Помощь студентам в учебе
УПРАВЛЕНИЕ МОЩНОСТЬЮ ВЕТРОЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ ПРИ ВОЗМУЩЕНИЯХ СЕТИ
|
СПИСОК РИСУНКОВ 5
СПИСОК ТАБЛИЦ 8
Введение 9
ГЛАВА 1: Состояние вопроса и задачи исследования 15
1.1 Актуальность работы 15
1.1.1 Развитие ветроэнергетики 15
1.2 Развитие ветроэнергетики 15
1.3 Система преобразования энергии ветра 19
1.3.1 Аэродинамическая часть 19
1.3.2 Типы ветроэнергетических установок 21
1.3.3 Рабочие зоны ВЭУ 24
1.3.4 Генератор ветроэнергетической установки 25
1.4 Управление мощностью ветроэнергетической установки в стационарном состоянии
и при возмущениях сети 30
1.5 Мотивация исследования 33
1.6 Обзор литературы 35
1.7 Цели и задачи диссертации 38
1.8 Заключение к 1-ой главе 39
ГЛАВА 2: МОДЕЛИРОВАНИЕ И УПРАВЛЕНИЕ АСИНХРОННЫМ
ГЕНЕРАТОРОМ ДВОЙНОГО ПИТАНИЯ (ГДП). АНАЛИЗ РАБОТЫ ПРИ
ПАДЕНИЯХ НАПРЯЖЕНИЯ 41
2.1 Введение 41
2.2 Компоненты Генератора Двойного Питания ГДП 43
2.3 Компьютерная модель ветроэнергетической установки для имитационного
моделирования 44
2.4 Математическое описание ветроэнергетической установки 46
2.5 Принцип работы генератора двойного питания ГДП 47
2.5.1 Сверхсинхронный режим работы 48
2.5.2 Субсинхронный режим работы 48
2.6 Обобщенное динамическое моделирование асинхронной электрической машины
(модель d-q) 49
2.7 Исследование работы ВЭУ с ГДП с переменной скоростью ветра 50
2.8 Разработка и моделирование ПСС контроллера для ГДП 51
2.9 Разработка и моделирование ПСР контроллера для ГДП 52
2.10 Моделирование ветроэнергетической установки мощностью 2,4 МВт 54
2.10.1 Модель аэродинамической системы 54
2.10.2 Редуктор и механическая модель 56
2.10.3 Характеристики Генератора 56
2.10.4 Зависимость графиков мощности от управления 57
2.11 Работа Генератора Двойного Питания при Провалах Напряжения Статора 59
2.11.1 Провалы Напряжения в Трехфазной Сети 59
2.11.2 Глубокие Провалы Напряжения 60
2.11.3 защитное Устройство с Шунтированием Ротора и его Моделирование 61
2.11.3.1 Конструкция Активного Шунта 63
2.11.3.2 Моделирование Шунта 64
2.11.3.3 Работа при 3-фазном Провале 65
2.12 Заключение по 2-ой главе 68
ГЛАВА 3: ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ, МОДЕЛИРОВАНИЕ И УПРАВЛЕНИЕ
ОТСЛЕЖИВАНИЕМ МАКСИМАЛЬНОЙ ТОЧКИ МОЩНОСТИ
ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ 70
3.1 Управление Отбором Мощности Ветроэнергетических Установок 70
3.1.1 Ветроустановки с Пассивным Сталл-Контролем 70
3.1.2 Питч-Контроль Ветроэнергетической Установки 71
3.1.3 Ветроустановки с Активным Сталл-Контролем 71
3.2 Аэродинамика Ветроэнергетической Установки 72
3.3 Моделирование Ветроэнергоустановки с Переменной Скоростью Вращения 73
3.3.1 Аэродинамическая Подсистема Модели 75
3.3.2 Подсистема Питч-контроля 75
3.3.3 Механическая подсистема 75
3.4 Управление Переменной Скоростью Ротора 77
3.4.1 Области Регулирования Частоты Вращения Ротора 78
3.4.2 Зоны 1 и 3: Управление Минимальной и Максимальной Скоростью Вращения 80
3.4.3 Зона 2: Отслеживание Максимальной Точки Мощности 80
3.4.4 Зона 4: Управление Отбором Мощности 84
3.5 Электрическая Система Ветроэнергоустановки, Работающей с Переменной
Скоростью Вращения 84
3.6 Электрическая Система Ветроэнергоустановки Переменной Скорости Вращения на
Базе ГДП и Моделирование 86
3.6.1 Генератор 86
3.6.2 Ветроэнергетическая установка 88
3.6.3 Силовой Электронный Двунаправленный Преобразователь 88
3.6.4 Защита Шунтом 90
3.6.5 Трансформатор 91
3.7 Устойчивый Режим Генератора 92
3.8 Заключение по 3-ей главе 98
ГЛАВА 4: РЕЗУЛЬТАТЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ И ПРОЕКТИРОВАНИЕ
РАЗРАБОТАННОГО ВИРТУАЛЬНОГО КОНТРОЛЛЕРА
ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ 100
4.1 Контроллер Ветроустановки 100
4.2 Результаты Моделирования Провалов Напряжения и их Обсуждение 100
4.3 Результаты и Обсуждение Моделирования Отслеживания Максимальной Точки
Мощности 110
4.4 Заключение по 4-ой главе 115
ЗАКЛЮЧЕНИЯ И ВЫВОДЫ 116
Литература 118
ПРИЛОЖЕНИЕ A БЛОКИ И ДИАГРАММЫ КОНТРОЛЛЕРОВ ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ 133
СПИСОК ТАБЛИЦ 8
Введение 9
ГЛАВА 1: Состояние вопроса и задачи исследования 15
1.1 Актуальность работы 15
1.1.1 Развитие ветроэнергетики 15
1.2 Развитие ветроэнергетики 15
1.3 Система преобразования энергии ветра 19
1.3.1 Аэродинамическая часть 19
1.3.2 Типы ветроэнергетических установок 21
1.3.3 Рабочие зоны ВЭУ 24
1.3.4 Генератор ветроэнергетической установки 25
1.4 Управление мощностью ветроэнергетической установки в стационарном состоянии
и при возмущениях сети 30
1.5 Мотивация исследования 33
1.6 Обзор литературы 35
1.7 Цели и задачи диссертации 38
1.8 Заключение к 1-ой главе 39
ГЛАВА 2: МОДЕЛИРОВАНИЕ И УПРАВЛЕНИЕ АСИНХРОННЫМ
ГЕНЕРАТОРОМ ДВОЙНОГО ПИТАНИЯ (ГДП). АНАЛИЗ РАБОТЫ ПРИ
ПАДЕНИЯХ НАПРЯЖЕНИЯ 41
2.1 Введение 41
2.2 Компоненты Генератора Двойного Питания ГДП 43
2.3 Компьютерная модель ветроэнергетической установки для имитационного
моделирования 44
2.4 Математическое описание ветроэнергетической установки 46
2.5 Принцип работы генератора двойного питания ГДП 47
2.5.1 Сверхсинхронный режим работы 48
2.5.2 Субсинхронный режим работы 48
2.6 Обобщенное динамическое моделирование асинхронной электрической машины
(модель d-q) 49
2.7 Исследование работы ВЭУ с ГДП с переменной скоростью ветра 50
2.8 Разработка и моделирование ПСС контроллера для ГДП 51
2.9 Разработка и моделирование ПСР контроллера для ГДП 52
2.10 Моделирование ветроэнергетической установки мощностью 2,4 МВт 54
2.10.1 Модель аэродинамической системы 54
2.10.2 Редуктор и механическая модель 56
2.10.3 Характеристики Генератора 56
2.10.4 Зависимость графиков мощности от управления 57
2.11 Работа Генератора Двойного Питания при Провалах Напряжения Статора 59
2.11.1 Провалы Напряжения в Трехфазной Сети 59
2.11.2 Глубокие Провалы Напряжения 60
2.11.3 защитное Устройство с Шунтированием Ротора и его Моделирование 61
2.11.3.1 Конструкция Активного Шунта 63
2.11.3.2 Моделирование Шунта 64
2.11.3.3 Работа при 3-фазном Провале 65
2.12 Заключение по 2-ой главе 68
ГЛАВА 3: ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ, МОДЕЛИРОВАНИЕ И УПРАВЛЕНИЕ
ОТСЛЕЖИВАНИЕМ МАКСИМАЛЬНОЙ ТОЧКИ МОЩНОСТИ
ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ 70
3.1 Управление Отбором Мощности Ветроэнергетических Установок 70
3.1.1 Ветроустановки с Пассивным Сталл-Контролем 70
3.1.2 Питч-Контроль Ветроэнергетической Установки 71
3.1.3 Ветроустановки с Активным Сталл-Контролем 71
3.2 Аэродинамика Ветроэнергетической Установки 72
3.3 Моделирование Ветроэнергоустановки с Переменной Скоростью Вращения 73
3.3.1 Аэродинамическая Подсистема Модели 75
3.3.2 Подсистема Питч-контроля 75
3.3.3 Механическая подсистема 75
3.4 Управление Переменной Скоростью Ротора 77
3.4.1 Области Регулирования Частоты Вращения Ротора 78
3.4.2 Зоны 1 и 3: Управление Минимальной и Максимальной Скоростью Вращения 80
3.4.3 Зона 2: Отслеживание Максимальной Точки Мощности 80
3.4.4 Зона 4: Управление Отбором Мощности 84
3.5 Электрическая Система Ветроэнергоустановки, Работающей с Переменной
Скоростью Вращения 84
3.6 Электрическая Система Ветроэнергоустановки Переменной Скорости Вращения на
Базе ГДП и Моделирование 86
3.6.1 Генератор 86
3.6.2 Ветроэнергетическая установка 88
3.6.3 Силовой Электронный Двунаправленный Преобразователь 88
3.6.4 Защита Шунтом 90
3.6.5 Трансформатор 91
3.7 Устойчивый Режим Генератора 92
3.8 Заключение по 3-ей главе 98
ГЛАВА 4: РЕЗУЛЬТАТЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ И ПРОЕКТИРОВАНИЕ
РАЗРАБОТАННОГО ВИРТУАЛЬНОГО КОНТРОЛЛЕРА
ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ 100
4.1 Контроллер Ветроустановки 100
4.2 Результаты Моделирования Провалов Напряжения и их Обсуждение 100
4.3 Результаты и Обсуждение Моделирования Отслеживания Максимальной Точки
Мощности 110
4.4 Заключение по 4-ой главе 115
ЗАКЛЮЧЕНИЯ И ВЫВОДЫ 116
Литература 118
ПРИЛОЖЕНИЕ A БЛОКИ И ДИАГРАММЫ КОНТРОЛЛЕРОВ ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ 133
Актуальность темы. 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 микрогрид или сверхмалых) сетей. 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 разработчиков ВЭУ 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 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 при определенной скорости ветра. 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 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 с целым рядом 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 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, индуцирование 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 MPPT-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.В. Красовский, Г.Х. Сабинин, Е.М. Фатеев, В.Н. Андриянов, П.П. Безруких, В.В. Елистратов, О.С. Попель, 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, 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.
Объект исследования - Электротехнический комплекс генерации электроэнергии на основе ветроэнергетической (ветроэлектрической) установки, используемой в качестве сетевой системы электроснабжения, и включающей ротор, электрический генератор и систему управления (контроллер) ВЭУ.
Предмет исследования - влияние методов и алгоритмов управления ветроэнергетической установкой, работающей в условиях переменной скорости ветра, на ее производительность, в том числе при переходных режимах работы ВЭУ и сети.
Цель диссертации - разработка алгоритма поддержания максимального коэффициента использования энергии ветра (коэффициента мощности) Ср во всех режимах работы горизонтально-осевой ветроэнергетической (ветроэлектрической) установки (ГО ВЭУ) и сети, 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. Разработать функциональную математическую модель горизонтально-осевой ветроэнергетической установки (ГО ВЭУ) и системы управления, состоящей из преобразователя на стороне ротора (ПСР), преобразователя на стороне сети (ПСС) и виртуальный контроллер (ВК) с возможностью задания алгоритмов управления для изучения характеристик ГО ВЭУ в соответствии с исследуемыми алгоритмами управления.
2. Построить с помощью программного пакета Matlab/Simulink модель симметричного замыкания роторной цепи шунтом для исследования процесса восстановления ГО ВЭУ в исходное устойчивое состояние после воздействия глубоких провалов напряжения.
3. Разработать метод определения производительности ГО ВЭУ и новый алгоритм поиска максимально возможного значения коэффициента использования энергии ветра (коэффициента мощности) Cp ветроэлектрической установкой в условиях переменной скорости ветра.
4. Разработать виртуальный контроллер ГО ВЭУ с возможностью задания алгоритма управления электротехнической установкой на языке высокого уровня, с использованием платформы Matlab/Simulink.
Методы исследования. При решении поставленных задач используются методы математического моделирования, программный комплекс MATLAB/Simulink, а также языки программирования высокого уровня C++.
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.
1. Построена 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. Предложен и обоснован метод определения производительности ветроэлектрической установки и алгоритм поиска максимального значения коэффициента использования энергии ветра (КИЭВ или коэффициента мощности Cpmax и оптимального значения коэффициента крутящего момента Ctopt в условиях переменной скорости ветра.
3. Предложен и обоснован алгоритм управления ветроэлектрической установкой, обеспечивающий определение аэродинамического момента ветроколеса (ротора), предназначенный для максимизации вырабатываемой мощности ветроэлектроустановкой в широком диапазоне скоростей ветра.
1. 4. Предложен и обоснован алгоритм управления, предназначенный для защиты
элементов ГО ВЭУ от недопустимых выбросов токов и напряжений во время провалов напряжения, и схема устройства защиты генератора ГО ВЭУ с шунтированием обмотки ротора для быстрого и безопасного восстановления электротехнического комплекса до устойчивого состояния после глубоких провалов напряжения.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и результатов базируется на основе использования известных положений механики, аэродинамики, электромеханики, электродинамики, теории автоматического управления и методов компьютерного моделирования.
Научное значение работы:
- Впервые имитационная модель включает отдельный модуль виртуального контроллера, настраиваемого языком верхнего уровня для гибких условий работы ветроустановки.
- Разработан новый алгоритм устойчивого управления ветроэнергоустановкой в условиях провалов напряжения сети с учетом меняющихся характеристик ветра.
- Предложены схема и алгоритм работы устройства защиты генератора ГО ВЭУ с шунтированием обмотки ротора для безопасного вывода ветроэнергоустановки из аварийного в нормальный режим.
Практическое значение работы:
- Проведен комплекс виртуальных исследований функционирования ветроэлектрической установки в условиях динамических изменений характеристик электрооборудования и скорости ветра, нацеленных на выявление оптимальных параметров электрических компонентов ГО ВЭУ.
- Проведен синтез алгоритмов управления ПСР и ПСС, обеспечивающих безопасное восстановление ГО ВЭУ до устойчивого состояния после глубоких провалов напряжения.
- Доказана эффективность управления функционированием ветроэлектрической установки на основе разработанных алгоритмов в условиях переменной скорости ветра и провалов напряжения. Алгоритмы могут быть в дальнейшем использованы производителями ветроэлектрических установок. Имеется предварительная договоренность о внедрении соответствующего программного обеспечения в системы управления ветроэлектрическими установками с ФГУП Республики Крым «Крымские Генерирующие Системы».
Апробация работы. Основные результаты исследования были представлены и обсуждены на следующих мероприятиях:
*** Международная конференция по промышленному инжинирингу, применению и производству, ICIEAM, ЮУрГУ, Челябинск в 2019 году.
*** Международная конференция по промышленному машиностроению Far East Con, ЮУрГУ, Челябинск в 2018 году.
❖ Международная многопрофильная конференция по промышленному машиностроению и современным технологиям, Far East Con, ЮУрГУ, Челябинск в 2019 году.
❖ Международная Уральская конференция по зеленой энергетике, Ural Con, ЮУрГУ, Челябинск в 2018 году.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 19 работ [53; 54; 55; 56; 57; 58; 59; 60; 61; 62; 63; 64; 155; 156; 157; 158; 159; 160; 161] в том числе 8 статей в журналах, рекомендованных Высшей Аттестационной Комиссией [57; 56; 59; 160; 156; 159; 155; 161], 10 в международных рецензируемых журналах Scopus, Web of Science, IEEE,
межрегиональных публикациях, материалах конференций [53; 54; 55; 58; 60; 61; 62; 63; 64; 158] и 1 в Российских изданиях (РИНЦ) [157].
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 конструкции 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 128 страниц текста с 86 рисунками, 11 таблицами и 1 приложением. Список литературы содержит 169 наименование.
Диссертация соответствует паспорту специальности 05.09.03 - «Электротехнические комплексы и системы»:
Диссертация соответствует паспорту специальности 05.09.03 -
«Электротехнические комплексы и системы» в части формулы специальности - «...исследования по общим закономерностям преобразования, накопления, передачи и использования электрической энергии и электротехнической информации, а также принципы и средства управления объектами, определяющие функциональные свойства действующих или создаваемых электротехнических комплексов и систем... В рамках научной специальности объектами изучения являются электротехнические комплексы и системы генерирования электрической энергии... Электротехнические комплексы и системы ... могут рассматриваться как самостоятельные технологические комплексы и должны обеспечивать эффективное и безопасное функционирование этих систем в широком диапазоне внешних воздействий».
Согласно ГОСТР 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 технологического комплекса, а генератор и регулятор мощности ВЭУ являются устройствами преобразования электрической энергии.
В части области исследований:
№ 1 «...математическое, имитационное и компьютерное моделирование
компонентов электротехнических комплексов и систем».
№2 «Обоснование совокупности технических, технологических, экономических, экологических и социальных критериев оценки принимаемых решений в области проектирования, создания и эксплуатации электротехнических комплексов и систем».
№3 «Разработка, структурный и параметрический синтез электротехнических комплексов и систем, их оптимизация, а также разработка алгоритмов эффективного управления».
№4 «Исследование работоспособности и качества функционирования электротехнических комплексов и систем в различных режимах, при разнообразных воздействиях».
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 при определенной скорости ветра. 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 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 с целым рядом 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 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, индуцирование 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 MPPT-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.В. Красовский, Г.Х. Сабинин, Е.М. Фатеев, В.Н. Андриянов, П.П. Безруких, В.В. Елистратов, О.С. Попель, 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, 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.
Объект исследования - Электротехнический комплекс генерации электроэнергии на основе ветроэнергетической (ветроэлектрической) установки, используемой в качестве сетевой системы электроснабжения, и включающей ротор, электрический генератор и систему управления (контроллер) ВЭУ.
Предмет исследования - влияние методов и алгоритмов управления ветроэнергетической установкой, работающей в условиях переменной скорости ветра, на ее производительность, в том числе при переходных режимах работы ВЭУ и сети.
Цель диссертации - разработка алгоритма поддержания максимального коэффициента использования энергии ветра (коэффициента мощности) Ср во всех режимах работы горизонтально-осевой ветроэнергетической (ветроэлектрической) установки (ГО ВЭУ) и сети, 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. Разработать функциональную математическую модель горизонтально-осевой ветроэнергетической установки (ГО ВЭУ) и системы управления, состоящей из преобразователя на стороне ротора (ПСР), преобразователя на стороне сети (ПСС) и виртуальный контроллер (ВК) с возможностью задания алгоритмов управления для изучения характеристик ГО ВЭУ в соответствии с исследуемыми алгоритмами управления.
2. Построить с помощью программного пакета Matlab/Simulink модель симметричного замыкания роторной цепи шунтом для исследования процесса восстановления ГО ВЭУ в исходное устойчивое состояние после воздействия глубоких провалов напряжения.
3. Разработать метод определения производительности ГО ВЭУ и новый алгоритм поиска максимально возможного значения коэффициента использования энергии ветра (коэффициента мощности) Cp ветроэлектрической установкой в условиях переменной скорости ветра.
4. Разработать виртуальный контроллер ГО ВЭУ с возможностью задания алгоритма управления электротехнической установкой на языке высокого уровня, с использованием платформы Matlab/Simulink.
Методы исследования. При решении поставленных задач используются методы математического моделирования, программный комплекс MATLAB/Simulink, а также языки программирования высокого уровня C++.
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.
1. Построена 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. Предложен и обоснован метод определения производительности ветроэлектрической установки и алгоритм поиска максимального значения коэффициента использования энергии ветра (КИЭВ или коэффициента мощности Cpmax и оптимального значения коэффициента крутящего момента Ctopt в условиях переменной скорости ветра.
3. Предложен и обоснован алгоритм управления ветроэлектрической установкой, обеспечивающий определение аэродинамического момента ветроколеса (ротора), предназначенный для максимизации вырабатываемой мощности ветроэлектроустановкой в широком диапазоне скоростей ветра.
1. 4. Предложен и обоснован алгоритм управления, предназначенный для защиты
элементов ГО ВЭУ от недопустимых выбросов токов и напряжений во время провалов напряжения, и схема устройства защиты генератора ГО ВЭУ с шунтированием обмотки ротора для быстрого и безопасного восстановления электротехнического комплекса до устойчивого состояния после глубоких провалов напряжения.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и результатов базируется на основе использования известных положений механики, аэродинамики, электромеханики, электродинамики, теории автоматического управления и методов компьютерного моделирования.
Научное значение работы:
- Впервые имитационная модель включает отдельный модуль виртуального контроллера, настраиваемого языком верхнего уровня для гибких условий работы ветроустановки.
- Разработан новый алгоритм устойчивого управления ветроэнергоустановкой в условиях провалов напряжения сети с учетом меняющихся характеристик ветра.
- Предложены схема и алгоритм работы устройства защиты генератора ГО ВЭУ с шунтированием обмотки ротора для безопасного вывода ветроэнергоустановки из аварийного в нормальный режим.
Практическое значение работы:
- Проведен комплекс виртуальных исследований функционирования ветроэлектрической установки в условиях динамических изменений характеристик электрооборудования и скорости ветра, нацеленных на выявление оптимальных параметров электрических компонентов ГО ВЭУ.
- Проведен синтез алгоритмов управления ПСР и ПСС, обеспечивающих безопасное восстановление ГО ВЭУ до устойчивого состояния после глубоких провалов напряжения.
- Доказана эффективность управления функционированием ветроэлектрической установки на основе разработанных алгоритмов в условиях переменной скорости ветра и провалов напряжения. Алгоритмы могут быть в дальнейшем использованы производителями ветроэлектрических установок. Имеется предварительная договоренность о внедрении соответствующего программного обеспечения в системы управления ветроэлектрическими установками с ФГУП Республики Крым «Крымские Генерирующие Системы».
Апробация работы. Основные результаты исследования были представлены и обсуждены на следующих мероприятиях:
*** Международная конференция по промышленному инжинирингу, применению и производству, ICIEAM, ЮУрГУ, Челябинск в 2019 году.
*** Международная конференция по промышленному машиностроению Far East Con, ЮУрГУ, Челябинск в 2018 году.
❖ Международная многопрофильная конференция по промышленному машиностроению и современным технологиям, Far East Con, ЮУрГУ, Челябинск в 2019 году.
❖ Международная Уральская конференция по зеленой энергетике, Ural Con, ЮУрГУ, Челябинск в 2018 году.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 19 работ [53; 54; 55; 56; 57; 58; 59; 60; 61; 62; 63; 64; 155; 156; 157; 158; 159; 160; 161] в том числе 8 статей в журналах, рекомендованных Высшей Аттестационной Комиссией [57; 56; 59; 160; 156; 159; 155; 161], 10 в международных рецензируемых журналах Scopus, Web of Science, IEEE,
межрегиональных публикациях, материалах конференций [53; 54; 55; 58; 60; 61; 62; 63; 64; 158] и 1 в Российских изданиях (РИНЦ) [157].
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 конструкции 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 128 страниц текста с 86 рисунками, 11 таблицами и 1 приложением. Список литературы содержит 169 наименование.
Диссертация соответствует паспорту специальности 05.09.03 - «Электротехнические комплексы и системы»:
Диссертация соответствует паспорту специальности 05.09.03 -
«Электротехнические комплексы и системы» в части формулы специальности - «...исследования по общим закономерностям преобразования, накопления, передачи и использования электрической энергии и электротехнической информации, а также принципы и средства управления объектами, определяющие функциональные свойства действующих или создаваемых электротехнических комплексов и систем... В рамках научной специальности объектами изучения являются электротехнические комплексы и системы генерирования электрической энергии... Электротехнические комплексы и системы ... могут рассматриваться как самостоятельные технологические комплексы и должны обеспечивать эффективное и безопасное функционирование этих систем в широком диапазоне внешних воздействий».
Согласно ГОСТР 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 технологического комплекса, а генератор и регулятор мощности ВЭУ являются устройствами преобразования электрической энергии.
В части области исследований:
№ 1 «...математическое, имитационное и компьютерное моделирование
компонентов электротехнических комплексов и систем».
№2 «Обоснование совокупности технических, технологических, экономических, экологических и социальных критериев оценки принимаемых решений в области проектирования, создания и эксплуатации электротехнических комплексов и систем».
№3 «Разработка, структурный и параметрический синтез электротехнических комплексов и систем, их оптимизация, а также разработка алгоритмов эффективного управления».
№4 «Исследование работоспособности и качества функционирования электротехнических комплексов и систем в различных режимах, при разнообразных воздействиях».
В данной диссертации представлены следующие основные результаты и выводы:
1. В пакете MATLAB/Simulink построена комплексная функциональная модель электрических компонентов ветроэнергетической (ветроэлектрической) установки и системы управления: преобразователь на стороне ротора (ПСР) с контроллером (КСР), преобразователь на стороне сети (ПСС) с контроллером (КСС), 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 электротехнической системы подтверждают адекватность модели с демонстрацией удовлетворительных результатов. Задача 1 выполнена.
2. Ветроэнергетические установки на базе ГД11 подвергаются значительным провалам напряжения в сети, что может привести к выходу из строя любого или всех преобразователей. Таким образом, электрическая система ветроэлектроустановки должна быть отделена от сети, в которой могут произойти глубокие провалы напряжения. Для этого служит ЗУШР, которое активируется при глубоком провале напряжения. Оно отключает ПСР и ток проходит через цепь ЗУШР. Колебания тока цепи ЗУШР могут быть медленнее или быстрее в зависимости от величины сопротивления шунта. В связи с этим оно должно быть тщательно рассчитано или подобрано в зависимости от величины максимального крутящего момента. В модели сопротивление шунта было подобрано таким образом, чтобы время срабатывания защиты было в два раза быстрее, чем в иных исследованных вариантах защиты цепи. Когда цепь ЗУШР отключается, управление на стороне ПСР восстанавливается. Во время провала напряжения ПСС функционирует в модели корректно, с высокой степенью надежности. После того, как напряжение сети полностью восстанавливается, управление током ротора переходит в нормальное устойчивое состояние, обеспечивая надлежащий крутящий момент с помощью алгоритма отслеживания максимальной точки мощности, контролирующего угловую скорость вращения ротора. Задача 2 выполнена.
3. Для достижения максимальной производительности электроэнергии ветроэлектрической установкой необходимо иметь в виду, что каждому значению скорости ветра должны соответствовать конкретный крутящий момент ротора и определенная угловая частота вращения ротора. Это соответствие является основой метода управления ВЭУ с помощью использования алгоритма отслеживания точки максимальной мощности (MPPT) и метода косвенного регулирования скорости (КРС). В связи с непостоянством ветра данная концепция управления отбором мощности является одной из оптимальных и перспективных. Предложенные метод определения производительности ГО ВЭУ и новый алгоритм поиска максимально возможного значения коэффициента использования энергии ветра (коэффициента мощности) Cp ветроэлектрической установкой в условиях переменной скорости ветра были созданы для поддержания ветроэлектрической системы на максимально возможном состоянии эффективности с помощью регистрации полученных оптимальных скоростей ротора, при которых достигается максимально возможный коэффициент мощности для текущей скорости ветра. Еще одним преимуществом разработанного алгоритма управления является относительно несложная модификация для различных ветроэнергетических установок, поскольку алгоритм не зависит от характеристик ветроэнергоустановки. Этот факт отражает практическую значимость полученных результатов. Задача 3 выполнена.
4. При использовании разработанного алгоритма управления отслеживанием максимальной точки мощности (MPPT) коэффициент мощности Ср установки был улучшен на 8%, как, соответственно, и эффективность всей ветроэнергетической установки.
5. Для регулирования тока генератора в условиях постоянно меняющейся скорости ветра в обеспечение максимальной мощности ветроэнергоустановки была проведена разработка виртуального контроллера, который заключается в построении гибкого модуля виртуального контроллера, выполняющего управление по заложенному алгоритму. Гибкость виртуального контроллера достигается за счет упрощенного внесения алгоритма на языке высокого уровня, что значительно облегчает процесс программирования. Задача 4 выполнена.
1. В пакете MATLAB/Simulink построена комплексная функциональная модель электрических компонентов ветроэнергетической (ветроэлектрической) установки и системы управления: преобразователь на стороне ротора (ПСР) с контроллером (КСР), преобразователь на стороне сети (ПСС) с контроллером (КСС), 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 электротехнической системы подтверждают адекватность модели с демонстрацией удовлетворительных результатов. Задача 1 выполнена.
2. Ветроэнергетические установки на базе ГД11 подвергаются значительным провалам напряжения в сети, что может привести к выходу из строя любого или всех преобразователей. Таким образом, электрическая система ветроэлектроустановки должна быть отделена от сети, в которой могут произойти глубокие провалы напряжения. Для этого служит ЗУШР, которое активируется при глубоком провале напряжения. Оно отключает ПСР и ток проходит через цепь ЗУШР. Колебания тока цепи ЗУШР могут быть медленнее или быстрее в зависимости от величины сопротивления шунта. В связи с этим оно должно быть тщательно рассчитано или подобрано в зависимости от величины максимального крутящего момента. В модели сопротивление шунта было подобрано таким образом, чтобы время срабатывания защиты было в два раза быстрее, чем в иных исследованных вариантах защиты цепи. Когда цепь ЗУШР отключается, управление на стороне ПСР восстанавливается. Во время провала напряжения ПСС функционирует в модели корректно, с высокой степенью надежности. После того, как напряжение сети полностью восстанавливается, управление током ротора переходит в нормальное устойчивое состояние, обеспечивая надлежащий крутящий момент с помощью алгоритма отслеживания максимальной точки мощности, контролирующего угловую скорость вращения ротора. Задача 2 выполнена.
3. Для достижения максимальной производительности электроэнергии ветроэлектрической установкой необходимо иметь в виду, что каждому значению скорости ветра должны соответствовать конкретный крутящий момент ротора и определенная угловая частота вращения ротора. Это соответствие является основой метода управления ВЭУ с помощью использования алгоритма отслеживания точки максимальной мощности (MPPT) и метода косвенного регулирования скорости (КРС). В связи с непостоянством ветра данная концепция управления отбором мощности является одной из оптимальных и перспективных. Предложенные метод определения производительности ГО ВЭУ и новый алгоритм поиска максимально возможного значения коэффициента использования энергии ветра (коэффициента мощности) Cp ветроэлектрической установкой в условиях переменной скорости ветра были созданы для поддержания ветроэлектрической системы на максимально возможном состоянии эффективности с помощью регистрации полученных оптимальных скоростей ротора, при которых достигается максимально возможный коэффициент мощности для текущей скорости ветра. Еще одним преимуществом разработанного алгоритма управления является относительно несложная модификация для различных ветроэнергетических установок, поскольку алгоритм не зависит от характеристик ветроэнергоустановки. Этот факт отражает практическую значимость полученных результатов. Задача 3 выполнена.
4. При использовании разработанного алгоритма управления отслеживанием максимальной точки мощности (MPPT) коэффициент мощности Ср установки был улучшен на 8%, как, соответственно, и эффективность всей ветроэнергетической установки.
5. Для регулирования тока генератора в условиях постоянно меняющейся скорости ветра в обеспечение максимальной мощности ветроэнергоустановки была проведена разработка виртуального контроллера, который заключается в построении гибкого модуля виртуального контроллера, выполняющего управление по заложенному алгоритму. Гибкость виртуального контроллера достигается за счет упрощенного внесения алгоритма на языке высокого уровня, что значительно облегчает процесс программирования. Задача 4 выполнена.
