Устройство для управления асинхронизированным синхронным генератором ветроэнергетической установки Советский патент 1988 года по МПК H02P9/42 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для управления электрическими машинами переменного тока, первичная обмотка которых подключена к сети переменного тока, а вторичная получает питание от регулируемого преобразователя частоты, в частности в ветроэнергетике для управления асинхронизированными синхронными генераторами ветроэнергетических установок, работающих на мощную сеть.

Целью изобретения является увеличение выработки электроэнергии и уп- рощение устройства.

На фиг.1 изображена блок-схема устройства для управления асинхрони- зированным синхронным генератором ветроэнергетической установки; на фиг.2 - семейство механических характеристик ветродвигателя при различных скоростях ветра V,, V, .., V и нагрузочные характеристики генератора

при различных законах управления; на

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

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

- 0

5

0

5

0 5 0 5 п j

гармонических функций частоты сколь- ,жения, первый вход которого соединен с датчиком 16 частоты напряжения сети 17, второй вход - с датчиком 18 углового положения ротора, а выход - с вторым входом блока 9 преобразования координат, выход которого подключен к первому входу третьего элемента 19 сравнения, второй вход которого соединен с датчиком 20 тока ротора, а выход через регулятор 21 тока ротора - с входом преобразователя 2 частоты. Кроме того, устройство содержит двухпороговый компаратор 22, вход которого соединен с выходом датчика

23скорости ветра, первый выход - с управляемыми входами первого блока 14-и второго блока 24 коммутации, а второй выход - с управляемым 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 регулятора 12 частоты вращения, а выход через третий блок 25 коммутации подключен

к третьему входу блока 9 преобразования координат.

Устройство работает следующим образом.

Сигналы с датчиков тока 4 и напряжения 5, несущие информацию о токах и напряжениях первичной цепи асинх- ронизированного синхронного генератора 1 и имеющие частоты, равные частоте сети, поступают на вход датчика 3 реактивной мощности, с которого снимается сигнал 0, пропорциональный i реактивной мощности. При изменении задающего значения реактивной мощности б Зад (сигнала задатчика 7) или сигнала в реактивной мощности (во время динамических процессов) на выходе первого элемента 6 сравнения появляется сигнал рассогласования, который поступает на вход регулятора 8 реактивной мощности. Сигнал с выхода последнего поступает на первый вход блока 9 преобразования координат, который производит преобразование входных сигналов, сформированных в синхронной системе координат, в роторную систему координат с использованием сигналов гармонических функций частоты скольжения, поступающих с формирователя 15 гармоническиу

функций частоты скольжения. Сигнал на выходе блока 9 преобразования координат является заданием для фазных токов ротора. На первый вход третьего элемента 19 сравнения поступает сигнал с выхода блока 9 преобразования координат, на второй вход - сигнал фазных токов ротора от датчика 20 тока ротора. Результат сравнения этих сигналов поступает на регулятор 21 тока ротора, сигнал с выхода последнего - на вход преобразователя 2 частоты, выходы которого подводятся к контактным кольцам ротора асинхрони- зированного синхронного генератора 1

Таким образом, рассогласование, появившееся на выходе первого элемента 6 сравнения в результате неравенства сигналов 0 и бзал приводит к изменению модуля и фазы напряжения, подводимого к кольцам ротора с выхода преобразователя 2 частоты, и соответствующему изменению токов и напряжений первичной цепи асинхронизирован- ного синхронного генератора 1. В результате происходит демпфирование колебаний реактивной мощности (во время динамических процессов) или установление нового значения выдаваемой (потребляемой) реактивной мощности, а на выходе первого элемента 6 сравнения восстанавливается нулевой сигнал.

При достижении скорости ветра значения (фиг.2), при котором частота вращения ветродвигателя соответствует началу рабочего диапазона изменения частоты вращения и| |д асинх- ронизированного синхронного генератора 1, последний подключается к сети.

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

, Q 5

0 5

0

5

0

5

0

5

ляемые электронные ключи, замыкание (размыкание) которых происходит Р зависимости от наличия сигналов, поступающих на их управляемые входы с выходов двухпорогового компаратора 22. При изменении частоты вращения ц; (во время динамических процессов при изменении скорости ветра) на выходе второго элемента 11 сравнения появляется сигнал рассогласования, который поступает на Аход регулятора 12 частоты вращения, представляющего собой пропорционально-интегральный регулятор. Сигнал с выхода последнего поступает на второй вход сумматора 27, а затем через третий блок 25 коммутации на третий вход блока 9 преобразования координат. Дальнейшая .работа аналогична описанной, т.е. изменение сигнала регулятора 12 частоты вращения и суммарного сигнала канала регулирования частоты вращения с выхода сумматора 27 будет продолжаться до момента установления заданного значения частоты вращения UJj, асинх- ронизированного синхронного генератора 1 .

По достижении скорости ветра на первом выходе двухпорогового компаратора 22 формируется сигнал управления, поступающий на управляемые входы первого блока 14 и второго блока 24 коммутации. При этс5м происходит отключение выхода задатчика 13 частоты вращения от второго входа второго элемента 11 сравнения (второй вход второго элемента 1 1 .сравнения заземляется) и подключение выхода масштабного усилителя 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 усилителя с регулируемым коэффициентом усиления. При изменении скорости ветра в диапазоне от до вращающий момент на валу асинхронизи- рованного синхронного генератора 1 меняется, что приводит к изменению его частоты вращения. На первьй вход сумматора 27 с выхода масштабного усилителя 26 поступает сигнал, пропорциональный KV, где К - отношение нормального значения числа модулей ветродвигателя к его радиусу, V - те

кущее значение скорости ветра. На второй вход сумматора 27 с выхода регулятора 12 частоты вращения поступает сигнал, пропорциональный текущему значению частоты вращения ц) асинхро- низированного синхронного -генератора 1.В сумматоре 27 происходит сложение указанных сигналов, причем сигнал регулятора 12 имеет знак, противополож- ный знаку сигнала масштабного усилителя 26, после чего суммарный сигнал поступает на третий вход блока 9 преобразования координат, а с выхода последнего через третий элемент 19 сравнения и регулятор 21 тока ротора - на вход преобразователя 2 частоты и к кольцам ротора асинхронизиро- ванного синхронного генератора 1. Переходный процесс заканчивается установлением нового значения частоты вращения ротора асинхронизированного синхронного генератора 1, пропорционального величине KV.

По достижении скорости ветра значения на втором выходе двухпоро- гового компаратора 23 формируется сигнал управления, поступающий на управляемый вход третьего блока 25 коммутации. При этом происходит отключение выхода сумматора 27 от третьего входа блока 9 преобразования координат (третий вход блока 9 преобразования координат заземляется), и суммарный сигнал канала регулирования частоты вращения независимо от еигналов, поступающих на первый и второй входы сумматора 27, становится равным нулю. Отключение канала регулирования частоты вращения (что равносильно полной взаимной компенсации сигналов, поступающих на входы сумматора, 27) обусловливает переход асинхронизированного синхронного генератора 1 на режим работы с постоянным моментом при изменении скорости ветра от до скорости , соответствующей верхней границе рабочего диапазона изменения частоты вращения

(фиг.2).

Таким образом, применение предлагаемого устройства позволяет получить три режима работы асинхронизированного синхронного генератора 1 в рабочем диапазоне изменения скоростей ветра: с постоянной частотой вращения ш (л ммн (нагрузочная характеристика М, - М на фиг.2), с квадратичной нагрузочной характеристикой М i - М ; 856

Mj и с постоянным моментом (нагрузочная характеристика Mj - М на фиг. 2).

Работа асинхронизированного синхронного генератора 1 с постоянной частотой вращенияы 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 ветродвигателя и определяется соотношением )R/V, где R - радиус ветродвигателя. В частности, при работе с постоянным числом модулей, равным нормальному , значение коэффициента использования энергии ветра максимально при любой скорости ветра. Режим работы с квадратичной нагрузочной характеристикой М -J - М j - М J характеризуется максимальным коэффициентом использования энергии ветра, что обеспечивается 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 усилителя 26. Данный режим является оптимальным и соответствует максимально возможной выдаче электроэнергии. Режим работы с нагрузочной характеристикой М -j М характеризуется хорошим использованием асинхронизированного синхронного генератора 1 по моменту, а также позволяет применять асинхронизированные синхронные генераторы меньших установленных мощностей. Последнее обусловлено тем, что приращение выработки электроэнергии с ростом установленной мощности асинхронизированного синхронного генератора в значительной степени определяется структурой 5 ветрового потока (законом среднегодового распределения скоростей ветра), и, начиная с некоторогЪ значения, дальнейшее увеличение установленной мощности становится 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 требуется применение асинхронизированного синхронного генератора с почти вдвое больше установленной мощностью.

При использовании предлагаемого устройства обеспечивается выработка электроэнергии, пропорциональная площади, ограниченной замкнутой кривой А,.-А , на фиг.З, причем для 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 использования 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 управления, реализуемый предлагаемым устройством, позволяет упростить последнее за счет исключения задатчика скорости ветра, одного из задатчиков частоты вращения и четвертого элемента сравнения, уменьшения числа соединений элементов, а также замены формирователя зависимости частоты вращения от скорости ветра более простым по исполнению и функциональному назначению масштабньм усилителем и тем самым повысить надежность.

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

Формула изобретения

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

цепи указанного генератора, канал регулирования реактивной мощности, содержащий датчик реактивной мощности, входы которого соединены с датчиками тока и напряжения статорной цепи асинхронизированного синхронного генератора, а выход подключен к .первому входу первого элемента сравнения, второй вход которого соединен с за- датчиком реактивной мощности, а выход - с регулятором реактивной мощности, выход которого подключен к первому входу блока преобразования координат, канал регулирования частоты вращения, содержащий датчик частоты вращения, выход которого соединен с первым входом второго элемента сравнения, выход которого подключен к входу регулятора частоты вращения, задатчик частоты вращения, выход которого соединен с вторым входом второго элемента сравнения через первый блок коммутации, формирователь гармо

Изобретение относится к электротехнике . Целью изобретения является увеличение вьфаботки электроэнергии и упрощение устр-ва. Устр-во содержит ;преобразователь частоты 2, датчики реактивной мощности 3, тока 4, напряжения 5 статорной цепи, углового положения 18 ротора, частоты 16 нап- ряжетия сети, тока 20 ротора скорости ветра 23 и частоты вращения 10, элементы сравнения 6, 11, 19, задат- чики реактивной мощности 7 и частоты вращения 13, блок преобразования координат 9, блоки коммутации 14, 24, 25, регуляторы реактивной мощности 8, тока 21 и частоты вращения 12, формирователь 15 гармонических функций частоты скольжения, сумматор 27, двухпороговый/компаратор 22. Введение масщтабного усилителя 26, включенного между датчиком скорости ветра 23 и блоком коммутации 24, с выходным сигналом (где К - отношение нормального числа модулей ветродвигателя к его радиусу, V - скорость ветра) позволяет увеличить выработку электроэнергии ветроэлектрической установ(Л кой. 3 нл. САЭ СО СО 00 00 сл iilWf

нератор постоянного тока или функцио- 40 нических функций частоты скольжения.

нальный преобразователь сигнала датчика 18 углового положения ротора в сигнал постоянного тока, пропорциональный частоте вращения. Для получения 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 значения, при котором частота вращения 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 напряжения сети, второй вход - с датчиком углового положения ротора, а выход - с входом блока преобразования координат, выход которого подключен к первому входу третьего - элемента сравнения, второй вход которого соединен с датчиком тока ротора, а выход через регулятор тока ротора - с входом преобразователя частоты, двухпороговый компаратор, вход которого соединен с выходом датчика скорости ветра, первый выход - с управляемыми входами первого и второго блоков коммутации, а второй выход - с управляемым входом третьего блока коммутации, и сумматор, один вход которого соединен с выходом регулятора частоты вращения, а выход

через третий блок коммутации подключен к третьему входу блока преобразования координат, отличающееся тем, что, с целью увеличения выработки электроэнергии и упрощения 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 ветродвигателя 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, Раушская наб., д. 4/5

/(I

Vz W K, Vi, MS Фиг.д

Корректор В.Гирняк

Подписное