RU2742889C1 - Способ электроснабжения автономных потребителей ветроэнергетическими устройствами - Google Patents
Способ электроснабжения автономных потребителей ветроэнергетическими устройствами Download PDFInfo
- Publication number
- RU2742889C1 RU2742889C1 RU2019145410A RU2019145410A RU2742889C1 RU 2742889 C1 RU2742889 C1 RU 2742889C1 RU 2019145410 A RU2019145410 A RU 2019145410A RU 2019145410 A RU2019145410 A RU 2019145410A RU 2742889 C1 RU2742889 C1 RU 2742889C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- generator
- wind
- wind turbine
- output
- battery
- Prior art date
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 16
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims abstract description 4
- 230000001360 synchronised effect Effects 0.000 claims description 8
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 2
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 2
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 2
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 2
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 2
- 238000005457 optimization Methods 0.000 description 2
- 230000033228 biological regulation Effects 0.000 description 1
- 244000309464 bull Species 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 230000009977 dual effect Effects 0.000 description 1
- 230000008030 elimination Effects 0.000 description 1
- 238000003379 elimination reaction Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 1
- 230000006698 induction Effects 0.000 description 1
- 238000009987 spinning Methods 0.000 description 1
- 230000006641 stabilisation Effects 0.000 description 1
- 238000011105 stabilization Methods 0.000 description 1
- 239000003381 stabilizer Substances 0.000 description 1
- 238000004804 winding Methods 0.000 description 1
Images
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
- F03D7/0204—Controlling wind motors the wind motors having rotation axis substantially parallel to the air flow entering the rotor for orientation in relation to wind direction
-
- 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)
- 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)
Abstract
Изобретение относится к способу электроснабжения ветроэнергетическими устройствами автономных потребителей. Способ заключается в том, что в состав ветроэнергетических устройств включают ветротурбину 7 и генератор 10 с повышающим редуктором 9. В качестве генератора используют любой генератор переменного или постоянного тока без системы преобразования выходного напряжения. К выходу генератора 10 подключают аккумуляторную батарею 14 через выпрямительный элемент 11 в виде выпрямительного моста для генераторов переменного тока или силового диода для генераторов постоянного тока. К батарее 14 подключают сетевой инвертор 15. Рабочее напряжение батареи 14 соответствует постоянному напряжению на выходе элемента 11 при достижении номинальных оборотов ветротурбины 7 на холостом ходу, при превышении которых ветроэнергетическое устройство выходит на рабочий режим. Изобретение направлено на создание простого и надежного способа снабжения ветроэнергетическими устройствами автономных потребителей. 2 ил.
Description
Изобретение относится к области нетрадиционной энергетики и может быть использовано для получения электрической и механической энергии.
Типичным для этой группы ВТ является то, что генераторы подсоединены не непосредственно к сети, а с помощью преобразователей частоты. Это позволяет снизить связанность частоты внешней промышленной сети и частоты генератора, и, следовательно, осуществить регулирование его скорости вращения (Стычинский З.А., Воропай Н.И. Возобновляемые источники энергии. Теоретические основы, технологии, технические характеристики, экономика. Otto-von-Guericke-Universitat, Magdeburg, 2010. - 203 с.). Более подробно регулирование скорости ВЭУ при помощи асинхронного генератора с двойным питанием - doubly fed induction generator (DFIG) излагается в работе (Control of DFIG Wind Turbine With Direct-Current Vector Control Conguration. / Shuhui Li, Senior Member, IEEE, Timothy A. Haskew, Senior Member, IEEE, Keith A. Williams, and Richard P. Swatloski. - P. 359-367. IEEE TRANSACTIONS ON SUSTAINABLE ENERGY, VOL. 3, NO. 1, JANUARY 2012 1).
Этот способ получения электроэнергии от ВЭУ принимаем за аналог. Благодаря устранению прямой зависимости генератора и сети от скорости ВП и оборотов ВТ функционирование соответствующих ВЭУ более гибкое, и электрические параметры в точке общего соединения, такие как напряжение, частота, могут быть лучше отрегулированы. В схеме DFIG применен асинхронный генератор с токосъемными кольцами. Трехфазная обмотка статора генератора использует трансформатор с выходом на сеть, в то время как ротор включен в сеть при помощи электронного силового преобразователя. Устройство преобразователя позволяет изменять угловую скорость в определенном интервале. Этот интервал ограничен как механическими параметрами ВЭУ, так и техническими характеристиками преобразователя. Большинство ВЭУ с DFIG содержат редуктор, который позволяет соединить тихоходный вал ВЭУ с быстроходным валом генератора.
Отметим недостатки применения DFIG в ВЭУ:
1. Одновременные изменения скорости ветра (его уменьшение) и изменение нагрузки - ее наброс - может привести к отключению ветроустановки от сети. При использовании асинхронного генератора с двойным питанием по системе DFIG необходимо согласование энергии ветра в данный момент с нагрузкой на генератор. Поэтому электроснабжение автономной переменной нагрузки не может быть обеспеченно ветроустановкой с генератором по системе DFIG.
2. Вариант передачи системой DFIG энергии от ВТ в сеть достаточно сложен. Необходимо применение электронных блоков мощностью порядка 5% от установленной мощности генератора, расход этой мощности осуществляется из питающей сети.
3. Наличие нескольких контроллеров, работающих совместно, усложняет наладку и эксплуатацию ветроустановки с системой DFIG.
Известно также регулирование скорости ВЭУ при помощи синхронного генератора с непосредственной передачей вращения (см. US 8577508 B2, 05.11.2013, H02P 9/04). Этот способ получения электроэнергии от ВЭУ принимаем за прототип.
На Фиг. 1 представлена общая схема применения концепции синхронного генератора.
В его состав входит: 1 - повышающий редуктор, 2 - система преобразования выходного напряжения генератора, 3 - выпрямительный мост Ларионова с фильтром LC, 4 - стабилизатор постоянного напряжения и преобразователь постоянного напряжения в трехфазное напряжение 50 гц. - сетевой инвертор, 5 - сетевой трансформатор, 6 - сетевая нагрузка. Статор генератора подключен к сети при помощи преобразователей. Если угловая скорость ВТ изменяется от номинального значения из-за изменения скорости ветра, частота индуцированного напряжения на генераторе ВЭУ не постоянна и не равна 50 Гц. По этой причине индуцированное напряжение должно быть сначала преобразовано при помощи выпрямителя в напряжение постоянного тока, и потом при помощи инвертора в трехфазное напряжение переменного токае постоянной частотой сети. Для такой концепции ВЭУ необходима такая система преобразователей, которая предназначена для всех номинальных мощностей генератора. Может применяться как синхронный генератор на постоянных магнитах, так и синхронный генератор со специальным фазным ротором.
Отметим недостаток применения SG в ВЭУ:
1. Одновременные изменения скорости ветра (его уменьшение) и изменение нагрузки - ее наброс - может привести к отключению ВЭУ с SG от сети. При использовании синхронного генератора по системе SG необходимо согласование энергии ветра в данный момент с нагрузкой на генератор. Поэтому электроснабжение автономной переменной нагрузки не может быть обеспеченно ветроустановкой с генератором по системе SG.
Задачей предполагаемого изобретения является создание простого и надежного способа электроснабжения ВЭУ автономных потребителей сетевого трехфазного напряжения с учетом непредвиденных изменений скорости ветра и мощности сетевой нагрузки. При этом предполагаются ВЭУ с регулируемой скоростью воздушной турбины (ВТ) и генератора при оптимизации энергии, извлекаемой ВТ из воздушного потока (ВП). Например, для ВТ с аэродинамическими крыльями и горизонтальной осью разработана конструкция, обеспечивающая повышенный съем энергии с ВП. (Соколовский Ю.Б. Соколовский А.Ю. Иванова О.Ю., Соколовский Д.Ю. Экологичная и энергоэффективная ветротурбина на горизонтальном валу. Патент РФ №2692602 Опубликован 25.07.2019 г. Бюл. №18).
Аналогичная разработка проведена для ВТ с аэродинамическими крыльями и вертикальной осью. (Соколовский Ю.Б., Соколовский А.Ю., Иванова О.Ю., Соколовский Д.Ю. Способ преобразования кинетической энергии текущей среды во вращательное движение крыльев. Патент РФ №2702814 от 11.10.2019 г. Бюл. №29). Проведена также оптимизация и для ВТ с вертикальной осью и плоскими лопастями (Гуревич В.А. Соколовский Ю.Б. Соколовский А.Ю. Способ преобразования кинетической энергии воздушного потока во вращательное движение плоской лопасти. Патент RU №2664639. Опубликован 21.08.2018 г. Бюл. №24.) Подобные конструкции ВТ позволяют достигать оптимальной выходной мощности ВЭУ в широком диапазоне скоростей ВП путем регулировки положения крыльев, лопастей для действующего относительно их вектора ВП. Регулирование положения крыльев, лопастей для действующего относительно их вектора ВП позволяет при опасных для конструкций ВЭУ скоростей ВП обеспечить их защиту за счет уменьшения их вращательного момента вплоть до нулевого значения (режима флюгерования).
Технический результат достигается в способе электроснабжения автономных потребителей ветроэнергетическими устройствами заключающемся в том, что в его состав включены ветротурбина и синхронный генератор обычно с повышающим редуктором, согласно изобретению в качестве генератора используется любой генератор переменного или постоянного тока без системы преобразования выходного напряжения, а к его выходу подключена аккумуляторная батарея через выпрямительный элемент в виде выпрямительного моста для генераторов переменного тока или силового диода для генераторов постоянного тока, к аккумуляторной батарее подключен также сетевой инвертор, причем рабочее напряжение аккумуляторной батареи соответствует постоянному напряжению на выходе выпрямительного элемента при достижении номинальных оборотах ветротурбины на холостом ходу, при превышении которых ветроэнергетическое устройство выходит на рабочий режим.
Способ заключается в том, что в ВЭУ раскрутка ВТ до номинальных оборотов nн осуществляется на холостом ходу, т.е. отсутствует нагрузочный зарядный ток генератора.
Выбираем - nн - об. мин для конкретной конструкции ВТ с учетом надежности, удобства эксплуатации и минимальных вибраций с учетом требований по экологии. Это позволяет уменьшить момент трогания и запустить ВТ при малых скоростях ВП. Выход на значительные номинальные обороты перед подключением нагрузки особенно эффективен для классических ВТ с горизонтальной осью (Ю.Б. Соколовский, В.М. Роткин. Теоретические и технические основы оптимизации ветровых энергетических установок. LuluPress, Inc. 2017. 112 с.). По «ометаемой» площади конструкции ВТ, ее КИЕВ (к.п.д.) и среднему значению скорости ВП в данной местности выбираем мощность РГ - для генератора переменного или постоянного тока С учетом nн оборотов ВТ, ускоряющего редуктора и РГ подбираем приемлемые обороты - nГ для конкретного генератора (например, номинальные nГН для более эффективного использования). К выходу генераторов подключаем выпрямительный элемент. Для генераторов переменного тока подключается выпрямительный мост и обычно LC-фильтр, а к выходу генераторов постоянного тока - силовой диод. По напряжению UH на выходе выпрямительного элемента при достижении ВТ nн-оборотов выбираем напряжение аккумуляторной батареи UAБ=UНГ. значительной емкости. Нагрузка - IЗар аккумуляторов на ВТ и генераторы появляется при превышении nн оборотов ВТ на Δn.
Δn*КГ=ΔUГ=IЗар*RЯГ+IЗар*RАК,
где КГ - коэффициент напряжения генератора, RЯГ - сопротивление якорной цепи генератора, RAК - сопротивление аккумуляторной батареи.
За счет мягкой нагрузочной характеристики в цепи генератора и аккумуляторной батареи небольшое превышение оборотов Δn ВТ приводит к появлению значительного нагрузочного зарядного тока, осуществляющего подтормаживание ВТ и генератора до выхода в некоторую точку равновесия, создаваемого моментом ВТ и тормозным моментом генератора. Появляется приблизительная стабилизация оборотов ВТ и генератора в широком диапазоне изменения скорости ВП. Использование естественной мягкой нагрузочной характеристики ВЭУ без дополнительных регуляторов является достоинством предложенного способа. Для генераторов переменного тока (синхронных и асинхронных) при приемлемых (номинальных) оборотах и частоте выходного напряжения существенно упрощается LC-фильтр или становится излишним по сравнению с прототипом, где частота выходного напряжения изменяется в широком диапазоне и LC-фильтр необходим. Для генераторов постоянного тока отсутствует LC-фильтр и вместо выпрямительного моста используется один силовой диод. Широкий выбор генераторов при реализации предлагаемого способа - безусловное его достоинство. На Фиг. 2 дан вариант схемы ВЭУ, реализующей предложенный способ. В его состав входит:
7 - ветротурбина - ВТ, 9 - часто используется повышающий редуктор с соединительными муфтами - 8, 10 - генератор, 11 - выпрямительный элемент (выпрямительный мост для генераторов переменного тока и силовой диод для генераторов постоянного тока), 12 - LC-фильтр (часто используется для генераторов переменного тока), 13 - датчик нагрузочного зарядного тока, 14 - аккумуляторная батарея, 15 - сетевой инвертор, 16 - узел защиты конструкций ВТ, генератора и аккумуляторной батареи при превышении номинального тока генератора или допустимого для аккумуляторов зарядного тока, 17 - выход сетевого инвертора.
В предлагаемом способе работа ВЭУ начинается с раскрутки ВТ-7 на холостом ходу, когда отсутствует рабочий нагрузочный момент, создаваемый генератором - 10 (его нагрузочным зарядным током IЗар). Раскрутка ВТ осуществляется, если при действующей скорости ВП создается момент, превышающий тормозной момент холостого хода, обусловленный механическими аэродинамическим торможением конструкции ВТ. Отсутствие рабочей нагрузки при запуске ВТ уменьшает момент трогания, а ее подключение к нагрузке только при достижении номинальных - nн оборотов повышает ее эффективность. При превышении ВТ своих номинальных оборотов - nн на Δn напряжение на генераторе - 10 превысит напряжение UAБ на аккумуляторной батарее - 14 и появится нагрузочный зарядный ток генератора IЗар на выходе выпрямительного элемента - 11. Одновременно появляется нагрузочный момент на ВТ и начинается зарядка аккумуляторной батареи. ВЭУ выходит на рабочий режим - электроснабжение автономных потребителей, который контролируется узлом защиты конструкций ВТ - 16. При опасном для конструкции ВТ превышении оборотов Δn, при превышении номинального тока генератора - 10 или превышении допустимого зарядного тока аккумуляторной батареи - 14 узел защиты - 16 воздействует на элементы конструкции ВТ, снижая ее рабочий момент вплоть до нулевого значения. Аккумуляторная батарея - 14 должна иметь значительную емкость, чтобы обеспечивать поддержание напряжения UAБ при больших набросах нагрузки автономного потребителя.
Claims (1)
- Способ электроснабжения автономных потребителей ветроэнергетическими устройствами, заключающийся в том, что в его состав включены ветротурбина и синхронный генератор обычно с повышающим редуктором, отличающийся тем, что в качестве генератора используется любой генератор переменного или постоянного тока без системы преобразования выходного напряжения, а к его выходу подключена аккумуляторная батарея через выпрямительный элемент в виде выпрямительного моста для генераторов переменного тока или силового диода для генераторов постоянного тока, к аккумуляторной батарее подключен также сетевой инвертор, причем рабочее напряжение аккумуляторной батареи соответствует постоянному напряжению на выходе выпрямительного элемента при достижении номинальных оборотов ветротурбины на холостом ходу, при превышении которых ветроэнергетическое устройство выходит на рабочий режим.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2019145410A RU2742889C1 (ru) | 2019-12-26 | 2019-12-26 | Способ электроснабжения автономных потребителей ветроэнергетическими устройствами |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2019145410A RU2742889C1 (ru) | 2019-12-26 | 2019-12-26 | Способ электроснабжения автономных потребителей ветроэнергетическими устройствами |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2742889C1 true RU2742889C1 (ru) | 2021-02-11 |
Family
ID=74665914
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2019145410A RU2742889C1 (ru) | 2019-12-26 | 2019-12-26 | Способ электроснабжения автономных потребителей ветроэнергетическими устройствами |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2742889C1 (ru) |
Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101051793A (zh) * | 2007-05-21 | 2007-10-10 | 哈尔滨九洲电气股份有限公司 | 兆瓦级直驱式风电并网变流器 |
| US7884492B2 (en) * | 2007-11-13 | 2011-02-08 | General Electric Company | Methods and systems for wind turbine generators |
| CN102769423A (zh) * | 2012-07-16 | 2012-11-07 | 上海电力学院 | 基于z源逆变器的永磁同步机风力发电***和控制方法 |
| RU2468251C1 (ru) * | 2011-07-07 | 2012-11-27 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский университет "МЭИ" | Способ регулирования ветроэнергетической установки и устройство для его реализации |
| US8577508B2 (en) * | 2007-05-04 | 2013-11-05 | University Of Alabama | Converter control of variable-speed wind turbines |
| CN104201717A (zh) * | 2014-09-01 | 2014-12-10 | 黄守道 | 一种永磁直驱风电*** |
| US8928165B2 (en) * | 2011-04-11 | 2015-01-06 | University Of Zagreb Faculty Of Electrical Engineering And Computing | Generator-fault-tolerant control for a variable-speed variable-pitch wind turbine |
-
2019
- 2019-12-26 RU RU2019145410A patent/RU2742889C1/ru active
Patent Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US8577508B2 (en) * | 2007-05-04 | 2013-11-05 | University Of Alabama | Converter control of variable-speed wind turbines |
| CN101051793A (zh) * | 2007-05-21 | 2007-10-10 | 哈尔滨九洲电气股份有限公司 | 兆瓦级直驱式风电并网变流器 |
| US7884492B2 (en) * | 2007-11-13 | 2011-02-08 | General Electric Company | Methods and systems for wind turbine generators |
| US8928165B2 (en) * | 2011-04-11 | 2015-01-06 | University Of Zagreb Faculty Of Electrical Engineering And Computing | Generator-fault-tolerant control for a variable-speed variable-pitch wind turbine |
| RU2468251C1 (ru) * | 2011-07-07 | 2012-11-27 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский университет "МЭИ" | Способ регулирования ветроэнергетической установки и устройство для его реализации |
| CN102769423A (zh) * | 2012-07-16 | 2012-11-07 | 上海电力学院 | 基于z源逆变器的永磁同步机风力发电***和控制方法 |
| CN104201717A (zh) * | 2014-09-01 | 2014-12-10 | 黄守道 | 一种永磁直驱风电*** |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US9450416B2 (en) | Wind turbine generator controller responsive to grid frequency change | |
| US6954004B2 (en) | Doubly fed induction machine | |
| ES2438994T3 (es) | Aerogenerador de velocidad variable que tiene una máquina excitatriz y un convertidor de energía no conectado a la red | |
| US4994684A (en) | Doubly fed generator variable speed generation control system | |
| US6984897B2 (en) | Electro-mechanical energy conversion system having a permanent magnet machine with stator, resonant transfer link and energy converter controls | |
| US8227929B2 (en) | Multi-use energy storage for renewable sources | |
| US9429142B2 (en) | Method for charging a DC link of a wind turbine power electronic converter | |
| US20080129050A1 (en) | Hybrid power-generating device | |
| US20030057703A1 (en) | Method of controlling electrical rotating machines connected to a common shaft | |
| US6924991B2 (en) | Energy transfer multiplexer | |
| Singh et al. | Control of PMSG based variable speed wind-battery hybrid system in an isolated network | |
| RU2742889C1 (ru) | Способ электроснабжения автономных потребителей ветроэнергетическими устройствами | |
| CN201903629U (zh) | 交流变压型励磁同步风力发电实验装置 | |
| WO2011161692A2 (en) | Reactive power management for wind turbine applications | |
| RU2262790C1 (ru) | Автономная система бесперебойного электроснабжения, использующая возобновляемый источник энергии | |
| RU159413U1 (ru) | Ветроэнергетическая установка | |
| RU2468251C1 (ru) | Способ регулирования ветроэнергетической установки и устройство для его реализации | |
| Verma et al. | Theoretical approach for comparison of various types of wind generator systems | |
| CN111917348B (zh) | 智能发电设备 | |
| RU113615U1 (ru) | Автономная система бесперебойного электроснабжения, использующая возобновляемый источник энергии | |
| Mazurenko et al. | Wind energy conversion system with induction generators connected to a single static compensator | |
| Deshpande et al. | Output power maximization of wind energy conversion system using doubly fed induction generator | |
| WO2010148062A2 (en) | Electronic control of wind turbine electric power generator | |
| EP4224012A1 (en) | Low-wind ride-through of a wind turbine | |
| JPH0736718B2 (ja) | 風力発電装置 |