Тема: СИСТЕМА АВАРИЙНОГО ТОРМОЖЕНИЯ ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ

Актуальность темы. Ветроэнергетика - динамично развивающаяся отрасль энергетической промышленности во многих ведущих странах мира. На территории России ветроэнергетические установки (ВЭУ) наиболее востребованы и экономически целесообразны для электроснабжения отдаленных децентрализованных объектов. Преимущественно такие объекты расположены на северных и дальневосточных территориях страны и имеют характер стратегически важных объектов (оборонительные и навигационные объекты, станции ресурсодобывающих компаний и т.п.). Однако повышенные ветровые нагрузки указанных регионов и отсутствие возможности контроля за работой ветроэнергетических установок со стороны человека создают высокие риски их эксплуатации. Наиболее распространенными аварийными случаями при эксплуатации ветроэнергетических установок являются: разрушение лопастей из-за превышения частоты вращения ротора, перегрев обмоток генератора, разрушение конструкции из-за повышенных вибрационных колебаний. Как правило, для предотвращения перечисленных негативных факторов в ветроэнергетических установках используются системы торможения. Существующие способы торможения ветроэнергетических установок делятся на два типа: торможение с использованием электрического генератора и механическое торможение ветроколеса. Первый способ торможения является менее пригодным для торможения ветроэнергетических установок при скорости ветра выше 11 м/с, т.к. электрические генераторы ветроагрегатов конструктивно рассчитаны на номинальный режим работы при 11-12 м/с. При более высоких скоростях ветра возникает риск перегрева обмоток генератора. Второй способ торможения является более предпочтительным, т.к. механические элементы систем торможения способны выдерживать большие динамические и температурные нагрузки. Кроме того, согласно ГОСТ Р 51991-2002, все ветроэнергетические установки, номинальная мощность которых выше 4 кВт, должны иметь как минимум две независимые системы торможения - рабочую и аварийную, т.е. механическая система торможения может использоваться в качестве дополнительной к системе торможения электрическим генератором.
На данный момент отсутствуют надежные механические системы торможения, которые обеспечивали бы безопасную и стабильную эксплуатацию ветроэнергетических установок при повышенных скоростях ветра (более 11 м/с). Это подтверждают статистические данные по авариям на ветроэнергетических установках - на каждой пятой эксплуатируемой установке в мире происходит аварийная ситуация с последующим полным выходом ее из строя. Таким образом, обеспечение безопасности эксплуатации ветроэнергетических установок является актуальной темой, чему посвящена данная работа.
Степень разработанности темы исследования. Исследованиями в области совершенствования конструкций ветроэнергетических установок занимались следующие российские ученые: Н.Е. Жуковский, Д.С. Стребков, В.П. Ветчинкин, П.П. Безруких, В.В. Елистратов, О.С. Попель, В.М. Ляхтер, Г.Х. Сабинин, Е.М. Фатеев, В.Н. Андриянов, В.И. Велькин, В.Г. Николаев, Н.В. Красовский, А.Ф. Дьяков, Э.М. Перминов, Ю.Г. Шакарян, В.Р. Вашкевич, Д.Н. Быстрицкий, Я.Б. Данилевич, Г.И. Денисенко, В.А. Минин, Е.И. Куклин, М.В. Кузнецов, В.И. Виссарионов, В.В. Харитонов, Я.И. Шефтер и другие.
Цель работы - повышение безопасности эксплуатации ветроэнергетической установки путем интеграции в ее состав системы аварийного торможения и исследование эффективности работы интегрированной системы аварийного торможения.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
1. Провести анализ статистических данных по авариям ветроэнергетических установок. Определить виды аварий, их причины и оценить последствия аварийных случаев.
2. Выявить и проанализировать существующие способы аварийного торможения ветроэнергетических установок. Сформулировать требования к системам аварийного торможения ветроэнергетических установок.
3. Разработать математическую модель и алгоритм управления системы аварийного торможения ветроэнергетических установок. На их основе создать универсальную компьютерную модель для исследования влияния системы аварийного торможения на процесс эксплуатации ветроэнергетической установки.
4. Разработать конструкцию системы аварийного торможения ветроэнергетической установки. Провести компьютерное моделирование работы спроектированной системы аварийного торможения.
5. Провести экспериментальное исследование для проверки адекватности созданной универсальной компьютерной модели системы аварийного торможения ветроэнергетической установки.
Объект исследования - ветроэнергетическая установка.
Предмет исследования - влияние работы системы аварийного торможения на безопасность эксплуатации ветроэнергетической установки.
Научная новизна работы:
1. Впервые приведены статистические данные аварий на
ветроэнергетических установках по всему миру.
2. Приведено математическое описание процессов, влияющих на принятие решения о необходимости торможения ветроэнергетической установки.
3. Получены результаты компьютерного моделирования работы системы аварийного торможения ветроэнергетической установки. Получены результаты экспериментального исследования работы системы торможения ветроэнергетической установки, подтверждающие корректность созданной компьютерной модели.
Теоретическая значимость:
1. Приведены общемировые статистические данные по авариям на ветроэнергетических установках...
Купить

В заключении диссертации приведены основные результаты и выводы:
1. Проведен анализ статистических данных аварий ветроэнергетических установок. Определены виды аварий, их причины и последствия.
2. Выявлены и проанализированы существующие способы аварийного торможения ветроэнергетических установок: механическое торможение, торможение с использованием электрического генератора, комбинированное торможение ВЭУ (может одновременно включать в себя аэродинамическое, механическое и электрическое торможение). Сформулированы следующие требования к системам аварийного торможения ветроэнергетических установок: необходимо контролировать частоту вращения ротора, температуру генератора и вибрационные колебания конструкции; система должна быть способна работать независимо от основной системы управления ВЭУ; система должна основываться на механическом способе торможения.
3. Разработана математическая модель, описывающая процессы, которые необходимы для принятия решения о торможения: степень нагрева тормозных элементов, степень нагрева обмоток генератора, частота вращения ветроколеса. Разработан алгоритм управления системой аварийного торможения ветроэнергетической установки.
4. С использованием математической модели и алгоритма управления была разработана универсальная компьютерная модель системы аварийного торможения ВЭУ в программной среде MATLAB Simulink. Данная модель позволяет исследовать влияние системы аварийного торможения на процесс эксплуатации ветроэнергетической установки, что может быть использовано разработчиками конструкций ветроэнергетических установок для оптимизации изделий на этапе проектирования.
5. Разработана система аварийного торможения для вертикально-осевой ветроэнергетической установки мощностью 3 кВт (ВЭУ-3). Разработанная система обладает следующими преимуществами перед аналогами: возможность ее размещения внутри мачты ВЭУ, что позволяет избежать затенения полезной ометаемой площади ветроколеса; полная автономность от рабочих органов ВЭУ-3; возможность торможения при наличии неисправности электрического генератора ветроэнергетической установки; возможность удержания ВЭУ в заторможенном состоянии без затрат электроэнергии; обеспечение плавного торможения без причинения ущерба конструкции ветроколеса.
6. Проведено компьютерное моделирование работы созданной системы аварийного торможения ВЭУ-3. По результатам моделирования было определено, что разработанная система аварийного торможения обеспечивала безопасную эксплуатацию ВЭУ-3 при постоянной скорости ветра до 25 м/с и при переменной скорости ветра с отдельными порывами ветра до 35 м/с и средней скорости ветра 21,9 м/с.
7. Проведено исследование на экспериментальном стенде, имитирующем процесс работы ВЭУ-3 и созданной системы аварийного торможения. В ходе эксперимента имитировалась работа ВЭУ-3 при постоянной скорости ветра 25 м/с (как при компьютерном моделировании). Превышение температуры нагрева тормозных колодок при эксперименте над температурой нагрева тормозных колодок при компьютерном моделировании на 11,73%. При этом в ходе эксперимента были обеспечены (в имитационном варианте) безопасные условия эксплуатации ВЭУ-3. Расхождение в температуре нагрева тормозных элементов при компьютерном моделировании и экспериментальном исследовании обусловлено тем, что экспериментальное исследование проводилось при температуре окружающей среды на 3 °С выше, чем в компьютерном моделировании. Кроме того, расхождение температурных значений объясняется неидеальностью пропорций геометрических параметров тормозных элементов в компьютерном и экспериментальном исследованиях.
Таким образом, была достигнута цель по повышению безопасности эксплуатации ветроэнергетической установки путем интеграции в ее состав системы аварийного торможения.
Купить