Повышение эффективности в маломощных ветрогенераторах

Крупномасштабная добыча энергетических ресурсов земли приводит к постепенному их иссяканию, что заставляет человечество вновь обратиться к возобновляемым источникам энергии

Крупномасштабная добыча энергетических ресурсов земли приводит к постепенному их иссяканию, что заставляет человечество вновь обратиться к возобновляемым источникам энергии. Особое место среди возобновляемых источников энергии занимает ветроэнергетика. Для Украины, до недавнего времени, эта область энергетики оставалась неприоритетной, но сейчас она начинает развиваться и приобретает все большие масштабы.

Среди ветрогенераторных установок (ВУ) малой мощности, до 5-10 кВт, по их назначению и нагрузке можно выделить установки, работающие автономно с накопителем либо на общую энергосистему. В большинстве установок мощность, отбираемая от ветрогенератора (ВГ), фиксируется на некотором постоянном уровне, который задается обычно уровнем токоограничения установки. Если генерируемая ВУ энергия меньше этого уровня, то преобразования не происходит, и установка находится в режиме ожидания.

Ввиду того, что область постоянно действующих ветров может находиться на достаточно низком уровне (3-4 м/с), уровень заданной, отбираемой мощности нужно устанавливать на таком уровне, чтобы обеспечить работу установки в нижнем уровне диапазона изменения скоростей ветров. Это обеспечивает практически постоянную работоспособность ВУ, но понижает ее использование на более высоких скоростях ветров, когда потенциально можно отдать мощности больше, чем установленный уровень.

С другой стороны, повышение уровня отдаваемой мощности может быть ограничено предельными токами заряда накопительных элементов, и привести также к недоиспользованию установки на низких скоростях ветров.

Для повышения эффективности использования генерируемой энергии предлагается использовать систему управления преобразователя с переменным уровнем отбираемой мощности, который зависит от того, какую мощность может обеспечить ВУ в данный момент. Предлагаемая система касается ВУ без систем механической стабилизации скорости, работающих непосредственно на сеть.

Для преобразования энергии используется ВУ мощностью 5 кВт. Диапазон скоростей ветра, при которых ожидается работоспособность установки, 3-20 м/с. При таком диапазоне изменения скоростей ветра энергия, которую может отдать ВГ, изменяется в диапазоне 200-5000 Вт, при диапазоне скорости вращения вала ВГ 50-650 об./мин. Сеть, на которую работает установка, представляет собой трехфазную сеть переменного напряжения 380 В промышленной частоты. Перед системой управления стоит задача передавать в сеть такую мощность, которую в данный момент может обеспечить ветрогенератор и таким образом обеспечить максимальный коэффициент использования ВУ. Функциональная схема системы представлена на рисунке 1.
Она включает в себя собственно генератор, в качестве которого используется вентильная машина с постоянными магнитами, стабилизатор напряжения и инвертор, ведомый сетью. На вход инвертора подается постоянное по величине напряжение Uст = 250 В и задание на отдаваемую в сеть мощность Рз. На выходе инвертор подключается к трехфазной сети и инвертирует энергию в сеть.
Для нормальной работы инвертора на его входе необходимо поддерживать постоянное по величине напряжение с точностью 5%. Стабилизатор напряжения должен обеспечить постоянное выходное напряжение при изменении в широких пределах входного напряжения. В общем случае, при указанном выше диапазоне ветров, входное напряжение стабилизатора Uг может колебаться в пределах 70-300 В. На входе генератора - скорость вращения вала генератора wг, предаваемая ему от вала установки, на котором расположены лопасти, через мультиплексор.
При таком выходном напряжении стабилизатор должен предусматривать возможность как повышения, так и понижения входного напряжения. При этом максимальная кратность повышения входного напряжения составит около 4, а понижения - не более 0.8. Если входное напряжение стабилизатора превышает заданный порог, то стабилизатор и установка в целом отключаются и переходят в режим ожидания. 

Силовая часть стабилизатора с учетом этих требований выполнена по безтрансформаторной схеме с одной общей индуктивностью. Функциональная схема силовой части стабилизатора напряжения для ВУ показана на рисунке 2.

Представленная схема может работать в двух режимах: режиме повышения, когда напряжение на входе стабилизатора меньше, чем напряжение стабилизации, и режиме понижения, когда напряжение на входе стабилизатора больше, чем напряжение стабилизации. В первом режиме ключ К1 замкнут, а ключ К2 работает с некоторой скважностью, образуется так называемая бустерная схема. При этом, когда ключ К2 замкнут, напряжение на входе стабилизатора прикладывается к индуктивности L1 и по ней протекает ток. При этом запасается энергия в индуктивности. Когда ключ К2 размыкается, в индуктивности возникает ЭДС самоиндукции, которая складывается с напряжением входа стабилизатора, и на выходе стабилизатора получается напряжение выше, чем напряжение на входе стабилизатора.

 Во втором случае, когда схема работает в режиме понижения, ключ К2 разомкнут, а ключ К1 работает с некоторой скважностью, при этом образуется так называемая чопперная схема понижения. Индуктивность вместе с выходной емкостью С2 исполняет роль фильтра. Величина скважности, с которой работают ключи в каждом из режимов, определяется схемой управления, частота коммутации ключей 20 кГц. Принципы работы импульсных устройств, построенных по такой методике, подробнее изложены в материале «Электропривод по схеме: импульсный источник питания понижающего типа – двигатель» (Шпиглер Л. А.).
Для определения энергетических показателей ВУ стабилизатор оценивает входное напряжение и в соответствии с заложенной функцией, представляющей собой зависимость допустимой отдаваемой мощности от его напряжения при данной геометрии ВУ (величина лопасти, угол атаки), выдает задание на отдаваемую инвертором в сеть мощность. Вместе с формированием задания для инвертора стабилизатор формирует токоограничение, не превышающее максимальный ток, который может отдать генератор, чтобы максимально использовать установку, но не перегрузить ее, что неизбежно приведет к снижению скорости вращения установки и конечной ее остановке. Структурная схема системы показана на рисунке 3.

Система управления выполнена по принципу подчиненного управления с пропорционально - интегральными регуляторами напряжения и тока (РН и РТ). Выходной сигнал с регулятора напряжения подается на узел зависимого токоограничения (ЗТ), который формирует закон токоограничения в соответствии с заложенной функцией. Силовая часть стабилизатора (СТ) представлена инерционным звеном, а инвертор, исполняющий роль нагрузки, представлен звеном с изменяющимся внутренним сопротивлением, которое также изменяется в соответствии с заданием, формируемым звеном (ЗН). Внутри этого звена заложена нагрузочная характеристика установки; с ее помощью можно определить величину мощности, которую может отдать установка в каждом конкретном режиме ВУ и сети. Типовые нагрузочные характеристики ВУ описаны в материале «Возобновляемые источники энергии» (Твайдел Дж., Уэйр А.).
Результаты моделирования по структурной схеме системы, изображенной на рисунке 3, показаны на рисунке 4.
Из полученных графиков можно сделать вывод о работоспособности предложенной системы и ее эффективности при изменяющейся скорости ветра. Отработка системой заложенной характеристики составляет практически 100%, это видно из совпадения задания на ток и фактического тока системы, а нестабильность выходного напряжения стабилизатора составляет не более 3%.

 По предложенной структурной схеме системы и стабилизатора был спроектирован и создан опытный образец стабилизатора, а также проведены его испытания вместе с генератором мощностью 5 кВт и ведомым сетью инвертором немецкой фирмы Test&Power Solutions мощностью 6 кВт. При этом система стабилизации выходного напряжения стабилизатора была создана цифровом виде с использованием микроконтроллера фирмы Texas Instruments.
Результаты экспериментального исследования системы, представляющие собой зависимость мощности, отдаваемой в сеть инвертором, от скорости вращения вала ВГ, показаны на рисунке 5.

Результаты экспериментального исследования подтверждают теоретические данные, полученные при моделировании структуры системы, и показывают ее эффективность в широком диапазоне скоростей вращения вала генератора, а значит и скоростей ветрового потока.
После проведения экспериментальных исследований опытного образца стабилизатора была выпущена опытная серия стабилизаторов в количестве 10 шт. для маломощных ВУ мощностью 5 кВт.

Смотров Е.А., Вершинин Д.В., Гулый М.В.