ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА

Предлагаемая полезная модель относится к области электроэнергетики и может быть использована в ветроэнергетических установках (ВЭУ) для повышения эффективности выработки мощности.
Известна ветроэнергетическая установка, содержащая синхронную машину (СМ), два преобразователя частоты, первый из которых подключен к СМ, а второй соединен с сетью; звено постоянного тока со сглаживающим реактором, регулятор потока в зазоре СМ, задатчик и датчик потока в зазоре, задатчик и датчик ускорения частоты вращения, систему управляющих ключей, компаратор (авторское свидетельство №1607072).
В современных ВЭУ изменение угла атаки лопасти является одним из эффективных способов изменения коэффициента использования энергии ветра совместно с поддержанием постоянного значения быстроходности. Зависимость коэффициента использования энергии ветра от угла атаки лопасти и быстроходности выражается так:
,
где
1
C- числовой коэффициент, принимающий значения от 0,022 до 0,055, и зависящий от формы лопасти ветроколеса,
2
С- числовой коэффициент, принимающий значения от 3,6 до 5,6, и зависящий от номинальной линейной скорости конца лопасти ветроколеса,
3
С- числовой коэффициент, принимающий значения от 0,15 до 0,18, и зависящий от диапазона рабочей скорости ветра,
α - угол атаки лопасти,
z - быстроходность, вычисляемая по формуле:
,
где
R - радиус ветроколеса (ВК),
ω - скорость вращения ротора,
V - скорость ветра.
При изменении угла атаки лопасти в диапазоне от 0 до 45°, коэффициент использования энергии ветра для большинства крупных ВЭУ меняется от 0,15 до 0,42 о.е.
Однако указанная ветроэнергетическая установка обладает следующим недостатком: не предусмотрено регулирование угла атаки лопасти. Если в ВЭУ не реализовано регулирование угла атаки лопасти, то вследствие массивности ротора и быстроте порывов ветра не удается поддерживать постоянное значение быстроходности. А данное обстоятельство снижает коэффициент использования энергии ветра.
ω
р
изб
изб
изб
г
Кроме того, известна ветроэнергетическая установка (авторское свидетельство №1515331), являющаяся прототипом предлагаемой полезной модели и содержащая генератор тока с датчиком момента на валу, узел выпрямления и фильтрации, датчик частоты вращения, функциональный преобразователь, блок деления, интегратор, датчик активной мощности. Датчик частоты вращения вала ветроколеса выдает на вход функционального преобразователя сигнал U, пропорциональный частоте вращения вала ветроколеса. Повышение коэффициента использования энергии ветра C заключается в том, что в установившемся режиме работы установки при постоянной скорости ветра V и постоянстве частоты вращения вала со на выходе узла выпрямления и фильтрации устанавливается сигнал, пропорциональный моменту на валу. При изменении скорости ветра на выходе сумматора возникает сигнал U, пропорциональный избыточному моменту М на валу. Поэтому в выходном сигнале сумматора появляетсясоставляющая U, способствующая увеличению угла управления тиристорами выпрямителя и уменьшению момента генератора М, что приводит к более быстрому изменению частоты вращения вала вслед за изменением скорости ветра. По мере увеличения частоты вращения вала ветроколеса механический момент генератора растет, и при достижении нового установившегося значения частоты вращения сигнал на выходе второго сумматора становится равным нулю. Данное устройство позволяет увеличить выработку электроэнергии за счет эффективных законов регулирования при изменении скорости ветра.
Мощность ветроколеса (ВК) зависит от параметров ветра (скорости и направления относительно положения гондолы) и параметров ветроколеса (угол атаки лопасти, площадь ометаемой поверхности, положение гондолы к набегающему потоку ветра) и вычисляется по формуле
,
где
ρ - плотность воздуха,
2
A - ометаемая площадь ветроколеса (м),
V - скорость ветра (м/с),
р
С - параметр, характеризующий эффективность использования ветроколесом энергии ветрового потока; зависит от конструкции ветроколеса и скорости ветра и вычисляется по формуле
,
где z - быстроходность.
p
p
Из уравнения параметра, характеризующего эффективность использования энергии ветра, видно, что при α=0° достигается максимальное значение коэффициента C=0.41, при α=45° - минимальное, равное C=0.16.
Однако указанная ветроэнергетическая установка производит регулирование мощности только по одному контуру - поддержание постоянного значения быстроходности при изменении скорости ветра, а это снижает коэффициент использования энергии ветра.
Задачей предлагаемой установки является повышение коэффициента использования энергии ветра.
Поставленная задача достигается тем, что в известное устройство, содержащее ветроколесо, на выходе которого расположен датчик скорости вращения вала, подключенный к входу ветрогенератора, выход которого соединен с датчиком активной мощности, который является входом блока фаззификации четких величин в нечеткие лингвистические вместе с датчиком скорости ветра и датчиком скорости вращения ротора, выход блока фаззификации является входом блока базы правил, а выход блока базы правил соединен с блоком дефаззификации, дополнительно введены задатчик положения угла атаки лопасти, входом которого является выход вала ветроколеса и блока дефаззификации, а выходом является вход датчика скорости вращения вала, и регулятор нечеткого типа, входом которого являются выходы датчика активной мощности, датчика скорости ветра и датчика скорости вращения вала, выходом соединенный с входом задатчика положения угла атаки лопасти.
На чертеже приведена структурная схема ветроэнергетической установки.
Предлагаемая установка содержит ветроколесо 1 с приводным механизмом 2 изменения угла атаки лопасти, датчик 3 частоты вращения ветроколеса, ветрогенератор 4, к выходу которого подключен датчик 5 активной мощности, выход которого подключен к блоку фаззификации 6 регулятора нечеткого типа, блок 7 базы правил, выход которого подключен к блоку 8 дефаззификации, датчик 9 скорости ветра.
Предлагаемая установка работает следующим образом. Ветроколесо 1 вращается со скоростью ω, измеряемой с помощью датчика 3 скорости вращения ротора. Ветрогенератор вырабатывает активную мощность Р, измеряемой датчиком 5 активной мощности. Выходы датчика 5 активной мощности, датчика 9 скорости ветра V и датчика 3 скорости вращения ротора ω поступают в блок 6 фаззификации, где входные четкие величины преобразуются в нечеткие лингвистические. Лингвистическая переменная состоит из нескольких диапазонов, называемых терм-множествами. Лингвистические переменные из блока 6 поступают в блок 7 базы правил, в котором каждому значению входной лингвистической величины ставится в соответствие определенное значение выходной лингвистической величины. В блоке базы правил реализованы нечеткие продукционные правила типа:
i
i
i
i
Если V есть V, и ω есть ω, и Р есть P то α есть α.
Полученная выходная лингвистическая величина подается в блок 8 дефаззификации лингвистических переменных в четкие выходные. На следующем этапе четкая выходная величина подается в задатчик 2 угла положения лопасти а. При этом происходит изменение угла атаки лопасти, что приводит к изменению коэффициента использования энергии ветра.
Таким образом, входами задатчика положения угла атаки лопасти являются конец вала ветроколеса и выход блока дефаззификации, а выходом задатчика положения угла атаки лопасти является вход датчика скорости вращения вала. При этом входом регулятора нечеткого типа являются выходы датчика активной мощности, датчика скорости ветра и датчика скорости вращения вала, а выходом регулятора нечеткого типа является вход задатчика положения угла атаки лопасти. Использование регулятора нечеткого типа позволяет согласовать контуры регулирования мощности между собой по заранее написанным продукционным правилам, учитывающих возможные изменения параметров ветра во всех рабочих диапазонах. Иными словами, ввод датчика активной мощности в контур регулирования позволяет использовать в качестве входной величины активную мощность ветроэнергетической мощности вместе со скоростью ветра и скоростью вращения вала. Поэтому происходит учет входных и выходных переменных ветроэнергетической установки в задачах регулирования, что приводит к устранению перерегулирования. Поэтому использование измеренного значения активной мощности приводит к увеличению коэффициента использования энергии ветра.