Авторизация
Наша группа Вконтакте
Наши партнеры
КРЫМ. СТРОЙИНДУСТРИЯ. ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ ВЕСНА — 2016

Повышаем эффективность использования энергии ветра

Повышаем эффективность использования энергии ветра

Крупномасштабная добыча энергетических ресурсов земли приводит к постепенному их иссяканию, что заставляет человечество вновь обратиться к возобновляемым источникам энергии. Особое место среди возобновляемых источников энергии занимает ветроэнергетика. Для Украины, до недавнего времени, эта область энергетики оставалась неприоритетной, но сейчас она начинает развиваться и приобретает все большие масштабы.

Среди ветрогенераторных установок (ВУ) малой мощности, до 5-10 кВт, по их назначению и нагрузке можно выделить установки, работающие автономно с накопителем либо на общую энергосистему. В большинстве установок мощность, отбираемая от ветрогенератора (ВГ), фиксируется на некотором постоянном уровне, который задается обычно уровнем токоограничения установки. Если генерируемая ВУ энергия меньше этого уровня, то преобразования не происходит, и установка находится в режиме ожидания. Ввиду того, что область постоянно действующих ветров может находиться на достаточно низком уровне (3-4 м/с), уровень заданной, отбираемой мощности нужно устанавливать на таком уровне, чтобы обеспечить работу установки в нижнем уровне диапазона изменения скоростей ветров. Это обеспечивает практически постоянную работоспособность ВУ, но понижает ее использование на более высоких скоростях ветров, когда потенциально можно отдать мощности больше, чем установленный уровень. С другой стороны, повышение уровня отдаваемой мощности может быть ограничено предельными токами заряда накопительных элементов, и привести также к недоиспользованию установки на низких скоростях ветров. Для повышения эффективности использования генерируемой энергии предлагается использовать систему управления преобразователя с переменным уровнем отбираемой мощности, который зависит от того, какую мощность может обеспечить ВУ в данный момент. Предлагаемая система касается ВУ без систем механической стабилизации скорости, работающих непосредственно на сеть.

Для преобразования энергии используется ВУ мощностью 5 кВт. Диапазон скоростей ветра, при которых ожидается работоспособность установки, 3-20 м/с. При таком диапазоне изменения скоростей ветра энергия, которую может отдать ВГ, изменяется в диапазоне 200-5000 Вт, при диапазоне скорости вращения вала ВГ 50-650 об./мин. Сеть, на которую работает установка, представляет собой трехфазную сеть переменного напряжения 380 В промышленной частоты. Перед системой управления стоит задача передавать в сеть такую мощность, которую в данный момент может обеспечить ветрогенератор и таким образом обеспечить максимальный коэффициент использования ВУ. Функциональная схема системы представлена на рисунке 1.

Повышаем эффективность использования энергии ветра
Рисунок 1. Функциональная схема системы ВУ малой мощности 5-10 кВт без механической стабилизации скорости вращения, работающей параллельно сети

Она включает в себя собственно генератор, в качестве которого используется вентильная машина с постоянными магнитами, стабилизатор напряжения и инвертор, ведомый сетью. На вход инвертора подается постоянное по величине напряжение Uст = 250 В и задание на отдаваемую в сеть мощность Рз. На выходе инвертор подключается к трехфазной сети и инвертирует энергию в сеть.

Для нормальной работы инвертора на его входе необходимо поддерживать постоянное по величине напряжение с точностью 5%. Стабилизатор напряжения должен обеспечить постоянное выходное напряжение при изменении в широких пределах входного напряжения. В общем случае, при указанном выше диапазоне ветров, входное напряжение стабилизатора Uг может колебаться в пределах 70-300 В. На входе генератора - скорость вращения вала генератора wг, предаваемая ему от вала установки, на котором расположены лопасти, через мультиплексор.

При таком выходном напряжении стабилизатор должен предусматривать возможность как повышения, так и понижения входного напряжения. При этом максимальная кратность повышения входного напряжения составит около 4, а понижения - не более 0.8. Если входное напряжение стабилизатора превышает заданный порог, то стабилизатор и установка в целом отключаются и переходят в режим ожидания. Силовая часть стабилизатора с учетом этих требований выполнена по безтрансформаторной схеме с одной общей индуктивностью. Функциональная схема силовой части стабилизатора напряжения для ВУ показана на рисунке 2.

Повышаем эффективность использования энергии ветра
Рисунок 2. Функциональная схема силовой части стабилизатора ВУ

Представленная схема может работать в двух режимах: режиме повышения, когда напряжение на входе стабилизатора меньше, чем напряжение стабилизации, и режиме понижения, когда напряжение на входе стабилизатора больше, чем напряжение стабилизации. В первом режиме ключ К1 замкнут, а ключ К2 работает с некоторой скважностью, образуется так называемая бустерная схема. При этом, когда ключ К2 замкнут, напряжение на входе стабилизатора прикладывается к индуктивности L1 и по ней протекает ток. При этом запасается энергия в индуктивности. Когда ключ К2 размыкается, в индуктивности возникает ЭДС самоиндукции, которая складывается с напряжением входа стабилизатора, и на выходе стабилизатора получается напряжение выше, чем напряжение на входе стабилизатора. Во втором случае, когда схема работает в режиме понижения, ключ К2 разомкнут, а ключ К1 работает с некоторой скважностью, при этом образуется так называемая чопперная схема понижения. Индуктивность вместе с выходной емкостью С2 исполняет роль фильтра. Величина скважности, с которой работают ключи в каждом из режимов, определяется схемой управления, частота коммутации ключей 20 кГц. Принципы работы импульсных устройств, построенных по такой методике, подробнее изложены в материале «Электропривод по схеме: импульсный источник питания понижающего типа – двигатель» (Шпиглер Л. А.).

Для определения энергетических показателей ВУ стабилизатор оценивает входное напряжение и в соответствии с заложенной функцией, представляющей собой зависимость допустимой отдаваемой мощности от его напряжения при данной геометрии ВУ (величина лопасти, угол атаки), выдает задание на отдаваемую инвертором в сеть мощность. Вместе с формированием задания для инвертора стабилизатор формирует токоограничение, не превышающее максимальный ток, который может отдать генератор, чтобы максимально использовать установку, но не перегрузить ее, что неизбежно приведет к снижению скорости вращения установки и конечной ее остановке. Структурная схема системы показана на рисунке 3.

Повышаем эффективность использования энергии ветра
Рисунок 3. Структурная схема системы управления ВУ

Система управления выполнена по принципу подчиненного управления с пропорционально - интегральными регуляторами напряжения и тока (РН и РТ). Выходной сигнал с регулятора напряжения подается на узел зависимого токоограничения (ЗТ), который формирует закон токоограничения в соответствии с заложенной функцией. Силовая часть стабилизатора (СТ) представлена инерционным звеном, а инвертор, исполняющий роль нагрузки, представлен звеном с изменяющимся внутренним сопротивлением, которое также изменяется в соответствии с заданием, формируемым звеном (ЗН). Внутри этого звена заложена нагрузочная характеристика установки; с ее помощью можно определить величину мощности, которую может отдать установка в каждом конкретном режиме ВУ и сети. Типовые нагрузочные характеристики ВУ описаны в материале «Возобновляемые источники энергии» (Твайдел Дж., Уэйр А.).

Результаты моделирования по структурной схеме системы, изображенной на рисунке 3, показаны на рисунке 4.

Повышаем эффективность использования энергии ветра
Рисунок 4. Результаты моделирования системы:
1 - график изменения входного напряжения стабилизатора, пик на графике соответствует порыву ветра;
2 - график изменения выходного напряжения стабилизатора ВУ, В;
3 - графики изменения тока стабилизатора

Из полученных графиков можно сделать вывод о работоспособности предложенной системы и ее эффективности при изменяющейся скорости ветра. Отработка системой заложенной характеристики составляет практически 100%, это видно из совпадения задания на ток и фактического тока системы, а нестабильность выходного напряжения стабилизатора составляет не более 3%. По предложенной структурной схеме системы и стабилизатора был спроектирован и создан опытный образец стабилизатора, а также проведены его испытания вместе с генератором мощностью 5 кВт и ведомым сетью инвертором немецкой фирмы Test&Power Solutions мощностью 6 кВт. При этом система стабилизации выходного напряжения стабилизатора была создана цифровом виде с использованием микроконтроллера фирмы Texas Instruments.

Результаты экспериментального исследования системы, представляющие собой зависимость мощности, отдаваемой в сеть инвертором, от скорости вращения вала ВГ, показаны на рисунке 5.

Повышаем эффективность использования энергии ветра
Рисунок 5. Результаты экспериментального исследования системы ВУ

Результаты экспериментального исследования подтверждают теоретические данные, полученные при моделировании структуры системы, и показывают ее эффективность в широком диапазоне скоростей вращения вала генератора, а значит и скоростей ветрового потока.

После проведения экспериментальных исследований опытного образца стабилизатора была выпущена опытная серия стабилизаторов в количестве 10 шт для маломощных ВУ мощностью 5 кВт.

Смотров Е.А., Вершинин Д.В., Гулый М.В.
Рейтинг:
0
Добавить комментарий
Ваше Имя:
Ваш E-Mail:
  • bowtiesmilelaughingblushsmileyrelaxedsmirk
    heart_eyeskissing_heartkissing_closed_eyesflushedrelievedsatisfiedgrin
    winkstuck_out_tongue_winking_eyestuck_out_tongue_closed_eyesgrinningkissingstuck_out_tonguesleeping
    worriedfrowninganguishedopen_mouthgrimacingconfusedhushed
    expressionlessunamusedsweat_smilesweatdisappointed_relievedwearypensive
    disappointedconfoundedfearfulcold_sweatperseverecrysob
    joyastonishedscreamtired_faceangryragetriumph
    sleepyyummasksunglassesdizzy_faceimpsmiling_imp
    neutral_faceno_mouthinnocent
Вопрос:
От чего дают энергию солнечные батареи?
Ответ:*
Важно ваше мнение
Какая на Ваш взгляд самая перспективная технология в энергетике?