Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ работ по исследованию ветродвигателей 6
1.1. Происхождение ветра, ветровые зоны России 6
1.2. Классификация ветродвигателей по принципу работы 10
1.3. Работа плоской поверхности при действии на нее силы ветра 14
1.4. Работа ветрового колеса 17
1.5. Понятие идеального ветряка 20
1.6. Теория реального ветряка. Работа элементарных лопастей ветроколеса. Первое уравнение связи 21
1.7. Теория реального ветряка. Второе уравнение связи 27
1.8. Момент и мощность всего ветряка 28
1.9. Системы управления ветроэнергетическими установками 30
1.10. Обзор работ по моделированию ВЭУ 31
1.11. Постановка задачи исследования 32
2. Теоретические предпосылки исследования 34
2.1. ВЭУ как инверсный мехатронный объект 34
2.2. Модель ВК и Генератора 38
2.3. Механическая часть ВЭУ 39
2.3.1. Кинематическая схема МПЛ и его математическая модель 43
2.3.2. Аналитическая зависимость угла поворота лопасти от перемещения гайки ШВПД. 45
2.3.3. Зависимость пергмегцения гайки ШВПД от частоты вращения двигателя 45
2.3.4. Зависимость усилия, действующего вдоль ходового винта ШВПД от момента шарнирного на лопасти ВК 47
2.3.5. Модель рысканья гондолы 48
2.4. Модели ветровых нагрузок 48
2.4.1. Предельный рабочий порыв ветра 51
2.4.2. Предельный когерентный порыв ветра 53
2.4.3. Предельное изменение направления 54
2.4.4. Предельный когерентный порыв ветра с изменением направления 56
2.4.5. Предельный сдвиг (градиент) ветра 57
2.4.6. Турбулентность ветра 59
2.4.7. Вероятностные модели турбулентности 60
2.4.8. Детерминированное описание турбулентности 63
2.5. Анализ информационно-управляющей системы ВЭУ 64
2.5.1. Датчики системы 66
2.5.2. Исполнительные органы СУ. 66
2.5.3. Структура СУ. 67
2.5.4. Режимы работы ВЭУ. 69
2.5.5. Программное обеспечение СУ 78
2.6. Параметры настройки 92
2.7. Выводы 96
3. Компьютерная модель ВЭУ " 91
3.1. Общая структура модели 97
3.2. Реализация модели ветроколеса и генератора 100
3.3. Реализация моделей ветра 106
3.4. Реализация модели привода поворота лопастей 111
3.5. Реализация алгоритма работы САУ для мат. Моделирования 113
3.6. Работа с моделью 116
3.7. Реализация "подмены" реальных датчиков СУ для полунатурного моделирования 123
3.8. Методика выбора характеристик 128
3.9. Выводы 133
Выводы и рекомендации по результатам работы 134
Библиографический список
- Работа плоской поверхности при действии на нее силы ветра
- Кинематическая схема МПЛ и его математическая модель
- Реализация модели привода поворота лопастей
- Реализация "подмены" реальных датчиков СУ для полунатурного моделирования
Введение к работе
Ветроэнергетическими установками называют устройства для преобразования энергии ветра в электрическую. В настоящее время ветроэнергетические установки являются наиболее удобными и доступными для частного пользователя альтернативными источниками энергии, Они дают ряд преимуществ:
независимость от внешних источников (эл. сеть), возможность полностью исключить работы по проведению эл. линии на удаленные объекты.
возможность использовать совместно с питанием от электросети и другими источниками (дизель-генератор, солнечные батареи), существенно экономя расходы и в то же время повышая стабильность электроснабжения.
Также в мире все актуальнее становится проблема
энергосбережения. В развитых странах последнее двадцатилетие наблюдался экономический рост при снижении энергоемкости ВВП. Прирост ВВП на 1% потребовал прироста потребления энергоносителей на 0,4%. В связи, с чем энергоемкость ВВП в среднем по миру уменьшилась на 19%, а в развитых странах - на 21 - 27%. Для российской экономики проблема энергосбережения особенно актуальна. Энергоемкость ВВП в России по ПТЮ превышает данный показатель: среднемировой - в 2,3 раза, стран Евросоюза - в 3,1 раза, Японии - в 7 раз, США - 4,5 раза. В жилищно-коммунальном хозяйстве России расход тепла и воды выше, чем в Финляндии Норвегии: по нормам - в 3 раза, фактически в 4 - 5 раз.
Россия обладает колоссальным суммарным потенциалом энергии ветра. Вдоль берегов Северного Ледовитого океана на протяжении 12 тыс. км. господствуют ветры со среднегодовой скоростью свыше 5-7 м/с (считается, что ветроустановки эффективны при среднегодовых скоростях ветра 4-5 м/с). Суммарная мощность ветра на севере достигает 45 млрд. кВт.
В европейском союзе уже давно продвигается государственное финансирование ветроэнергетики, но в отличие от России в Евросоюзе с его небольшими территориями используются сетевые ветроустановки.
Ветроустановки особенно эффективны в небольших поселениях
Севера для автономных энергопотребителей отдаленных от
централизованных систем энергоснабжения. Районы
децентрализованного энергоснабжения занимают около 60% территории России, и находятся главным образом на Севере страны. В энергетическом балансе Севера свыше 70% мощности приходится на экологически «грязные», органические виды топлива - уголь, мазут, завоз которых весьма дорог. Поэтому все острее становится проблема экологизации северной энергетики, которая должна стать более эффективной в экстремальных условиях Севера.
Данная работа посвящена моделированию автономной ветроэнергетической установки для определения настроек встроенной в нее системы управления. Как говорилось выше, установка может использоваться как автономно, так и в комплексе с дизель-генератором. Ветроэнергетические установки являются альтернативными источниками энергии, и работа в этом направлении является актуальной, и позволят решить приведенные выше проблемы.
Работа плоской поверхности при действии на нее силы ветра
Скоростью ветра называют расстояние в метрах, проходимое массой воздуха в течение одной секунды. Скорость ветра постоянно меняется по величине и направлению. Причиной этих изменений является неравномерное нагревание земной поверхности и неровности рельефа местности .
Скорость ветра является важнейшей характеристикой технических свойств ветра [29]. Поток ветра с поперечным сечением г обладает кинетической энергией, определяемой выражением: mV1 (1.3.1) Масса воздуха, протекающая через поперечное сечение со скоростью Р, равна m = pFV (1.3.2) Подставив в выражение кинетической энергии, получим: ІІІ=5І (1-3-3) 2 2 . отсюда следует, что энергия ветра изменяется пропорционально кубу его скорости. Посмотрим, сколько процентов энергии ветра может превратить в полезную работу поверхность, поставленная перпендикулярно к направлению ветра и перемещающаяся в этом же направлении, что имеет место, например, у ветродвигателей карусельного типа. Мощность 7 определяется произведением силы Р на скорость : T PV. (1-3.4)
Одну и ту же работу можно получить либо за счёт большой силы, при малой скорости перемещения рабочей поверхности, либо, наоборот, за счёт малой силы, а следовательно, и малой поверхности, но при соответственно увеличенной скорости её перемещения. Допустим, мы имеем поверхность F, поставленную перпендикулярно к направлению ветра. Воздушный поток вследствие торможения его поверхностью получит подпор и будет обтекать её и производить давление Р силой . Вследствие действия этой силы поверхность будет перемещаться в направлении потока с некоторой скоростью (рис. 1.3.1); работа при этом будет равна произведению силы на скорость &, с которой перемещается поверхность F, т. е.: T PXV (1.3.5) где - сила сопротивления, которая равна : Px-CxF (V rjf (1.3.6) п F где " - аэродинамический коэффициент лобового сопротивления; поверхность миделевого сечения теля, т.е. проекции площади тела на плоскость, перпендикулярную направлению воздушного потока. В этом случае ветер набегает на поверхность с относительной скоростью, равной : W=V-U (1.3.7) х 2 (1.3.8) Рис. 1.3.1. Действие силы ветра на поверхность. Определим отношение работы, развиваемой движущейся поверхностью к энергии ветрового потока, имеющего поперечное сечение, равное этой поверхности, а именно: и \2 V (1.3.9) Величину Ь называют коэффициентом использования энергии ветра.
Из уравнения мы видим, что $ зависит от скорости перемещения поверхности в направлении ветра. При некотором значении скорости коэффициент получает максимальное значение. В самом деле, если скорость перемещения поверхности равна нулю & , то работа ветра также равна нулю. Если 53 У,т.е. поверхность перемещается со скоростью ветра, работа также будет равна нулю, так как нет силы сопротивления, за счёт которой совершается работа. Отсюда следует, что значение скорости " заключено в пределах между У = О и U = _ Установлено, чтобы получить максимальное ъ, поверхность должна перемещаться со скоростью: U = (1.3.10) Максимальный коэффициент использования энергии ветра при работе поверхности силой сопротивления не может быть больше А [89].
Работа ветрового колеса
Крыльчатые ветроколеса работают за счёт косого удара при движении лопастей перпендикулярно к направлению скорости ветра [89] в противоположность к прямому удару, рассмотренному в предыдущем случае. Устройство такого колеса показано на рис. 1.4.1.
Кинематическая схема МПЛ и его математическая модель
Центральной частью ВЭУ как и любых других мехатронных систем является электромеханический механизм привода лопастей управляемый САУ [5][44] (В состав МПЛ входят (см. рис. 2.4): - качалка лопасти (поз. 1); - тяга-толкатель (поз. 2); - шлиц-шарнир (поз. 3) - каретка (поз. 4) - кронштейн крепления каретки (поз. 5) - шариковинтовой преобразователь движения (ШВПД) (поз. 6); - базовая конструкция МПЛ (поз. 7); - параллелограмм (поз. 8) подвески кронштейна крепления каретки.
На базовой конструкции поз. 7 установлен также электродвигатель управляемого привода СПЛ (поз. 9).
Качалка лопасти поз. І служит для поворота лопасти под действием силы, передаваемой тягой - толкателем поз. 2. Тяга-толкатель шарнирно соединена с вращающейся частью каретки поз.4. Синхронизация основного вала и вращающейся части каретки осуществляется с помощью шлиц-шарнира поз.3. Не вращающаяся часть каретки поз. 4 крепится на кронштейне поз. 5, соединенным с гайкой ШВПД поз.6. Место соединения кронштейна с гайкой по конструкции должно обеспечивать передачу основного усилия, направленного вдоль оси основного вала на гайку ШВПД,
Указанное место соединения должно обеспечивать также передачу на гайку ШВПД сил, возникающих в результате действия отличающихся по разным причинам от номинала шарнирных моментов на лопастях. Гайка ШВПД при этом «перекашивается» в плоскости, положение которой зависит от угла поворота основного вала; реакция пары «винт-гайка» уравновешивает при этом приходящую на гайку разницу шарнирных моментов.
Кронштейн поз. 5 подвешен на параллелограмме поз, 8, который установлен на качалках, связанных с базовой конструкцией МПЛ поз. 1, что обеспечивает передачу момента силы, приходящей от тяг-толкателей, обусловленного смещением оси ШВПД относительно оси основного вала, на базовую конструкцию.
Винт ШВПД вращается электродвигателем поз, 9, установленным на базовую конструкцию МПЛ.
Функционирование МПЛ осуществляется следующим образом: при вращении электродвигателем поз. 9 винта ШВПД поз.6 гайка ШВПД перемещается вдоль оси винта. При этом кронштейн, связанный с базовой конструкцией МПЛ параллелограммом (правый и левый) поз. 8, также перемещается параллельно оси винта.
Правый и левый параллелограммы связаны между собой замкнутой рамкой, обеспечивающей восприятие момента крутящего и момента силы, обусловленного смещением оси ШВПД относительно оси основного вала, и передачу их на базовую конструкцию МПЛ.
На кронштейне соосно валу ветроколеса установлена не вращающаяся часть каретки поз. 4 с шариковым радиальным подшипником, соединенным с ним по внешней обойме. Вращающаяся часть каретки имеет 3 расположенных под углом 120 градусов по окружности узла, к которым крепятся 3 тяги-толкателя поз. 2 и узел крепления шлиц-шарнира поз. 3.
Усилие от качалки лопасти поз. 1 через тягу-толкатель поз. 2 передается на каретку поз. 4.
Кинематическая схема MIJJT и его математическая модель. Кинематическая схема МПЛ, показывающая взаимодействие тяги-толкателя МПЛ с качалкой лопасти, приведена на рис. 2.5 R - радиус окружности вращения качалки лопасти; г - радиус-вектор эллипса (проекция окружности радиуса R на плоскость XY (горизонтальную плоскость);
ОсС - толкатель-тяга качалки лопасти длиной L. Исходное его положение: параллельно оси X со смещением по оси Z на величину «а», по оси Y - на величину «в».
Крайняя точка С толкателя перемещается параллельно оси X на величину Si. При этом качалка Оос переводится на угол ср0- cpj в новое положение вокруг оси Z1 системы координат XIY1Z1, повернутой относительно оси Y системы координат XYZ.
Основные задачи, которые необходимо решить при разработке математической модели: установить зависимость угла поворота лопасти от величины линейного перемещения связанного с качалкой лопасти конца тяги-толкателя на величину Si; определить усилия, возникающие в кинематических звеньях, в том числе силу вдоль оси X от противодействия шарнирному моменту лопасти; установить зависимость мощности электродвигателя (поз. 9 на рис. 2.4) от шарнирного момента и угловой скорости поворота лопасти относительно ее продольной оси.
Реализация модели привода поворота лопастей
В классе Logik реализована упрощенная логика функционирования СУ ВЭУ и собранны вместе все классы моделей. float w600(float w) - метод вычисляет среднее 600 секундное значение частоты вращения, где: w - частота вращения ВК на текущем шаге интегрирования; 113 float v/10(float w) метод вычисляет среднее 10 секундное значение частоты вращения, где: w - частота вращения ВК на текущем шаге интегрирования; float Fi600(float fi) - метод вычисляет среднее 600 секундное значение положение лопасти, где: fi - угол установки лопасти на текущем шаге интегрирования; float Fil0(float fi) - метод вычисляет среднее 10 секундное значение положение лопасти, где: fi - угол установки лопасти на текущем шаге интегрирования; bool XX_XP(float W600) - режим перехода из холостого хода в рабочий режим; bool XP_PP(float W) - режим перехода из режима разгона в режим генерации электроэнергии; bool XPJPX(float Fi, float w) - переход при недостаточной скорости ветра с режима разгона; bool PP_PX(fioat Fi600, float FilO, float W600, float W10) - выход из рабочего режима при недостаточной скорости ветра, где F1600 - среднее значение положения лопасти за 10 мин; FilO - среднее значение положения лопасти за 10 сек; W600 - средняя частота вращения за 10 мин; W10 - средняя частота вращения за 10 сек. void PP(bool on) - основной режим работы ВЭУ, в нем происходит выдача сигнала на привод МПЛ и управление нагрузкой генератора; Алгоритм перехода между режимами изображен на рис. 3.4.4. Подробнее режимы и логика описаны в разделах 2.5.4,2.5.5. Исходные коды ПМО можно получить по адресу zubold@mail.ru .
После запуска программы ModelVEU.exe оператор выбирает модель ветра, на данный момент представлены 6 вариантов рис. 3.6.1, и подтверждает свой выбор нажатием на кнопку ОК. После подтверждения выбора модели ветра перед оператором появляется окно выбора уставок компьютерной модели ВЭУ рис. 3.6.2, в котором он может выбрать все коэффициенты законов управления ВЭУ, максимальную мощность генератора, время переключения линий нагрузок на генераторе, максимальные значения частоты вращения ВК при котДля отладки и тестирования программ "реальной" СУ реализован комплекс полунатурного моделирования, в котором вместо программной имитации СУ через имитаторы датчиков подключается реальная система управления. Структурная схема комплекса приведена на рис. 3.7.3 Модель ветра, ветроколеса, генератора, реализованы на персональном компьютере, все параметры из моделей через имитаторы датчиков передаются в реальную СУ. В качестве согласующих устройств используются платы дискретных команд производства фирмы Advantech PCI 1733,PCI 1734, а также плата российского производителя АЦП фирмы Lcard 1250.
Для перехода в режим полунатурного моделирования пользователь перед стартом модели с введенными данными должен установить галочку в меню платы основного окна программы рис. 3.7.1. орых должна сработать аварийная система, максимальную мощность и положение лопасти при разных значениях ветра. В связи с необходимостью согласования сигналов ПК и СУ введен новый класс Plata ниже описаны его члены и методы: int GetBoardTypefmt slot) - вспомогательный метод возвращает уникальный идентификатор платы в системе, где; slot - порядковый помер платы; float Get ADC Data(int Chn) - вспомогательный метод возвращает данные с АЦП, где; Chn - номер канала; void Set Рас Datafint Chn, float data) - выставляет данные на ЦАП, где; Chn - номер канала; data - данные в десятичном виде; void Set_out(mt і) - выставляет десятичное слово на плату дискретного вывода, где; і - слово; int Get In(void) - вводит десятичное слово с платы дискретного ввода; TPlatafvoid) - конструктор, инициализирует платы; PlataQ - деструктор, завершает работу с аппаратурой и классом; void SetPhase(int і) - выдает частоту на выход платы дискретного вывода, где; і - десятичное число равное значению частоты в Гц; 1 Основные показатели качества регулирования
К автоматическим системам регулирования предъявляются требования не только по устойчивости процессов регулирования во всем диапазоне нагрузок на объект, но и по обеспечению определенных качественных показателей процесса автоматического регулирования. Ими являются[11],[16]: Ошибка регулирования (статистическая или среднеквадратическая состав лятощие). Время регулирования. Перерегулирование. Показатель колебательности.
Реализация "подмены" реальных датчиков СУ для полунатурного моделирования
В классе Logik реализована упрощенная логика функционирования СУ ВЭУ и собранны вместе все классы моделей. float w600(float w) - метод вычисляет среднее 600 секундное значение частоты вращения, где: w - частота вращения ВК на текущем шаге интегрирования; 113 float v/10(float w) метод вычисляет среднее 10 секундное значение частоты вращения, где: w - частота вращения ВК на текущем шаге интегрирования; float Fi600(float fi) - метод вычисляет среднее 600 секундное значение положение лопасти, где: fi - угол установки лопасти на текущем шаге интегрирования; float Fil0(float fi) - метод вычисляет среднее 10 секундное значение положение лопасти, где: fi - угол установки лопасти на текущем шаге интегрирования; bool XX_XP(float W600) - режим перехода из холостого хода в рабочий режим; bool XP_PP(float W) - режим перехода из режима разгона в режим генерации электроэнергии; bool XPJPX(float Fi, float w) - переход при недостаточной скорости ветра с режима разгона; bool PP_PX(fioat Fi600, float FilO, float W600, float W10) - выход из рабочего режима при недостаточной скорости ветра, где
F1600 - среднее значение положения лопасти за 10 мин; FilO - среднее значение положения лопасти за 10 сек; W600 - средняя частота вращения за 10 мин; W10 - средняя частота вращения за 10 сек. void PP(bool on) - основной режим работы ВЭУ, в нем происходит выдача сигнала на привод МПЛ и управление нагрузкой генератора; Алгоритм перехода между режимами изображен на рис. 3.4.4. Подробнее режимы и логика описаны в разделах 2.5.4,2.5.5. Исходные коды ПМО можно получить по адресу zubold@mail.ru .
После запуска программы ModelVEU.exe оператор выбирает модель ветра, на данный момент представлены 6 вариантов рис. 3.6.1, и подтверждает свой выбор нажатием на кнопку ОК. После подтверждения выбора модели ветра перед оператором появляется окно выбора уставок компьютерной модели ВЭУ рис. 3.6.2, в котором он может выбрать все коэффициенты законов управления ВЭУ, максимальную мощность генератора, время переключения линий нагрузок на генераторе, максимальные значения частоты вращения ВК при которых должна сработать аварийная система, максимальную мощность и положение лопасти при разных значениях ветра.
По прохождении необходимого интервала времени либо при оценке оператором результата моделирования, оператор может остановить решение модели, нажав на кнопку стоп, как показано на рис. 3.6.10, сохранить данные моделирования через меню файл. Формат выгружаемого программой файла приведен в таблице 6.Для отладки и тестирования программ "реальной" СУ реализован комплекс полунатурного моделирования, в котором вместо программной имитации СУ через имитаторы датчиков подключается реальная система управления. Структурная схема комплекса приведена на рис. 3.7.3 Модель ветра, ветроколеса, генератора, реализованы на персональном компьютере, все параметры из моделей через имитаторы датчиков передаются в реальную СУ. В качестве согласующих устройств используются платы дискретных команд производства фирмы Advantech PCI 1733,PCI 1734, а также плата российского производителя АЦП фирмы Lcard 1250.
Для перехода в режим полунатурного моделирования пользователь перед стартом модели с введенными данными должен установить галочку в меню платы основного окна программы рис. 3.7.1.
В связи с необходимостью согласования сигналов ПК и СУ введен новый класс Plata ниже описаны его члены и методы: int GetBoardTypefmt slot) - вспомогательный метод возвращает уникальный идентификатор платы в системе, где; slot - порядковый помер платы; float Get ADC Data(int Chn) - вспомогательный метод возвращает данные с АЦП, где; Chn - номер канала; void Set Рас Datafint Chn, float data) - выставляет данные на ЦАП, где; Chn - номер канала; data - данные в десятичном виде; void Set_out(mt і) - выставляет десятичное слово на плату дискретного вывода, где; і - слово; int Get In(void) - вводит десятичное слово с платы дискретного ввода; TPlatafvoid) - конструктор, инициализирует платы; PlataQ - деструктор, завершает работу с аппаратурой и классом; void SetPhase(int і) - выдает частоту на выход платы дискретного вывода, где; і - десятичное число равное значению частоты в Гц; 1 Основные показатели качества регулирования
К автоматическим системам регулирования предъявляются требования не только по устойчивости процессов регулирования во всем диапазоне нагрузок на объект, но и по обеспечению определенных качественных показателей процесса автоматического регулирования. Ими являются[11],[16]: Ошибка регулирования (статистическая или среднеквадратическая состав лятощие). Время регулирования. Перерегулирование. Показатель колебательности. Динамический коэффициент регулирования R d , который определяется из формулы [26],[27]:
