СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ СИСТЕМОЙ С ВЕТРОГЕНЕРАТОРАМИ
METHOD FOR CONTROLLING AN ELECTRIC POWER SYSTEM WITH WIND TURBINES

Область техники, к которой относится изобретение.
Изобретение относится к области электроэнергетики, и может быть использовано в электроэнергетических системах с ветрогенераторами.
Уровень техники.
Известна комбинированная энергетическая установка судна [патент РФ на изобретение №2655569], содержащая гребные винты, гребной электрический двигатель, дизель-генератор, газотурбинные двигатели, систему управления энергетической установкой судна. Причем комбинированная энергетическая установка судна содержит три и более гребных винта фиксированного шага, а привод центрального гребного винта осуществляется от гребного электродвигателя, а приводы остальных гребных винтов осуществляются от газотурбинных двигателей, комбинированная энергетическая установка судна дополнительно содержит обратимый электрический преобразователь, вспомогательную электростанцию с дизель-генератором, главный распределительный щит, потребители собственных нужд, два автоматических выключателя и накопитель с согласующим электрическим преобразователем. К дизель-генератору подключены: через первый автоматический выключатель главный распределительный щит с потребителями собственных нужд; накопитель энергии через согласующий электрический преобразователь; гребной электрический двигатель через обратимый электрический преобразователь, а через второй выключатель к главному распределительному щиту подключен электрический генератор дизель-генератора вспомогательной электростанции.
К недостаткам такого решения относится отсутствие уравнительных цепей для сглаживания токов между судовыми источниками электроэнергии, что ухудшает переходные процессы при их синхронизации.
тек
ст
тек
зад
ст.уст
ст.уст
ст.уст
уст
p
ст
уст
p
тек
зад
вкл.верх
выкл.верх
вкл.низ
выкл.низ
вкл.верх
вкл.низ
выкл.верх
выкл.низ
вкл.верх
выкл.верх
вкл.низ
выкл.низ
Также из уровня техники известен способ управления активной мощностью электростанции [патент РФ на изобретение №2464438], включающий замер текущего значения активной мощности Р, передаваемой в сеть электростанцией, и частоты вращения свободной турбины n, вычисление отклонения Р от заданного Р(ΔР), вычисление величины уставки по частоте вращения свободной турбины n и дальнейшее формирование управляющего воздействия на дозатор топлива, отличающийся тем, что величину n вычисляют по формуле n=kc⋅f+k⋅ΔP’, где kc - коэффициент, связывающий частоту вращения генератора и частоту вращения свободной турбины n; f - уставка по частоте сети электростанции; k - коэффициент регулирования по мощности; ΔР’ - величина отклонения Р от заданного Р, равная 0 или ΔР, при этом дополнительно задают величины ΔР, ΔР, ΔР, ΔР, а управляющее воздействие на дозатор формируют с учетом ΔР в момент, когда ΔP>ΔРили ΔP<ΔР, и без учета ΔР - в момент, когда ΔP<ΔРили ΔР>ΔР, где ΔР- верхнее пороговое значение включения ΔР, при достижении которого ΔР’ становится равным ΔР; ΔР - верхнее пороговое значение выключения ΔР, при достижении которого ΔР’ становится равным 0; ΔР- нижнее пороговое значение включения ΔР, при достижении которого ΔР’ становится равным ΔР; ΔР- нижнее пороговое значение выключения ΔР, при достижении которого ΔР’ становится равным 0.
К недостаткам такого решения можно отнести отсутствие алгоритмов для сглаживания переходных процессов при подключении генераторов в электроэнергетической системе для перевода нагрузки с одного источника на другой, либо при включении источников на параллельную работу, что ведет к износу коммутационной аппаратуры и нарушению требований стандартов на качество электроэнергии.
Данное решение является наиболее близким по своей технической сущности прототипом к заявляемому решению.
Раскрытие изобретения.
Из уровня техники широко известны различного рода синхронные генераторы на постоянных вообще, и установки для генерирования электричества от силы ветра также.
Использование генераторов на постоянных магнитах обеспечивает снижение габаритов за счет отсутствия обмотки возбуждения, но главное – автономность работы ветрогенераторной установки от дополнительных источников питания и повышение ее КПД. При работе ветрогенератора его выходное напряжение будет изменяться в широком диапазоне в зависимости от силы ветра – поскольку отсутствие обмотки возбуждение не позволяет компенсировать колебания уровня напряжения. Изменение частоты также будет находиться в прямой зависимости от скорости вращения, которая в широком диапазоне изменяется при изменении силы ветра.
Таким образом, сам электрический генератор в составе ветрогенератора имеет нестабильные параметры, которые не позволяют его использовать для питания сетей переменного тока и промышленных потребителей. Поэтому в составе ветрогенератора предусматривают процесс преобразования – сначала выпрямление выходного переменного напряжения генератора, после чего инвертирование напряжения звена постоянного тока в выходное широтно-импульсно модулированное напряжение, параметры которого полностью могут быть стабилизированы. И частота, и напряжение на выходе инвертора могут быть жестко заданы и поддерживаться стабильными вне зависимости от скорости вращения и нагрузки в питаемой сети [1].
Именно такие ветрогенераторные установки и получили применение в реальных установках. Поскольку максимально достижимая мощность одного ветрогенератора ограничена, используют сети из большого числа (десятки) ветрогенераторов, работающих параллельно.
В некоторых странах (например, Нидерланды), придается большое значение ветроэнергетике. Есть примеры использования станций из сотен или тысяч ветрогенераторов, работающих на общую нагрузку. Благодаря стабильности параметров инверторов, удается поддерживать качественное напряжение и токи в сети. Однако вопрос распределения мощности решается на уровне отдельной генераторной установки, синхронизируемой с общей сетью при включении. Вопросы равномерной нагрузки и управления в целом крупной сетью ветрогенераторов как единой системой ранее не рассмотрены. Вместе с тем, в электроэнергетических системах с большим количеством генераторов возможна неравномерная загрузка работающих параллельно источников. Подобная неравномерность возможна и в ветрогенераторах с полупроводниковыми преобразователями на выходе [1].
На фигуре 1 показана структура типичного ветрогенератора. Условно показан пропеллер – лопасть ветряной турбины. Вращающее усилие с вала ветряной турбины поступает на редуктор, который осуществляет повышение скорости вращения для согласования низких оборотов ветряной турбины и требуемой для эффективной работы скорости вращения генератора. Далее идет генератор, на выходе которого переменное напряжение подключается к выпрямителю, питающего звено постоянного тока и вход инвертора, который преобразует постоянное напряжение в переменное с заданными параметрами частоты и напряжения.
На фигуре 2 приведена упрощенная схема электроэнергетической системы с ветрогенераторами, имеющая в своем составе 18 ветрогенераторов и подключенная к внешней сети. Следует отметить, что переключения не только в судовых электроэнергетических системах при нормальной работе производятся без обесточений – но также и в общепромышленных сетях при питании промышленных и бытовых потребителей. Это означает что почти всегда во внешней сети также есть другие источники электроэнергии, причем их мощность может превышать мощность всех ветрогенераторов в системе, а это означает необходимость подстраиваться под внешнюю сеть.
На фигуре 3 приведена упрощенная блок-схема способа управления, предлагаемого в заявляемом решении. Способ включает в себя измерение частоты внешней сети, что необходимо для обеспечения корректной работы управляемой электроэнергетической системы с ветрогенераторами совместно с внешней (питаемой) сетью, где также могут быть свои источники. Сеть из ветрогенераторов, показанных на фигуре 2, и представляет собой объект для управления предлагаемого способа. Из фигуры 2 видно, что нецелесообразно тянуть кабельные линии к дальним ветрогенераторам независимо от всех остальных генераторов, то есть такая сеть генераторов будет магистрально включена (т.е. последовательно друг за другом). На фигуре 2 показан случай смешанной магистрально-радиальной структуры для электроэнергетической системы, как наиболее комплексный. Суть сводится к тому, что совместные линии передачи электроэнергии от ветрогенераторов и разная длина между ветрогенераторами и внешней сетью ведут к появлению нелинейностей и неравного сопротивления и индуктивности. Это приводит к неравномерной загрузке даже полностью идентичных и исправных генераторов.
Следующим шагом задают частоту на выходе ветрогенераторов равной частоте внешней сети, что легко достигается, поскольку системы управления современных инверторов, входящих в состав ветрогенераторов, имеют микропроцессорное управление и могут получать внешнюю информацию в цифровом виде как внешнее управляющее воздействие или обратная связь. Таким образом, предлагаемое решение легко реализуемо в промышленности, и в том числе при серийном производстве. Для выработки управляющего воздействия по заданию частоты или фазы отдельных ветрогенераторов, может быть использовано централизованное управление с единого поста электроэнергетической установки с ветрогенераторами. Заявляемое решение является способом, и представляет собой последовательность действий, и устройства, реализующие предлагаемый способ, не входят в объем правовой защиты и отличительной части формулы. Достаточно, способ реализуем при текущем уровне элементной базы.
Далее в предлагаемом способе измеряют мощность, которая отдается каждым из ветрогенераторов в сеть, и сортируют результаты измерения в соответствии с уровнем мощности. То есть определяются более загруженные и менее загруженные генераторы - что необходимо для коррекции мощности и определения тех генераторов, которые необходимо регулировать.
Далее в предлагаемом способе вычисляют среднюю мощность путем деления суммы всех результатов измерения мощности ветрогенераторов на их количество, и определяют ветрогенераторы чья мощность ниже средней мощности на значение, превышающее уставку. После этого задают фазовый сдвиг с опережением упомянутым ветрогенераторам с мощностью ниже, чем вычисленная средняя мощность на значение, превышающее уставку.
Значение опережающего фазового сдвига задают пропорционально разнице между вычисленной средней мощностью и измеренным значением мощности для каждого из этих ветрогенераторов. Чем сильнее отличается мощность, отдаваемая ветрогенератором, в меньшую от среднего значения всей системы сторону – тем большее значение опережающего сдвига фаз требуется задать. Подобные параметры требуют либо точного расчета или моделирования на компьютере, либо проведения опытно-исследовательских работ с созданием макетов системы с близкими параметрами.
После выполнения перечисленных действий всю последовательность повторяют с выдержкой времени, определяющей инерционность способа управления. То есть задержка времени как элемент способа необходима для управления постоянной времени обратной связи по мощности, и уравнивания процессов в сетях. Точное ее значение должно подбираться, как это принято, в процессе наладки системы.
В каждой конкретной реализации способа в процессе наладки будет требоваться корректировка обратной связи – уточнение коэффициента для обратной связи по мощности (зависимость уровня сдвига фаз от отклонения его мощности вниз от среднего значения), а также постоянной времени петли обратной связи – выдержки по времени в последовательности действий.
Заявляемое решение является простым и промышленно применимым, представляя собой способ управления электроэнергетической системой. Вся совокупность указанных в отличительной части формулы признаков имеет новизну в целом, и участвует в получении технического результата.
Заявляемое решение является способом, то есть последовательностью действий и может быть реализована в электросетях.
Предлагаемое техническое решение является новым и имеет следующие принципиальные отличия от прототипа:
- задают частоту на выходе ветрогенераторов равной частоте внешней сети;
- измеряют мощность отдаваемую каждым из ветрогенераторов в сеть, сортируют результаты измерения в соответствии с уровнем мощности;
- вычисляют среднюю мощность путем деления суммы всех результатов измерения мощности ветрогенераторов на их количество;
- далее определяют ветрогенераторы, чья мощность ниже вычисленной средней мощности на значение, превышающее уставку;
- задают фазовый сдвиг с опережением для ветрогенераторов с мощностью ниже, чем вычисленная средняя мощность на значение, превышающее уставку;
- значение фазового сдвига задают пропорционально разнице между средней мощностью и измеренным значением мощности для каждого из этих ветрогенераторов;
- всю последовательность действий повторяют с выдержкой времени, определяющей инерционность способа управления.
Таким образом, совокупность существенных признаков изобретения ранее неизвестна и ведет к новому техническому результату – обеспечению равномерной загрузки ветрогенераторов.
Краткое описание чертежей.
На фигуре 1 изображена упрощенная схема ветрогенераторной установки. Здесь 1 – редуктор, 2 – генератор, 3 – выпрямитель, 4 – инвертор. На фигуре 2 изображена упрощенная схема электроэнергетической системы с ветрогенераторами. Здесь 5 – ветрогенератор, 6 – внешняя сеть. На фигуре 3 изображена блок схема предлагаемого способа управления. Здесь 7 – задание частоты, 8 – измерение мощности, 9 – сортировка результатов измерения, 10 – вычисление средней мощности, 11 – определение ветрогенераторов с низкой мощностью, 12 – определение значения фазового сдвига на опережение, 13 – задание фазового сдвига на опережение, 14 – выдержка времени, 15 – измерение частоты внешней сети.
Список использованной литературы
1. Дмитриев Б.Ф., Рябенький В.М., Черевко А.И., Музыка М.М. Судовые полупроводниковые преобразователи. – Архангельск: САФУ, 2015.