Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ современного состояния ветроэнергетики, типов ветродвигателей и способов стабилизации параметров выходного напряжения ветроэнергетических установок 11
1.1. Анализ современного состояния ветроэнергетики 12
1.2. Анализ типов ветродвигателей 15
1.3. Анализ способов стабилизации параметров выходного напряжения ветроэнергетических установок 18
1.4. Выводы 30
2. Описание устройства асинхронизированных синхронных генераторов, анализ методов синтеза систем управления ветроэнергетическими установками и постановка задач исследования . 32
2.1. Устройство и основные элементы асинхронизированных синхронных генераторов 32
2.2. Анализ существующих методов описания динамики асинхронизированных синхронных генераторов и ветродвигателей 36
2.3. Анализ методов синтеза систем управления 40
2.4. Постановка задач исследования 43
2.5. Выводы 46
3. Синтез системы управления ветроэнергетической установкой, работающей параллельно с сетью 47
3.1. Математическое описание асинхронизированных синхронных генераторов 48
3.2. Синтез системы управления ветроэнергетической установкой 52
3.3. Определение параметров и описание характеристик ветродвигателя 62
3.4. Математическое моделирование ветроэнергетической установки, работающей параллельно с сетью 68
3.5. Выводы 75
4. Синтез системы управления автономной ветроэнергетической установкой 77
4.1. Математическое описание асинхронизированного синхронного генератора автономной ветроэнергетической установки 77
4.2. Синтез самонастраивающейся системы управления автономной ветроэнергетической установкой 83
4.3. Математическое моделирование автономной ветроэнергетической установки 91
4.4. Выводы 99
Заключение 100
Литература 102
- Анализ современного состояния ветроэнергетики
- Устройство и основные элементы асинхронизированных синхронных генераторов
- Математическое описание асинхронизированных синхронных генераторов
- Математическое описание асинхронизированного синхронного генератора автономной ветроэнергетической установки
Введение к работе
Научно-исследовательские и производственно-технические работы в области использования энергии ветра проводятся во многих станах мира. О масштабах этих работ можно судить по большому количеству проведенных в последние годы международных и региональных конференций, симпозиумов и семинаров, на которых рассматривался широкий круг исследований по проблеме использования энергии ветра как для небольших потребителей, так и в системах централизованного электроснабжения. Анализ отечественных и зарубежных источников [1, 29, 35, 36, 48, 69, 73, 87, 88, 89, 99, 100] позволяет выделить следующие области применения ветроэнергетических установок (ВЭУ):
электроснабжение автономных как стационарных (отдельно стоящие дома, метеостанции, маяки, опорные пункты и т.д.), так и передвижных (стойбища, геологические партии, временные стоянки и т.д.) объектов; при этом от ВЭУ можно заряжать аккумуляторы, запитывать осветительные приборы, радио- и телевизионную аппаратуру, холодильники и другие электроприборы;
гарантированное электроснабжение автономных объектов с аккумуляторным или дизель-генераторным резервированием (это позволяет снизить расход топливно-энергетических ресурсов на 50 - 60 %);
выработка электроэнергии и передача ее в энергосистему;
теплоснабжение автономных объектов;
водоснабжение сельскохозяйственных объектов;
опреснение воды и обеспечение питьевой водой жителей полупустынных и пустынных зон.
Однако, использование ВЭУ для производства электроэнергии является наиболее эффективным способом утилизации энергии ветра. Эффективность преобразования механической энергии в электрическую в
электрогенераторе составляет обычно 95%, а потери электрической энергии при передаче не превышают 10%. Предъявляемые при этом требования к частоте и напряжению вырабатываемой электроэнергии зависят от особенностей потребителей этой энергии. Эти требования являются наиболее жесткими при работе ветроэнергетических установок в рамках единой энергосистемы и при питании бытовых потребителей и достаточно мягкими при использовании энергии ВЭУ в осветительных и нагревательных установках.
Проблемам развития ветроэнергетики посвящены многочисленные исследования отечественных и зарубежных ученых, таких как В.Н. Адрианов, А.В. Астахов, В.И. Астрога, Н.Н. Блоцкий, М.М. Ботвинник, К.П. Вашкевич, B.C. Волконский, О.Г. Денисенко, И.П. Копылов, Е.Г. Плахтына, И.В. Рождественский, Ю.Г. Шакарян, Л.Я. Шапиро, Я.И. Шефтер, М.В. Anderson, R.M. Donovan, V.D. Hunt, J.R. Ramler, D.F. Warne и др.
При разработке ВЭУ необходимо учитывать, что при изменении скорости ветра изменяется скорость вращения ветроколеса. В то же время для максимально эффективной работы электрогенератора и максимально простого удовлетворения требований, предъявляемых к качеству электроэнергии, необходима практически постоянная скорость его вращения.
В связи с этим существует три способа стабилизации параметров выходного напряжения ВЭУ:
1. Механическое управление лопастями ветроколеса или использование специальных механических устройств для стабилизации скорости вращения ротора генератора. Существенными недостатками таких механических систем управления скоростью вращения ветроколеса являются большие потери (частичное использование) энергии ветрового потока, их сложность и дороговизна, а также невысокая надежность.
Электрическое управление, при котором постоянство параметров выходного напряжения обеспечивается за счет управления генератором или преобразователем энергии. При таком способе стабилизации энергия ветра используется гораздо эффективнее, так как лопасти ветроколеса работают в оптимальном режиме. Использование современного электронного оборудования делает его также и более дешевым и надежным по сравнению с механическим управлением.
Комбинированное управление, совмещающее оба предыдущих способа.
Наиболее перспективными и точными являются второй и третий
способы стабилизации параметров выходного напряжения ВЭУ. При этом
обычно генератор ВЭУ подключается к нагрузке или сети большой
мощности через преобразователь. В таком случае возможно использование
нескольких типов генераторов: синхронных, асинхронных, постоянного
тока и др. При этом получаемое напряжение различной величины обычно
вначале стабилизируется и выпрямляется (и часто накапливается в
аккумуляторных батареях), а затем преобразуется с помощью типовых
инверторов в переменное напряжение с требуемыми стандартными
параметрами. Однако, наиболее целесообразным для простого получения
качественной электроэнергии является использование
асинхронизированных синхронных генераторов (АСГ) - асинхронных генераторов с фазным ротором, работающих в режиме машины двойного питания. В таких генераторах с помощью тиристорного преобразователя частоты, включенного в цепь ротора, удается достаточно легко изменять амплитуду и частоту напряжения в этой цепи при большом диапазоне изменения скоростей вращения ротора. Этот факт можно эффективно использовать для стабилизации амплитуды и частоты выходного напряжения ВЭУ (напряжения статора) при большом колебании величин скоростей вращения ротора и нагрузки потребителей.
Исходя из отмеченного, целью диссертации является синтез таких систем управления в цепи ротора АСГ, которые позволяли бы стабилизировать параметры выходного напряжения генераторов и обеспечить устойчивую работу ВЭУ в широком диапазоне изменения рабочих скоростей вращения ветроколеса, мощности потребляемой энергии и внутренних переменных самого генератора.
Вначале в диссертации рассматривается ВЭУ, работающая параллельно с сетью. В этом случае статор подключается непосредственно к сети и, следовательно, параметры (амплитуда и частота) выходного напряжения ВЭУ определяются этой сетью. В роторную обмотку через контактные кольца подается трехфазное напряжение с тиристорного преобразователя, частота которого равна разности между частотой напряжения статора и переменной частотой вращения ротора, умноженной на число пар полюсов генератора. Это позволяет осуществлять регулирование вырабатываемой активной и реактивной мощности ВЭУ и обеспечить согласование параметров выходного напряжения ВЭУ с параметрами напряжения сети при различной скорости вращения ротора с помощью достаточно легко реализуемых регуляторов.
В зависимости от амплитуды напряжения, подаваемого в роторную обмотку, АСГ при постоянной скорости ветра может работать с различной скоростью вращения и вырабатывать различную мощность. Поэтому амплитуду напряжения ротора предполагается регулировать так, чтобы при текущей скорости ветра ВЭУ вырабатывала максимальную мощность, то есть максимально использовала бы энергию ветра. Поскольку АСГ позволяет вырабатывать как активную, так и реактивную мощность, то разрабатываемая система управления должна обеспечивать регулирование и активной, и реактивной мощности. Так как вырабатываемая мощность определяется током и напряжением статора, а напряжение статора АСГ определяется сетью, следовательно, для регулирования активной и
реактивной мощности необходимо управлять активным и реактивным током статора. Однако, между токами статора и ротора существует однозначная связь. Поэтому, воздействуя с помощью преобразователя на активную и реактивную составляющие тока ротора, можно регулировать составляющие тока статора, а следовательно, и регулировать вырабатываемую активную и реактивную мощность ВЭУ.
Таким образом, для ВЭУ, работающей параллельно с сетью, ставится и решается задача синтеза такой системы управления, которая не только обеспечивает необходимое регулирование активной и реактивной мощности ВЭУ, но и согласование параметров ее выходного напряжения с параметрами напряжения сети в широком диапазоне изменения рабочих скоростей вращения ротора за счет регулирования активной и реактивной составляющих (проекций) тока ротора.
Далее в диссертации рассматривается автономная ВЭУ. Напряжение питания на тиристорный преобразователь, установленный в роторной цепи АСГ такой ВЭУ, поступает от аккумуляторной батареи, которая подзаряжается в процессе работы ВЭУ. При этом статор работает непосредственно на нагрузку, а в роторную обмотку через контактные кольца подается трехфазное напряжение требуемой частоты с тиристорного преобразователя. Это позволяет легко осуществлять стабилизацию частоты напряжения статора АСГ. Для стабилизации амплитуды выходного напряжения ВЭУ регулируется амплитуда напряжения ротора АСГ (напряжения тиристорного преобразователя). Однако использование традиционных подходов для синтеза такой системы управления не позволяет обеспечить требуемое качество стабилизации параметров выходного напряжения.
Таким образом, для автономной ВЭУ ставится и решается задача разработки нового метода синтеза систем управления ВЭУ и разработки системы управления, обеспечивающей качественную стабилизацию
параметров (амплитуды и частоты) выходного напряжения при различной скорости вращения ветроколеса и различной (изменяющейся) величине потребляемой мощности.
В соответствии с поставленными задачами определена структура диссертации, состоящей из введения, четырех глав, заключения и списка литературы.
В первой главе выполнен анализ современного состояния ветроэнергетики и показаны перспективы ее дальнейшего развития. Показаны перспективы применения ветроэнергетических станций (ВЭС) и ВЭУ в России. Выполнен анализ существующих в настоящее время и перспективных типов ветродвигателей. Сделан вывод о целесообразности применения ветродвигателей с горизонтальной осью вращения. Проведен анализ способов стабилизации параметров выходного напряжения ВЭУ. Показана возможность разделения в ряде случаев потребителей энергии автономной ВЭУ на три вида, предъявляющих различные требования к качеству электроэнергии. Проанализированы возможности применения различных типов генераторов электрической энергии для всех рассмотренных способов стабилизации. Сделан вывод о целесообразности и перспективности применения АСГ в ВЭУ с переменной частотой вращения ротора генератора.
Во второй главе дано описание устройства и основных элементов АСГ. На основе выполненного анализа существующих методов описания динамики АСГ показано, что его математическое описание осуществляется системой нелинейных дифференциальных уравнений, содержащих большое количество перекрестных связей и переменных параметров. Показан способ математического описания аэродинамических характеристик ветродвигателей с помощью полиномов Лагранжа. На основе выполненного анализа существующих подходов к синтезу систем управления и корректирующих устройств поставлены задачи исследования
и выбраны подходы для решения задач синтеза качественных систем управления ВЭУ как автономными, так и работающими параллельно с промышленной сетью.
В третьей главе осуществляется вывод уравнений, описывающих работу АСГ, и математически обосновывается возможность регулирования активной и реактивной мощности ВЭУ за счет управления проекциями тока ротора АСГ. Выполняется синтез систем управления ВЭУ. При этом синтезируются традиционная система управления и самонастраивающаяся, обеспечивающая компенсацию внутренних связей АСГ. Для анализа работы ВЭУ дано математическое описание ветродвигателя и получено аналитическое выражение, которое позволяет определять величину момента ветродвигателя при различной скорости вращения ротора и различной скорости ветра. Выполнено математическое моделирование работы ВЭУ.
В четвертой главе осуществляется вывод уравнений, описывающих совместную работу АСГ и тиристорного преобразователя. На основе этих уравнений разработан метод синтеза самонастраивающихся систем управления автономных ВЭУ, обеспечивающих стабилизацию амплитуды и частоты выходного напряжения. Выполнено математическое моделирование работы ВЭУ с синтезированной самонастраивающейся системой управления.
В заключении сформулированы основные результаты, полученные в диссертационной работе, и сделаны обобщающие выводы.
По теме диссертации опубликовано 9 работ. Отдельные положения докладывались на 5 региональных и одной международной конференциях.
Анализ современного состояния ветроэнергетики
ветродвигателей (их также называют ветродвигателями крыльчатого типа) основной вращающей силой является подъемная сила [1, 29, 36, 69, 73, 74]. Крыльчатые ветродвигатели получили наибольшее распространение, что обусловлено высоким значением коэффициента использования энергии ветра , который доходит до 0.45-0.48 [36] и высокой скоростью вращения, что позволяет непосредственно соединять ветроколесо с генератором электрической энергии без редуктора. Конструктивно такие ветродвигатели могут быть выполнены одно-, двух-, трех- или многолопастными. При этом скорость вращения крыльчатых ветродвигателей обратно пропорциональна числу лопастей. Поэтому наибольшее распространение получили двух- и трехлопастные ветродвигатели.
Относительно ветра ветроколесо может располагаться как перед опорной башней, так и за ней. При переднем расположении ветроколесо должно быть установлено на ветер, то есть перпендикулярно направлению ветра. Именно в таком положении крыльчатые ветродвигатели имеют максимальную эффективность. Установка на ветер осуществляется в ветроустановках малой мощности с помощью хвоста (хвостового оперения), в ветроустановках небольшой и средней мощности -посредством механизма виндроз, а в современных крупных установках -специальной системой ориентирования, содержащей датчик направления ветра и электрический серводвигатель. Механизм виндроз представляет собой ветроколеса, плоскость вращения которых перпендикулярна к плоскости вращения основного ветроколеса, работающие на привод червяка, поворачивающего платформу головки ветродвигателя до тех пор, пока виндрозы не будут находиться в плоскости, параллельной направлению ветра. При расположений ветроколеса за башней лопасти подвергаются постоянному многократному воздействию переменных сил при прохождении в тени башни, что одновременно повышает уровень шума. В связи с вышесказанным наибольшее распространение получили ветроустановки с расположением ветроколеса перед башней.
Регулирование мощности и ограничение частоты вращения ветроколеса осуществляется за счет поворота лопастей или их частей вокруг продольной оси, а также с помощью закрылков, клапанов на лопастях и других способов. В ветроустановках крыльчатого типа электрогенератор и редуктор, соединяющий его с ветроколесом, расположены обычно наверху опорной башни в поворотной головке. Существенным недостатком таких ветроустановок является наличие ультразвуковых колебаний, которые отрицательно сказываются на живых организмах.
Ветродвигатели с вертикальной осью вращения. Основными достоинствами таких ветродвигателей являются возможность расположения редуктора и генератора на уровне земли внизу опорной башни, отсутствие системы ориентации ветроколеса на ветер и конструктивная простота лопастей [14, 29, 36, 51, 69, 91, 96]. Основными недостатками ветродвигателей с вертикальной осью вращения являются более низкий (по сравнению с горизонтально осевыми ветродвигателями) коэффициент использования энергии ветра и их тихоходность, что приводит к необходимости использования многополюсных генераторов, работающих на малых оборотах, или повышающих редукторов. Кроме того, существенным недостатком таких ветродвигателей является значительное изменение условий обтекания лопасти ветровым потоком за один оборот ротора, циклично повторяющиеся при работе. Это вызывает усталостные явления и может приводить к разрушению элементов ротора. Кроме того, возникают пульсации крутящего момента, приводящие к нежелательным пульсациям выходных параметров генератора.
Конструктивно наибольшее распространение получили следующие типы вертикально-осевых ветродвигателей.
Чашечный ротор (анемометр). Ветроколесо этого типа вращается силой сопротивления. Форма чашеобразной лопасти обеспечивает практически линейную зависимость частоты вращения колеса от скорости ветра.
Ротор Савониуса. Это колесо также вращается силой сопротивления. Его лопасти выполнены из тонких изогнутых листов прямоугольной формы, т. е. отличаются простотой и дешевизной. Вращающий момент создается благодаря различному сопротивлению воздушному потоку выпуклой и вогнутой лопастей ротора. Такое колесо имеет низкий коэффициент использования энергии ветра (,=0.1-0.15), но большой крутящий момент из-за большого геометрического заполнения. Оно применяется для ветродвигателей малой мощности и перекачки воды.
Ротор Дарье. Вращающий момент создается подъемной силой, возникающей на лопастях от ветрового потока. Подъемная сила максимальна в тот момент, когда лопасть с большой скоростью пересекает набегающий ветровой поток. В роторе Дарье коэффициент использования энергии ветра достигает значений 0.3-0.35. Недостатком такого ротора является то, что он не может раскрутиться самостоятельно. Поэтому для его запуска обычно используется генератор, работающий в двигательном режиме, или дополнительную маломощную ветровую установку типа «улитка».
Мощность ВЭУ зависит от эффективности использования энергии ветрового потока. Одним из способов ее повышения является использование специальных концентраторов (усилителей) ветрового потока [39, 69, 97, 98, 104, 105, 108]. Для горизонтально-осевых ветродвигателей разработаны различные варианты таких концентраторов. Это могут быть диффузоры или конфузоры (дефлекторы), направляющие на ветроколесо воздушный поток с площади, большей ометаемой площади ротора, и некоторые другие устройства. Широкого распространения в промышленных установках концентраторы пока не получили.
Таким образом, на основании вышеизложенного можно сделать вывод о том, что в настоящее время наиболее целесообразным является применение ветродвигателей с горизонтальной осью вращения.
Устройство и основные элементы асинхронизированных синхронных генераторов
Устройству и описанию работы асинхронизированных синхронных машин (машин двойного питания) посвящено большое количество литературных источников [15, 16, 20, 25, 43, 56, 62, 63, 83].
АСГ представляет собой электромеханический комплекс, состоящий из электрической машины, возбудителя и системы управления (системы автоматического регулирования возбуждения). Структурная схема АСГ показана на рис. 2.1. Электрическая машина 1 - бесколлекторная машина переменного тока содержит в общем случае m фаз на статоре и п фаз на роторе. Для подавляющего большинства практических случаев на статоре располагается трехфазная симметричная обмотка, подключаемая к трехфазной сети непосредственно или через трансформатор, а на роторе -симметричная двух- или трехфазная обмотка, подсоединяемая через контактные кольца к возбудителю. В дальнейшем в качестве АСГ будем рассматривать электрическую машину с трехфазными статором и ротором. Возбудитель 2, подключаемый к кольцам ротора машины 1, получает силовое питание либо от сети через трансформатор 3, либо от вспомогательного источника питания 4 (аккумуляторной батареи или вспомогательной электрической машины, например, синхронной, расположенной на одном валу с основной машиной 1). Возможен вариант, когда источник питания 4 входит в состав отдельной двигатель-генераторной установки.
Частота напряжения на выходе возбудителя 2 (выводы возбудителя, подключенные к кольцам ротора) может изменяться по требуемому закону и равна в установившемся режиме разности круговых частот вращения полей статора и ротора машины, т.е. равна частоте скольжения. Это означает, что возбудитель АСГ является в общем случае преобразователем частоты напряжения источника питания в частоту скольжения.
Система управления (система автоматического регулирования возбуждения) 5 служит для формирования требуемых законов управления АСГ. Законы управления формируются на основе информации, получаемой от системы датчиков, которая в общем случае включает в себя следующие датчики: углового положения и частоты вращения ротора основной машины 6, напряжения статора 7, токов статора 8 и ротора 9.
На рис. 2.1 ключ 10 может находиться в одном из положений -правом или левом (на рисунке в правом). Действительно, возбудитель 2 может питаться либо от трансформатора 3 (при работе параллельно с сетью), либо от вспомогательного источника питания 4, хотя в отдельных случаях для повышения надежности АСГ возможно питание возбудителя от двух источников.
В качестве электрической машины, входящей в состав АСГ, как следует из рассмотренного, может использоваться асинхронная машина с фазным ротором как серийного изготовления, так и специально спроектированная. В первом случае потребуются некоторые незначительные изменения - усиление бандажа ротора для работы со сверхсинхронной скоростью, иногда вывод шести контактных колец на роторе и др. Во втором случае, который, как правило, имеет место при создании мощных асинхронизированных синхронных машин, удается получить систему с лучшими технико-экономическими показателями, так как машина проектируется с учетом свойств остальных элементов данного электромеханического комплекса.
Возбудитель АСГ может быть создан на основе как электрических машин, так и вентильных устройств. Электромашинная система возбуждения может состоять из коллекторных машин переменного тока, но в настоящее время не применяется из-за известных недостатков таких систем.
Современная система возбуждения состоит из управляемых тиристорных преобразователей частоты. Преобразователям частоты посвящен достаточно большой объем литературы [34, 68, 92], поэтому автор не считает нужным подробно останавливаться на принципах их действия и способах управления. Отметим лишь, что для автономных АСГ, получающих силовое питание от аккумуляторной батареи, необходимо использовать автономный инвертор напряжения, который будет обеспечивать преобразование напряжение постоянного тока в напряжение требуемой частоты. Для АСГ, работающих параллельно с промышленной сетью, целесообразно использовать непосредственные преобразователи частоты с естественной коммутацией и синусоидальной формой выходного напряжения. Это обусловлено способностью таких преобразователей обеспечить простой реверс выходного тока или получение постоянного тока, что позволяет АСГ работать с синхронной, выше- и нижесинхронными частотами вращения, а также обеспечить простой переход от одних частот вращения к другим. Вместе с тем известные недостатки непосредственных преобразователей частоты - ограниченное значение наибольшей выходной частоты (не более половины частоты источника питания) и значительное потребление ими реактивной мощности источника, не играют для АСГ определяющей роли, хотя в определенных условиях и создают некоторые проблемы. Таким образом, из приведенного выше описания устройства и отдельных функциональных элементов АСГ видно, что АСГ представляют собой достаточно сложные технические устройства. Поэтому синтез качественной системы управления АСГ представляет собой достаточно сложную задачу. Решению этой задачи и посвящена настоящая работа.
Математическое описание асинхронизированных синхронных генераторов
Как видно из рассмотренных рисунков переходные процессы в электрической части ВЭУ протекают значительно быстрее, чем переходные процессы в механической части. На рис. 4.4 и 4.6 хорошо видно, что к колебаниям напряжения (всплескам и провалам кривой 1 на обоих рисунках) приводят скачкообразные изменения нагрузки, происходящие в моменты времени =20с, t =25с и =30с. В тоже время даже скачкообразное увеличение скорости ветра и последовавшее за ним увеличение скорости вращения ротора никак не отразилось на напряжении статора (см. рис. 4.4 в момент времени t = 35с). Поэтому далее будем рассматривать переходные процессы в электрической части ВЭУ при практически неизменной частоте вращения ротора. На рис. 4.7 цифрой 1 обозначен переходный процесс в системе с упрощенным самонастраивающимся регулятором, построенным на основе уравнений (4.11) (см. рис. 4.1), а цифрой 2 - в системе с типовым стационарным регулятором, который представляет собой интегральный К регулятор с передаточной функцией Wmрег{р) = ———, где Ктрег= 0.69. Указанные переходные процессы протекают при практически постоянной скорости вращения ротора АСГ и различных значениях RH и LH. Причем в момент времени t =0.2с на регулятор подается ступенчатый входной сигнал U3X, определяющий амплитуду выходного напряжения ВЭУ. АСГ при этом работает на холостом ходу (RH и Ln равны бесконечности). В момент времени ґ=0.8с подключается номинальная нагрузка &нном =30.05Ом и LHHOM =0.0462Гн. В моменты времени t=\.2c и ґ = 1.6с активные сопротивления нагрузки становятся равными 60. Юм и 45.08Ом, а индуктивности, соответственно, равными 0.0924Гн и 0.0693Гн. Из этого рисунка видно, что применение самонастраивающихся регуляторов позволяет значительно (более чем в 3 раза) уменьшить время переходных процессов и амплитуду колебаний напряжения (почти в 2 раза), то есть, за счет использования предлагаемой самонастройки удается значительно повысить качество стабилизации выходного напряжения ВЭУ. На рис. 4.8 цифрой 1 обозначен переходный процесс в системе с исходным самонастраивающимся регулятором, построенным на основе уравнений (4.10), а цифрой 2-е упрощенным самонастраивающимся регулятором вида (4.11), настроенным на номинальную индуктивность нагрузки LHH0M. Здесь в момент времени t=0.2c подключается номинальная нагрузка RHHOM =30.05Ом и LHHOM =0.0462Гн, а в моменты времени ґ=0.3с и t=0Ac активные сопротивления и индуктивности нагрузки становятся равными 60.Юм, 0.0924Гн и 45.08Ом, 0.0693Гн, соответственно. Из этого рисунка видно, что качество переходных процессов при отмеченном выше упрощении самонастраивающихся регуляторов ухудшается незначительно, а их реализация при этом значительно упрощается. Так при аналоговом исполнении системы управления ВЭУ реализация регуляторов упрощается в 2 раза. Кроме того, разработанная система стабилизации была исследована при пуске асинхронных двигателей разной мощности. На рис. 4.9 показан переходный процесс пуска асинхронного двигателя 4A100L6Y3 мощностью 2.2 кВт, а на рис. 4.10 - двигателя 4А80В6УЗ мощностью 1.1 кВт. Справочные данные по этим двигателям приведены в [12, 69], а недостающие для математического моделирования параметры были определены с помощью методик, опубликованных в [41, 57]. На рис. 4.9 и рис. 4.10 цифрой 1 обозначен переходный процесс в системе с упрощенным самонастраивающимся регулятором, построенным на основе уравнений (4.11) (см. рис. 4.1), а цифрой 2 - в системе с типовым /77 РЄ2 стационарным регулятором Wmрег{р) = ——, где Кт „ег=0.69. Как видно из рисунков применение самонастраивающихся регуляторов позволяет почти в 7 раз сократить время переходного процесса и в 1.3 раза провал напряжения при пуске асинхронных двигателей.
Математическое описание асинхронизированного синхронного генератора автономной ветроэнергетической установки
Из этого рисунка видно, что качество переходных процессов при отмеченном выше упрощении самонастраивающихся регуляторов ухудшается незначительно, а их реализация при этом значительно упрощается. Так при аналоговом исполнении системы управления ВЭУ реализация регуляторов упрощается в 2 раза.
Кроме того, разработанная система стабилизации была исследована при пуске асинхронных двигателей разной мощности. На рис. 4.9 показан переходный процесс пуска асинхронного двигателя 4A100L6Y3 мощностью 2.2 кВт, а на рис. 4.10 - двигателя 4А80В6УЗ мощностью 1.1 кВт. Справочные данные по этим двигателям приведены в [12, 69], а недостающие для математического моделирования параметры были определены с помощью методик, опубликованных в [41, 57]. На рис. 4.9 и рис. 4.10 цифрой 1 обозначен переходный процесс в системе с упрощенным самонастраивающимся регулятором, построенным на основе уравнений (4.11) (см. рис. 4.1), а цифрой 2 - в системе с типовым стационарным регулятором видно из рисунков применение самонастраивающихся регуляторов позволяет почти в 7 раз сократить время переходного процесса и в 1.3 раза провал напряжения при пуске асинхронных двигателей.
Таким образом, результаты выполненного моделирования подтвердили работоспособность и высокую эффективность самонастраивающихся регуляторов, обеспечивающих стабилизацию параметров дифференциальных уравнений АСГ, а следовательно, и параметров его выходного напряжения. При этом было показано, что предложенная самонастраивающаяся коррекция наиболее эффективна при резком изменении нагрузки (потребляемой мощности) и подключении к ВЭУ асинхронных двигателей. При изменении только скорости вращения ветроколеса успешно могут использоваться даже типовые системы стабилизации. Техническая реализация разработанных самонастраивающихся регуляторов не вызывает принципиальных затруднений. Они могут быть эффективно использованы в автономных ВЭУ различной мощности, построенных на основе АСГ. 1. На основе полученных дифференциальных уравнений, описывающих совместную работу АСГ и тиристорного преобразователя автономной ВЭУ, показано, что для стабилизации напряжения статора АСГ необходимо регулировать проекции напряжения ротора. 2. Предложенный метод синтеза самонастраивающейся системы управления автономной ВЭУ, позволил сформировать регуляторы, обеспечивающие качественную стабилизацию параметров выходного напряжения. Выполненный анализ показал, что реализация регуляторов для синтезированной системы не вызывает принципиальных затруднений. 3. На основе выполненного математического моделирования работы ВЭУ показано, что при выбранной системе управления изменение скорости вращения ротора АСГ практически не влияет на качество стабилизации выходного напряжения ВЭУ. 4. Самонастраивающиеся регуляторы целесообразно применять для стабилизации параметров выходного напряжения автономной ВЭУ как при изменении активно-индуктивной нагрузки потребителей, так и при подключении и отключении различных бытовых и производственных механизмов с асинхронными двигателями. 5. Во многих случаях без существенного ухудшения качества управления можно использовать упрощенную схему реализации самонастраивающихся регуляторов.
