EA034889B1 - Способ регулирования отбора мощности ветродвигателя - Google Patents
Способ регулирования отбора мощности ветродвигателя Download PDFInfo
- 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
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 20
- 230000001360 synchronised effect Effects 0.000 claims abstract description 28
- 230000008859 change Effects 0.000 claims abstract description 7
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 claims description 11
- 238000004804 winding Methods 0.000 claims description 9
- 230000005611 electricity Effects 0.000 claims description 6
- 230000006641 stabilisation Effects 0.000 claims description 5
- 238000011105 stabilization Methods 0.000 claims description 5
- 230000005415 magnetization Effects 0.000 claims description 2
- 238000010845 search algorithm Methods 0.000 claims 1
- 238000009434 installation Methods 0.000 abstract description 6
- 238000005457 optimization Methods 0.000 abstract 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 6
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 6
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 5
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 3
- 230000033228 biological regulation Effects 0.000 description 2
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 2
- 230000004907 flux Effects 0.000 description 1
- 230000007257 malfunction Effects 0.000 description 1
- 238000003032 molecular docking Methods 0.000 description 1
- 230000008569 process Effects 0.000 description 1
- 230000003068 static effect Effects 0.000 description 1
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
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
- F05B—INDEXING SCHEME RELATING TO WIND, SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS, TO MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS COVERED BY SUBCLASSES F03B, F03D AND F03G
- F05B2270/00—Control
- F05B2270/10—Purpose of the control system
- F05B2270/20—Purpose of the control system to optimise the performance of a machine
-
- 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)
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.
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)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| BR112018012666A2 (pt) * | 2016-12-13 | 2018-12-04 | Obshchestvo S Ogranichennoj Otvetstvennostyu ''vdm-Tekhnika'' | método para ajustar a tomada de força de turbina eólica |
| 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)
| 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)
| 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 |
| CN102803716B (zh) * | 2011-02-23 | 2015-06-24 | 三菱重工业株式会社 | 风力发电装置的控制装置、风力发电装置及风力发电装置的控制方法 |
| 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 |
| EP2859223B1 (en) * | 2012-06-06 | 2018-05-23 | Vestas Wind Systems A/S | A wind turbine with a load controller |
| 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系统mppt控制方法 |
-
2015
- 2015-12-23 CA CA3000991A patent/CA3000991C/en active Active
- 2015-12-23 BR BR112018002103-2A patent/BR112018002103A2/pt not_active Application Discontinuation
- 2015-12-23 WO PCT/RU2015/000918 patent/WO2017111645A1/ru active Application Filing
- 2015-12-23 KR KR1020187002035A patent/KR102048164B1/ko active IP Right Grant
- 2015-12-23 EP EP15911459.4A patent/EP3358179A4/en not_active Withdrawn
- 2015-12-23 CN CN201580081630.9A patent/CN107923368B/zh not_active Expired - Fee Related
- 2015-12-23 EA EA201890024A patent/EA034889B1/ru not_active IP Right Cessation
-
2018
- 2018-04-04 US US15/944,859 patent/US20180226907A1/en not_active Abandoned
Patent Citations (3)
| 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 |
|---|---|
| CN107923368B (zh) | 2020-03-13 |
| BR112018002103A2 (pt) | 2018-09-18 |
| WO2017111645A1 (ru) | 2017-06-29 |
| KR20180019726A (ko) | 2018-02-26 |
| CA3000991A1 (en) | 2017-06-29 |
| CA3000991C (en) | 2021-11-02 |
| EP3358179A1 (en) | 2018-08-08 |
| EP3358179A4 (en) | 2019-05-15 |
| KR102048164B1 (ko) | 2019-11-22 |
| EA201890024A1 (ru) | 2018-12-28 |
| CN107923368A (zh) | 2018-04-17 |
| US20180226907A1 (en) | 2018-08-09 |
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 | |
| KR20140000138A (ko) | 발전기 토크 제어 방법 | |
| EP2889178B1 (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 | |
| EP2768134A1 (en) | Voltage control for a generator of a wind turbine | |
| 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 | |
| Fardamiri et al. | A Fuzzy Controlled PWM Current Source Inverter for Wind Energy Conversion System | |
| JP2004274973A (ja) | 風力発電用電力変換装置 |
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 |