CC BY
112
Раздел II. Энергетика, механика
УДК 681.513
А.А. Мазалов
АДАПТИВНАЯ ВЕТРОУСТАНОВКА С МАШИНОЙ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА ДВОЙНОГО ПИТАНИЯ
Рассматривается адаптивная система управления ветроэнергетической установки, обеспечивающая решение задачи стабилизации напряжения и частоты на выходе генерато-
.
,
стабильными параметрами при изменении в широких пределах скорости ветра и подключае-. -, -нератора, и адаптивного изменения частоты и амплитуды напряжения, подаваемого в фаз. -венного снижения мощности преобразователя. Разработана компьютерная модель для исследования системы управления, приведены результаты моделирования.
Ветроэнергетическая установка; адаптивная система управления; машина переменного тока двойного питания.
A.A. Mazalov ADAPTIVE WIND POWER PLANT WITH ALTERNATING CURRENT DOUBLE FED INDUCTION MACHINE
At this article adaptive control system of wind power plant is considered. The research objects are both methods of synthesis as well as a structure of adaptive control system. It is necessary to unsure stable parameters of alternating voltage generation in a wide range of wind speed and the load connected. The output voltage parameter stability is achieved by using the new control system structure. In this structure electrical converter is placed in the rotor circuit and adaptive changes in frequency and amplitude of the rotor voltage. This structure reduces installation cost due to the possibility of using commercially available machines of alternating current and reduces the converter's power. In addition a computer model to study control-executive system was developed.
Wind power plant; adaptive control system; wound-rotor doubly-fed electric machine.
.
удовлетворяются, в основном, за счёт переработки традиционного топлива. Количество этого топлива ограничено, и как следствие мир столкнётся с серьёзными
.
нестабильных ценах на нефть вынуждает искать альтернативные решения энерге-. -ной энергетики является ветроэнергетика.
Быстрый рост установленных ветроэнергетических мощностей за последние годы оказался возможен за счёт разработки и внедрения новых технологических , -энергетической установки (ВЭУ) асинхронной машины двойного питания (АМДП). Это позволяет создавать мощные сетевые ВЭУ с переменной частотой
2б
вращения лопастей, не уступающих по своей эффективности ВЭУ с фиксированной частотой вращения. При этом снижается мощность преобразующих устройств до 30 % от мощности всей установки, что ведёт к уменьшению потерь в этих устройствах и снижению их стоимости.
, -бегающего воздушного потока. Вместе с тем необходимость выработки качественного стабильного напряжения ставит задачу разработки технологических ре, -ка на качество получаемой энергии. Таким технологическим решением является адаптивная система управления (СУ) ВЭУ с АМДП, позволяющая с высокой скоростью реагировать на изменение скорости ветра и величину подключаемой элек-,
.
делает их разработку востребованной. Синтезируя адаптивный быстродействующий регулятор напряжения, и используя структуру ВЭУ на базе АМДП, становится возможным проектирование и строительство таких типов ВЭУ.
Структура адаптивной ВЭУ
Угол поворота лопастей Рис. 1. Переменно-скоростная ветроэнергетическая система с АМДП
-
базе АМДП приведена на рис. 1. Здесь статор генератора подключается напрямую , AC/DC/AC
.
рабочем диапазоне токов ротора с небольшим запасом мощности, а также с каналом управления по частоте и амплитуде. Рабочий диапазон частот вращения ротора индивидуален для каждой системы, и в среднем, согласно [7], лежит в диапазоне от 70 до 130 % от синхронной частоты. Основное назначение DC/AC преобразователя - преобразование постоянного напряжения с выхода резервного источни-, , подача его на фазный ротор генератора позволит получить на его выходе переменное напряжение заданных параметров. Контролем необходимых параметров и управлением ветроустановки занимается система управления. В частности, она служит для поддержания стабильности генерируемого напряжения за счёт управления напряжением в роторной цепи, контроля угла поворота лопастей ветроколе-, ,
, .
, -ласть применения переменно-скоростных ВЭУ с АМДП и улучшить их характеристики. Актуальной становится задача разработки новых адаптивных регуляторов, позволяющих улучшить качество выходного напряжения уже построенных сетевых
Известия ЮФУ. Технические науки
ВЭС с АМДП, а также делающих возможным создание автономных ВЭУ с использованием такой же структуры. При этом синтез таких адаптивных алгоритмов управления ведётся с учётом физических принципов и законов, описываемых математической моделью АМДП, а также того факта, что такая модель является адекватной лишь с учётом определённых допущений, указываемых при её создании.
Алгоритмы адаптивной системы управления. Система управления позволяет придать адаптивные свойства ВЭУ, обеспечивая стабилизацию частоты и амплитуды выходного напряжения генератора при изменении скорости ветра и тока нагрузки. ВЭУ представляет собой нелинейную многосвязную систему, поэтому для синтеза ее системы управления в общем случае требуется применять адаптивные методы [2-4]. В данном случае осуществляется стабилизация ВЭУ в заданном режиме, что позволяет использовать адаптивные ПИ-ре^ляторы.
Стабилизация частоты выходного напряжения АГДП. Согласно [1], закон управления по частоте, при известных механической частоте вращения вала генератора и числе пар полюсов машины, имеет вид
^напр. рот. ^напр.стат. fрот.мех. р (1)
, -
. (1) , , что упрощает СУ в целом и снижает требования к вычислительной мощности , .
.
выходного напряжения АМДП основан на том факте, что при изменении амплитуды переменного напряжения, поданного на фазный ротор, амплитуда выходного напряжения АМДП также изменяется.
Поддержание постоянным амплитудного значения выходного напряжения генератора связано с некоторыми сложностями, так как его колебания связаны не только с частотой вращения ротора и величиной подключённой электрической , , число пар полюсов, величинами сопротивлений и индуктивностями обмоток. Кро-, -, -сти от температуры обмоток и частоты токов, протекающих через них, соответственно. В данной работе исследования ведутся без учёта насыщения стали магни-топровода машины и влияния температуры обмоток на проводимость материала.
, , необходимо ответить на два важных вопроса - напряжение какой величины должно быть подано на фазный ротор при текущих условиях, а также каким именно способом лучше всего это сделать.
Из [5] известно, что для электротехнических расчётов АМДП можно представить в виде эквивалентной схемы замещения. Для того, чтобы рассчитать ам-, ,
Т-образной схемой замещения АМДП, подробно описанной в [6]. Произведя необ-,
Т. и5 • 5 • (Яь + 1Е)
ик = —--------^--------, (2)
Кь
г • г,
т 5
г + г,
т 5
где - сопротивление части схемы замещения;
ZR, ZS, Zm, ZL - соответственно приведённые сопротивления ротора, статора, магнитное сопротивление и нагрузки; S - скольжение; Us ,UR - напряжения статора и ротора.
, -
, , -ных внутренних параметрах генератора и заданном желаемом значении напряжения
Us . , , - -
ний, генератор, при подаче на него напряжения, рассчитанного по формуле (2), выдаст напряжение, отличающееся от Us в среднем на ±10 % в зависимости от конкретных условий работы. Кроме того, при подаче на ротор сразу всей величины рас, , -тивно скажется на качестве генерируемого в этот момент напряжения. Исходя из , , (2) в качестве ориентировочной оценки величины напряжения ротора, или, если это , . необходимо синтезировать адаптивный регулятор на основе такой оценки.
Синтез адаптивного регулятора. В качестве точного быстродействующего регулятора предлагается использовать адаптивный ПИ-регулятор с переменным коэффициентом интегральной составляющей. Его реализация представлена в виде следующих выражений:
U R = k (U - U ) + k, j" (U - U )dt, (3)
R p v s s. now / i J v s s. now y 7 4 '
К = F ( fshaft, RL , ). (4)
k p
- . k i ,
(4),
, -
ной нагрузки, т.е. проявляет адаптивность к изменяющимся условиям работы сис-. k i (2), -
лен в виде
UR U ■ S ■ (Rl + ZE)
kt =-^ = ^-----------^^. (5)
1 A A • Rl
- ,
.
В результате исследования обнаружено, что общепринятые способы настройки коэффициентов усиления пропорциональной и интегральной составляющих регулятора, применительно к синтезируемой СУ, оказываются малоэффективными. Подобрав их для определённой скорости ветра и нагрузки, оказалось, что при других значениях этих величин регулятор начинал работать неудовлетворительно. Главным , -, , ,
(2). ,
возбуждения при текущей скорости ветра и нагрузке, СУ приблизительно оценивает её, и исходя из этой величины определяется интегральная составляющая. После этого регулятор начинает свою работу. Вычисления ведутся до тех пор, пока невязка,
или рассогласование Us - Us now не станет равна нулю.
, (2) (5),
рассчитывает требуемые параметры напряжения возбуждения, передаёт их в инвертор, который физически создаёт и подаёт его на ротор. Независимо от того, какая нагрузка подключена и с какой скоростью будет вращаться вал генератора, на его выходе будет трёхфазное напряжение с постоянными частотой, амплитудой и фазой, т.е. вся система является адаптивной, что подтверждается результатами моделирования. Также следует учесть нелинейности системы, ограничив токи, протекающие в обмотках статора и ротора АМДП.
Однако, на синхронной частоте выражения (2) и (5) обращаются в ноль, что означает, что при этих условиях напряжение на ротор не должно подаваться. Данный вывод не согласуется с общепринятыми теоретическими положениями, что заставляет выделить работу АМДП на синхронной скорости в отдельный режим , .
(5), -
ной модели генератора, снижает адаптивные свойства системы, так как рассчиты-. , , , необходимо подать на ротор, и максимально допустимого времени адаптации, то
есть можно записать, что А = Р (и*,^).
,
помощью современных методов управления, например [8, 9].
Компьютерная модель адаптивной СУ. Общая схема модели подробно описана в работе [1]. Схематическое изображение системы управления приведено . 2. , -ле тока и напряжения в статорной цепи, а также известные постоянные величины, такие как значения внутренних параметров генератора и параметров генерируемо,
. -
граммы трехфазных напряжений на роторе генератора и его выходе, а также ведётся измерение потребляемой активной и реактивной мощности в статорной и .
Рис. 2. Модель СУ ВЭУ с АГДП
Описание экспериментов. Для предварительного анализа и исследования адаптивной ВЭУ были поставлены следующие эксперименты:
1. Исследование адаптивных свойств СУ. Цель эксперимента - подтвердить работоспособность адаптивной СУ, оценить качество управления. В работе [1] дано подробное описание эксперимента и его результатов.
2. Исследование потребления и отдачи реактивной мощности в сеть. Цель
-
как потребителем реактивной мощности, так и её источником. Известно, что рабочим диапазоном частоты вращения АМДП является диапазон в среднем от 70 до 130 % от синхрон ной частоты. При неизменной нагрузке будем увеличивать частоту вращения вала генератора от нижнего предела рабочего диапазона до верхнего. Согласно [7], при этом АМДП на подсинхронной частоте будет являться потребителем реактивной мощности, а на сверхсинхронной - её источником.
Результаты моделирования. На рис. 3 и 4 представлены результаты прове.
х 10*
6 4 2
ri'TVij
-2
-VI
-6 -ь 2 11 1
0 40 6 0 8 ■ 0 100 120
Рис. 3. Диаграмма потребления и отдачи реактивной мощности
200
200 -........:.........:....................;.........:.........-
о-----------i---------'---------'----------'---------i---------
О 20 40 60 80 100 120
Рис. 4. Амплитуда фазного напряжения фазы А ротора Так, согласно [1], эксперимент 1 показал, что разработанная СУ обладает ,
быстродействии. Эксперимент 2 показал, что ветроэнергетическая система на базе АГДП способна быть как источником, так и потребителем реактивной мощности.
Это подтверждается диаграммой потребления реактивной мощности, приведённой на рис. 3. Как и ожидалось, АМДП потребляет реактивную мощность на подсин-хронной частоте (моменты времени с 0 по 60), покрывает потребление собственной реактивной мощности (моменты времени с 60 по 95), и отдаёт её на сверхсин-хронной (моменты времени с 95 по 120). При этом, на рис. 4, приводится диаграмма напряжения ротора, подтверждающая наличие его минимальной величины на синхронной частоте и её рост на под- и сверхсинхронных частотах вращения. При неизменной подключённой нагрузке сила тока также будет иметь U-образный вид. ,
синхронной, тем большая сила тока протекает в цепи ротора. Максимально возможное значение силы тока в роторной цепи конкретной модели генератора и будет определять границы допустимого диапазона частоты вращения вала для конкретной мощности подключённой нагрузки. Как следствие, уменьшение её мощности позволит существенно расширить рабочий диапазон исследуемой ВЭУ, что означает возможность осуществления процесса преобразования энергии в широком диапазоне скоростей ветра, при условии изменения мощности, требуемой от , .
Заключение. В данной работе был описан процесс синтеза и последующего исследования адаптивной СУ ВЭУ с АМДП, позволяющей решить поставленные задачи исследования и реализовать все преимущества ветроэнергетических систем, использующих подобную структуру. В частности, были получены следующие результаты:
1. , -
нове схемы замещения АМДП и адаптивного ПИ-ре^лятора с переменным коэффициентом интегральной составляющей. Это позволило поддерживать постоянными во времени основные параметры генерируемого
, , вращения вала генератора и величины подключаемой нагрузки.
2. ,
адаптивную систему управления. Это позволило реализовать и исследовать синтезированные алгоритмы работы такой СУ, оценить её качество , , дальнейшие цели исследования в этой области.
3. Также были подтверждены некоторые общеизвестные свойства АМДП, такие как способность отдавать и потреблять реактивную мощность, U- .
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Мазалов АЛ. Адаптивная ветроустановка переменного тока с асинхронным генератором // Известия ЮФУ. Технические науки. - 2010. - № 3 (104). - С. 250-256.
2. Шанин ДЛ., Пшихопов В.Х., Медведев ММ. Построение нейросетевых регуляторов для
// - -щие системы. - 2008. - № 3. - Т. 6. - С. 48-52.
3. . . //
Мехатроника, автоматизация, управление. - 2006. - № 6. - С. 17-22.
4. Пшихопое В.Х., Медведев ММ., Борзов В.И. Автономные управляемые ветроэнергетические установки // Известия ТРТУ. - 2006. - № 3 (58). - С. 202-207.
5. ВольдекА.И. Электрические машины. - J1.: Энергия, 1974. - С. 840.
6. Каляева АЛ., Мазур А.Я. Электрические машины. - Минск: Высшая школа, 1971. - С. 367.
7. Petersson A. Analysis, Modeling and Control of Doubly-Fed Induction Generators for Wind Turbines,Thesis for the degree of licentiate of engineering, Department of Electric Power Engineering, Chalmers University of Technology, Goteborg, Sweden, 2003. - P. 122.
З2
8. . ., . .
аппаратами // Известия ЮФУ. Технические науки. - 2010. - № 3 (104). - С. 187-19б.
9. . .
// .
науки. - 2008. - № 12 (89). - С. 20-25. '
Статью рекомендовал к опубликованию д.т.н., профессор РА. Нейдорф.
Мазалов Андрей Андреевич - Технологический институт федерального государственного автономного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Южный федеральный университет» в г. Таганроге; e-mail: [email protected]; 347928, г. Таганрог, пер. Некрасовский, 44; тел.: 88бЗ4З71б94; кафедра электротехники и мехатроники; .
Mazalov Andrey Andrejevich - Taganrog Institute of Technological - Federal State-Owned Autonomous Educational Establishment of Higher Vocational Education “Southern Federal University”; e-mail: [email protected]; 44, Nekrasovskiy, Taganrog, 347928, Russia; phone: 88бЗ4З71б94; the department of electrical engineering and mechatronics; assistant.
УДК 629.113
..
ОПТИМИЗАЦИЯ УГЛА ОПЕРЕЖЕНИЯ ЗАЖИГАНИЯ ДЛЯ ДОСТИЖЕНИЯ МАКСИМАЛЬНОГО КРУТЯЩЕГО МОМЕНТА ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ С ПОМОЩЬЮ БИНАРНОГО
ТОПЛИВА
Рассмотрена задача повышения крутящего момента двигателя внутреннего сгорания без сопутствующего увеличения расхода топлива. Предлагается использование бинар-, , детонационной стойкости позволяет реализовать угол опережения зажигания, обеспечивающий максимум давления в цилиндре в целевом диапазоне поворота коленчатого вала. Делается вывод, что помимо увеличения крутящего момента и мощности двигателя, бинарное топливо позволит снизить расходы на топливо и выбросы вредных продуктов сгорания в атмосферу.
Двигатель внутреннего сгорания; угол опережения зажигания; бинарное топливо; ; .
M.A. Beresnev
OPTIMIZATION OF SPARK ADVANCE TO REACH THE MAXIMUM INTERNAL COMBUSTION ENGINE TORQUE BY MEANS OF BINARY FUEL
Author considers a problem of increasing internal combustion engine torque without consequent fuel consumption increase. The proposed solution is includes utilization of binary fuel with high knock rating comparing with gasoline allowing spark advance that provides reach of maximum pressure inside cylinder in necessary crankshaft rotation angle range. It's concluded that aside of torque and power increase, binary fuel helps to decrease POL expenses and emission of harmful combustion products.
Internal combustion engine; spark advance; binary fuel; torque; power.
. -
сколько основных направлений: улучшение экологических показателей, увеличение экономичности и увеличение эффективности. Вместе с эффективностью растет и литровая мощность, что, с одной стороны, не может не радовать конечных
ЗЗ
