СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКОЙ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2007 года по МПК F03D7/00 

Изобретение относится к ветроэнергетическим (в т.ч. ветроэлектрическим) установкам (ВЭУ) с самоориентирующейся по ветру горизонтальной осью вращения ветроколеса (ВК), а более конкретно - к способам управления такими ВЭУ.

Известны способы управления ВЭУ с горизонтальной осью вращения ВК. Например, в т.н. «тихоходных» ВЭУ распространение получили способы управления (регулирования) путем вывода ветроколеса из-под ветра давлением, создаваемым воздушным потоком на дополнительные поверхности - боковые планы; или давлением на ВК, ось вращения которого смещена (эксцентрично расположена) относительно вертикальной оси его разворота по ветру. В исходное положение ветроколесо возвращается, например, усилием пружины. Принудительная остановка ВК производится, например, через систему тросов лебедкой. В большинстве т.н. «быстроходных» ВК регулирование осуществляется поворотом лопасти или ее концевой части относительно продольной оси, например, вследствие комбинированного действия на нее давления воздушного потока и момента ее центробежных сил (в т.ч. включая балансировочные грузы лопасти), под действием усилия центробежного регулятора и т.п. - см., например, «Большая советская энциклопедия», М., Изд-во «Советская энциклопедия», 1971 г., т.4, стр.590-594.

Известна ВЭУ «Growian-1» (ФРГ) с самоориентирующейся по ветру горизонтальной осью вращения ВК, - ближайший аналог (прототип), система управления (СУ) которой обеспечивает синхронное ориентирование (разворот) лопастей ветроколеса относительно плоскости его вращения в диапазоне углов от конструктивно минимального (ϕ_o) до флюгерного (ϕ_ф) - в режиме раскрутки, рабочем (энергогенерирующем) либо останова ВК; СУ обеспечивает также выведение лопастей ВК на установочный (близкий к оптимальному) угол (ϕ), при котором стабилизируют вращение ВК в диапазоне номинальной угловой скорости рабочего режима (18,5 об/мин ± 15% для ВЭУ «Growian-1»), кроме того, СУ осуществляет включение/выключение нагрузки ВЭУ и/или тормоза ВК - см., например, Ю.М.Голоднов, А.В.Пиковский «Генераторы для ветровых, малых гидравлических и приливных электростанций», М., ВИНИТИ, 1992 г, стр.51-55.

Однако способ управления ВЭУ - ближайший аналог, реализуемый СУ ВЭУ «Growian-1», оптимизирован для параллельной работы с электросетью. При работе же ВЭУ в автономном режиме, когда не требуется строгого согласования параметров силы тока/напряжения/фазы с параллельными сетевыми параметрами, но обязательна высокая надежность при автоматическом (безлюдном) функционировании ветроустановки, структура СУ и аппаратно-программная реализация способа управления ВЭУ, реализованная на ближайшем аналоге, является, с одной стороны, неоправданно переразмеренной и громоздкой (по критерию «стоимость-эффективность»), с другой стороны, недостаточной для полностью автономной автоматической работы (в т.ч. многократного штормового флюгерования с последующим автоматическим перезапуском и выходом в штатный энергогенерирующий режим; автоматической самодиагностики, в т.ч. с возможностью переконфигурирования, ключевых блоков ВЭУ; применения оптимальной фильтрации разгонных параметров ВК с учетом ветровых порывов, др.).

Целью предлагаемого изобретения является создание способа управления ветроустановкой, обеспечивающего ее автономную автоматическую (безлюдную) работу при использовании в качестве датчика скорости ветра непосредственно ветроколеса ВЭУ.

Указанная цель достигается тем, что в способе управления ветроэнергетической установкой с самоориентирующейся по ветру горизонтальной осью вращения ветроколеса, включающем синхронное ориентирование (разворот) лопастей ВК относительно плоскости его вращения в диапазоне углов от конструктивно минимального ϕ_о до флюгерного ϕ_ф (в режиме раскрутки, рабочем или останова ВК), а также удержание лопастей ВК на установочном угле ϕ, при котором стабилизируют вращение ВК в диапазоне номинальной угловой скорости рабочего режима ϕ_min≤ω_ном≤ω_max, а также включение/выключение нагрузки ВЭУ и/или тормоза ВК, - при раскрутке ВК от ветрового потока, ориентирование лопастей ВК производят (с предварительно установленной постоянной или переменной угловой скоростью разворота лопастей относительно их продольных осей γ) от угла ϕ_ф>ϕ до угла ϕ_o<ϕ, при этом фиксируют время t_p разгона ВК до заданной контрольной угловой скорости ω_o≤ω_ном или за заданное контрольное время t₀ фиксируют угловую скорость разгона ВК ω_p≤ω_ном, далее сравнивают значение t_p или ω_p с их предварительно установленным пороговым значением или , при t_p≥ или ω_р≤ доводят вращение ВК до угловой скорости ω_max и включают нагрузку - с переходом ВК в диапазон номинальной стабилизируемой угловой скорости ω_ном рабочего режима, а при t_р< или ω_p> останавливают ВК посредством перевода лопастей на угол ϕ_ф и включения нагрузки и/или тормоза, при этом одновременно включают таймер на предварительно установленное время задержки t_з, а по окончании t_з выключают тормоз, нагрузку и вновь переводят ВК в режим раскрутки.

При уменьшении в рабочем режиме ω_ном менее ω_min (достижении ветроколесом угловой скорости ω<ω_min) осуществляют разворот лопастей ВК - с предварительно установленной постоянной или переменной угловой скоростью этого разворота γ - от угла ϕ до ϕ_o до достижения ветроколесом ω_ном, причем при сохранении условия ω<ω_min далее выключают нагрузку, а лопасти ВК фиксируют на угле 10°≤ϕ≤50°.

При увеличении в рабочем режиме ω_ном более ω_max (достижении ветроколесом угловой скорости ω>ω_max) осуществляют разворот лопастей ВК - с предварительно установленной угловой скоростью этого разворота γ - от угла ϕ до ϕ_ф до достижения ВК ω_ном, причем при сохранении условия ω>ω_max далее включают тормоз ВК, а также таймер на предварительно установленное время задержки t_з, при этом по окончании t_з выключают тормоз, нагрузку и вновь переводят ВК в режим раскрутки.

Кроме того, дополнительно вводят блокировку тормоза, которая в случае его неисправности воспрещает раскрутку ВК по окончании t_з.

Кроме того, дополнительно вводят световые и/или радиомаяки (индикаторные устройства), сигнализирующие об отказе нагрузки, и/или тормоза, и/или синхронного ориентирования лопастей (устройства разворота лопастей), и/или включении/выключении режима раскрутки, или рабочего, или останова (торможения) ВК ВЭУ.

На чертеже представлена структурная схема ВЭУ, СУ которой реализует предложенный способ управления. Приняты обозначения:

1 - лопасть ВК,

2 - устройство синхронного разворота лопастей в диапазоне углов от ϕ_ф до ϕ_о,

3 - силовая передача крутящего момента от ВК к нагрузке,

4 - предохранительная/компенсирующая муфта,

5 - нагрузка,

6 - тормоз,

7 - управляющее устройство,

8 - таймер,

9 - датчик оборотов ВК,

10 - линия командно-информационной связи,

11 - сигнализатор (маяк),

12 - источник энергопитания.

Функционирование ВЭУ по данному способу управления осуществляется следующим образом. При начальном переводе ветроустановки в режим штатной эксплуатации (либо автономном автоматическом перезапуске ВЭУ по таймеру) лопасти поз.1 ВК устанавливаются во флюгерное положение (на угол ϕ_ф) посредством устройства синхронного разворота поз.2 по команде управляющего устройства поз.7. После этого выключают нагрузку поз.5 и/или тормоз поз.6 - если они были включены - и осуществляют с предварительно установленной (заданной априори) постоянной или переменной угловой скоростью γ синхронный перевод (разворот) лопастей поз.1 ВК из флюгерного положения ϕ_ф к положению конструктивно минимального («антифлюгерного») угла ϕ_о. Данный режим предусматривает использование ветроколеса ВЭУ в качестве датчика скорости ветра (с «идеальной» фильтрацией порывов ветра для каждого конкретного ВК).

При этом в процессе раскрутки ветроколеса от ветрового потока фиксируют:

либо время t_p разгона ВК до заданной априори контрольной угловой скорости ω_о≤ω_ном,

либо угловую скорость разгона ВК ω_р≤ω_ном за заданное контрольное время t₀.

Контроль t_p - таймером поз.8, ω_p - датчиком оборотов поз.9. Далее сравнивают значение t_p или ω_p с их предварительно установленным пороговым значением или (осуществляется управляющим устройством поз.7). При t_p≥ или ω_р≤ (что соответствует нештормовой скорости ветра) доводят вращение ВК - посредством дальнейшего разворота лопастей поз.1 с предварительно установленной постоянной или переменной угловой скоростью этого разворота γ - до угловой скорости ω_max (задается априори) и включают нагрузку поз.5. При этом - за счет перераспределения кинетического момента ВК на нагрузку поз.5 - угловая скорость вращения ветроколеса уменьшается до значения ω_min≤ω_ном≤ω_max (контроль - по датчику оборотов поз.9 ВК). Управляющее устройство поз.7 поддерживает данный рабочий режим. При этом при уменьшении скорости ветрового потока и достижении ветроколесом угловой скорости ω<ω_min производится разворот лопастей поз.1 ВК (с заданной угловой скоростью γ) от текущего значения установочного угла ϕ доϕ_o (в пределе) - до достижения ветроколесом номинальной угловой скорости ω_ном. При этом, если сохраняется ω<ω_min, нагрузку поз.5 далее выключают, а лопасти ВК фиксируют на угле 10°≤ϕ≤50° (угол наивыгоднейшей раскрутки ненагруженного ВК из штилевого состояния).

Соответственно, при увеличении скорости ветрового потока и достижении на рабочем режиме ветроколесом угловой скорости ω>ω_max - производится разворот лопастей поз.1 ВК (с заданной угловой скоростью их разворота γ) от текущего значения установочного угла ϕ до ϕ_ф (в пределе) - до достижения ветроколесом номинальной угловой скорости ω_ном. Причем при сохранении условия ω>ω_max (например, на углах ϕ≈ϕ_ф-Δ, где Δ=3-25°) - включают тормоз поз.6 ВК и одновременно таймер поз.8 (на предварительно установленное время задержки t_з). По окончании t_з - выключают тормоз поз.6, нагрузку поз.5 и вновь переводят ВК в режим раскрутки (т.е. осуществляют автономный автоматический перезапуск ВЭУ).

В качестве дополнительных ступеней предохранения ВЭУ, СУ при работе по указанному способу может вводить блокировку тормоза поз.6, которая в случае его неисправности воспрещает раскрутку ВК, в т.ч. по окончании t_з.

Кроме того, в структуру ВЭУ могут быть дополнительно введены световые и/или радиомаяки (индикаторные устройства) поз.11, сигнализирующие, например, об отказе нагрузки поз.5, и/или тормоза поз.6, и/или устройства разворота лопастей поз.2 (что приводит к невозможности синхронного ориентирования лопастей поз.1), и/или включении (либо выключении) режима раскрутки, или рабочего, или торможения (останова) ВК.

В рамках представленной на чертеже структурной схемы ВЭУ предполагается традиционное для установок этого типа (с самоориентирующейся по ветру горизонтальной осью вращения ВК) сопряжение ВК и целевой нагрузки поз.5 (включая в состав нагрузки в т.ч. редукторы, мультипликаторы, приводы и т.п.) через силовую передачу поз.3 (с предохранительными/компенсирующими муфтами поз.4), а также управляющего устройства поз.7 с оконечными устройствами поз.2, 5, 6, 8, 9, 11 через линии командно-информационной связи поз.10; при этом энергопитание всех потребителей обеспечивается от специализированного источника поз.12, например электрогенератора (в качестве дублирующих источников энергопитания поз.12 могут применяться также инерционные маховики, электрические аккумуляторы, фотоэлектрические преобразователи - солнечные батареи и т.п.).

Предложенное техническое решение - способ управления ветроэнергетической установкой - при его реализации на ВЭУ с самоориентирующейся по ветру горизонтальной осью вращения ВК (которые составляют, по разным оценкам, от 85 до 91% современного парка ВЭУ) позволит обеспечить ее автономную автоматическую (безлюдную) работу, что актуально для регионов с малой плотностью населения и/или низкой квалификацией привлекаемого обслуживающего персонала. При этом использование ветроколеса ВЭУ в качестве датчика скорости ветра (что обеспечивает практически «идеальную» фильтрацию порывов ветра для конкретного ВК) позволяет перейти к программно-аппаратной реализации ВЭУ, более предпочтительной по критерию «стоимость - эффективность».

Изобретение относится к способам управления ветроэнергетическими установкам (ВЭУ) с самоориентирующейся по ветру горизонтальной осью вращения ветроколеса (ВК). В способе управления ВЭУ, включающем синхронный разворот лопастей ВК относительно плоскости его вращения в диапазоне углов от конструктивно минимального ϕ_о до флюгерного ϕ_ф, а также удержание лопастей ВК на установочном угле ϕ, при котором стабилизируют вращение ВК в диапазоне номинальной угловой скорости рабочего режима ω_min≤ω_ном≤ω_max, а также включение/выключение нагрузки ВЭУ и/или тормоза ВК, при раскрутке ВК от ветрового потока, ориентирование лопастей ВК производят с предварительно установленной угловой скоростью разворота лопастей относительно их продольных осей γ от угла ϕ_ф>ϕ до угла ϕ_о<ϕ, при этом фиксируют время t_p разгона ВК до заданной угловой скорости ω_o≤ω_ном, или за заданное время t₀ фиксируют угловую скорость разгона ВК ω_p≤ω_ном, далее сравнивают значение t_p или ω_p с их предварительно установленным пороговым значением или , при t_p≥ или ω_p≥ доводят вращение ВК до угловой скорости ω_max и включают нагрузку с переходом ВК в диапазон номинальной стабилизируемой угловой скорости ω_ном рабочего режима, а при t_p< или ω_p> останавливают ВК посредством перевода лопастей на угол ϕ_ф и включения нагрузки и/или тормоза, при этом одновременно включают таймер на предварительно установленное время задержки t_з, а по окончании t_з выключают тормоз, нагрузку и вновь переводят ВК в режим раскрутки. При достижении в рабочем режиме ветроколесом угловой скорости ω<ω_min осуществляют разворот лопастей ВК - с предварительно установленной угловой скоростью этого разворота γ - от угла ϕ до ϕ_o до достижения ветроколесом ω_ном, причем при сохранении условия ω<ω_min далее выключают нагрузку, а лопасти ВК фиксируют на угле 10°<ϕ<50°. При достижении в рабочем режиме ветроколесом угловой скорости ω≥ω_max осуществляют разворот лопастей ВК - с предварительно установленной угловой скоростью этого разворота γ - от угла ϕ до ϕ_ф до достижения ВК ω_ном, причем при сохранении условия ω>ω_max далее включают тормоз ВК, а также таймер на предварительно установленное время задержки t_з, при этом по окончании t_з выключают тормоз, нагрузку и вновь переводят ВК в режим раскрутки. Реализация способа позволит обеспечить автономную автоматическую (безлюдную) работу ВЭУ. 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ управления ветроэнергетической установкой (ВЭУ) с самоориентирующейся по ветру горизонтальной осью вращения ветроколеса (ВК), включающий синхронное ориентирование лопастей ветроколеса относительно плоскости его вращения в диапазоне углов от конструктивно минимального ϕ_о до флюгерного ϕ_ф в режиме раскрутки, рабочем или останова ВК, удержание лопастей ВК на установочном угле ϕ, при котором стабилизируют вращение ВК в диапазоне номинальной угловой скорости рабочего режима ω_min≤ω_ном≤ω_max, включение/выключение нагрузки ВЭУ и/или тормоза ВК, отличающийся тем, что при раскрутке ВК от набегающего ветрового потока разворот лопастей ВК производят с предварительно установленной постоянной или переменной угловой скоростью γ от угла ϕ_ф>ϕ до угла ϕ_о<ϕ, при этом фиксируют время t_p разгона ВК до заданной контрольной угловой скорости ω_o≤ω_ном, далее сравнивают значение t_p с его предварительно установленным пороговым значением , при t_p≥ доводят вращение ВК до угловой скорости ω_max и включают нагрузку, с переходом ВК в диапазон номинальной стабилизируемой угловой скорости ω_ном рабочего режима, а при t_p<^{останавливают ВК посредством перевода лопастей на угол ϕ_ф и включения нагрузки и/или тормоза, при этом одновременно включают таймер на предварительно установленное время задержки t_з, а по окончании t_з выключают тормоз, нагрузку и вновь переводят ВК в режим раскрутки.}2. Способ управления ВЭУ по п.1, отличающийся тем, что при достижении ВК в рабочем режиме угловой скорости ω<ω_min осуществляют разворот лопастей ВК с предварительно установленной угловой скоростью γ от угла ϕ до ϕ_о до достижения ВК ω_ном, но при сохранении ω<ω_min далее выключают нагрузку, а лопасти ВК фиксируют на угле 10°≤ϕ≤50°.3. Способ управления ВЭУ по п.1, отличающийся тем, что при достижении ВК в рабочем режиме угловой скорости ω>ω_max осуществляют разворот лопастей ВК с предварительно установленной угловой скоростью γ от угла ϕ до ϕ_ф до достижения ВК ω_ном, причем при сохранении ω>ω_max, далее включают тормоз ВК, а также таймер на предварительно установленное время задержки t_з, при этом по окончании t_з выключают тормоз, нагрузку и вновь переводят ВК в режим раскрутки.4. Способ управления ВЭУ по п.1, отличающийся тем, что дополнительно вводят блокировку тормоза, которая в случае его неисправности воспрещает раскрутку ВК по окончании t_з.5. Способ управления ВЭУ по п.1, отличающийся тем, что дополнительно вводят световые и/или радиомаяки, сигнализирующие об отказе нагрузки, и/или тормоза, и/или синхронного ориентирования лопастей, и/или включении/выключении режима раскрутки, или рабочего, или останова ВК.6. Способ управления ветроэнергетической установкой (ВЭУ) с самоориентирующейся по ветру горизонтальной осью вращения ветроколеса (ВК), включающий синхронное ориентирование лопастей ветроколеса относительно плоскости его вращения в диапазоне углов от конструктивно минимального ϕ_о до флюгерного ϕ_ф в режиме раскрутки, рабочем или останова ВК, удержание лопастей ВК на установочном угле ϕ, при котором стабилизируют вращение ВК в диапазоне номинальной угловой скорости рабочего режима ω_min≤ω_ном≤ω_max, включение/выключение нагрузки ВЭУ и/или тормоза ВК, отличающийся тем, что при раскрутке ВК от набегающего ветрового потока разворот лопастей ВК производят с предварительно установленной постоянной или переменной угловой скоростью γ от угла ϕ_ф>ϕ до угла ϕ_о<ϕ, при этом за заданное контрольное время t_o фиксируют угловую скорость разгона ВК ω_р≤ω_ном, далее сравнивают значение ω_р с предварительно установленным пороговым значением , при ω_р≤ доводят вращение ВК до угловой скорости ω_max и включают нагрузку, с переходом ВК в диапазон номинальной стабилизируемой угловой скорости ω_ном рабочего режима, а при ω_р> останавливают ВК посредством перевода лопастей на угол ϕ_ф и включая нагрузки и/или тормоза, при этом одновременно включают таймер на предварительно установленное время задержки t_з, а по окончании t_з выключают тормоз, нагрузку и вновь переводят ВК в режим раскрутки.7. Способ управления ВЭУ по п.6, отличающийся тем, что при достижении ВК в рабочем режиме угловой скорости ω<ω_min осуществляют разворот лопастей ВК с предварительно установленной угловой скоростью γ от угла ϕ до ϕ_о до достижения ВК ω_ном, но при сохранении ω<ω_min, далее выключают нагрузку, а лопасти ВК фиксируют на угле 10°≤ϕ≤50°.8. Способ управления ВЭУ по п.6, отличающийся тем, что при достижении ВК в рабочем режиме угловой скорости ω>ω_max осуществляют разворот лопастей ВК с предварительно установленной угловой скоростью γ от угла ϕ до ϕ_ф до достижения ВК ω_ном, причем при сохранении ω>ω_max, далее включают тормоз ВК, а также таймер на предварительно установленное время задержки t_з, при этом по окончании t_з выключают тормоз, нагрузку и вновь переводят ВК в режим раскрутки.9. Способ управления ВЭУ по п.6, отличающийся тем, что дополнительно вводят блокировку тормоза, которая в случае его неисправности воспрещает раскрутку ВК по окончании t_з.10. Способ управления ВЭУ по п.6, отличающийся тем, что дополнительно вводят световые и/или радиомаяки, сигнализирующие об отказе нагрузки, и/или тормоза, и/или синхронного ориентирования лопастей, и/или включении/выключении режима раскрутки, или рабочего, или останова ВК.