Финитное управление приводами лопастей ветроэнергетической установки Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Технические науки — от теории к практике № 10 (46)), 2015 г______________________

www.sibac.info

СЕКЦИЯ 3.

ЭНЕРГЕТИКА И ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ТЕХНИКА И ТЕХНОЛОГИИ

ФИНИТНОЕ УПРАВЛЕНИЕ ПРИВОДАМИ ЛОПАСТЕЙ ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ

Капля Егор Викторович

канд. физ.-мат. наук, доцент, ведущий научный сотрудник филиала Московского энергетического института в г. Волжском,

РФ, г. Волжский E-mail: ev-kaple@yandex. ru

FINITE CONTROL BY THE BLADES DRIVES OF THE WIND POWER PLANT

Egor Kaplya

candidate of physics and mathematics, associate professor, leading researcher branch of Moscow power engineering

Institute in Volzhsky, Russia, Volzhsky

АННОТАЦИЯ

Составлена структурная схема автоматической системы финитного управления сервоприводами лопастей поворотно-лопастного ветроколеса. Предложен закон финитного управления приводами на основе двигателей постоянного тока.

ABSTRACT

The block diagram of an automatic system of finite control by servo-drivers of blades pitch angle control wind turbine is composed. Proposed law finite control actuators based on DC motors.

Ключевые слова: ветроэнергетическая установка; ветроколесо, угол установки лопасти; финитное управление; серводвигатель; сервопривод; лопасть.

57

Технические науки — от теории к практике _______________________№ 10 (46), 2015 г

Keywords: wind power plant; wind turbine; pitch angle of the blade; finite control; fixed-time control; servo motor; servo-driver; blade.

СибАК

www.sibac.info

Повышение энергоэффективности ветроэнергетических установок (ВЭУ) достигается совершенствованием аэродинамических характеристик и оптимизацией систем управления ВЭУ. Современные поворотно-лопастные ВЭУ (ПЛВЭУ) — сложные автоматизированные устройства. Система управления лопастями ВЭУ содержит блок управления и исполнительные механизмы.

Одна из основных задач системы управления ветроэлектрической установкой — стабилизация частоты электрического тока. Частота электрического тока, вырабатываемого синхронным генератором, непосредственно связана с угловой скоростью вращения ветроколеса (ВК). При изменении скорости воздушного потока управление угловой скоростью вращения ВК обычно осуществляется поворотом лопастей [3, с. 8—10] относительно их собственных продольных осей. Поворотно-лопастные механизмы (рис. 1) позволяют стабилизировать частоту вращения ВК и уменьшить аэродинамическую нагрузку ВК при ураганном ветре путём флюгирования лопастей.

Рисунок 1. Поворотно-лопастное ВК: 1 — лопасть ВК в продольном разрезе; 2 — сервопривод лопасти;

3 — ступица ВК в разрезе 120°

58

Технические науки — от теории к практике № 10 (46)), 2015 г._____________________

www.sibac.info

Существующие ПЛВЭУ имеют электромеханические или электрогидромеханические сервоприводы. Каждая лопасть, как правило, оснащается индивидуальным сервоприводом. С целью поддержания стабильной частоты тока на выходе генератора ВЭУ и стабильной частоты вращения ВК используют ПИД-регуляторы [4, с. 4].

При запуске ПЛВЭУ лопасти ВК устанавливаются под углом, при котором достигается максимальный вращающий момент на валу ВК, обеспечивается наибольшее угловое ускорение ВК и наименьшая продолжительность разгона. Для останова ВК лопасти устанав -ливаются во флюгерное положение, в котором вращающий момент минимален. Применение ПИД-регулятора при разгоне и останове ВК приводит к существенному перерегулированию и (или) к появлению ошибки регулирования. В процессе разгона или останова ВК вместо ПИД-закона управления целесообразно использовать алгоритмы финитного управления.

Структурная схема усовершенствованного автоматизированного сервопривода лопасти с двигателем постоянного тока, блоком финитного управления (БФУ) и ПИД-регулятором представлена на рис. 2.

Рисунок 2. Структурная схема автоматизированного сервопривода

лопасти

На схеме использованы следующие обозначения: J —

суммарный осевой момент инерции вращающихся элементов сервопривода и лопасти, приведённый к валу двигателя; a(t) — угол

поворота ротора двигателя; i (t) — ток в цепи якоря; km — коэффициент пропорциональности, связывающий ток в цепи якоря

59

Технические науки — от теории к практике ___________________№ 10 (46), 2015 г

и развиваемый двигателем вращающий момент; u (t) — напряжение питания двигателя; Mc (t) — момент сопротивления нагрузки; 1/ n —

передаточное число редуктора сервопривода лопасти — отношение угловой скорости поворота лопасти к угловой скорости вращения ротора двигателя; L — индуктивность цепи якоря; R — активное сопротивление цепи якоря; kw — коэффициент противоЭДС; a(t) —

угловая скорость поворота ротора двигателя; y(t) — угловая

СибАК

www.sibac.info

скорость поворота лопасти; Со — момент трогания сервопривода с нагрузкой; c1 — коэффициент динамического сопротивления

редуктора и лопасти; E(t) — противоЭДС; E(t) = kww(t) ; Мвр (t) — вращающий момент, создаваемый двигателем;

Мвр (t)= km ■ i (t); e(t) — мгновенное угловое ускорение ротора двигателя; $зад (t) — заданное значение угла установки лопасти; $шм (t) — измеренное значение угла установки лопасти; Ев (t) — ошибка управления; Ae(t) = взад (t)-визм (t) .

Передача вращающего момента от вала двигателя к лопасти осуществляется зубчатыми колёсами редуктора. Такую передачу можно считать жёсткой и использовать соотношения: e(t') = a(t)/n,

y(t) = w (t Vn.

Угловое ускорение ротора двигателя постоянного тока пропорционально напряжению питания: u (t) = ku ■ e (t) , где

ku = J ■ R — коэффициент пропорциональности между напряжением

к

питания двигателя и угловым ускорением ротора.

Редуктор сервопривода лопасти позволяет увеличить вращающий момент и точность углового позиционирования лопасти. Контроль углового положения лопастей осуществляют с помощью энкодеров. Контроллер системы управления сервоприводами лопастей и серводвигатели лопастей устанавливаются во внутренней полости ступицы ВК. В каждый момент времени лопасти подвергаются различным механическим нагрузкам. Оснащение каждой лопасти независимым сервоприводом, предполагает индивидуальный контроль углового положения каждой лопасти.

Известный закон финитного управления [1, с. 59] принимает вид:

60

Технические науки — от теории к практике № 10 (46)), 2015 г______________________

www.sibac.info

'(О = К • П •( k0 + k1 ^ - Ti ) + k2 ^ - T )2 + k3 ^ - T0 )3 +

+ ke-d(t- T) + ky-y(t- То)),

(l)

где:

К =

С =

ко = +%+Со,

AT2

3 • С0 2 • С

AT2

AT

AT

кз = Л

3 Л 'Т2

к1 =

6-Уо , 4•С

AT2

kq = —6Т

q Л Т"2

+---0 + С .

AT

к = ——.

y AT

6-(^~6>o) 2-(i^ + 2-i//0) _ 6-(^0 + у>) 12-(<9-6>0)

Ci =

2

3

T0 — момент времени начала переходного процесса;

Т — терминальное время (продолжительность поворота лопасти от в0 до в);

AT — жёсткость управления.

В начальном и конечном состоянии угловая скорость поворота лопасти равна нулю у/0=у) = 0. Финитный закон управления (1) не требует задания точного начального положения лопастей. Закон (1) использует измеренные значения визм (t) и уизм (t) .

В системе управления приводами постоянного тока ПИД-регуляторы формируют в качестве сигнала управления напряжение на обмотках двигателя:

и (t)

2 1 t d

Aq(t) + --jA0(r) dt + T- • -AG(t)

k

p

при T0 £ t £ T0 + T,

0, в остальных случаях,

(2)

где: Aq(t)=^зад (t)-^изм (t) ;

kp — коэффициент усиления пропорциональной составляющей регулятора;

T — постоянная интегрирования;

Td — постоянная дифференцирования.

Настройка ПИД-регулятора выполняется на основе

математической модели переходных процессов поворота лопасти

61

Технические науки — от теории к практике ____________________№ 10 (46), 2015 г

путём минимизации целевой функции. В качестве целевой функции можно принять [2, с. 16]:

СибАК

www.sibac.info

H {kp, t , rd) =

0-0fro+T)

('f/-ii/(T0+T))2

2

+

Функция (3) соответствует настройке регулятора по конечной

фазовой точке

(ё,ф)

Применение ПИД-закона управления углом

установки лопасти при разгоне или останове ВК приводит к существенному перерегулированию угловой скорости поворота лопасти или угла установки лопасти.

Заключение

Финитное управление сервоприводами лопастей ВЭУ целесообразно при установке лопастей в разгонное или флюгерное положение.

Финитный закон управления может применяться в комбинации с ПИД-законом управления углом установки лопасти. Финитное управление может использоваться при разгоне или останове ВК, а ПИД-закон в разогнанном состоянии при достаточной скорости ветра.

Список литературы:

1. Батенко А.П. Управление конечным состоянием движущихся объектов. — М.: Советское радио, 1977. — 256 с.

2. Капля Е.В. Система финитного управления приводами лопастей ветроэнергетической установки. // Автоматизация и современные технологии. — 2013. — № 5. — С. 13—18.

3. Johnson K.E. Adaptive torque control of variable speed wind turbines. // National Renewable Energy Laboratory / TP-500-36265 — August 2004. — 107 p.

4. Wright A.D., Fingersh L.J. Advanced control design for wind turbines. // National Renewable Energy Laboratory / TP-500-42437 — March 2008. — 148 p.

62