Система управления ветрогенератором
WIND TURBINE CONTROL SYSTEM

Изобретение относится к области ветроэнергетики и может быть использовано в ветроэлектрических агрегатах для повышения их энергетической эффективности.
Известен способ управления ветроэнергетической установкой (патент РФ №2133375), состоящей из ветродвигателя, передаточного устройства и генератора электрической энергии, при котором в качестве управляющего параметра используют частоту вращения вала генератора, в зависимости от производимой ветроэнергетической установкой энергии осуществляют изменение схемы коммутации обмоток электрогенератора и подключения электрической нагрузки к генератору электрической энергии, при этом при достижении частотой вращения значения, превышающего заданные значения вырабатываемой мощности, подключают нагрузки, соответствующие вырабатываемой ветроэнергетической установкой энергии.
В изобретении определяется скорость вращения ротора ветрогенератора и соответствующая этой скорости вырабатываемая электроэнергия. При превышении заданных пороговых значений вырабатываемой мощности изменяется схема коммутации обмоток генератора и нагрузки, обеспечивая оптимальный режим генератора и исключая его перегрузку.
К недостаткам способа относятся использование в схеме генератора дополнительной нагрузки, которая будет потреблять часть генерируемой электрической мощности вместо того, чтобы отдавать эту мощность в нагрузку.
Известен также способ управления стартер-генераторной системой переменного тока и устройство для его реализации (заявка на изобретение РФ №2012125281), заключающийся в том, что при работе системы в генераторном режиме выходное напряжение генератора регулируют с помощью его подгрузки реактивным током с отстающим либо опережающим коэффициентом мощности, одновременно дополнительно регулируя диапазон изменения выходного напряжения генератора путем изменения количества задействованных секций фазных обмоток, производимого с помощью двунаправленных симметричных управляемых ключей в соответствии с величиной отклонения выходного напряжения от заданного значения.
Недостатком способа является передача электроэнергии в нагрузку только при высоких скоростях вращения ротора генератора, кроме этого, при высоких скоростях вращения ротора подгрузка генератора реактивным током вызывает дополнительные потери мощности.
Известен также способ управления скоростью ветротурбины при переключении электрической конфигурации (Speed management of a wind turbine when switching electrical configuration) (патент WO 2015/032409). Для эффективной работы ветровой турбины при различных скоростях ветра, ветровая турбина может переключаться между двумя различными электрическими конфигурациями. Ветротурбина имеет в своем составе реле, которое реконфигурирует генератор в конфигурации «звезда» или «треугольник». Две электрические конфигурации имеют различную эффективность в зависимости от скорости ветра. Конфигурация «звезда» может быть более эффективна, чем конфигурация «треугольник» на низких скоростях, но когда скорость ветра увеличивается таким образом, что выходная мощность генератора превышает порог ограничения мощности конфигурации «звезда», приходится ограничивать мощность ветротурбины и включать конфигурацию «треугольник».
Недостатком является наличие только двух электрических конфигураций обмоток генератора, что снижает гибкость системы управления ветротурбиной и, соответственно, энергоэффективность ветротурбины.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является ветрогенератор (патент на полезную модель РФ №186110), состоящий из ветроколеса, связанного механическим валом с ротором трехфазного синхронного электрического генератора с постоянными магнитами, каждая двухсекционная фазная обмотка статора которого через контактные группы и выпрямительно-зарядное устройство соединена с аккумулятором и инвертором, подключенным к нагрузке, к одной из секций обмотки статора подключен измеритель скорости вращения ротора, выходом связанный с компаратором, к выходу которого подключена обмотка реле, изменяющие схему подключения трех двухсекционных фазных обмоток статора с помощью контактных групп А, В и С таким образом, что в зависимости от скорости вращения ротора первая и вторая секции трех двухсекционных фазных обмоток статора коммутируются последовательно или параллельно.
Недостатком является наличие только двух электрических конфигураций обмоток генератора, что снижает гибкость системы управления ветротурбиной и, соответственно, энергоэффективность ветротурбины.
Ветрогенераторы рассчитывают на определенный диапазон используемых скоростей ветра. В низкоскоростных генераторах передача вырабатываемой электроэнергии в нагрузку и, в частности, заряд аккумуляторов осуществляется уже при минимальных скоростях вращения ротора, при этом при больших скоростях вращения ротора генератор на обмотках статора индуцируется повышенное напряжение. В этом режиме к генератору подключается балластная нагрузка, в которой рассеивается избыточная мощность. Кроме этого, на активном сопротивлении проводов обмотки статора генератора происходит значительное рассеяние мощности, прямо пропорциональное индуцируемому напряжению и соответственно току, протекающему через обмотки.
В высокоскоростных генераторах начало передачи электроэнергии от генератора в нагрузку и, в частности, заряд аккумуляторов происходит при достаточно высоких скоростях вращения ротора, а низкие скорости вращения не используются.
Задачей изобретения является повышение энергетической эффективности ветрогенератора путем выделения четырех диапазонов скорости вращения ротора и изменения схемы подключения трех двухсекционных фазных обмоток статора с помощью двух реле таким образом, что в зависимости от скорости вращения ротора задаются четыре режима работы, при которых обмотки коммутируются в конфигурации «звезда» или «треугольник», при этом первая и вторая секции трех двухсекционных фазных обмоток статора коммутируются последовательно или параллельно. Назовем эти схемы «последовательная звезда», «последовательный треугольник», «параллельная звезда», «параллельный треугольник». Схема коммутации обмоток выполнена таким образом, что при минимальной скорости вращения ротора обмотки соединяются в последовательную звезду, при которой генерируется максимальное напряжение на выходе выпрямительно-зарядного устройства. При увеличении скорости вращения ротора выходное напряжение генератора увеличивается, обмотки коммутируются в последовательный треугольник, при этом выходное напряжение выпрямительно-зарядного устройства уменьшается в  раз. При дальнейшем увеличении скорости вращения ротора выходное напряжение генератора увеличивается, секции двухсекционных фазных обмоток коммутируются сначала в параллельный треугольник, а в дальнейшем в параллельную звезду, при этом суммарное вырабатываемое напряжение на них уменьшается в два раза по сравнению с соответственно последовательной звездой и последовательным треугольником, сопротивление обмоток уменьшается, при этом не происходит превышение генерируемой мощности и уменьшаются потери мощности на активном сопротивлении обмоток.
Поставленная задача решается тем, что в устройство, состоящее из ветроколеса, связанного механическим валом с ротором трехфазного синхронного электрического генератора с постоянными магнитами, каждая двухсекционная фазная обмотка статора которого через контактную группу первого реле и далее через выпрямительно-зарядное устройство соединена с аккумулятором и инвертором, подключенным к нагрузке, к одной из обмоток статора подключен измеритель скорости вращения ротора, дополнительно введена контактная группа второго реле между контактной группой первого реле и выпрямительно-зарядным устройством, измеритель скорости вращения ротора выходом связан с четырехзонным компаратором, к первому и второму выходам которого подключены соответственно обмотки первого и второго реле, изменяющие схему подключения трех двухсекционных фазных обмоток статора группы таким образом, что в зависимости от скорости вращения ротора обмотки соединяются в четыре конфигурации: «звезда» с последовательно соединенными секциями фазных обмоток, «треугольник» с последовательно соединенными секциями фазных обмоток, «звезда» с параллельно соединенными секциями фазных обмоток, «треугольник» с параллельно соединенными секциями фазных обмоток.
Структурная схема ветрогенератора представлена на фиг. 1. Ветроколесо 1 связано механическим валом 2 с ротором трехфазного синхронного электрического генератора с постоянными магнитами 3, при этом первая 14 и вторая 15 секции двухсекционной обмотки фазы А, первая 16 и вторая 17 секции двухсекционной обмотки фазы В, первая 18 и вторая 19 секции двухсекционной обмотки фазы С статора подключены ко входам первой контактной группы 4, выходы которой подключены ко второй контактной группе 5. Выходы второй контактной группы 4 подключены ко входам выпрямительно-зарядного устройства 10, выходом связанного с аккумулятором 11 и инвертором 12, питающим нагрузку 13.
К одной из секций любой двухсекционной фазной обмотки подключен измеритель скорости вращения ротора 6, связанный с четырехзонным компаратором 7, к первому и второму выходам которого подключены соответственно обмотки первого 8 и второго реле 9.
На фиг. 2 показана схема коммутации секций фазных обмоток ротора с помощью первой контактной группы 4 - контакты К1.1…К1.6 и второй контактной группы 5 - контакты К2.1, К2.2, К2.3.
Устройство работает следующим образом.
Величина э.д.с. не обмотках генератора 3 с постоянными магнитами прямо пропорциональна скорости вращения ротора. По этой причине при малых скоростях вращения ротора генератора 3 величина генерируемой э.д.с. меньше пороговой величины, необходимой для начала заряда аккумулятора 11. При высоких скоростях вращения ротора генератора 3 э.д.с, генерируемая на обмотках велика и вследствие этого потери мощности, обусловленные активным сопротивлением проводов обмоток, велики. При дальнейшем увеличении скорости вращения ротора необходимо сбрасывать часть мощности в балластную нагрузку.
Предлагаемое техническое решение устраняет указанные недостатки. При низкой скорости вращения ротора генератора 3 измеритель скорости вращения ротора 6 формирует сигнал, в соответствии с которым четырехзонный компаратор 7 управляет обмотками первого 8 и второго 9 реле и соответственно, первой 4 и второй 5 контактными группами таким образом, что коммутируется схема «последовательная звезда», показанная на фиг. 3. Эта схема дает максимальное напряжение и генерирует минимальную мощность из четырех конфигураций, представленных в описываемом техническом решении, потери в обмотках максимальны.
При увеличении скорости ветра и, соответственно скорости вращения ротора, увеличивается величина э.д.с. обмоток статора генератора, четырехзонный компаратор 7 управляет обмотками первого 8 и второго 9 реле и соответственно, первой 4 и второй 5 контактными группами таким образом, что коммутируется схема «последовательный треугольник», показанная на фиг. 4. Эта схема дает уменьшение напряжения на выходе выпрямительно-зарядного устройства в  раз, уменьшение внутренних потерь.
При дальнейшем увеличении скорости вращения ротора генератора 3 коммутируется схема «параллельная звезда» (фиг. 5) и далее «параллельный треугольник» (фиг. 6). Эти схемы позволяют уменьшить коэффициент преобразования скорости вращения ротора генератора 3 в выходное напряжение выпрямительно-зарядного устройства 10.
Предлагаемое устройство обеспечивает компандирование энергии, снимаемой с обмоток генератора 3: в нижней зоне при малых скоростях коэффициент преобразования скорости вращения ротора генератора 3 в выходное напряжения выпрямительно-зарядного устройства 10 наибольший, затем по мере возрастания скорости вращения ротора генератора 3 во второй, третьей и четвертой зонах коэффициент преобразования скорости вращения в выходное напряжение и внутренние потери уменьшаются.
Таким образом, коммутируя секции двухсекционных фазных обмоток в четырех различных конфигурациях, достигается возможность начинать заряд аккумулятора при малых скоростях вращения ротора генератора, при повышенных скоростях вращения ротора генератора исключать индуцирование повышенного напряжения на фазных обмотках и необходимость подключения дополнительной нагрузки, понизить рассеяние мощности на активном сопротивлении фазных обмоток статора.