SU1399885A1 - Устройство дл управлени асинхронизированным синхронным генератором ветроэнергетической установки - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к электротехнике . Целью изобретени   вл етс  увеличение вьфаботки электроэнергии и упрощение устр-ва. Устр-во содержит ;преобразователь частоты 2, датчики реактивной мощности 3, тока 4, напр жени  5 статорной цепи, углового положени  18 ротора, частоты 16 нап- р жети  сети, тока 20 ротора скорости ветра 23 и частоты вращени  10, элементы сравнени  6, 11, 19, задат- чики реактивной мощности 7 и частоты вращени  13, блок преобразовани  координат 9, блоки коммутации 14, 24, 25, регул торы реактивной мощности 8, тока 21 и частоты вращени  12, формирователь 15 гармонических функций частоты скольжени , сумматор 27, двухпороговый/компаратор 22. Введение масщтабного усилител  26, включенного между датчиком скорости ветра 23 и блоком коммутации 24, с выходным сигналом (где К - отношение нормального числа модулей ветродвигател  к его радиусу, V - скорость ветра) позвол ет увеличить выработку электроэнергии ветроэлектрической установ (Л кой. 3 нл. САЭ СО СО 00 00 сл iilWf

Description

Изобретение относитс  к электротехнике и может быть использовано дл  управлени  электрическими машинами переменного тока, первична  обмотка которых подключена к сети переменного тока, а вторична  получает питание от регулируемого преобразовател  частоты , в частности в ветроэнергетике дл  управлени  асинхронизированными синхронными генераторами ветроэнергетических установок, работающих на мощную сеть.

Целью изобретени   вл етс  увеличение выработки электроэнергии и уп- рощение устройства.

На фиг.1 изображена блок-схема устройства дл  управлени  асинхрони- зированным синхронным генератором ветроэнергетической установки; на фиг.2 - семейство механических характеристик ветродвигател  при различных скорост х ветра V,, V, .., V и нагрузочные характеристики генератора

при различных законах управлени ; на

фиг.З - зависимости среднегодовой выработки электроэнергии при различных законах управлени  асинхронизирован- ным синхронным генератором.

Устройство дл  управлени  асинхро низированным синхронным генератором 1 ветроэнергетической установки (фиг.1) содержит преобразователь 2 частоты, выход которого подключен к роторной цепи указанного генератора 1, канал регулировани  реактивной мощности, содержап1ий датчик 3 реактивной мощности, входы которого соединены с датчиками тока 4 и напр жени  5 статорной цепи асинхронизиро- ванного синхронного генератора 1, а выход подключен к первому входу первого элемента 6 сравнени , второй вход которого соединен с задатчиком 7 реактивной мощности, а выход - с регул тором 8 реактивной мощности, выход которого подключен к первому входу блока 9 преобразовани  координат . Устройство содержит также канал регулировани  частоты вращени , со- держащий датчик 10 частоты вращени , выход которого соединен с первым входом второго элемента 11 сравнени , выход которого подключен к входу регул тора 12 частоты вращени , задат- чик 13 частоты вращени , выход которого соединен с вторым входом второг элемента 11 сравнени  через первый блок 14 коммутации, формирователь 15

- 0

5

0

5

0 5 0 5 п j

гармонических функций частоты сколь- ,жени , первый вход которого соединен с датчиком 16 частоты напр жени  сети 17, второй вход - с датчиком 18 углового положени  ротора, а выход - с вторым входом блока 9 преобразовани  координат, выход которого подключен к первому входу третьего элемента 19 сравнени , второй вход которого соединен с датчиком 20 тока ротора, а выход через регул тор 21 тока ротора - с входом преобразовател  2 частоты . Кроме того, устройство содержит двухпороговый компаратор 22, вход которого соединен с выходом датчика

23скорости ветра, первый выход - с управл емыми входами первого блока 14-и второго блока 24 коммутации, а второй выход - с управл емым входом третьего блока 25 коммутации, и масштабный усилитель 26, вход которого соединен с выходом датчика 23 скорости ветра, а выход через второй блок

24коммутации подключен к первому входу сумматора 27, второй вход которого соединен с выходом регул тора 12 частоты вращени , а выход через третий блок 25 коммутации подключен

к третьему входу блока 9 преобразовани  координат.

Устройство работает следующим образом .

Сигналы с датчиков тока 4 и напр жени  5, несущие информацию о токах и напр жени х первичной цепи асинх- ронизированного синхронного генератора 1 и имеющие частоты, равные частоте сети, поступают на вход датчика 3 реактивной мощности, с которого снимаетс  сигнал 0, пропорциональный i реактивной мощности. При изменении задающего значени  реактивной мощности б Зад (сигнала задатчика 7) или сигнала в реактивной мощности (во врем  динамических процессов) на выходе первого элемента 6 сравнени  по вл етс  сигнал рассогласовани , который поступает на вход регул тора 8 реактивной мощности. Сигнал с выхода последнего поступает на первый вход блока 9 преобразовани  координат , который производит преобразование входных сигналов, сформированных в синхронной системе координат, в роторную систему координат с использованием сигналов гармонических функций частоты скольжени , поступающих с формировател  15 гармоническиу

функций частоты скольжени . Сигнал на выходе блока 9 преобразовани  координат  вл етс  заданием дл  фазных токов ротора. На первый вход третьего элемента 19 сравнени  поступает сигнал с выхода блока 9 преобразовани  координат, на второй вход - сигнал фазных токов ротора от датчика 20 тока ротора. Результат сравнени  этих сигналов поступает на регул тор 21 тока ротора, сигнал с выхода последнего - на вход преобразовател  2 частоты , выходы которого подвод тс  к контактным кольцам ротора асинхрони- зированного синхронного генератора 1

Таким образом, рассогласование, по вившеес  на выходе первого элемента 6 сравнени  в результате неравенства сигналов 0 и бзал приводит к изменению модул  и фазы напр жени , подводимого к кольцам ротора с выхода преобразовател  2 частоты, и соответствующему изменению токов и напр жений первичной цепи асинхронизирован- ного синхронного генератора 1. В результате происходит демпфирование колебаний реактивной мощности (во врем  динамических процессов) или установление нового значени  выдаваемой (потребл емой) реактивной мощности, а на выходе первого элемента 6 сравнени  восстанавливаетс  нулевой сигнал .

При достижении скорости ветра значени  (фиг.2), при котором частота вращени  ветродвигател  соответствует началу рабочего диапазона изменени  частоты вращени  и| |д асинх- ронизированного синхронного генератора 1, последний подключаетс  к сети.

В диапазоне скоростей ветра от V до Vi сигналы на выходах двухпоро- гового компаратора 22, осуществл ющего управление блоками 14, 24 и 25 коммутации, равны нулю. При этом выход задатчика 13 частоты вращени , сигнал которого пропорционален минимальной частоте вращени  U) toдду,, подключен к второму входу второго элемента 11 сравнени  через первый блок 14 коммутации, выход масщтабного усилител  26 отключен от первого входа сумматора 27 (первый вход сумматора 27 заземлен), выход которого подключен к третьему входу блока 9 преобразовани  координат через третий блок 25 коммутации. Блоки 14, 24 и 25 коммутации представл ют собой управ

, Q 5

0 5

0

5

0

5

0

5

л емые электронные ключи, замыкание (размыкание) которых происходит Р зависимости от наличи  сигналов, поступающих на их управл емые входы с выходов двухпорогового компаратора 22. При изменении частоты вращени  ц; (во врем  динамических процессов при изменении скорости ветра) на выходе второго элемента 11 сравнени  по вл етс  сигнал рассогласовани , который поступает на Аход регул тора 12 частоты вращени , представл ющего собой пропорционально-интегральный регул тор . Сигнал с выхода последнего поступает на второй вход сумматора 27, а затем через третий блок 25 коммутации на третий вход блока 9 преобразовани  координат. Дальнейша  .работа аналогична описанной, т.е. изменение сигнала регул тора 12 частоты вращени  и суммарного сигнала канала регулировани  частоты вращени  с выхода сумматора 27 будет продолжатьс  до момента установлени  заданного значени  частоты вращени  UJj, асинх- ронизированного синхронного генератора 1 .

По достижении скорости ветра на первом выходе двухпорогового компаратора 22 формируетс  сигнал управлени , поступающий на управл емые входы первого блока 14 и второго блока 24 коммутации. При этс5м происходит отключение выхода задатчика 13 частоты вращени  от второго входа второго элемента 11 сравнени  (второй вход второго элемента 1 1 .сравнени  заземл етс ) и подключение выхода масштабного усилител  26 к первому входу сумматора 27. Масштабный усилитель 26 реализует умножение сигнала V, поступающего на его вход от датчика 23 скорости ветра, на заданный коэффициент К и может быть выполнен на базе известных функциональных элементов , например операционного усилител  с регулируемым коэффициентом усилени . При изменении скорости ветра в диапазоне от до вращающий момент на валу асинхронизи- рованного синхронного генератора 1 мен етс , что приводит к изменению его частоты вращени . На первьй вход сумматора 27 с выхода масштабного усилител  26 поступает сигнал, пропорциональный KV, где К - отношение нормального значени  числа модулей ветродвигател  к его радиусу, V - те

кущее значение скорости ветра. На второй вход сумматора 27 с выхода регул тора 12 частоты вращени  поступает сигнал, пропорциональный текущему значению частоты вращени  ц) асинхро- низированного синхронного -генератора 1.В сумматоре 27 происходит сложение указанных сигналов, причем сигнал регул тора 12 имеет знак, противополож- ный знаку сигнала масштабного усилител  26, после чего суммарный сигнал поступает на третий вход блока 9 преобразовани  координат, а с выхода последнего через третий элемент 19 сравнени  и регул тор 21 тока ротора - на вход преобразовател  2 частоты и к кольцам ротора асинхронизиро- ванного синхронного генератора 1. Переходный процесс заканчиваетс  установлением нового значени  частоты вращени  ротора асинхронизированного синхронного генератора 1, пропорционального величине KV.

По достижении скорости ветра значени  на втором выходе двухпоро- гового компаратора 23 формируетс  сигнал управлени , поступающий на управл емый вход третьего блока 25 коммутации . При этом происходит отключение выхода сумматора 27 от третьего входа блока 9 преобразовани  координат (третий вход блока 9 преобразовани  координат заземл етс ), и суммарный сигнал канала регулировани  частоты вращени  независимо от еигналов, поступающих на первый и второй входы сумматора 27, становитс  равным нулю. Отключение канала регулировани  частоты вращени  (что равносильно полной взаимной компенсации сигналов, поступающих на входы сумматора, 27) обусловливает переход асинхронизированного синхронного генератора 1 на режим работы с посто нным моментом при изменении скорости ветра от до скорости , соответствующей верхней границе рабочего диапазона изменени  частоты вращени 

(фиг.2).

Таким образом, применение предлагаемого устройства позвол ет получить три режима работы асинхронизированного синхронного генератора 1 в рабочем диапазоне изменени  скоростей ветра: с посто нной частотой вращени  ш (л ммн (нагрузочна  характеристика М, - М на фиг.2), с квадратичной нагрузочной характеристикой М i - М ; 856

Mj и с посто нным моментом (нагрузочна  характеристика Mj - М на фиг. 2).

Работа асинхронизированного синхронного генератора 1 с посто нной частотой вращени ы ш в диапазоне

5

0

скоростей ветра от V до Vj обеспечивает наиболее быстрый выход ветроэнергетической установки на режим работы с нормальным числом модулей Z ц (точка М 2 на фиг.2). Число модулей Z характеризует аэродинамические свойства ветродвигател  и определ етс  соотношением )R/V, где R - радиус ветродвигател . В частности, при работе с посто нным числом модулей , равным нормальному , значение коэффициента использовани  энергии ветра максимально при любой скорости ветра. Режим работы с квадратичной нагрузочной характеристикой М -J - М j - М J характеризуетс  максимальным коэффициентом использовани  энергии ветра, что обеспечиваетс  со- 5 ответствующим выбором значений скоростей ветра V J и V 3 при настройке

0

5

0

0

5

двухпорогового компаратора 22, а также коэффициента К при настройке масштабного усилител  26. Данный режим  вл етс  оптимальным и соответствует максимально возможной выдаче электроэнергии. Режим работы с нагрузочной характеристикой М -j М характеризуетс  хорошим использованием асинхронизированного синхронного генератора 1 по моменту, а также позвол ет примен ть асинхронизированные синхронные генераторы меньших установленных мощностей. Последнее обусловлено тем, что приращение выработки электроэнергии с ростом установленной мощности асинхронизированного синхронного генератора в значительной степени определ етс  структурой 5 ветрового потока (законом среднегодового распределени  скоростей ветра), и, начина  с некоторогЪ значени , дальнейшее увеличение установленной мощности становитс  нецелесообразным. В качестве иллюстрации на фиг. 3 показано приращение выработки электроэнергии (пропорциональное площади с двойной штриховкой, ограниченной замкнутой кривой .) при работе асинхронизированного синхронного генератора с нагрузочной характеристикой М -М рМ j-M 5 (фиг. 2). Такое управление нерационально, поскольку в этом случае требуетс  применение асинхронизированного синхронного генератора с почти вдвое больше установленной мощностью.

При использовании предлагаемого устройства обеспечиваетс  выработка электроэнергии, пропорциональна  площади , ограниченной замкнутой кривой А,.-А , на фиг.З, причем дл  любой скорости ветра V в диапазоне от V до V выработка электроэнергии выше, чем у известного устройства. Поскольку точка М; принадлежит кривой 0-М7-Мз-М5, соответствующей максимальному значению коэффициента использовани  энергии ветра, то переход при той же скорости ветра V на любой другой режим работы и, в частности, в точку N; на фиг.2 (что будет иметь место при использовании известного устройства), приведет к снижению выработки электроэнергии (точка Bj на фиг.З). Кроме того, закон управлени , реализуемый предлагаемым устройством, позвол ет упростить последнее за счет исключени  задатчика скорости ветра, одного из задатчиков частоты вращени  и четвертого элемента сравнени , уменьшени  числа соединений элементов, а также замены формировател  зависимости частоты вращени  от скорости ветра более простым по исполнению и функциональному назначению масштабньм усилителем и тем самым повысить надежность .

В качестве датчика 10 частоты вращени  может быть использован тахогеТаким образом, изобретение обеспечивает увеличение выработки электроэнергии на 5-10% (площадь, пропор- , циональна  замкнутой кривой Aj-Bj-Aj, с тройной штриховкой), а также уменьшение числа элементов и упрощение схемы их соединений.

Claims (1)

1. Формула изобретени 

   Устройство дл  управлени  асинх- ронизированным синхронным генератором ветроэнергетической установки, содержащее преобразователь частоты, выход которого подключен к роторной

   цепи указанного генератора, канал регулировани  реактивной мощности, содержащий датчик реактивной мощности, входы которого соединены с датчиками тока и напр жени  статорной цепи асинхронизированного синхронного генератора , а выход подключен к .первому входу первого элемента сравнени , второй вход которого соединен с за- датчиком реактивной мощности, а выход - с регул тором реактивной мощности , выход которого подключен к первому входу блока преобразовани  координат, канал регулировани  частоты вращени , содержащий датчик частоты вращени , выход которого соединен с первым входом второго элемента сравнени , выход которого подключен к входу регул тора частоты вращени , задатчик частоты вращени , выход которого соединен с вторым входом второго элемента сравнени  через первый блок коммутации, формирователь гармо

   нератор посто нного тока или функцио- 40 нических функций частоты скольжени .

   нальный преобразователь сигнала датчика 18 углового положени  ротора в сигнал посто нного тока, пропорциональный частоте вращени . Дл  получени  информации о скорости ветра может быть использован любой из известных датчиков, например анемометр. Подключение асинхронизированного синхронного генератора 1 к сети 17 (при достижении скорости ветра значени , при котором частота вращени  соответствует началу рабочего диапазона), а, также отключение его от сети при увеличении скорости ветра выше расчетной (во избежание перегрузки) может быть реализовано обычными способами с применением выключателей, автоматов защиты или каких-либо других уст- Г5ОЙСТВ .

   первый вход которого соединен с датчиком частоты напр жени  сети, второй вход - с датчиком углового положени  ротора, а выход - с входом блока преобразовани  координат, выход которого подключен к первому входу третьего - элемента сравнени , второй вход которого соединен с датчиком тока ротора, а выход через регул тор тока ротора - с входом преобразовател  частоты, двухпороговый компаратор, вход которого соединен с выходом датчика скорости ветра, первый выход - с управл емыми входами первого и второго блоков коммутации, а второй выход - с управл емым входом третьего блока коммутации, и сумматор, один вход которого соединен с выходом регул тора частоты вращени , а выход

   через третий блок коммутации подключен к третьему входу блока преобразовани  координат, отличающеес  тем, что, с целью увеличени  выработки электроэнергии и упрощени  устройства, нежцу датчиком скорости ветра и вторым блоком коммутации

   Л HUH

   иг2

   включен масштабньсй усилитель с выходным сигналом K V, где К - отношение нормального числа модулей ветродвигател  к его радиусу, V - скорость ветра, а другой вход сумматора подключен к выходу второго блока коммутации ,

   fis

   Редактор В.Копча

   Составитель А.Бабак Техред М.Дидык

   Заказ 2677/56

   Тираж 583

   ВНИИПИ Государственного комитета СССР

   по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж-35, Раушска  наб., д. 4/5

   /(I

   Vz W K, Vi, MS Фиг.д

   Корректор В.Гирн к

   Подписное