Научная статья на тему 'Модель ветрогенератора ВЭУ-3 в пакете Matlab'

Модель ветрогенератора ВЭУ-3 в пакете Matlab Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

CC BY
3905
806
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
ВЕТРОЭНЕРГЕТИКА / МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ / ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ЭНЕРГИИ / РЕГУЛИРОВАНИЕ МОЩНОСТИ / WIND POWER ENGINEERING / MATHEMATICAL MODELING / POWER CONVERSION / POWER REGULATION

Аннотация научной статьи по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям, автор научной работы — Пронин Никита Владимирович, Мартьянов Андрей Сергеевич

Приведены характеристики ветровой мощности ротора ветроэнергетической установки, характеристики генератора, проведено сравнение характеристик производительности предлагаемой математической модели и протестированного образца.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям , автор научной работы — Пронин Никита Владимирович, Мартьянов Андрей Сергеевич

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

MODEL OF WIND TURBINE

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.

Текст научной работы на тему «Модель ветрогенератора ВЭУ-3 в пакете Matlab»

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.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.