https://www.high-endrolex.com/35

¬етроустановки малой мощности. »сследование систем на базе виртуальной модели

¬етроустановки малой мощности. »сследование систем на базе виртуальной модели

ƒл€ обеспечени€ высокой эффективности использовани€ энергии ветра ветроустановкой и стойкости ее работы необходимо обеспечение согласованности поступлени€ энергии ветрового потока с отбором энергии от ветровой турбины. ¬ цел€х обеспечени€ этих требований, необходимо произвести согласование параметров отдельных структурных элементов системы. ј така€ координаци€, по мнению украинских ученых из Ћьвовского аграрного университета, (регион активного использовани€ ветроустановок) может быть осуществлена только на основании моделировани€ работы ветроэлектрической установки во всем диапазоне изменени€ вли€тельных факторовЕ

ќбмен опытом по использованию возобновл€емых источников энергии детально рассматривалс€ участниками тематических заседаний на минувшем форуме EnergyExpo в ћинске. ѕредлагаемый материал, авторы которого кандидат технических наук, профессор ¬.ћ. Ѕо€рчук, кандидат технических наук, профессор ¬.Ќ —иротюк, кандидат технических наук, доцент —.¬. —иротюк, кандидат физико-математических наук, доцент ¬.ѕ. √альчак, отвечает на многие вопросы практического и эффективного использовани€ ветроустановок.

јвтономна€ ветроэлектрическа€ установка малой мощности €вл€етс€ сложной электромеханической системой. ќна состоит из ветровой турбины, котора€ воспринимает энергию поступательного ветрового потока и превращает ее во вращательное движение главного вала, который присоединен к электрогенератору. ќбычно дл€ согласовани€ кинематических характеристик ветровой турбины и электрогенератора примен€ют мультипликатор, целесообразность установлени€ которого определ€етс€ функционально-стоимостным анализом. Ёлектрогенератор в большинстве случаев нагружен на звено посто€нного тока - аккумул€торную батарею соответствующей емкости и напр€жени€. ƒл€ представлени€ к потребителю электрической энергии с необходимыми параметрами необходимым €вл€етс€ применение "DC/DC" или "DC/AC" преобразователей.

¬ результате несоответстви€ режимов генерировани€ электроэнергии энергии и ее потреблени€, а также значительной изменчивости ветрового потока ветроэлектрическа€ установка преимущественно работает в режиме зар€дки аккумул€торной батареи. ƒл€ обеспечени€ длительной работоспособности аккумул€торной батареи необходимым €вл€етс€ соблюдение рекомендованных режимов ее зар€дки, что одновременно должно быть согласованно с электрическими параметрами электрогенератора.

ƒл€ обеспечени€ высокой эффективности использовани€ энергии ветра ветроустановкой и стойкости ее работы необходимым €вл€етс€ обеспечение согласованности поступлени€ энергии ветрового потока с отбором энергии от ветровой турбины. ¬ первую очередь необходимо обеспечить такой режим отбора энергии от ветровой турбины, при котором рабоча€ точка на характеристике ветровой турбины находилась бы справа от максимального значени€ коэффициента использовани€ энергии ветра на определенном рассто€нии, которое обусловлено динамикой ветрового потока и нагрузки.

ƒл€ обеспечени€ выше приведенных требований необходимо осуществл€ть согласование параметров отдельных структурных элементов системы, котора€ может быть осуществлена только на основании моделировани€ работы ветроэлектрической установки во всем диапазоне изменени€ вли€тельных факторов.

ћоделирование сложных систем может быть осуществлено с использованием физических, математических, статистических моделей с использованием компьютерных технологий.

ѕрименение физических моделей дл€ оптимизации структуры и параметров структурных элементов ветроэлектрических установок усложн€етс€ высокой трудоемкостью и стоимостью создани€ моделей, сложностью регулировани€ параметров в процессе моделировани€ и обеспечени€ соответствующего динамического диапазона вли€тельных параметров.

ћатематическое моделирование €вл€етс€ наиболее эффективным способом, однако при моделировании сложных систем аналитическим способом возникают трудности математического характера, которые обычно трудно преодолеть. ¬ таком случае возможным €вл€етс€ применение численных методов решени€.

ѕрименение статистических методов моделировани€ утруждаетс€ на этапе формализации задач и интерпретации полученных результатов.

¬ услови€х стремительного развити€ компьютеризации научных исследований разработано значительное количество программных продуктов, которые обеспечивают возможность комбинированного приложени€ математического и других методов моделировани€ с максимальной эффективностью. ¬ частности, можно отметить использование программных продуктов MathCAD, MathLAB -Simulink, LabVIEW и другие.

—реди перечисленных программных продуктов дл€ моделировани€ ветроэлектрических установок в наибольшей степени отвечает модель, построенна€ на базе LabVIEW.

’арактерной особенностью моделировани€ в среде LabVIEW есть использование потоков данных, которые могут поступать от физических объектов, цифровых файлов, сформированных в результате предыдущих исследований и генераторов случайных чисел. —оздание моделей в среде LabVIEW осуществл€етс€ графически-объектным способом, который существенно упрощает процедуру, сокращает врем€ и обеспечивает качественную визуализацию процесса моделировани€.

¬ процессе построени€ и налаживани€ моделей целесообразно примен€ть разные способы задани€ входных потоков вли€тельных факторов: стационарный, ручной непрерывный, случайный машинный (приближен к реальному), а также реализаций в режиме реального времени, или предварительно записанных в виде цифрового файла.

“еоретической основой, разрабатываемой модели электромеханической системы ветроэлектрической установки есть уравнение момента, который развивает ветрова€ турбина

 

clip_image002.jpg (1)

 

решением которого есть уравнение

 

clip_image004.jpg (2)

где е - коэффициент торможени€ воздушного потока clip_image006.jpg;

u1- скорость, вызванна€ действием вращательного момента лопастей ветровой турбины, м/с;

u(t) - скорость ветрового потока, м/с;

Z - модульность ветровой турбины clip_image008.jpg;

ro- радиус начала рабочей зоны лопасти, м;

R- радиус ветровой турбины, м;

* - параметр, который отвечает обратному качеству лопасти clip_image012.jpg;

 

CxiCy - сопротивление лопасти в ее плоскости и подъемна€ сила, соответственно;

zu - модульность, котора€ отвечает определенном радиусу дужки ветровой турбины;

р - плотность воздуха, кг/м3.

ƒинамика системы моделируетс€ следующим уравнением

 

clip_image012.jpg                               (3)

 

где J - суммарный момент инерции ветровой турбины и вращательных масс приведенный к главному валу, кг Х м2;

ћс - момент сопротивлени€ на вату генератора, приведенный к главному валу и моменту сопротивлени€ трени€, Ќ Х м.

—ледует отметить, что поданы теоретические принципы модели ветроустановки не учитывают возникновени€ начального момента, который предопредел€ет страгивание ветроколеса. Ёто приводит к неопределенности в начальный момент моделировани€. ѕриближенно без учета закрутки лопасти посто€нной ширины и при условии, что центр давлени€ приходитс€ на середину длины лопасти, страгивающий момент ћр можно определить воспользовавшись зависимостью

 

Mp=Fкол Х rc,                                  (4)

 

где Fкол - окружна€ составл€юща€ лобового давлени€ на лопасти, Ќ;

rc - рассто€ние от оси вращени€ ветроколеса к точке прикладывани€ равнодействующей лобового давлени€, м.

¬ свою очередь, окружна€ составл€юща€ лобового давлени€ может быть определена как

 

clip_image016.jpg                       (5)

 

де Fл - сила лобового давлени€ на лопасти, Ќ;

clip_image018.jpg - угол заклинивани€ лопасти, град.

—илу лобового давлени€ на лопате определим за формулой

 

clip_image020.jpg                              (6)

 

где Sл - площадь миделевого сечени€ лопасти, м2;

пл - количество лопастей, шт.;

коб - коэффициент обтекаемости лопасти.

Ќагрузкой ветроколеса €вл€етс€ электрический генератор переменного тока с возбуждением от посто€нных магнитов присоединенный через мультипликатор. “еоретической основой, на которой базируетс€ моделирование динамики электрического генератора была система уравнений:

 

clip_image022.jpg                                       (7)

 

—истема уравнений (7) разв€зываетс€ методом численного интегрировани€.

¬ реальных услови€х следует учитывать, что нагрузкой генератора, как правило, €вл€етс€ аккумул€торна€ батаре€. ѕоэтому, необходимо учитывать требовани€ относительно режима ее зар€дки.

¬ структуру разработанной модели ветроэлектрической установки вход€т следующие блоки: входных потоков, определени€ текущего значени€ момента ветровой турбины, определени€ величины начального момента страгивани€ ветровой турбины, определени€ текущего значени€ угловой скорости ветровой турбины, моделировани€ параметров электрогенератора, определени€ текущей мощности ветроустановки, моделировани€ параметров мультипликатора, моделировани€ характеристики ветровой турбины. ƒл€ возможного анализа результатов моделировани€ в состав каждого блока входит виртуальный прибор формировани€ цифровых измерительных файлов.

Ѕлок входных потоков состоит из следующих подблоков: формирование случайного модельного ветрового потока, вводу данных преобразовател€ скорости ветра в режиме реального времени, ручного ввода уровн€ скорости ветра, ввода цифрового файла данных скорости ветра, полученных цифровой метеорологической станцией.

ƒл€ визуализации текущих значений исследуемых параметров используютс€ виртуальные приборы (осциллографы, цифровые дисплеи, элементы управлени€), которые смонтированы на виртуальной фронтальной панели.

ѕодблок формировани€ случайного модельного ветрового потока выполнен с использованием виртуальных приборов: генератор синусоидальных сигналов и генератор случайных чисел.

 ак преобразователь скорости ветрового поток,а использовалс€ чашечный анемометр, присоединенный к системе моделировани€ с помощью платы сбора данных и управлени€ USB 6009, фирмы National Instruments (—Ўј).

÷ифровой файл скорости ветрового потока был сформирован с использованием цифровой метеорологической станции и организовано его считывание с помощью виртуального прибора.

‘ормирование блоков расчетов параметров осуществл€лось с использованием структур формул и циклов.

‘ормирование характеристики ветровой турбины осуществл€лось с использованием эмпирического уравнени€ аппроксимации кривой коэффициента использовани€ энергии ветра полиномом 4 степени, осуществленной в среде Microsoft Excell.

»зменение нагрузки на выходе электрогенератора осуществл€лось в ручном режиме изменением сопротивлени€ нагрузки с использованием виртуального прибора типа ползунка.

–азработанна€ модель позвол€ет осуществл€ть моделирование режимов работы ветроэлектрической установки и исследовать ее динамику изменением параметров структурных элементов системы. “аким образом, моделирование позвол€ет оптимизировать соотношение параметров и режимных характеристик в процессе проектировани€ и в конкретных услови€х эксплуатации.

  • ƒата публикации: 27.10.2014
  • 2427
ќќќ Ђƒ≈Ћќ¬џ≈ —»—“≈ћџ —¬я«»ї
ќтраслевой информационно-аналитический портал, посв€щЄнный энергетике Ѕеларуси. јктуальные новости и событи€. ѕодробна€ информаци€ о компани€х, товары и услуги.
220013
–еспублика Ѕеларусь
ћинск
ул. ул. Ѕ. ’мельницкого, 7, офис 310
+375 (17) 336 15 55 , +375 (25) 694 54 56 , +375 (29) 302 40 02 , +375 (33) 387 08 05
+375 (17) 336 15 56
info@energobelarus.by
ЁнергоЅеларусь

ЁнергоЅеларусь

ЁнергоЅеларусь

ЁнергоЅеларусь

191611654
5
5
1
150
150