ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА Российский патент 2024 года по МПК F03D7/04 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение может быть использовано в области ветроэнергетики, конкретно при управлении ветроэнергетической установкой или ветроэнергетической станцией.

Уровень техники

Известен способ [Твайделл Дж., Уэйр А. Возобновляемые источники энергии: Пер. с англ. - М.: Энергоатомиздат. 1990.] управления ветроэнергетической установкой, основанный на том, что формирует сигнал о скорости ветра на высоте оси вращения ветроколеса, сигнал задания общего угла установки лопастей ветроколеса и сигнал об угле установки каждой лопасти ветроколеса, по этим сигналам формируют сигнал регулирования, при котором в каждый момент времени равные углы установки лопастей ветроколеса регулируют так, чтобы скорость вращения ветроколеса была постоянной.

Недостатком способа-аналога является недоиспользование режимных возможностей ветроэнергетической установки.

Известен также способ [Дьяков А.Ф., Перминов Э.М., Шакарян Ю.Г. Ветроэнергетика России. Состояние и перспективы развития. - М.: Издательство МЭИ, 1996, стр.35-36] управления ветроэнергетической установкой, основанный на том, что формируют сигнал о скорости ветра на высоте оси вращения ветроколеса, задатчик сигнала задания общего угла установки лопастей ветроколеса и сигнал об угле установки каждой лопасти ветроколеса, по этим сигналам формируют сигнал регулирования, при котором в каждый момент времени равные углы установки лопастей ветроколеса постоянные, а скорость вращения ветроколеса меняется пропорционально изменению скорости ветра при постоянной быстроходности.Это достигается тем, что известная ветроэнергетическая установка, содержащая лопасти ветроколеса, ступицу и вал ветроколеса, электрогенератор, энергосистему, электродвигатели и зубчатые пары по числу лопастей, жёстко расположенный на валу блок питания электродвигателей, датчик скорости ветра, задатчик общего угла установки лопастей, блок управления лопастями, при этом лопасти ветроколеса выполнены каждая с возможностью вращения вокруг своей продольной оси в ступице вала ветроколеса с помощью указанных электродвигателей и зубчатых пар, вал ветроколеса соединен с валом электрогенератора, статорная обмотка которого подсоединена к энергосистеме, дополнительно снабжена, датчиком и задатчиком уставки частоты энергосистемы, выходы которых соединены через регулятор частоты энергосистемы с первым входом сумматора, второй вход которого соединён через задатчик общего угла установки лопасти с выходом датчика скорости ветра, выход сумматора соединён с первым входом блока управления лопастями, второй вход которого, а также вход датчика частоты, соединены с энергосистемой, а выход соединён со входом блока питания электродвигателей.

Кроме того, задатчик общего угла установки лопастей выполнен в виде функционального блока с постоянным сигналом на выходе в диапазоне скоростей ветра 0<U<U_ном постоянной быстроходности, и с возрастающим сигналом на выходе в диапазоне скоростей ветра U_ном<U<U_max постоянной скорости вращения ветроколеса.

Краткое описание чертежей

Предлагаемое устройство схематично представлено на рисунках.

На фиг.1 представлена общая схема ветроэнергетической установки для реализации предлагаемого способа. На фиг.2 представлена характеристика задатчика общего угла установки лопастей, выполненного в виде функционального блока. На фиг.3 представлены графики мощностей ветроколеса в функции от скорости ветра при углах установки его лопастей: (нумерация графиков соответствует величине угла) при (для отечественной ветроэнергетической установки «Радуга 1» мощностью 1 МВт. (Селезнев И.С. Состояние и перспективы работ МКБ "Радуга" в области ветроэнергетики. Конверсия в машиностроении - Conversion in machine building of Russia, 1995, №5).

Осуществление изобретения

Согласно фиг.1 ветроэнергетическая установка содержит лопасти 1 ветроколеса, ступицу 2 и вал 3 ветроколеса, электрогенератор 4, энергосистему 5, электродвигатели 6 и зубчатые пары 7 по числу лопастей, блок 8 питания электродвигателей 6, датчик 9 скорости ветра (обычно выполненный как анемометр, расположенный на гондоле ветроэнергетической установки). Задатчик 10 общего угла установки лопастей выполнен в виде функционального блока, выходная характеристика (ϕ₁₀=f(U₉), индексы соответствуют номерам блоков-источников сигналов) которого приведена на Фиг. 2 и представляет собой постоянный сигнал на выходе в диапазоне скоростей ветра 0<U<U_ном, т. е. в диапазоне работы с постоянной быстроходностью, и с возрастающим сигналом на выходе в диапазоне скоростей ветра U_ном<U<U_max, т.е. в диапазоне работы с постоянной скоростью вращения ветроколеса. При этом лопасти 1 ветроколеса выполнены каждая с возможностью вращения вокруг своей продольной оси в ступице 2 вала 3 ветроколеса с помощью указанных и массово применяемых электродвигателей 6 и зубчатых пар 7 (Erich Hau. Wind Turbines. Fundamentals, Technologies, Application, Economics. 2^nd edition. Springer-Verlag Berlin Heidelberg. - 2006; Безруких П.П., Безруких П.П. (мл.), Грибков С.В. Ветроэнергетика: Справочно-методическое издание / Под общей редакцией П.П. Безруких. - М.: «Интехэнерго-Издат», «Теплоэнергетик», 2014. - 304). Вал 3 ветроколеса соединен с валом электрогенератора 4, статорная обмотка которого подсоединена к энергосистеме 5. На валу 3 ветроколеса жестко расположен блок 8 питания электродвигателей 6, в простейшем случае выполненного, например, аналогично блоку контактных колец асинхронного двигателя с фазным ротором (Вольдек А.И. Электрические машины. Изд. 2-е, перераб. и доп. Л.: "Энергия", 1974). Выходы датчика 11 частоты энергосистемы и задатчика 12 уставки частоты энергосистемы соединены со входами регулятора 13 частоты энергосистемы. Задатчик 12 уставки выполнен с возможностью формирования на выходе сигнала задания частоты, как правило, определяемого диспетчерской службой энергосистемы. Выход регулятора 13 частоты энергосистемы, выполненного, например, в виде пропорционально-интегрального регулятора, соединён с первым входом сумматора 14, второй вход которого соединён через задатчик 10 общего угла установки лопастей с выходом датчика 9 скорости ветра. Выход сумматора 14 соединён с первым входом блока 15 управления лопастями, второй вход которого, а также вход датчика 11 частоты, соединены с энергосистемой. Выход блока 15 управления лопастями соединён со входом блока 8 питания электродвигателей 6.

Устройство при реализации предлагаемого способа работает следующим образом.

Как указывалось, на фиг.3 представлены графики мощностей ветроколеса в функции от скорости ветра при различных углах установки его лопастей. Примем, что ВЭУ работает в точке А, что соответствует работе в номинальном режиме с мощностью 1 МВт при угле установки лопастей ϕ=10° при скорости ветра 15 м/с. Этот режим определён работой в точке А (одинаковые буквы А, В и С на фиг.2 и фиг.3 соответствуют друг другу) на фиг. 2 графика ϕ₁₀=f(U₉) задатчика 10 общего угла установки лопастей по сигналу о скорости ветра 15 м/с, сформированного на выходе датчика 9 скорости ветра. Примем также, что скорость ветра стабильна и равна U=15 м/с=const.

Пусть по непредвиденным обстоятельствам в энергосистеме часть общей нагрузки отключилась при сохранении всей генерирующей части, в том числе и ветроэнергетических установок (или ветроэнергетических станций). Известно, что превышение генерации над потреблением всегда вызывает повышение частоты в энергосистеме. Чтобы сохранить частоту в пределах ГОСТ-а, в таких аварийных ситуациях системный оператор обычно отключает соответствующую часть генерирующей мощности. Для тепловых электростанций это чревато существенным перерасходом топлива.

При применении предлагаемого управления работой ВЭУ согласно Фиг.1 по сигналам с выходов датчика 11 частоты энергосистемы и задатчика 12 уставки частоты энергосистемы регулятор 13 частоты энергосистемы, содержащий, например, пропорционально-интегральный регулятор, на своём выходе формирует соответствующий сигнал приращения частоты Δϕ₁₃= К⋅Δf = К⋅(k₁+k₂/p)(f₁₂-f₁₁), где k₁ и k₂ соответственно коэффициенты пропорционального и интегрального регулирования, К - коэффициент масштабирования между Δϕ₁₃ и Δf, индексы у f₁₂ и f₁₁ соответствуют номерам блоков.

Далее этот сигнал Δϕ₁₃ поступает на первый вход сумматора 14, одновременно на второй вход которого поступает сигнал φ₁₀ от задатчика 10 общего угла установки лопастей, соответствующего точке А на фиг. 2 и фиг.3, по сигналу U₉=15 м/с с выхода датчика 9 скорости ветра. На выходе сумматора 14 формируется сигнал ϕ₁₄ = ϕ₁₀ + Δϕ₁₃, соответствующего точке В на фиг.2 и фиг.3 и поступающего на первый вход блока 15 управления лопастями, второй вход которого соединён с энергосистемой 5. Блок 15 управления лопастями по сигналу ϕ₁₄ с помощью полупроводникового преобразователя частоты на своём выходе формирует электропитание требуемой частоты и напряжения для электродвигателей 6. Как следует из фиг. 2, возрастание сигнала из точки А в точку В вызывает, как следует из фиг 3, возрастание угла установки лопастей от 10° до 15°, что в свою очередь вызывает снижение выдаваемой мощности ВЭУ с 1 МВт до 0.5 МВт.

В том случае, если аварийное возрастание частоты в энергосистеме настолько велико, что на фиг.2 сигнал ϕ₁₄ возрастает до точки С, то это возрастание сигнала из точки А в точку С вызывает, как следует из фиг. 3, возрастание угла установки лопастей от 10° до 20°, что, в свою очередь, вызывает снижение от выдаваемой номинальной мощности ВЭУ с 1 МВт до потребления из энергосистемы примерно 0.25 МВт путём перевода ветроколеса в вентиляторный режим, а электрогенератора 4 в двигательный режим. В предлагаемом управлении работой ВЭУ при снижении частоты в энергосистеме по непредвиденным ситуациям, что соответствует на фиг.2 и фиг. 3 переходу из точки А номинального режима в точку D, в свою очередь, соответствует уменьшению угла установки лопастей до 5° при одновременном увеличении выдаваемой мощности от 1 МВт до 1.45 МВт.

При устранении аварийной ситуации в энергосистеме все рассмотренные операции в обратной последовательности автоматически приводят ветроэнергетические установки (или ветроэнергетические станции) в нормальный режим работы в точке А.

Таким образом, применение предлагаемой ветроэнергетической установки сохраняет частоту в энергосистеме в пределах ГОСТ-а, повышает надёжность и экономичность работы энергосистемы, так как в рассмотренных аварийных ситуациях системный оператор не будет отключать соответствующую часть тепловых электростанций, что было бы чревато существенным перерасходом топлива.

Изобретение относится к ветроэнергетике. Способ управления ветроэнергетической установкой характеризуется тем, что формируют сигналы скорости ветра на высоте оси вращения ветроколеса и задания общего угла установки лопастей ветроколеса, определяют отклонение частоты энергосистемы от уставки и дополнительно регулируют общий угол установки лопастей ветроколеса в пределах, определяемых сигналом скорости ветра и установленной мощностью ветроэнергетической установки вплоть до перевода ветроколеса в вентиляторный режим, например, против направления ветра, и генератора в двигательный режим. Для этого ветроэнергетическая установка дополнительно снабжена блоком (15) управления лопастями, датчиком (11) и задатчиком (12) уставки частоты энергосистемы, выходы которых соединены через регулятор (13) частоты энергосистемы с первым входом сумматора (14), второй вход которого соединён через задатчик (10) общего угла установки лопасти с выходом датчика (9) скорости ветра, выход сумматора (14) соединён с первым входом блока (15) управления лопастями, второй вход которого, а также вход датчика (11) частоты соединены с энергосистемой, а выход соединён с входом блока (8) питания электродвигателей (6). При этом задатчик (10) общего угла установки лопастей выполнен в виде функционального блока с постоянным сигналом на выходе в диапазоне скоростей ветра 0<U<U_ном постоянной быстроходности и с возрастающим сигналом на выходе в диапазоне скоростей ветра U_ном<U<U_max постоянной скорости вращения. Технический результат заключается в существенном расширении использования установленной мощности ветроэнергетических установок для регулирования частоты энергосистемы. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Ветроэнергетическая установка, содержащая лопасти ветроколеса, ступицу и вал ветроколеса, электрогенератор, энергосистему, электродвигатели и зубчатые пары по числу лопастей, жёстко расположенный на валу блок питания электродвигателей, датчик скорости ветра, задатчик общего угла установки лопастей, блок управления лопастями, при этом лопасти ветроколеса выполнены каждая с возможностью вращения вокруг своей продольной оси в ступице вала ветроколеса с помощью указанных электродвигателей и зубчатых пар, вал ветроколеса соединен с валом электрогенератора, статорная обмотка которого подсоединена к энергосистеме, отличающаяся тем, что она дополнительно снабжена датчиком и задатчиком уставки частоты энергосистемы, выходы которых соединены через регулятор частоты энергосистемы с первым входом сумматора, второй вход которого соединён через задатчик общего угла установки лопасти с выходом датчика скорости ветра, выход сумматора соединён с первым входом блока управления лопастями, второй вход которого, а также вход датчика частоты соединены с энергосистемой, а выход соединён с входом блока питания электродвигателей.

2. Ветроэнергетическая установка по п.1, отличающаяся тем, что задатчик общего угла установки лопастей выполнен в виде функционального блока с постоянным сигналом на выходе в диапазоне скоростей ветра 0<U<U_ном постоянной быстроходности и с возрастающим сигналом на выходе в диапазоне скоростей ветра U_ном<U<U_max постоянной скорости вращения ветроколеса.