Вертикально-осьові вітродвигуни

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Регулювання параметрів вертикально-осьового вітродвигуна

Як вже зазначено, управління вертикально-осьовим вітродвигуном не вимагає орієнтації на напрям вітру, а вимагає тільки регулювання таких параметрів вітродвигуна, як частота обертання і потужність.

Для регулювання вертикально-осьового вітродвигуна з Н-ротором Дар'є найбільш часто використовується поворот лопаті навколо її вертикальної осі. Механізм повороту може управлятися відцентровим регулятором, розташованим на основному вертикальному валу, або електрогідроприводом.

Спосіб регулювання пропуском вітрового потоку повз лопатної системи вітродвигуна реалізований в схемі з ротором Масгроува. У цьому випадку кожна пара полу лопатей з вертикального по-розкладання може скластися в горизонтальне положення.

Введення додаткового опору на вітродвигунів може бути здійснено за допомогою різного виду гальмівних закрилок, в тому числі і поворотом всієї задньої частини профілю лопаті.

Інший метод аеродинамічного гальмування використовує несиметричне кріплення кожної лопаті з ротором в центральній її частині за допомогою горизонтального торсиона. У разі збільшення частоти обертання вище номінальної лопаті під дією відцентрових сил повертається навколо горизонтальної осі торсиона і закручує торсіон, відхиляючись від свого вертикального положення. Нахилене положення лопаті (відхилення від вертикального положення) викликають збільшення її аеродинамічного опору.

2. Принципи побудови систем автоматичного регулювання, управління і захисту ВЕУ

При розробці систем автоматичного управління режимами роботи ВЕУ необхідно враховувати наступні специфічні особливості вітрового потоку:

- статичний характер розподілу в часі і просторі;

- низькі питомі енергетичні показники в порівнянні з традиційними джерелами енергії;

- непередбачуваність різких змін швидкості і значний рівень турбулентності;

- неможливість регулювання рівня наявній потужності;

- зміна профілю швидкості з висотою.

Тому управління електромеханічної системою, що виробляє електроенергію, використовує як джерело енергії вітрової потік, і контроль над нею являють собою складну задачу. Система автоматичного регулювання режимами роботи ВЕУ в загальному випадку повинна включати в себе дві взаємопов'язані основні підсистеми управління: 1) підсистему автоматичного управління і контролю механічних параметрів (СУМ); 2) підсистему автоматичного управління і контролю електромагнітних параметрів (СУЕ), їх спільне функціонування здатне забезпечити автоматичне підтримання заданого режиму роботи ВЕУ і ефектне використання вітроенергетичних ресурсів.

Підсистема автоматичного управління і контролю механічних параметрів. До основних завдань підсистеми відносяться:

- орієнтування захоплюваної поверхні вітродвигуна на напрям поширення вітрового потоку;

- забезпечення надійного пуску і ефективного гальмування вітродвигуна;

- управління кутом конусності лопатей вітродвигуна;

- регулювання і контроль аеродинамічного крутного моменту;

- підтримка розвиваючої потужності на заданому рівні в залежності від діапазону швидкостей вітрового потоку;

- переклад лопатей у флюгерне положення при швидкостях вітрового потоку вище максимальної;

- контроль кутової швидкості обертання вітродвигуна;

- контроль швидкості вітрового потоку;

- контроль стану лопатей вітродвигуна для своєчасного виявлення вогнищ їх деформації і руйнування;

- аварійне відключення і гальмування ВЕУ у разі несправності механічної частини.

Блок управління кута орієнтування для ВЕУ середньої та великої потужності може являти собою блок порівняння двох сигналів, який визначає неузгодженість між сигналом, що характеризує реальний стан осі горизонтально-осьового вітродвигуна в даний момент, і сигналом дійсного напрямку вітрового потоку. При цьому управління приводом орієнтування таких ВЕУ повинно здійснюватися з зміною напрямку вітрового потоку, пов'язаного з проходженням фронту повітряної маси, а не при його короткочасних випадкових флуктуацій, і по найкоротшому шляху. При постійній швидкості вітрового потоку величина тиску на лопатях вітродвигуна значно змінюється через збільшення максимальної складової вектора швидкості з висотою. Тому підсистема автоматичного регулювання та контролю механічних параметрів для вітродвигунів значних розмірів повинна включати в себе блок управління кута конусності, оскільки відповідна його зміна є найбільш прийнятним методом стабілізації впливу цього явлення на механічні напруги в лопатях вітродвигуна.

Основною вимогою до підсистеми автоматичного регулювання та контролю механічних параметрів в робочому діапазоні швидкостей вітрового потоку є отримання механічної потужності на валу вітродвигуна при заданому значенні кутової швидкості обертання. Через значну інерційності вітродвигуна домогтися цього без застосування спеціального блоку управління і контролю кута установки лопатей практично неможливо, так як відсутність останнього призведе до того, що випадкові коливання швидкості вітрового потоку будуть викликати коливання кутової швидкості обертання. При цьому вітродвигун не може трансформувати енергію окремих нетривалих флуктуацій швидкості вітрового потоку, так як для цього було б необхідно, щоб підсистема автоматичного регулювання та контролю механічних параметрів регулювала крутний момент на валу пропорційно швидкості зміни вітрового потоку.

Система автоматичного регулювання повинна так регулювати вироблену потужність, щоб відстежувати тільки середні значення змін швидкості вітрового потоку (а не короткочасні пульсації швидкості вітрового потоку), а коефіцієнт швидкохідності при цьому підтримувався оптимальним у режимі змінюваної кутової частоти обертання. Таким чином, у загальному випадку блок управління і контролю кута установки лопатей може являти собою:

- замкнутий контур автоматичного керування положенням лопаті. При цьому він управляє приводом кута установки лопатей до тих пір, поки не досягається значення заданого коефіцієнта швидкохідності;

- замкнутий контур автоматичного управління частоти обертання вітродвигуна. При цьому кут установки лопатей змінюється до тих пір, поки не досягається задана частота обертання вітродвигуна;

- замкнутий контур автоматичного управління потужністю. Кут установки лопатей змінюється до тих пір, поки потужність, що розвивається не стає рівною заданої.

Для підвищення ефективності регулювання і стабілізації навантажень, що діють на лопаті, контур автоматичного керування швидкістю обертання вітродвигуна повинен включати в себе в якості підлеглого контур управління кута положення лопаті. При цьому забезпечується автоматичне регулювання, як частоти обертання, так і аеродинамічного крутного моменту.

Принципово можливе створення двох схем управління кутовою частотою обертання вітродвигуна:

- за швидкістю вітрового потоку V і кутовою частотою обертання вала вітродвигуна;

- за крутним моментом і кутовою частотою обертання вала вітродвигуна.

Перша схема (рис. 1) регулює розвивається потужність так, щоб частота обертання вала вітродвигуна ВД (датчик частоти обертання ДС) (сигнал ) змінювалася пропорційно швидкості вітрового потоку. Якщо відношення кутової частоти обертання вала вітродвигуна і швидкості вітрового потоку (сигнал ) не відповідає заданому коефіцієнту швидкохідності (сигнал ), то виробляється сигнал неузгодженості . При цьому регулювання відбувається до тих пір, поки він не стане рівним нулю.

Рисунок 1 - Схеми управління: а - за швидкістю вітрового потоку і кутової частоти обертання вала ВД; б - за крутним моментом і кутовою швидкістю обертання вала ВД

Сигнал про швидкість вітрового потоку від давача швидкості вітрового потоку (ДВ) повинен проходити через фільтр (Ф), щоб у блок порівняння (БП) надходив тільки усереднений сигнал , що не залежить від турбулентної складової. Недоліком цієї схеми є труднощі вибору місця установки датчика швидкості (ДШ) вітрового потоку. Потік в околиці вітродвигуна значно спотворюється і відрізняється високим рівнем турбулентності, тому давач ДВ необхідно встановлювати на деякій відстані від вітродвигуна, внаслідок чого між істинною швидкістю вітрового потоку безпосередньо перед площиною обертання вітродвигуна і показниками датчика буде певна похибка.

Друга схема (рис. 1, б) дозволяє уникнути похибки, пов'язаної з розташуванням датчика швидкості вітрового потоку. При цьому, оскільки крутний момент вала вітродвигуна змінюється пропорційно квадрату швидкості потоку, сигнал датчика крутного моменту (ДМ) слід усереднювати за допомогою фільтру (Ф) і надалі узгоджувати його з сигналом датчика кутової швидкості обертання вала вітродвигуна (ДШ) за допомогою квадратора (К). Недолік цієї схеми полягає в тому, що різке збільшення швидкості вітрового потоку призводить до зниження коефіцієнта використання енергії вітру, а, отже, до зменшення крутного моменту замість його збільшення. В результаті можлива помилка в роботі системи автоматичного регулювання. Дня того, щоб позбутися цього недоліку, необхідно, щоб механічна система ВЕУ забезпечувала демпфіруючий вплив, вітрової потік володів пологої характеристикою, а фільтр мав спеціально розроблену для цієї схеми конструкцію і характеристики.

На підставі наведеного порівняння двох попередніх схем доцільно використовувати систему, в якій вхідними сигналами є швидкість вітрового потоку , крутний момент на валу вітродвигуна і кутова частота обертання вала вітродвигуна (рис. 2). При цьому датчик вітрового потоку ДВ повинен встановлюватися не тільки перед площиною обертання вітродвигуна, але і над нею.

При регулюванні частоти обертання вітродвигуна повинен визначатися сигнал неузгодженості між заданою частотою обертання та істинним її значенням . Така побудова підсистеми автоматичного регулювання та контролю механічних параметрів забезпечує безпосереднє регулювання потужності, що передається на вал електрогенератора. При цьому вона повинна виробляти сигнал на припинення обертання вітродвигуна у випадку занадто високій швидкості вітрового потоку і автоматично відновлювати роботу ВЕУ, коли його швидкість лежить у встановленому діапазоні експлуатації.

Рисунок 2 - Многоканальна схема управління режимом роботи ВЕУ (М - множник)

вітродвигун автоматичний електромагнітний

Підсистема автоматичного управління і контролю електромагнітних параметрівповинна вирішувати такі основні завдання:

- регулювати і контролювати параметри електричних кіл ВЕУ;

- забезпечувати зміну амплітуди, частоти і фази напруги збудження;

- підтримувати якість вироблюваної електроенергії відповідно до встановлених норм;

- забезпечити синхронізацію ВЕУ з енергосистемою;

- здійснювати при необхідності роботу ВЕУ в автономному режимі;

- контролювати температуру електричного генератора;

- забезпечувати захист для запобігання нестійкої роботи і аварії, а також відключати ВЕУ при несправності електричної частини.

Незважаючи на те, що контур управління кута установки лопаті являє собою надійну систему запобігання генератора від перевантажень в результаті різких змін швидкості вітрового потоку і обмежує при цьому механічну потужність номінальним значенням, поліпшення роботи ВЕУ на енергосистему може бути досягнуто тільки за рахунок ефективного регулювання відповідних електромагнітних параметрів.

Необхідність підсистеми автоматичного управління і контролю електромагнітних параметрів насамперед пояснюється тим, що для енергосистеми неприпустимі стрибкоподібні зміни частоти вироблюваної ВЕУ потужності, а, отже, і неможливості підсистеми автоматичного регулювання та контролю механічних параметрів самостійно згладжувати ці коливання. Тому регулювання останніх повинне використовуватися додатково до управління кута установки лопатей, що забезпечить прийнятну якість вироблюваної електричної енергії.

Найбільш ефективне регулювання забезпечується, коли керуючий вплив пропорційно квазіоптимальної комбінації відповідних змін швидкості, прискорення й крутного моменту валу електричного генератора ВЕУ. При цьому забезпечується мінімальний час на відпрацювання необхідного керуючого впливу. Така система повинна використовуватися в основному в синхронних ВЕУ, що забезпечить підтримання оптимальних експлуатаційних режимів і запобіжить перевантаження генератора. Спрощення регулювання та використання, зокрема, тільки управління кута установки лопатей або кута установки зі зворотним зв'язком по частоті обертання, безумовно, реалізується трохи легше, але призводить до істотного погіршення якості перехідних процесів в електромеханічної системі ВЕУ. Крім того, ефективне регулювання параметрів електричних кіл ВЕУ забезпечить істотне згладжування характеристик вироблюваної електромагнітної потужності при пульсаціях кутової частоти обертання і крутного моменту на валу електричного генератора.

Для забезпечення точної синхронізації ВЕУ з енергосистемою в режимі змінюваної кутової частоти обертання вітродвигуна необхідно, за допомогою інвертора або перетворювача частоти, привести частоту вироблюваної електричної енергії до частоти промислової і при стійких і співпадаючих фазах з напругою лінії електропередачі ВЕУ повинна підключатися до енергосистеми. Причому синхронізацію можна набагато вдосконалити при обмеженні перехідних процесів за рахунок ефективності управління частотою обертання і застосування автоматичного синхронізатора. При досягненні вітродвигуна швидкості фіксації підсистема автоматичного регулювання та контролю механічних параметрів повинна виробити сигнал на переклад систему автоматичного управління режимами роботи ВЕУ з режиму управління швидкістю в режим управління потужністю. У режимі керування потужністю повинен сформуватися сигнал корекції, який надходить до блоку управління і контролю кута установки лопатей і приводить до відповідної зміни стратегії регулювання кута установки лопатей.

Перевантаження електричного генератора веде до його перегріву, тому сигнал про це повинен надходити в підсистему автоматичного управління і контролю електромагнітних параметрів, яка, в свою чергу, або знижує вироблювану потужність, або, в екстрених випадках, відключає ВЕУ від навантаження.

Підсистема автоматичного управління і контролю електромагнітних параметрів повинна обмежувати граничні коливання напруги, що викликаються пуском, гальмуванням, розсинхронізація та пульсаціями швидкості вітрового потоку для забезпечення прийнятних експлуатаційних параметрів, має спрацьовувати автоматична система захисту.

Аварійне вимикання вітроагрегата

В екстрених випадках, залежно від характеру аварійної ситуації, що склалась, можна використовувати відключення ВЕУ від енергосистеми, механічне гальмування вітродвигуна, динамічне гальмування електричного генератора.

Під час відключень і перемикань необхідно оберігати обладнання ВЕУ і навантаження від кидків струму, надлишкових напруг і зміни частоти. Тому в системі захисту широко використовуються плавкі запобіжники, автоматичні вимикачі та реле для управління напругою і контролю перемикань в колі.

Размещено на Allbest.ru