RU2787630C1 - Wind turbine control system - Google Patents

Abstract

FIELD: wind energy.

SUBSTANCE: invention relates to the field of wind energy and can be used in wind turbines to improve the energy efficiency of the wind generator. The wind generator consists of a wind wheel connected by a mechanical shaft to the rotor of a three-phase synchronous electric generator with permanent magnets. Each two-section phase stator winding is connected through contact groups and a rectifier-charger to a battery and an inverter connected to the load, a rotor speed meter and a four-zone comparator. The windings can be switched in series or in parallel, in a star or delta configuration. With an increase in wind speed and, accordingly, the speed of rotation of the rotor, the value of the output voltage increases. Depending on the rotor speed, the windings are connected in series star, series delta, parallel star, parallel delta configurations.

EFFECT: ensuring the possibility of starting the battery charge at low speeds of rotation of the generator rotor, at increased speeds of rotation of the generator rotor, the appearance of an increased output voltage is excluded, while the need to connect an additional load is eliminated, power dissipation on the active resistance of the stator phase windings is reduced.

1 cl, 6 dwg

Description

Изобретение относится к области ветроэнергетики и может быть использовано в ветроэлектрических агрегатах для повышения их энергетической эффективности.The invention relates to the field of wind energy and can be used in wind turbines to improve their energy efficiency.

Известен способ управления ветроэнергетической установкой (патент РФ №2133375), состоящей из ветродвигателя, передаточного устройства и генератора электрической энергии, при котором в качестве управляющего параметра используют частоту вращения вала генератора, в зависимости от производимой ветроэнергетической установкой энергии осуществляют изменение схемы коммутации обмоток электрогенератора и подключения электрической нагрузки к генератору электрической энергии, при этом при достижении частотой вращения значения, превышающего заданные значения вырабатываемой мощности, подключают нагрузки, соответствующие вырабатываемой ветроэнергетической установкой энергии.A known method of controlling a wind power plant (RF patent No. 2133375), consisting of a wind turbine, a transmission device and an electric power generator, in which the generator shaft speed is used as a control parameter, depending on the energy produced by the wind power plant, the switching circuit of the windings of the electric generator and the connection are changed. electrical load to the generator of electrical energy, while when the speed reaches a value exceeding the specified values of the generated power, the loads corresponding to the energy generated by the wind power plant are connected.

В изобретении определяется скорость вращения ротора ветрогенератора и соответствующая этой скорости вырабатываемая электроэнергия. При превышении заданных пороговых значений вырабатываемой мощности изменяется схема коммутации обмоток генератора и нагрузки, обеспечивая оптимальный режим генератора и исключая его перегрузку.The invention determines the speed of rotation of the rotor of the wind generator and the generated electricity corresponding to this speed. When the set threshold values of the generated power are exceeded, the switching circuit of the generator and load windings changes, ensuring the optimal mode of the generator and excluding its overload.

К недостаткам способа относятся использование в схеме генератора дополнительной нагрузки, которая будет потреблять часть генерируемой электрической мощности вместо того, чтобы отдавать эту мощность в нагрузку.The disadvantages of the method include the use of an additional load generator in the circuit, which will consume part of the generated electrical power instead of giving this power to the load.

Известен также способ управления стартер-генераторной системой переменного тока и устройство для его реализации (заявка на изобретение РФ №2012125281), заключающийся в том, что при работе системы в генераторном режиме выходное напряжение генератора регулируют с помощью его подгрузки реактивным током с отстающим либо опережающим коэффициентом мощности, одновременно дополнительно регулируя диапазон изменения выходного напряжения генератора путем изменения количества задействованных секций фазных обмоток, производимого с помощью двунаправленных симметричных управляемых ключей в соответствии с величиной отклонения выходного напряжения от заданного значения.There is also known a method for controlling an alternating current starter-generator system and a device for its implementation (application for the invention of the Russian Federation No. power, while additionally adjusting the range of change in the output voltage of the generator by changing the number of phase winding sections involved, produced using bidirectional symmetrical controlled switches in accordance with the deviation of the output voltage from the set value.

Недостатком способа является передача электроэнергии в нагрузку только при высоких скоростях вращения ротора генератора, кроме этого, при высоких скоростях вращения ротора подгрузка генератора реактивным током вызывает дополнительные потери мощности.The disadvantage of this method is the transfer of electricity to the load only at high speeds of rotation of the generator rotor, in addition, at high speeds of rotation of the rotor, loading the generator with reactive current causes additional power losses.

Известен также способ управления скоростью ветротурбины при переключении электрической конфигурации (Speed management of a wind turbine when switching electrical configuration) (патент WO 2015/032409). Для эффективной работы ветровой турбины при различных скоростях ветра, ветровая турбина может переключаться между двумя различными электрическими конфигурациями. Ветротурбина имеет в своем составе реле, которое реконфигурирует генератор в конфигурации «звезда» или «треугольник». Две электрические конфигурации имеют различную эффективность в зависимости от скорости ветра. Конфигурация «звезда» может быть более эффективна, чем конфигурация «треугольник» на низких скоростях, но когда скорость ветра увеличивается таким образом, что выходная мощность генератора превышает порог ограничения мощности конфигурации «звезда», приходится ограничивать мощность ветротурбины и включать конфигурацию «треугольник».There is also known a method for controlling the speed of a wind turbine when switching electrical configuration (Speed management of a wind turbine when switching electrical configuration) (patent WO 2015/032409). In order to operate the wind turbine efficiently at different wind speeds, the wind turbine can be switched between two different electrical configurations. The wind turbine incorporates a relay that reconfigures the generator in a star or delta configuration. The two electrical configurations have different efficiencies depending on the wind speed. The star configuration can be more efficient than the delta configuration at low speeds, but when the wind speed increases such that the generator output power exceeds the star configuration power limit threshold, the wind turbine power must be limited and the delta configuration must be turned on.

Недостатком является наличие только двух электрических конфигураций обмоток генератора, что снижает гибкость системы управления ветротурбиной и, соответственно, энергоэффективность ветротурбины.The disadvantage is the presence of only two electrical configurations of the generator windings, which reduces the flexibility of the wind turbine control system and, accordingly, the energy efficiency of the wind turbine.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является ветрогенератор (патент на полезную модель РФ №186110), состоящий из ветроколеса, связанного механическим валом с ротором трехфазного синхронного электрического генератора с постоянными магнитами, каждая двухсекционная фазная обмотка статора которого через контактные группы и выпрямительно-зарядное устройство соединена с аккумулятором и инвертором, подключенным к нагрузке, к одной из секций обмотки статора подключен измеритель скорости вращения ротора, выходом связанный с компаратором, к выходу которого подключена обмотка реле, изменяющие схему подключения трех двухсекционных фазных обмоток статора с помощью контактных групп А, В и С таким образом, что в зависимости от скорости вращения ротора первая и вторая секции трех двухсекционных фазных обмоток статора коммутируются последовательно или параллельно.The closest to the proposed technical solution is a wind generator (utility model patent of the Russian Federation No. 186110), consisting of a wind wheel connected by a mechanical shaft to the rotor of a three-phase synchronous electric generator with permanent magnets, each two-section phase stator winding of which is connected through contact groups and a rectifier-charging device with a battery and an inverter connected to the load, a rotor speed meter is connected to one of the sections of the stator winding, the output is connected to the comparator, to the output of which the relay winding is connected, changing the connection scheme of three two-section phase stator windings using contact groups A, B and C in such a way that, depending on the speed of rotation of the rotor, the first and second sections of the three two-section phase stator windings are switched in series or in parallel.

Недостатком является наличие только двух электрических конфигураций обмоток генератора, что снижает гибкость системы управления ветротурбиной и, соответственно, энергоэффективность ветротурбины.The disadvantage is the presence of only two electrical configurations of the generator windings, which reduces the flexibility of the wind turbine control system and, accordingly, the energy efficiency of the wind turbine.

Ветрогенераторы рассчитывают на определенный диапазон используемых скоростей ветра. В низкоскоростных генераторах передача вырабатываемой электроэнергии в нагрузку и, в частности, заряд аккумуляторов осуществляется уже при минимальных скоростях вращения ротора, при этом при больших скоростях вращения ротора генератор на обмотках статора индуцируется повышенное напряжение. В этом режиме к генератору подключается балластная нагрузка, в которой рассеивается избыточная мощность. Кроме этого, на активном сопротивлении проводов обмотки статора генератора происходит значительное рассеяние мощности, прямо пропорциональное индуцируемому напряжению и соответственно току, протекающему через обмотки.Wind generators rely on a certain range of usable wind speeds. In low-speed generators, the transfer of generated electricity to the load and, in particular, the charging of batteries is carried out already at minimum rotor speeds, while at high rotor speeds, the generator is induced on the stator windings with increased voltage. In this mode, a ballast load is connected to the generator, in which excess power is dissipated. In addition, on the active resistance of the wires of the stator winding of the generator, there is a significant power dissipation, which is directly proportional to the induced voltage and, accordingly, the current flowing through the windings.

В высокоскоростных генераторах начало передачи электроэнергии от генератора в нагрузку и, в частности, заряд аккумуляторов происходит при достаточно высоких скоростях вращения ротора, а низкие скорости вращения не используются.In high-speed generators, the beginning of the transfer of electricity from the generator to the load and, in particular, the charging of the batteries occurs at sufficiently high rotor speeds, and low rotation speeds are not used.

Задачей изобретения является повышение энергетической эффективности ветрогенератора путем выделения четырех диапазонов скорости вращения ротора и изменения схемы подключения трех двухсекционных фазных обмоток статора с помощью двух реле таким образом, что в зависимости от скорости вращения ротора задаются четыре режима работы, при которых обмотки коммутируются в конфигурации «звезда» или «треугольник», при этом первая и вторая секции трех двухсекционных фазных обмоток статора коммутируются последовательно или параллельно. Назовем эти схемы «последовательная звезда», «последовательный треугольник», «параллельная звезда», «параллельный треугольник». Схема коммутации обмоток выполнена таким образом, что при минимальной скорости вращения ротора обмотки соединяются в последовательную звезду, при которой генерируется максимальное напряжение на выходе выпрямительно-зарядного устройства. При увеличении скорости вращения ротора выходное напряжение генератора увеличивается, обмотки коммутируются в последовательный треугольник, при этом выходное напряжение выпрямительно-зарядного устройства уменьшается в

раз. При дальнейшем увеличении скорости вращения ротора выходное напряжение генератора увеличивается, секции двухсекционных фазных обмоток коммутируются сначала в параллельный треугольник, а в дальнейшем в параллельную звезду, при этом суммарное вырабатываемое напряжение на них уменьшается в два раза по сравнению с соответственно последовательной звездой и последовательным треугольником, сопротивление обмоток уменьшается, при этом не происходит превышение генерируемой мощности и уменьшаются потери мощности на активном сопротивлении обмоток.The objective of the invention is to increase the energy efficiency of a wind generator by highlighting four ranges of rotor speed and changing the connection scheme of three two-section phase stator windings using two relays in such a way that, depending on the rotor speed, four operating modes are set, in which the windings are switched in a star configuration. ” or “triangle”, while the first and second sections of the three two-section phase stator windings are switched in series or in parallel. Let's call these circuits "series star", "series delta", "parallel star", "parallel delta". The winding switching circuit is designed in such a way that at a minimum rotor speed, the windings are connected into a series star, at which the maximum voltage is generated at the output of the rectifier-charging device. With an increase in the rotor speed, the output voltage of the generator increases, the windings are switched into a series triangle, while the output voltage of the rectifier-charger decreases in

once. With a further increase in the speed of rotation of the rotor, the output voltage of the generator increases, the sections of the two-section phase windings are switched first into a parallel triangle, and then into a parallel star, while the total voltage generated on them is halved compared to, respectively, a series star and a series triangle, resistance windings is reduced, while the generated power is not exceeded and the power losses on the active resistance of the windings are reduced.

Поставленная задача решается тем, что в устройство, состоящее из ветроколеса, связанного механическим валом с ротором трехфазного синхронного электрического генератора с постоянными магнитами, каждая двухсекционная фазная обмотка статора которого через контактную группу первого реле и далее через выпрямительно-зарядное устройство соединена с аккумулятором и инвертором, подключенным к нагрузке, к одной из обмоток статора подключен измеритель скорости вращения ротора, дополнительно введена контактная группа второго реле между контактной группой первого реле и выпрямительно-зарядным устройством, измеритель скорости вращения ротора выходом связан с четырехзонным компаратором, к первому и второму выходам которого подключены соответственно обмотки первого и второго реле, изменяющие схему подключения трех двухсекционных фазных обмоток статора группы таким образом, что в зависимости от скорости вращения ротора обмотки соединяются в четыре конфигурации: «звезда» с последовательно соединенными секциями фазных обмоток, «треугольник» с последовательно соединенными секциями фазных обмоток, «звезда» с параллельно соединенными секциями фазных обмоток, «треугольник» с параллельно соединенными секциями фазных обмоток.The problem is solved by the fact that in a device consisting of a wind wheel connected by a mechanical shaft to the rotor of a three-phase synchronous electric generator with permanent magnets, each two-section phase stator winding of which, through the contact group of the first relay and then through the rectifier-charging device, is connected to the battery and inverter, connected to the load, a rotor speed meter is connected to one of the stator windings, a contact group of the second relay is additionally introduced between the contact group of the first relay and the rectifier-charger, the rotor speed meter is connected by output to a four-zone comparator, to the first and second outputs of which are connected respectively windings of the first and second relays, changing the connection scheme of three two-section phase windings of the stator of the group in such a way that, depending on the speed of rotation of the rotor, the windings are connected in four configurations: "star" with series-connected sections of phase windings, "delta" with series-connected sections of phase windings, "star" with parallel-connected sections of phase windings, "delta" with parallel-connected sections of phase windings.

Структурная схема ветрогенератора представлена на фиг. 1. Ветроколесо 1 связано механическим валом 2 с ротором трехфазного синхронного электрического генератора с постоянными магнитами 3, при этом первая 14 и вторая 15 секции двухсекционной обмотки фазы А, первая 16 и вторая 17 секции двухсекционной обмотки фазы В, первая 18 и вторая 19 секции двухсекционной обмотки фазы С статора подключены ко входам первой контактной группы 4, выходы которой подключены ко второй контактной группе 5. Выходы второй контактной группы 4 подключены ко входам выпрямительно-зарядного устройства 10, выходом связанного с аккумулятором 11 и инвертором 12, питающим нагрузку 13.The block diagram of the wind generator is shown in Fig. 1. The wind wheel 1 is connected by a mechanical shaft 2 to the rotor of a three-phase synchronous electric generator with permanent magnets 3, while the first 14 and second 15 sections of the two-section winding of phase A, the first 16 and second 17 sections of the two-section winding of phase B, the first 18 and second 19 sections of the two-section the windings of phase C of the stator are connected to the inputs of the first contact group 4, the outputs of which are connected to the second contact group 5. The outputs of the second contact group 4 are connected to the inputs of the rectifier-charging device 10, the output associated with the battery 11 and the inverter 12, which supplies the load 13.

К одной из секций любой двухсекционной фазной обмотки подключен измеритель скорости вращения ротора 6, связанный с четырехзонным компаратором 7, к первому и второму выходам которого подключены соответственно обмотки первого 8 и второго реле 9.To one of the sections of any two-section phase winding, a rotor speed meter 6 is connected, connected to a four-zone comparator 7, to the first and second outputs of which the windings of the first 8 and second relay 9 are connected, respectively.

На фиг. 2 показана схема коммутации секций фазных обмоток ротора с помощью первой контактной группы 4 - контакты К1.1…К1.6 и второй контактной группы 5 - контакты К2.1, К2.2, К2.3.In FIG. 2 shows the switching circuit of the sections of the phase windings of the rotor using the first contact group 4 - contacts K1.1 ... K1.6 and the second contact group 5 - contacts K2.1, K2.2, K2.3.

Устройство работает следующим образом.The device works as follows.

Величина э.д.с. не обмотках генератора 3 с постоянными магнитами прямо пропорциональна скорости вращения ротора. По этой причине при малых скоростях вращения ротора генератора 3 величина генерируемой э.д.с. меньше пороговой величины, необходимой для начала заряда аккумулятора 11. При высоких скоростях вращения ротора генератора 3 э.д.с, генерируемая на обмотках велика и вследствие этого потери мощности, обусловленные активным сопротивлением проводов обмоток, велики. При дальнейшем увеличении скорости вращения ротора необходимо сбрасывать часть мощности в балластную нагрузку.The value of emf not the windings of the generator 3 with permanent magnets is directly proportional to the speed of rotation of the rotor. For this reason, at low speeds of rotation of the rotor of the generator 3, the value of the generated emf. less than the threshold value required to start charging the battery 11. At high speeds of rotation of the generator rotor 3, the emf generated on the windings is large and, as a result, the power losses due to the active resistance of the winding wires are large. With a further increase in the rotor speed, it is necessary to dump part of the power into the ballast load.

Предлагаемое техническое решение устраняет указанные недостатки. При низкой скорости вращения ротора генератора 3 измеритель скорости вращения ротора 6 формирует сигнал, в соответствии с которым четырехзонный компаратор 7 управляет обмотками первого 8 и второго 9 реле и соответственно, первой 4 и второй 5 контактными группами таким образом, что коммутируется схема «последовательная звезда», показанная на фиг. 3. Эта схема дает максимальное напряжение и генерирует минимальную мощность из четырех конфигураций, представленных в описываемом техническом решении, потери в обмотках максимальны.The proposed technical solution eliminates these shortcomings. At a low rotation speed of the rotor of the generator 3, the rotor speed meter 6 generates a signal, according to which the four-zone comparator 7 controls the windings of the first 8 and second 9 relays and, accordingly, the first 4 and second 5 contact groups in such a way that the "serial star" circuit is switched shown in FIG. 3. This circuit gives the maximum voltage and generates the minimum power of the four configurations presented in the described technical solution, the losses in the windings are maximum.

При увеличении скорости ветра и, соответственно скорости вращения ротора, увеличивается величина э.д.с. обмоток статора генератора, четырехзонный компаратор 7 управляет обмотками первого 8 и второго 9 реле и соответственно, первой 4 и второй 5 контактными группами таким образом, что коммутируется схема «последовательный треугольник», показанная на фиг. 4. Эта схема дает уменьшение напряжения на выходе выпрямительно-зарядного устройства в

раз, уменьшение внутренних потерь.With an increase in wind speed and, accordingly, the speed of rotation of the rotor, the value of emf increases. generator stator windings, the four-zone comparator 7 controls the windings of the first 8 and second 9 relays and, respectively, the first 4 and second 5 contact groups in such a way that the "serial triangle" circuit shown in Fig. 4. This circuit gives a decrease in voltage at the output of the rectifier-charger in

times, reducing internal losses.

При дальнейшем увеличении скорости вращения ротора генератора 3 коммутируется схема «параллельная звезда» (фиг. 5) и далее «параллельный треугольник» (фиг. 6). Эти схемы позволяют уменьшить коэффициент преобразования скорости вращения ротора генератора 3 в выходное напряжение выпрямительно-зарядного устройства 10.With a further increase in the speed of rotation of the generator rotor 3, the “parallel star” circuit (Fig. 5) and then the “parallel triangle” (Fig. 6) are switched. These schemes make it possible to reduce the coefficient of conversion of the speed of rotation of the rotor of the generator 3 into the output voltage of the rectifier-charging device 10.

Предлагаемое устройство обеспечивает компандирование энергии, снимаемой с обмоток генератора 3: в нижней зоне при малых скоростях коэффициент преобразования скорости вращения ротора генератора 3 в выходное напряжения выпрямительно-зарядного устройства 10 наибольший, затем по мере возрастания скорости вращения ротора генератора 3 во второй, третьей и четвертой зонах коэффициент преобразования скорости вращения в выходное напряжение и внутренние потери уменьшаются.The proposed device provides for the companding of the energy taken from the windings of the generator 3: in the lower zone at low speeds, the coefficient of conversion of the rotation speed of the generator 3 rotor into the output voltage of the rectifier-charging device 10 is the largest, then, as the rotation speed of the generator 3 rotor increases, in the second, third and fourth zones, the conversion ratio of rotational speed to output voltage and internal losses are reduced.

Таким образом, коммутируя секции двухсекционных фазных обмоток в четырех различных конфигурациях, достигается возможность начинать заряд аккумулятора при малых скоростях вращения ротора генератора, при повышенных скоростях вращения ротора генератора исключать индуцирование повышенного напряжения на фазных обмотках и необходимость подключения дополнительной нагрузки, понизить рассеяние мощности на активном сопротивлении фазных обмоток статора.Thus, by switching sections of two-section phase windings in four different configurations, it is possible to start charging the battery at low speeds of rotation of the generator rotor, at high speeds of rotation of the generator rotor, to eliminate the induction of increased voltage on the phase windings and the need to connect an additional load, to reduce power dissipation on the active resistance phase windings of the stator.

Claims (1)

Система управления ветрогенератором, состоящая из ветроколеса, связанного механическим валом с ротором трехфазного синхронного электрического генератора с постоянными магнитами, каждая двухсекционная фазная обмотка статора которого через контактную группу первого реле и далее через выпрямительно-зарядное устройство соединена с аккумулятором и инвертором, подключенным к нагрузке, к одной из обмоток статора подключен измеритель скорости вращения ротора, отличающаяся тем, что между контактной группой первого реле и выпрямительно-зарядным устройством дополнительно введена контактная группа второго реле, измеритель скорости вращения ротора выходом связан с четырехзонным компаратором, к первому и второму выходам которого подключены соответственно обмотки первого и второго реле, изменяющие схему подключения трех двухсекционных фазных обмоток статора группы таким образом, что в зависимости от скорости вращения ротора обмотки соединяются в четыре конфигурации: «звезда» с последовательно соединенными секциями фазных обмоток, «треугольник» с последовательно соединенными секциями фазных обмоток, «звезда» с параллельно соединенными секциями фазных обмоток, «треугольник» с параллельно соединенными секциями фазных обмоток.Wind generator control system, consisting of a wind wheel connected by a mechanical shaft to the rotor of a three-phase synchronous electric generator with permanent magnets, each two-section phase stator winding of which, through the contact group of the first relay and then through the rectifier-charging device, is connected to a battery and an inverter connected to the load, to one of the stator windings is connected to a rotor speed meter, characterized in that between the contact group of the first relay and the rectifier-charging device, the contact group of the second relay is additionally introduced, the rotor speed meter is connected by output to a four-zone comparator, to the first and second outputs of which the windings are connected respectively of the first and second relays, changing the connection scheme of the three two-section phase windings of the stator of the group in such a way that, depending on the speed of rotation of the rotor, the windings are connected in four configurations: "star" with series connection these sections of phase windings, "delta" with series-connected sections of phase windings, "star" with parallel-connected sections of phase windings, "delta" with parallel-connected sections of phase windings.

Images