ВВЕДЕНИЕ 7
1 АНАЛИЗ ТЕОРЕТИЧЕСКИХ АСПЕКТОВ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ
СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ВЭУ 10
1.1 Тенденции и направления развития малой ветроэнергетики 10
1.2 Понятие и виды ветроэнергоустановок. Задача поддержания максимальной
мощности ВЭУ 12
1.3 Алгоритм заряда свинцово-кислотных аккумуляторов 20
1.4 Понятие и типы систем управления ВЭУ. Методы поиска точки
максимальной мощности 24
1.5 Особенности имитационного компьютерного моделирования и его
применение к системам управления ВЭУ 31
2 СИНТЕЗ И МОДЕЛИРОВАНИЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ВЭУ 43
2.1 Разработка структурной схемы 43
2.2 Разработка алгоритма работы системы управления 49
2.3 Разработка модели системы управления ВЭУ 59
2.4 Разработка алгоритма оптимизации мощности ВЭУ в Matlab Simulink 63
3 МОДЕЛИРОВАНИЕ РАБОТЫ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ
И ОБРАБОТКА ПОЛУЧЕННЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ 67
3.1 Эмпирическая итерационная оптимизация параметров алгоритма 67
3.2 Апробация модели системы управления при различных типах изменения
скорости ветра 69
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 76
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
Электроэнергия является неотъемлемой частью жизнедеятельности человека. Без нее невозможно было бы представить современное функционирование предприятий, медицинских и общеобразовательных учреждений, жилого сектора. Сейчас большая часть электроэнергии производится путём превращения из тепловой энергии, сопутствующей реакциям расщепления сложных органических веществ на более простые. Такие сложные органические вещества (нефть, газ, мазут, уголь и некоторые другие) имеют достаточно высокую удельную теплоту сгорания, что позволяет получать из них достаточно большое количество энергии. Тем не менее, они имеют также и характерные недостатки. Прежде всего, - это их ограниченное количество и то, что они являются невозобновляемыми. Такие ресурсы если и могут восполняться, то в течение больших промежутков времени. Кроме того, процесс сжигания топлива сопровождается выбросами в атмосферу вредных веществ, что ведёт к негативному влиянию на экологию.
Перечисленные выше негативные аспекты невозобновляемых источников энергии привели к появлению устройств, которые используют возобновляемые источники энергии. К ним относятся солнечная, ветряная, гидро-, геотермальная, приливная и некоторые другие виды энергии. Все они, кроме приливной и геотермальной, так или иначе получаются путём преобразования из солнечной энергии, которая поступает на поверхность Земли постоянно. Это и позволяет говорить об их способности к восполнению.
Ветроэнергетика является одной из самых перспективных отраслей возобновляемой энергетики. Это подтверждается рядом цифр: по данным WWEA установленная мощность всех ветроустановок в мире в конце 2016 году составляла 486661 МВт, а к середине 2017 года - 511371 МВт [26], что составляет прирост около 5% всего лишь за полгода.
Особое развитие в настоящее время получает малая ветроэнергетика. К ней относятся установки мощностью до 99 кВт (ВЭУ малой мощности) [5]. Малая ветроэнергетика подразумевает установку ветроэнергоустановок (ВЭУ) непосредственно возле потребителя (отдельные дома, поселки и другие мелкие потребители) и частичный либо полный отказ от внешней сети ЛЭП. У такой концепции генерации электроэнергии (т.н. распределенная энергетика) существует множество преимуществ, например, существенное снижение потерь при передаче электроэнергии, независимость выработки, большая надежность (если в сети присутствует несколько генераторов электроэнергии) [2].
Малая ветроэнергетика находит достаточно успешное применение в системах распределенной генерации в том числе и в районах, где подключение к сети проблематично или невозможно. Особое место занимают сейчас системы, работающие на переменных частотах вращения ветроколеса, включающие в себя синхронный генератор на постоянных магнитах, трехфазный выпрямитель и преобразователь тока. Такие системы показали лучшую эффективность, чем системы, использующие другие алгоритмы управления (например, системы с постоянной частотой вращения или системы с редукторами). Однако, в таких системах возникает необходимость регулирования в соответствии с изменениями вращения ветроколеса и скоростью ветра. С этой задачей и должна справляться система управления ВЭУ. Применение систем управления - наиболее эффективный метод получения максимума электроэнергии от ВЭУ [10].
Приведенные выше факторы подтверждают актуальность темы и определили ее выбор для разработки в качестве темы выпускной квалификационной работы.
Объектом выпускной квалификационной работы является система управления ВЭУ.
Предметом выпускной квалификационной работы является управление ВЭУ с целью получения максимальной мощности.
Целью данной работы является разработка компьютерной модели системы управления ВЭУ с эффективным отбором мощности.
Задачами данной работы являются:
- рассмотреть теоретические аспекты работы систем управления ветроустановок;
- разработать структурную схему, алгоритм и математическую модель системы управления автономной энергетической системы, использующей ВЭУ в качестве источника электрической энергии;
- разработать код программы на языке Си для блока управления в компьютерной модели;
- выполнить экспериментальную проверку работоспособности разработанной системы управления.
Цели и задачи работы определили ее структуру: работа состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы, приложений.
В первой главе работы рассмотрены теоретические аспекты работы систем управления ветроустановок в современной ветроэнергетике.
Во второй главе работы была разработана структурная схема автономной энергетической системы с ВЭУ в качестве источника электрической энергии, был разработан алгоритм управления, была преобразована существующая модель энергетической системы с ВЭУ с учётом разработанного алгоритма управления.
В третьей главе работы произведен анализ полученных результатов.
В ходе работ были использованы следующие методы:
- анализ - метод исследования, характеризующийся выделением и изучением отдельных частей объектов исследования. Анализ включает в себя обработку возможных событий, на которые должна реагировать система, и непосредственно способ реагирования; кроме того, анализ включает в себя и исследование результатов компьютерного моделирования;
- синтез - процесс соединения или объединения ранее разрозненных вещей или понятий в целое или набор. Синтез включает в себя создание модели системы и ее апробация;
- компьютерное моделирование. В настоящее время существует множество различных пакетов компьютерного моделирования, которые позволяют создать и отладить системы различного уровня сложности. К одному из самых популярных таких пакетов относится Matlab Simulink. Он обладает достаточно широким инструментарием, который позволяет осуществить синтез компьютерной модели системы управления и ее отладку.
Работа имеет практическую значимость; алгоритм, примененный в работе, может быть успешно применен в системах управления энергетическими системами распределенной генерации на основе ВЭУ.
В качестве методологической основы исследований была использована диссертационная работа Мартьянова А.С. на соискание ученой степени кандидата технических наук «Исследование алгоритмов управления и разработка контроллера ветроэнергетической установки с вертикальной осью вращения» [10].
В ходе работы был успешно произведен синтез и анализ модели системы управления ветроэнергетической установки.
В разделе 1 были рассмотрены теоретические аспекты функционирования систем управления ВЭУ. Были рассмотрены:
- задача поддержания максимальной мощности и необходимость её решения;
- понятие систем управления ВЭУ, их типы и роль в выполнении задачи поддержания максимальной мощности ВЭУ;
- методы поиска точки максимальной мощности (с использованием и без использования механических датчиков);
- имитационное моделирование как один из основных инструментов при проектировании систем управления ВЭУ;
- модель Мартьянова А.С. имитационного моделирования различных методов регулирования мощности ВЭУ.
Для дальнейшей разработки модели системы управления в качестве методов поиска максимальной мощности был выбран метод поиска экстремума функции мощности, который не нуждается в дополнительных датчиках, контролирующих скорость ветра. В качестве основы дальнейших исследований была выбрана модель имитационного моделирования различных методов регулирования мощности Мартьянова А.С. Поскольку данный алгоритм работает при переменных скоростях ветра и при этом не нуждается в задействовании таких дополнительных устройств как мультипликатор и устройство ступенчатого переключения обмоток генератора, то для дальнейшей разработки была выбрана система, использующая контроль быстроходности (модуль «Const_TSR»). Тем не менее, дальнейшей проработки требовался модуль контроля заряда и системы управления ВЭУ, которая должна выполнять поиск точки максимальной мощности.
В разделе 2 была успешно разработана структурная схема системы с целью дальнейшей разработки алгоритма. В качестве базового аналога была переработана модель Мартьянова А.С. системы с ВЭУ, где осуществляется контроль быстроходности. Далее в этой системе была изменена система управления, которая была заменена на блок «S-Function Builder».
Был разработан алгоритм управления, который осуществляет изменение тока генератора пропорционально отношению текущей мощности и мощности предыдущего отсчета. Алгоритм, как и алгоритмы-аналоги, рассмотренные в теоретической части данной работы, осуществляет поиск точки максимума функции мощности. Разработанный алгоритм был перенесен на язык высокого уровня Си и применен в блоке «S-Function Builder». Таким образом, был завершён синтез модели системы управления ВЭУ.
Для анализа разработанного принципа управления и модели системы управления необходимо было осуществить поиск оптимальных параметров разработанного алгоритма, а также осуществить моделирование полученной системы при различных условиях и на различных скоростях ветра.
В разделе 3 данной работы была проведена апробация работы модели системы управления в различных условиях изменения скорости ветра. Для этого были найдены оптимальные параметры алгоритма путём эмпирического итерационного моделирования. Затем были проведены испытания принципа управления при различных законах изменения скорости ветра.
Было выяснено, что электрический КИЭВ оказался несколько ниже, чем в модели-аналоге. Наибольший КИЭВ был получен при постоянной скорости ветра и отсутствии потерь в обмотках генератора. Это говорит об инерционности объекта управления, поскольку на достижение оптимальной рабочей точки при изменении скорости ветра уходит некоторое время, в течение которого ветроколесо работает в неоптимальном режиме. Это является недостатком подобного рода алгоритмов поиска точки оптимальной мощности. Возможным решением данной проблемы может быть изменение коэффициента заполнения D и, следовательно, тока I пропорционально отношению предыдущей измеренной и текущей мощности даже в условиях роста мощности ВЭУ.
Можно говорить о достаточно высокой эффективности алгоритма и возможности его применения в системах без использования анемометра и других вспомогательных устройств.
Помощь студентам и аспирантам в выполнении работ от наших партнеров
