СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКОЙ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ
CONTROL METHOD OF WIND-DRIVEN POWER PLANT, AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение может быть использовано в области ветроэнергетики, конкретно при управлении ветроэнергетической установкой.
Известен способ [Твайделл Дж., Уэйр А. Возобновляемые источники энергии.: Пер. с англ. - М.: Энергоатомиздат. 1990.] управления ветроэнергетической установкой, основанный на том, что формируют сигнал о скорости ветра на высоте оси вращения ветроколеса, сигнал задания общего угла установки лопастей ветроколеса и сигнал об угле установки каждой лопасти ветроколеса, по этим сигналам формируют сигнал регулирования, при котором в каждый момент времени равные углы установки лопастей ветроколеса регулируются так, чтобы скорость вращения ветроколеса была постоянной.
Недостатком этого способа-аналога является недоиспользование установленной мощности ветроколеса.
Известен также способ [Дьяков А.Ф., Перминов Э.М., Шакарян Ю.Г. Ветроэнергетика России. Состояние и перспективы развития. - М.: Издательство МЭИ, 1996, стр.35-36] управления ветроэнергетической установкой, основанный на том, что формируют сигнал о скорости ветра на высоте оси вращения ветроколеса, сигнал задания общего угла установки лопастей ветроколеса и сигнал об угле установки каждой лопасти ветроколеса, по этим сигналам формируют сигнал регулирования, при котором в каждый момент времени равные углы установки лопастей ветроколеса постоянные, а скорость вращения ветроколеса меняется пропорционально изменению скорости ветра при постоянной быстроходности.
Недостатком этого способа-прототипа является также недоиспользование установленной мощности ветроколеса.
Известна ветроэнергетическая установка [K.Mortensen, С.Skamris. The masnedoe wind farm. Demonstration project. ELKRAFT Power Company Ltd, Copenhagen, August 1989.] мощностью 300 кВт. Ветроколесо выполнено трехлопастным. При этом система регулирования угла установки лопастей размещена в ступице ветроколеса и содержит гидроцилиндр установки общего угла лопастей, а также три защитных гидроцилиндра (по одному для каждой лопасти). Подвод масла к гидроцилиндрам производится через сквозные отверстия, просверленные по всей длине основного вала ветроустановки. Эта известная ветроэнергетическая установка позволяет реализовать как способ-аналог, так и способ-прототип с присущим им недостатком - недоиспользование установленной мощности ветроколеса. Кроме того, в указанной гидросистеме узел передачи масла от неподвижных элементов в просверленные по всей длине основного вала отверстия к гидроцилиндрам обладает низкой надежностью.
Техническая задача, решаемая изобретением, состоит в повышении эффективности путем повышения использования установленной мощности ветроэнергетической установки и соответственно увеличения выработки электроэнергии.
Поставленная техническая задача решается тем, что в известном способе управления ветроэнергетической установкой, основанном на том, что формируют сигнал о скорости ветра на высоте оси вращения ветроколеса, сигнал задания общего угла установки лопастей ветроколеса и сигнал об угле установки каждой лопасти ветроколеса, формируют сигнал углового положения вала ветроколеса, по этим сигналам дополнительно формируют сигнал регулирования угла установки каждой лопасти в функции высоты ее расположения в течение каждого оборота ветроколеса.
Кроме того, поставленная техническая задача решается тем, что известная ветроэнергетическая установка, содержащая лопасти ветроколеса, ступицу и вал ветроколеса, мультипликатор, электрогенератор, энергосистему, рычаг и тягу по числу лопастей, блок управления лопастями, датчик скорости ветра, задатчик общего угла установки лопастей и датчик угла установки лопасти ветроколеса, при этом лопасти ветроколеса выполнены каждая с возможностью вращения вокруг своей продольной оси в ступице вала ветроколеса, вал ветроколеса соединен с валом электрогенератора, статорная обмотка которого подсоединена к энергосистеме, каждая лопасть ветроколеса ортогонально ее продольной оси вращения жестко соединена с рычагом, который шарнирно соединен с тягой, на валу ветроколеса жестко расположен блок управления лопастями, дополнительно снабжена датчиком углового положения вала ветроколеса, блоком контактных колец и блоками управления углом установки лопасти по числу лопастей ветроколеса, при этом датчик углового положения вала ветроколеса жестко расположен на валу ветроколеса, блок управления лопастями содержит по числу лопастей ветроколеса блоки управления углом установки лопасти, выход каждого из которых соединен с тягой своей лопасти, первый, второй и третий входы блока управления углом установки лопасти соединены соответственно с выходами датчика скорости ветра, задатчика угла установки лопасти и датчика углового положения вала, а четвертый вход указанного блока соединен с выходом блока контактных колец, вход которого соединен с энергосистемой.
Кроме того, блок управления углом установки лопасти снабжен блоком формирования сигнала о высоте расположения лопасти ветроколеса, блоком формирования сигнала о скорости ветра на высоте расположения лопасти ветроколеса, блоком формирования сигнала о скорости ветра на минимальной высоте расположения лопасти ветроколеса, сумматором, функциональным блоком формирования сигнала о приращении угла установки лопасти ветроколеса, блоком формирования сигнала задания угла установки лопасти ветроколеса, регулятором угла установки лопасти ветроколеса, полупроводниковым преобразователем частоты, электродвигателем, системой передачи "винт-гайка", при этом первый, второй и третий входы блока управления углом установки лопасти соединены соответственно с первым входом блока формирования сигнала о скорости ветра на высоте расположения лопасти ветроколеса и входом блока формирования сигнала о скорости ветра на минимальной высоте расположения лопасти ветроколеса, выходы которых подсоединены соответственно к первому и второму входам сумматора, с первым входом блока формирования сигнала задания угла установки лопасти ветроколеса и с входом блока формирования сигнала о высоте расположения лопасти ветроколеса, выход которого соединен со вторым входом блока формирования сигнала о скорости ветра на высоте расположения лопасти ветроколеса, выход сумматора через функциональный блок формирования сигнала о приращении угла установки лопасти ветроколеса соединен со вторым входом блока формирования сигнала задания угла установки лопасти ветроколеса, выход которого соединен со вторым входом регулятора угла установки лопасти ветроколеса, первый вход которого соединен с выходом датчика угла установки лопасти ветроколеса, а выход регулятора соединен со входом управления полупроводникового преобразователя частоты, силовой вход которого соединен с четвертым входом блока управления углом установки лопасти, а силовой выход соединен с электродвигателем, вал последнего соединен через муфту с системой передачи "винт-гайка", гайка которого шарнирно соединена с тягой и с подвижным элементом датчика угла установки лопасти ветроколеса.
Предлагаемое устройство схематично представлено на рисунках.
На фиг.1 представлена общая схема ветроэнергетической установки. На фиг.2 представлен блок управления углом установки лопасти. На фиг.3 представлен поперечный разрез системы передачи "винт-гайка". На фиг.4 представлен график изменения скорости ветра по всей высоте ветроэнергетической установки. На фиг.5 представлены графики изменения мощностей трехлопастного ветроколеса за один оборот.
вк
oi
вк
вк
вк
вк
Согласно фиг.1 лопасть 1 выполнена с возможностью вращения вокруг своей продольной оси в ступице 2 вала 3 ветроколеса. Вал 3 ветроколеса соединен (например, через мультипликатор 4) с валом электрогенератора 5, статорная обмотка (например, многофазная) которого подсоединена к энергосистеме 6. Каждая лопасть 1 ветроколеса ортогонально ее продольной оси вращения жестко соединена с рычагом 7, который шарнирно соединен с тягой 8. На валу 3 ветроколеса жестко расположены датчик 9 углового положения вала 3 ветроколеса, блок 10 управления лопастями и блок 11 контактных колец. Блок 10 управления лопастями содержит, по числу лопастей ветроколеса, блоки 12 управления углом установки лопасти, выход каждого из которых соединен с тягой 8 своей лопасти. Датчик 9 углового положения вала 3 выполнен, например, в виде синхронного калиброванного тахогенератора, выдающего на выходе косинусоидальные сигналы cos(γ+δ) постоянной амплитуды по числу лопастей ветроколеса, где γ - текущее значение угла положения вала 3,  - некоторый угол, позволяющий согласовать положения лопасти и датчика 9, i - номер лопасти, m - общее число лопастей ветоколеса. Этот же угол позволяет учесть пространственный сдвиг лопастей. Например, при трехлопастном ветроколесе (m=3) для первой лопасти сигнал имеет вид cos(γ+0°), для второй лопасти - cos(γ+120°), для третьей лопасти - cos(γ-120°) (Бриндли К. Измерительные преобразователи. Справочное пособие: Пер. с англ. - М.: Энергоатомиздат, 1991). Первый вход блока 12 управления углом установки лопасти соединен с выходом датчика 13 скорости ветра, обычно выполненный как анемометр, расположенный на гондоле ветроэнергетической установки. Второй вход блока 12 управления углом установки лопасти соединен с выходом задатчика 14 угла установки лопасти. Задатчик 14 угла установки лопасти в простейшем случае представляет собой источник постоянного сигнала. Третий вход блока 12 управления углом установки лопасти соединен с выходом датчика 9 углового положения вала 3. Четвертый вход блока 12 управления углом установки лопасти соединен с выходом блока 11 контактных колец, вход которого соединен с энергосистемой 6. Блок 11 контактных колец выполнен аналогично блоку контактных колец асинхронного двигателя с фазным ротором (Вольдек А.И. Электрические машины. Изд. 2-е, перераб. и доп. Л.: "Энергия", 1974).
Согласно фиг.2 третий вход блока 12 управления углом установки лопасти соединен с входом блока 15 формирования сигнала о высоте расположения лопасти ветроколеса. Первый вход блока 12 управления углом установки лопасти соединен с первым входом блока 16 формирования сигнала о скорости ветра на высоте расположения лопасти ветроколеса и входом блока 17 формирования сигнала о скорости ветра на минимальной высоте расположения лопасти ветроколеса. Второй вход блока 16 соединен с выходом блока 15. Выходы блоков 16 и 17 подсоединены соответственно к первому и второму входам сумматора 18. Выход сумматора 18 через функциональный блок 19 формирования сигнала о приращении угла установки лопасти ветроколеса соединен со вторым входом блока 20 формирования сигнала задания угла установки лопасти ветроколеса. Первый вход блока 20 соединен со вторым входом блока 12. Выход блока 20 соединен со вторым входом регулятора 21 угла установки лопасти ветроколеса, первый вход которого соединен с выходом датчика 22 угла установки лопасти ветроколеса. В простейшем случае датчик 22 выполнен в виде регулируемого резистора с ползунком, перемещение которого пропорционально изменению угла установки лопасти. Выход регулятора 21 соединен со вторым входом (входом управления) полупроводникового преобразователя частоты 23, первый вход (силовой вход) которого соединен с четвертым входом блока 12 и далее с блоком контактных колец 11. Полупроводниковый преобразователь частоты 23 выполнен в виде известных или непосредственного преобразователя частоты, или выпрямительно-инверторного устройства (Жемеров Г.Г. Тиристорные преобразователи частоты с непосредственной связью. М.: "Энергия", 1977). Силовой выход преобразователя частоты 23 соединен с электродвигателем 24. Вал электродвигателя 24 соединен через муфту 25 с винтом 26, который проходит внутри гайки 27. Гайка 27 снаружи снабжена шлицами 28, расположенными во внутренних пазах корпуса 29. Корпус 29 имеет ушки 30 для жесткого соединения с валом 3 ветроколеса. Винт 26, гайка 27 и корпус 29 образуют известную систему передачи "винт-гайка", предназначенную для преобразования вращательного движения в поступательное движение. На фиг.2 приведен продольный разрез передачи, а на фиг.3 приведен ее поперечный разрез. (1. Машиностроение. Энциклопедия. / Ред. совет: К.В.Фролов (пред.) и др. - М.: Машиностроение. 2. Детали машин. Конструкционная прочность. Трение, износ, смазка. Т. IV-1 / Д.Н.Решетов, А.П.Гусенков и др.; Под общ. ред. Д.Н.Решетова. - 864 с: ил.). Гайка 27 шарнирно соединена с тягой 8. Гайка 27 также соединена с подвижным элементом (ползунком) датчика 22 угла установки лопасти ветроколеса.
На фиг.1 условно приведена схема ветроэнергетической установки при двухлопастном выполнении ветроколеса. При однолопастном или многолопастном (например, трехлопастном) выполнении ветроколеса соответственно меняется лишь число элементов 1, 7, 8 и 12.
i
Устройство работает следующим образом. Каждая лопасть 1 ветроколеса в течение каждого оборота последовательно проходит крайнее нижнее, горизонтальное и крайнее верхнее положения. При этом по сигналу от датчика 9 углового положения вала 3 блок 15 формирования сигнала о высоте расположения лопасти ветроколеса определяет текущее значение высоты h, расположения каждой лопасти по формуле
i
0
вк
вк
oi
h=h-R·cos(γ+δ),
0
вк
где h - высота оси вращения ветроколеса, R - радиус ветроколеса.
0
0
i
hi
Сигналы от датчика 13 скорости ветра U на высоте h оси вращения ветроколеса и от блока 15 формирования сигнала о высоте h расположения лопасти ветроколеса поступают соответственно на первый и второй входы блока 16, где формируется сигнал о скорости ветра U на высоте текущего расположения лопасти ветроколеса по формуле
0
вк
0
max
o
вк
min
0
вк
0
max
min
o
h min
где для параметра b в среднем за год для открытой местности принято значение b=0.2. (Бурмистров А.А., Виссарионов В.И., Дерюгина Г.В. и др. Методы расчета ресурсов возобновляемых источников энергии.; под ред. В.И.Виссарионова. - М.: Издательский дом МЭИ, 2007.). Согласно этой формуле на фиг.4. представлен график (кривая 1) изменения скорости ветра при U=15 м/с по всей высоте для ветроэнергетической установки Российского производства типа "Радуга 1" мощностью 1 МВт с радиусом трехлопастного ветроколеса R=24 м, установленной в Калмыкии недалеко от г.Элисты (Селезнев И.С. Состояние и перспективы работ МКБ "Радуга" в области ветроэнергетики. Конверсия в машиностроении - Conversion in machine building of Russia, 1995, №5). Кроме того, на фиг.4 горизонтальные линии 2, 3, 4 соответствуют высотам h=40 м, h=h+R=40+24=64 м; h=h-R=40-24=16 м; вертикальные линии 5, 6, 7 соответствуют скоростям ветра U=15 м/с, U=16.4784 м/с, U=12.4883 м/с на этих высотах. Сигнал от датчика 13 скорости ветра U на высоте оси вращения ветроколеса поступает также на вход блока 17, где формируется сигнал о скорости ветра U на минимальной высоте расположения лопасти ветроколеса по формуле
hi
Сигналы с выходов блоков 16 и 17 поступают соответственно на первый и второй входы сумматора 18, где определяется текущее значение приращения скорости ветра ΔU по формуле
hi
hi
h min
ΔU=U-U.
i
По сигналу сумматора 18 функциональный блок 19 формирует текущее значение сигнала о приращении угла установки лопасти Δφ ветроколеса согласно выражению
i
hi
Δφ=f(ΔU).
Функция f может быть любой. В простейшем случае - это постоянный коэффициент пропорциональности.
o
задi
Сигнал с выхода задатчика 14 общего угла φ установки лопастей и сигнал с выхода блока 19 поступают соответственно на первый и второй входы блока 20, формирующего сигнал задания угла установки лопасти φ в виде
задi
0
i
φ=φ+Δφ.
дi
задi
i
Сигнал с выхода датчика 22 угла φ установки лопасти ветроколеса и сигнал φ с выхода блока 20 поступают соответственно на первый и второй входы регулятора 21, реализующего, например, пропорционально-интегрально-дифференциальное (ПИД) регулирование угла φ установки лопасти ветроколеса
пр
инт
диф
где р - символ дифференцирования, k, k, k - коэффициенты соответственно пропорционального, интегрального и дифференциального регулирования.
дi
Сигнал с выхода регулятора 21 поступает на вход управления полупроводникового преобразователя частоты 23, преобразующего напряжение своего силового входа в напряжение требуемой амплитуды и частоты на своем силовом выходе для питания электродвигателя 24. При этом вал электродвигателя 24 через муфту 25 вращает винт 26, который проходит внутри гайки 27. Так как гайка 27 снаружи снабжена шлицами 28, расположенными во внутренних пазах корпуса 29, то при вращении винта 26 гайка 27 перемещается вдоль корпуса 29, жестко соединенного с валом 3 ветроколеса. При перемещении гайки 27 одновременно перемещаются связанные с ней тяга 8 лопасти и ползунок датчика 22 угла установки лопасти ветроколеса. Величина и направление этого перемещения определяются продолжительностью и направлением вращения электордвигателя. Так как при перемещении ползунка меняется и сигнал с выхода датчика 22 угла φ установки лопасти ветроколеса, то регулятор 21 будет реализовывать указанное ПИД регулирование. При этом величины коэффициентов регулирования устанавливаются такими, чтобы всегда выполнялось условие
задi
дi
(φ-φ)≈0.
i
сум
ср
сум(φ=0)
Это обеспечивает плавное изменение угла установки каждой лопасти в течение каждого оборота ветроколеса, когда лопасть проходит из крайнего нижнего положения в крайнее верхнее положение, и наоборот. При этом на фиг.5 представлены графики изменения мощностей трехлопастного ветроколеса за один оборот для указанной ветроэнергетической установки "Радуга 1". Графики 3 и 4 характеризуют соответственно суммарную и среднюю от этой суммарной (т.е. интегральную) мощности ветроколеса при плавном регулировании предлагаемым способом углов установки его лопастей в диапазоне 0°≤φ≤5°. Согласно графику 3 суммарная мощность за один оборот ветроколеса совершает три колебания в диапазоне 1,3646 МВт ≤ Р≤1,4618 МВт, а согласно графику 4 средняя мощность равна Р≈1.4197 МВт. Там же для сравнения приведены графики 1 и 2 - соответственно суммарной и средней мощностей ветроколеса при угле установки его лопастей φ=0°=const, т.е. без регулирования предлагаемым способом углов установки лопастей. При этом график суммарной мощности за один оборот ВК совершает также три колебания в диапазоне 1.3065 МВт ≤ Р≤1.3747 МВт, а средняя мощность равна
ср(φ=0)
Р≈1.354 МВт.
ср
ср(φ=0)
Из сравнения Р и Р очевидно повышение использования установленной мощности ветроэнергетической установки при предлагаемом регулировании углов установки лопастей ветроколеса, что в свою очередь позволяет увеличить выработку электроэнергии ветроэнергетической установкой.