УПРАВЛЕНИЕ МОЩНОСТЬЮ ВЕТРОЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ ПРИ ВОЗМУЩЕНИЯХ СЕТИ
|
ВВЕДЕНИЕ 6
ГЛАВА 1: СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.... 16
1.1 Актуальность работы 16
1.1.1 Развитие ветроэнергетики 16
1.2 Развитие ветроэнергетики 17
1.3 Система преобразования энергии ветра 22
1.3.1 Механическая (аэродинамическая) часть 22
1.3.2 Типы ветроэнергетических установок 26
1.3.3 Рабочие зоны ВЭУ 30
1.3.4 Генератор ветроэнергетической установки 32
1.4 Управление мощностью ветроэнергетической установки в стационарном
состоянии и при возмущениях сети 40
1.5 Мотивация исследования 51
1.6 Обзор литературы 53
1.7 Цели и задачи диссертации 58
1.8 Заключение к 1-ой главе и выводы 62
ГЛАВА 2: МОДЕЛИРОВАНИЕ И УПРАВЛЕНИЕ ГЕНЕРАТОРОМ ДВОЙНОГО ПИТАНИЯ (ГДП). АНАЛИЗ РАБОТЫ ПРИ ПАДЕНИЯХ НАПРЯЖЕНИЯ 64
2.1 Введение 64
2.2 Компоненты генератора двойного питания ГДП 67
2.3 Компьютерная модель ветроэнергетической установки 69
2.4 Математическое описание ветроэнергетической установки 71
2.5 Принцип работы генератора двойного питания ГДП 72
2.5.1 Сверхсинхронный режим работы 73
2.5.2 Субсинхронный режим работы 74
2.6 Обобщенное динамическое моделирование асинхронной электрической
машины (модель d-q) 76
2.7 Исследование работы ВЭУ с ГДП при переменной скорости ветра и
моделирование 80
2.7.1 Генератор 81
2.7.2 Ветроэнергетическая установка 83
2.7.3 Силовой электронный двунаправленный преобразователь 84
2.8 Разработка и моделирование ПСС контроллера для ГДП 86
2.9 Разработка и моделирование ПСР контроллера для ГДП 87
2.10 Моделирование ветроэнергетической установки 90
2.10.1 Модель аэродинамической системы 91
2.10.2 Редуктор и механическая модель 93
2.10.3 Характеристики генератора 94
2.10.4 Зависимость выходной мощности от режимов управления 96
2.11 Работа ГДП при провалах напряжения статора 98
2.11.1 Провалы напряжения в трехфазной сети 99
2.11.2 Глубокие провалы напряжения 100
2.11.3 Защитное устройство с шунтированием ротора 102
2.12 Проверка модели на адекватность 112
2.13 Заключение по 2-ой главе и выводы 118
ГЛАВА 3: ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ И МОДЕЛИРОВАНИЕ С ОТСЛЕЖИВАНИЕМ МАКСИМАЛЬНОЙ ТОЧКИ МОЩНОСТИ ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ 121
3.1 Управление отбором мощности ветроэнергетических установок 121
3.1.1 Ветроустановки с пассивным сталл-контролем 122
3.1.2 Питч-контроль ветроэнергетической установки 123
3.1.3 Ветроустановки с активным сталл-контролем 124
3.2 Аэродинамика ветроэнергетической установки 124
3.3 Моделирование ветроэнергоустановки с переменной скоростью 126
3.3.1 Аэродинамическая подсистема модели 129
3.3.2 Подсистема питч-контроля 129
3.3.3 Механическая подсистема 130
3.4 Управление переменной скоростью ротора 132
3.4.1 Области регулирования частоты вращения ротора 133
3.4.2 Зоны 1 и 3: Управление минимальной и максимальной
скоростью вращения 135
3.4.3 Зона 2: Отслеживание максимальной точки мощности 136
3.4.4 Зона 4: Управление отбором мощности 140
3.5 Электрическая система работающей с переменной скоростью 141
3.6 Электрическая система ветроэнергоустановки переменной скорости вращения
на базе ГДП 143
3.7 Защита шунтом и трансформатор 144
3.8 Устойчивый режим генератора 146
3.9 Заключение по 3-ей главе 154
ГЛАВА 4: МОДЕЛИРОВАНИЕ И ПРОЕКТИРОВАНИЕ ВИРТУАЛЬНОГО
КОНТРОЛЛЕРА ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ 157
4.1 Виртуальный контроллер ветроэлектрической установки 157
4.2 Результаты моделирования провалов напряжения и их обсуждение ... 158
4.3 Результаты отслеживания максимальной точки мощности 170
4.4 Заключение по 4-ой главе 176
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 178
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 180
ПРИЛОЖЕНИЕ A. БЛОКИ И ДИАГРАММЫ КОНТРОЛЛЕРОВ ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ 195
ПРИЛОЖЕНИЕ Б. АКТ ВНЕДРЕНИЯ ЮУрГУ 199
ПРИЛОЖЕНИЕ В. СПИСОК РИСУНКОВ 200
ПРИЛОЖЕНИЕ Г. СПИСОК ТАБЛИЦ 205
ГЛАВА 1: СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.... 16
1.1 Актуальность работы 16
1.1.1 Развитие ветроэнергетики 16
1.2 Развитие ветроэнергетики 17
1.3 Система преобразования энергии ветра 22
1.3.1 Механическая (аэродинамическая) часть 22
1.3.2 Типы ветроэнергетических установок 26
1.3.3 Рабочие зоны ВЭУ 30
1.3.4 Генератор ветроэнергетической установки 32
1.4 Управление мощностью ветроэнергетической установки в стационарном
состоянии и при возмущениях сети 40
1.5 Мотивация исследования 51
1.6 Обзор литературы 53
1.7 Цели и задачи диссертации 58
1.8 Заключение к 1-ой главе и выводы 62
ГЛАВА 2: МОДЕЛИРОВАНИЕ И УПРАВЛЕНИЕ ГЕНЕРАТОРОМ ДВОЙНОГО ПИТАНИЯ (ГДП). АНАЛИЗ РАБОТЫ ПРИ ПАДЕНИЯХ НАПРЯЖЕНИЯ 64
2.1 Введение 64
2.2 Компоненты генератора двойного питания ГДП 67
2.3 Компьютерная модель ветроэнергетической установки 69
2.4 Математическое описание ветроэнергетической установки 71
2.5 Принцип работы генератора двойного питания ГДП 72
2.5.1 Сверхсинхронный режим работы 73
2.5.2 Субсинхронный режим работы 74
2.6 Обобщенное динамическое моделирование асинхронной электрической
машины (модель d-q) 76
2.7 Исследование работы ВЭУ с ГДП при переменной скорости ветра и
моделирование 80
2.7.1 Генератор 81
2.7.2 Ветроэнергетическая установка 83
2.7.3 Силовой электронный двунаправленный преобразователь 84
2.8 Разработка и моделирование ПСС контроллера для ГДП 86
2.9 Разработка и моделирование ПСР контроллера для ГДП 87
2.10 Моделирование ветроэнергетической установки 90
2.10.1 Модель аэродинамической системы 91
2.10.2 Редуктор и механическая модель 93
2.10.3 Характеристики генератора 94
2.10.4 Зависимость выходной мощности от режимов управления 96
2.11 Работа ГДП при провалах напряжения статора 98
2.11.1 Провалы напряжения в трехфазной сети 99
2.11.2 Глубокие провалы напряжения 100
2.11.3 Защитное устройство с шунтированием ротора 102
2.12 Проверка модели на адекватность 112
2.13 Заключение по 2-ой главе и выводы 118
ГЛАВА 3: ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ И МОДЕЛИРОВАНИЕ С ОТСЛЕЖИВАНИЕМ МАКСИМАЛЬНОЙ ТОЧКИ МОЩНОСТИ ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ 121
3.1 Управление отбором мощности ветроэнергетических установок 121
3.1.1 Ветроустановки с пассивным сталл-контролем 122
3.1.2 Питч-контроль ветроэнергетической установки 123
3.1.3 Ветроустановки с активным сталл-контролем 124
3.2 Аэродинамика ветроэнергетической установки 124
3.3 Моделирование ветроэнергоустановки с переменной скоростью 126
3.3.1 Аэродинамическая подсистема модели 129
3.3.2 Подсистема питч-контроля 129
3.3.3 Механическая подсистема 130
3.4 Управление переменной скоростью ротора 132
3.4.1 Области регулирования частоты вращения ротора 133
3.4.2 Зоны 1 и 3: Управление минимальной и максимальной
скоростью вращения 135
3.4.3 Зона 2: Отслеживание максимальной точки мощности 136
3.4.4 Зона 4: Управление отбором мощности 140
3.5 Электрическая система работающей с переменной скоростью 141
3.6 Электрическая система ветроэнергоустановки переменной скорости вращения
на базе ГДП 143
3.7 Защита шунтом и трансформатор 144
3.8 Устойчивый режим генератора 146
3.9 Заключение по 3-ей главе 154
ГЛАВА 4: МОДЕЛИРОВАНИЕ И ПРОЕКТИРОВАНИЕ ВИРТУАЛЬНОГО
КОНТРОЛЛЕРА ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ 157
4.1 Виртуальный контроллер ветроэлектрической установки 157
4.2 Результаты моделирования провалов напряжения и их обсуждение ... 158
4.3 Результаты отслеживания максимальной точки мощности 170
4.4 Заключение по 4-ой главе 176
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 178
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 180
ПРИЛОЖЕНИЕ A. БЛОКИ И ДИАГРАММЫ КОНТРОЛЛЕРОВ ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ 195
ПРИЛОЖЕНИЕ Б. АКТ ВНЕДРЕНИЯ ЮУрГУ 199
ПРИЛОЖЕНИЕ В. СПИСОК РИСУНКОВ 200
ПРИЛОЖЕНИЕ Г. СПИСОК ТАБЛИЦ 205
Актуальность темы исследования. Ветроэнергетика за последние несколько десятилетий выделилась в ряде стран в отдельный энергетический сектор, успешно конкурирующий с традиционными источниками энергии. В основном, на 90% ветроэнергетические (ветроэлектрические) установки (ВЭУ) представлены изделиями крупной и средней единичной мощности в составе магистральных, распределительных и локальных (в том числе микро-грид или сверхмалых) сетей. Как правило, ВЭУ объединены в ветропарки с количеством 10-100 единиц. В большинстве современных сетевых ВЭУ используются электрические генераторы двойного питания (ГДП), позволяющие осуществлять выработку электроэнергии при различных скоростях ветра и на различных частотах вращения ротора ВЭУ с выдачей энергии непосредственно в сеть через обмотки статора. Динамическая взаимосвязь между ГДП и сетью является объектом управления при переходных процессах в сети согласно требованиям как разработчиков ВЭУ, так и сетевых компаний в части защиты электрооборудования ВЭУ от переходных процессов и автоматического возобновления нормального регулирования мощности после восстановления сети. Например, при глубоком падении напряжения сети и снижении потенциала на обмотках статора, на обмотках ротора генератора при вращении ротора (ветроколеса) ВЭУ может возникнуть сверхвысокое напряжение, которое неминуемо приведет к выходу из строя управляющих электронных устройств, за чем может последовать каскадное отключение или выход из строя одной, ряда или даже всех ВЭУ, находящихся в составе ветропарка. В связи с тем, что такие отключения приводят к серьезным сбоям в работе ветропарков и значительным сетевым потерям, устойчивость работы отдельной ВЭУ с максимально возможной эффективностью, в том числе при критических изменениях сетевых параметров и после окончания их действия, является актуальной областью исследований.
Основной характеристикой, от которой зависит производительность ветроэлектрической установки, является коэффициент использования энергии ветра КИЭВ, или коэффициент мощности Ср - отношение фактической механической мощности, вырабатываемой ветроустановкой, к интегральной аэродинамической мощности набегающего ветрового потока через ометаемую площадь. Повышение Ср во всех режимах работы ветроустановки за счет совершенствования и развития методов регулирования мощности является предметом настоящей диссертационной работы. Коэффициент мощности является величиной нестабильной и зависящей от ряда статических факторов - формы и особенностей ротора и лопастей ВЭУ, а также текущих динамических переменных - быстроходности, питч-угла установки лопастей, угла ориентации. Одним из эффективных способов регулирования мощности и повышения Ср является MPPT-управление или отслеживание точки максимальной мощности (Maximum Power Point Tracking). Подход достаточно универсален, может применяться на основе целого ряда методов: метод восхождения, метод оптимального управления крутящим моментом, метод усилителя сигнала обратной связи и метод нечеткой логики [169]. Однако применение всех методов ограничено режимами равномерной выработки электроэнергии, т.е. их можно применять только когда ВЭУ находится в стационарном установившемся рабочем состоянии. При переходных процессах или в нештатных ситуациях методы не применимы.
В нестационарном состоянии (во время переходных процессов) MPPT-управление может работать некорректно или вообще выйти из строя. Особую опасность для системы управления представляют критические изменения параметров сети, в частности, глубокое падение напряжения, при котором обмотки статора фактически шунтируются. В этом случае при нормальной работе ВЭУ за счет кинетической энергии набегающего потока ветра создается механический крутящий момент на валу генератора ВЭУ и, соответственно, индуцируется ЭДС в обмотках ротора, что приводит к росту напряжения на стороне ротора. С учетом того, что обмотки статора закорочены и создают тормозящий электромагнитный момент, сеть может оставаться под напряжением статора, механические компоненты ВЭУ будут испытывать нештатные перегрузки, а система управления (контроллер) на стороне ротора может выйти из строя. Таким образом, предотвращение нештатных ситуаций и повышение эффективности работы ВЭУ в части ускорения выхода из аварийных режимов с восстановлением МРРТ-регулирования после окончания переходных процессов в сети является также актуальной областью исследований.
Степень разработанности темы исследования. Исследования многих известных ученых посвящены улучшению эксплуатационных характеристик ветроэнергетических конструкций. Н.Е. Жуковский, Ю. Прандтль и А. Бетц создали теоретические основы, объясняющие основные принципы и закономерности работы ветроэлектрических установок. Предел Жуковского-Бетца обосновывает максимально возможные границы использования энергии ветра ветроустановками, которые являются целевыми значениями для разработчиков ветроэлектрических систем. Данные вопросы на определенном уровне в различное время разрабатывались такими ведущими учеными в области ветроэнергетики, как Н.Е. Жуковский, Н.В. Красовский, Г.Х. Сабинин, Е.М. Фатеев, В.Н. Андриянов, П.П. Безруких, В.В. Елистратов, Е.В. Соломин, В.М. Лятхер и другими. Задачу повышения производительности ветроэлектрических установок, совершенствования методов и алгоритмов управления, в том числе в переходных режимах, инициировали Ю.В. Шишкин, Ю.Г. Шакарян, А.С. Мартьянов, Д.В. Коробатов, В.З. Манусов, С.Н. Удалов, зарубежные ученые Х. Бинднер, А. Ребсдорф, В. Байберг, Р. Гофман, О. Карлсон, Дж. Хайландер, Х. Бейер, исследовавшие различные методы управления ветроэнергетическими установками. Таким образом, синтез и исследование алгоритмов управления мощностью ветроэлектрических комплексов во всех режимах работы являлись и являются актуальными направлениями научных исследований в области повышения производительности электроэнергии и снижения себестоимости ее выработки, решение которых имеет научное и практическое значение.
Цель диссертации - разработка алгоритма поддержания максимального коэффициента использования энергии ветра (коэффициента мощности) Ср во всех, в том числе аварийных режимах работы (провалах напряжения) горизонтально-осевой ветроэнергетической (ветроэлектрической) установки (ГОВЭУ), а также разработка моделей контроллера преобразователя на стороне ротора (ПСР), контроллера преобразователя на стороне сети (ПСС) и виртуального контроллера (ВК) с подтверждением результатов работы и созданием виртуального MPPT-контроллера в Среде Matlab/Simulink на основе математического моделирования.
Исходя из цели исследования, сформулированы следующие задачи:
1. Разработка функциональной компьютерной модели горизонтально-осевой ветроэнергетической установки (ГОВЭУ) и системы управления, состоящей из преобразователя на стороне ротора (ПСР), преобразователя на стороне сети (ПСС) и виртуального контроллера (ВК) с возможностью задания алгоритмов управления для изучения характеристик ГОВЭУ в соответствии с исследуемыми алгоритмами управления с использованием платформы Matlab/Simulink.
2. Построение математической модели симметричного замыкания роторной цепи шунтом (crowbar) в программном пакете Matlab/Simulink для ускорения процесса восстановления ГОВЭУ в исходное устойчивое состояние после воздействия глубоких провалов напряжения.
3. Разработка метода определения производительности ГОВЭУ и создание нового алгоритма поиска (Maximum Power Point Tracking, MPPT) максимально возможного значения коэффициента использования энергии ветра (коэффициента мощности) Cp ветроэлектрической установкой в условиях переменной скорости ветра.
Научная новизна:
1. Разработаны и построены новые компьютерные модели преобразователя на стороне ротора (ПСР), преобразователя на стороне сети (ПСС), ветроэнергетической установки, генератора двойного питания (ГДП), схемы защиты шунтом (crowbar), PID (ПИД)-регулятора и контроллера MPPT с помощью пакета MATLAB/SIMULINK.
2. Улучшены характеристики ветроэнергетической установки MITSUBISHI MWT-92 в части повышения эффективности и максимизации выходной мощности независимо от изменения скорости ветра за счет внедрения концепции виртуального контроллера MPPT (с использованием MATLAB/SIMULINK), увеличивающего коэффициент мощности Cpна 8%.
Подробнее в п. 2.12 (Проверка Модели на Адекватность).
3. Улучшен принцип защиты электрической схемы ветроэнергетической установки путем введения активной схемы защиты шунтом (crowbar), которая защищает генератор и ПСР от провалов напряжения за счет оптимизации сопротивления шунта для ускорения и плавного восстановления системы до исходного устойчивого состояния без отключения ветроэнергетической установки от сети.
4. Предложенная имитационная модель и алгоритм MPPT протестированы на модели ветроэнергетической установки NORDEX N80/2500 для верификации построенных моделей и доказательства эффективной работы модели на всех типах ГОВЭУ. Подробнее в п. 2.12 (Проверка Модели на Адекватность).
Теоретическая значимость работы:
1. Впервые имитационная модель включает отдельный модуль виртуального контроллера, настраиваемого языком верхнего уровня для гибких условий работы ветроустановки.
2. Разработан новый алгоритм устойчивого управления ветроэнергоустановкой в условиях провалов напряжения сети с учетом меняющихся характеристик ветра.
3. Предложены схема и алгоритм работы устройства защиты генератора ГОВЭУ с шунтированием обмотки ротора для безопасного вывода ветроэнергоустановки из аварийного в нормальный режим.
Практическая значимость работы:
1. Проведен комплекс виртуальных исследований функционирования ветроэлектрической установки в условиях динамических изменений характеристик электрооборудования и скорости ветра, нацеленных на выявление оптимальных параметров электрических компонентов ГОВЭУ.
2. Проведен синтез алгоритмов управления ПСР и ПСС, обеспечивающих безопасное восстановление ГОВЭУ до устойчивого состояния после глубоких провалов напряжения.
3. Доказана эффективность управления работой ветроэлектрической установки на основе разработанных алгоритмов в условиях переменной скорости ветра в широком диапазоне и провалов напряжения. Алгоритмы могут быть в дальнейшем использованы производителями ветроэлектрических установок. Запланировано и Имеется предварительная договоренность о внедрении соответствующего программного обеспечения в системы управления ветроэлектрическими установками с ФГУП Республики Крым «Крымские Генерирующие Системы», а также с компанией “LG Electronics” в части снижения дифференциальной ошибки ориентации ротора во время аварийных режимов глубокого провала напряжения сети.
4. Результаты диссертации, материалы научных и теоретических исследований, изложенных в диссертационной работе, используются в образовательном процессе в учебной дисциплине ДВ.1.05.02 Комплексное использование ветроэлектростанций. Дисциплина преподается в рамках магистерской программы 13.04.02 Электроэнергетика и электротехника на кафедре «Электрические станции, сети и системы электроснабжения» Энергетического факультета ФГАОУ ВО «ЮУрГУ (НИУ)».
Методология и методы исследования. При решении поставленных задач используются методы математического моделирования, программный комплекс МАТЬЛБ/81ши11пк, а также языки программирования высокого уровня С++.
Положения, выносимые на защиту:
1. Новая имитационная компьютерная модель ветроэлектрической установки, характеризующаяся наличием модуля гибкого виртуального контроллера, описанного на языке высокого уровня, и предназначенная для исследования характеристик ветроэлектрической установки в зависимости от применяемых алгоритмов управления.
2. Способ определения производительности ветроэлектрической установки и новый динамический алгоритм поиска максимального значения коэффициента использования энергии ветра (КИЭВ или коэффициента мощности Ср_тах), следовательно, повышение общей эффективности и оптимального значения коэффициента крутящего момента &_ор1 в условиях переменной скорости ветра в широком диапазоне.
3. Алгоритм управления отбором мощности ветроэлектрической установки, предназначенный для защиты элементов ГОВЭУ от недопустимых выбросов токов и напряжений во время провалов напряжения, и новая схема устройства защиты генератора ГОВЭУ с шунтированием обмотки ротора для быстрого и безопасного восстановления электротехнического комплекса до устойчивого состояния после глубоких провалов напряжения.
Обоснованность и степень достоверности научных положений, выводов и результатов базируется на основе использования известных положений механики, аэродинамики, электромеханики, электродинамики, теории автоматического управления и методов компьютерного моделирования. Достоверность результатов определяется корректностью применения математического аппарата, обоснованностью методов моделирования, использующих известные, многократно подтвердившие свою достоверность программы, а также детально описанными методиками симуляции, позволяющие воспроизвести проведенные исследования другими учеными. Кроме этого, достоверность подтверждается соответствием теоретических положений результатам моделирования.
Апробация работы. Основные результаты исследования были представлены и обсуждены на следующих мероприятиях:
1. Международная научно-техническая конференция "Пром-Инжиниринг"(International Conference on Industrial Engineering, ICIE), Сочи, РФ, 25-29 марта 2019 г.
2. International Conference on Industrial Engineering, Applications and Manufacturing, ICIEAM 2019), Sochi, Russia, 25-29 March 2019.
3. Международная научно-техническая конференция "Автоматизация"(International Russian Automation Conference, RusAutoCon 2019), Sochi, Сочи, РФ, 8-14 сентября 2019 г.
4. Международная научно-техническая конференция "Электротехнические комплексы и системы"(International Ural Conference on Green Energy, UralCon 2018), 23-25 сентября 2018 г.
5. Международная мультидисциплинарная конференция по промышленному инжинирингу и современным технологиям (International multidisciplinary conference on industrial engineering and modern technologies, FarEastCon 2018), Владивосток, РФ, 3 -4 October 2018.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 13 работ [47; 49; 120; 121; 45; 46; 50; 51; 52; 53; 54; 55; 56] в том числе 4 статей в журналах, определенных ВАК РФ [47; 49; 120; 121]; 9 - в международных рецензируемых журналах, входящих в базы цитирования Scopus, Web of Science, IEEE; межрегиональных публикациях и материалах конференций [45; 46; 50; 51; 52; 53; 54; 55; 56]. Получен 1 патент РФ на Программу эмуляции ветро-энергокомплекса [122].
Личный вклад автора. Автор определил направление исследования, сформулировал цель и задачи исследования, проанализировал достижения в области научных исследований. На основе проведенного анализа были выбраны методы и средства проведения исследования, разработаны математические модели, используемые в исследовании. Разработка модели системы управления и все исследования проводились непосредственно автором.
Объем и Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и приложения. Общий объем диссертации составляет 205 страниц текста с 104 рисунками, 12 таблицами и 4 приложениями. Список литературы содержит 129 наименование.
Диссертация соответствует паспорту специальности: диссертация соответствует паспорту специальности 2.4.5. Энергетические системы и комплексы и, в частности, следующим пунктам:
1. Разработка научных основ (подходов) исследования общих свойств и принципов функционирования и методов расчета, алгоритмов и программ выбора и оптимизации параметров, показателей качества и режимов работы энергетических систем, комплексов, энергетических установок на органическом и альтернативных топливах и возобновляемых видах энергии в целом и их основного и вспомогательного оборудования.
2. Математическое моделирование, численные и натурные исследования физико-химических и рабочих процессов, протекающих в энергетических системах и установках на органическом и альтернативных топливах и возобновляемых видах энергии, их основном и вспомогательном оборудовании и общем технологическом цикле производства электрической и тепловой энергии.
4. Разработка научных подходов, методов, алгоритмов, технологий конструирования и проектирования, контроля и диагностики, оценки надежности основного и вспомогательного оборудования энергетических систем, станций и энергокомплексов и входящих в них энергетических установок.
6. Теоретический анализ, экспериментальные исследования, физическое и математическое моделирование, проектирование энергоустановок, электростанций и энергетических комплексов, функционирующих на основе преобразования возобновляемых видов энергии (энергии водных потоков, солнечной энергии, энергии ветра, энергии биомассы, энергии тепла земли и других видов возобновляемой энергии) с целью исследования и оптимизации их параметров, режимов работы, экономии ископаемых видов топлива и решения проблем экологического и социально-экономического характера.
Согласно ГОСТ Р 51237-98 (Ветроэнергетика. Термины и определения), п. 3.1.4.3 Ветроэлектрическая установка определяется как ВЭУ (3.1.4 ветроэнергетическая установка), предназначенная для преобразования ветровой энергии в электрическую с помощью системы генерирования электроэнергии. Таким образом, ветроэлектрическая установка является электротехническим комплексом в виде самостоятельного электротехнологического комплекса, а генератор и регулятор мощности ВЭУ являются устройствами преобразования электрической энергии.
Основной характеристикой, от которой зависит производительность ветроэлектрической установки, является коэффициент использования энергии ветра КИЭВ, или коэффициент мощности Ср - отношение фактической механической мощности, вырабатываемой ветроустановкой, к интегральной аэродинамической мощности набегающего ветрового потока через ометаемую площадь. Повышение Ср во всех режимах работы ветроустановки за счет совершенствования и развития методов регулирования мощности является предметом настоящей диссертационной работы. Коэффициент мощности является величиной нестабильной и зависящей от ряда статических факторов - формы и особенностей ротора и лопастей ВЭУ, а также текущих динамических переменных - быстроходности, питч-угла установки лопастей, угла ориентации. Одним из эффективных способов регулирования мощности и повышения Ср является MPPT-управление или отслеживание точки максимальной мощности (Maximum Power Point Tracking). Подход достаточно универсален, может применяться на основе целого ряда методов: метод восхождения, метод оптимального управления крутящим моментом, метод усилителя сигнала обратной связи и метод нечеткой логики [169]. Однако применение всех методов ограничено режимами равномерной выработки электроэнергии, т.е. их можно применять только когда ВЭУ находится в стационарном установившемся рабочем состоянии. При переходных процессах или в нештатных ситуациях методы не применимы.
В нестационарном состоянии (во время переходных процессов) MPPT-управление может работать некорректно или вообще выйти из строя. Особую опасность для системы управления представляют критические изменения параметров сети, в частности, глубокое падение напряжения, при котором обмотки статора фактически шунтируются. В этом случае при нормальной работе ВЭУ за счет кинетической энергии набегающего потока ветра создается механический крутящий момент на валу генератора ВЭУ и, соответственно, индуцируется ЭДС в обмотках ротора, что приводит к росту напряжения на стороне ротора. С учетом того, что обмотки статора закорочены и создают тормозящий электромагнитный момент, сеть может оставаться под напряжением статора, механические компоненты ВЭУ будут испытывать нештатные перегрузки, а система управления (контроллер) на стороне ротора может выйти из строя. Таким образом, предотвращение нештатных ситуаций и повышение эффективности работы ВЭУ в части ускорения выхода из аварийных режимов с восстановлением МРРТ-регулирования после окончания переходных процессов в сети является также актуальной областью исследований.
Степень разработанности темы исследования. Исследования многих известных ученых посвящены улучшению эксплуатационных характеристик ветроэнергетических конструкций. Н.Е. Жуковский, Ю. Прандтль и А. Бетц создали теоретические основы, объясняющие основные принципы и закономерности работы ветроэлектрических установок. Предел Жуковского-Бетца обосновывает максимально возможные границы использования энергии ветра ветроустановками, которые являются целевыми значениями для разработчиков ветроэлектрических систем. Данные вопросы на определенном уровне в различное время разрабатывались такими ведущими учеными в области ветроэнергетики, как Н.Е. Жуковский, Н.В. Красовский, Г.Х. Сабинин, Е.М. Фатеев, В.Н. Андриянов, П.П. Безруких, В.В. Елистратов, Е.В. Соломин, В.М. Лятхер и другими. Задачу повышения производительности ветроэлектрических установок, совершенствования методов и алгоритмов управления, в том числе в переходных режимах, инициировали Ю.В. Шишкин, Ю.Г. Шакарян, А.С. Мартьянов, Д.В. Коробатов, В.З. Манусов, С.Н. Удалов, зарубежные ученые Х. Бинднер, А. Ребсдорф, В. Байберг, Р. Гофман, О. Карлсон, Дж. Хайландер, Х. Бейер, исследовавшие различные методы управления ветроэнергетическими установками. Таким образом, синтез и исследование алгоритмов управления мощностью ветроэлектрических комплексов во всех режимах работы являлись и являются актуальными направлениями научных исследований в области повышения производительности электроэнергии и снижения себестоимости ее выработки, решение которых имеет научное и практическое значение.
Цель диссертации - разработка алгоритма поддержания максимального коэффициента использования энергии ветра (коэффициента мощности) Ср во всех, в том числе аварийных режимах работы (провалах напряжения) горизонтально-осевой ветроэнергетической (ветроэлектрической) установки (ГОВЭУ), а также разработка моделей контроллера преобразователя на стороне ротора (ПСР), контроллера преобразователя на стороне сети (ПСС) и виртуального контроллера (ВК) с подтверждением результатов работы и созданием виртуального MPPT-контроллера в Среде Matlab/Simulink на основе математического моделирования.
Исходя из цели исследования, сформулированы следующие задачи:
1. Разработка функциональной компьютерной модели горизонтально-осевой ветроэнергетической установки (ГОВЭУ) и системы управления, состоящей из преобразователя на стороне ротора (ПСР), преобразователя на стороне сети (ПСС) и виртуального контроллера (ВК) с возможностью задания алгоритмов управления для изучения характеристик ГОВЭУ в соответствии с исследуемыми алгоритмами управления с использованием платформы Matlab/Simulink.
2. Построение математической модели симметричного замыкания роторной цепи шунтом (crowbar) в программном пакете Matlab/Simulink для ускорения процесса восстановления ГОВЭУ в исходное устойчивое состояние после воздействия глубоких провалов напряжения.
3. Разработка метода определения производительности ГОВЭУ и создание нового алгоритма поиска (Maximum Power Point Tracking, MPPT) максимально возможного значения коэффициента использования энергии ветра (коэффициента мощности) Cp ветроэлектрической установкой в условиях переменной скорости ветра.
Научная новизна:
1. Разработаны и построены новые компьютерные модели преобразователя на стороне ротора (ПСР), преобразователя на стороне сети (ПСС), ветроэнергетической установки, генератора двойного питания (ГДП), схемы защиты шунтом (crowbar), PID (ПИД)-регулятора и контроллера MPPT с помощью пакета MATLAB/SIMULINK.
2. Улучшены характеристики ветроэнергетической установки MITSUBISHI MWT-92 в части повышения эффективности и максимизации выходной мощности независимо от изменения скорости ветра за счет внедрения концепции виртуального контроллера MPPT (с использованием MATLAB/SIMULINK), увеличивающего коэффициент мощности Cpна 8%.
Подробнее в п. 2.12 (Проверка Модели на Адекватность).
3. Улучшен принцип защиты электрической схемы ветроэнергетической установки путем введения активной схемы защиты шунтом (crowbar), которая защищает генератор и ПСР от провалов напряжения за счет оптимизации сопротивления шунта для ускорения и плавного восстановления системы до исходного устойчивого состояния без отключения ветроэнергетической установки от сети.
4. Предложенная имитационная модель и алгоритм MPPT протестированы на модели ветроэнергетической установки NORDEX N80/2500 для верификации построенных моделей и доказательства эффективной работы модели на всех типах ГОВЭУ. Подробнее в п. 2.12 (Проверка Модели на Адекватность).
Теоретическая значимость работы:
1. Впервые имитационная модель включает отдельный модуль виртуального контроллера, настраиваемого языком верхнего уровня для гибких условий работы ветроустановки.
2. Разработан новый алгоритм устойчивого управления ветроэнергоустановкой в условиях провалов напряжения сети с учетом меняющихся характеристик ветра.
3. Предложены схема и алгоритм работы устройства защиты генератора ГОВЭУ с шунтированием обмотки ротора для безопасного вывода ветроэнергоустановки из аварийного в нормальный режим.
Практическая значимость работы:
1. Проведен комплекс виртуальных исследований функционирования ветроэлектрической установки в условиях динамических изменений характеристик электрооборудования и скорости ветра, нацеленных на выявление оптимальных параметров электрических компонентов ГОВЭУ.
2. Проведен синтез алгоритмов управления ПСР и ПСС, обеспечивающих безопасное восстановление ГОВЭУ до устойчивого состояния после глубоких провалов напряжения.
3. Доказана эффективность управления работой ветроэлектрической установки на основе разработанных алгоритмов в условиях переменной скорости ветра в широком диапазоне и провалов напряжения. Алгоритмы могут быть в дальнейшем использованы производителями ветроэлектрических установок. Запланировано и Имеется предварительная договоренность о внедрении соответствующего программного обеспечения в системы управления ветроэлектрическими установками с ФГУП Республики Крым «Крымские Генерирующие Системы», а также с компанией “LG Electronics” в части снижения дифференциальной ошибки ориентации ротора во время аварийных режимов глубокого провала напряжения сети.
4. Результаты диссертации, материалы научных и теоретических исследований, изложенных в диссертационной работе, используются в образовательном процессе в учебной дисциплине ДВ.1.05.02 Комплексное использование ветроэлектростанций. Дисциплина преподается в рамках магистерской программы 13.04.02 Электроэнергетика и электротехника на кафедре «Электрические станции, сети и системы электроснабжения» Энергетического факультета ФГАОУ ВО «ЮУрГУ (НИУ)».
Методология и методы исследования. При решении поставленных задач используются методы математического моделирования, программный комплекс МАТЬЛБ/81ши11пк, а также языки программирования высокого уровня С++.
Положения, выносимые на защиту:
1. Новая имитационная компьютерная модель ветроэлектрической установки, характеризующаяся наличием модуля гибкого виртуального контроллера, описанного на языке высокого уровня, и предназначенная для исследования характеристик ветроэлектрической установки в зависимости от применяемых алгоритмов управления.
2. Способ определения производительности ветроэлектрической установки и новый динамический алгоритм поиска максимального значения коэффициента использования энергии ветра (КИЭВ или коэффициента мощности Ср_тах), следовательно, повышение общей эффективности и оптимального значения коэффициента крутящего момента &_ор1 в условиях переменной скорости ветра в широком диапазоне.
3. Алгоритм управления отбором мощности ветроэлектрической установки, предназначенный для защиты элементов ГОВЭУ от недопустимых выбросов токов и напряжений во время провалов напряжения, и новая схема устройства защиты генератора ГОВЭУ с шунтированием обмотки ротора для быстрого и безопасного восстановления электротехнического комплекса до устойчивого состояния после глубоких провалов напряжения.
Обоснованность и степень достоверности научных положений, выводов и результатов базируется на основе использования известных положений механики, аэродинамики, электромеханики, электродинамики, теории автоматического управления и методов компьютерного моделирования. Достоверность результатов определяется корректностью применения математического аппарата, обоснованностью методов моделирования, использующих известные, многократно подтвердившие свою достоверность программы, а также детально описанными методиками симуляции, позволяющие воспроизвести проведенные исследования другими учеными. Кроме этого, достоверность подтверждается соответствием теоретических положений результатам моделирования.
Апробация работы. Основные результаты исследования были представлены и обсуждены на следующих мероприятиях:
1. Международная научно-техническая конференция "Пром-Инжиниринг"(International Conference on Industrial Engineering, ICIE), Сочи, РФ, 25-29 марта 2019 г.
2. International Conference on Industrial Engineering, Applications and Manufacturing, ICIEAM 2019), Sochi, Russia, 25-29 March 2019.
3. Международная научно-техническая конференция "Автоматизация"(International Russian Automation Conference, RusAutoCon 2019), Sochi, Сочи, РФ, 8-14 сентября 2019 г.
4. Международная научно-техническая конференция "Электротехнические комплексы и системы"(International Ural Conference on Green Energy, UralCon 2018), 23-25 сентября 2018 г.
5. Международная мультидисциплинарная конференция по промышленному инжинирингу и современным технологиям (International multidisciplinary conference on industrial engineering and modern technologies, FarEastCon 2018), Владивосток, РФ, 3 -4 October 2018.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 13 работ [47; 49; 120; 121; 45; 46; 50; 51; 52; 53; 54; 55; 56] в том числе 4 статей в журналах, определенных ВАК РФ [47; 49; 120; 121]; 9 - в международных рецензируемых журналах, входящих в базы цитирования Scopus, Web of Science, IEEE; межрегиональных публикациях и материалах конференций [45; 46; 50; 51; 52; 53; 54; 55; 56]. Получен 1 патент РФ на Программу эмуляции ветро-энергокомплекса [122].
Личный вклад автора. Автор определил направление исследования, сформулировал цель и задачи исследования, проанализировал достижения в области научных исследований. На основе проведенного анализа были выбраны методы и средства проведения исследования, разработаны математические модели, используемые в исследовании. Разработка модели системы управления и все исследования проводились непосредственно автором.
Объем и Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и приложения. Общий объем диссертации составляет 205 страниц текста с 104 рисунками, 12 таблицами и 4 приложениями. Список литературы содержит 129 наименование.
Диссертация соответствует паспорту специальности: диссертация соответствует паспорту специальности 2.4.5. Энергетические системы и комплексы и, в частности, следующим пунктам:
1. Разработка научных основ (подходов) исследования общих свойств и принципов функционирования и методов расчета, алгоритмов и программ выбора и оптимизации параметров, показателей качества и режимов работы энергетических систем, комплексов, энергетических установок на органическом и альтернативных топливах и возобновляемых видах энергии в целом и их основного и вспомогательного оборудования.
2. Математическое моделирование, численные и натурные исследования физико-химических и рабочих процессов, протекающих в энергетических системах и установках на органическом и альтернативных топливах и возобновляемых видах энергии, их основном и вспомогательном оборудовании и общем технологическом цикле производства электрической и тепловой энергии.
4. Разработка научных подходов, методов, алгоритмов, технологий конструирования и проектирования, контроля и диагностики, оценки надежности основного и вспомогательного оборудования энергетических систем, станций и энергокомплексов и входящих в них энергетических установок.
6. Теоретический анализ, экспериментальные исследования, физическое и математическое моделирование, проектирование энергоустановок, электростанций и энергетических комплексов, функционирующих на основе преобразования возобновляемых видов энергии (энергии водных потоков, солнечной энергии, энергии ветра, энергии биомассы, энергии тепла земли и других видов возобновляемой энергии) с целью исследования и оптимизации их параметров, режимов работы, экономии ископаемых видов топлива и решения проблем экологического и социально-экономического характера.
Согласно ГОСТ Р 51237-98 (Ветроэнергетика. Термины и определения), п. 3.1.4.3 Ветроэлектрическая установка определяется как ВЭУ (3.1.4 ветроэнергетическая установка), предназначенная для преобразования ветровой энергии в электрическую с помощью системы генерирования электроэнергии. Таким образом, ветроэлектрическая установка является электротехническим комплексом в виде самостоятельного электротехнологического комплекса, а генератор и регулятор мощности ВЭУ являются устройствами преобразования электрической энергии.
В данной диссертации представлены следующие основные результаты и выводы:
1. Впервые в пакете MATLAB/SIMULINK построена комплексная компьютерная функциональная модель электрических компонентов ветроэнергетической (ветроэлектрической) установки на примере MITSUBISHI MWT-92 и системы управления, включающая преобразователь на стороне ротора (ПСР), преобразователь на стороне сети (ПСС), виртуальный контроллер (ВК) отслеживания максимальной точки мощности (MPPT), защитное устройство с шунтированием ротора (ЗУШР) и соответствующие контроллеры генератора двойного питания (ГДП), в том числе контроллер ротора AC-DC-AC. Результаты моделирования электрической системы подтверждают адекватность компьютерной модели с демонстрацией удовлетворительных результатов.
2. Впервые построена математическая модель симметричного замыкания роторной цепи шунтом (crowbar) в программном пакете Matlab/Simulink. Результат виртуальных экспериментов с глубокими провалами напряжения сети во время штатной работы ВЭУ демонстрирует своевременное отсечение электрической схемы ротора ВЭУ с помощью защитного устройства с шунтированием ротора ЗУШР за 0,1 сек, что позволяет защитить схему от перенапряжений с последующим восстановлением исходного состояния за ~ 1,17 сек (3 сек до 4,17 сек). Разработанный метод определения сопротивления шунта применим для любого типа ГОВЭУ.
3. Впервые для нештатной работы при глубоких провалах напряжения сети в условиях переменной скорости ветра разработан новый метод и алгоритм отслеживания максимальной точки мощности (MPPT) с достижением максимальной производительности. Результатом виртуальных экспериментов явилось увеличение КИЭВ Ср на 8%.
4. Тестирование алгоритма MPPT на компьютерной модели ВЭУ NORDEX N80/2500 явилось валидацией (верификацией) разработанных моделей и методов, показав аналогичный результат повышения Ср на ~ 8%, что говорит о возможности адаптации алгоритма к любым конструктивам ГОВЭУ.
Перспективы дальнейшей разработки темы исследования и рекомендации:
1. Реализация аппаратного решения шунтовой защиты с последующей коммерциализацией.
2. Исследование возможности применения разработанных алгоритмов к малым ветроэнергетическим установкам в связи с прогнозируемым падением цен на них и экономической привлекательностью, поскольку их удельная стоимость в 10 раз ниже традиционных крупных установок мегаваттного класса.
1. Впервые в пакете MATLAB/SIMULINK построена комплексная компьютерная функциональная модель электрических компонентов ветроэнергетической (ветроэлектрической) установки на примере MITSUBISHI MWT-92 и системы управления, включающая преобразователь на стороне ротора (ПСР), преобразователь на стороне сети (ПСС), виртуальный контроллер (ВК) отслеживания максимальной точки мощности (MPPT), защитное устройство с шунтированием ротора (ЗУШР) и соответствующие контроллеры генератора двойного питания (ГДП), в том числе контроллер ротора AC-DC-AC. Результаты моделирования электрической системы подтверждают адекватность компьютерной модели с демонстрацией удовлетворительных результатов.
2. Впервые построена математическая модель симметричного замыкания роторной цепи шунтом (crowbar) в программном пакете Matlab/Simulink. Результат виртуальных экспериментов с глубокими провалами напряжения сети во время штатной работы ВЭУ демонстрирует своевременное отсечение электрической схемы ротора ВЭУ с помощью защитного устройства с шунтированием ротора ЗУШР за 0,1 сек, что позволяет защитить схему от перенапряжений с последующим восстановлением исходного состояния за ~ 1,17 сек (3 сек до 4,17 сек). Разработанный метод определения сопротивления шунта применим для любого типа ГОВЭУ.
3. Впервые для нештатной работы при глубоких провалах напряжения сети в условиях переменной скорости ветра разработан новый метод и алгоритм отслеживания максимальной точки мощности (MPPT) с достижением максимальной производительности. Результатом виртуальных экспериментов явилось увеличение КИЭВ Ср на 8%.
4. Тестирование алгоритма MPPT на компьютерной модели ВЭУ NORDEX N80/2500 явилось валидацией (верификацией) разработанных моделей и методов, показав аналогичный результат повышения Ср на ~ 8%, что говорит о возможности адаптации алгоритма к любым конструктивам ГОВЭУ.
Перспективы дальнейшей разработки темы исследования и рекомендации:
1. Реализация аппаратного решения шунтовой защиты с последующей коммерциализацией.
2. Исследование возможности применения разработанных алгоритмов к малым ветроэнергетическим установкам в связи с прогнозируемым падением цен на них и экономической привлекательностью, поскольку их удельная стоимость в 10 раз ниже традиционных крупных установок мегаваттного класса.
Подобные работы
- УПРАВЛЕНИЕ МОЩНОСТЬЮ ВЕТРОЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ ПРИ ВОЗМУЩЕНИЯХ СЕТИ
Авторефераты (РГБ), электроэнергетика. Язык работы: Русский. Цена: 250 р. Год сдачи: 2022



