Ветроэнергетическая установка

Предлагаемое изобретение относится к области электроэнергетики и может быть использовано в ветроэнергетических установках (ВЭУ) для повышения энергоэффективности выработки мощности.

Известна ветроэнергетическая установка, (Патент RU №132142, Ветроэнергетическая установка, заявл. 21.03.2013, опубл. 10.09.2013, Бюл. №25), являющаяся прототипом предлагаемого изобретения и содержащая генератор тока с датчиком момента на валу, узел выпрямления и фильтрации, датчик частоты вращения, функциональный преобразователь, блок деления, интегратор, датчик активной мощности. Датчик частоты вращения вала ветроколеса выдает на вход функционального преобразователя сигнал U_ω, пропорциональный частоте вращения вала ветроколеса. Повышение коэффициента использования энергии ветра С_P заключается в том, что в установившемся режиме работы установки при постоянной скорости ветра V и постоянстве частоты вращения вала ω на выходе узла выпрямления и фильтрации устанавливается сигнал, пропорциональный моменту на валу. При изменении скорости ветра на выходе сумматора возникает сигнал U_изб, пропорциональный избыточному моменту М_изб на валу. Поэтому в выходном сигнале сумматора появляется составляющая U_изб, способствующая увеличению угла управления тиристорами выпрямителя и уменьшению момента генератора М_г, что приводит к более быстрому изменению частоты вращения вала вслед за изменением скорости ветра. По мере увеличения частоты вращения вала ветроколеса механический момент генератора растет, и при достижении нового установившегося значения частоты вращения сигнал на выходе второго сумматора становится равным нулю. Данное устройство позволяет увеличить выработку электроэнергии за счет эффективных законов регулирования при изменении скорости ветра.

Однако указанная ветроэнергетическая установка обладает следующим недостатком: скорость ветрового потока принята неизменной, то есть как некоторая детерминированная постоянная величина на интервале времени. В реальной действительности ветровой поток обладает нерегулярными случайными отклонениями (флуктуациями) от некоторого среднего значения, т.е. должна использоваться вероятностная модель, которая не учитывается в прототипе.

Мощность, вырабатываемая ветроколесом (ВК) зависит от параметров ветрового потока, площадь ометаемой поверхности, положение гондолы, углом атаки к набегающему потоку ветра и определяется зависимостью

где ρ - плотность воздуха; А - ометаемая поверхность ветроколеса (м²); V - скорость ветра (м/с); С_р - параметр, характеризующий эффективность преобразования энергии ветра в электрическую энергию и зависит от конструкции ветроколеса.

Однако, приведенная выше математическая модель (1) является детерминистической, так как она не учитывает вероятностные отклонения от среднего значения на некотором интервале времени, то есть флуктуацию. скорости ветрового потока, что имеет место в реальной действительности.

Известно, что при нелинейной зависимости между входными и выходными параметрами любой технической системы возникает смещение (сдвиг) среднего значения (математического ожидания) выходного сигнала от величины дисперсии входного сигнала. Например, при квадратичной зависимости потерь активной мощности от тока в линиях электропередачи в детерминистической постановке,

где I - действующее значение тока; R - сопротивление линии.

В вероятностной постановке задачи, то есть с учетом отклонений тока от среднего значения, определяемых дисперсии тока (D_I) формула (2) является частным случаем. Новое выражение имеет вид

Подобным образом предлагается более точная зависимость между скоростью ветра, ее дисперсией и выработкой мощности ветроустановкой.

Разработка новой вероятностной модели оценки мощности, вырабатываемой ветроустановкой, выполнена через начальные и центральные моменты случайной величины скорости ветрового потока. Результирующее выражение имеет вид

где - математическое ожидание скорости ветра.

При сравнении (1) и (4) видно, что учет дисперсии скорости ветра (D_V), смещает величину вырабатываемой мощности ВЭУ в сторону большего значения. Иначе говоря, флуктуация ветрового потока позволяет увеличить вырабатываемую мощность ВЭУ, что обусловлено кубической нелинейной - зависимостью между скоростью ветра и мощностью ветроустановки.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение коэффициента использования энергии ветрового потока. На чертеже приведена структурная схема ветроэнергетической установки.

Заявленный результат достигается тем, что ветроэнергетическая установка содержит ветроколесо 1 с задатчиком 2 изменения угла атаки лопасти, датчик 3 скорости вращения вала, расположенный на выходе ветроколеса, генератор 4 электрического тока, к выходу которого подключен датчик 5 вырабатываемой генератором электрического тока активной мощности, к которому подключен датчик дополнительной вырабатываемой генератором электрического тока активной мощности, обусловленной среднеквадратическим отклонением скорости ветра 6 от ее математического ожидания, выход которого подключен к блоку фаззификации 7 регулятора нечеткого типа, блок 8 базы правил, выход которого подключен к блоку 9 дефаззификации, датчик 10 скорости ветра.

Предлагаемая установка работает следующим образом. Ветроколесо 1 вращается со скоростью (ω), измеряемой с помощью датчика 3. Генератор вырабатывает активную мощность (Р), измеряемую датчиком активной мощности 5, к выходу которого подключен датчик дополнительной вырабатываемой генератором активной мощности 6, обусловленной среднеквадратическим отклонением скорости ветра от ее математического ожидания. Выходы датчика 6, датчика скорости ветра (V) 10 и датчика скорости вращения ротора генератора (ω) 3 объединяются в блоке фаззификации 7, в котором входные четкие величины преобразуются в нечеткие лингвистические переменные. Лингвистические переменные из блока 7 поступают в блок базы правил 8, в котором каждому значению входной величины ставится в соответствие определенное значение выходной лингвистической переменной. Выходная лингвистическая переменная поступает в блок дефаззификации 9 лингвистических переменных в четкие выходные. На следующем этапе четкая выходная величина подается в задатчик 2 изменения угла атаки лопасти (α).

Использование регулятора нечеткого типа позволяет согласовать контуры регулирования мощности между собой по заранее написанным продукционным правилам, учитывающих возможные изменения параметров ветра во всех рабочих диапазонах. Иными словами, ввод датчика дополнительной активной мощности, обусловленной флуктуациями ветрового потока в контур регулирования, позволяет использовать в качестве входных величин скорость ветра и ее среднеквадратическое отклонение. Поэтому использование измеренного значения активной мощности приводит к увеличению коэффициента использования энергии ветрового потока.