Покращена ефективність в низькопотужних вітротурбінах

Великомасштабне вилучення енергетичних ресурсів землі призводить до їх поступового виснаження, що змушує людство повернутися знову до відновлюваних джерел енергії. Вітерна енергія займає спеціальне місце серед відновлюваних джерел енергії. Для України, до недавнього часу ця область енергії залишалася низьким пріоритетом, але зараз вона почала розвиватися і стає більш поширеною.

Серед вітрових турбін низької потужності до 5-10 кВт, відповідно до їх призначення та навантаження, можна відрізнити установки, які працюють автономно з пристроєм зберігання або на загальній електромережі. У більшості інсталяцій, взятих з вітрової турбіни (ВГ) фіксується на певному постійній рівні, яка, як правило, встановлюється рівнем поточного обмеження рослини. Якщо енергія, що генерується ВУ, менше цього рівня, перетворення не відбувається, і установка знаходиться в режимі очікування.

У зв'язку з тим, що площа постійно діючих вітрів може бути на досить низькому рівні (3-4 м / с), рівень заданої, обраної потужності повинна бути встановлена на такому рівні, щоб забезпечити роботу установки в нижньому рівні діапазону змін в швидкості вітру. Це забезпечує більш високу потужність, ніж встановлений рівень.

З іншого боку, збільшення рівня вихідної потужності може обмежуватися граничними струмами заряду елементів зберігання, а також привести до занурення установки на низьких швидкості вітру.

Для підвищення ефективності використання генерованої енергії запропоновано використовувати систему керування конвертерами зі змінним рівнем потужності, яка залежить від того, скільки потужності ВУ може забезпечити в даний момент. Запропонована система відноситься до VU без механічних систем стабілізації швидкості, що працюють безпосередньо на мережі.

Для перетворення енергії використовується 5 кВт VU. Діапазон швидкості вітру, при якому очікується установка, 3-20 м / с. З таким діапазоном змін в швидкості вітру, енергія, яка HG може дати варіюється в діапазоні 200-5000 Вт, з діапазоном швидкості обертання вала 50-650 об / хв. Мережа, на якій працює рослина, трифазна мережа змінної напруги 380 В промислової частоти. Система управління стикається з завданням передачі в мережу такої потужності, що вітрова турбіна може в даний час забезпечувати і таким чином забезпечити максимальну швидкість використання вітротурбіни. Функціональна схема системи представлена на малюнку 1.

Малкa 1. Функціональна схема низької потужності 5-10 кВт ВУ без механічної стабілізації швидкості обертання, що працює паралельно мережі
Він включає сам генератор, який використовує клапанний апарат з постійними магнітами, стабілізатор напруги і інвертор, керований мережею. Вхід інвертора подається з постійною напругою Ust = 250 V і завданням для живлення, що надається мережі Pz. На виході інвертор з'єднує в трифазну мережу і перетворює енергію в мережу.
Для нормальної роботи інвертора при його введенні необхідно підтримувати постійну напругу з точністю 5%. Стабілізатор напруги повинен забезпечити постійну вихідну напругу, коли напруга введення змінюється широко. В цілому, з вищезазначеним вітровим діапазоном, вхідна напруга стабілізатора Ug може коливатися в межах 70-300 В. При введенні генератора є швидкість обертання валу генератора, що надавалася йому від вала установки, на якій розташовані леза, через багаторазовий
При такій вихідній напругі стабілізатор повинен забезпечити можливість як збільшення, так і зниження вхідної напруги. У той же час, максимальна багатоплічність збільшення вхідної напруги буде близько 4, а зменшення не перевищить 0,8. Якщо вхідна напруга стабілізатора перевищує заздалегідь визначений поріг, стабілізатор і установка в цілому відключаються і переходять в режим очікування.

Потужність стабілізатора, з урахуванням цих вимог, проводиться згідно з безперешкодною схемою з однією загальною індуктивністю. На малюнку зображено функціональну схему силової частини стабілізатора напруги для VU 2.

Малкa 2. Функціональна схема стабілізатора ВУ
Представлений контур може працювати в двох режимах: режим збільшення при напрузі при вході стабілізатора менше, ніж напругою стабілізації, а режим зменшення при введенні стабілізатора більше, ніж напруга стабілізації. У першому режимі ключ K1 закритий, а ключ K2 працює з деякими порцями, так званою схемою керма. У цьому випадку, коли ключ K2 закривається, напруга при вході стабілізатора наноситься на індуктивність L1 і струму протікає через неї. Енергетика зберігається в індуктивності. При відкритті ключа K2, індуктивність є EMF самоіндукції, яка додається до напруги введення стабілізатора, а вихід стабілізатора вище напруги при вході стабілізатора.

У другому випадку, коли схема працює в режимі опускання, відкривається ключ K2, а ключ K1 працює з деякою пористістю, в той час як формується так звана схема зменшення бункера. Індуктивність разом з вихідною потужністю C2 діє як фільтр. Кількість пористості з якими працюють ключі в кожному з режимів визначається за схемою управління, частотою перемикання ключів становить 20 кГц. Принципи роботи імпульсних пристроїв, побудованих за цим методом, описані більш докладно в матеріалі «Електричний привід за схемою: імпульсний джерело живлення нижнього типу – двигуна» (Спірелер Л. А.).
Щоб визначити енергетичні показники ВУ, стабілізатор оцінює вхідну напругу і відповідно до встановленої функції, яка є залежність допустимого джерела живлення на її напругу при даній геометрії ВУ (розмір леза, кут атаки), видає завдання для живлення, що надається інвертором до мережі. Разом з формуванням завдання для інвертора, стабілізатор формує поточне обмеження, що не перевищує максимального струму, що генератор може дати максимальне використання установки, але не перевантажувати його, що неминуче призведе до зменшення швидкості обертання установки і його кінцевої зупинки. Структурна схема системи показана на малюнку 3.

Малкa 3. Структура системи управління ВУ
Система управління здійснюється за принципом підлеглого контролю з пропорційно інтегрованою напругою та поточними регуляторами (РН та РТ). Вихідний сигнал від регулятора напруги подається до залежного струму обмеження (ZT) вузла, який утворює закон струму обмеження відповідно до встановленої функції. Потужність стабілізатора (СТ) представлена інерційним зв'язком, і інвертором, що діє як навантаження, представлена посиланням з зміною внутрішнього опору, який також змінюється відповідно до поставленого завдання за посиланням (ЗН). Всередині цього посилання прокладається навантаження, характерна для установки; його можна використовувати для визначення кількості потужності, яка може надати в кожному конкретному режимі VU і мережі. Типові характеристики навантаження ВУ описані в матеріалі «Реноваційні джерела енергії» (Twydel J., Ware A.).
Результати моделювання за структурною схемою системи, показано на малюнку 3, на малюнку 4.

Малкa 4. Результати моделювання системи:
1 - графік зміни в вхідній напругі стабілізатора, пік на діаграмі відповідає густі вітру;
2 - графік зміни вихідної напруги стабілізатора ВУ, Б;
3 - графіки зміни струму стабілізатора
З отриманих графіків можна зробити висновок, що запропонована система працює і ефективна при різних швидкості вітру. Розробка системи властивої характерності майже 100%, це видно збігу поточного завдання і фактичного струму системи, а нестійкість вихідної напруги стабілізатора не більше 3%.

За запропонованою структурною схемою системи та стабілізатора розроблено прототип стабілізатора, а його тести проводилися разом з генератором потужністю 5 кВт та мережевим інвертором німецької компанії Test & Power Solutions потужністю 6 кВт. При цьому система стабілізації вихідної напруги стабілізатора була створена цифрово за допомогою мікроконтролера з Texas Instruments.
На рисунку зображено результати експериментального дослідження системи, які є залежність влади, доставленої в мережу інвертором на швидкості обертання валу ВГ.

Рис. 5. Результати пілотного дослідження системи ВУ
Результати експериментального дослідження підтверджують теоретичні дані, отримані при моделюванні структури системи, і показують її ефективність в широкому діапазоні швидкості обертання генератора валу, а отже, швидкість потоку вітру.
Після проведення експериментальних досліджень прототипу стабілізатора було випущено пілотну серію стабілізаторів у кількості 10 шт. Смотров Є.А., Вершинін Д.В., Гули М.В.

Джерело: Альтернативнергія.ru