Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ РЕГУЛИРОВАНИЯ ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ

Предлагаемый способ может быть использован в области ветроэнергетики, конкретно - при регулировании ветроэнергетической установки.

Известен способ регулирования момента и угла установки лопастей ветроэнергетической установки в зависимости от частоты вращения (Патент РФ №2351795, опубл. 10.04.2009). Способ осуществляется в соответствии с характеристической кривой крутящего момента, разбитой на участки в соответствии с пятью значениями скорости вращения ветроколеса, что позволяет обеспечить увеличение выхода мощности.

Недостатком этого способа является необходимость регулирования углов установки лопастей ветроколеса, для реализации чего требуется специальная система, наличие которой снижает надежность ветроэнергетической установи и удорожает ее.

Известен способ управления и регулирования ветроэнергетической установки [Патент РФ №2350778, опубл. 27.06.2008], использование которого обеспечивает сокращение нагрузки на установку при высоких скоростях ветра, а также при возможном отключении электросети. Согласно п.1 формулы изобретения "Способ управления и регулирования ветроэнергетической установки, включающей в себя корпус, поворотный по азимутальному углу, ротор с по меньшей мере одной лопастью ротора, поворотной относительно своей продольной оси, агрегат электропитания и устройство управления, имеющее эксплуатационный режим при скорости ветра, превышающей предварительно заданное значение скорости. Устройство управления на основе измеренных значений (v) скорости ветра и данных о направлении ветра определяет азимутальное угловое положение (α), в которое должен быть установлен корпус, и один или несколько углов (φ) установки для по меньшей мере одной лопасти ротора. По меньшей мере один привод наклона, запитываемый от агрегата питания, устанавливает по меньшей мере одну лопасть ротора в угловое положение (φ), определенное устройством управления".

Недостатком этого способа является необходимость регулирования углов установки лопастей ветроколеса, для реализации чего требуется специальная система, наличие которой также снижает надежность ветроэнергетической установки и удорожает ее.

Известен способ [Дьяков А.Ф., Перминов Э.М., Шакарян Ю.Г. Ветроэнергетика России. Состояние и перспективы развития. - М.: Издательство МЭИ, 1996, стр.87, 125-126] регулирования ветроэнергетической установкой, основанный на том, что формируют сигнал о скорости ветра на высоте оси вращения ветроколеса, сигнал задания общего угла установки лопастей ветроколеса, по этим сигналам формируют сигнал регулирования, при котором для диапазона скоростей ветра от минимального значения запуска до номинального значения в каждый момент времени равные углы установки лопастей ветроколеса постоянные, а скорость вращения ветроколеса меняется пропорционально изменению скорости ветра при постоянной быстроходности, для диапазона скоростей ветра от номинального значения до максимально допустимого значения осуществляется регулирование равных углов установки лопастей ветроколеса.

Недостатком этого способа-прототипа является то, что это регулирование обеспечивает работу с постоянным углом установки лопастей только в зоне постоянной быстроходности, от номинальной же скорости ветра до максимально допустимой необходимо, как и в аналогах, регулирование равных углов установки лопастей ветроколеса, для реализации чего требуется специальная система, наличие которой снижает надежность ветроэнергетической установки и удорожает ее.

Известна ветроэнергетическая установка [K.Mortensen, С.Skamris. The masnedoe wind farm. Demonstration project. ELKRAFT Power Company Ltd, Copenhagen, August 1989] мощностью 300 кВт. Ветроколесо выполнено трехлопастным. При этом система регулирования угла установки лопастей размещена в ступице ветроколеса и содержит гидроцилиндр установки общего угла лопастей, а также три защитных гидроцилиндра (по одному для каждой лопасти). Подвод масла к гидроцилиндрам производится через сквозные отверстия, просверленные по всей длине основного вала ветроустановки. Эта известная ветроэнергетическая установка позволяет реализовать как способ-аналог, так и способ-прототип с присущими им недостатками - наличие самой системы регулирования угла установки лопастей и, следовательно, удорожание ветроэнергетической установки. Кроме того, в указанной гидросистеме узел передачи масла от неподвижных элементов в просверленные по всей длине основного вала отверстия к гидроцилиндрам обладает низкой надежностью.

Техническая задача, решаемая изобретением, состоит в повышении надежности ветроэнергетической установки путем исключения регулирования угла установки лопастей и как следствие - удешевление ветроэнергетической установки.

Поставленная техническая задача решается тем, что в известном способе регулирования ветроэнергетической установкой, основанном на том, что формируют сигнал о скорости ветра на высоте оси вращения ветроколеса и по нему формируют сигнал задания скорости вращения вала ветроколеса, при этом для диапазона скоростей ветра от минимального значения запуска до номинального значения, когда мощность генератора номинальная, сигнал задания скорости вращения вала ветроколеса формируют при постоянной быстроходности, формируют семейство сигналов характеристик мощности ветроколеса в функции скорости ветра при различных постоянных скоростях вращения ветроколеса, формируют сигнал задания по мощности ветроколеса для диапазона скоростей ветра от значения, определяемого этим заданием по мощности ветроколеса, до максимально допустимого значения скорости ветра, в точках равенства последнего сигнала с указанным семейством сигналов фиксируют значения скорости вращения ветроколеса и скорости ветра, по этим сигналам формируют сигнал задания регулирования скорости вращения ветроколеса в функции скорости ветра.

Кроме того, поставленная техническая задача решается тем, что известная ветроэнергетическая установка, содержащая ветроколесо, генератор, энергосистему, полупроводниковый преобразователь частоты, блок системы автоматического регулирования, датчик положения вала ветроколеса, датчик скорости ветра и функциональный блок, при этом вал ветроколеса соединен с валом генератора, полупроводниковый преобразователь частоты соединен с цепью энергосистемы, а его управляющий вход соединен с выходом блока системы автоматического регулирования, первый и второй входы которого соединены соответственно с датчиком положения вала ветроколеса и выходом функционального блока, первый вход последнего соединен с датчиком скорости ветра, а функциональный блок содержит первый блок задания скорости вращения ветроколеса, дополнительно снабжена задатчиком мощности ветроколеса, а функциональный блок выполнен со вторым входом и содержит блок коэффициента мощности, блок задания скорости ветра, блок быстроходности ветроколеса, второй блок задания скорости вращения ветроколеса, блок логики и блок коммутаций, при этом выход задатчика мощности ветроколеса через второй вход функционального блока соединен с первым входом блока коэффициента мощности и входом блока задания скорости ветра, выход которого соединен со вторым входом блока логики, выход блока коэффициента мощности через блок быстроходности ветроколеса соединен с первым входом второго блока задания скорости вращения ветроколеса и далее с первым входом первого ключевого элемента блока коммутаций, выход датчика скорости ветра через первый вход функционального блока соединен с входами первого блока задания скорости вращения ветроколеса, с первым входом блока логики, со вторым входом блока коэффициента мощности и вторым входом второго блока задания скорости вращения ветроколеса, выход первого блока задания скорости вращения ветроколеса соединен с первым входом первого ключевого элемента блока коммутаций, а первый и второй выходы блока логики соединены соответственно со вторыми входами ключевых элементов блока коммутаций, выходы которых соединены с выходом функционального блока.

Предлагаемое устройство схематично представлено на рисунках. На фиг.1 представлена общая схема ветроэнергетической установки с асинхронизированным синхронным генератором. На фиг.2 представлена блок-схема функционального блока. На фиг.3 представлены графики семейства мощностных характеристик ветроколеса в функции скорости ветра P_ВК=f(U₀, n_i) различных постоянных скоростях вращения n_i, с шагом 1·об/мин; 1 - для идеального ветроколеса с коэффициентом мощности (критерий Жуковского - Бетца); 2 - для ветроколеса отечественной ветроэнергетической установки "Радуга 1" при коэффициенте быстроходности Z_const=7.3=const с коэффициентом мощности С_р-l≈14.5/27=0.53704, 3 - при скорости вращения n_ном=42 об/мин=const ветроколеса, 4 - Р_ВК=1131.9 кВт=const при управлении углом установки лопастей с учетом потерь.

На фиг.4 представлены сформированные функциональным блоком графики задания скорости вращения ветроколеса в функции скорости ветра n_зад=f(U,P_зад) соответственно для режимов: 1 - при Z_сonst=7.3=const, 2, 3, 4, 5, 6, 7 - при Р_зад=1131.9; 1000; 800; 600; 400; 200 кВт.

На фиг.5 представлены графики изменения мощностей трехлопастного ветроколеса при формировании задания его скорости вращения соответственно графикам с теми же номерами по фиг.4. На фиг.6 представлен фиксированный график задания скорости вращения ветроколеса в функции скорости ветра n_зад=f(U) для ВЭУ при работе на мощную энергосистему.

На фиг.7 представлены графики характеристик для ветроэнергетической установки "Радуга 1" в функции скорости ветра: 1 - полный график мощности ветроколеса (то же, что и 2 на фиг.5); 2 - график мощности статора асинхронизированного синхронного генератора (АСГ); 3 - график мощности в цепи возбуждения АСГ (Р_f на кольцах ротора); 4 - график мощности, отдаваемой ВЭУ в энергосистему с учетом всех потерь; 5, 6, 7 - линии перемены знака скольжения АСГ.

На фиг.8 представлена общая схема варианта ветроэнергетической установки с выпрямительно-инверторным преобразователем частоты в цепи статора генератора.

Согласно фиг.1 ветроэнергетическая установка содержит ветроколесо 1, мультипликатор 2, асинхронизированный синхронный генератор 3, энергосистему 4, полупроводниковый преобразователь частоты 5, трансформатор 6, блок 7 системы автоматического регулирования, датчик 8 положения вала ветроколеса, функциональный блок 9, датчик 10 скорости ветра и задатчик 11 мощности. Вал ветроколеса 1 соединен через мультипликатор 2 с валом генератора 3, статорная обмотка которого подсоединена к энергосистеме 4. Некоторые фирмы выпускают ветроэнергетические установки без мультипликатора, поэтому он на фиг.1 показан пунктиром. Генератор отечественной ветроэнергетической установки "Радуга 1" выполнен по типу асинхронизированной синхронной машины (Шакарян Ю.Г. Асинхронизированные синхронные машины. - М.: Энергоатомиздат, 1984). Многофазная обмотка ротора генератора подключена к силовому выходу полупроводникового преобразователя частоты 5, выполненного в виде известных или непосредственного преобразователя частоты, или выпрямительно-инверторного устройства (Жемеров Г.Г. Тиристорные преобразователи частоты с непосредственной связью. М.: "Энергия", 1977). Силовой вход преобразователя частоты 5 через трансформатор 6 соединен с цепью статорной обмотки генератора 3, а управляющий вход соединен с выходом блока 7 системы автоматического регулирования, первый и второй входы которого соединены соответственно с датчиком 8 положения вала ветроколеса и выходом функционального блока 9, первый вход которого соединен с датчиком 10 скорости ветра, а второй вход соединен с задатчиком 11 мощности. Датчик 10 скорости ветра, выполненный, например, как анемометр, расположен на гондоле ветроэнергетической установки. Задатчик 11 мощности в простейшем случае представляет собой источник постоянного сигнала.

Согласно фиг.2 функциональный блок 9 выполнен со вторым входом и содержит первый блок 15 задания скорости вращения ветроколеса, блок 16 коэффициента мощности, блок 17 быстроходности ветроколеса, второй блок 18 задания скорости вращения ветроколеса, блок 19 задания скорости ветра, блок 20 логики и блок 21 коммутаций с ключевыми элементами 22 и 23, при этом выход задатчика 11 мощности ветроколеса через второй вход функционального блока 9 соединен с первым входом блока 16 коэффициента мощности и входом блока 19 задания скорости ветра, выход которого соединен со вторым входом блока 20 логики, выход блока 16 коэффициента мощности через блок 17 быстроходности ветроколеса соединен с первым входом второго блока 18 задания скорости вращения ветроколеса и, далее, с первым входом первого ключевого элемента 22 блока 21 коммутаций, выход датчика 10 скорости ветра через первый вход функционального блока 9 соединен с входами первого блока 15 задания скорости вращения ветроколеса, с первым входом блока 20 логики, со вторым входом блока 16 коэффициента мощности и со вторым входом второго блока 18 задания скорости вращения ветроколеса, выход первого блока 15 задания скорости вращения ветроколеса соединен с первым входом второго ключевого элемента 23 блока 21 коммутаций, а первый и второй выходы блока 20 логики соединены соответственно со вторыми входами ключевых элементов 22 и 23 блока 21 коммутаций, выходы которых соединены с выходом функционального блока 9. Кроме того, функциональный блок выполнен с фиксированным графиком задания скорости вращения ветроколеса в функции скорости ветра.

Суть предложения поясняют графики на фиг.3. Там представлены графики семейства мощностных характеристик ветроколеса в функции скорости ветра P_BK=f(U, n) при различных постоянных скоростях вращения n с шагом 1·об /мин, снятых в диапазоне скоростей вращения ветроколеса от n=21·об/мин до n=42·об/мин. Там же приведен для примера график 4, представляющий собой характеристику мощности ветроколеса Р_BK=1131.9 кВт=const. при управлении углом установки его лопастей (например, гидросистемой как в прототипе) при постоянной скорости вращения n=const. Если же угол установки лопастей ветроколеса постоянный φ=const, то при той же постоянной мощности скорость вращения ветроколеса уже не может быть постоянной.

Если на фиг.3 принять график 4 заданием по мощности ветроколеса P_зад=1131.9 кВт=const и в точках равенства последнего с указанными графиками семейства мощностных характеристик ветроколеса в функции скорости ветра P_ВК=f(U, n) фиксировать значения скорости вращения ветроколеса и скорости ветра, то эти значения позволяют формировать задание на регулирование скорости вращения ветроколеса в функции скорости ветра, что и реализовано в данном предложении.

Некоторые параметры, а также результаты расчетов (в том числе на фиг.3) приведены для ветроэнергетической установки Российского производства типа "Радуга-1" мощностью 1 МВт с радиусом трехлопастного ветроколеса R_ВК=24 м, установленной в Калмыкии недалеко от г.Элисты (Селезнев И.С. Состояние и перспективы работ МКБ "Радуга" в области ветроэнергетики. Конверсия в машиностроении - Conversion in machine building of Russia, 1995, №5; Дьяков А.Ф., Перминов Э.М., Шакарян Ю.Г. Ветроэнергетика России. Состояние и перспективы развития. - М.: Издательство МЭИ, 1996).

Устройство работает следующим образом. Сигнал о текущем значении скорости ветра U_o от датчика 10 через первый вход функционального блока 9 поступает на вход первого блока 15 задания скорости вращения ветроколеса и первый вход блока 20 логики, а также и на вторые входы блока 16 коэффициента мощности и второго блока 18 задания скорости вращения ветроколеса. По сигналу U_o блок 15 формирует на своем выходе сигнал n_(z=const) задания скорости вращения ветроколеса по соотношению

где Z_consr=7.3=const - значение в диапазоне постоянной быстроходности для ветроэнергетической установки "Радуга-1".

Согласно (1) функция n_(Z=const)=f(U_o) на фиг.4 представлена частью графиков в виде наклонной прямой линии. Сигнал (1) обеспечивает работу с постоянной быстроходностью Z=const в диапазоне скоростей ветра от минимального значения запуска ветроэнергетической установки до скоростей ветра U_зад, значения которых определяются сигналом Р_зад задания по мощности ветроколеса (о сигналах U_зад и Р_зад ниже). Сигнал n_(Z=const) далее поступает на первый вход ключевого элемента 23 блока коммутаций 21.

Как указывалось, задатчик 11 мощности в простейшем случае представляет собой источник постоянного сигнала. Однако при работе ветроэнергетической установки на энергосистему соизмеримой мощности или на автономную нагрузку сигнал Р_зад задатчика 11 мощности может меняться для поддержания баланса мощностей в какой-то точке энергосистемы. Сигнал Р_зад с выхода задатчика 11 мощности ветроколеса через второй вход функционального блока 9 поступает на первый вход блока 16 коэффициента мощности и на вход блока 19 задания скорости ветра. По сигналам Р_зад и U_o блок 16 коэффициента мощности на своем выходе формирует сигнал коэффициента мощности С_р, реализуя соотношение

где ρ=1.2 кг/м³ - удельный вес воздуха.

Таким образом, этим решением выделяются только значения коэффициента мощности, характерные для точек равенства сигнала Р_зад задания по мощности ветроколеса и семейства сигналов множества характеристик мощности Р_BK=f(U₀, n_i) ветроколеса в функции скорости ветра при различных постоянных скоростях вращения ветроколеса.

Блок 19 задания скорости ветра на выходе формирует сигнал задания скорости ветра U_зад, реализуя соотношение

где C_р-1=14.5/27≈0.537=const - максимальный коэффициент мощности ветроэнергетической установки "Радуга-1".

Сигнал (2) с выхода блока 16 коэффициента мощности поступает на вход блока 17 быстроходности ветроколеса, представляющего собой внутренний функциональный блок с фиксированной настройкой (некоторая зависимость, заданная, например, в виде графика или таблично) и формирующего на своем выходе сигнал о быстроходности Z в соответствии с функцией

Функция (4), по сути, представляет собой обратную функцию от зависимости коэффициента мощности в функции быстроходности С_р=f(Z). Известно, что коэффициент мощности С_р и быстроходность Z связаны соотношением С_р=Z·C_M, где С_M - коэффициент крутящего момента ветроколеса и представляет собой реальную заданную аэродинамическую характеристику ветроколеса ветроэнергетической установки "Радуга-1" в виде функции С_M=f(Z), обычно снимаемую в аэродинамической трубе.

Сигнал (4) с выхода блока 17 быстроходности ветроколеса поступает на первый вход второго блока 18 задания скорости вращения ветроколеса. По сигналам U_o и Z блок 18 формирует сигнал задания скорости вращения ветроколеса по соотношению

Соотношение (5) справедливо в диапзоне скоростей ветра от U_зад до максимально допустимой, равной U_max=25 м/с для данной ветроэнергетической установки. Согласно (5) функция n_зад=f(U_o) на фиг.4 представлена частью графиков в виде шести плавно меняющихся линий для шести значений Р_зад. Сигнал (5) поступает на первый вход ключевого элемента 22 блока коммутаций 21.

По сигналам U_o и U_зад блок 20 логики, если U_o≤U_зад, формирует на своем выходе сигнал на включение на втором входе ключевого элемента 23 блока коммутаций 21, и на выход функционального блока 9 поступает сигнал n_(Z=const), обеспечивая работу ветроэнергетической установки с постоянной быстроходностью. Если же U_o>U_зад, блок 20 логики формирует на своем выходе сигнал на включение на втором входе ключевого элемента 22 блока коммутаций 21, и на выход функционального блока 9 поступает сигнал n_зад, обеспечивая работу ветроэнергетической установки с постоянной мощностью. На фиг.4 приведены для примера шесть полных характеристик заданий на скорость вращения ветроколеса во всем рабочем диапазоне скоростей ветра на выходе функционального блока 9. Для них были посчитаны полные мощности ветроколеса, графики которых с соответствующими номерами приведены на фиг.5. Видно, что в зоне работы с постоянной быстроходностью график мощности меняется по параболе третьего порядка. В зоне же скоростей ветра в диапазоне скоростей ветра U_зад<U≤U_max=25 м/с график мощности ветроколеса постоянный (некоторые шероховатости связаны с тем, что график по функции (4) набирался вручную), что является результатом реализации предложения. Сигнал задания на скорость вращения ветроколеса с выхода функционального блока 9 поступает на первый вход блока 7 системы автоматического регулирования, на второй вход которого поступает сигнал скорости вращения ветроколеса от датчика 8 положения его вала. Блок 7 системы автоматического регулирования по этим сигналам формирует сигнал закона регулирования (в простейшем случае это может быть пропорциональным регулированием) и воздействует на канал регулирования момента асинхронизированного синхронного генератора 3 так, чтобы скорость вращения ветроколеса отслеживал задание функционального блока 9. Одновременно блок 7 системы автоматического регулирования формирует сигнал вектора напряжения возбуждения по частоте вращения вала генератора и по частоте напряжения статора (их датчики не приводятся). Напряжение статорной цепи генератора через трансформатор 6, тиристорный преобразователь 5 частоты непосредственно по указанному сигналу блока 7 системы автоматического регулирования преобразует в напряжение возбуждения генератора требуемой амплитуды и частоты. При этом частота напряжения возбуждения (частота скольжения) асинхронизированного синхронного генератора всегда равна разности частоты напряжения цепи статора и частоты вращения его вала (с учетом числа пар полюсов генератора). В результате асинхронизированный синхронный генератор меняет свой момент на валу так, что скорость вращения ветроколеса (а следовательно, и самого генератора пропорционально коэффициенту передачи мультипликатора) меняется в зависимости от задания по мощности согласно графикам фиг.4, а мощность ветроколеса меняется согласно графикам фиг.5 в функции скорости ветра.

На фиг.6 представлен фиксированный график задания скорости вращения ветроколеса в функции скорости ветра n_зад=f(U) для ветроэнергетической установки "Радуга 1" при работе на мощную энергосистему для случая Р_зад=1131.9 кВт=const, когда величина напряжения энергосистемы и его частота постоянные (мощная энергосистема). На фиг.7 приведены графики характеристик для "Радуга 1" в функции скорости ветра, рассчитанные по уравнениям Парка - Горева, записанным по мощностям статора и ротора. Представлены: график 2 мощности Р статора асинхронизированного синхронного генератора, график 3 мощности Р_f возбуждения на его кольцах ротора и график 4 мощности, отдаваемой ветроэнергетической установкой в энергосистему с учетом всех потерь (при КПД мультипликатора, асинхронизированного синхронного генератора, непосредственного преобразователя частоты и трансформатора, равными η_МП=0.95; η_АСГ=0.93; η_НПЧ=η_Трf=0.98).

Влево от линии 5 и между линиями 6 и 7 скольжение отрицательное, а между линиями 5 и 6 и вправо от линии 7 скольжение положительное.

Из графиков очевидны особенности режима ВЭУ. Заключаются они в том, что в диапазоне скоростей ветра U_зад≤U≤U_max мощность, отдаваемая ВЭУ в энергосистему, постоянна, т.к. при принятом законе управления скоростью вращения ВК по графику фиг.6 его мощность согласно заданию Р_зад=Р_ВК=1131.9 кВт=const. В зависимости от знака скольжения она перераспределяется между статором и ротором. При этом между линиями 6 и 7 в зоне отрицательного скольжения мощность возбуждения P_f лишь циркулирует в замкнутом контуре, образуемом цепью статора и цепью возбуждения. В свою очередь это вызывает увеличение мощности в цепи статора. По графику 2 для асинхронизированного синхронного генератора максимальная мощность статора составляет P≈1110 кВт при скорости ветра U≈16.3 м/с. В то же время по графику 4 мощность, отдаваемая ветроэнергетической установкой в энергосистему, равна 1000 кВт. Тем не менее, генератор должен быть выбран на установленную мощность P≈1110 кВт. Т.е. отказ от системы регулирования углов установки лопастей влечет увеличение установленной мощности генератора. Об экономической стороне вопроса - ниже.

Ветроэнергетическая установка (ВЭУ), кроме рассмотренной с асинхронизированным синхронным генератором (АСГ), может иметь еще две модификации: с синхронным генератором (СГ) с преобразователем, содержащем выпрямительный и инверторный блоки в статорной цепи [Дьяков А.Ф., Перминов Э.М., Шакарян Ю.Г. Ветроэнергетика России. Состояние и перспективы развития. - М.: Издательство МЭИ, 1996, стр.77-78] и с асинхронным генератором (АГ) с таким же преобразователем в статорной цепи. Схема приведена на фиг.8. При этом блок преобразователя, подключенный к выводам статорной обмотки генератора, в последних двух модификациях должен быть выполнен на запираемых ключах. Для СГ и АГ при снижении скорости вращения ВК, согласно заданию по графику по фиг.4, из-за снижения величины и частоты напряжения статора необходимо увеличение амплитуды токов, что сохранит номинальную выдаваемую мощность в сеть, но потребует так же, как и для АСГ, увеличения установленной мощности СГ и АГ на те же десять процентов. Об экономической стороне вопроса можно отметить, что в (Nicole Weinhold. Inconspicuous world champions. New energy, 2005, №5, s.33-41) приведены данные о долевой стоимости каждого элемента в общей стоимости ВЭУ. Например, доля генератора составляет 4%, а доля системы управления углом установки лопастей составляет 5%. Понятно, что при рассмотренном регулировании удорожание ВЭУ из-за увеличения на десять процентов установленной мощности АСГ, СГ или АГ с лихвой покроется исключением системы управления углом установки лопастей.