POWER GENERATION SYSTEM FOR WIND TURBINES Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

ВЕТРОЭНЕРГЕТИКА

WIND ENERGY

Статья поступила в редакцию 15.05.10. Ред. рег. № 782 The article has entered in publishing office 15.05.10. Ed. reg. No. 782

УДК 621.311.24, 621.3.07

СИСТЕМЫ ГЕНЕРАЦИИ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ ДЛЯ ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК

В.А. Штерцер, С.Д. Саленко

Новосибирский государственный технический университет 630092 Новосибирск, пр. К.Маркса, д. 20 Тел./факс (8-383)346-19-97, e-mail: agd@craft.nstu.ru; salenkosd@yandex.ru

Заключение совета рецензентов: 25.05.20 Заключение совета экспертов: 27.05.10 Принято к публикации: 27.05.10

Для семейства аэромеханических характеристик ветроколеса показана оптимальная моментная характеристика генератора в виде квадратичной формы. Предложены нелинейные структурные схемы управления синхронной и асинхронной электрической машиной с фазным ротором, которые энергетически целесообразно обеспечивают устойчивую совместную работу ветроколеса с системой генерации электроэнергии.

Ключевые слова: генерация электроэнергии, аэромеханические характеристики, ветроколесо, фазный ротор, синхронная и асинхронная электрическая машина.

POWER GENERATION SYSTEM FOR WIND TURBINES V.A. Shtertser, S.D. Salenko

Novosibirsk State Technical University 20 K.Marx ave., Novosibirsk, 630092, Russia Tel./fax: (8-383)346-19-97, e-mail: agd@craft.nstu.ru; salenkosd@yandex.ru

Referred: 25.05.20 Expertise: 27.05.10 Accepted: 27.05.10

The optimal generator moment characteristics for assemblage of windwheel aeromechanical characteristics was shown in the quadratic form. Nonlinear structural control scheme of synchronous and asynchronous electrical machine with phase-wound rotor has been proposed, which is energetically expedient to provide a stable joint work of windwheel together with the system of generating electricity.

Keywords: generating of electricity, aeromechanical characteristics, windwheel, phase-wound rotor, synchronous and asynchronous electrical machine.

Владимир Александрович Штерцер

Сведения об авторе: канд. техн. наук, доцент.

Опыт работы: разработка и изготовление опытного образца ветроэнергетической установки.

Основной круг научных интересов: автоматическое управление электроприводом, ветроэнергетика.

Публикации: 26 статей, авт. свидетельств и патентов.

Сергей Дмитриевич Саленко

Сведения об авторе: зав. кафедрой аэрогидродинамики Новосибирского гос. технического университета, профессор, д-р техн. наук.

Опыт работы: разработка и изготовление опытных образцов двух ветроэнергетических установок.

Основной круг научных интересов: промышленная аэродинамика, ветроэнергетика.

Публикации: 56 статей, авт. свидетельств и патентов.

Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 5 (85) 2010 © Научно-технический центр «TATA», 2010

При создании ветроэнергетической установки (ВЭУ) необходимо решать множество задач, важнейшей из которых является согласование ветроко-леса и генератора с точки зрения максимальной выработки энергии и устойчивой работы системы во всем диапазоне скоростей ветра.

Исходными данными для построения моментной характеристики ветроколеса [1, 2] являются скорость ветра У, плотность воздуха р, геометрические размеры ротора (рис. 1) - диаметр ометаемой окружности Б и его высота Н, экспериментальные или расчетные зависимости относительного момента ветроколеса М = м/ (рУ2 БЯ /2) и коэффициента использования

энергии ветра £ = Р/(рУ3Б /2) от быстроходности ветроколеса й = тЯ/У (рис. 2). Здесь Я = Б/2, Б = 2ЯН -характерная площадь, т = ли/30 - угловая скорость (рад/с) вращения ветроколеса.

Рис. 1. Основные геометрические параметры ветроколеса Fig. 1. Main geometric parameters of the windwheel

M, £ 0,4

0,3

0,2

0,1

£ max — M (u ) - -£(« )

M max s*' / 1 \

\ T \\

Mn f \ »

/ /

/ / \\

/ / \\ \\

S У / Un \ \ \ u0 \\ /

/

10

20

30

u

Рис. 2. Зависимости относительного момента ветроколеса и коэффициента использования энергии ветра от быстроходности Fig. 2. Torque and performance coefficients of the windwheel versus tipspeed ratio

Как видно из рис. 2, аэродинамические свойства ветродвигателя определяются следующими величинами: номинальной быстроходностью йп, при которой коэффициент £ является максимальным; номинальным относительным моментом вращения Мп, развиваемым ветроколесом при номинальной быстроходности; моментом трогания с места М0; максимальным относительным моментом Мтах , который может развить вет-роколесо; синхронной быстроходностью й0, при которой М = 0, т.е. мощность равна нулю [3].

Задавшись геометрическими параметрами Я и Н (например, Я = 2,5 м и Н = 6 м), на основе безразмерной зависимости М(й) можно построить семейства размерных характеристик ветроколеса М(т;У) = М(й)БЯрУ2/2 , где т = йУ/Я для ряда скоростей ветра У (рис. 3).

1000

600

200

-V = 2 м/с -о- У = 4 м/с -к- V= 6 м/с -6- У = 8 м/с -s- V= 10 М/С —А— Оптим. MOM.

I

f J V

0 2 4 6 в ш,1/с10

Рис. 3. Зависимости момента на валу ветроколеса от угловой скорости для различных скоростей ветра Fig. 3. Torque-speed characteristics of the windwheel for various wind speeds

На тот же график нанесем оптимальную характеристику генератора. Точка пересечения кривых М(т;У) и Мг(т) определяет рабочий режим ВЭУ при данной скорости ветра У. Для устойчивой совместной работы ветроколеса, системы генерации и потребителя с запасом по динамике точки пересечения кривых М(т;У) и Мг(т) должны лежать правее экстремумов семейства механических характеристик (желательно в точках йп - номинальной быстроходности, при которой коэффициент £ является максимальным). В этом случае оптимальная характеристика генератора описывается квадратной параболой

= сю

(1)

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 5 (85) 2010

© Scientific Technical Centre «TATA», 2010

В.А. Штерцер, С.Д. Саленко. Системы генерации электроэнергии для ветроэнергетических установок

где с - коэффициент, зависящий от аэродинамических свойств и геометрических параметров ветродвигателя.

Выражение (1) вносит функциональную определенность в управление моментом генератора. Для большинства генераторов без дополнительного управления зависимость момента на валу от угловой скорости близка к линейной, в то же время, как видно из рис. 3, для оптимального согласования генератора с ветроколесом она должна быть квадратичной. Это значит, что без дополнительной системы управления генератором нельзя будет получить полный съем мощности с ветроколеса в рабочем диапазоне скоростей ветра.

Преобразование механической энергии ротора ветроэнергетической установки, вращающегося с переменной скоростью, в электрическую энергию с постоянной частотой сети выполняется в виде вариантов с преобразователями частот [4, 5]:

- синхронный генератор с полным преобразованием частоты;

- асинхронный генератор с преобразованием частоты в фазном роторе.

Рассмотрим два случая работы ветроэнергетической установки:

- автономная система генерации, работающая на потребителя активной мощности Ян (например, нагревательные элементы);

- работа на сеть неограниченной мощности.

Первый вариант, как правило, реализуется с помощью синхронного генератора. Для неявнополюс-ного синхронного генератора уравнение электрического равновесия якорной цепи имеет вид (пренебрегаем насыщением и ЭДС рассеяния) [6, 7]

Ú = ÍRK = E -(ra + ) I.

(2)

vM/Jf =[(ra + rh ) + j ™Ld ] I.

(3)

Момент M, развиваемый синхронным неявнопо-люсным генератором, определяется соотношением [6, 7]

^ mEÚ

М =-sin 6 = mM

pQXd

fad

vL,

I/I sin 6

(4)

где т, р - число фаз и полюсность якорной обмотки генератора, 9 - угол нагрузки между полем и ротором.

Для активной нагрузки Ян угол между вектором тока I и напряжением фазы и равен ф = 0, следовательно, угол нагрузки синхронной машины 9 равен углу ^ между вектором ЭДС Е и тока якоря I. Из (1), (3) и (4) получим вполне ожидаемую энергетическую зависимость:

сю3 = mRH12 = mÚI.

(5)

Энергетический функционал (5) реализуется схемой, приведенной на рис. 4. В этой схеме сигнал с датчика скорости ю перемножается для получения задающего воздействия сю3. В системе имеются два независимых контура управления напряжением и и током якоря I синхронного генератора. Напряжение регулируется током возбуждения генератора. Токовый контур замкнут на токовой ключ в цепи нагрузки. Сигнал задания на контур регулирования напряжения и и контур регулирования тока I определяется сигналом рассогласования от задающего воздействия сю3и произведения обратных связей по напряжению и и току I.

Здесь и , I - напряжение и ток фазы на зажимах генератора; га - активное сопротивление фазы обмотки генератора; Е = юЫ/а^1/ - ЭДС обмотки якоря,

индуктируемое током обмотки возбуждения I; ю = рО - частота вращения поля, определяемая скоростью вращения ротора ^ и полюсностью якорной обмотки р; М;^ - коэффициент взаимно-индуктивной связи обмотки возбуждения с якорной обмоткой; х^ = юЬ<1 - индуктивное сопротивление обмотки якоря, которое определяет продольную реакцию якоря неявнополюсной синхронной машины.

Из (2) получим

Рис. 4. Схема управления синхронным генератором Fig. 4. Control scheme of synchronous generator

Для асинхронного генератора с фазным ротором, работающего на сеть неограниченной мощности, момент М, развиваемый асинхронным генератором, определяется скольжением £ = 1 - ю/ю1 и током ротора /2 [6].

Здесь ю - частота вращения ротора, ю1 - частота вращения поля, определяемая частотой сети.

M Vj = m212

(6)

Подставляя (1) в (6) и преобразуя, получим

сю2 (ю; - ю) = т2/2и2. (7)

Структурная схема, соответствующая выражению (7), приведена на рис. 5.

Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 5 (85) 2010 © Научно-технический центр «TATA», 2010

и2 и 12 - напряжение и ток фазы в обмотке ротора, а т2 и г2 - число фаз и активное сопротивление фазы обмотки ротора. Здесь сигнал задания на управление формируется перемножением сигнала с датчика скорости на разницу частоты вращения поля т1, определяемого частотой сети /с, и частоты вращения ротора т.

ctiífra^ - cu)

Рис. 5. Схема управления асинхронной машиной с фазным ротором Fig. 5. Control scheme of asynchronous machine with phase-wound rotor

Сигнал задания из энергетического функционала (7) поступает на контур управления напряжением и током преобразователя в цепи роторной обмотки. Сигнал обратной связи по напряжению U2 перемножается с сигналом обратной связи по току I2, и полученный результат сравнивается с сигналом задания сш2(Ю1 - ю). Сигнал рассогласования управляет рабо-

той преобразователя. Второй преобразователь представляет собой ведомый сетью инвертор.

Таким образом, для семейства механических характеристик ветроколеса, обладающих свойством (1), предложены нелинейные структурные схемы управления синхронной и асинхронной электрической машиной с фазным ротором, которые энергетически целесообразно обеспечивают устойчивую совместную работу ветроколеса с системой генерации электроэнергии.

Список литературы

1. Фатеев Е.М. Ветродвигатели и ветроустановки. М.: ОГИЗ, Сельхозгиз, 1948.

2. Твайделл Дж., Уэйр А. Возобновляемые источники энергии. М.: Энергоатомиздат, 1990.

3. Кураев А.А., Штерцер В.А., Саленко С.Д. Исследование и разработка ветроколеса с вертикальной осью вращения. Отчет о НИР. г. Новосибирск, Новосибирский электротехнический институт, 1990.

4. Geyler M., Caselitz P. Control of variable speed wind turbines // Automatisierungstechnik. 2008. No. 12. P. 614-626.

5. Leithead W.E., Connor B. Control of variable speed wind turbines: design task // International Journal of Control. 2000. Vol. 73, No. 13. P. 1189-1212.

6. Иванов-Смоленский А.В. Электрические машины. Учебник для вузов. М.: Энергия, 1980.

7. Вольдек А.И. Электрические машины. Учебник для студентов высш. техн. учебн. заведений. Л.: Энергия, 1974.

SS

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 5 (85) 2010

© Scientific Technical Centre «TATA», 2010