CC BY
96
Ляпунов Данил Юрьевич
Lyapunov Danil Yu.
Национальный исследовательский Томский политехнический университет
National Research Tomsk Polytechnic University
Доцент/Associate Professor Кандидат технических наук E-Mail: lyapunov@tpu.ru
Сарсикеев Ермек Жасланович
Sarsikeyev Ermek Zh.
Национальный исследовательский Томский политехнический университет
National Research Tomsk Polytechnic University
Ассистент/Аssistant E-Mail: sarsikeev@tpu.ru
05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы
Расчет параметров электропривода постоянного тока для моделирования механических характеристик ветротурбины
Dc drive parameters calculation for simulation of wind turbine mechanical
characteristics
Аннотация: В работе рассмотрена возможность разработки физической модели ветротурбины малой мощности. Рассчитаны параметры электропривода постоянного тока, реализующего механические характеристики ветротурбины. Результаты работы реализованы в программной среде Matlab Simulink.
The Abstract: In this paper the possibility of developing a physical model of small-scale wind turbine is considered. The parameters of DC electric drive which simulates the mechanical characteristics of the wind turbine are calculated. The results were obrained by software environment Matlab Simulink.
Ключевые слова: Ветротурбины, двигатели постоянного тока, моделирование малых ветротурбин.
Keywords: Wind turbine, DC motor, simulation of small-scale wind turbines.
***
В настоящее время одной из динамично развивающихся отраслей возобновляемой энергетики является ветроэнергетика, которая демонстрирует свое быстрое и устойчивое развитие на мировом уровне. По оценке WWEA [3], в 2011 году суммарная мощность ветроэлек-тростанций (ВЭС) составила 237016 МВт. Наилучших результатов достигла так называемая большая (сетевая) ветроэнергетика, совместно работающая с электрической сетью. Высокому уровню развития ветроэнергетики способствовали различные программы, проводимые в странах-лидерах мировой ветроэнергетики (США, Китай, Германия, Испания и др.).
Исторически так сложилось, что в России возобновляемые источники энергии не получили должного уровня поддержки государства, из-за меняющихся приоритетов в энергетике. Особенность расположения потребителей электрической и тепловой энергии на территории Российской Федерации обусловило специфику развития ветроэнергетики. На сегодняшний день возможную конкурентоспособность на рынке могут продемонстрировать лишь малые ветроэнергетические установки (ВЭУ), для производства которых имеется относительно развитая база.
Правительство Российской Федерации с целью увеличения доли возобновляемых источников энергии в энергобалансе регионов разработало федеральные целевые программы до 2013 года, направленные на проведение научно-исследовательских работ в данной области и на стимулирование научно-педагогических кадров образовательных, научных и профильных учреждений.
Кафедрой электроснабжения промышленных предприятий Национального исследовательского Томского политехнического университета проведены научно-исследовательские работы по федеральным целевым программам на темы «Интеллектуальные автономные системы электроснабжения на базе гибридных ветро-дизельных установок», «Г ибридные системы буферного накопления электроэнергии для автономных энергоустановок возобновляемой энергетики». В рамках выполнения перечисленных контрактов проведены исследования режимов работы ветро-дизельных комплексов на компьютерных и физических моделях.
Исследование ВЭС в лабораторных условиях является актуальной задачей для учебных и научных целей. Однако зачастую размещение в ограниченном пространстве подобных систем не представляется возможным, в особенности ветрогенераторов.
Одним из способов натурного моделирования механических характеристик ветротур-бины является использование двигателя постоянного тока (ДПТ) с независимым возбуждением в качестве приводного механизма синхронного генератора на постоянных магнитах (СГПМ). На рис. 1 представлена разрабатываемая физическая модель ветрогенератора.
Рис. 1. Физическая модель ветрогенератора
Ветротурбина малой мощности с горизонтальной осью вращения описывается аэродинамическими и механическими характеристиками, методы расчета которых подробно приведены в работе [1]. В качестве объекта моделирования в работе рассмотрена механическая ха-
рактеристика ветротурбины АТИК мощностью 1,5 кВт при 7 м/с. Семейство характеристик данной ветротурбины изображено на рис. 2.
Рис. 2. Механические характеристики ветротурбины АТИК
Для настройки двухконтурной системы автоматического управления ДПТ, содержащей внутренний контур тока и внешний контур скорости, использовалась методика, приведенная в [2].
С целью исключения перерегулирования, контур тока настраиваем на линейный оптимум. Структурная схема контура тока представлена на рис. 3.
и,
(-)
О М / рег.т 7> + 1 ^д
► Т^ +1 7> + 1
I
Рис. 3. Структурная схема контура тока
В проектируемой системе используется двигатель постоянного тока с независимым возбуждением типа 4ПНМ132 М04.
Параметры двигателя приведены ниже.
Номинальное напряжение Vн = 220 В .
Номинальный ток двигателя 1н = 14,3 А.
Сопротивление якорной цепи Яя = 1,58 Ом .
Индуктивность якорной цепи Ья = 0,01 Гн.
Электромагнитная постоянная времени Т = —— = —— = 0,0063 с.
Кя 1,58
Номинальная частота вращения Юн = 314,159 рад/с.
Коэффициент электромеханической связи определяется по выражению
сн = ин -1 н • Д. = 220 -14.3 I58 = 0,628 Вс.
н юн 314,159 рад
Малая некомпенсируемая постоянная времени преобразователя напряжения равен Ттп = Тт= 0,00167 с.
Суммарный момент инерции электромеханического агрегата равен Jъ= 0,1 кг • м2.
Коэффициент обратной связи по току принимается равным
К = -^°- = 10 = 0,233.
3 • 1н 3 14,3
Передаточная функция разомкнутого контура тока имеет вид
К К
Ж (s) =---------------------------------------------------^-• К , (1)
раз.т V / 'г1 , 1 'Г' I 1 от 5 ^ *
Т • s +1 Т • s +1
тп я
где К =--------коэффициент передачи якорной цепи двигателя.
' К
Желаемая передаточная функция разомкнутого контура тока при настройке на линейный оптимум имеет вид
ж* () =---------------т------Г. (2)
„.а; 4• Т^s(Т^s +1)
Передаточная функция регулятора тока определяется как отношение желаемой передаточной функции (2) к передаточной функции разомкнутого контура тока (1)
ж (*)_ ^ __1_________:_К._________________________К^_ _ к _
рег.т \ / ттг / \ Л гг! (гг! Л т . 1 гр л от
(*) 4 • Т ■ * (Т ■ * +1) * +1 Тя • * +1
Т • *+1 _ Т, ■ д. т, • *+1
4 • Т К К К • * 4 • Т К К Т • *
т тп д от т тп от я
Учитывая, что К _ —, передаточная функция регулятора тока принимает следую-
д Яя
щий вид
(* ) = К
рег.т
где К
рег.т
4 • Т КтП К0т
Имитационная модель структурной схемы контура тока, созданная в среде Matlab Si-mulink, приведена на рис. 4.
Рис. 4. Имитационная модель контура тока
График переходного процесса в контуре тока для ДПТ приведен на рис. 5. Из полученного графика видно, что время переходного процесса составило ^пп=0,0145 с при установив-
шемся значении тока /уст=42,9 А.
■45
40
ш
30
25
20
15
10
Іуст
5%
/ ?ПП, У 1 1 \ 1 1 1 1 1 1 1
0,005
0,01
0,015
0,02
0,025
0,03.
0,035
0.04
0.045
0.05
К с
Рис. 5. График переходного процесса
Настройка контура скорости осуществляется также по линейному оптимуму во избежание перерегулирования. Структурная схема контура скорости представлена на рис. 6.
Рис. 6. Структурная схема контура скорости Коэффициент обратной связи по скорости принимается равным
К = 10 •30 = 0,0955.
ос 1000 •р
Передаточная функция разомкнутого контура скорости:
у
^..з,(*)= ^ ,• с• 4-• (3)
4• 7;-*(7;,• *+1)+1 I,• *’
Желаемая передаточная функция разомкнутого контура скорости при настройке на ли нейный оптимум имеет вид
1
I * ) = -------------:-----
раз.с
^рЖз, (* ) = ——т——^-тгтг. (4)
16 • т;• * •( 4 • т;• * •(Г;. *+1)+1)'
Передаточная функция регулятора скорости определяется как отношение желаемой передаточной функции (4) к передаточной функции разомкнутого контура скорости (3)
^ (*) 1 , К?Кт с ,
^ (* )=■■ р“
^раз, ( * ) 16 • Г; • * •( 4 • Т;Г * '(Т; ^ * ф 1)+ ^ 4 ‘ ^ ^ * ф 1)+ і ^ ^ *'
К • I
Ж (*) =----------------^—2—
рег Д ; 16 •Т; • С • Кос
Имитационная модель структурной схемы контура скорости, созданная в среде МаІІаЬ Бітиііпк, приведена на рис. 7. На вход системы подается скачкообразное воздействие 10 В, которое соответствует сигналу задания на номинальную скорость двигателя 1000 об/мин.
Рис. 7. Имитационная модель контура скорости
Графики переходных процессов в контуре скорости приведены на рис. 8, на которых изображены следующие параметры: установившееся значение угловой скорости Оуст= 104,06 рад/с, время переходного процесса ^пп=0,0545 с, максимальное значение момента Ммакс=318,65 Н-м, максимальное значение тока /макс=507,4 А.
£2,
рад/с
0,01 и.и; 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07 0,08 0,09 0,1 1, с
Мшші_ 318,65 НмХ***^«^|
/ 1 ■ і і і і і і 1 1
",'.'2 0,03 'VI йр 0,0б 0,0? и их ".ц9 и,| і, с
I.
0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07 0,08 0,09 0,1 І, с
Рис. 8. Графики переходного процесса по скорости, моменту и току
После настройки контура тока и скорости на линейный оптимум, который обеспечивает нулевую ошибку по возмущению и отсутствие перерегулирования, в систему вводится блок зависимого токоограничения, который содержит таблично введенную механическую характеристику ветротурбины (таблица 1).
Таблица 1
Механическая характеристика при 7 м/с ветротурбины АТИК
О, рад/ с 0 6,6 3 13,2 7 19 26,5 3 33,1 7 39,8 46,4 3 53,0 7 59,7 0 66,3 3 72,9 7 79, 6
М, Н-м 5,8 5 С* 6,83 о 14,0 8 18,3 6 18,7 8 16,1 3 12,8 0 9,32 5,99 2,83 0
Структурная схема системы, моделирующей механическую характеристику ветротурбины, представлена на рис. 9.
Рис. 9. Обобщенная структурная схема системы
Здесь Жпт ( s ) =
К_„ • К • K
рт
- передаточная функция прямой ветви замкнутого кон-
тура тока, которая введена с целью упростить структурную схему.
Полная модель управления двигателем постоянного тока независимого возбуждения, имитирующего механические характеристики ветротурбины, представлена на рис. 10.
Рис. 10. Имитационная модель ветротурбины
Блок зависимого токоограничения «ADH» содержит механическую характеристику турбины при определенной скорости ветра.
Сигнал задания на угловую скорость моделируется источником «Ramp», который позволяет формировать величину по линейному закону. Выбор угла наклона определяется по максимальному значению угловой скорости и длительности переходного процесса ^пп=3тмех.турб. Максимально допустимый из условий динамики тангенс угла наклона прямой определяется по выражению
tg a
W
3 -т
мех.турб
Для снятия механической характеристики ветротурбины на вал обязательно должна подаваться нагрузка, формируемая также блоком зависимого токоограничения «АОН». Физически нагрузку формирует синхронный генератор.
Для сравнения исходной и полученной в результате моделирования характеристик изображены на рис. 11 и оценена погрешность на рабочем участке характеристики, которая составляет не более 3%.
М,
Н*м
20
15
10
5
и 20 40 60 80 а, рад/с
—исходная —моделируемая
Рис. 11. Результат моделирования
Таким образом, в настоящей работе доказана возможность разработки физической модели ветротурбины на базе двигателя постоянного тока, моделирующего механические характеристики как в статических, так и в динамических режимах работы, определены параметры электропривода постоянного тока, необходимые для создания натурной модели, которая позволит исследовать ветроэнергетические установки в лабораторных условиях.
Главный редактор - д.э.н., профессор К.А. Кирсанов тел. для справок: +7 (925) 853-04-57 (с 1100 - до 1800) Опубликовать статью в журнале - http://publ.naukovedenie.ru
ЛИТЕРАТУРА
1. Обухов С.Г., Сарсикеев Е.Ж. Математическая модель ветротурбины малой мощности в МЛТЬЛВ БГМиЬШК // Альтернативная энергетика и экология: Международный научный журнал. - 2012. - № 2. - С. 42-48.
2. Удут Л.С., Мальцева О.П., Кояин Н.В. Проектирование и исследование автоматизированных электроприводов. Ч. 7. Теория оптимизации непрерывных многоконтурных систем управления электроприводов: учебное пособие. - Томск: Издательство Томского политехнического университета, 2007. - 164 с.
3. http://www.wwindea.org/webimages/WorldWindEnergyReport2011.pdf.
Рецензент: Ушаков Василий Яковлевич, профессор, доктор технических наук.
