Размещено на http://www.allbest.ru/

Разработка системы автоматического регулирования напряжения асинхронного генератора ветроэнергетической установки

К.Ф. Шарафеддин, С.А. Цырук, Х.С. Сангов

Аннотация

РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ АСИНХРОННОГО ГЕНЕРАТОРА ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ

К. Ф. Шарафеддин¹, С.А. Цырук², Х.С. Сангов²,

¹Ливанский Университет, Бейрут, Ливан,

²ФГБОУ ВО "Национальный исследовательский университет "МЭИ", Москва, Россия,

e-mail: koukou4432@mail.ru, TsyrukSA@mpei.ru, khushdil.sangov@mail.ru.

В статье рассматривается задача стабилизации частоты и величины выходного напряжения ветрогенераторной установки с асинхронным генератором с самовозбуждением посредством добавочного активного сопротивления в цепь ротора и оптимального подбора величины входного сопротивления на выводах генератора. Дано описание математической модели асинхронной машины для исследования нагрузочных характеристик в интервале от режима холостого хода до номинальной нагрузки, с целью обеспечения устойчивой работы.

KF Charafeddin¹, S.A. Tsyruk², K.S. Sangov²,

¹ Lebanon University, Beirut, Lebanon,

² FGBOU VO "National Research University" MPEI ", Moscow, Russia,

e-mail: koukou4432@mail.ru, TsyrukSA@mpei.ru, khushdil.sangov@mail.ru.

This article considers the problem of stabilizing the frequency and the output voltage of a wind turbine with self-excited induction generator, by inserting an additional active resistance into the rotor circuit and by optimal selection of the proper capacitor to be connected to the generator terminals. To ensure a stable operation of induction machine a mathematical model for the load characteristics from no-load to full- load was investigated.

Введение

В настоящее время ветрогенераторы играют важную роль в научных исследованиях, поскольку они работают от возобновляемой источниках энергии и не имеют загрязнения во время эксплуатации. В течение двух десятилетий отмечается рост единичных мощностей ветроэнергетических установок (ВЭУ) от 100 до 10000 кВт. При этом в [1] указано экономические аспекты ветровой энергии, оценка себестоимости получения энергии с помощью ВЭУ в различных условиях, оценка общей экономической эффективности их использования. Многие работы и публикации описывают эту проблему, когда они отвечают на многие вопросы и решают различные проблемы. В работе [2] указано, что асинхронные генераторы (АГ) отличаются простотой эксплуатации и обслуживания, легко включаются на параллельную работу, кривая форма выходного напряжения у них ближе к синусоидальной, чем у синхронных генераторов (СГ) при работе под нагрузкой. Как указывается в [3] АГ может работать в автономных условиях, без включения в общую сеть. В этом случае для получения реактивной мощности необходимой для намагничивания генератора, используется конденсаторные батареи. Особенно условием такой работы АГ является наличие остаточного намагничивания стали ротора, что необходимо для процесса самовозбуждения генератора. В работе [4] разработана система управления асинхронным генератором для возобновляемых источников энергии. Доказано что при минимальном количестве емкостей система управления ВЭУ регулирование выходного напряжения генератора возможно в пределах от 180 до 250В и изменении частоты от 45 до 55 Гц. Авторы [6] представляют подробный анализ работы установившегося режима самовозбуждающегося асинхронного генератора. Они используют свою эквивалентную схему и фильтр активной мощности для расчета минимальной ёмкости возбуждения и контроля качества электроэнергии. Теперь автоматическое управление напряжением асинхронного генератора может иметь решения с современными силовыми электронными устройствами и силовыми преобразователям [7].

ветрогенераторная асинхронный стабилизация напряжение

I. Аналитический анализ устойчивости машины

Испытательная система состоит из асинхронной машины, приводимой в движение двигателем постоянного тока с трехфазным блоком конденсаторов для обеспечения самовозбуждения и нагрузки. Поскольку нагрузка изменяется случайным образом, конденсатор должен быть изменен, чтобы получить желаемое регулирование напряжения. Для анализа может использоваться операционная однофазная эквивалентная схема на рис. 1.

Рис. 1. Операционная однофазная эквивалентная схема

Для заданной скорости, емкостного сопротивления и сопротивления нагрузки известны все параметры, кроме реактивности ветви намагничивания Xm и частоты. Для определения этих двух параметров используется эквивалентная схема, приведенная на рис. 2

Рис. 2. Эквивалентная схема замещения

Для этой схемы введём следующие параметры:

(1)

где - фактическая частота;- номинальная частота; - фактическая частота вращения; - номинальная частота вращения.

Уравнение контура схемы (рис. 2) можно записать по закону Кирхгофа в виде:

(2)

Расчёт уравнения (2) в функции относительной частоты а, перепишется в следующем виде:

(3)

где и- являются коэффициентами, зависящими от параметров машины, емкости, скорости и сопротивления нагрузки.

Решая уравнение (3), получаем три сложных корня, а именно:

, , (4)

Стабильность машины зависит от значений этих корней. Анализ показывает, что если m всегда отрицательно, то корень отвергается и обычно два из них отрицательны. Оставшийся корень имеет m с одним из трех состояний, отрицательным, нулевым или положительным. Если m равно нулю, машина стабильна.

II. Автоматическое регулирование напряжения

Рис. 3. Однолинейная схема автоматического регулирования напряжения

Автоматический регулятор напряжения (АРН) является основным контроллером, который должен использоваться с самовозбуждающимся АГ. Чтобы достичь работы асинхронной машины в области генератора, мы должны подключить соответствующий трехфазный конденсаторный батареи к выводам машины, приводимые в действие внешним механическим источником, таким образом, как правило, генерируется ЭДС. Это явление известно как самовозбуждение АГ. Поскольку изменение частоты с нагрузкой незначительно при постоянной скорости первичного двигателя, напряжение на выводах можно поддерживать постоянной при различных нагрузках, регулируя ёмкость. Мы предлагаем новый метод, основанный на схеме коммутируемых конденсаторов, в котором сигнал обратной связи берется из выпрямленного вторичного напряжения понижающего трансформатора, подключенного к выходу генератора. Постоянная логическая схема с постоянным напряжением генерирует последовательность импульсов к входам симисторов. Время включения этих импульсов выбирается равным 60 мкс для покрытия нулевого напряжения фазного напряжения переменного тока, а время отключения составляет 30 мкс для покрытия нулевого тока конденсатора.

III. Экспериментальные результаты

Чтобы сравнить теорию с практикой на кафедре ЭППЭ, НИУ. "МЭИ" нами разработан испытательный стенд (рис. 4) для двигательного и генераторного режима асинхронной машины, был проведен ряд экспериментов с использованием:

1. Отдельно-возбужденный двигатель постоянного тока ДПТ; Pн =3,2 кВт; Uн =230В; Iн =13,9А; n =1450 об/мин; КПД - 88 %; Uв = 115 В; Вес -88кг.

2. Стандартный асинхронный двигатель типа АОЛ 2-32-4; Pн=3,2 кВт; 3хф ~50Гц; статор 220/ 380В; Iн=11,4/6,6А; КПД - 83 %; n=1450 об/мин; Вес- 31кг.

3. Выпрямительное устройство: Uн = 220 В; Iн = 25А; резистивный нагрузочный блок: 3 кВт, 220 В; измеритель скорости вращения - DT - 2234A.

Асинхронный двигатель установлен с машиной постоянного тока на одном фундаменте. Питание машина постоянного тока выполнено через трёхфазный автотрансформатор ЛАТР и выпрямительный мост, собранный по схеме Ларионова.

Рис. 4. Схема экспериментальной установки для испытания асинхронной машины

Для определения параметров асинхронной машины мы используем известные методы. Опыт на постоянное напряжение определяет сопротивления обмотки статора r₁, в то время как опыт на короткое замыкание обеспечивает следующие параметры: x₁, x₂ и r₂, Опыт холостого хода для определение намагничивающее реактивное сопротивление X_M и E_{М -} ЭДС, индуктируемой в фазах обмотки статора и приведенное к обмотке ротора. Полученные численные значения были, ,,. Полученные результаты из этих опытов приведены в табл. 1 и 2.

Рис. 5. Кривая намагничивания

Рис. 6. Изменение намагничивающего реактивного сопротивления в зависимости от тока намагничивания

Рис. 7. Изменение ЭДС с сопротивлением намагничивания

Следующий опыт - нагрузочное испытание с переменной нагрузкой при постоянной напряжения и скорости вращения (n=1500об/мин, Vt =220 В)

Рис. 8. Зависимости параметров машины от выходной мощности и нагрузки

Рис. 9. Зависимости параметров машины от выходной мощности и ёмкости

Таблица I. Результаты нагрузочных опытов с различными емкостями (Uф =220 В, n = 1500 об/мин)

Рис. 10. Зависимости параметров машины от выходной мощности и сопротивление нагрузки

Таблица II. Результаты опыта холостого хода

Выводы

В данной работе предлагается новая система АРН, основанной на вычислении требуемой ёмкости для регулирования напряжения по ранее построенных кривых машин экспериментальным путем. Разработанная система позволяет асинхронному генератору быть конкурентоспособным в ветроэнергетике. Определены значения ёмкости для каждой нагрузки, и соответственно необходимую реактивную мощность, что позволила генератору работать устойчиво под любой нагрузкой. Стабилизация напряжения при работе в автономных системах электроснабжения и работающих параллельно с централизованным источником питания приводит к повышению экономической эффективности. Предложенная нами модель подтвердилась результатами экспериментальных работ.

Список литературы