Применение метода отслеживания точки максимальной мощности в системах преобразования энергии ветра, построенных на вентильном индукторно-реактивном генераторе

НЕТРАДИЦИОННАЯ ЭНЕРГЕТИКА

УДК 621.31

ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДА ОТСЛЕЖИВАНИЯ ТОЧКИ МАКСИМАЛЬНОЙ МОЩНОСТИ В СИСТЕМАХ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ ВЕТРА, ПОСТРОЕННЫХ НА ВЕНТИЛЬНОМ ИНДУКТОРНО-РЕАКТИВНОМ ГЕНЕРАТОРЕ

В.М. Степанов, А.С. Иванов, И.Ю. Каланчин

Вентильный индукторно-реактивный электропривод, работающий в режиме двигателя, активно используется в различных областях и производственных процессах. На сегодняшний день этот тип электропривода, работающий в режиме генератора, находит применение в ветроэнергетике, но нелинейные характеристики этих машин препятствуют их широкому распространению. Системы управления, основанные на контроллерах отслеживания точки максимальной мощности, позволяют определять нужные величины тока и напряжения. Совместное применение вентильного индукторно-реактивного генератора и алгоритма отслеживания точки максимальной мощности позволит улучшить энергетические показатели систем, преобразующих энергию ветра, а также снизить затраты на выработку электрической энергии.

Ключевые слова: вентильный индукторно-реактивный генератор, отслеживание точки максимальной мощности, профиль индукции, система преобразования энергии ветра, ветрогенератор, рабочие углы, Matlab, стратегия управления.

Одним из основных направлений альтернативной энергетики является ветроэнергетика - это отрасль энергетики, основанная на разработке алгоритмов, средств и методов преобразования энергии ветра в другие виды энергии, например, тепловую или механическую. Кинетическая энергия потока воздушных масс - одна из форм солнечной энергии, так как ветер образуется из-за неравномерности нагрева земных поверхностей. Перепад давлений, образованный разностью плотностей теплых и холодных воздушных масс, вызывает их циркуляцию: тёплый воздух поднимается вверх и его место занимает холодный более плотный и тяжелый воздух. Энергетический потенциал энергии ветра дает возможность вырабатывать ветро-электростанциями электрическую энергию в десятки раз превышающую мировое потребление энергии [1].

Ветряная электростанция - промышленный объект, предназначенный для выработки электроэнергии посредством преобразования энергии ветра, соединенный с единой сетью и состоящий из одной или нескольких ветроустановок, расположенных друг от друга на определенном расстоянии, комплектных трансформаторных подстанций и центрального пульта управления.

Несмотря на присущие ветроэнергетике достоинства, присутствует ряд недостатков, таких как: вырабатываемая электроэнергия не регулируемая и непостоянная, высокая себестоимость вырабатываемой энергии, а также генерация сопровождается звуковым, визуальным и электромагнитным воздействием. Высокая себестоимость обусловлена капитальными затратами на производство, транспортировку и установку ветроэнергоуста-новок, помимо этого существует необходимость развития сетевой инфраструктуры, в частности это относится к морским (оффшорным) ветроэлек-тростанциям.

Основным элементом ветряной электростанции является ветрогене-ратор - комплекс механических и электрических устройств, предназначенных для преобразования кинетической энергии воздушных масс в механическую энергию вращения ротора, которая в свою очередь преобразуется в электрическую энергию. Ветроагрегаты классифицируются на ветрогене-раторы с вертикальной осью вращения и с горизонтальной осью вращения [2].

В настоящее время применяются несколько различных видов ветро-генераторов. Наиболее распространенные ветряные турбины для работы при низких скоростях основаны на применении машин с постоянными магнитами (permanent magnet machines). Такие генераторы имеют ряд достоинств, таких как высокая эффективность и надежность, отсутствие внешнего возбуждения, а также у этих машин отсутствуют потери проводимости ротора. Помимо генераторов на постоянных магнитах в ветроэнергетике применяются асинхронные генераторы двойного питания (double fed induction generator) и асинхронные генераторы трехфазного тока с короткозамкнутым ротором типа «беличья клетка».

Последнее время в ветроэнергетике находит применение и относительно новый тип ветрогенератора, основанный на использовании вентильной индукторно-реактивной машины. Вентильная индукторно-реактивная электрическая машина представляет собой электромеханическую систему, состоящую из электромашинной части (двигателя), вентильного коммутатора, датчика положения ротора и системы управления.

[3]

Применение вентильного индукторно-реактивного генератора (ВИРГ) (switched reluctance generator) позволит значительно снизить затраты на производство ветрогенераторов. Это обусловлено тем, что такие генераторы не имеют щеточно-коллекторного аппарата, ротор не имеет ни

200

обмоток, ни постоянных магнитов и состоит только из набранных листов электротехнической стали. Обмотки возбуждения находятся только на статоре, одноименные фазы расположены диаметрально напротив друг друга и соединены последовательно. Существуют различные конфигурации ВИРГ, они зависят от числа зубцов статора и ротора и могут быть 6/4, где 6 число полюсов статора и 4 ротора, также конфигурация может быть 8/6 и 10/8 [4].

Внешний вид реактивной ВИРГ 8/6 представлен на рис. 1.

—Статор ^ Ротор

—я Обмотки возбуждения

__Зубцы статора

Зубцы ротора

Рис. 1. Вентильный индукторно-реактивный генератор

конфигурации 8/6

К основным преимуществам ВИРГ можно отнести простоту конструкции, так как ротор состоит только из шихтованной стали и обмотки фаз расположены только на зубьях статора, отсутствие дорогостоящих редкоземельных металлов в составе конструкции, возможность работы при высоких скоростях и температурах, а также высокую надежность.

Однако помимо преимуществ такие генераторы имеют ряд серьезных недостатков. Необходима трехфазная или четырехфазная система питания в зависимости от конфигурации электрической машины, обеспечивающая поочередное возбуждение обмоток статора для создания вращающегося электромагнитного поля. К недостаткам также относятся нелинейные характеристики этих машин, высокие пульсации электромагнитного момента и электромагнитного потока.

Система управления должна отслеживать текущую скорость ветра и рассчитывать максимальную мощность при этой скорости вращения. Со снижением скорости - снижается и мощность, тем самым необходимо снизить нагрузку, а, следовательно, и ток, так как создается риск полного останова электрической машины.

Принцип действия вентильной индукторно-реактивной машины основан на том, что ферромагнитные тела во внешнем магнитном поле ориентируются так, чтобы пронизывающий их магнитный поток был максимален. То есть при возбуждении фазы статора ближайшие зубцы ротора стремятся принять выровненное положение относительно зубцов статора

[5].

Работа вентильной индукторно-реактивной машины в режиме генератора зависит от его стратегии управления, которая заключается в правильном переключении силовых электронных устройств. Необходимо тщательное определение углов возбуждения для обеспечения непрерывной работы генератора, а также для максимизации его эффективности. Следует заметить, что при увеличении тока возбуждения, выходная мощность будет возрастать сопоставимо увеличению скорости. Следовательно, величина выходной мощности будет зависеть как от угловой скорости, так и от напряжения возбуждения.

Однако из-за нелинейных характеристик вентильных индукторно-реактивных машин сложно определить оптимальную систему управления

[6]. Основной наиболее эффективный способ заключается в определении оптимальных углов положения зубцов ротора относительно зубцов статора для осуществления возбуждения обмоток, позволяющих снизить пульсации электромагнитного момента и повысить энергоэффективность вентильного индукторно-реактивного генератора. В настоящее время существуют различные комбинации углов возбуждения, способные выдавать максимальные значения выходной мощности.

Типовая схема управления ВИРГ изображена на рис. 2.

Рис. 2. Типовая схема управления ВИРГ

Входными величинами контроллера являются ток, напряжение, а также угол положения ротора. Выходные сигналы с программируемого логического контроллера подаются в заранее определенные углы положения ротора. на преобразователь напряжения для включения и отключения цепи возбуждения.

Вырабатываемая энергия ветряной турбиной определяется по следующей формуле:

P = k• R V3 • S/2,

где k= 0,2^0,5- коэффициент эффективности турбины, учитывающий невозможность работы установки на 100%; R - плотность воздуха, кг/м3. При нормальных условиях принимают равной 1,225 кг/м3; V - скорость потока воздуха, м/с; S=nD2/4 - площадь ветрового потока, м2.

Как видно из выражения 1, мощность вырабатываемой энергии турбиной в большей степени зависит от скорости ветра, то есть от скорости вращения ротора. Таким образом при использовании ВИРГ в системах преобразования энергии ветра необходимо постоянно контролировать нагрузку, так как слишком большая величина тока возбуждения при низкой скорости вращения ротора приведет к останову генератора и прекратит выработку электрической энергии.

С изменением скорости ветра как следствие изменяется и вырабатываемая мощность ветрогенератора. Существуют системы, которые различными методами позволяют определить значения тока и напряжения, соответствующие максимальной мощности ветряной турбины при текущей скорости ветра. Такие системы управления основываются на контроллерах отслеживания точки максимальной мощности.

Исходя из этого необходимо использовать систему управления возбуждением ВИРГ на основе алгоритма отслеживания точки максимальной мощности. Отслеживание точки максимальной мощности (ОТММ) (maximum power point tracking, MPPT) — способ, использующийся для получения максимальной возможной мощности на выходе фотомодулей, ветроэнергетических установок, электродвигателей, работающих в режиме рекуперативного торможения. Для реализации ОТММ используются цифровые устройства, часто интегрированные в преобразователи электрической энергии, которые анализируют вольт-амперную характеристику и применяют такую нагрузку, которая позволит выработать максимальную мощность. Контроллеры, построенные по такому методу, с помощью режимов тренировки в режиме реального времени способны определить и запомнить значения тока и напряжения соответствующих точке максимальной мощности ветрогенератора.

Существует несколько алгоритмов отслеживания точки максимальной мощности. Для ВИРГ наиболее подходящий алгоритм отслеживания -восхождение к вершине (hill climb search HCS). Этот алгоритм управления постоянно ищет пиковую мощность ветровой турбины. Алгоритм отслеживания вычисляет оптимальную нагрузку, в зависимости от положения рабочей точки и соотношения между изменениями мощности, и скорости, чтобы привести систему в точку максимальной мощности [7].

Принцип отслеживания точки максимальной мощности на основе алгоритма восхождения к вершине представлен на рис. 3.

203

Рис. 3. Принцип отслеживания точки максимальной мощности на основе алгоритма восхождения к вершине

В случае использования алгоритма ОТММ на основе метода восхождения к вершине для ВИРГ необходимо заметить, что эффективность системы преобразования энергии ветра будет зависеть от рабочих углов. Поэтому выходной величиной ОТММ контроллера будет либо угол возбуждения фаз, либо напряжение возбуждения. Входными величинами контроллера будут являться скорость вращения и ток источника.

Для создания системы управления необходимо рассмотреть основной принцип работы вентильного индукторно-реактивного генератора. При движении зубцов ротора относительно возбуждаемых фаз статора профиль индукции периодично меняется от максимума к минимуму. При согласованном положении, когда зуб статора совпадает с зубцом ротора электромагнитная индукция принимает максимальное значение, а при рассогласовании зубцов индукция стремится к минимуму [8].

Зависимость индукции от угла положения ротора представлена на

рис. 4.

Рис. 4. Зависимость электромагнитной индукции от угла положения

ротора ВИРГ

Как видно из рис. 4, при возбуждении обмоток в рассогласованное положение зубьев создается отрицательный электромагнитный момент, за которым следует генерация электрической энергии в сеть.

Для возбуждения фаз статора и генерации электрической энергии необходимо наличие преобразователя постоянного тока. Наиболее распространенной схемой полупроводникового преобразователя для ВИРГ является асимметричный полумостовой преобразователь (Asymmetric Half Bridge Converter). Он состоит из двух переключающихся ключей T1, T2 и двух силовых диодов D1, D2 на одну фазу. На рис. 5 представлена схема самовозбуждения ВИРГ с применением асимметричного полумостового преобразователя. Когда ключи закрыты (рис. 5, а), ток нарастает и энергия сохраняется в виде магнитного поля. При открывании ключей (рис. 5, б), направление тока в обмотке остается прежним, но ток начинает протекать через диоды, тем самым возвращая энергию источнику [9].

t

7t

а

D1 D2 Z\

1

б

1

D3 ZS i

t U

T2

Рис. 5. Асимметричный полумостовой преобразователь: а - режим возбуждения; б - режим генерации

На рис. 6 изображен идеализированный профиль электромагнитной индукции, где показаны режимы возбуждения и генерации. Углы включения и отключения определены так, что возбуждение осуществляется при максимальном значении электромагнитной индукции. В момент, когда значение индукции снижается, режим возбуждения заканчивается и начинается режим генерации.

Рис. 6. Кривая возбуждения и генерации ВИРГ

Для моделирования алгоритма ОТММ в МайаЬ используется стандартная модель 6\4 из библиотеки 81тиНпк.

205

Модель вентильной индукторно-реактивной машины в Matlab состоит из трех основных элементов, таких как модель электрической машины, контроллера и преобразователя. В библиотеке Simulink в разделе Simscape присутствует блок вентильной индукторно-реактивной машины. Этот блок включает в себя наиболее распространённые конфигурации этих электрических машин: трехфазная конфигурация 6/4, четырехфазная 8/6 и пятифазная 10/8.

Диалоговое окно блока Switched reluctance motor (SRM) позволяет выбрать следующие параметры: тип машины, то есть нужную конфигурацию в зависимости от количества питающих фаз и количества зубьев на статоре и роторе; сопротивление статора - сопротивление обмоток постоянному току на каждой фазе; инерция - необходимое значение момента инерции исследуемой машины; коэффициент трения; начальную скорость и позицию ротора, а также время выборки.

Помимо этих параметров есть возможность выбора модели машины: универсальная и специальная.

В специальной модели SRM кривые намагничивания железа машины получены экспериментальным измерением или вычислены методом конечных элементов. Для этого вида модели необходимо наличие файла формата MAT, содержащего значения токов, потокосцепления, а также углов положения ротора. В универсальной модели кривые намагничивания вычисляются в соответствии с указанными значениями индукции в выровненном и не выровненном положениях зуба статора относительно зуба ротора, максимального тока и максимального значения потокосцепления[10].

Для реализации отслеживания точки максимальной мощности необходимо использовать Matlab функцию. Блок схема алгоритма наблюдения и возмущения отслеживания точки максимальной мощности изображена на рис. 7.

Рис. 7. Типовая схема алгоритма ОТММ

206

ОТММ контроллер, построенный на алгоритме наблюдения и возмущения состоит из блока Matlab функции с четырьмя входами и одним выходом. Первый вход будет включать значения величин ОТММ, такие как начальные значения, верхний и нижний пределы, величина шага увеличения (уменьшения) рабочего цикла преобразователя, блок включения ОТММ и два входа текущих величин тока и напряжения. Основными командами if, else, end описываются правила работы ОТММ контроллера.

Как было отмечено ранее выходная величина будет контролировать углы включения и отключения возбуждения обмотки статора. Соответственно начальная величина этих углов должна быть задана на входе разрабатываемого контроллера.

Альтернативная энергетика, в особенности ветроэнергетика, является автономным источником энергии, которая способна решить ряд задач с электроснабжением отдаленных местностей, станций сотовой связи, фонарей освещения, метеостанций и др. Таким образом, необходимы более современные и передовые системы, способные повысить эффективность ветрогенераторов.

Правильно настроенный контроллер отслеживания точки максимальной мощности - это устройство, которое позволяет получить максимальный потенциал системы преобразования энергии ветра. Применение такого контроллера с вентильным индукторно-реактивным генератором способствует созданию одной из самых эффективных ветроэнергетических установок.

Список литературы

1. Гарипов М.Г. Ветроэнергетика // Вестник Казанского технологического университета, 2013. Вып. 2 - 16. С. 64-66.

2. ГОСТ Р 51237-9S. Нетрадиционная энергетика. Ветроэнергетика. Термины и определения. М., 1996.

3. A. Arifin, I. Al-Bahadly Switched Reluctance Generator for Variable Speed Wind Energy Applications // Smart Grid and Renewable Energy. 2011. V.2. P. 27-36

4. R. Krishnan, Switched Reluctance Motor Drives: Modeling, Simulation, Analysis, Design, and Applications // CRC Press, Taylor & Francis Group, Boca Raton, 2001.

5. Степанов В.М., Авдошин В.С. Анализ основных характеристик вентильно-реактивного электродвигателя, работающего в режиме генератора // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. Тула: Изд-во ТулГУ, 2014. Вып. №S. С. 1S1-1S3.

6. M. Nassereddine, J. Rizk and M. Nagrial, Study on Excitation Control of Switched Reluctance Generator for Wind Energy Conversion // Australasian Universities Power Engineering Conference (AUPEC), Sydney. 200S. P. 1-5.

207

7. J. S. Thongam, M. Ouhrouche, MPPT Control Methods in Wind Energy Conversion Systems // University of Quebec at Chicoutimi, Quebec. 2011. P. 339-360.

8. K. Park, Power Electronic Systems for Switched Reluctance Generator based Wind Farms and DC Networks // Department of Energy Technology, Aalborg University. 2014. P. 13.

9. A. Arifin, I. Al-Bahadly and S. C. Mukhopadhyay, State of the Art of Switched Reluctance Generator // Energy and Power Engineering. 2012. V. 4. P. 447-458.

10. H. Le-Huy, P. Brunelle, Design and Implementation of a Switched Reluctance Motor Generic Model for Simulink SimPowerSystems // Electrimacs Conference 2005.

Степанов Владимир Михайлович, д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой, ener-gy@tsu. tula. ru,Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Иванов Александр Сергеевич, канд. техн. наук, доц., sibsiuprk@,gmail.com, Россия, Новокузнецк, Сибирский государственный индустриальный университет,

Каланчин Илья Юрьевич, асп., crim5@,mail.ru, Россия, Новокузнецк, Сибирский государственный индустриальный университет

APPLICATION OF MAXIMUM POWER POINT TRACKER METHOD IN WIND ENERGY CONVERSION SYSTEM BASED ON THE SWITCHED RELUCTANCE GENERATOR

V.M. Stepanov, A.S. Ivanov, I.Y. Kalanchin

Switched reluctance electric drive functioning in motor mode is actively introduced in different field and production processes. Nowadays this type of electric drive working in generator mode find application in wind energy. However, there are some issues due nonlinear characteristics of these motors type don't allow widely using them. Control systems based on maximum power point tracking method controllers allow to determine necessary current and voltage values. Joint application of switched reluctance generator and maximum power point tracker will allow improving energy performances of wind energy conversion system and reduce costs of generating energy.

Key words: switched reluctance generator, maximum power point tracker, inductance profile, wind energy conversion system, wind generator, wind turbine controller, fired angles, Matlab, control strategy.

Stepanov Vladimir Mikhailovich, doctor of technical sciences, professor, the head of department, energy@tsu. tula.ru, Russia, Tula, Tula State University,

Ivanov Alexander Sergeevich, candidate of technical science, docent, sib-siuprk@,gmail. com, Russia, Novokuznetsk, Siberian State Industrial University,

Kalanchin Ilya Yur 'evich, postgraduate, crim5@,mail.ru, Russia, Novokuznetsk, Siberian State Industrial University