EA034889B1 - Способ регулирования отбора мощности ветродвигателя - Google Patents

Способ регулирования отбора мощности ветродвигателя Download PDF

Info

Publication number
EA034889B1
EA034889B1 EA201890024A EA201890024A EA034889B1 EA 034889 B1 EA034889 B1 EA 034889B1 EA 201890024 A EA201890024 A EA 201890024A EA 201890024 A EA201890024 A EA 201890024A EA 034889 B1 EA034889 B1 EA 034889B1
Authority
EA
Eurasian Patent Office
Prior art keywords
wind
wind turbine
power
speed
control
Prior art date
Application number
EA201890024A
Other languages
English (en)
Other versions
EA201890024A1 (ru
Inventor
Владимир Геннадьевич МАСОЛОВ
Валерий Сергеевич БЕРЕЗИН
Анатолий Леонидович ЛОГИНОВ
Иван Георгиевич ПОЛЕТАЕВ
Андрей Геннадьевич МАСОЛОВ
Иван Александрович ФАДЕЕВ
Андрей Викторович ХУДОНОГОВ
Original Assignee
Общество С Ограниченной Ответственностью "Вдм-Техника"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Общество С Ограниченной Ответственностью "Вдм-Техника" filed Critical Общество С Ограниченной Ответственностью "Вдм-Техника"
Publication of EA201890024A1 publication Critical patent/EA201890024A1/ru
Publication of EA034889B1 publication Critical patent/EA034889B1/ru

Links

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03D—WIND MOTORS
    • F03D7/00—Controlling wind motors 
    • F03D7/02—Controlling wind motors  the wind motors having rotation axis substantially parallel to the air flow entering the rotor
    • F03D7/0264—Controlling wind motors  the wind motors having rotation axis substantially parallel to the air flow entering the rotor for stopping; controlling in emergency situations
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03D—WIND MOTORS
    • F03D7/00—Controlling wind motors 
    • F03D7/02—Controlling wind motors  the wind motors having rotation axis substantially parallel to the air flow entering the rotor
    • F03D7/0272—Controlling wind motors  the wind motors having rotation axis substantially parallel to the air flow entering the rotor by measures acting on the electrical generator
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03D—WIND MOTORS
    • F03D7/00—Controlling wind motors 
    • F03D7/02—Controlling wind motors  the wind motors having rotation axis substantially parallel to the air flow entering the rotor
    • F03D7/04—Automatic control; Regulation
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03D—WIND MOTORS
    • F03D7/00—Controlling wind motors 
    • F03D7/02—Controlling wind motors  the wind motors having rotation axis substantially parallel to the air flow entering the rotor
    • F03D7/04—Automatic control; Regulation
    • F03D7/042—Automatic control; Regulation by means of an electrical or electronic controller
    • F03D7/043—Automatic control; Regulation by means of an electrical or electronic controller characterised by the type of control logic
    • F03D7/044—Automatic control; Regulation by means of an electrical or electronic controller characterised by the type of control logic with PID control
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03D—WIND MOTORS
    • F03D9/00—Adaptations of wind motors for special use; Combinations of wind motors with apparatus driven thereby; Wind motors specially adapted for installation in particular locations
    • F03D9/20—Wind motors characterised by the driven apparatus
    • F03D9/25—Wind motors characterised by the driven apparatus the apparatus being an electrical generator
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K21/00—Synchronous motors having permanent magnets; Synchronous generators having permanent magnets
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P29/00—Arrangements for regulating or controlling electric motors, appropriate for both AC and DC motors
    • H02P29/02—Providing protection against overload without automatic interruption of supply
    • H02P29/024—Detecting a fault condition, e.g. short circuit, locked rotor, open circuit or loss of load
    • H02P29/0241—Detecting a fault condition, e.g. short circuit, locked rotor, open circuit or loss of load the fault being an overvoltage
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P9/00—Arrangements for controlling electric generators for the purpose of obtaining a desired output
    • H02P9/006—Means for protecting the generator by using control
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P9/00—Arrangements for controlling electric generators for the purpose of obtaining a desired output
    • H02P9/06—Control effected upon clutch or other mechanical power transmission means and dependent upon electric output value of the generator
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P9/00—Arrangements for controlling electric generators for the purpose of obtaining a desired output
    • H02P9/10—Control effected upon generator excitation circuit to reduce harmful effects of overloads or transients, e.g. sudden application of load, sudden removal of load, sudden change of load
    • H02P9/105—Control effected upon generator excitation circuit to reduce harmful effects of overloads or transients, e.g. sudden application of load, sudden removal of load, sudden change of load for increasing the stability
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P9/00—Arrangements for controlling electric generators for the purpose of obtaining a desired output
    • H02P9/10—Control effected upon generator excitation circuit to reduce harmful effects of overloads or transients, e.g. sudden application of load, sudden removal of load, sudden change of load
    • H02P9/107—Control effected upon generator excitation circuit to reduce harmful effects of overloads or transients, e.g. sudden application of load, sudden removal of load, sudden change of load for limiting effects of overloads
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P2101/00—Special adaptation of control arrangements for generators
    • H02P2101/15—Special adaptation of control arrangements for generators for wind-driven turbines
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P2103/00—Controlling arrangements characterised by the type of generator
    • H02P2103/20—Controlling arrangements characterised by the type of generator of the synchronous type
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P9/00—Arrangements for controlling electric generators for the purpose of obtaining a desired output
    • H02P9/009—Circuit arrangements for detecting rotor position
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/70—Wind energy
    • Y02E10/72—Wind turbines with rotation axis in wind direction

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Control Of Eletrric Generators (AREA)
  • Wind Motors (AREA)

Abstract

Изобретение относится к ветроэнергетике и может быть использовано для создания и модификации ветроэнергетических установок с целью повышения эффективности их работы в широком диапазоне ветровых режимов, в том числе при низких значениях среднегодовой скорости ветра (3-6 м/с). Управление ветроэнергетической установкой осуществляется при помощи регулируемой системы отбора мощности ветродвигателя, состоящей из синхронного электрического генератора на постоянных магнитах с датчиком положения ротора, активного выпрямителя с микропроцессорным контроллером, блока питания, системы торможения, балластной нагрузки и понижающего преобразователя. Для данной структуры ВЭУ реализован способ регулирования, обеспечивающий повышение коэффициента преобразования энергии ветра во всем диапазоне рабочих скоростей и стабилизирующий электромагнитный момент на валу генератора при скорости ветра выше расчетной, соответствующей номинальному значению мощности. Способ регулирования основан на управлении частотой вращения ветродвигателя в соответствии с алгоритмом поиска оптимальной частоты вращения, который оценивает изменение вырабатываемой энергии на заданном интервале времени и производит задание нового значения частоты вращения.

Description

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к ветроэнергетике и может быть использовано для создания и модификации ветроэнергетических установок (ВЭУ) с целью повышения эффективности их работы.
Уровень техники
В документе US 4525633 представлен метод управления и устройство, его реализующее. В основе метода лежит выход на оптимальное соотношение частоты вращения и скорости ветра при помощи датчика скорости ветра и системы преобразования энергии ветровой установки. Недостатком данной конструкции является необходимость применения датчика скорости ветра, который либо не обладает достаточной точностью, либо имеет высокую стоимость, при этом является дополнительным источником возможных неисправностей.
В документе US 4695736 представлен метод управления и реализующая его структура ВЭУ. В основе метода лежит регулирование крутящего момента в соответствии с графиком, определяющим скорость генератора по отношению к измеренной генерируемой мощности, с целью повышения эффективности ветровой установки. Таким образом, если оптимальная частота вращения лежит ниже фактической, то частота, соответствующая мощности, будет ниже фактической и формируется задание по току (моменту) в сторону снижения частоты вращения. При оптимальной частоте выше фактической мощность будет соответствовать большей частоте вращения и ветродвигатель будет разгоняться. Недостатком данного метода является необходимость использования предварительно заданного графика, априори отличающегося от фактической характеристики работы ветровой установки.
Наиболее близким к заявленному техническому решению является патент US 8242620, который описывает структуру ветроэнергетической установки, предусматривающую использование активного выпрямителя с возможностью регулирования частоты вращения в заданном диапазоне за счет формирования задания по току. Это позволяет стабилизировать частоту вращения и обеспечить эффективную работу ВЭУ при определенных скоростях ветра, соответствующих частоте вращения ветродвигателя.
Недостатком прототипа является низкая эффективность работы ВЭУ в широком диапазоне ветровых режимов.
Сущность изобретения
Задачей данного изобретения является повышение эффективности работы ВЭУ в широком диапазоне ветровых режимов, в том числе при низких значениях среднегодовой скорости ветра (3-6 м/с).
Технический результат заявленного изобретения заключается в повышении коэффициента преобразования энергии ветра во всем диапазоне рабочих скоростей ВЭУ.
Технический результат заявленного изобретения достигается за счет того, что способ регулирования отбора мощности ветродвигателя, включающий управление частотой вращения ветродвигателя во всем диапазоне рабочих скоростей ветра в соответствии с алгоритмом поиска оптимальной частоты вращения, который оценивает изменение вырабатываемой энергии на заданном интервале времени при изменении частоты вращения и производит задание нового значения частоты вращения на основе полученных значений, а при скорости ветра выше расчетной, соответствующей номинальному значению мощности, обеспечивает стабилизацию электромагнитного момента на валу синхронного электрического генератора, при этом управление частотой вращения во всем диапазоне рабочих скоростей ветра осуществляют системой отбора мощности ветродвигателя, состоящей из синхронного электрического генератора на постоянных магнитах с датчиком положения ротора, установленного на одном валу с ветродвигателем; собственного блока питания электронных устройств, подключенного непосредственно к выходу электрической машины; активного выпрямителя с векторным управлением микропроцессорным программируемым контроллером, обеспечивающих возможность задания электромагнитного момента путем формирования синусоидальных синфазных с ЭДС токов заданной амплитуды в фазных обмотках генератора и преобразующих их на выходе активного выпрямителя в ток зарядки конденсатора звена постоянного тока с напряжением больше заданного потребителем выходного напряжения, при этом стабилизация напряжения в заданном диапазоне значений обеспечивается понижающим преобразователем под управлением микропроцессорного контроллера при полном отборе выходной мощности потребителем, а при невозможности полного отбора мощности потребителем обеспечивается совместной работой понижающего преобразователя и балластной нагрузки под управлением микропроцессорного контроллера; работающего под управлением микропроцессорного контроллера понижающего преобразователя, поддерживающего напряжение в звене постоянного тока между активным выпрямителем и понижающим преобразователем в заданном диапазоне значений, а также понижающего выходное напряжение до требуемого потребителем уровня и ограничивающего максимальную величину тока для защиты от короткого замыкания; балластной нагрузки для отвода избытка электроэнергии под управлением микропроцессорного контроллера; системы торможения, связанной с обмотками синхронного электрического генератора, которая под управлением микропроцессорного контроллера производит ступенчатое торможение синхронного электрического генератора или аварийную остановку ВЭУ.
В частном случае реализации заявленного способа регулирования отбора мощности ветродвигателя предусмотрена балластная нагрузка с ШИМ коммутацией, что позволяет плавно регулировать мощность, снимаемую БН, и уменьшать напряжение на конденсаторе до допустимого уровня, не прерывая работу
- 1 034889
НИ и передачу энергии на потребителя.
В частном случае реализации заявленного способа регулирования отбора мощности ветродвигателя синхронный электрический генератор (4) имеет дисковую конструкцию с постоянными магнитами с осевой намагниченностью, состоящую из ротора с двумя соосными дисками, расположенными по обе стороны статора и жестко связанными между собой, что позволяет лучше использовать активный объем тороидального статора, уменьшить реакцию якоря и пути магнитного потока, тем самым снизить удельные потери, а также повысить технологичность исполнения синхронного электрического генератора, упростить стыковку с ветродвигателем, при этом использование беспазового кольцевого магнитопровода статора позволяет снизить момент статического сопротивления синхронного электрического генератора и снизить момент страгивания ВЭУ.
Использование регулируемой системы отбора мощности ветродвигателя, состоящей из синхронного электрического генератора на постоянных магнитах с датчиком положения ротора, активного выпрямителя с микропроцессорным контроллером, блока питания, системы торможения, балластной нагрузки и понижающего преобразователя. Для данной структуры ВЭУ реализован способ регулирования, обеспечивающий повышение коэффициента преобразования энергии ветра во всем диапазоне рабочих скоростей и стабилизирующий электромагнитный момент на валу генератора при скорости ветра выше расчетной, соответствующей номинальному значению мощности. Способ регулирования основан на управлении частотой вращения ветродвигателя в соответствии с алгоритмом поиска оптимальной частоты вращения, который оценивает изменение вырабатываемой энергии на заданном интервале времени и производит задание нового значения частоты вращения.
Краткое описание чертежей
Детали, признаки, а также преимущества настоящего изобретения следуют из нижеследующего описания вариантов реализации заявленного способа регулирования отбора мощности ветродвигателя с использованием чертежей, на которых показано следующее.
Фиг. 1 - общая структура ВЭУ.
Фиг. 2 - структура системы отбора мощности ветродвигателя.
Фиг. 3 - алгоритм поиска оптимальной частоты вращения ветродвигателя.
Фиг. 4.1 - функциональная схема регулятора частоты вращения.
Фиг. 4.2 - функциональная схема управления активным выпрямителем.
На фигурах цифрами обозначены следующие позиции:
- ветродвигатель;
- система отбора мощности;
- потребитель вырабатываемой электроэнергии;
- синхронный электрический генератор;
-датчик положения ротора;
- блок питания;
- микропроцессорный контроллер;
- система торможения;
- активный выпрямитель;
- балластная нагрузка;
- понижающий преобразователь;
позициями 12-20 обозначены блоки алгоритма работы системы регулирования отбора мощности ветродвигателя;
позициями 21-23 - блоки функциональной схемы регулятора частоты вращения;
позициями 24-30 - блоки функциональной схемы управления активным выпрямителем.
Раскрытие изобретения
На фиг. 1 представлена общая структура ветроэнергетической установки, состоящей из ветродвигателя (1), соединенного с системой регулирования отбора мощности (2), передающей вырабатываемую электроэнергию потребителю (3).
Ветродвигатель (1) создает крутящий момент МВ на валу в соответствии со своими характеристиками и характеристиками ветрового потока. Система отбора мощности ветродвигателя (2) генерирует на валу электромагнитный момент МЭ, преобразуя механическую энергию ветродвигателя (1) в электроэнергию требуемого для потребителя (3) напряжения ип и тока 1п. В качестве потребителя (3) может рассматриваться аккумуляторная батарея заданного напряжения или сетевой инвертор.
На фиг. 2 представлена структура системы отбора мощности ветродвигателя (ВД), состоящей из синхронного электрического генератора (СГ) (4) с датчиком положения ротора (ДПР) (5), установленного на одном валу с ВД, с подсоединенным на выходе СГ блоком питания (БП) (6). Микропроцессорный контроллер (МПК) (7) управляет работой соединенной с обмотками СГ системы торможения (СТ) (8); работой активного выпрямителя (АВ) (9) с подключенными на входе датчиками фазных токов ДТА, ДТВ , ДТС и подключенными на выходе датчиком напряжения ДН, конденсатором С0, датчиком тока ДТ1; работой балластной нагрузки (БН) (10) и понижающего преобразователя (ПП) (11) с датчиком тока ДТ2 на выходе.
- 2 034889
Система отбора мощности ветродвигателя включает в себе силовые, измерительные и управляющие устройства, основным назначением которых является управление частотой вращения ветродвигателя в соответствии с алгоритмом поиска оптимальной частоты вращения, который оценивает изменение вырабатываемой энергии и производит задание нового значения частоты вращения.
Решение задачи повышения коэффициента преобразования энергии ветра для широкого диапазона значений скоростей ветра обеспечивается возможностью задавать электромагнитный момент МЭ на валу синхронного электрического генератора, пропорциональный линейному значению величины тока синхронного электрического генератора, определяемому фазными токами iA, iB, iC, формируемыми активным выпрямителем с векторным управлением от микропроцессорного программируемого контроллера в соответствии с разработанными алгоритмами;
задавать в обмотках синхронного электрического генератора токи iA, iB, iC - синусоидальной формы, совпадающие по фазе с ЭДС генератора, без дополнительных гармонических составляющих, тем самым повышать КПД во всем диапазоне рабочих частот вращения;
реализовывать активным выпрямителем функции повышающего конвертора, работающего совместно с понижающим преобразователем, обеспечивая при этом величину напряжения Uin больше Ип и требуемые значения Un и [п. Таким образом, появляется возможность применять синхронный электрический генератор с большим значением КПД.
Микропроцессорный программируемый контроллер реализует векторное управление активным выпрямителем, формируя широтно-импульсно модулируемые (ШИМ) сигналы PWM1 в соответствии со значением угла поворота α ротора синхронного электрического генератора. Значение угла поворота ротора α определяется по показаниям датчика положения ротора.
Датчик положения ротора предназначен для реализации векторного управления активным выпрямителем и вычисления скорости вращения ротора синхронного электрического генератора. Точное определение положения ротора с малым временным запаздыванием при векторном управлении с датчиком положения ротора улучшает динамические характеристики синхронного электрического генератора и обеспечивает полную управляемость, что необходимо для эффективной работы алгоритмов регулирования работы ВЭУ.
Обратная связь по контуру тока организована с применением датчиков тока ДТА, ДТВ,ДТС.
Блок питания, подключенный непосредственно к выходу синхронного электрического генератора, обеспечивает низковольтное питание электронных устройств.
Система торможения производит ступенчатую остановку синхронного электрического генератора по команде микропроцессорного программируемого контроллера при превышении порогового значения напряжения Uin или аварийную остановку ВЭУ в случае выхода из строя одного из устройств системы отбора мощности ВД.
Понижающий преобразователь поддерживает напряжение в звене постоянного тока на конденсаторе Со между активным выпрямителем и понижающим преобразователем в заданном диапазоне значений Uin по показаниям датчика напряжения ДН за счет регулирования тока Iin по показаниям датчика тока ДТ1 и тока U по показаниям датчика тока ДТ2 сигналами PWM3 и PWM2 микропроцессорного программируемого контроллера. Понижающий преобразователь понижает напряжение до требуемого уровня U и позволяет ограничить максимальную величину тока Iro чем обеспечивает защиту от короткого замыкания.
Балластная нагрузка мощностью не менее номинальной мощности синхронного электрического генератора под управлением микропроцессорного программируемого контроллера отводит избыток электроэнергии в случае превышения заданного значения Uin.
Заявленный способ регулирования отбора мощности ветродвигателя обеспечивает повышение коэффициента преобразования энергии ветра во всем диапазоне рабочих скоростей ВЭУ и стабилизирует электромагнитный момент на валу генератора при скорости ветра выше расчетной, соответствующей номинальному значению мощности. Способ регулирования основан на управлении частотой вращения ветродвигателя в соответствии с алгоритмом поиска оптимальной частоты вращения, который оценивает изменение вырабатываемой энергии на заданном интервале времени и производит задание нового значения частоты вращения.
Система отбора мощности реализует три основных режима работы.
1. Режим работы в диапазоне значений скорости ветра от минимальной рабочей до расчетной, при которой СГ вырабатывает номинальную мощность.
В диапазоне частот вращения от минимальной рабочей до номинальной при поступлении ШИМ сигналов PWM1 на АВ с МПК производится коммутация обмоток СГ. При этом формируются синусоидальные синфазные с ЭДС токи заданной амплитуды в фазах генератора iA, iB, iC, что обеспечивает минимизацию потерь в обмотках СГ и формирование оптимальной частоты вращения на валу СГ в соответствии с разработанным алгоритмом. Синфазность и синусоидальность токов обеспечивается векторным управлением по показаниям ДПР. Активный выпрямитель преобразует ЭДС СГ и переменные фазные токи iA, iB, iC в постоянный выходной ток Iin с напряжением Uin на конденсаторе С0.
При полном отборе выходной мощности потребителем стабилизация напряжения Uin на конденса- 3 034889 торе Со в заданном диапазоне значений обеспечивается ПИ за счет регулирования тока 1п по показаниям ДТ2 модулированным ШИМ сигналом PWM3 МПК.
При невозможности полного отбора мощности потребителем (1п ограничен потребителем) стабилизация напряжения Uin на конденсаторе С0 в заданном диапазоне значений обеспечивается совместной работой ПИ и БН. Регулирование тока 1п по показаниям ДТ2 производится модулированными ШИМ сигналами PWM3 и PWM2 с МПК с подключением БН.
2. Режим работы в диапазоне значений скорости ветра, превышающих расчетную.
При значении скорости ветра, превышающей расчетную величину скорости ветра ВЭУ, ВД создает крутящий момент на валу МВ, превышающий номинальное значение электромагнитного момента МЭ синхронного электрического генератора. Частота вращения СГ становится выше номинальной, и АВ начинает работать в режиме диодного моста. В этом случае величина электрической мощности, поступающей с выхода АВ, превышает номинальное значение и ПП не способен стабилизировать напряжение Uin на конденсаторе С0. При достижении на конденсаторе С0 порогового значения напряжения Uin с МПК формируется ШИМ сигнал PWM2, который подключает балластную нагрузку и по показаниям ДТ1 формирует ток Iin на выходе АВ, чем создает номинальный электромагнитный момент МЭ. В случае если созданный момент МЭ превышает МВ, действующий на валу СГ и ВД, частота вращения снижается и ВЭУ переходит в режим работы 1.
В случае если созданного момента МЭ недостаточно для торможения СГ, частота вращения СГ увеличивается, возрастает ЭДС СГ и по показаниям ДН МПК передает сигнал si на СТ, после чего СТ производит ступенчатое торможение СГ и ВД. В процессе срабатывания СТ прекращается формирование токов АВ и зарядка конденсатора С0, при этом ПП продолжает выработку электроэнергии, что приводит к снижению напряжения Uin на ДН ниже заданного значения. После срабатывания СТ обмотки синхронного генератора остаются закороченными до тех пор, пока напряжение не понизится ниже заданного значения, после чего ВЭУ переходит в режим работы 2 с балластной нагрузкой.
3. Аварийный режим работы ВЭУ в случае выхода из строя одного из устройств системы отбора мощности ВД. В этом случае СТ производит остановку ВЭУ.
На фиг. 3 представлен алгоритм поиска оптимальной частоты вращения ветродвигателя. Алгоритм основан на поиске оптимальной частоты вращения по изменению усредненного значения вырабатываемой энергии на заданном интервале времени. Блок (12) задает начальные параметры: En - суммарная энергия, полученная на прошлой итерации цикла, wn-1 - задаваемая частота вращения на прошлой итерации цикла, wreq - задаваемая частота вращения на данной итерации цикла, k - число проходов цикла. В блоке (13) сравнивается число проходов с заданным предельным значением. Блок (14) задает задержку времени на цикл. Блок (15) выдает значения q составляющих по напряжению Uq и току Iq. Блок (16) добавляет к значению суммарной энергии En значение на данной итерации цикла. Понятие энергия в данном случае применяется с оговоркой, так как суммируются мгновенные значения мощности для амплитудных значений тока и напряжения одной фазы и суммарная величина, не равная реальной выработанной энергии генератора, но всегда пропорциональная ей с одинаковым коэффициентом. Таким образом, полученные значения энергии можно корректно сравнивать между собой, что и применяется в данном алгоритме. Блок (17) увеличивает счетчик проходов и при достижении предельного значения выполняется блок (18), сравнивающий произведение изменения энергии и частоты вращения между прошлой и нынешней итерацией с нулем. Значение больше нуля означает, что частота вращения повысилась и значение энергии возросло, либо частота вращения снизилась и значение энергии также снизилась, следовательно, требуется повысить частоту вращения, что выполняется блоком (19). Значение меньше нуля означает, что частота вращения снизилась, а значение энергии возросло, либо частота вращения повысилась, а значение энергии снизилось, следовательно, требуется снизить частоту вращения ветродвигателя, что выполняет блок (20).
На фиг. 4.1 приведена функциональная схема регулятора частоты вращения. Реализована схема векторного управления. Сумматор (21) вычисляет разность заданного значения частоты вращения w_req и фактического w_rot, значение разности поступает на блок (22), являющейся ПИ-регулятором. Блок (23) обеспечивает ограничение задания тока Iq_req в пределах от ноля до номинального значения электрической машины, чтобы избежать перевода ее в двигательный режим и не превысить допустимое значение тока.
На фиг. 4.2 приведена функциональная схема управления активным выпрямителем. Значения измеренных фазных токов поступают на блок (24), реализующий преобразование Парка-Кларка. Полученные значения d-q составляющих поступают на блоки (25) и (26), в которых из фактических значений вычитаются заданные и преобразуются ПИД регуляторами (27), (28). В блоке (29) восстанавливаются значения задания по каждой фазе и на их основе в блоке (30) формируются управляющие импульсы, поступающие на активный выпрямитель.

Claims (3)

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
1. Способ регулирования отбора мощности ветродвигателя, включающий управление частотой вращения ветродвигателя во всем диапазоне рабочих скоростей ветра в соответствии с алгоритмом поис
- 4 034889 ка оптимальной частоты вращения, который оценивает изменение вырабатываемой энергии на заданном интервале времени при изменении частоты вращения и производит задание нового значения частоты вращения на основе полученных значений, а при скорости ветра выше расчетной, соответствующей номинальному значению мощности, обеспечивает стабилизацию электромагнитного момента на валу синхронного электрического генератора, при этом управление частотой вращения во всем диапазоне рабочих скоростей ветра осуществляют системой отбора мощности ветродвигателя, состоящей из синхронного электрического генератора на постоянных магнитах с датчиком положения ротора, установленного на одном валу с ветродвигателем; собственного блока питания электронных устройств, подключенного непосредственно к выходу электрической машины; активного выпрямителя с векторным управлением микропроцессорным программируемым контроллером, обеспечивающих возможность задания электромагнитного момента путем формирования синусоидальных синфазных с ЭДС токов заданной амплитуды в фазных обмотках генератора и преобразующих их на выходе активного выпрямителя в ток зарядки конденсатора звена постоянного тока с напряжением больше заданного потребителем выходного напряжения, при этом стабилизация напряжения в заданном диапазоне значений обеспечивается понижающим преобразователем под управлением микропроцессорного контроллера при полном отборе выходной мощности потребителем, а при невозможности полного отбора мощности потребителем обеспечивается совместной работой понижающего преобразователя и балластной нагрузки под управлением микропроцессорного контроллера; работающего под управлением микропроцессорного контроллера понижающего преобразователя, поддерживающего напряжение в звене постоянного тока между активным выпрямителем и понижающим преобразователем в заданном диапазоне значений, а также понижающего выходное напряжение до требуемого потребителем уровня и ограничивающего максимальную величину тока для защиты от короткого замыкания; балластной нагрузки для отвода избытка электроэнергии под управлением микропроцессорного контроллера; системы торможения, связанной с обмотками синхронного электрического генератора, которая под управлением микропроцессорного контроллера производит ступенчатое торможение синхронного электрического генератора или аварийную остановку ВЭУ.
2. Способ регулирования отбора мощности ветродвигателя по п.1 отличающийся тем, что система дополнительно содержит балластную нагрузку с широтно-импульсно модулируемой коммутацией.
3. Способ регулирования отбора мощности ветродвигателя по п. 1 отличающийся тем, что синхронный электрический генератор (4) выполнен дисковой конструкцией с постоянными магнитами с осевой намагниченностью, состоящей из ротора с двумя соосными дисками, расположенными по обе стороны статора и жестко связанными между собой.
EA201890024A 2015-12-23 2015-12-23 Способ регулирования отбора мощности ветродвигателя EA034889B1 (ru)

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PCT/RU2015/000918 WO2017111645A1 (ru) 2015-12-23 2015-12-23 Способ регулирования отбора мощности ветродвигателя

Publications (2)

Publication Number Publication Date
EA201890024A1 EA201890024A1 (ru) 2018-12-28
EA034889B1 true EA034889B1 (ru) 2020-04-02

Family

ID=59090816

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
EA201890024A EA034889B1 (ru) 2015-12-23 2015-12-23 Способ регулирования отбора мощности ветродвигателя

Country Status (8)

Country Link
US (1) US20180226907A1 (ru)
EP (1) EP3358179A4 (ru)
KR (1) KR102048164B1 (ru)
CN (1) CN107923368B (ru)
BR (1) BR112018002103A2 (ru)
CA (1) CA3000991C (ru)
EA (1) EA034889B1 (ru)
WO (1) WO2017111645A1 (ru)

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP3382198A4 (en) * 2016-12-13 2019-11-13 Obshchestvo S Ogranichennoj Otvetstvennostyu "VDM-Tekhnika" PROCESS FOR ADJUSTING THE STARTING PERFORMANCE OF A WIND TURBINE
RU2701169C9 (ru) * 2018-08-21 2019-12-18 Акционерное общество "Электромашиностроительный завод "ЛЕПСЕ" Малогабаритная система генерирования постоянного тока
KR102132625B1 (ko) * 2019-04-30 2020-07-10 광운대학교 산학협력단 과속 피해 방지 풍력 발전기
US11671038B2 (en) 2019-08-09 2023-06-06 Hamilton Sundstrand Corporation Control of a wound field synchronous generator for transient load response

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1340910A1 (en) * 2002-02-28 2003-09-03 Enel Green Power S.p.A. Aerogenerator with axial flux permanent magnets and regulation thereof
WO2007086930A2 (en) * 2006-01-20 2007-08-02 Southwest Windpower, Inc. Stall controller and triggering condition control features for a wind turbine
US20100283252A1 (en) * 2009-05-08 2010-11-11 Fradella Richard B Broad speed range generator

Family Cites Families (20)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7042109B2 (en) * 2002-08-30 2006-05-09 Gabrys Christopher W Wind turbine
US7786616B2 (en) * 2003-02-07 2010-08-31 Cummins Power Generation Inc. Generator with DC boost and split bus bidirectional DC-to-DC converter for uninterruptible power supply system or for enhanced load pickup
US7372174B2 (en) * 2005-11-11 2008-05-13 Converteam Ltd Power converters
US7508089B2 (en) * 2006-03-16 2009-03-24 International Components Corporation Over speed control circuit for a wind turbine generator which maximizes the power exported from the generator over time
US7476987B2 (en) * 2006-04-25 2009-01-13 The University Of New Brunswick Stand-alone wind turbine system, apparatus, and method suitable for operating the same
US7626349B2 (en) * 2007-02-01 2009-12-01 Emerson Electric Co. Low noise heating, ventilating and/or air conditioning (HVAC) systems
US8030905B2 (en) * 2008-07-10 2011-10-04 Honeywell International Inc. Isolated generator control unit (GCU)
RU2430268C1 (ru) * 2010-01-19 2011-09-27 Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Оренбургский государственный аграрный университет" Гибридная ветроэнергетическая установка
CA2741389A1 (en) * 2011-02-23 2012-08-23 Mitsubishi Heavy Industries, Ltd. Controller for wind turbine generator, wind turbine generator, and method of controlling wind turbine generator
CN202108658U (zh) * 2011-06-12 2012-01-11 徐毓艺 V型合页式风力取力器
GB201113694D0 (en) * 2011-08-09 2011-09-21 Univ Southampton Turbine generator
US9835136B2 (en) * 2011-09-26 2017-12-05 Vestas Wind Systems A/S System and method for extending the operating life of a wind turbine gear train based on energy storage
DK177555B1 (en) * 2011-11-04 2013-10-07 Envision Energy Denmark Aps Wind Turbine with Additional Rotor Moment of Inertia
CN103166557B (zh) * 2011-12-12 2016-01-20 中山北京理工大学研究院 一种小型风力发电功率控制器
WO2013167141A1 (en) * 2012-05-11 2013-11-14 Vestas Wind Systems A/S A power system and method for operating a wind power system with a dispatching algorithm
ES2674157T3 (es) * 2012-06-06 2018-06-27 Vestas Wind Systems A/S Turbina eólica con un controlador de cargas
US9115695B2 (en) * 2013-07-16 2015-08-25 Siemens Aktiengesellschaft Method and arrangement for controlling a wind turbine
US9991771B2 (en) * 2013-11-05 2018-06-05 The University Of Maryland, Baltimore County Active control system for a variable electromotive-force generator with applications to wind turbines, ships, and hybrid vehicles
CN103953499A (zh) * 2014-03-04 2014-07-30 耿全水 立式风能取力器
CN104806450B (zh) * 2015-03-25 2017-07-14 华北电力大学（保定） 一种基于万有引力神经网络的风电***mppt控制方法

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1340910A1 (en) * 2002-02-28 2003-09-03 Enel Green Power S.p.A. Aerogenerator with axial flux permanent magnets and regulation thereof
WO2007086930A2 (en) * 2006-01-20 2007-08-02 Southwest Windpower, Inc. Stall controller and triggering condition control features for a wind turbine
US20100283252A1 (en) * 2009-05-08 2010-11-11 Fradella Richard B Broad speed range generator

Also Published As

Publication number Publication date
KR20180019726A (ko) 2018-02-26
EP3358179A4 (en) 2019-05-15
WO2017111645A1 (ru) 2017-06-29
CA3000991C (en) 2021-11-02
CA3000991A1 (en) 2017-06-29
BR112018002103A2 (pt) 2018-09-18
US20180226907A1 (en) 2018-08-09
EP3358179A1 (en) 2018-08-08
KR102048164B1 (ko) 2019-11-22
CN107923368A (zh) 2018-04-17
EA201890024A1 (ru) 2018-12-28
CN107923368B (zh) 2020-03-13

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR102050174B1 (ko) 풍력 터빈 파워 인출을 조정하는 방법
Cárdenas et al. Control strategies for power smoothing using a flywheel driven by a sensorless vector-controlled induction machine operating in a wide speed range
CA2914293C (en) Systems and methods for increasing wind turbine power output
KR100668118B1 (ko) 권선형 유도 발전기 제어용 전력변환장치 및 전력변환방법
US20130016537A1 (en) Method for controlling a frequency converter and frequency converter
US20180226907A1 (en) Method and system for adjusting wind turbine power take-off
RU2014108960A (ru) Способ и система для управления гидроэлектрическими турбинами
TWI446138B (zh) 風力發電之激磁式同步發電機系統的控制方法
KR20140000138A (ko) 발전기 토크 제어 방법
EP2889178A1 (en) Synchronous generator control based on flux optimizer
Obed et al. Speed and current limiting control strategies for BLDC motor drive system: A comparative study
JP3884260B2 (ja) 風力発電装置
JP6559563B2 (ja) 風力発電用の出力制御装置
JP4398440B2 (ja) 風力発電装置
RU2447573C1 (ru) Электропривод переменного тока
US9200617B2 (en) Wind turbine for generating electric energy
Iacchetti et al. Enhanced torque control in a DFIG connected to a DC grid by a diode rectifier
Nikolic et al. Direct torque control and virtual-flux based direct power control of current source converter in wind turbine application
Naidu et al. Improved SEPIC Converter for PFC Correction in Industrial AC And DC Drive Application
Paul et al. Modeling and control of induction generator applied to variable speed Wind Energy Systems Conversion
Vdovin et al. DC mains backup power system for frequency-controlled electric drive
Messaoud et al. New control strategies of a small size wind generation system for battery charging
JP2004274973A (ja) 風力発電用電力変換装置
CN104600739A (zh) 变速风力涡轮机

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A Lapse of a eurasian patent due to non-payment of renewal fees within the time limit in the following designated state(s)

Designated state(s): AM AZ BY KZ KG TJ TM RU