле ветроколеса Fig. 1. Diagram of forces and velocities on the wind wheel profile
ф - угол установки лопасти ВТ - угол между хордой профиля лопасти ВТ и плоскостью вращения ВТ; угол ф зависит от профиля лопасти по длине L; обычно в средней части длины составляет 0.. .4°;
в - угол притекания - угол между относительной скоростью воздушного потока W и плоскостью вращения ВТ;
а - угол атаки - угол между относительной скоростью воздушного потока W и хордой профиля лопасти.
Угол в = а + ф, если ф = 0, то в = а (рис. 1).
Величины Ъ, СР, в связаны между собой существенно нелинейной зависимостью, для которой отсутствует единое аналитическое выражение, что затрудняет создание и функционирование системы регулирования мощности ВТ.
При разработке систем регулирования ВЭУ скорость ветра V представляет собой независимую переменную, а параметры Ъ, Ср, в, а также ряд других, являются регулируемыми параметрами.
Для характеристики изменения скорости ветра V используются стандартно принятые значения [36].
Основные тенденции в развитии определяется соотношениями (3) и (4) [3-6]:
1 о
РЭЛ =2cpPav ЛВТЛРЛЭГ
А = пЬ2 = хЭ2/4 где: РЭЛ - электрическая мощность ВЭУ; Ср - аэродинамический коэффициент; р - плотность воздуха;
ВЭУ
(3)
А - площадь круга, ометаемого лопастями ВТ при вращении;
V - скорость ветра;
Пвт - КПД ВТ; пр - КПД редуктора; Пэг -КПД ЭГ;
L - длина лопасти ВТ;
D - диаметр ротора ВТ.
Из приведенных формул (3, 4) следует, что для увеличения РЭЛ имеется несколько возможностей:
1. Увеличения площади А. Реализация этой возможности привела к росту длины лопасти L за 30 лет от 3 м до 120 м [5].
2. Увеличение рабочей скорости ветра V, как в результате правильного выбора района сооружения ВЭС, так и за счет увеличения высоты Н башни ВЭУ, поскольку величина V растет с высотой башни согласно (5):
Vh = Vo
H
\k
Hn
(5)
где: Ун - скорость ветра на высоте Н оси
ротора ВТ;
Уо - среднесуточная скорость ветра на высоте Но метеостанции;
k - коэффициент Хеллмана, зависящий от характеристики поверхности ВЭС.
Высота башни современных ВЭУ лежит в пределах 20 - 150 м [5, 6]. Значительно расширен диапазон рабочих скоростей ветра. Начальная скорость ВЭУ снизилась от 5 м/с до 2,5 - 3 м/с. Максимальная скорость возросла от 15 м/с до 25 м/с [5, 6].
Все ВЭУ имеют однотипную характеристику регулирования выходной электрической мощности Рвэу от скорости ветра V - рис. 2 [3-6].
Рис. 2. Однотипная характеристика регулирования мощности ВЭУ при изменении скорости ветра в относительных единицах Рвэу / Рвэу ном = f(V). VнАч - начальная скорость ветра, при которой включается ЭГ ВЭУ; Vнoм - расчетная скорость ветра, при которой ЭГ ВЭУ вырабатывает номинальную мощность Рвэу ном; VмАкc - максимально допустимая скорость ветра, при которой производится выработка электроэнергии
Fig. 2. The same type characteristic of power control of wind turbines when the wind speed in relative units of wind Рвэу / Рвэу ном = f(V). Vhä4 - starting wind speed at which wind turbines are included EG; Vhom - estimated wind speed at which the EG wind turbine produces rated power, Rvau mr.; VмАкc - maximum allowable wind speed at which power generation is made
Характеристика регулирования ВЭУ (рис. 2) состоит из двух различных участков. Первый участок переменной мощности ВЭУ от начальной Унач до номинальной Уном скоростей ветра, при постоянном угле р. При относительно небольшой величине ^<Уном величина Ср на этом участке мало меняется, момент на валу ВТ растет практически пропорционально росту мощности, а частота вращения ВТ О ВТ возрастает монотонно, значительно медленнее, чем растет момент ВТ. Участок представляет естественную характеристику ВТ без регулирования угла положения лопастей р.
Второй участок - участок регулирования мощности ВЭУ в диапазоне скоростей ветра от номинальной Уном до максимальной рабочей VмАкc - за счет системы регулирования мощности ВЭУ при использовании, как аэродинамических
характеристик ВТ, так и характеристик ЭГ.
Изменение аэродинамических характеристик ВТ в случае системы «рйЛ-регулирования» производится за счет автоматического регулирования угла Р с ростом скорости ветра и соответствующей величины Р0 (V) выше Уном (рис.
2) и сводится к изменению величины СР согласно (2) за счет изменения угла в [4-9].
Объектом регулирования мощности ВТ при «ркЛ - регулировании» являются лопасти ВТ с постоянного времени объекта до 10 секунд. Регулируемым параметром служит угол положения в и соответственно угол атаки а, составляющий части угла в. В связи с нелинейным характером зависимости СР от в, в системе применяется пропорционально - интегральный регулятор с небольшими коэффициентами усиления и значительными постоянными интегрирования, иногда переменными в процессе регулирования [79]. Исполнительным элементом служит весьма сложный механизм («РйЛ - регулятор» с электро-или гидроприводом). Поворот всех трех лопастей производится синхронно.
Измеряемым параметром является скорость ветра. Датчиком регулируемого параметром служит функциональный преобразователь (ФП), формирующий заданное значения угла взАд при измеренной скорости ветра. В ФП вычисляется величина Си при измеренной скорости ветра VI и соответствующее этой величине заданное значения угла взАд [7-9].
Таблица 1. Значения среднегодовых скоростей ветра и соответствующие значения скорости ветра от 14 до
25 м/с
Table 1. Average annual wind speeds and corresponding wind speeds from 14 to 25 m / s
Скорость ветра, V, м/с Среднегодовая скорость ветра, м/с
5 6 7 8 9 10 11
Количество часов и % в году для среднегодовых значений скоростей ветра из общего числа часов 8760 в диапазоне от 1 до 25 м/с
14 25/0,28% 98/1,12% 205/2,34% 311/3,55% 392/4,47% 444/5,07% 470/5,36%
15 11/0,12% 57/0,65% 141/1,60% 237/2,70% 321/3,66% 386/4,40% 421/4,80%
16 5/0,006% 32/0,35% 93/1,06% 175/2,0% 257/2,93% 324/3,70% 371/4,23%
17-25 3/0,03% 33/0,37% 146/1,67% 375/4,28% 712/8,12% 1005/11,47% 1512/17,26%
В системе «рйЛ - регулирования» максимальные значения угла в ограничены величиной примерно 200, что соответствует снижению величины СР до 0,13. При таком ограничении для значений VмАкС = 25 м/с, величина УнОМ составляет, с учетом нелинейных зависимостей Ъ, Ср, в, от 14 до 16 м/с [5-6, 9].
Повторение скоростей ветра в диапазоне 14 -16 м/с при среднегодовых скоростях ветра, характерных для большинства территорий, составляют небольшую долю от общего числа часов реализации скоростей ветра - табл. 1 [5-6, 9].
Выбор больших значений ^ом (табл. 1) приводит к неэффективному использованию установленной мощности ЭГ практически в большинстве часов повторения скоростей ветра. Вместе с малой величиной коэффициента использования установленной мощности (КИУМ) ВЭУ в целом из-за случайного характера параметров ветра, такой выбор снижает показатели регулирования мощности за счет характеристик ВТ.
роме того, имеющийся опыт эксплуатации ВЭС,показывает низкую надежность механизмов в системе «ркЛ - регулирования», на которую приходится до 70 % отказов оборудования ВЭУ [10].
Поэтому в современных мощных ВЭУ наряду с системой «рйЛ - регулирование» расширяется диапазон регулирования ЭГ.
РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ ДЛЯ СИСТЕМЫ «PITCH - РЕГУЛИРОВАНИЕ» ВЕТРОЭЛЕКТРОУСТАНОВКИ
Совершенствование системы «рйЛ -регулирование» мощности ВЭУ связано с уточнением характеристик ФП.
Идеальное значение коэффициента использования энергии ветра Срвд. определяется выражением [4]:
СРид =
4e(1 - e) 1 + e
(6)
где: е - коэффициент торможения, е = У1/У -отношение потери скорости v1 на ВТ к скорости ветра V; обычно рассматривается в пределах (0,28.0,42) в зависимости от профиля лопасти ВТ [4].
С учетом (6) величину Ср можно представить в
виде:
Ср1 = СРид
(1 - ^Zj)Z (Zi + ц)(1 - e)
(7)
где: д - коэффициент обратного аэродинамического качества ВТ, равный отношению коэффициента силы лобового сопротивления Сх к коэффициенту подъемной силы лопасти Су (рис. 1) [4].
Ъ - быстроходность ВТ по (1).
Согласно обозначениям на рис. 1:
¿х = Сх ^ Л,, ¿1 = с7 л
Х 2 г, 1 2 1
где: А1 - площадь круга, ометаемого лопастями при Ь = г1.
А =
С
X
Су
(8)
Величина д обычно составляет (0,018.0,26) в зависимости от типа профиля лопасти [4];
При рассмотрении зависимости в по длине лопасти учитывается диаметр втулки ВТ - гВТ, в этом
случае анализируемая длина лопасти R определяется выражением (9):
R = (L - гвт)
(9)
С учетом (9) быстроходность будем представлять в виде (10):
Z =
Vn _ R^bt V
V
(10)
Приняв число i относительных модулей по длине лопасти, величину Ъ1, определим, как отношение величины г1 рассматриваемого сечения модуля лопасти к величине R (11):
Z, = Z-
R
(11)
Для анализа зависимости угла в от скорости ветра V рассмотрим рисунок 1 и введем дополнительно обозначения:
VI = (V- VI) - скорость потока воздуха на ВТ;
и1 - скорость потока, получаемая как реакция от крутящего момента развиваемого лопастями ВТ;
W - относительная скорость воздушного потока, определяемая согласно рис. 1 из треугольника аЬ0 (12):
W = >/Vj2 + (-QBTR -U1)2
(12)
При большом числе i относительных модулей можно считать по выражению (13):
Z
(1 - e)
= Z,
(13)
Выразить величину Ъ1 согласно рис. 1 и учитывая, что величины и1 и v1 малы по сравнению с (^Втг ) и V (14):
Z = U1+Пвтп ^^тп = ст
V - v1
(14)
Приведенные соотношения (7-14) позволяют найти значения угла в в зависимости от скорости ветра V и от точки рассмотрения сечения лопасти (номера k модуля i), используя порядок расчета с применением стандартного математического аппарата «Microsoft Excel»:
1. Предварительный расчет по приведенным соотношениям выполнен для ВЭУ типа Т-600-48 с параметрами [5]: Срвд = 0,59; е = V1/V = 0,3; д = 0,02; L = 24 м; гвт = 4,8 м; ф = 2°.
2. Диапазон рассчитываемых значений скоростей ветра V] (от Уном до Умакс) и количество модулей по длине лопасти ^
3. Вычисляем значения угла Р] (У) при изменении скорости ветра у для всей длины лопасти, при r=R. На рис. 3 представлена графическая зависимость полученных результатов в]
= f (У).
Рис. 3. Графическая зависимость полученных результатов Pj = f (Vj) при r=R для всей длины лопасти Fig. 3. Graphic dependence of the obtained results Pj = f (Vj) at r=R for the entire length of the blade
Рис. 4. Графическая зависимость полученных результатов Pj = f (ri) при Vj = 10 м/с Fig. 4. Graphical dependence of the obtained results Pj = f (ri) at Vj = 10 m / s
4. Вычисляем значения угла ßi (ri) при данной скорости ветра у =10 м/с для принятого числа k модулей i.
На рис. 4 представлена графическая зависимость полученных результатов ßi = f (ri) при заданной скорости ветра Vj = 10 м/с.
Произведенный предварительный результат расчета массивов значений углов ßj (Vj), ßi (ri) от Vj и Zi с применением стандартного математического аппарата «Microsoft Excel» дает возможность уточнить параметры работы функционального преобразователя для более эффективной работы ветротурбины.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Электронный ресурс: http ://www. ruscable.ru/article/Perspektivy_razvitiya_m irovoj_elektroenergetiki_1/ Перспективы развития мировой электроэнергетики до 2035 года.
2. Электронный ресурс. // http://www.ewa.org/051215 Grid report.pdf./ Мировой опыт интеграции ветропарков значительной мощности в энергосистему.
3. ГОСТ Р 51237-98. Нетрадиционная энергетика - ветроэнергетика. Утвержден и введен в действие постановлением Госстандарта России от 25 декабря 1998 г. N 460 ст. — М.: Изд. стандартов, 1999. - 14 с.
4. Фатеев Е.М. Ветродвигатели и ветроустановки.— М.: Изд.сельскохозяйственной литературы, 1957.— 570 с.
5. Безруких П.П. Ветроэнергетика (справочное и методическое пособие). — М.: «Энергия», 2010. — 320 с.
6. Неисчерпаемая энергия. Кн.1.Ветроэлектрогенераторы / В.С. Кривцов, А.М. Олейников, А.И. Яковлев. — Учебник. — Харьков: Нац. аэрокосм. ун-т «Харьк. авиац. ин-т, Севастополь: Севаст. нац.техн.ун-т, 2003.— 400 с.
7. Ескендир Ж.Б. Управление поворотом лопастей ветрогенератора переменной скорости с целью ограничения мощности и уменьшения динамических нагрузок // Современные научные исследования и инновации. 2013.- № 3 [Электронный ресурс]. URL: http://web.snauka.ru/issues/2013/03/23161.
8. Дудников В.С. Поворот лопастей как элемент системы стабилизации частоты вращения ветроколес с горизонтальной осью вращения. / В.С.
Дудников // Материалы четвертой международной конференции "Наука и образование 2001". Том 13, Технические науки. - Днепропетровск: Наука и образование, 2001. - С. 26-27.
9. Анализ систем регулирования мощных ветроэлектроустановок подключаемых в общую энергосистему / Э.А. Бекиров, Л.Д. Сокут, А.С. Муровская // Строительство и техногенная безопасность. - 2018. - №62. - С. 167-179.
10. Бекиров Э.А., Даниленко А.И. Оценка показателей надежности эксплуатации ветроэлектрического оборудования промышленной ветровой электростанции // Материалы Третьего международного форума «Возобновляемая энергетика: пути повышения энергетической и экономической эффективности»/ - 17-19 ноября, Крым, г. Ялта, 2015. - С. 69-80.
REFERENCES
1. Electronic resource: http://www.ruscable.ru/article/Perspektivy_razvitiya_m irovoj_elektroenergetiki_1/ Prospects for the development of the world electric power industry until 2035.
2. Electronic resource. // http://www.ewa.org/051215 Grid report.pdf./ World experience of integration of wind parks of considerable power into the power system.
3. GOST R 51237-98. Non-traditional energy -wind power. Approved and put into effect by the decision of the State Standard of Russia of December 25, 1998 N 460 st. - Moscow: Izd. standards, 1999. - 14 pp.
4. Fateev E.M. Wind turbines and wind turbines .Moscow: Agricultural Literature Publishing House, 1957.- 570 p.
5. Bezrukih P.P. Wind energy (reference and methodical manual). - Moscow: Energia, 2010. - 320 p.
6. Inexhaustible energy. Кн.1. Wind power generators / В.С. Krivtsov, A.M. Oleinikov, A.I. Yakovlev. - Textbook. - Kharkov: The national. aerospace. University of Kharkov. aviats. in-t, Sevastopol: Sevast. National Technical University, 2003.- 400 p.
7. Eskendir Zh.B. Controlling the rotation of the blades of a variable-speed wind turbine in order to limit power and reduce dynamic loads // Modern scientific research and innovations. 2013.- № 3 [Electronic resource]. URL: http://web.snauka.ru/issues/2013/03/23161.
8. Dudnikov V.S. Rotation of the blades as an element of the system for stabilizing the rotational speed of windscreens with a horizontal axis of rotation. V.S. Dudnikov // Materials of the fourth international conference "Science and Education 2001". Volume 13, Engineering. - Dnepropetrovsk: Science and Education, 2001. - P. 26-27.
9. Analysis of control systems for powerful wind power plants connected to the common energy system / E.A. Bekirov, L.D. Sokut, A.S. Murovskaya // Building and technogenic security. - 2018. - №62. - P. 167-179.
10. Bekirov EA, Danilenko AI Evaluation of reliability indicators for the operation of wind power equipment of an industrial wind power plant // Proceedings of the Third International Forum "Renewable Energy: Ways to Increase Energy and Economic Efficiency" / - November 17-19, Crimea, Yalta, 2015. - P. 69-80.
AUTOMATION OF CALCULATION OF SOME PARAMETERS OF THE SYSTEM OF POWER
CONTROL LARGE METROELEKTROTRANS
Sopov I.V. Murovskaya A.S.
Summary. The paper discusses the possibility of automating the calculation of some parameters of the wind turbine of powerful wind power plants included in the wind power plants connected to the General power system.
Key words: wind power plant, General power grid, wind power plant, wind turbine, wind turbine parameters, blade, blade installation angle.
