Клиначёва Наталья Васильевна,
Клиначёв Николай Васильевич
Авторы благодарят сотрудников
предприятия "ГРЦ-Вертикаль"
за предоставленную информацию

Моделирование ветроэнергетической установки

Прототипом представленных ниже моделей послужила трехкиловаттная шестилопастная ветроэнергетическая установка ВЭУ-3(6) выпускаемая предприятием "ГРЦ-Вертикаль" (г. Миасс).

Разгонная характеристика ветряного двигателя

На чертеже 1 можно видеть условное графическое обозначение ветряного двигателя, предложенное разработчиком программы Jigrein, за которым закреплена соответствующая библиотечная модель. Просматривается вывод вала ветродвигателя и выходы встроенного датчика момента (с точкой) и угловой скорости. Можно запустить процедуру симуляции и изучить осциллограммы упомянутых физических величин. В нулевой момент времени скорость ветродвигателя равна нулю, поэтому на осциллографе отображаются разгонные характеристики. Можно перейти в субпространство, закрепленное за УГО ветродвигателя, и ознакомится с моделью. Модель построена в соответствии с методом электрических аналогий. Её основа – "эквивалентный генератор" – модель источника энергии описанная в учебниках ТОЭ (в данном случае состоящая из идеального источника тока и шунтирующего его внутреннего сопротивления). Источник тока представляет ветер, создающий момент (далее источник момента). КПД существующих ветряных двигателей ниже 40 % (теоретический предел 59 % – закон Бетца–Жуковского). Соответствующие потери представлены внутренним сопротивлением (в чертеже – это резистор, шунтирующий источник момента). Ротор ветродвигателя (лопасти, ступица, и пр.) образуют маховик, чью угловую скорость нельзя изменить мгновенно – в схеме замещения это конденсатор, чей номинал равен моменту инерции. Дополняют модель два функциональных преобразователя. Первый аппроксимирует характеристику аэродинамического ограничителя скорости вращения ветродвигателя. Второй синтезирует функцию порывов ветра. Изломы на разгонных характеристиках (осциллограммах момента и скорости) объясняются включением аэродинамического ограничителя.

Расчет параметров модели ветряного двигателя

  1. Из опытных данных или по результатам моделирования в специализированных программах рассчитывающих движение сред в трехмерных сетках, установите в модели номинальную частоту вращения ветродвигателя (параметр Omegaном, [рад/с]) и номинальную скорость ветра (параметры Vmax, Vmin).
  2. Зная номинальные механическую мощность ветродвигателя и угловую скорость, рассчитайте величину номинального механического сопротивления Rмех.ном. Получив значение, вычислите и установите в модели номинал внутреннего ротационного сопротивления: Rt = КПД · Rмех.ном / (1-КПД). При отсутствии данных, КПД ветродвигателя примите равным 50 % (Rt = Rмех.ном).
  3. Поскольку ротор ветродвигателя – это вращающийся полый цилиндр, чей вес известен, грубо оцените, и установить в модель номинал момента инерции J = m · R2 [кг·м2]. Примечание. Для сплошных дисков (цилиндров) момент инерции вычисляется по формуле J = m · R2 / 2 [кг·м2].
  4. Временно отключите аэродинамический тормоз (обнулите параметр KOmega). Повторно запуская процесс симуляции, подберите такую величину коэффициента преобразования скорости ветра в момент (параметр Ka), дабы ветродвигатель, раскручиваясь и набирая скорость по экспоненциальному закону, выходил на частоту вращения равную Omegaном / КПД.
  5. Выполните пробные эксперименты с моделью. Подберите желаемую величину коэффициента добротности аэродинамического ограничителя (параметр KOmega).
  6. Повторно запуская процесс симуляции, уточните момент инерции ротора ветродвигателя, дабы разгонные характеристики соответствовали экспериментальным данным.

Примечание. Возможны другие способы уточнения параметров модели ветродвигателя. Например, имея точные данные о габаритах ротора, весе деталей, можно вычислить момент инерции. Внутренне сопротивление можно найти через постоянную времени, оцененную в экспериментах.

Чертеж 1

На чертеже 2 представлена модель, позволяющая ознакомиться с ветровыми характеристиками модели ветряного двигателя. Запустите процесс симуляции. Характерной является ветромощностная характеристика (приводится авторами экспериментальных данных). Она отличается от реальной как в области малых ветров (когда ветряной двигатель может медленно прокручиваться в обратную сторону), так и в области ветров существенно сильнее номинального (где аэродинамическая мощность падает, и становится отрицательной). В диапазоне рабочих ветров модель можно считать приемлемой для решения задач разработки систем, входящих в состав ВЭУ.

Чертеж 2

Примечание 1. Для модели ветряного двигателя (чертеж 2) активирована функция порывов ветра (см. параметры: Vmax, Vmin, T), которая увеличивается пропорционально времени симуляции (Vв = simTime / 100 [м/с]).

Примечание 2. Модель ветряного двигателя построена на базе эквивалентного генератора с внутренним сопротивлением равным номинальному сопротивлению нагрузки, поэтому отбор энергии максимален для любой скорости ветра.

Можно упомянуть формулы мощности и момента на валу ветроколеса выведенные из фундаментальных физических законов:

P = π ρ R2 v3 Cp / 2     и     M = P / Ω = π ρ R3 v2 Cp / (2 Z)

где: Cp – коэффициент использования ветра; Z – быстроходность ветроколеса.

Коэффициент использования ветра – величина непостоянная, зависящая от его скорости и конструктивных особенностей ветряного двигателя. Поэтому ветромощностную характеристику можно аппроксимировать зависимостью близкой либо к параболической, либо к квадратичной. Пользователю программы Jigrein предоставлена такая возможность.

Механическая характеристика ветряного двигателя

Изготовив и запустив прототип ветряного двигателя полезно снять механическую характеристику (с деактивированным аэродинамическим ограничителем). В области малых нагрузок (в режимах близких к холостому ходу) и в области близкой к короткому замыканию ветряного двигателя мощность на нагрузке будет стремиться к нулю. В обозначенных пределах необходимо найти величину нагрузки, при которой процесс передачи энергии от ветродвигателя будет характеризоваться максимальной мощностью. Соответствующую этому режиму угловую скорость желательно принять номинальной для ветродвигателя. При её превышении должен активироваться аэродинамический ограничитель.

Эксперимент № 1. Отключите аэродинамический ограничитель ветродвигателя (обнулите коэффициент KOmega). Запустите процесс симуляции. Убедитесь в том, что механическая характеристика модели ветряного двигателя является прямой линией (для построения оценочных моделей подобное допущение возможно). Обратите внимание на график мощности – можно наблюдать явно выраженный максимум (при некоторых угловой скорости и моменте).

Эксперимент № 2. Включите аэродинамический ограничитель (восстановите значение коэффициента KOmega). Убедитесь в том, что вид механической характеристики изменился – в диапазоне малых моментов ограничивается скорость ветродвигателя (срок службы увеличивается).

Чертеж 3

Работа ветроэнергетической установки с системой балластной механической нагрузки
(дублирующей систему аэродинамической защиты)

Система аэродинамической защиты работает в жёстких условиях. Атмосферные осадки, оледенение, нелинейные аэродинамические свойства щитков (лопастей) тормоза, несимметричность срабатывания, отсутствие активного питания (можно использовать лишь центробежные силы) и пр. Поэтому ветроэнергетическая установка должна иметь балластную нагрузку, которую можно использовать при отказе аэродинамической защиты.

В случае если к ветряному двигателю подключен электрогенератор, чья номинальная мощность соответствует точке на механической характеристике ветродвигателя характеризующейся максимальной мощностью, то, подключая балластную электрическую нагрузку, можно дублировать работу системы аэродинамической защиты. Однако при скоростях ветра большей номинальной генератор сгорит. Либо его номинальную мощность необходимо выбрать с запасом. Обратим внимание, на тот факт, что ветряные двигатели при скоростях ветра превышающих некоторое пороговое значение имеют ограничение по вырабатываемой механической мощности. Автору не удалось найти экспериментальные данные по этому эффекту и учесть его в модели ветряного двигателя.

На чертеже 4 представлена модель ветроэнергетической установки, на валу которой кроме электрогенератора установлена еще одна машина – электромагнитный тормоз (источник тока в нижней части чертежа (точнее потребитель момента)). Решение спорное. В модели ветряного двигателя произведены изменения – отключена система аэродинамической защиты и активирована функция порывов ветра (от 8 до 12 м/с; период: 20 с). Номинал электрической нагрузки генератора программируется в пределах 3..4 декад для снятия внешней характеристики.

Эксперимент № 1. Запустите процесс симуляции. Убедитесь в том, что система управления балластной механической нагрузкой ограничивает скорость ветродвигателя и выполняет функцию отключенной системы аэродинамической защиты.

Эксперимент № 2. Отключите источник тока (представляющий балластную механическую нагрузку) от вала ветродвигателя и подключите его к выходному напряжению генератора. В этом случае источник тока будет балластной электрической нагрузкой; электрический генератор будет затормаживать ветродвигатель. Замените уставку для системы управления балластной нагрузкой (вместо 20.85 рад/с – 48 В). Запустите процесс симуляции. Убедитесь в том, что система управления балластной электрической нагрузкой решает две задачи. Во-первых, ограничивает скорость ветряного двигателя. Во-вторых, формирует жесткую внешнюю характеристику генератора (регулирует напряжение на выходе генератора).

Эксперимент № 3. Восстановите исходное состояние модели. Активируйте аэродинамическую защиту. Деактивируйте функцию порывов ветра. Обратите внимание на обмотку возбуждения генератора постоянного тока. Подключите её к якорю машины. Перейдите в субпространство модели ГПТ. Найдите математический блок limit. На вход этого блока подайте сигнал с выхода датчика тока встроенного в активное сопротивление шунтовой обмотки (отмечен точкой). Шунтовое сопротивление увеличьте до 7.1 Ом. Запустите процесс симуляции. Убедитесь в том, что машина смешанного возбуждения (в которой поле создается магнитами и шунтовой обмоткой) имеет внешнюю характеристику "Z-типа".

Чертеж 4

Система автоматического регулирования напряжения электромашинного генератора ветроэнергетической установки

Представленный выше способ регулирования напряжения генератора ветроэнергетической установки с помощью системы управления балластной электрической нагрузки имеет недостатки. Во-первых, мощность, задействованная в процессе регулирования, соизмерима с номинальной мощностью всей установки – весьма спорное решение – управлять любыми процессами надо с помощью малых энергетических затрат. Во-вторых, цена балластной электрической нагрузки с необходимыми техническими параметрами будет высокой.

Альтернативное решение состоит в изменении балластной нагрузки квантами и в регулировании напряжения генератора с помощью тока обмотки возбуждения. На чертеже 5 представлена соответствующая модель.

Эксперимент № 1. Запустите процесс симуляции. Убедитесь в том, что аэродинамическая защита функционирует корректно, система управления балластной электрической нагрузкой неактивна, САР напряжения электромашинного генератора формирует жесткую внешнюю характеристику (выполняет свою функцию).

Эксперимент № 2. Отключите аэродинамический ограничитель ветродвигателя (обнулите коэффициент KOmega). Запустите процесс симуляции. Убедитесь в том, что система управления балластной электрической нагрузкой активировалась и выполняет функцию отключенной системы аэродинамической защиты (ограничивает скорость ветродвигателя).

Эксперимент № 3. Активируйте функцию порывов ветра для ветродвигателя (±2 м/с от номинальной величины). Убедитесь в сохранении работоспособности всех систем.

Чертеж 5

7.05.2009