У даній статті розглядається адаптивна система управління вітроенергетичної установки, забезпечує вирішення завдань стабілізації напруги і частоти на виході генератора ВЕУ. Метою дослідження є розробка системи управління вітроенергетичної установки з асинхронним генератором. Як регулятори по каналах амплітуди і частоти застосовуються ПІ-регулятори зі змінним коефіцієнтом інтегральною складовою. Розроблено комп'ютерну модель для дослідження системи управління, наведені результати моделювання.

Анотація наукової статті з електротехніки, електронної техніки, інформаційних технологій, автор наукової роботи - Мазалов Андрій Андрійович


ADAPTIVE WIND POWER PLANT OF ALTERNATING CURRENT WITH INDUCTOR MOTOR

At this article adaptive control system of wind power plant is considered. The problem of stabilizing the output voltage amplitude as well as frequency is solved. To stabilize inductor motor in the generator mode a new adaptive proportional and integral controller is designed. In addition a computer model to study control-executive system is developed.


Область наук:
  • Електротехніка, електронна техніка, інформаційні технології
  • Рік видавництва: 2010
    Журнал: Известия Південного федерального університету. Технічні науки

    Наукова стаття на тему 'Адаптивна ветроустановка змінного струму з асинхронним генератором'

    Текст наукової роботи на тему «Адаптивна ветроустановка змінного струму з асинхронним генератором»

    ?Kuznecov Ivan Mixajlovich

    Moscow Aviation Institute (State University of Aerospace Technologies).

    E-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її..

    4, Volokolamskoe hig, Moscow, 125993, Russia.

    Phone: 89265739104.

    Pron'kin Andrey Nikolaevich

    E-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її..

    Phone: 89162151184.

    Veremenko Konstantin Konstantinovich

    E-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її..

    681.513

    A.A. Мазалов

    АДАПТИВНА Вітроустановка змінного струму з асинхронним ГЕНЕРАТОРОМ

    У даній статті розглядається адаптивна система управління вітроен-

    ,

    на виході генератора ВЕУ. Ланцюгом дослідження є розробка системи управління вітроенергетичної установки з асинхронним генератором. Як регулятори по каналах амплітуди і частоти застосовуються ПІ-ре ^ лятори зі змінним коефіцієнтом інтегральною складовою. Розроблено комп'ютерну модель для дослідження , .

    ; .

    A.A. Mazalov

    ADAPTIVE WIND POWER PLANT OF ALTERNATING CURRENT WITH INDUCTOR MOTOR

    At this article adaptive control system of wind power plant is considered. The problem of stabilizing the output voltage amplitude as well as frequency is solved. To stabilize inductor motor in the generator mode a new adaptive proportional and integral controller is designed. In addition a computer model to study control-executive system is developed.

    Wind power plant; adaptive control system.

    .

    1% енергетичних потужностей, незважаючи на те, що наша країна має колосальний потенціал відновлюваних джерел енергії. Технічний потенціал вітрової енергії Росії оцінюється понад 50 000 млрд кВт-год / рік. Економічний потенціал складає приблизно 260 млрд кВт-год / рік, тобто близько 30% виробництва електроенергії всіма електростанціями Росії.

    Слабкий розвиток галузі пов'язано з комплексом зовнішніх чинників - економі-, , , -.

    розвитку альтернативної енергетики, особливо в тих регіонах, які за комплексом причин не мають і не матимуть централізованого енергопостачання. Отже, відзначимо основні причини слабкого розвитку вітроенергетики в Росії:

    1. .

    вітру в 4 - 5 метрів в секунду характерна для більшості промисло-.

    потоку. І, крім того, значна кількість тихих днів. ВЕУ в Росії в основному працюватимуть третину або половину часу.

    2. Ветрообільние райони - це прибережні території, розташовані уздовж морів та великих озер. Узбережжя Північного Льодовитого океану, узбережжя Тихого океану мають хороший вітровий потенціал, але мало обжиті і тому створення вітроустановок, вітропарків представляє

    .

    3. Нерозвиненість власної технічної бази, в той час як більшість європейських вітроустановок на малих швидкостях вітру показують

    .

    Але існують регіони, які досить обжиті і при цьому мають хороші вітрові ресурси. До таких районам можна віднести кілька кілометрів узбережжя в Ленінградській області, навколо Фінської затоки і Ладозького озера, морське узбережжя Ростовської області і Краснодарського краю, а також Приморський край (район Владивостока). Однак ж вартість таких установок залишається досить високою і, відповідно, збільшується термін окупності проекту.

    Структура адаптивної ВЕУ. Технологічн ські рішення, розроблені на кафедрі електротехніки і мехатроніки ТТІ ПФУ, дозволяють здешевити вартість конструкції окремої вітроустановки до 50% в порівнянні з аналогами, а також функціонувати в широкому діапазоні вітрів, від 1 м / с до 20 м / с. Основна ідея полягає в тому, що, використовуючи в якості генератора асинхронну машину змінного струму з фазним ротором (АМПТФР) і подаючи на нього змінну напругу певних параметрів, забезпечується стійкий генераторний режим при зміні електричного навантаження і варіаціях обертання валу вітро-- .

    Структурна схема такої ВЕУ приведена на рис. 1. На відміну від традіціон-,, -торной ланцюга, тобто в ланцюзі збудження. Це дозволяє вибирати його меншої потужності, що позитивно позначається на ціні всієї установки. необхідно отме-

    , -,

    () (, -Генератори) через автоматичний зарядний пристрій (АЗП) і далі через Инвер,. -тает як трансформатор, але так як такий режим роботи не є нормальним, то необхідно не допускати перевищення сили струму в обмотках максимально допустимих значень. Іншими словами, на вибір інвертора впливають 2 фактори-обмеження:

    1. -.

    2. .

    (),

    і при досягненні струмом критичної позначки її реакцію можна налаштувати.

    ,

    (Тобто коли потужність навантаження дорівнює, або перевищує номінальну).

    Друге обмеження можна обійти, змінивши схему підключення резервного . ,

    , -

    , .

    Основне призначення інвертора - перетворення постійної напруги з виходу резервного джерела, або керованого випрямляча в змінне та-

    ких параметрів, при яких подача його на фазний ротор генератора дозволить отримати на його виході змінну напругу заданих параметрів, наприклад 50Гц / 380В. Іншими словами, знаючи з якою частотою обертається вал генератора, а також потужність підключеного до нього електричного навантаження, можна розрахувати параметри напруги збудження так, що при подачі його на ротор напруга на виході вітроустановки буде завжди стабільним. Розрахунком цих параметрів і контролем вітроустановки в цілому займається система управління.

    При хороших умовах вітру СУ може направити частину енергії, виробленої генератором, на заряд АБ і на вхід інвертора. Наведена схема не є єдино можливою для такого типу ВЕУ.

    Мал. 1. Структурна схема адаптивної ВЕУ

    Алгоритми адаптивної системи управління. Як уже б ло відзначено, СУ служить для розрахунку параметрів напруги збудження, що подається на ротор, і контролем вітроустановки в цілому. СУ контролює такі параметри, як частоту обертання валу вітроколеса, струми і напруги статора, ротора і випрямляча, а у відповідь реакцією на значення цих параметрів є:

    1. Частота і амплітуда напруги збудження.

    2. Кут управління а випрямляча. Іншими словами, відбувається управління потоком енергії, необхідної для заряду АБ і роботи інвертора.

    3. Сигнали АЗП на заряд або розряд батареї.

    4. Сигнал на замикання або розмикання вимикачів в тій чи іншій ланцюга вітроустановки (наприклад, управління головним вимикачем, що з'єднує установку і мережу або навантаження).

    Система управління дозволяє надати адаптивні властивості ВЕУ, забезпечуючи стабілізацію частоти і амплітуди вихідної напруги генератора при зміні швидкості вітру і струму навантаження. ВЕУ є нелінійну, -чае потрібно застосовувати адаптивні методи, викладені в [1 - 3]. В даному випадку здійснюється стабілізація ВЕУ в заданому режимі, що дозволяє використовувати класичні ПІ-ре ^ лятори.

    , -ного напруги генератора в різних умовах. У початковий момент часу система управління відповідно до поточних оборотами валу ВЕУ і електричні-, ,

    перетворювач частоти подається в обмотки ротора. Частота напруги на виході генератора залежить від частоти обертання магнітного поля ротора, а вона, в свою чергу, складається з частоти обертання валу генератора і частоти обертання магнітного поля, що створюється змінним напругою ротора, тобто можна записати [4]:

    fгeн-fвaлa + fвoзб, (1)

    де ^ ен - частота напруги на виході генератора;

    ^ Ала - частота обертання валу;

    ^ 03Б - частота напруги, що управляє в обмотках ротора.

    , -напруги. Якщо напрямок обертання ротора генератора не збігається з напрямком обертання магнітного поля, що створюється його обмотками, то перед ^ ОЗБ у формулі (1) ставиться знак "-".

    Підтримка постійним амплітудного значення вихідної напруги генератора пов'язано з деякими складнощами, так як його коливання пов'язані не тільки з частотою обертання ротора і підключеної навантаження, але також і з внутрішніми пара,,. Регулюючи амплітуду напруги, що подається на ротор, можна підтримувати постійною амплітуду вихідної напруги генератора. В якості такого регулятора використовується ПІ-регулятор з перемінним коефіцієнтом інтегрування. Його реалізація представлена ​​у вигляді наступних виразів:

    ір = кп (істаб - Ітек) + К | (істаб - Итек № (2)

    Ки = Р (Л ™, К (3)

    і -; і - -

    напруга в даний момент часу в одній обмотки фазі, виміряний між фазою і землею; , Ки - коефіцієнти посилення пропорційної і інте-

    дробові складових регулятора.

    Коефіцієнт ^ є константою і його величина визначається шляхом

    настройки будь-яким стандартним методом. Коефіцієнт ки - змінюється в

    Залежно від поточних умов роботи ВЕУ, обчислюється з використанням передавальної функції генератора, розрахованої по Т-подібної схеми заміщення і може бути представлений у вигляді

    "Істаб ж

    ки = ----------

    30

    г я л2

    1 + рот

    (Я + я ^ л 2

    прив іагр

    я

    іагр

    ? - Л?

    стат рот

    ?

    стат

    (4)

    я я

    у-, рот маги, п

    де Кприв = - + До речі - опір частини схеми заміщення;

    ярат + я.іагі

    Ярота, ,, ятгр - відповідно наведені опору ротора,

    статора, магнітне і навантаження; Рстат,? - частота напруги на виході гені-

    ратора і частота обертання ротора відповідно; А - емпіричний коефіцієнт.

    Так як коефіцієнти посилення пропорційної і інтегральної складових регулятора зазвичай підбираються для конкретного об'єкта в процесі на,. -наружено, що підібравши їх для певної швидкості вітру і навантаження, при інших значеннях цих величин регулятор починав працювати незадовільно. ,

    ,

    , .

    , (4).

    ,

    збудження при поточній швидкості вітру і навантаженні, СУ приблизно оціни,. -сле цього регулятор починає свою роботу. Обчислення ведуться до тих пір, поки

    невязка, або неузгодженість істаб - Ітек не стане дорівнює нулю.

    , (1) (2),

    розраховує необхідні параметри напруги збудження, передає їх в інвертор, який фізично створює і подає його на ротор. Незалежно від того, яке навантаження підключена і з якою швидкістю буде обертатися вал генератора, на його виході буде трифазне напругу з постійними частотою, амплітудою і фазою, тобто вся система є адаптивною.

    Результати моделювання. Для реалізації і дослідження системи управління створена комп'ютерна математична модель МПФР на основі нелінійного опису машини змінного струму в обертових координатах [2]. Загальна структура моделі ВЕУ і адаптивної системи управління представлені на рис. 2 і 3.

    3-phase Instantaneous Active & Reactive Powerl

    Мал. 2. Модель ВЕУ

    Основними елементами моделі є асинхронна машина в режимі генератора (Asynchronous Machine), система управління (Control System), інвертор (Inverter) (Load2).

    служать для вимірювання або відображення результатів моделювання, представлених на рис. З - б.

    Моделювання здійснювалося наступним чином. У початковий момент часу ротор генератора починає своє обертання з певною частотою, заду-Diagram of wind chainge. , ,

    регулювання вихідної напруги до тих пір, поки неузгодженість не стане рівним 0 (момент часу 0-І з на рис. З, 4). У момент часу І з частоти вра,, О, 5

    управління знову здійснюється регулювання. У момент часу З з змінюється потужність підключається навантаження, знову виникає неузгодженість і наступне за ним регулювання. На рис. 5 показаний результат роботи регулятора, тобто зміна амплітудного значення в часі напруги, поданого на ротор.

    Мал. 3. Амплітуда напруги на виході ВЕУ

    Мал. 4. Частота напруги на виході ВЕУ

    \ • 1

    І'ГГ

    . З.

    Висновок. Дана робота демонструє р еалізацію алгоритмів стабілізації параметрів вихідної напруги асинхронного генератора з фазним ротором. За допомогою комп'ютерного моделювання були практично підтверджені переваги такого підходу. Так, гнучкість вимог, що пред'являються до, - -ним коефіцієнтом інтегральною складовою.

    Створена комп'ютерна модель підтвердила очікувані результати, показала практичну реалізованість закладених в розроблювану систему управління методів і алгоритмів, дозволила оцінити їх інноваційність і перспективність. Результати моделювання підтверджують високу працездатність синтезованої адаптивної системи управління ВЕУ.

    БІБЛІОГРАФІЧНИЙ СПИСОК

    1. Медеедев ММ. Алгоритми адаптивного управління виконавчими приводами // Мехатроніка, автоматизація, управління. - М., 2006. - № 6. - С. 17-22.

    2. . .

    // .

    науки. - 2008. - № 12 (89). - С. 20-25. '

    3. Медведєв ММ., Борзов В.К, Пшіхопов В.Х. Автономні керовані вітроенергетичні установки // Известия ТРТУ. - 2006. -№ 3 (58). - С. 202-207.

    4. Вольдек А.І. Електричні машини. - J1 .: Енергія, 1974.

    5. Башарин А.В. і ін. Приклади розрахунків автоматизованого електроприводу. - J1:

    , тисячу дев'ятсот сімдесят одна.

    Мазалов Андрій Андрійович

    Технологічний інститут федерального державного освітнього закладу вищої професійної освіти «Південний федеральний університет» в м Таганрозі.

    E-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її..

    347928, м Таганрог, пров. Некрасовський, 44.

    Тел .: 88634371694.

    Mazalov Andrey Andrejevich

    Taganrog Institute of Technology - Federal State-Owned Educational Establishment of Higher Vocational Education "Southern Federal University".

    E-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її..

    44, Nekrasovskiy, Taganrog, 347928, Russia.

    Phone: 88634371694.


    Ключові слова: Вітроенергетичні установки / АДАПТИВНА СИСТЕМА УПРАВЛІННЯ / WIND POWER PLANT / ADAPTIVE CONTROL SYSTEM

    Завантажити оригінал статті:

    Завантажити