Статья поступила в редакцию 17.04.11. Ред. рег. № 994
The article has entered in publishing office 17.04.11. Ed. reg. No. 994
УДК 621.31
МЕТОДЫ ТОРМОЖЕНИЯ И РЕГУЛИРОВАНИЯ ЧАСТОТЫ ВРАЩЕНИЯ ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК
А.Н. Киндряшов, Е.В. Соломин
ГОУ ВПО «Южно-Уральский государственный университет» 454080 г. Челябинск, пр. Ленина, д. 76 Тел. (950) 736-4051, e-mail: salamandra174@mail.ru
Заключение совета рецензентов: 27.04.11 Заключение совета экспертов: 10.05.11 Принято к публикации: 15.05.11
В статье описаны методы регулирования частоты вращения роторов вертикально-осевых ветроэнергетических установок, освоенные в ООО «ГРЦ-Вертикаль» с привлечением разработчиков из ряда научных школ России и США.
Ключевые слова: ветроэнергетика, возобновляемые источники энергии, турбины, альтернативная энергетика.
METHODS OF BRAKING AND CONTROL OF ROTATION FREQUENCY
OF WIND TURBINES
A.N. Kindryashov, E.V. Solomin
South Ural State University 76 Lenin ave., Chelyabinsk, 454080, Russia Tel. (950) 736-4051, e-mail: salamandra174@mail.ru
Referred: 27.04.11 Expertise: 10.05.11 Accepted: 15.05.11
The article describes the Vertical Axis Wind Turbine rotation frequency control methods developed at SRC-Vertical, Ltd. with involvement of scientific schools of Russia and USA.
Keywords: wind power, renewable source of power, turbine, alternative energy.
С древних времен человек использует энергию ветра в своих целях. На сегодняшний день разработаны десятки видов ветровых установок (ВУ) различного назначения - от получения механической энергии до выработки электроэнергии. Ветроэнергетические установки (ВЭУ), предназначенные для получения электрической энергии, наиболее востребованы в настоящее время. С развитием ветроэнергетики расширяется территория применения ветроус-тановок и вместе с тем появляются новые вопросы и задачи. Одной из серьезных проблем является проблема торможения ветроустановки как с целью ограничения частоты вращения, так и в случае необходимости техобслуживания.
Для решения этой задачи могут быть применены различные методы:
- механическое регулирование частоты вращения ветроколеса (ротора) ВЭУ;
- аэродинамическое регулирование ротора;
- электромеханическое регулирование;
- комбинации этих методов.
Разберем преимущества и недостатки этих методов.
1. Механическое регулирование частоты вращения ротора имеет два существенных недостатка -
механический износ трущихся частей и сложность конструкции. Для торможения необходим механический контакт тормозов, который происходит в течение всего периода, когда тормозящий момент электрогенератора по модулю меньше момента ветроко-леса. Это вызывает износ даже самых устойчивых материалов тормозов, которые требуют периодической замены и обслуживания. Второй недостаток делает дороже производство тормозов и требует сложных расчетов при проектировании, поскольку тормоза должны срабатывать только при определенном превышении частоты вращения, а при меньшей частоте не должны создавать помех при вращении ротора.
2. Аэродинамическое регулирование является гораздо более перспективным методом, поскольку нет трущихся механических компонентов. Однако в случае применения аэродинамического регулирования требуются сложные аэродинамические расчеты.
Регулирование можно осуществлять двумя способами: с помощью поворота лопастей или с помощью механизации крыла. Изменение угла установки (угла заклинивания) лопасти меняет аэродинамическое качество крыла К = 1^0 (рис. 1).
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 5 (97) 2011
© Scientific Technical Centre «TATA», 2011
А.Н. Киндряшов, Е.В. Соломин. Методы торможения и регулирования частоты вращения ветроэнергетических установок
Рис. 1. Проекции аэродинамических сил, действующих на крыло Fig. 1. Projections of aerodynamic forces acting on the air foil
Механизация крыла связана с применением специальных устройств, например закрылков, предкрылков, щитков и т.д. Эти приспособления изменяют аэродинамику крыла и меняют подъемную силу, развиваемую крылом, благодаря чему меняется механический вращающий момент, развиваемый вет-роколесом [1] (рис. 2-4).
Рис. 2. Профиль крыла со щитком, смещающимся назад Fig. 2. Air foil profile with dashboard in the back side
По воротные щитки
Рис. 3. Аэродинамический регулятор вертикально-осевой ВЭУ Fig. 3. Aerodynamic regulator of vertical axis WPU
Рис. 4. Конструкция малой ветроэнергетической установки
ВЭУ-3 с вертикальной осью вращения мощностью 3 кВт Fig. 4. Small vertical axis wind power unit WPU-3 on 3 kW power
Кроме того, в условиях эксплуатации установки на северных территориях возникает серьезный ограничивающий фактор - в условиях низких температур возникает опасность обледенения конструкции, в том числе и рабочих органов - лопастей. Этот фактор может заблокировать систему регулирования. Для того чтобы избежать обледенения, необходимо применять специальное антиобледенительное покрытие лопастей и аэродинамических регуляторов, подогрев лопастей или иные методы.
3. Электромеханическое регулирование - регулирование с помощью электрогенератора. Этот вид регулирования не требует дополнительных затрат и является достаточно надежным.
Для электромеханического регулирования необходима система управления в виде специального контроллера, регулирующего либо ток статора для ВЭУ с генераторами с системой возбуждения на постоянных магнитах, либо регулирующего ток ротора для генераторов с иными системами возбуждения.
Схема контроллера ВЭУ на основе понижающего импульсного преобразователя с генератором с системой возбуждения на постоянных магнитах представлена на рис. 5.
Рис. б. Схема контроллера ВЭУ Fig. б. WPU controller circuit
кВт
-L------ -А
Рис. 6. Мощностная характеристика генератора на постоянных магнитах Fig. 6. Permanent magnet alternator power characteristic
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 5 (97) 2011 © Научно-технический центр «TATA», 2011
Ветроэнергетика
Согласно характеристике мощности (рис. 6) существует такой ток статора, при котором генератор имеет максимальную мощность, обычно на 10-15% большую, чем номинальная. Превышение или снижение тока статора уменьшает электрическую мощность и, следовательно, момент, поэтому регулирование ВЭУ с такими генераторами можно производить с помощью уже загруженных в контроллер мощностных характеристик путем регулирования токов в цепи выпрямителя.
При использовании автоматического регулирования возбуждения (АРВ) характеристика имеет следующий вид (рис. 7):
Рис. 7. Мощностная характеристика генератора с АРВ Fig. 7. Power characteristic of alternator with automatic excitation control
Для асинхронизированного синхронного генератора (АСГ) предел электрической мощности зависит от частоты вращения поля ротора, необходимого для выдачи на нагрузку мощности Рн заданной частоты [4-6]. Семейство мощностных характеристик для АСГ при различных частотах вращения поля ротора приведены на рис. 8.
4. Комбинирование различных методов позволяет регулировать частоту вращения в широком диапазоне. Наиболее выгодно применение совмещенного аэродинамического и электромеханического регулирования. При таком подходе регулирование разделяется на два диапазона. Первый диапазон - от неподвижного состояния до номинальной угловой частоты вращения регулируется электромеханически. После чего плавно увеличивается влияние аэродинамического регулирования, что позволяет удерживать частоту вращения ротора близкой к номинальной при росте скорости ветра вплоть до критической, определяемой прочностью применяемых материалов. При этом электромеханическое регулирование может дополнять аэродинамическое регулирование путем подтормаживания с помощью импульсного подключения нагрузки выше номинальной. В этом случае кинетическая энергия вращения ротора преобразуется в электрическую энергию генератора и частота вращения ротора снижается. Комбинированный способ регулирования освоен на ветроэнергетических установках ГРЦ-Вертикаль и зарекомендовал себя на ветрах с порывами до 60 м/с.
Рис. 8. Мощностные характеристики асинхронизированного синхронного генератора Fig. 8. Power characteristics of asynchronized synchronous alternator
Генератор может быть возбужден от минимального уровня до максимума возбуждения. При этом поддержания заданного напряжения на выводах генератора не требуется. Режим эксплуатации генератора в режиме максимального возбуждения не должен быть длительным, поскольку при такой нагрузке могут возникнуть многие отрицательные эффекты, среди которых перегрев, смещение обмотки в пазах из-за электродинамической силы тока и т.д. [2]. Кратковременные перегрузки генераторов ветроустановок должны быть учтены при проектировочных расчетах, поскольку это позволит использовать генератор в качестве регулятора или тормоза ротора ветроустановки [3].
Выводы
Применение комбинированного способа регулирования частоты вращения позволяет в настоящее время контролировать частоту вращения роторов вертикально-осевых ВЭУ в диапазоне скоростей ветра от 0 до 60 метров в секунду, что открывает широкие перспективы для размещения ВЭУ в самых различных частях Земли. При этом применение современных материалов может позволить в будущем увеличить время службы ветроустановок и увеличить буревую скорость ветра.
Список литературы
1. Соломин Е.В. О компании // Сайт ООО «ГРЦ-Вертикаль». - www.src-vertical.com. - Челябинск: 2011.
2. Копылов И.П. Проектирование электрических машин. М.: Энергоатомиздат, 1993.
3. Жданов П.С. Вопросы устойчивости электрических систем / Под ред. Л. А. Жукова. М.: Энергия, 1979.
4. Вольдек А.И., Попов В.В. Электрические машины переменно тока. СПб.: Питер, 2008.
5. Ревенко А.Г. Реферат магистерской диссертации. Издательство ДонНГУ, 2007.
6. Лоханин Е.К., Лохматов А.П., Мамиконянц Л.Г., Скрыпник А.И. Моделирование асинхронизи-рованного генератора // Электричество. 2001. № 6.
Г'-": — TATA — LXJ
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 5 (97) 2011
© Scientific Technical Centre «TA
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.