CC BY
89
Машиностроение. Строительство. Материаловедение. Металлообработка
УДК 62-529 + 621.548
СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКОЙ КОЛЕБАТЕЛЬНОГО ТИПА Г.А. Петров
Тамбовское высшее военное авиационное инженерное училище радиоэлектроники (военный институт)
Представлена профессором В. И. Павловым и членом редколлегии профессором В. И. Коноваловым
Ключевые слова и фразы: ветроэнергетика; оптимальное управление; системы автоматического управления.
Аннотация: Исследуется математическая модель ветроэнергетической установки колебательного типа и синтезируется система управления ею с целью повышения энергоотдачи.
Истощение мировых запасов топливных материалов вызывает стабильный интерес к возобновляемым источникам энергии - источникам на основе постоянно существующих или периодически возникающих в окружающей среде потоков энергии. Наибольших результатов в преобразовании этих потоков для промышленных нужд достигла ветроэнергетика: современные ветроустановки производят электроэнергию, соизмеримую с традиционными типами электростанций, причем доля альтернативных источников в общем производстве электроэнергии ежегодно возрастает [6].
Существует большое разнообразие конструкций ветроэнергетических установок (ВЭУ) [2]. Для Российской Федерации, территория которой является в основном равнинной, пригодны ВЭУ, способные работать в условиях относительно невысоких скоростей воздушного потока. Этому требованию отвечают ветроэнергетические установки колебательного типа (ВЭУ КТ) [5]. В данной статье исследуется одна из подобных конструкций, а также синтезируется система оптимального управления ею с целью повышения энергоотдачи.
На рис. 1 приведена кинематическая схема ВЭУ КТ [4]. Данная установка работает следующим образом: платформа 10 за счет флюгера 5 разворачивается таким образом, что опорные рамы 1 и 3 устанавливаются в положение, перпендикулярное вектору воздушного потока и .
В исходном состоянии поворотные лопатки 2 одной из рам закрыты, другой - открыты. Воздушный поток создает на них различные по величине аэродинамические силы. Вследствие этого опорная рама с закрытыми лопатками вместе с соответствующей боковой балкой (4 или 11) начинает перемещаться назад. Соответственно другие рама и боковая балка перемещаются вперед.
При достижении опорными рамами определенного положения поворотные лопатки переключаются в противоположное состояние. Движение боковых балок
Рис. 1. Кинематическая схема ВЭУ колебательного типа:
1, 3 - опорные рамы; 2 - поворотные лопатки; 4,11 - боковые балки;
5 - флюгер; 6 - средняя балка; 7 - механизм преобразования вращения;
8 - вал; 9 - поперечные тяги; 10 - платформа
замедляется вплоть до полной остановки, затем они начинают двигаться в обратном направлении, и все действия повторяются.
Таким образом, элементы конструкции 4 и 11 совместно с поперечными тягами 9 совершают колебательные движения.
С помощью вала 8 эти колебания передаются устройству отбора мощности 7, основу которого представляет электрический генератор. Для обеспечения возможности применения стандартных электрогенераторов колебательные движения ветроустановки необходимо преобразовать в однонаправленное вращение. На рис. 2 приведен вариант конструкции такого механизма.
Входной вал 8 воспринимает колебательные движения от ветроустановки и с помощью зубчатых колес 9, 12 и 21 передает двунаправленное вращение храповым муфтам 13 и 20. Направление зацепления этих муфт различное. Благодаря этому вращение зубчатых колес 14 и 19 однонаправленное, но противоположное друг другу.
Зубчатое колесо 15 также вращается в одном направлении и получает энергию в течение всего периода колебания ВЭУ за счет внутреннего зацепления с колесом 19 и внешнего - с колесом 14. Однонаправленное вращение колеса 15 передается через храповую муфту 16 и маховик 18 ротору генератора 17, вырабатывающему электроэнергию.
Рассмотрим рис. 3, представляющий собой вид сверху на ветроустановку.
Для построения математической модели ВЭУ КТ условно разделим всю конструкцию на две части. Одну из них, объединяющую маховик 18 и электрогенератор 17 (см. рис. 2), будем считать нагрузкой. Другую, состоящую из элементов 1 - 6, 8 - 15, 19 - 21, назовем собственно ветроустановкой. Соединение этих частей производится с помощью храповой муфты 16. Таким образом, конструкция является системой с переменной структурой.
В периоды времени, когда угловая скорость вращения опорных рам меньше, чем угловая скорость вращения маховика, собственно ветрогенератор механиче-
Рис. 2. Механизм преобразования вращения:
8 - входной вал; 9,12,14, 15,19, 21 - передаточные зубчатые колеса; 13,16, 20 - храповые муфты; 17 - генератор; 18 - маховик
Рис. 3. ВЭУ колебательного типа: вид сверху
(цифровые обозначения совпадают с рис. 1):
ю - угловая частота вращения элементов конструкции; Я - половина длины поперечной балки 9
ски не связан с нагрузкой за счет проскальзывания храповой муфты 16 (см. рис. 2). Следовательно, в этот момент каждая ВЭУ КТ описывается системой уравнений
1
СО ВЭУ -
со
J ВЭУ 1
-M
нагр
нагр
(1)
нагр
Ф - ОВЭУ •
В периоды времени, когда угловая скорость вращения элементов ветроуста-новки ювэу достигает значения, равного угловой скорости вращения маховика юнагр, храповая муфта 16 соединяет части ВЭУ, обеспечивая равенство юнагр и ЮВЭУ.
В этот период состояние ветрогенератора описывается следующей системой
где M^ - результирующий момент сил, воздействующий на ВЭУ.
При решении систем уравнений (1) и (2) предварительно были определены Мвэу, Мнагр и МЕ - моменты сил, воздействующие на ветрогенератор.
На опорных рамах за счет набегающего воздушного потока u возникают аэродинамические силы [1]
где Сх - коэффициент лобового сопротивления опорной рамы; р - плотность воздуха; £ - суммарная площадь поверхности рамы; V - линейная скорость перемещения лопаток относительно воздушного потока.
Крутящий момент, создаваемый этой силой, вычисляется по формуле
С учетом (3) и (4) математическая модель ВЭУ колебательного типа, описывается системой дифференциальных уравнений
где К = Сх Б - коэффициент, учитывающий лобовое сопротивление поверхностей площадью Б, нижние индексы у этого коэффициента (о, з) указывают на отношение к опорным рамам с открытыми или закрытыми поворотными лопатками; ц - коэффициент сцепления
При решении систем уравнений (5) и (6) применен метод Рунге-Кутта четвертого порядка [3].
По результатам расчетов построены графики изменений коэффициента сцепления ц, угла отклонения продольной балки 9 от среднего положения - ф (см. рис. 3), угловых скоростей вращения этой балки ювэу и маховика юнагр. Они изображены на рис. 4.
1
СО ВЭУ -
(2)
р - °ВЭУ,
F = Cx р S v 2/2 ,
(3)
М - FR .
(4)
2 2 pR cos р(Kз (и - овэуR cos р) - Kо (и + гоВЭУR cos р) ) -цМнагр
ср - ОВЭУ
(5)
0, ОВЭУ < Онагр ;
1, ОВЭУ - Онагр.
(6)
1,2
№
1 -1
0.3
0,6
0,4
0,2
û
ад
со
■ю
15
20
25
Рис. 4. Графики изменения параметров ВЭУ
t
Эти графики демонстрируют следующее: в течение 5...10 с ветроустановка колебательного типа работает в режиме разгона: ф, ювэу и юнагр постепенно увеличиваются до значений, соответствующих установившемуся режиму. Изменение коэффициента сцепления ц в течение этого времени также происходит с непостоянным периодом. Управление параметрами ВЭУ в течение указанного времени нецелесообразно.
При исследовании математической модели (5) и (6) в установившемся режиме при различных скоростях ветра и и моменте Мнагр определялось значение мгновенной мощности, измеряемой на нагрузке, по формуле
р = ^нагрЮнагр. (7)
Затем проводилось интегрирование
tk
Р =| ёРЛ, (8)
где ^ - начало установившегося режима; tk - конечное время интегрирования (выбиралось в диапазоне от 20.300 с).
По максимальному значению Р для каждого значения и и Мнагр определялся оптимальный угол переключения поворотных лопаток фпер. опт. По этим данным построен график оптимального управления изменением угла переключения поворотных лопаток у (рис. 5).
Исходя из этого анализа математической модели для достижения максимальной энергоотдачи система управления ВЭУ КТ должна иметь структуру, изо-
браженную на рис. 6.
Рис. 5. График зависимости оптимального угла переключения поворотных лопаток от нагрузки Мнагр и скорости воздушного потока и
Рис. 6. Структурная схема системы оптимального управления ВЭУ КТ:
1, 3, 7 - датчики скорости ветра, угла поворота поперечной балки и нагрузки
с передаточными характеристиками Wдатчu, ^датч.ф, Wдатчм; 2, 4, 8 - вычислители оптимального угла переключения фпер с передаточными характеристиками Шиф, ШМ,Ф, 2Ф; 5 - устройство управления (^уу); 6 - механизм переключения поворотных лопаток (№^мп)
Список литературы
1. Бундас, В.В. Расчеты при проектировании электроснабжения. Таблицы и графики / В.В. Бундас. - М. ; Л. : Госэнергоиздат, 1961. - 155 с.
2. Ветроэнергетика : пер. с англ. / под ред. Д. де Рензо.- М. : Энергоатомиз-дат, 1982. - 271 с.
3. Гловацкая, А.П. Методы и алгоритмы вычислительной математики / А.П. Гловацкая. - М. : Радио и связь, 1999. - 408 с.
4. Пат. 2173791 Российская Федерация, МПК7 Б 03 Б 3/06. Ветровая энергетическая установка / Милошевич В.Р., Карапетян Р.М., Конюхов М.И., Петров Г. А. ; заявитель и патентообладатель Тамбовский ВАИИ. - № 99120251/06; заявл. 23.09.1999 ; опубл. 20.09.2001, Бюл. № 26. - 3 с.
5. Проценко, А.Н. Энергетика сегодня и завтра / А.Н. Проценко. - М. : Молодая гвардия, 1987. - 219 с.
6. Твайделл, Дж. Возобновляемые источники энергии : пер. с англ. / Дж. Твайделл, А. Уэйр. - М. : Энергоатомиздат, 1990. - 390 с.
System of Control over Wind-Driven Electric Plant of Vibratory Type
G.A. Petrov
Tambov Higher Military Aviation Engineering College of Radio-Electronics
Key words and phrases: automated control systems; optimal control; windpower engineering.
Abstract: Mathematical model of wind-driven electric plant of vibratory type is examined; the system of its control is synthesized in order to improve the energy effect.
Steuersystem von der windenergetischen Anlage des Schwingungstyps
Zusammenfassung: Es wird das mathematische Modell der windenergetischen Anlage des Schwingungstyps untersucht und es wird ihres Steuersystem mit dem Ziel der Erhöhung der Energieabgabe systematisiert.
Système de la commande de l’installation éolienne énergétique du type oscillatoire
Résumé: Est examiné le modèle mathématique de l’installation éolienne énergétique du type oscillatoire; est synthésé le système de sa commande dans le but de l’augmentation du rendement énergétique.
