CC BY
813
УДК 621.314.632
МОДЕЛЬ ВЕТРОГЕНЕРАТОРА ВЭУ-3 В ПАКЕТЕ MATLAB
Н.В. Пронин*, А.С. Мартьянов**
* г. Челябинск, Южно-Уральский государственный университет ** г. Миасс, ООО «ГРЦ-Вертикаль»
MODEL OF WIND TURBINE ВЭУ-3 IN THE PACKAGE MATLAB
N.V. Pronin, A.S. Martyanov
* Chelyabinsk, South Ural State University ** Miass, GRC-Vertical Ltd.
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 ветроге-нератора 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]
с
Mz = -mpV2SR , (1)
где Cm - коэффициент крутящего момента, Cm = 0,15; p - плотность воздуха, p = 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]
Z = ^ин = = 2,7, (2)
V^ V
где V^ - линейная скорость вращения, м/с; Квет - 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:
Mz = 015 -1,2 • V2 -12,92 -1,7 = 1,97676V2 . z 2
При помощи блоков Ramp, Math Function, Gain определяется воздействие момента Mz на генератор.
Краткие сообщения
Работа генератора Permanent Magnet Synchronous Machine описывается следующей системой уравнений в осях q и d , связанных с ротором [2]
поток постоянных магнитов, сцепленный с обмоткой статора; р - число пар полюсов; Те - элек-
Displayl
Рис. 1. Модель ветрогенератора ВЭУ-3
/ ~
\
/ 2 Мз р v2sr \
/ Ст: \
/ \ \
/ \
Л"" \ 7- -
- V А
\
R
Рис. 2. Зависимость Cp и Cm от быстроходности Z
-Tjd =— Ud- — ld + — P®rl
L
d
d
L
d
d 1 R Ld Apюr
—iq =— uq------iq +—p^rd---------
dt q Lq q Lq q Lq Lq
q
Te = 1, 5p \4 + (Ld - Lq )ldlq ] ,
d Юг = J T - F Юг - Tm ), dt J
d_
dt
Є = юг
где Ьч, - индуктивности статора по осям q и
d ; К - сопротивление обмотки статора; іС, іа -проекции тока статора на оси с и d; ПС, Ud -проекции напряжения статора на оси с и d ; юг -угловая частота вращения ротора; X - магнитный
тромагнитный момент; J - суммарный момент инерции ротора и нагрузки; F - коэффициент трения; e - 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. З представлена зависимость выпрямленного напряжения от частоты вращения ротора в режиме холостого хода Uxx, полу-
144
Вестник ЮУрГУ, № 37, 2012
Пронин Н.В., Мартьянов А.С.
ченная на модели, которая практически совпадает с характеристикой опытного образца генератора.
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
Модель ветрогенератора ВЭУ-3 в пакете MATLAB
может быть использована при разработке и исследовании системы управления ВЭУ.
Литература
1. Соломин, Е.В. Продукция /Е.В. Соломин // Сайт ООО «ГРЦ-Вертикаль». - www.src-
vertical.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.
Поступила в редакцию 14.04.2012 г.
Рис. З. Характеристика холостого хода ВЭУ-З
Пронин Никита Владимирович - аспирант кафедры «Электротехника и возобновляемые источники энергии», Южно-Уральский государственный университет. Область интересов -энергосбережение, возобновляемые источники энергии. Контактный телефон: 8-950-735-2198.
Pronin Nikita Vladimirovich - post graduate student of Electrical Engineering and Renewable Energy Department of South Ural State University. Area of interests - energy saving, renewable energy sources. Contact telephone number: +7 950 735 2198.
Мартьянов Андрей Сергеевич - инженер ООО «ГРЦ - Вертикаль», г. Миасс. Контактный телефон: 8-902-600-2557.
Martyanov Andrey Sergeevich - an engineer at GRC-Vertical Ltd. Contact telephone number: +7 902 600 2557.
