СПОСОБ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ АВТОНОМНЫХ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИМИ УСТРОЙСТВАМИ
METHOD OF ELECTRIC POWER SUPPLY FOR AUTONOMOUS CONSUMERS BY WIND POWER DEVICES

Изобретение относится к области нетрадиционной энергетики и может быть использовано для получения электрической и механической энергии.
Типичным для этой группы ВТ является то, что генераторы подсоединены не непосредственно к сети, а с помощью преобразователей частоты. Это позволяет снизить связанность частоты внешней промышленной сети и частоты генератора, и, следовательно, осуществить регулирование его скорости вращения (Стычинский З.А., Воропай Н.И. Возобновляемые источники энергии. Теоретические основы, технологии, технические характеристики, экономика. Otto-von-Guericke-Universitat, Magdeburg, 2010. - 203 с.). Более подробно регулирование скорости ВЭУ при помощи асинхронного генератора с двойным питанием - doubly fed induction generator (DFIG) излагается в работе (Control of DFIG Wind Turbine With Direct-Current Vector Control Conguration. / Shuhui Li, Senior Member, IEEE, Timothy A. Haskew, Senior Member, IEEE, Keith A. Williams, and Richard P. Swatloski. - P. 359-367. IEEE TRANSACTIONS ON SUSTAINABLE ENERGY, VOL. 3, NO. 1, JANUARY 2012 1).
Этот способ получения электроэнергии от ВЭУ принимаем за аналог. Благодаря устранению прямой зависимости генератора и сети от скорости ВП и оборотов ВТ функционирование соответствующих ВЭУ более гибкое, и электрические параметры в точке общего соединения, такие как напряжение, частота, могут быть лучше отрегулированы. В схеме DFIG применен асинхронный генератор с токосъемными кольцами. Трехфазная обмотка статора генератора использует трансформатор с выходом на сеть, в то время как ротор включен в сеть при помощи электронного силового преобразователя. Устройство преобразователя позволяет изменять угловую скорость в определенном интервале. Этот интервал ограничен как механическими параметрами ВЭУ, так и техническими характеристиками преобразователя. Большинство ВЭУ с DFIG содержат редуктор, который позволяет соединить тихоходный вал ВЭУ с быстроходным валом генератора.
Отметим недостатки применения DFIG в ВЭУ:
1. Одновременные изменения скорости ветра (его уменьшение) и изменение нагрузки - ее наброс - может привести к отключению ветроустановки от сети. При использовании асинхронного генератора с двойным питанием по системе DFIG необходимо согласование энергии ветра в данный момент с нагрузкой на генератор. Поэтому электроснабжение автономной переменной нагрузки не может быть обеспеченно ветроустановкой с генератором по системе DFIG.
2. Вариант передачи системой DFIG энергии от ВТ в сеть достаточно сложен. Необходимо применение электронных блоков мощностью порядка 5% от установленной мощности генератора, расход этой мощности осуществляется из питающей сети.
3. Наличие нескольких контроллеров, работающих совместно, усложняет наладку и эксплуатацию ветроустановки с системой DFIG.
Известно также регулирование скорости ВЭУ при помощи синхронного генератора с непосредственной передачей вращения (см. US 8577508 B2, 05.11.2013,  H02P 9/04). Этот способ получения электроэнергии от ВЭУ принимаем за прототип.
На Фиг. 1 представлена общая схема применения концепции синхронного генератора.
В его состав входит: 1 - повышающий редуктор, 2 - система преобразования выходного напряжения генератора, 3 - выпрямительный мост Ларионова с фильтром LC, 4 - стабилизатор постоянного напряжения и преобразователь постоянного напряжения в трехфазное напряжение 50 гц. - сетевой инвертор, 5 - сетевой трансформатор, 6 - сетевая нагрузка. Статор генератора подключен к сети при помощи преобразователей. Если угловая скорость ВТ изменяется от номинального значения из-за изменения скорости ветра, частота индуцированного напряжения на генераторе ВЭУ не постоянна и не равна 50 Гц. По этой причине индуцированное напряжение должно быть сначала преобразовано при помощи выпрямителя в напряжение постоянного тока, и потом при помощи инвертора в трехфазное напряжение переменного токае постоянной частотой сети. Для такой концепции ВЭУ необходима такая система преобразователей, которая предназначена для всех номинальных мощностей генератора. Может применяться как синхронный генератор на постоянных магнитах, так и синхронный генератор со специальным фазным ротором.
Отметим недостаток применения SG в ВЭУ:
1. Одновременные изменения скорости ветра (его уменьшение) и изменение нагрузки - ее наброс - может привести к отключению ВЭУ с SG от сети. При использовании синхронного генератора по системе SG необходимо согласование энергии ветра в данный момент с нагрузкой на генератор. Поэтому электроснабжение автономной переменной нагрузки не может быть обеспеченно ветроустановкой с генератором по системе SG.
Задачей предполагаемого изобретения является создание простого и надежного способа электроснабжения ВЭУ автономных потребителей сетевого трехфазного напряжения с учетом непредвиденных изменений скорости ветра и мощности сетевой нагрузки. При этом предполагаются ВЭУ с регулируемой скоростью воздушной турбины (ВТ) и генератора при оптимизации энергии, извлекаемой ВТ из воздушного потока (ВП). Например, для ВТ с аэродинамическими крыльями и горизонтальной осью разработана конструкция, обеспечивающая повышенный съем энергии с ВП. (Соколовский Ю.Б. Соколовский А.Ю. Иванова О.Ю., Соколовский Д.Ю. Экологичная и энергоэффективная ветротурбина на горизонтальном валу. Патент РФ №2692602 Опубликован 25.07.2019 г. Бюл. №18).
Аналогичная разработка проведена для ВТ с аэродинамическими крыльями и вертикальной осью. (Соколовский Ю.Б., Соколовский А.Ю., Иванова О.Ю., Соколовский Д.Ю. Способ преобразования кинетической энергии текущей среды во вращательное движение крыльев. Патент РФ №2702814 от 11.10.2019 г. Бюл. №29). Проведена также оптимизация и для ВТ с вертикальной осью и плоскими лопастями (Гуревич В.А. Соколовский Ю.Б. Соколовский А.Ю. Способ преобразования кинетической энергии воздушного потока во вращательное движение плоской лопасти. Патент RU №2664639. Опубликован 21.08.2018 г. Бюл. №24.) Подобные конструкции ВТ позволяют достигать оптимальной выходной мощности ВЭУ в широком диапазоне скоростей ВП путем регулировки положения крыльев, лопастей для действующего относительно их вектора ВП. Регулирование положения крыльев, лопастей для действующего относительно их вектора ВП позволяет при опасных для конструкций ВЭУ скоростей ВП обеспечить их защиту за счет уменьшения их вращательного момента вплоть до нулевого значения (режима флюгерования).
Технический результат достигается в способе электроснабжения автономных потребителей ветроэнергетическими устройствами заключающемся в том, что в его состав включены ветротурбина и синхронный генератор обычно с повышающим редуктором, согласно изобретению в качестве генератора используется любой генератор переменного или постоянного тока без системы преобразования выходного напряжения, а к его выходу подключена аккумуляторная батарея через выпрямительный элемент в виде выпрямительного моста для генераторов переменного тока или силового диода для генераторов постоянного тока, к аккумуляторной батарее подключен также сетевой инвертор, причем рабочее напряжение аккумуляторной батареи соответствует постоянному напряжению на выходе выпрямительного элемента при достижении номинальных оборотах ветротурбины на холостом ходу, при превышении которых ветроэнергетическое устройство выходит на рабочий режим.
Способ заключается в том, что в ВЭУ раскрутка ВТ до номинальных оборотов nн осуществляется на холостом ходу, т.е. отсутствует нагрузочный зарядный ток генератора.
Выбираем - nн - об. мин для конкретной конструкции ВТ с учетом надежности, удобства эксплуатации и минимальных вибраций с учетом требований по экологии. Это позволяет уменьшить момент трогания и запустить ВТ при малых скоростях ВП. Выход на значительные номинальные обороты перед подключением нагрузки особенно эффективен для классических ВТ с горизонтальной осью (Ю.Б. Соколовский, В.М. Роткин. Теоретические и технические основы оптимизации ветровых энергетических установок. LuluPress, Inc. 2017. 112 с.). По «ометаемой» площади конструкции ВТ, ее КИЕВ (к.п.д.) и среднему значению скорости ВП в данной местности выбираем мощность РГ - для генератора переменного или постоянного тока С учетом nн оборотов ВТ, ускоряющего редуктора и РГ подбираем приемлемые обороты - nГ для конкретного генератора (например, номинальные nГН для более эффективного использования). К выходу генераторов подключаем выпрямительный элемент. Для генераторов переменного тока подключается выпрямительный мост и обычно LC-фильтр, а к выходу генераторов постоянного тока - силовой диод. По напряжению UH на выходе выпрямительного элемента при достижении ВТ nн-оборотов выбираем напряжение аккумуляторной батареи UAБ=UНГ. значительной емкости. Нагрузка - IЗар аккумуляторов на ВТ и генераторы появляется при превышении nн оборотов ВТ на Δn.
Δn*КГ=ΔUГ=IЗар*RЯГ+IЗар*RАК,
где КГ - коэффициент напряжения генератора, RЯГ - сопротивление якорной цепи генератора, RAК - сопротивление аккумуляторной батареи.
За счет мягкой нагрузочной характеристики в цепи генератора и аккумуляторной батареи небольшое превышение оборотов Δn ВТ приводит к появлению значительного нагрузочного зарядного тока, осуществляющего подтормаживание ВТ и генератора до выхода в некоторую точку равновесия, создаваемого моментом ВТ и тормозным моментом генератора. Появляется приблизительная стабилизация оборотов ВТ и генератора в широком диапазоне изменения скорости ВП. Использование естественной мягкой нагрузочной характеристики ВЭУ без дополнительных регуляторов является достоинством предложенного способа. Для генераторов переменного тока (синхронных и асинхронных) при приемлемых (номинальных) оборотах и частоте выходного напряжения существенно упрощается LC-фильтр или становится излишним по сравнению с прототипом, где частота выходного напряжения изменяется в широком диапазоне и LC-фильтр необходим. Для генераторов постоянного тока отсутствует LC-фильтр и вместо выпрямительного моста используется один силовой диод. Широкий выбор генераторов при реализации предлагаемого способа - безусловное его достоинство. На Фиг. 2 дан вариант схемы ВЭУ, реализующей предложенный способ. В его состав входит:
7 - ветротурбина - ВТ, 9 - часто используется повышающий редуктор с соединительными муфтами - 8, 10 - генератор, 11 - выпрямительный элемент (выпрямительный мост для генераторов переменного тока и силовой диод для генераторов постоянного тока), 12 - LC-фильтр (часто используется для генераторов переменного тока), 13 - датчик нагрузочного зарядного тока, 14 - аккумуляторная батарея, 15 - сетевой инвертор, 16 - узел защиты конструкций ВТ, генератора и аккумуляторной батареи при превышении номинального тока генератора или допустимого для аккумуляторов зарядного тока, 17 - выход сетевого инвертора.
В предлагаемом способе работа ВЭУ начинается с раскрутки ВТ-7 на холостом ходу, когда отсутствует рабочий нагрузочный момент, создаваемый генератором - 10 (его нагрузочным зарядным током IЗар). Раскрутка ВТ осуществляется, если при действующей скорости ВП создается момент, превышающий тормозной момент холостого хода, обусловленный механическими аэродинамическим торможением конструкции ВТ. Отсутствие рабочей нагрузки при запуске ВТ уменьшает момент трогания, а ее подключение к нагрузке только при достижении номинальных - nн оборотов повышает ее эффективность. При превышении ВТ своих номинальных оборотов - nн на Δn напряжение на генераторе - 10 превысит напряжение UAБ на аккумуляторной батарее - 14 и появится нагрузочный зарядный ток генератора IЗар на выходе выпрямительного элемента - 11. Одновременно появляется нагрузочный момент на ВТ и начинается зарядка аккумуляторной батареи. ВЭУ выходит на рабочий режим - электроснабжение автономных потребителей, который контролируется узлом защиты конструкций ВТ - 16. При опасном для конструкции ВТ превышении оборотов Δn, при превышении номинального тока генератора - 10 или превышении допустимого зарядного тока аккумуляторной батареи - 14 узел защиты - 16 воздействует на элементы конструкции ВТ, снижая ее рабочий момент вплоть до нулевого значения. Аккумуляторная батарея - 14 должна иметь значительную емкость, чтобы обеспечивать поддержание напряжения UAБ при больших набросах нагрузки автономного потребителя.