СПОСОБ РЕГУЛИРОВАНИЯ КРУТЯЩЕГО МОМЕНТА И УГЛА УСТАНОВКИ ЛОПАСТЕЙ ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ СТАНЦИИ В СООТВЕТСТВИИ С ЧАСТОТОЙ ВРАЩЕНИЯ
WINDMILL PROPELLER ARRANGEMENT IN COMPLIANCE WITH ROTARY SPEED

Область техники
Настоящее изобретение касается способа управления/регулирования момента и угла установки лопастей ветроэнергетической станции в зависимости от частоты вращения. Способ служит для определения оптимального заданного значения момента на генераторе в зависимости от частоты вращения ветроэнергетической установки с регулируемым углом установки лопастей.
Уровень техники
Система управления запускает ветроэнергетическую установку при ветре со скоростью на включение, а при большой скорости ветра, т.е. скорости, при которой происходит отключение, снова отключает установку во избежание механической перегрузки. Скорость ветра определяется, например, анемометром или рассчитывается из частоты вращения ротора и отдаваемой мощности.
Известны ветроэнергетические установки с переменной частотой вращения, с регулируемым углом установки лопастей ротора. При регулировании угла установки лопастей каждая лопасть ротора может переустанавливаться путем поворота относительно своей продольной оси под определенным углом. При различных углах установки лопасть ротора получает другой ветровой момент.
Для управления/регулирования ветроэнергетических установок известны два различных режима работы. Первый режим работы обозначается как режим частичной нагрузки, в котором регулирование частоты оборотов осуществляется посредством задания крутящего момента. Второй режим работы является режимом полной нагрузки, в котором регулирование частоты вращения осуществляется за счет изменения угла установки.
опт
Чтобы добиться оптимального выхода мощности при эксплуатации ветроэнергетической установки, частота оборотов установки в режиме частичной нагрузки устанавливается на оптимальное соотношение между окружной скоростью ротора и скоростью ветра (λ). При этом лопасти ротора устанавливаются под углом, который генерирует максимальный приводной момент для вала ротора. Частота вращения ротора в диапазоне частичных нагрузок настраивается за счет противодействующего момента, генерируемого на генераторе и/или преобразователе частоты.
Если при номинальной скорости ветра достигнут максимальный противодействующий момент (момент нагрузки) на генераторе, то дальнейшее удерживание частоты вращения в рабочей точке за счет дальнейшего повышения момента на генераторе невозможно. В этом случае перегрузка системы предотвращается за счет ухудшения аэродинамического коэффициента полезного действия лопастей и их выведения из оптимального угла установки. Этот процесс специалисты называют также «питчем» („pitchen"). Таким образом, на частоту вращения ротора после достижения максимального момента на генераторе влияет угол установки лопастей.
Из ЕР 1007844 В1 известна ветроэнергетическая установка с переменной скоростью, которая имеет асинхронный генератор с ротором с обмоткой. Для эксплуатации известной ветроэнергетической установки в ней имеется устройство регулирования крутящего момента и устройство управления углом установки, которое работает независимо от устройства регулирования крутящего момента.
Раскрытие изобретения
В основу изобретения положена техническая задача создать способ управления моментом и углом установки лопастей для ветроэнергетической установки в зависимости от частоты вращения, который бы обеспечивал особенно высокий выход мощности.
1
1
2
2
2
3
3
В соответствии с изобретением данная задача решается с помощью способа управления/регулирования момента и угла установки лопастей ветроэнергетической установки в зависимости от частоты вращения в соответствии с характеристической кривой, у которой в режиме частичной нагрузки на первом участке момент регулируют до первой предварительно заданной частоты вращения n; в режиме частичной нагрузки на втором участке момент регулируют в интервале между первой частотой вращения n и второй частотой вращения n; в режиме полной нагрузки на третьем участке осуществляют регулирование, по меньшей мере, одного угла установки лопасти ротора для чисел оборотов, превышающих вторую частоту вращения n; в режиме полной нагрузки на четвертом участке осуществляют регулирование угла установки лопасти для чисел оборотов, которые ниже второй частоты вращения n и выше третьей частоты вращения n, если до этого управление велось в соответствии с третьим участком; и в режиме частичной нагрузке на пятом участке момент регулируют для чисел оборотов, которые ниже третьей частоты вращения n, если до этого управление велось в соответствии с четвертым участком.
В предпочтительном варианте на четвертом и пятом участках характеристической кривой при недостижении минимального угла установки лопасти управление ведут по шестому участку характеристической кривой с возвратом к первому или второму участку характеристической кривой.
На шестом участке характеристической кривой момент предпочтительно сокращают в зависимости от частоты вращения.
В другом варианте четвертый участок характеристической кривой инициируют, если угол установки лопастей ротора в режиме полной нагрузки превышает предварительно заданное наименьшее значение.
Предпочтительно, чтобы предварительно заданное наименьшее значение угла установки было выше 0,5° и ниже 5°. Наиболее предпочтительно, чтобы предварительно заданное значение угла установки было выше 1° и ниже 3°.
2
В дальнейшем варианте на первом участке характеристической кривой момент по мере изменения частоты вращения возрастает до тех пор, пока частота вращения не достигнет предварительно заданное значение n.
В еще одном варианте на втором участке характеристической кривой момент по мере изменения частоты вращения возрастает быстрее, чем на первом участке.
На третьем участке вплоть до предварительно заданной частоты вращения регулирование может осуществляться до выхода на постоянное значение.
5
На третьем участке характеристической кривой, начиная с частоты вращения n, по мере прогрессирующего повышения частоты вращения момент вращения предпочтительно падает.
На пятом участке характеристической кривой крутящий момент по мере изменения частоты вращения предпочтительно возрастает быстрее, чем на первом участке.
3
2
В наиболее предпочтительном варианте третья частота вращения n ниже второй частоты вращения n.
1
1
2
2
3
2
3
2
3
Способ согласно изобретению служит для управления крутящим моментом и углом установки в зависимости от частоты вращения. При этом управление происходит в соответствии с заданной характеристической кривой. Характеристическая кривая в зависимости от частоты вращения ротора задает заданную величину момента на генераторе, т.е. заданную величину момента, приложенного к генератору. Затем заданная величина задается или регулируется генератору соответствующим устройством управления. Для достижения желаемой заданной величины момента на генераторе устройство управления изменяет как мощность, потребляемую генератором, так и угол установки лопастей ротора. Устройство управления может быть также выполнено как устройство регулирования. В режиме частичной нагрузки на ветроэнергетической установке на первом участке происходит регулирование момента вплоть до выхода на первую частоту вращения n. За первым участком следует второй участок, на котором также в режиме частичной нагрузки происходит регулирование момента, начиная с первой предварительно заданной частоты вращения n и вплоть до второй частоты вращения n. В режиме полной нагрузки на третьем участке происходит регулирование угла установки лопастей для чисел оборотов, превышающих вторую частоту вращения n. На четвертом участке в режиме полной нагрузки также происходит регулирование угла установки лопастей для чисел оборотов, которые превышают третью частоту вращения n и меньше, чем вторая частота вращения n. На пятом участке происходит регулирование момента в режиме частичной нагрузки для чисел оборотов, которые меньше, чем третья частота вращения n, если до этого управление происходило в соответствии с четвертым участком характеристической кривой. Способ согласно изобретению в режиме частичной нагрузки имеет регулирование момента, которое инициируется лишь при условии, что до этого управление происходило в соответствии с четвертым участком. Таким образом, в способе согласно изобретению в режиме полной нагрузки в интервале значений между второй частотой вращения n и третьей частотой вращения n вместо переключения на режим частичной нагрузки продолжается регулирование угла установки лопастей. Если частота вращения ротора продолжает падать, то в режиме частичной нагрузки происходит регулирование момента в соответствии с пятым участком, причем предпочтительно при достижении минимального угла установки происходит линейный возврат управления ко второму или первому участку.
2
3
2
Особо предпочтительно управление происходит в соответствии с четвертым участком характеристической кривой, если углы установки лопастей ротора превышают предварительно заданное значение. Таким образом, в способе согласно изобретению в режиме полной нагрузки при частоте  вращения  между  значениями  n и  n проверяется, не превышено ли минимальное предварительно заданное значение угла установки лопастей. Если значение угла установки превышено, то в лопасти ротора все еще имеется достаточное количество кинетической «энергии» для того, чтобы избежать мгновенного возврата в режим частичной нагрузки. Таким образом, регулирование угла установки лопастей продолжается также при числах оборотов, которые ниже второй частоты вращения n. Характеристическая кривая разветвляется, переходя к четвертому участку.
2
Если для чисел оборотов, которые меньше значения n, имеется еще достаточно большой угол установки лопастей, то управление продолжается в режиме полной нагрузки, и происходит изменение угла установки лопастей, затем устройство управления возвращается в режим частичной нагрузки. Для этого предпочтительно крутящий момент сокращается, а частота вращения возрастает до частоты вращения из второго участка. Характеристическая кривая, по которой происходит возврат из режима полной нагрузки на четвертом и пятом участках характеристической кривой ко второму участку характеристической кривой для частичной нагрузки, в дальнейшем обозначена как шестой участок характеристической кривой.
Продолжение работы в режиме полной нагрузки на четвертом участке характеристической кривой дает то преимущество, что обратное переключение на режим частичной нагрузки происходит позднее и, таким образом, работа ветроэнергетической установки в режиме полной нагрузки длится дольше.
1
5
В способе согласно изобретению на первом участке характеристической кривой при возрастании частоты вращения момент повышается до тех пор, пока частота вращения не достигнет предварительно заданного значения частоты вращения n. Предпочтительно на втором участке характеристической кривой при возрастании частоты вращения момент возрастает сильнее, чем на первом участке. На третьем участке происходит регулирование крутящего момента до постоянной величины. Начиная с пятой частоты вращения n при возрастании частоты вращения в целесообразном порядке инициируется сокращение крутящего момента. За счет сокращения крутящего момента предотвращается перегрузка ветроэнергетической установки при высоких числах оборотов.
Предпочтительно на четвертом участке характеристической кривой происходит регулирование угла установки лопастей до достижения значения момента, по существу являющегося постоянным. В целесообразном порядке крутящий момент на пятом участке характеристической кривой возрастает сильнее, чем на первом участке характеристической кривой таким образом, что ветроэнергетическая установка при малой частоте вращения может быть возвращена из режима полной нагрузки к первой характеристической кривой. Рост характеристической кривой на втором участке, который означает большое повышение момента при незначительном повышении частоты вращения, служит для того, чтобы после разгона как можно быстрее выйти в режим полной нагрузки, минуя режим частичной нагрузки с тем, чтобы ветроэнергетическая установка как можно раньше могла начать работать в режиме полной нагрузки.
3
4
1
В способе согласно изобретению третья частота вращения n выше, а четвертая частота вращения n ниже первой частоты вращения n.
Осуществление изобретения
Способ согласно изобретению более подробно объясняется ниже с помощью чертежа.
1
Единственный чертеж показывает семейство кривых для регулировочной характеристики ветроэнергетической установки с регулированием по характеристической кривой. Регулирование по характеристической кривой имеет первый участок, обозначенный 10, на котором момент 14 генератора представлен в функции частоты вращения 12 генератора. На первом пусковом отрезке 16 участка 10 характеристической кривой момент генератора возрастает в линейной зависимости от частоты вращения. Сюда примыкает вторая часть 18 первого участка, на котором крутящий момент изменяется в нелинейной зависимости от частоты вращения. При этом крутящий момент возрастает до первого значения частоты вращения n. Во второй части первого участка характеристической кривой регулирование момента генератора происходит в соответствии с идеальной кривой мощности, получаемой от ветра. Математическая взаимосвязь между частотой вращения и мощностью выводится из следующей формулы:
где
rot
gen
getr
rot
luft
p
rot
r - радиус лопасти ротора, n - частота вращения генератора, ü - передаточный коэффициент редуктора, λ(n) обозначает коэффициент быстроходности в зависимости от частоты вращения ротора, ρ обозначает плотность воздуха, c(n) описывает коэффициент использования ветра для лопасти ротора в зависимости от частоты вращения ротора.
4
1
Вышеописанная взаимосвязь для мощности может рассчитываться в текущем режиме в зависимости от технического исполнения устройства управления или записываться в таблице в зависимости от частоты вращения. Использование физической взаимосвязи между мощностью, отбираемой из ветра, и мощностью генератора позволяет в интервале между значениями частоты вращения n и n постоянно обеспечивать максимальный выход мощности.
n
1
2
2
n
Второй участок 20 характеристической кривой примыкает к первому значению частоты вращения. На втором участке 20 характеристической кривой происходит быстрое возрастание крутящего момента до номинального значения М. При этом частота вращения возрастает от значения n до второго значения частоты вращения n. Вторая частота вращения n может быть равна номинальной частоте вращения n для ветроэнергетической установки или быть меньше этого значения. На примыкающем участке 22 характеристической кривой имеется режим полной нагрузки, в котором регулирование осуществляется за счет угла установки лопастей. Третий участок 22 характеристической кривой действителен для чисел оборотов выше
2
5
5
n. Выше пятой частоты вращения n за счет регулирования угла установки лопастей ротора происходит сокращение момента, приложенного к ротору. Мощность ветроэнергетической установки пропорциональна моменту и частоте вращения таким образом, что выше n на третьем участке 22 характеристической кривой происходит сокращение мощности.
2
3
К третьему участку 22 характеристической кривой примыкает четвертый участок 24 характеристической кривой. Соответствующий диапазон частоты вращения характеризуется значениями частоты вращения n и n. На четвертом участке 24 характеристической кривой продолжается режим полной нагрузки, хотя при разгоне установки на этих числах оборотов режим полной нагрузки еще не наступал.
3
4
4
При падении частоты вращения, выходящем за пределы значения n, крутящий момент сокращается на протяжении всего пятого участка характеристической кривой. Происходящее падение по существу носит линейный характер. При значении частоты вращения n характеристическая кривая возвращается к первому участку 10 характеристической кривой. Правда, значение частоты вращения n вдоль пятого участка характеристической кривой достигается лишь теоретически, т.к. на четвертом и пятом участках характеристической кривой идет постоянный контроль с тем, чтобы определить, не превышает ли угол установки лопасти ротора предварительно заданное минимальное значение, например, 2°. Если минимальное значение угла установки не превзойдено, т.е. в режиме полной нагрузки угол установки, между тем, уменьшен настолько, что он оказывается меньше, чем минимальное значение, то устройство управления возвращается по шестому участку 28 или 29 характеристической кривой до тех пор, пока не будут снова достигнуты значения по первому или второму участку характеристической кривой. Таким образом, пятый участок характеристической кривой образует огибающую линейных значений, исходя из которых управление возвращается из режима полной нагрузки в режим частичной нагрузки по шестому участку 28 характеристической кривой. В отличие от других участков характеристической кривой шестой участок 28 характеристической кривой определен не в своем абсолютном положении, а определен своим отрицательным подъемом и своей начальной точкой на пятом участке характеристической кривой. Начальная точка на пятом участке характеристической кривой определена минимальным значением угла установки. На чертеже, например, представлены две ветви 28 и 29 характеристической кривой, по которым ведется возврат в режим частичной нагрузки.
3
2
3
Семейство характеристик, используемое в способе согласно изобретению, имеет гистерезис, который ведет к улучшенному выходу мощности ветроэнергетической установки. При этом важен переход от третьего участка 22 характеристической кривой к четвертому участку 24 семейства характеристик. Для этого согласно определению управление по четвертому участку 24 семейства характеристик осуществляется тогда, когда для частоты вращения, лежащей в интервале [n, n], имеется угол установки, который больше определенного наименьшего угла. Предпочтительно наименьший угол определяется как 2°. Таким образом, если при падении частоты вращения все еще имеется угол установки от 2° или более, то устройство управления - в отличие от исключительно управления частотой вращения - не возвращается ко второму участку 20 семейства характеристик, а остается в режиме полной нагрузки и переходит ко второму участку. Причина состоит в том, что система использует кинетическую энергию, накопленную при движении ротора с тем, чтобы в дальнейшем генерировать максимальный момент. Лишь после того как будет достигнут нижний предел для режима полной нагрузки n, устройство управления возвращается в режим частичной нагрузки в соответствии с пятым участком, а момент сокращается. Минимальное значение угла установки для возврата в режим частичной нагрузки необязательно идентично наименьшему углу, который предусмотрен для ответвления на четвертом участке характеристической кривой.