CC BY
99
В.В. Миронов, Д.В. Миронов, Ю.А. Иванюшин. Опубл. 20.04.2015. Бюл. № 11.
8. Морозюк Т.В. Теория холодильных машин и тепловых насосов. Одесса: Студия «Негоциант», 2006. 712 с.
9. Овсепян В.М. Гидравлический таран и таранные установки. М.: Машиностроение, 1968. 124 с.
10. О повышении эффективности теплоизоляции трубопроводов и оборудования отечественных систем теплоснабжения / В.А. Рыженков, А.Г. Парыгин,
А.Ф. Прищепов, Н.А. Логинова // Энергосбережение и водоподготовка. 2009. № 6. С. 48-49.
11. Штеренлихт Д.В. Гидравлика: учебник для вузов. М.: Энергоатомиздат, 1984. 640 с.
12. Adiabatic compression on Air and Argon Gases / R.L. Griffith, M.R. Levi, A. Okunyan, A. Okunyan, S. Park, O. Joya [Электронный ресурс] // The U.C. Berkeley. Infrared Spatial Interferometer Array, 2009. URL: http://isi.ssl.berkeley.edu/~rogerg/educa-tion/adiabatic%20final.pdf (28.09.2015).
References
1. Altukhov S.M., Rumiantsev V.A. Membrannye kom-pressory [Diaphragm compressors]. Moscow, Mashi-nostroenie Publ., 1967, 128 p.
2. Andrienko P.D., Metel'skii V.P., Nemudryi I.Iu. Ispol'zovanie vysokochastotnykh ge-neratorov dlia pov-ysheniia moshchnosti VEU s aerodinamicheskoi mul'tip-likatsiei [High frequency generators usage to increase wps with aerodynamic multiplication power]. Elektro-tekhnicheskie i komp'iuternye sistemy - Electrotechnic and computer systems, 2013, no. 10 (86), pp. 45-49.
3. Bobylev S.N. Indikatory ustoichivogo razvitiia dlia Rossii [Indicators of sustainable development for Russia]. Vestnik MGGU im. M.A. Sholokhova. Sotsia'no-ekologicheskie tekhnologii - Bulletin of Sholokhov Moscow State University for Humanities. Social and environmental technologies, 2012, issue 1, vol. 1, pp. 7-18.
4. Bodnia M.S. Al'ternativnaia energetika kak kompo-nent sistemy energeticheskoi bezopasnosti [Alternative power industry as an energy security component]. Kaspiiskii region: politika, ekonomika, kul'tura - Caspian region: policy, economy and culture, 2008, no. 3 (16), pp. 10-15.
5. D'iachenko Iu.V. Issledovanie termodinamicheskikh tsiklov vozdushno-kholodil'nykh mashin [The study of thermodynamic cycles of air-cycle refrigeration machines]. Novosibirsk, NGTU Publ., 2006, 404 p.
6. Komolova M.N. Rol' vozobnovliaemykh istochnikov energii v rossiiskoi i evropeiskoi sistemakh energos-nabzheniia [The role of renewable energy sources in Russian and European energy supply systems]. Ener-
gosberezhenie - Energy-saving, 2007, no. 7, pp. 68-74.
7. Mironov V.V., Mironov D.V., Ivaniushin lu.A. Sposob stroitel'stva malykh gidroelektrostantsii [The method of small hydropower plant construction]. Patent RF, no. 2548530, 2015.
8. Moroziuk T.V. Teoriia kholodil'nykh mashin i teplovykh nasosov [Theory of refrigerating machines and heat pumps]. Odessa: Studija "Negotsiant" Publ., 2006, 712 p.
9. Ovsepian V.M. Gidravlicheskii taran i tarannye ustanovki [The hydraulic ram and ram installation]. Moscow, Mashinostroenie Publ., 1968, 124 p.
10. Ryzhenkov V.A., Parygin A.G., Prishchepov A.F., Loginova N.A. O povyshenii effektivnosti teploizoliatsii truboprovodov i oborudovaniia oteche-stvennykh sistem teplosnabzheniia [On enhancement of the effectiveness of thermal insulation of pipelines and equipment of domestic heat supply systems]. Jenergosberezhenie i vodopodgotovka - Energy-saving and water treatment, 2009, no. 6, pp. 48-49.
11. Shterenlikht D.V. Gidravlika [Hydraulics]. Moscow, Jenergoatomizdat Publ., 1984, 640 p.
12. Griffith R.L., Levi M.R., Okunyan A., Okunyan A., Park S., Joya O. Adiabatic compression on Air and Argon Gases. The U.C. Berkeley. Infrared Spatial Interferometer Array, 2009. Available at: http://isi.ssl.berkeley.edu/~rogerg/education/adiabatic% 20final.pdf (accessed 28 September 2015).
УДК 001+376:004
МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ВЕТРОТУРБИНЫ ДЛЯ ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ С АСИНХРОННЫМ ГЕНЕРАТОРОМ МЕТОДОМ ЧАСТИЧНЫХ СКОРОСТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК
© В.А. Пионкевич
Иркутский национальный исследовательский технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
Рассмотрено математическое моделирование ветротурбины для ветроэнергетической установки (ВЭУ) с асинхронным генератором методом частичных скоростных характеристик. В качестве инструмента исследования использовался пакет MATLAB с приложениями Si-mulink, SimPowerSystems. Рассмотрены математические аспекты
1Пионкевич Владимир Андреевич, кандидат технических наук, доцент кафедры электроснабжения и электротехники, e-mail: [email protected]
Pionkevich Vladimir, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Power Supply and Electrical Engineering, e-mail: [email protected]
моделирования ветротурбины в составе ВЭУ с асинхронным генератором. Итоговые результаты представлены в виде осциллограмм механического момента на валу ветротурбины и напряжения асинхронного генератора. Ключевые слова: первичный приводной двигатель; ветротурбина; ветроэнергетическая установка; асинхронный генератор; частичные скоростные характеристики; MATLAB; Simulink; SimPowerSystems.
MATHEMATICAL MODELING OF WIND TURBINES FOR WIND POWER PLANTS WITH INDUCTION GENERATORS BY THE METHOD OF PARTIAL SPEED CHARACTERISTICS V.A. Pionkevich
Irkutsk National Research Technical University, 83, Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russia.
The mathematical modeling of a wind turbine for a wind power plant with an induction generator by the method of partial speed characteristics is considered. The MATLAB package with Simulink, SimPowerSystems has been used as a research tool. The mathematical modeling aspects of wind turbines as a part of the wind power plant with an induction generator are described. The summary results are presented as waveforms of a mechanical torque on the shaft of the wind turbine and voltage of the induction generator.
Keywords: primary drive motor; wind turbine; wind power plant; induction generator; partial speed characteristics; MATLAB; Simulink; SimPowerSystems.
Асинхронные генераторы (АГ) с фазным ротором широко применяются в ветроэнергетических установках (ВЭУ). Асинхронные генераторы с короткозамкнутым ротором в ВЭУ применяются очень редко и требуют наличия управляемого источника реактивной мощности (ИРМ). Кроме того, данные генераторы широко применяются в малых - и микро ГЭС, установках на основе двигателей внутреннего сгорания (ДВС) с бензиновыми и дизельными двигателями. В установках нетрадиционной энергетики повсеместно применяются синхронные генераторы (СГ), при той же мощности они обладают большей массой, габаритами, более сложной, чем асинхронные генераторы технической реализацией отдельных узлов и блоков. Применение асинхронного генератора с короткозамкнутым ротором обосновано лучшим показателем устойчивости параллельной работы между собой в изолированных системах электроснабжения или централизованных электроэнергетических системах, бесконтактным исполнением, меньшим составом высших гармонических составляющих в кривой напряжения [1].
При работе АГ с приводными ДВС возникают проблемы, связанные с неравномерностью подачи топлива в цилиндры двигателя. Из-за этого возникают проблемы, вызванные обменными колебаниями активной мощности при параллельной работе генераторов. Обменные колебания активной мощности вызывают вибрации элементов ДВС, что снижает уровень надежности, долговечности и ресурса. Данные вопросы для СГ с первичным ДВС рассмотрены в работе [2], для АГ с ДВС - в работе [3].
В отечественных и зарубежных источниках информации слабо освещены вопросы моделирования первичных приводных двигателей для различных источников распределенной генерации и нетрадиционной энергетики. В данной статье предложен метод моделирования первичного двигателя - ветротурбины, для ветроэнергетической установки на основе метода частичных скоростных характеристик. Энергия воздушных масс преобразуется в кинетическую энергию вращения вала ветротурбины, которая вращает электрический генератор. При расчете ВЭУ широко использовался анализ распределения повторяемостей скоростей ветра для требуемого региона. Так как ветер имеет переменный характер, то использование метода частичных скоростных характеристик позволяет учесть возмущения, вызванные неравномерностью воздушного потока, подаваемого на ветроколесо ВЭУ. В качестве инструмента реализации метода частичных скоростных характеристик был использован пакет MATLAB с библиотеками Simulink, SimPowerSystems.
Известно, что вращающий момент приводного двигателя Мдв зависит от скорости вращения вала ш, положения лопасти турбины £ и времени t [4-6]:
Мде = f t).
Для разработки систем автоматического регулирования зависимость механического момента от времени не учитывается. Механический момент для точки равновесного режима представлен первыми членами ряда Тейлора:
Мв =М„ + (1)
да дд
При коммутациях нагрузки возникают колебания угловой скорости вала генератора, а также переходные процессы, поэтому выражение (1) нельзя использовать для моделирования АГ с ветротурбиной в составе ВЭУ.
Для моделирования механического момента первичного двигателя используются частичные скоростные характеристики, которые получены экспериментально или построены по номографическим данным по методике, приведенной в публикациях [7, 8].
В ВЭУ с асинхронными генераторами переменного тока, работающими с постоянной частотой вращения, приняты пределы отклонения частоты вращения вала приводного двигателя не более ±20% от номинальной величины. Для таких отклонений частоты вращения частичные скоростные характеристики могут быть аппроксимированы прямыми, представленными следующим выражением:
Мдв = / щ,д)=щ (д) х к (д).
При этом значения угловой скорости а(д) получены пересечением /-аппроксимированной частичной характеристики с осью абсцисс. Коэффициент К(д) представляет собой зависимость угла наклона данных прямых от параметра £
Графическими зависимостями щ (д), К(д) можно пользоваться при моделировании механического момента первичного приводного двигателя [7]. При проведении исследований зависимость К(д) можно разложить на элементарные функции, например, в степенной ряд. Приемлемый результат можно получить при выражении момента приводного двигателя следующим уравнением [9]:
Мдв = яд)=(кд-щ Гк^ + д*-д)+о,п(дтях -д)41. (2)
тах
Как правило, в различных источниках распределенной генерации, в том числе и в ВЭУ, приводной двигатель и асинхронный генератор связаны жесткой связью. Их вращающиеся части можно представить общей массой, выраженной через момент инерции I. В таком случае движение данной массы можно представить уравнением движения:
I тЩ = Мд -Мг . (3)
т
Разложив уравнение момента приводного двигателя (1) с учетом скорости изменения момента, уравнение (3) представим в следующем виде:
Тдв тДЩ + Да = кдвдд . (4)
т
Параметры Тдв и Кдв в уравнении (4) зависят от режима работы приводного двигате-
ля:
Т,
дв
I
дМ / да К
I
^ да SM / ^ (К£-а)[4 х 0,117^-£)3 +1] КД„ = — =-—^ = -К +-[ J
SM /да
К
Z=Z(t)
Уравнение момента ветротурбины (2) отражает основные свойства приводного двигателя при изменениях механической нагрузки на валу в широких пределах, то есть удовлетворяет условиям работы первичного приводного двигателя - ветротурбины, в ВЭУ с АГ.
Для проведения исследований параллельной работы нескольких ВЭУ можно использовать линейную аппроксимацию уравнения (2) момента ветротурбины. Параметры номинального режима работы АГ выражаются через коэффициенты К£=£ = 9,1
Кд = 1,37.
= 0,81. Тогда уравнение (2) предстанет в виде
М = КК2ю = 12,46£-9,1о.
В комплексе МДИДБ возможна аппроксимация любых характеристик прямыми на требуемых временных интервалах. Поэтому уравнения частичных характеристик приводного двигателя можно аппроксимировать в звене механического момента первичного приводного двигателя при моделировании в МДИДБ.
В качестве асинхронного генератора взята асинхронная машина марки АИР180М4 мощностью 30 кВт с регулятором напряжения на основе трехфазного тиристорного моста в режиме инвертора [10]. Модель приведена на рис. 1.
Рис. 1. MATLAB-модель ВЭУ с АГ с первичным двигателем - ветротурбиной
Обратная связь по частоте вращения вала ротора АГ используется для моделирования ветротурбины. Звено ветротурбины содержит регулятор скорости, который демпфирует колебания механического момента, возникающие при переходных процессах. Механический момент первичного приводного двигателя моделируется подсистемой Moment (рис. 2). Скорость ветра определяет частоту вращения вала ветротурбины, что в свою очередь сказывается на механическом моменте на валу генератора. Моделирование частичных скоростных характеристик первичного двигателя выполнялось с помощью блока Look-Up Table (2-D) [11-13]. Построение этих характеристик выполнялось на основе данных, представленных в работе [7].
Рис. 2. Подсистема Moment звена механического момента ветротурбины [11-13] Осциллограммы напряжения, механического момента на валу генератора с возмущениями, без возмущений, обусловленных наличием первичного двигателя, приведены на рис. 3.
Рис. 3. Механический момент ветротурбины и линейные напряжения генератора
в автономном режиме работы
Переходные процессы при коммутациях нагрузки ВЭУ с АГ с первичным двигателем ветротурбиной длятся порядка пяти периодов переменного напряжения. Разработанная мaтематическая модель с учетом возмущений, вызванных ветротурбиной, моделируемой с помощью частичных скоростных характеристик, позволяет изучать поведение ВЭУ с АГ в автономном и параллельном режимах работы.
Статья поступила 20.01.2016 Г.
Библиографический список
1. Вишневский Л.В., Пасс А.Е. Системы управления эсинхронными генераторными комплексами: монография. Киев: Лыбидь, 1990. 168 с.
2. Толшин В.И. Устойчивость параллельной работы дизель-генераторов. Л.: Машиностроение, 1970. 200 с.
3. Новожилов М.А., Пионкевич В.А. Моделирование дизельного первичного двигателя асинхронного генератора // Вестник ИрГТУ. 2010. № 7 (47). С. 200-204.
4. Кривченко Р.И. Автоматическое регулирование гидротурбин. Л.: Энергия, 1964. 286 с.
5. Криницкий И.П. Регулирование двигателей внутреннего сгорания. М.: Машгиз, 1960.380 с.
6. Крутов В.И. Автоматическое регулирование двигателей внутреннего сгорания. М.: Машиностроение, 1968. 560 с.
7. Косев К.П. Номографическое вычисление скоростных внешних и частичных характеристик карбюраторных двигателей // Автомобильная промышленность. 1965. № 1. С. 5-13.
8. Лахно Р.П. Единые относительные скоростные внешние и частичные характеристики четырехтактных карбюраторных двигателей // Автомобильная промышленность. 1963. № 1. С. 3-10.
9. Жбанов О.Ф., Новожилов М.А., Петровский А.Ф. Один способ математического моделирования вращающего момента двигателя внутреннего сгорания // Теория активных виброзащитных систем. Вып. 2. Ч. 2. Иркутск: Изд -во ИПИ, 1975. С. 49-53.
10. Новожилов М.А., Пионкевич В.А. Математическая модель асинхронного генератора для задач регулирования напряжения // Энергоэффективность и энергобезопасность производственных процессов: труды Междунар. науч.-техн. конф. студентов, магистрантов, аспирантов. Тольятти: Изд-во Тольяттинского государственного университета, 2009.
11. Gagnon R., Saulnier B., Sybille G., Giroux P. Modeling of a Generic High-Penetration No-Storage Wind-Diesel System Using Matlab/Power System Blockset // Global Windpower Conference. Paris, 2002.
12. Saulnier B., Barry A.O., Dube B., Reid R. Design and Development of a Regulation and Control System for the HighPenetration No-Storage Wind/Diesel Scheme // European Community Wind Energy Conference 88 (Herning, Denmark, 6-10 june 1988).
13. Mott L. (NPS), Saulnier B. (IREQ). Commercial Wind-Diesel Project, St. Paul Island, Alaska // 14th Prime Power Diesel Inter-Utility Conference (Winnipeg, Manitoba, Canada, May 28 - June 2).
References
1. Vishnevskii L.V., Pass A.E. Sistemy upravleniia asinkhronnymi generatornymi kompleksami [Control Systems of induction generator complex]. Kiev, Lybid' Publ., 1990, 168 p.
2. Tolshin V.I. Ustoichivost'parallel'noi raboty dizel-generatorov [Diesel generator parallel operation stability]. Leningrad, Mashinostroenie Publ., 1970, 200 p.
3. Novozhilov M.A., Pionkevich V.A. Modelirovanie dizel'nogo pervichnogo dvigatelia asin-khronnogo generatora [Modeling of an induction generator primary diesel engine]. Vestnik IrGTU - Proccedingd of Irkusk State Technical University, 2010, no. 7 (47), pp. 200-204.
4. Krivchenko R.I. Avtomaticheskoe regulirovanie gidroturbin [Automatic control of hydraulic turbines]. Leningrad, Jener-gija Publ., 1964, 286 р.
5. Krinitskii I.P. Regulirovanie dvigatelei vnutrennego sgoraniia [Control of internal combustion engines]. Moscow, Mash-giz Publ., 1960, 380 р.
6. Krutov V.I. Avtomaticheskoe regulirovanie dvigatelei vnutrennego sgoraniia [Automated control of internal combustion engines]. Moscow, Mashinostroenie Publ., 1968, 560 р.
7. Kosev K.P. Nomograficheskoe vychislenie skorostnykh vneshnikh i chastichnykh kharakteristik karbiuratornykh dvigatelei [Nomogrammic calculation of speed external and partial characteristics of gasoline engines]. Avtomobil'naja promyshlennost' - Automobile industry, 1965, no. 1. pp. 5-13.
8. Lakhno R.P. Edinye otnositel'nye skorostnye vneshnie i chastichnye kharakteristiki che-tyrekhtaktnykh karbiuratornykh dvigatelei [Uniform relative speed external and partial characteristics of four-stroke gasoline engines]. Avtomobil'naja promyshlennost' - Automobile industry, 1963, no. 1, pp. 3-10.
9. Zhbanov O.F., Novozhilov M.A., Petrovskii A.F. Odin sposob matematicheskogo modelirovaniya vrashchayushchego momenta dvigatelya vnutrennego sgoraniya [One method of mathematical modeling of the internal combustion engine torque]. Teoriia aktivnykh vibroza-shchitnykh system [Theory of active vibration isolation systems]. Irkutsk, IPI Publ., 1975, ussue 2, part 2, pp. 49-53.
10. Novozhilov M.A., Pionkevich V.A. Matematicheskaia model' asinkhronnogo generatora dlia zadach regulirovaniia napriazheniia [Mathematical model of an induction generator for voltage regulation problems]. Trudy mezhdunarodnoi nauchno-tekhnicheskoi konferentsii studentov, magistrantov, aspirantov "Energoeffektivnost' i energobezopasnost' pro-izvodstvennykh protsessov" [Proceedings of the International scientific and technical conference of students, undergraduates and postgraduates "Energy efficiency and energy security of industrial processes"]. Tol'iatti: Tol'iattinskii gosuda r-stvennyi universitet Publ., 2009.
11. Gagnon R., Saulnier B., Sybille G., Giroux P. Modeling of a Generic High-Penetration No-Storage Wind-Diesel System Using Matlab/Power System Blockset. Global Windpower Conference, Paris, 2002.
12. Saulnier B., Barry A.O., Dube B., Reid R. Design and Development of a Regulation and Control System for the HighPenetration No-Storage Wind/Diesel Scheme. European Community Wind Energy Conference 88, Denmark, 1988.
13. Mott L. (NPS), Saulnier B. (IREQ). Commercial Wind-Diesel Project, St. Paul Island, Alaska. 14th Prime Power Diesel Inter-Utility Conference, Сanada.
