Керування нестаціонарними режимами роботи вітроустановок промислових вітроелектричних станцій

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ ЕЛЕКТРОДИНАМІКИ

УДК 621.548:621.311.24

КЕРУВАННЯ НЕСТАЦІОНАРНИМИ РЕЖИМАМИ

РОБОТИ ВІТРОУСТАНОВОК ПРОМИСЛОВИХ

ВІТРОЕЛЕКТРИЧНИХ СТАНЦІЙ

Спеціальність: 05.14.08 - Перетворювання відновлюваних

видів енергії

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Васько Віктор Петрович

Київ - 2003

АНОТАЦІЇ

Васько В.П. Керування нестаціонарними режимами роботи вітроустановок промислових вітроелектричних станцій. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.14.08 - перетворювання відновлюваних видів енергії. - Інститут електродинаміки НАН України, Київ, 2003.

Дисертація присвячена визначенню законів і параметрів керування експлуатаційними нестаціонарними режимами роботи ВЕУ промислових ВЕС, які зменшують аеромеханічні та електричні навантаження на основні елементи конструкції. Розроблено математичну модель вітроустановки як об'єкта керування в довільних діапазонах зміни швидкості вітру, кута повороту та частоти обертання лопатів на основі кубічних сплайнів аеродинамічних характеристик. Досліджено динаміку аеромеханічних і електричних навантажень складових частин ВЕУ за різних способів керування генерованою потужністю (флюгерного, антифлюгерного, автостабілізації та керованої автостабілізації) та в процесі пуску і зупинення. Узагальнення результатів для установок різної потужності в діапазоні (100-1000)кВт виконано шляхом побудови номограм динамічних навантажень в функції параметрів керування та інерційної сталої часу ВЕУ. Визначено раціональні способи зменшення перенапруги ВЕУ та компенсації реактивної енергії ВЕС. Основні результати роботи знайшли застосування при розробці нормативно-технічної документації з виробництва ВЕУ та експлуатації ВЕС.

Ключові слова: аеромеханічне зусилля, вітроустановка, генератор, керування, математичне моделювання, напруга, потужність, сплайн.

Vasko V.P. Dynamic operation modes controlling wind turbines of industrial wind power stations. - Manuscript.

Thesis for a candidate of engineering science degree, speciality 05.14.08 - Renewable Energy Conversion. - The Institute of Electrodynamics of Ukrainian National Academy of Sciences, Kyiv, 2003.

The thesis is devoted to the determination of laws and parameters of dynamic operation modes controlling wind turbines of industrial wind power stations for the reduction of aeromechanical and electrical loads on the main turbine's components. The mathematical model of the wind turbine is developed on the basis of cubic splines of the rotor's aerodynamic characteristics, as a function of control with variable wind speed, pitch angle and rotor speed. The dynamic of aeromechanical and electrical loads on the wind turbine's components is investigated for the different aerodynamic control principles (pitch, anti pitch, stall and active stall) in power generation modes, startup and shutdown. The obtained results for wind turbines with a rated power range 100-1000 kW are generalized by the dynamic load nomograms, as a function of controlling parameters and the wind turbine inertial time constant. Rational methods of over-voltage reduction and reactive power compensation are determined. The general results obtained have been used for the development of standards and technical documentation for wind turbine manufacturing and operation.

Key words: aeromechanical load, wind turbine, generator, controlling, mathematical modeling, voltage, power, spline.

Васько В.П. Управление нестационарными режимами работы ветроустановок промышленных ветроэлектрических станций. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.14.08 - преобразование возобновляемых видов энергии. - Институт электродинамики НАН Украины, Киев, 2003.

Диссертация посвящена определению законов и параметров управления нестационарными режимами работы ВЭУ промышленных ВЭС, которые снижают аэромеханические и электрические нагрузки на основные элементы конструкции в процессе эксплуатации.

По результатам экспериментальных исследований динамики эксплуатационных режимов работы и статистического анализа отказов серийных ВЭУ промышленных ВЭС установлено, что наиболее часто повреждаются составные части ветроустановки, которые воспринимают пульсирующие механические и электрические нагрузки (ротор, механизм поворота лопастей, трансмиссия, электрическое силовое оборудование).

Разработана обобщенная математическая модель ротора ВЭУ как объекта управления на основе интерполяционных кубических сплайнов аэродинамических характеристик, которая позволяет определить аэромеханические нагрузки в произвольных диапазонах изменения скорости ветра, угла поворота и частоты вращения лопастей в эксплуатационных режимах работы. Адекватность и корректность результатов моделирования достигается в результате использования в узлах интерполяции условий непрерывности производных до второго порядка включительно и применения непрерывности производных третьего порядка для краевых условий.

Разработан метод определения обобщенных законов управления ветроустановкой как результат пересечения поверхности мощности и поверхности управления, спроектированный на определенную координатную плоскость (флюгерное управление, антифлюгерное управление, автостабилизация). Предложено и обосновано режим регулированной автостабилизации мощности ветроустановки на больших скоростях ветра, который характеризуется малым диапазоном изменения угла поворота лопастей и приемлемыми аэромеханическими нагрузками.

Усовершенствовано математическую модель динамики эксплуатационных режимов ВЭУ в результате использования модели ротора на основе кубических сплайнов аэродинамических характеристик и учета параметров эквивалентной электрической схемы замещения промышленной ВЭС в составе электросистемы. Математическая модель представляет собой систему нелинейных дифференциальных уравнений и позволяет рассчитывать переходные аэромеханические, механические и электрические процессы в режимах генерирования, пуска и останова ветроустановок с поворотными и фиксированными лопастями.

Проведены расчетные исследования аэромеханических перегрузок лопастей ротора и электрических перегрузок генератора в режимах пуска и останова ВЭУ путем поворота лопастей, механического торможения трансмиссии, пуска с помощью генератора в двигательном режиме. Обобщение результатов для установок различной мощности в диапазоне (100-1000)кВт выполнено с помощью построения номограмм динамических нагрузок в функции параметров регулирования и инерционной постоянной времени ВЭУ. Номограммы позволяют определить необходимые значения быстродействия механизма поворота лопастей и механизма торможения, скорости изменения напряжения на генераторе для ограничения динамических нагрузок на заданном уровне. Определено, что наибольшие аэромеханические нагрузки характерны для режима останова. Наименьшие аэромеханические нагрузки во время останова достигаются в результате применения механического торможения силовой трансмиссии.

Исследовано динамику аэромеханических и электрических нагрузок составных частей ВЭУ в нагрузочных режимах при различных способах управления генерированной мощностью (флюгерного, антифлюгерного, автостабилизации и регулированной автостабилизации). Обосновано применение способов флюгерного управления и автостабилизации для ВЭУ мощностью (100-1000)кВт и способа регулированной автостабилизации для установок большей мощности. Определено, что в процессе регулирования мощности аэромеханическое усилие лобового давления на лопасть в 5-8 раз больше чем тяговое, которое порождает вращающий момент ротора. Максимальное быстродействие механизма поворота лопастей для стабилизации генерированной мощности на скоростях ветра больших за номинальное значение должно составлять около 6 град/с.

Определены и исследованы причины возникновения и уровни перенапряжения составных частей промышленных ВЭС в режиме генерирования электроэнергии. Обоснован способ уменьшения перенапряжения ВЭУ на введенных в эксплуатацию ВЭС путем изменения коэффициента трансформации силового трансформатора ТП. Определен рациональный способ компенсации реактивной энергии ВЭС на основе ВЭУ с асинхронным генератором, который состоит в подключении на клеммы генератора конденсаторной батареи только для компенсации реактивной мощности контура намагничивания и подключения на входе станции конденсаторных батарей с регулируемой емкостью для компенсации реактивной мощности в нагрузочном режиме.

Основные результаты диссертационной работы нашли применение при разработке нормативно-технической документации с производства ВЭУ и эксплуатации ВЭС и рекомендуются для дальнейшего использования при создании и изготовлении ВЭУ в ГКБ “Южное” и ПО “Южный машиностроительный завод им. О.М.Макарова” (г. Днепропетровск), при проектировании ВЭС в организациях “Укргидропроект” и “Укрэнергосетьпроект” (г. Харьков), в образовательном процессе при подготовке инженеров на кафедре “Возобновляемые источники энергии” Национального технического университета Украины “КПИ” (г. Киев).

Ключевые слова: аэромеханическое усилие, ветроустановка, генератор, управление, математическое моделирование, напряжение, мощность, сплайн.

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в аспірантурі Інституту електродинаміки НАН України, м. Київ.

Науковий керівник - доктор технічних наук, старший науковий співробітник Кудря Степан Олександрович, Інститут електродинаміки НАН України, завідувач відділу загальних проблем використання відновлюваних джерел енергії.

Офіційні опоненти:

- доктор технічних наук, професор Яковлєв Олександр Іванович, Національний аерокосмічний університет ім. М.Є. Жуковського “ХАІ” Міністерства освіти і науки України, завідувач кафедри електроенергетики та електротехніки;

- кандидат технічних наук, старший науковий співробітник Головко Володимир Михайлович, Національний науковий центр “Інститут механізації та електрифікації сільського господарства” Української академії аграрних наук, старший науковий співробітник відділу електрифікації та автоматизації сільського господарства.

Провідна установа - Національний технічний університет України “КПІ” Міністерства освіти і науки України, кафедра електричних станцій, м. Київ.

Захист відбудеться “08” жовтня 2003 р. об 11-00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.187.03 в Інституті електродинаміки НАН України за адресою: 03680, м. Київ-57, просп. Перемоги, 56, тел. 456-91-15.

З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці Інституту електродинаміки НАН України (03680, м. Київ-57, просп. Перемоги, 56).

Автореферат розіслано “04” вересня 2003 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради О.І. Титко

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Підвищення експлуатаційної надійності функціонування вітроелектричних установок промислових ВЕС дозволяє збільшити обсяги виробництва екологічно чистої електроенергії та зменшити її вартість. Особливо важливого значення набуває ця задача на початковому етапі освоєння нових видів техніки і технологій, до яких відносяться вітроелектричні установки (ВЕУ) зокрема, та вітроенергетика взагалі. Розвиток вітроенергетики в Україні відбувається згідно Національної енергетичної програми, де передбачено ввести в дію до 2010 року 1990 МВт потужностей вітроустановок. Практична реалізація планових завдань розвитку вітроенергетики здійснюється у відповідності до Комплексної програми будівництва вітрових електростанцій, схваленої Кабінетом міністрів України в 1997 році. За станом на 01.02.2003 року виготовлено більше 550 штук ліцензійних вітроустановок номінальною потужністю 107.5 кВт та споруджено перші черги промислових ВЕС.

Актуальність теми. Задача підвищення експлуатаційної надійності промислових вітроелектростанцій (ВЕС) на першому етапі реалізації Комплексної програми вирішувалась, в основному, шляхом застосуванням нових матеріалів та забезпечення якості виготовлення деталей та вузлів. На другому етапі Комплексної програми передбачається застосування ВЕУ номінальною потужністю 600-1000 кВт. Виробництво та використання сучасних конкурентноспроможних установок потребує детального аналізу динаміки аеромеханічних процесів перетворення кінетичної енергії вітрового потоку в електроенергію. Сутність наукового завдання даної дисертаційної роботи полягає в підвищенні показників надійності складових частин сучасних ВЕУ шляхом визначення та застосування законів і параметрів керування, що зменшують динамічні навантаження на основні елементи конструкції в процесі експлуатації.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана у відповідності з планами наукових досліджень Відділення комплексних енергетичних систем з відновлюваними джерелами енергії Інституту електродинаміки НАН України, що проводяться згідно Постанови Бюро Відділення фізико-технічних проблем енергетики НАН України від 11 березня 1999 року за темою “Розвинути теорію і розробити методи інтенсифікації процесів перетворення енергії в системах енергопостачання на основі відновлюваних джерел” (№ДР 0198U008150) та розділу НДР Комплексної програми будівництва вітрових електростанцій в Україні, схваленої Постановою Кабінету Міністрів України №137 від 03 лютого 1997 року. В даних НДР автору належать: математична модель динаміки нестаціонарних електромеханічних процесів ВЕУ за різних способів керування потужністю; еквівалентна електрична схема заміщення ВЕУ в складі промислової ВЕС та електросистеми; способи компенсації реактивної потужності та зменшення перенапруги ВЕУ та ВЕС.

Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є визначення законів та параметрів керування, які забезпечують зменшення динамічних навантажень складових частин вітроелектричних установок в процесі експлуатації. ротор електромеханічний вітер математичний

Для досягнення мети роботи вирішувались наступні основні задачі:

- розробка математичної моделі ротора ВЕУ як об'єкта керування в довільних діапазонах зміни швидкості вітру, кута повороту та частоти обертання лопатів, визначення узагальнених законів керування;

- розробка математичних моделей нестаціонарних електромеханічних процесів ВЕУ з урахуванням пульсацій швидкості вітру, параметрів вітроелектричної станції та електричної системи;

- визначення параметрів керування нестаціонарними режимами роботи ВЕУ для зменшення динамічних аеромеханічних навантажень на лопаті та елементи силової трансмісії, електричних навантажень генератора;

- дослідження способів компенсації реактивної потужності ВЕУ з асинхронними генераторами в складі промислових ВЕС.

Об'єкт дослідження - вітроелектричні установки промислових ВЕС.

Предмет дослідження - закони і параметри керування експлуатаційними нестаціонарними режимами роботи вітроустановок з асинхронними генераторами.

Методи дослідження. Для розв'язання поставлених задач використовувались: методи сплайн-функцій для моделювання аеродинамічних характеристик ротора ВЕУ; чисельні методи розв'язку систем нелінійних диференційних рівнянь математичної моделі динаміки нестаціонарних режимів роботи ВЕУ; методи теоретичних основ електротехніки для розрахунку параметрів електротехнічного обладнання та електроенергетичної системи.

Наукова новизна одержаних автором результатів полягає в наступному:

1. Вперше розроблено математичну модель ротора вітроустановки як об'єкта керування в довільних діапазонах зміни швидкості вітру, кута повороту та частоти обертання лопатів на основі кубічних сплайнів аеродинамічних характеристик.

2. Вперше розроблено метод визначення узагальнених законів керування вітроустановки шляхом перетину поверхні сплайну потужності та площин регулювання.

3. Обґрунтовано режим керованої автостабілізації потужності вітроустановки на великих швидкостях вітру.

4. Удосконалено математичну модель динаміки нестаціонарних електромеханічних процесів ВЕУ в результаті урахування параметрів вітроелектричної станції та електроенергетичної системи.

Практичне значення одержаних результатів. Розроблені математичні моделі, закони та параметри керування дозволяють підвищити експлуатаційну надійність вітроелектричних установок та промислових ВЕС, споруджених згідно Комплексної програми будівництва вітрових електростанцій в Україні. Одержані теоретичні результати надають можливість обгрунтування та вибору раціональних типів ВЕУ потужністю 600-1000 кВт та режимів їх експлуатації, застосування яких передбачено на другому етапі реалізації Комплексної програми.

Результати дисертаційної роботи знайшли практичне застосування при виконанні 4 договорів за участі автора і були впроваджені в виді інженерних методик розрахунку та комп'ютерних програм: в ДержНДІ нетрадиційної енергетики та електротехніки Міненерго України і в Управлінні вітроенергетики Комітету промислової політики України для проведення статистичного аналізу відмов та інших показників надійності експлуатації ВЕУ; в спільному американо-українському підприємстві “Уінденерго Лтд” з виробництва серійних ВЕУ для визначення впливу уставок керування на показники експлуатації та періодичності діагностики механізму повороту лопатів ВЕУ; в Державному науково-промисловому підприємстві “Укренергомаш” Мінпромполітики України для визначення параметрів еквівалентної схеми заміщення багатоагрегатної ВЕС на основі ВЕУ з асинхронними генераторами. Результати впровадження підтверджені 5-ма відповідними актами.

Особистий внесок автора. Всі результати дисертаційної роботи отримано автором особисто. В друкованих працях, опублікованих у співавторстві, дисертанту належить: в [2] - визначення коефіцієнта функціональної придатності ВЕУ; в [3] - стан будівництва промислових ВЕС; в [4] - математична модель динаміки ВЕУ; в [8] - методика дослідної експлуатації ВЕУ; в [9] - визначення помірної оцінки середнього значення наробітку на відмову; в [10] - структурна схема моделі; в [15] - результати експериментальних досліджень; в [16] - розрахункові дослідження параметрів технологічного процесу виробництва електроенергії ВЕУ; в [17] - розрахункові дослідження питомої потужності компенсатора реактивної енергії ВЕУ; в [20] - математична модель динаміки нестаціонарних електромеханічних процесів ВЕУ.

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертаційної роботи доповідались та обговорювались на: II міжнародній науково-технічній конференції “Нетрадиционные источники, передающие системы и преобразователи энергии” (16-18 червня 1999р., м. Харків, Україна); YIII науково-практичній конференції Міненерго України з питань розвитку й впровадження техніки і технологій використання нетрадиційних і поновлюваних джерел енергії (15-20 вересня 1999р., смт. Миколаївка, АР Крим, Україна); міжнародній науково-технічній конференції “Силовая электроника и энергоэффективность” (10-14 вересня 1999р.,

м. Алушта, Україна); 3-тій міжнародній науково-технічній конференції “Математичне моделювання в електротехніці, електроніці та електроенергетиці” (25-30 жовтня 1999р., м. Львів, Україна); конференції “Small-scale Technologies, especially for Use in Developing Countries” (6 листопада 1999р., Folkecenter for Renewable Energy, Данія); Європейському семінарі “Offshore Wind Energy in Mediterranean and other European Seas: Technology and Potential Applications - OWEMES 2000” (13-15 квітня 2000р., Siracusa-Sicilia, Італія); міжнародній конференції “Экологически чистая энергия для Крыма” (23-25 квітня 2001р., м. Гурзуф, Україна); всеукраїнській науково-практичній конференції “Вплив вітру на будинки і споруди” (28-30 травня 2001р., м. Макіївка, Україна); науково-технічній конференції “Особливості будівництва та експлуатації ВЕС в умовах України” (22-24 квітня 2002р., “Пуща Озерна”, Київ, Україна); 3-тій міжнародній конференції “Нетрадиционная энергетика в ХХІ веке” (9-15 вересня 2002р., м. Судак, АР Крим, Україна).

Публікації результатів наукових досліджень. Основний зміст дисертаційної роботи відображено в 20 публікаціях (7 статей в фахових наукових виданнях, із них 4 без співавторів; 8 статей в профільних журналах та книгах, із них 3 без співавторів; 3 статті в збірниках доповідей конференцій, із них 1 без співавторів; 1 теза доповіді на конференції без співавторів; 1 науково-технічний звіт, що має номер державної реєстрації).

Структура та обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається з вступу, чотирьох розділів, загальних висновків, переліку використаних джерел (127 найменувань) і додатку. Загальний обсяг дисертації складає 184 сторінки, у тому числі 167 сторінок основного тексту, 78 рисунків, 10 таблиць, перелік використаних джерел і один додаток на 17 сторінках. Рисунки, які розміщені на окремих сторінках дисертації, займають 43 сторінки.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі подано загальну характеристику роботи, її зв'язок з науковими програмами. Показано актуальність роботи, сформульовано мету та основні задачі наукових досліджень, визначено наукову новизну отриманих результатів та їх практичну цінність.

У першому розділі виконано аналіз результатів експериментальних досліджень динаміки ВЕУ в режимах холостого ходу, генерування активної і реактивної потужності, зупинення шляхом повороту лопатів. З'ясовано, що на протязі 10-ти хвилинного інтервалу часу за середнього значення номінальної швидкості вітру величина генерованої активної потужності серійної ВЕУ змінюється в діапазоні (0.3...1.0). Наявність значних пульсацій потужності зумовлена поривами швидкості вітру. Інерційності обертових мас недостатньо для згладжування вихідної потужності. Режим зупинення характеризується перевищенням номінального значення частоти обертання ротора, що спричиняє виникнення додаткових аеромеханічних та відцентрових зусиль на лопатях.

Проведено статистичний аналіз відмов серійних ВЕУ промислових ВЕС і встановлено, що найбільшої кількості пошкоджень зазнають ті вузли та компоненти, які сприймають пульсуючі механічні та електричні навантаження (ротор, пристрій повороту лопатів, трансмісія, електричне обладнання).

Сформульовано основні напрямки досліджень дисертаційної роботи, спрямовані на визначення законів та параметрів керування, які забезпечують зменшення динамічних навантажень складових частин ВЕУ в процесі експлуатації.

У другому розділі розроблено математичну модель ротора ВЕУ як об'єкта керування на основі кубічних сплайнів відносних аеродинамічних характеристик, яка дозволяє розраховувати потужність та аеромеханічні навантаження на лопаті в діапазоні зміни кута повороту лопатів -90є...0...+90є без обмежень на величини частоти обертання ротора та швидкості вітру; розроблено метод визначення узагальнених законів керування вітроустановкою шляхом перетину поверхні сплайну потужності та площини регулювання; обгрунтовано можливість реалізації режиму керованої автостабілізації потужності вітроустановки на великих швидкостях вітру.

За вихідні дані при розробленні математичної моделі ротора ВЕУ як об'єкта керування використовувались, згідно з існуючими теоретичними положеннями вітротехніки, відносні аеродинамічні характеристики моменту та лобового тиску , які представляються числовими масивами значень для різних величин швидкохідності z за фіксованої величини кута повороту лопатів . Графічне зображення показано на рис.1. Для визначення енергетичних та аеромеханічних показників ротора ВЕУ в процесі керування в повному діапазоні зміни кута повороту лопатів від

-90є до +90є розроблено представлення сукупності нелінійних аеродинамічних характеристик у виді гладкої поверхні в тривимірній декартовій системі координат. Побудова поверхні виконана за допомогою інтерполяційних кубічних сплайнів двох змінних:

, (1)

де - сплайн відносного аеродинамічного моменту, - коефіцієнти сплайну.

Адекватність поверхні вихідним даним на прямокутній сітці , , , , досягнута в результаті реалізації умови безперервності похідних до другого порядку включно для кожного вузла сітки. Коректність інтерполяції на краях області забезпечується застосуванням умови безперервності похідних третього порядку. Результати моделювання аеродинамічних характеристик ротора ВЕУ показані на рис.2. Вони засвідчили, що аеродинамічні характеристики являють собою складні поверхні, задовільна апроксимація яких в повному діапазоні зміни та простими методами пов'язана зі значними трудностями та похибками. Застосування сплайнів надало можливість однозначного визначення величин та в повному діапазоні зміни за довільної зміни в процесі керування.

Побудова сплайнів та дозволила сформулювати математичну модель ротора наступним чином:

,

, , ,

,, (2)

де , - механічна потужність та кутова швидкість обертання ротора, R- радіус ротора, - питома густина повітря, - швидкість вітру, - сила лобового тиску на ротор.

Отримана математична модель ротора дозволила визначати, в межах заданих аеродинамічних характеристик, статичні залежності потужності, обертового моменту, тягової сили та сили лобового тиску для довільних діапазонів зміни кута повороту лопатів, частоти обертання та швидкості вітру, як показано на рис.3.

Розроблена математична модель ротора (2), що описує характеристики в повному діапазоні зміни кута повороту лопатів, надала можливості для визначення узагальнених законів керування потужністю шляхом проектування частини поверхні , обмеженої площинами та , на площину декартових координат . Зразок проекції показано на рис.4. Вона характеризує собою область зміни узагальнених законів керування потужністю від номінального значення до холостого ходу. Отримані результати засвідчили, що керування потужністю ротора можливе як в зоні позитивних значень (флюгерне керування), так і в зоні від'ємних значень (антифлюгерне керування). За флюгерного керування потужністю значення кута повороту лопатів необхідно збільшувати із зростанням швидкості вітру. У випадку антифлюгерного керування кут повороту лопатів потрібно спочатку збільшувати, а потім зменшувати. Одне й теж значення необхідно виставляти в процесі керування для двох різних значень швидкості вітру, що ускладнює реалізацію алгоритмів керування, особливо за наявності поривів вітру.

Проведено детальний аналіз характеристик потужності ротора за стабільної частоти обертання, що притаманно ВЕУ з асинхронними генераторами, ввімкненими безпосе-редньо до електросистеми. Для визначення застосовувався перетин поверхні площиною при . Встановлено, що для певних фіксованих значень існує ефект автостабілізації потужності на великих швидкостях вітру, суть якого полягає в тому, що з ростом швидкості вітру потужність ротора спочатку збільшується, а потім починає зменшуватись. З'ясовано, що запобігти зменшенню потужності на великих швидкостях вітру можна шляхом повороту площини керування на незначний кут, як показано на рис.5. Даний режим функціонування отримав в дисертаційній роботі назву керованої автостабілізації потужності.

У третьому розділі проведено розрахункові дослідження з визначення кількісних значень параметрів керування, які забезпечують необхідні аеромеханічні та електромеханічні навантаження складових частин ВЕУ при зупиненні та пуску вітроустановки. Досліджувались процеси аеродинамічного зупинення та зупинення шляхом механічного гальмування трансмісії, процеси аеродинамічного пуску та пуску за допомогою генератора в режимі двигуна. В якості параметрів керування використовувались швидкодії пристроїв повороту лопатів , гальмівного моменту , зміни напруги на клемах генератора .

Математична модель динаміки процесів пуску та зупинення ВЕУ побудована на основі розробленої моделі ротора як об'єкта керування (2) з використанням кубічних сплайнів відносних аеродинамічних характеристик ротора ВЕУ та представленні збурень швидкості вітру і гальмівних моментів за допомогою одиничних асиметричних функцій. Застосування сплайнів двох змінних дозволило провести розрахункові дослідження без обмежень на діапазон зміни кута повороту лопатів та частоти обертання. Один з варіантів перебігу процесу аеродинамічного зупинення ВЕУ приведений на рис.6. Аеродинамічне зупинення шляхом повороту лопатів характеризується виникненням аеромеханічних перенавантажень на лопатях та перевищенням номінальної частоти обертання ротора (вибігом ротора). В процесі зупинення аеромеханічні сили лобового тиску на лопать та тягове зусилля , що породжує обертовий момент ротора, змінюються як за величиною, так і за напрямком дії, тобто лопать зазнає знакозмінних навантажень. Найбільші перенавантаження та вибіг ротора при зупиненні виникають за номінальної швидкості вітру. Допустима величина вибігу ротора в 20% для ВЕУ потужністю (100 - 1000) кВт досягається за швидкості повороту лопатів (4-2) град/с. При цьому величина перенавантаження силою лобового тиску складає (1.65-1.4) номінального значення, а перенавантаження тяговим зусиллям - (4.5-2.5) номінального значення. Величина вибігу ротора на рівні 10% досягається за швидкості повороту лопатів (7-4) град/с. Відповідні значення перенавантажень сили лобового тиску складає (1.8-1.4) номінального значення, а перенавантаження тягового зусилля - (5.5-2.5) номінального значення. В перехідному процесі зупинення максимальне значення сили лобового тиску більше за максимальне значення тягового зусилля в (4-6) раз.

Узагальнення результатів для установок різної потужності в діапазоні (100-1000)кВт виконано шляхом побудови номограм динамічних перенавантажень в функції параметрів керування та інерційної сталої часу ВЕУ. За приклад на рис.7 приведені номограми для сили лобового тиску на лопать. Зупинення ротора ВЕУ шляхом повороту лопатів в антифлюгерне положення повинно здійснюватись з швидкодією механізму повороту лопатів в два рази більшою, ніж у випадку флюгерного керування, щоб забезпечити однакову величину вибігу ротора та аеромеханічних перенавантажень лопатів.

Гарантоване зупинення ротора ВЕУ з фіксованим положенням лопатів в повному діапазоні зміни робочих швидкостей вітру шляхом механічного гальмування трансмісії досягається за амплітуди гальмівного моменту не менш, ніж 2.5 номінального значення. Обмеження вибігу ротора ВЕУ потужністю (100-1000) кВт досягається за швидкодії гальмівного пристрою (0.75-0.25) в.о./с. Рівень вибігу 10% досягається за швидкодії (1.25-1.0) в.о./с. Величини аеромеханічних перенавантажень лопатів за зазначених умов мають менші значення, ніж у випадку зупинення ВЕУ з поворотними лопатями.

Аеродинамічний пуск ВЕУ з поворотними лопатями доцільно здійснювати за швидкості зміни кута повороту 1є/с, яка забезпечує реалізацію пуску на малих швидкостях вітру, та плавне підключення генератора до електросистеми на великих швидкостях вітру. В разі використання механізму повороту лопатів з дискретною зміною кута зазначена швидкодія повинна відповідати середньому значенню з урахуванням скважності. Величина аеромеханічних перенавантажень лопатів при пуску значно менша, ніж при зупиненні.

Пуск ВЕУ з фіксованим положенням лопатів за допомогою генератора в режимі двигуна доцільно реалізувати за експоненційної зміни напруги на клемах зі сталою часу (20-30)с. За цих умов процес розгону і синхронізації відбувається плавно без аеромеханічних перенавантажень. Кратність струму обмежується на рівні 3.5 номінального значення, що задовольняє вимогам правил побудови електроустановок для режиму синхронізації. Затрати енергії на розгін ротора з інерційною сталою часу (4-12) с дорівнюють відповідно (1.5-3.5) кВт·год на один пуск.

У четвертому розділі розроблено математичну модель динаміки навантажувальних режимів роботи ВЕУ з асинхронним генератором в складі промислової ВЕС та проведено розрахункові дослідження аеромеханічних і електричних навантажень за різних способів керування генерованою потужністю: флюгерного, антифлюгерного, автостабілізації та керованої автостабілізації. Досліджувались способи компенсації реактивної потужності та зменшення перенапруги ВЕУ в складі ВЕС.

Математична модель динаміки навантажувальних режимів роботи ВЕУ з асинхронним генератором побудована на основі розробленої моделі ротора як об'єкта керування (2) з використанням кубічних сплайнів відносних аеродинамічних характеристик та з урахуванням параметрів складових частин ВЕС, опору короткого замикання електросистеми, кількості одночасно працюючих ВЕУ. Система керування моделювалась в режимі стабілізації генерованої потужності на швидкостях вітру більших за номінальне значення з використанням максимальної швидкодії та сталої часу пристрою повороту лопатів, що дозволило отримати узагальнені результати без розгляду структури конкретних типів регуляторів (ПІД, ПІ та інші). Математична модель являла собою наступну систему нелінійних диференційних рівнянь:

Урахування параметрів електросистеми та ВЕС при визначенні моменту генератора здійснювалось на кожному кроці інтегрування шляхом розрахунку еквівалентної електричної схеми заміщення ВЕУ в складі ВЕС. Запропонована система відносних одиниць для розрахунку параметрів схеми заміщення, яка спрощує проведення розрахункових досліджень та аналіз результатів за різної кількості працюючих ВЕУ.

Проведено розрахункові дослідження динаміки навантажувальних режимів роботи ВЕУ за різних способів керування генерованою потужністю і з'ясовано, що зусилля лобового тиску на лопать в 5-8 раз більше тягового зусилля лопаті, яке породжує обертовий момент ротора. Рекомендовано раціональні способи керування потужністю для ВЕУ різної потужності, що зменшують динамічні навантаження на силові елементи конструкції. Визначено, що на введених в експлуатацію промислових ВЕС зміна штатних уставок керування генерованою потужністю з метою зменшення аеромеханічних навантажень лопатів приводить до зменшення обсягу виробництва електроенергії на 25-35% та збільшення тривалості роботи механізму повороту лопатів в 1.7 раз. Тому здійснення процедури зміни параметрів керування повинне супроводжуватись одночасною зміною періодичності обслуговування та діагностики механізму повороту лопатів.

З'ясована фізична суть виникнення та рівні перенапруги складових частин промислових ВЕС в процесі генерування електроенергії. Найбільшої дії перенапруги зазнає ВЕУ в результаті компенсації реактивної потужності асинхронного генератора. Обгрунтовано раціональні способи зменшення перенапруги ВЕУ без зміни обсягів виробництва електроенергії ВЕС.

ВИСНОВКИ

В дисертаційній роботі здійснено наукове обгрунтування та дослідження необхідних законів і параметрів керування нестаціонарними режимами роботи вітроустановок промислових ВЕС для зменшення аеромеханічних та електромеханічних навантажень на силові елементи конструкції в процесі експлуатації. Отримано наступні наукові та практичні результати:

1.За результатами експериментальних досліджень динаміки експлуатаційних режимів роботи та статистичного аналізу відмов серійних ВЕУ промислових ВЕС встановлено, що найбільшої кількості пошкоджень зазнають ті складові частини вітроустановки, які сприймають пульсуючі механічні та електричні навантаження (ротор, пристрій повороту лопатів, трансмісія, електричне силове обладнання).

2.Розроблена узагальнена математична модель ротора ВЕУ як об'єкта керування на основі інтерполяційних кубічних сплайнів аеродинамічних характеристик, яка дозволяє визначати аеромеханічні навантаження в довільних діапазонах зміни швидкості вітру, кута повороту та частоти обертання лопатів в експлуатаційних режимах роботи. Адекватність та коректність результатів моделювання досягається в результаті використання в вузлах інтерполяції умови неперервності похідних до другого порядку включно та застосування неперервності похідних третього порядку для крайових умов.

3.Розроблено метод визначення узагальнених законів керування вітроустановкою як результату перетину поверхні потужності та поверхні керування, спроектованого на відповідну координатну площину (флюгерне керування, антифлюгерне керування, автостабілізація). Запропоновано та обґрунтовано режим керованої автостабілізації потужності вітроустановки на великих швидкостях вітру, який характеризується малим діапазоном зміни кута повороту лопатів та прийнятними аеромеханічними навантаженнями.

4.Удосконалено математичну модель динаміки експлуатаційних режимів ВЕУ в результаті використання моделі ротора на основі кубічних сплайнів аеродинамічних характеристик та урахування параметрів еквівалентної електричної схеми заміщення промислової ВЕС і електросистеми. Математична модель являє собою систему нелінійних диференційних рівнянь і дозволяє розраховувати перебіг аеромеханічних, механічних і електричних навантажень в режимах генерування, пуску та зупинення вітроустановок з поворотними та фіксованими лопатями.

5.Проведено розрахункові дослідження аеромеханічних перенавантажень лопатів ротора та електричних перенавантажень генератора в режимах пуску та зупинення ВЕУ шляхом повороту лопатів, механічного гальмування трансмісії, пуску за допомогою генератора в режимі двигуна. Узагальнення результатів для установок різної потужності в діапазоні (100-1000)кВт виконано шляхом побудови номограм динамічних навантажень в функції параметрів керування та інерційної сталої часу ВЕУ. Номограми дозволяють визначити необхідні значення швидкодії механізму повороту лопатів та пристрою гальмування, швидкості зміни напруги на генераторі для обмеження динамічних навантажень на заданому рівні. Найбільші аеромеханічні навантаження характерні для режиму зупинення. Найменші аеромеханічні навантаження при зупиненні досягаються в результаті застосування механічного гальмування силової трансмісії.

6.Досліджено динаміку аеромеханічних та електричних навантажень складових частин ВЕУ за різних способів керування генерованою потужністю (флюгерного, антифлюгерного, автостабілізації та керованої автостабілізації). Обґрунтовано застосування способів флюгерного керування та автостабілізації для ВЕУ потужністю (100-1000)кВт та способу керованої автостабілізації для вітроустановок більшої потужності. З'ясовано, що в процесі регулювання аеромеханічне зусилля лобового тиску на лопать в 5-8 раз більше за тягове, яке породжує обертовий момент ротора. Максимальна швидкодія механізму повороту лопатів для стабілізації генерованої потужності на швидкостях вітру більших за номінальне значення повинна знаходитись на рівні 6 град/с.

7.З'ясовано та досліджено причини виникнення та рівні перенапруги складових частин промислових ВЕС в режимі генерування електроенергії. Обґрунтовано спосіб зменшення перенапруги ВЕУ на введених в експлуатацію ВЕС шляхом зміни коефіцієнта трансформації силового трансформатора ТП. Визначено раціональний спосіб компенсації реактивної енергії ВЕС на основі ВЕУ з асинхронним генератором, який полягає в підключенні на клеми генератора конденсаторної батареї тільки для компенсації реактивної потужності контуру намагнічування та ввімкненні на вході станції конденсаторних батарей з керованою ємністю для компенсації реактивної потужності в навантажувальному режимі.

8.Результати дисертаційної роботи рекомендуються для подальшого використання при розробці та виробництві ВЕУ в ДКБ “Південне” та ВО “Південний машинобудівний завод ім. О.М.Макарова” (м. Дніпропетровськ), при проектуванні ВЕС в організаціях “Укргідропроект” та “Укренергомережпроект” (м. Харків), в навчальному процесі при підготовці інженерів на кафедрі “Відновлювані джерела енергії” Національного технічного університету України “КПІ” (м. Київ).

ПУБЛІКАЦІЇ ОСНОВНИХ ПОЛОЖЕНЬ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Васько В.П. Влияние уставок регулирования ветроэлектрических установок на эксплуатационные показатели // Технічна електродинаміка. Тематичний випуск “Моделювання електронних, енергетичних та технологічних систем”. - 1999. - Ч.1. - С. 38-41.

2. Брыль А.А., Васько В.П., Васько П.Ф., Кирпатенко И.Н., Пекур П.П. Основные показатели качества изготовления и эксплуатации ветроэлектрических установок // Авиационно-космическая техника и технология. Сб. науч. трудов. Вып.8. - Харьков: Гос. аэрокосмический ун-т “Харьковский авиационный ин-т”. - 1999. - С. 19-23.

3. Кудря С.А., Кирпатенко И.М., Яценко Л.В., Васько В.П. Состояние развития ветроэнергетики и малой гидроэнергетики Украины // Технічна електродинаміка. Тематичний випуск “Моделювання електронних, енергетичних та технологічних систем”. - 1999. - Ч.1. - С. 32-33.

4. Васько П.Ф., Васько В.П. Динамика нагрузочных режимов работы ветроэлектрической установки, обусловленная порывами скорости ветра // Вісник Донбаської державної академії будівництва і архітектури. Будівельні конструкції, будівлі та споруди. Том 1. “Вплив вітру на будинки і споруди”. - Донецьк, 2001. - №4(29). - С. 140-144.

5. Васько В.П. Управление параметрами электроэнергии автономных ветроэлектрических установок // Технічна електродинаміка. - 2002. - №1. - С. 53-56.

6. Васько В.П. Аналіз процесів генерування активної та реактивної потужності вітроелектричною установкою з асинхронним генератором у складі промислових вітроелектростанцій // Технічна електродинаміка. - 2002. - №5. - С. 64-67.

7. Васько В.П. Математична модель ротора вітроустановки як об'єкта керування на основі кубічних сплайнів // Технічна електродинаміка. - 2002. - №6. - С. 50-56.

8. ГКД 3.003 - 2000. Вітроенергетика. Вітрові електричні установки. Порядок поставлення на серійне виробництво / Бриль А.О., Васько В.П., Хілько В.А., Шульга В.Г. // Державний комітет промислової політики України. - Київ, 2000. - 31 с.

9. Бриль А.О., Васько В.П., Васько П.Ф. Оцінка показників безвідмовності вітроелектричних пристроїв великої потужності // Винахідник і раціоналізатор. - 1999. - № 1-2. - С. 26-28.

10. Бриль А.О., Васько В.П., Васько П.Ф. Узагальнена модель забезпечення якості проектування і експлуатації вітроелектричних станцій // Винахідник і раціоналізатор. - 1999. - № 1-2. - С. 28-29.

11. Кудря С.О., Яценко Л.В., Васько В.П., Кирпатенко І.М. Методи підвищення ефективності застосування обладнання на основі відновлюваних джерел енергії в комбінованих енергетичних системах // Винахідник і раціоналізатор. - 1999. - № 1-2. - С. 43.

12. V.Vasko. Wind Industry in Ukraine // Sustainable Energy News. - 2000. - №28. - P.14-15.

13. Васько В.П. Оценка объемов выработки электроэнергии современными ветроустановками в ветровых условиях Крыма // В кн.: Устойчивый Крым. Энергетическая стратегия ХХI века. - Симферополь: Экология и мир. - 2001. - С. 319-325.

14. Васько В.П. Оценка объемов выработки электроэнергии современными ветроустановками в ветровых условиях Крыма // Материалы международной конференции “Экологически чистая энергия для Крыма”, 23-25 апреля 2001г., Гурзуф. - 2001. - С. 37-38.

15. Бриль А.О., Васько В.П., Васько П.Ф. Задача компенсації реактивної енергії введених в експлуатацію вітрових електростанцій // Вітроенергетика України. - Київ: МНТЦ вітроенергетики. - 2002. - №2. С.12-15.

16. Бриль А.О., Васько В.П., Васько П.Ф. Пекур П.П. Енергетична сумісність вітроелектростанцій в складі централізованої електроенергетичної системи // Доклады III международной конференции “Нетрадиционная энергетика в XXI веке”, Крым, Судак, 9-15 сентября 2002 г. - Киев: ИТТФ НАНУ. - 2002. - С. 113-115.

17. Бриль А.О., Васько В.П., Васько П.Ф. Особливості функціонування промислових вітроелектричних станцій у складі регіональної електросистеми // Доклады III международной конференции “Нетрадиционная энергетика в XXI веке”, Крым, Судак, 9-15 сентября 2002 г. - Киев: ИТТФ НАНУ. - 2002. - С. 112-113.

18. Васько В.П. Математическое моделирование переходных электромеханических процессов ветроэлектрической установки при коротких замыканиях // Тези доповідей 3-ї Міжнародної науково-технічної конференції. Математичне моделювання в електротехніці, електроніці та електроенергетиці. - Львів, 1999. - С. 39-40.

19. V.Vasko. Technology transfer project between Denmark and Ukraine // Folkecenter for Renewable Energy, Denmark. - 2000. - 40 р.

20. Розвинути теорію і розробити методи інтенсифікації процесів перетворення енергії в системах енергопостачання на основі відновлюваних джерел: звіт з НДР (заключний)/ Інститут електродинаміки НАН України. - УкрІНТЕІ; №ДР 0198U008150; Інв. № 0203U000591. - Київ, 2002. - 89 с.

Размещено на Allbest.ru