Регулятор-контроллер отбора мощности генератора ветроэнергетической установки
Область использования: электромашиностроение, двигателестроение, автомобилестроение, ветроэнергетика, гидроэнергетика, строительство. Задача: регулирование отбором мощности генератора ветроэнергетической установки с целью снижения потерь при преобразовании и максимально полном использовании энергии ветра. Сущность: Цель заявляемой полезной модели достигается тем, что регулятор-контроллер управляет выходной электрической мощностью генератора, получаемой за счет располагаемой кинетической энергии ветроколеса в каждый дискретный момент времени, по определенному алгоритму при периодическом импульсном нагружении генератора для дальнейшей передачи в нагрузку. Заявляемая полезная модель отличается наличием импульсного преобразователя, позволяющего производить отбор оптимальной мощности генератора ветроэнергетической установки. 1 н.п.ф., 2 фиг.
Настоящая полезная модель относится к системам отбора мощности генераторов ветроэнергетических установок (ВЭУ).
Целью полезной модели является регулирование отбором мощности генератора в пределах располагаемой мощности ВЭУ за счет устройства, регулирующего выходную электрическую мощность генератора, получаемую за счет располагаемой кинетической энергии ветроколеса в каждый дискретный момент времени, по определенному алгоритму при периодическом импульсном нагружении генератора для дальнейшей передачи в нагрузку.
При использовании в ВЭУ синхронных генераторов переменного тока с возбуждением от постоянных магнитов возникает проблема получения необходимого уровня мощности электрической энергии на выходе генератора в зависимости от располагаемой кинетической энергии ветроколеса (ротора) в условиях переменной скорости ветра из-за меняющейся частоты вращения вала генератора, находящегося в кинематической связи с ротором. Для регулирования мощности, отбираемой от генератора, предлагается введение интеллектуального регулятора мощности (контроллера) с несколькими контурами обратной связи: по частоте вращения ротора генератора и по отдаваемой электрической мощности.
При наличии лобового давления потока ветра на поверхность лопастей создается крутящий момент, за счет которого ротор вращается, обладая при соответствующей скорости ветра определенной кинетической энергией. При этом мощность ротора в каждый момент времени называется располагаемой мощностью ротора. При подключении к генератору нагрузки мощностью менее располагаемой эксплуатация установки является неэффективной. При подключении к генератору нагрузки мощностью более располагаемой частота ротора снижается вплоть до полной его остановки. Следовательно, возникает задача интеллектуального регулирования мощности ветроэнергетической установки с помощью контроллера, отслеживающего располагаемую мощность ВЭУ и позволяющего создавать на выходе генератора ВЭУ такую мощность, которая является на данный момент оптимальной, а именно 95-100% от величины располагаемой мощности.
Оптимальный режим работы контроллера заключается в контроле разницы теоретической характеристики аэродинамической мощности конкретной ветроэнергетической установки и мгновенной располагаемой мощности ВЭУ, определяемой с помощью текущих величин скорости ветра и частоты вращения ротора с учетом текущей мгновенной мощности нагрузки. При отклонении от теоретической характеристики мощности работа ВЭУ является неоптимальной. Критерий оптимальности работы - ликвидация отклонения величины отбираемой мощности более чем на 5% в меньшую сторону и 0% в большую сторону от располагаемой мощности.
Предлагаемая полезная модель позволяет оптимизировать отбираемую мощность, что значительно (в 1,5-2 раза) повышает удельную выработку энергии ветроэнергетической установкой.
Известен ряд Российских изобретений и полезных моделей 
2408129, 95189, 95920, 100061, 100273. Из них 95189 наиболее близкое к предлагаемому по целям и способу достижения результата, которое может являться прототипом для заявляемой полезной модели. Прототип представляет собой: 1. Энергетический блок-модуль, включающий размещенный в контейнере дизель-генератор, щит управления, нагреватель, устройство вентиляции с приводом, первый блок переключения источников электропитания, шину электропитания, дополнительную шину электропитания, блок датчиков температуры воздуха и кондиционер воздуха, при этом выход дизель-генератора соединен с третьим входом первого блока переключения источников электропитания, первый вход дизель-генератора соединен с первым выходом щита управления, первый и второй входы первого блока переключения источников электропитания подключены соответственно к основной и резервной внешним сетям переменного тока, а его второй выход - к шине электропитания, выход блока датчиков температуры воздуха подключен к второму входу щита управления, второй, третий и четвертый выходы которого подключены соответственно к нагревателю, приводу устройства вентиляции и кондиционеру воздуха, первый вход щита управления подключен к шине электропитания, отличающийся тем, что дополнительно содержит инвертор - зарядное устройство, низковольтную аккумуляторную батарею, шину электропитания потребителей постоянного тока, второй блок переключения источников электропитания, первое и второе реле контроля напряжения, а также логическое устройство, при этом первый вход инвертора - зарядного устройства подключен к шине электропитания, а его первый выход и второй вход соединены с шиной электропитания потребителей постоянного тока, к которой также подключена низковольтная аккумуляторная батарея, второй выход инвертора - зарядного устройства подключен к первому входу второго блока переключения источников электропитания и входу второго реле контроля напряжения, выход которого и третий выход инвертора - зарядного устройства соответственно подключены к третьему и второму входам логического устройства, к первому входу которого подключен выход первого реле контроля напряжения, вход которого соединен с первым выходом первого блока переключения источников электропитания, выход логического устройства соединен с вторым входом дизель-генератора, второй вход второго блока переключения источников электропитания подключен к шине электропитания, а его выход - к дополнительной шине электропитания. 2. Энергетический блок-модуль по п.1, отличающийся тем, что дополнительно включает солнечную батарею, устройство отбора максимальной мощности и регулятор заряда-разряда, при этом выход солнечной батареи соединен с входом устройства отбора максимальной мощности, выход которого подключен к входу регулятора, выход которого подключен к шине электропитания потребителей постоянного тока. 3. Энергетический блок-модуль по п.1, отличающийся тем, что дополнительно включает ветрогенератор и регулятор, при этом выход ветрогенератора соединен с входом регулятора, выход которого подключен к шине электропитания потребителей постоянного тока.
Недостатком прототипа является отсутствие базовых данных для регулирования мощности ветроэнергетической установки, т.е. нет задаваемых аэродинамических характеристик располагаемой мощности при разных вариациях величин скорости ветра и частоты вращения ротора, а также алгоритма и реализующего его интеллектуального устройства, способного сравнивать располагаемую мощность с базовой аэродинамической характеристикой с целью принятия решения о нагружении или отключении генератора.
Цель заявляемой полезной модели достигается введением импульсного преобразователя на основе программируемого микроконтроллера.
Оптимальный режим работы регулятора-контроллера иллюстрируется пунктирной линией на Фиг.1. Рисунок представляет собой поле изолиний мощности генератора ветроэнергетической установки в виде графиков частоты вращения от скорости потока ветра при различной величине нагрузки на выходе контроллера. Контроллер отслеживает параметры скорости ветра и частоты вращения в дискретные моменты времени, и сравнивает их с характеристикой оптимальной мощности, указанной жирной пунктирной линией, выдавая на выходе мощность Рвых , соответствующую величине располагаемой мощности Ррасп , причем:
При этом максимальная частота вращения ротора может регулироваться аэродинамическими стабилизаторами. Пределы частоты вращения показаны на Фиг.1 тонкой пунктирной линией.
Структурная схема предлагаемого регулятора-контроллера представлена на Фиг.2.
Регулятор-контроллер построен по схеме понижающего импульсного регулятора, с несколькими контурами обратной связи и регулированием мощности за счет изменения скважности импульсов. От генератора напряжение, переменное по фазе, частоте и амплитуде, поступает на блок управления, представляющий собой выпрямитель, схему управления на основе программируемого микроконтроллера с интерфейсом RS-232 для введения и обработки данных, с рядом контуров обратных связей и схемой управления величиной отбираемой от генератора мощности за счет регулирования скважностью импульсов тока. Выход потребителю является варьируемой величиной, определяемой схемой управления.
Измеряемые параметры для обеспечения оптимального алгоритма регулирования:
- Скорость ветра и частота вращения ветроколеса (ротора);
- Напряжение и ток действующей нагрузки;
- Частота тока и напряжение в фазе генератора.
Алгоритм регулирования мощности, отбираемой от генератора ветроэнергетической установки:
1. Измерение напряжения и тока в цепи нагрузки, расчет мгновенной потребляемой мощности;
2. Измерение частоты тока в фазе генератора и расчет частоты вращения ротора ветроколеса;
3. Определение располагаемой мощности с использованием частоты вращения ротора и характеристики оптимальной мощности ротора;
4. Расчет суммарной требуемой мощности для данного момента времени;
5. Сравнение допустимой и требуемой мощностей и определение минимальной из них;
6. С помощью регулирования в цепях обратных связей производится задание действующей отбираемой мощности, основываясь на предыдущих расчетах.
С помощью регулятора мощности генератора ветроэнергетической установки удается существенно уменьшить потери при преобразовании и максимально полно использовать энергию ветра.
Регулятор-контроллер отбора мощности генератора ветроэнергетической установки, представляющий собой устройство, регулирующее выходную электрическую мощность генератора, получаемую за счет располагаемой кинетической энергии ветроколеса в каждый дискретный момент времени, по определенному алгоритму при периодическом импульсном нагружении генератора для дальнейшей передачи в нагрузку.
