Электротехнический комплекс с адаптивным управлением для ветроэнергетической установки переменного тока

Актуальность темы

диссертации. В последнее время наблюдается быстрый рост установленных ветроэнергетических мощностей. Совершенствование ветровых турбин и рост мощностей позволяют энергии ветра конкурировать с традиционными источниками энергии. В результате, ветроэнергетические установки участвуют в производстве энергии во многих странах мира.

Актуальной проблемой в ветроэнергетике является разработка методов, обеспечивающих генерацию напряжения с требуемыми параметрами, в изменяющихся условиях окружающей среды при минимизации стоимости получаемой электроэнергии. Это становится возможным за счёт разработки и внедрения новых технических решений, одним из которых является применение в качестве генератора ветроэнергетической установки (ВЭУ) машины двойного питания (МДП). Применение МДП позволяет создавать ВЭУ, функционирующие при переменной частоте вращения лопастей, снизить мощность преобразователя до 50% от мощности всей установки за счет размещения такого преобразователя в управляющей цепи.

Функционирование ВЭУ с МДП при изменении в широких пределах скорости ветра и величины нагрузки требует разработки адаптивной системы управления, компенсирующей влияние внешних возмущений.

Указанные факторы обуславливают интерес к решению проблемы синтеза адаптивных систем управления ветроэнергетическими установками. Различным аспектам этой проблемы посвящены работы зарубежных (Petersson А., В. Rabelo, W. Hofmann, Р. Mutschier, R. Datta, Y. Tang, M. G. Ioannides, Т. Ranganathan, Miguel E. Gonzalez) и отечественных (A.P. Гайдук, B.X. Пшихопов, М. Ю. Медведев, P.A. Ыейдорф, Ю. В. Подураев, Н. П. Лавров, В. В. Елистратов, Ю. С. Васильев, В. И. Виссарионов, Б. И. Силаев, Н. И. Матвиенко, В. А. Кузнецова, М. Г. Тягунов и др.) ученых.

Большинство предложенных подходов к синтезу систем управления ВЭУ базируется на математическом описании генератора переменного тока во вращающихся «сЦ» координатах с дальнейшей линеаризацией моделей. Использование упрощающих подходов ограничивает разработанные системы управления локальной окрестностью режима, для которого проведена линеаризация. При существенной вариации условий работы это может не позволить достичь требуемых количественных показателей, и привести к потере устойчивости.

В этой связи, актуальность задачи разработки методов адаптивного управления ВЭУ определяется, с одной стороны, востребованностью и широким распространением ветроэнергетических установок, а с другой — недостаточной проработанностью методов синтеза адаптивных систем управления (СУ) ветроэнергетических установок.

Целью исследования является повышение эффективности ветроэнергетических установок переменного тока за счет применения новых методов адаптивного управления электротехническими комплексами (ЭТК) с машинами двойного питания.

Научная задача, решение которой содержится в диссертации, -разработка электротехнического комплекса с адаптивным управлением, обеспечивающего улучшение характеристик переменно-скоростных ветроэнергетических установок и повышение качества генерируемого напряжения при изменении в широком диапазоне возмущающих воздействий, а также исследование компонентов такого электротехнического комплекса методами математического и компьютерного моделирования.

Основные задачи исследования:

— разработка методов стабилизации амплитуды и частоты генерируемого ВЭУ переменного напряжения;

— разработка переменно-скоростного ЭТК для ВЭУ с МДП и адаптивной СУ;

— разработка адаптивных к ветровым возмущениям и подключаемой электрической нагрузки законов управления ЭТК для ВЭУ с МДП;

— моделирование и исследование разработанного переменно-скоростного ЭТК для ВЭУ с МДП и синтезированных адаптивных систем управления;

— экспериментальное подтверждение качественной работы разработанного переменно-скоростного ЭТК для ВЭУ с МДП и синтезированных адаптивных систем управления.

Объектом исследования в диссертации является процесс генерирования электроэнергии переменно-скоростным ветроэнергетическим комплексом.

Предметом исследования являются методы анализа, синтеза и структурно-алгоритмической реализации адаптивных систем управления ЭТК с МДП для обеспечения устойчивости и качества генерируемой электроэнергии при учёте различных возмущений.

Методы исследования основаны на использовании методов теории электрических машин, теории управления, методах синтеза нелинейных систем управления, методах имитационного моделирования. Проверка эффективности полученных в ходе работы теоретических результатов осуществлялась средствами численного моделирования в среде МАТЬАВ и подтверждена результатами экспериментов.

Достоверность полученных результатов:

— обеспечивается применением известных методов теории автоматического управления, а также использованием адекватного математического аппарата;

— обеспечивается применением общепринятых математических моделей и законов электротехники, теории электрических машин, численных методов решения дифференциальных уравнений;

— подтверждается результатами экспериментов и компьютерного моделирования;

— согласуется с данными экспериментов и результатами исследований других авторов, представленными в печатных изданиях.

Наиболее существенные новые научные результаты, полученные автором: 7.

— метод управления МДП в составе переменно-скоростной ВЭУ, позволяющий повысить качество генерируемого переменного напряжения, посредством использования адаптивного к внешним возмущениям закона управления, учета нелинейности и многосвязности математической модели МДП;

— способ стабилизации частоты и амплитуды генерируемого напряжения МДП посредством управления процессом генерирования электроэнергии, отличающийся управлением амплитуды и частоты переменного напряжения возбуждения, подающегося на фазный ротор МДП, и адаптивного закона управления.

— методика разработки компьютерного комплекса моделирования работы ВЭУ с МДП, позволяющая производить исследования синтезированной системы управления на этапе проектирования, отличающаяся учетом нелинейных свойств исследуемых процессов.

Основные положения, выносимые на защиту:

— Способ стабилизации частоты и амплитуды генерируемого напряжения МДП в составе ЭТК для ВЭУ, отличающийся расположением инвертора в цепи фазного ротора, что позволяет использовать преимущества электронной стабилизации частоты и амплитуды выходного напряжения при меньшей мощности используемого инвертора;

— Метод управления автономным ветроэнергетическим комплексом, отличающийся алгоритмом настройки коэффициентов ПИ-регулятора на основе обратных связей по скольжению и току нагрузки, что позволяет адаптироваться к изменяющейся нагрузке и механической частоте вращения вала;

— Метод непрямого адаптивного управления автономного ЭТК с МДП для ВЭУ, отличающийся робастными алгоритмами оценивания, основанными на скользящей аппроксимации возмущений, что позволяет адаптироваться к изменению параметров генератора и нагрузки.

Практическая ценность работы. Представленные результаты могут быть использованы при проектировании и исследовании систем управления 8.

ЭТК для ветроэнергетических установок с генераторами переменного тока. Разработанные подходы позволяют придать переменно-скоростным ВЭУ переменного тока новые функциональные возможности и повысить качество генерируемой электроэнергии в широком диапазоне метеоусловий, снизить стоимость разработки ветроэнергетической системы.

Апробация работы. Основные результаты исследований по теме диссертации докладывались на X Всероссийской научной конференции студентов и аспирантов «Техническая кибернетика, радиоэлектроника и системы управления», г. Таганрог, 2010 г.- Всероссийской научной школы «Микроэлектронные информационно-управляющие системы и комплексы», г. Новочеркасск 2011 г. I молодежной школе-семинаре «Управление и обработка информации в технических системах», п. Домбай, 2009 г.- конференции профессорско-преподавательского состава ТТИ ЮФУ, г. Таганрог, в 2011 и 2012 годах.

Реализация и внедрение результатов работы. Теоретические и практические результаты, полученные в рамках данной работы, внедрены на предприятии ООО «Комтехсервис», используются в учебном процессе кафедры электротехники и мехатроники ЮФУ при выполнении лабораторных, курсовых и дипломных работ.

Публикации. Основные результаты исследований по теме диссертации изложены в 9 печатных работах, в том числе 5 статей в ведущих научных изданиях, рекомендованных ВАК для публикации результатов работ по диссертациям на соискание ученой степени кандидата технических наук, 3 доклада в материалах Всероссийских и международных конференций. Программная модель системы управления асинхронным генератором ветроэнергетической установки защищена свидетельством.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 102 наименований и содержания. Основная часть работы составляет 155 страниц и включает в себя 75 рисунков, 74 формулы и 2 таблицы.

4.4. Выводы по главе 4.

В данной главе было рассмотрено экспериментальное моделирование ЭТК с МДП для ВЭУ. Для эффективного проведения экспериментальных исследований была разработана методология эксперимента, включающая следующие основные этапы:

•разработку плана-программы эксперимента- •выбор средств проведения эксперимента- •проведение эксперимента;

•обработку и анализ экспериментальных данных.

При составлении плана-программы и выборе средств проведения экспериментов было выявлено, что зачастую наличие необходимого оборудования, имеющегося в распоряжении исследователя, определяет также и программу проведения экспериментов. Поэтому, сперва было определено оборудование, которое требуется для выполнения экспериментов согласно рисунку 11, а также наличие его в лаборатории. В результате было установлено, что управляемого инвертора по каналам амплитуды и частоты нет в наличии, поэтому было принято решение заменить его машиной переменного тока, регулируя ток возбуждения и частоту вращения вала которой можно добиться генерирования переменного напряжения, которое также будет являться и напряжением возбуждения МДП требуемых для управления параметров. Таким образом, итоговая электрическая схема соединений приняла вид, как на рисунке 52. После этого было дано описание этой схемы и входящих в неё блоков.

При разработке плана экспериментов было установлено, что выполнить натурное моделирование всех систем управления, подробно рассмотренных в главе 2, на имеющемся оборудовании не представляется возможным главным образом из-за отсутствия управляемого трехфазного инвертора с независимым управлением по каналам амплитуды и частоты. Замена же его синхронным.

164 возбуждения при определенной частоте вращения вала МДП и нагрузке, почти совпали со значениями этих величин, полученных экспериментально, что, учитывая негативные явления, связанные с заменой управляемого преобразователя на машину переменного тока, является отличным результатом и подтверждает теоретические расчеты. Не смотря на то, что регулирование было осуществлено вручную, полученные данные подтвердили работоспособность законов управления (18) и (25), что при наличии в лаборатории управляемого по каналам амплитуды и частоты преобразователя с большой долей вероятности позволит реализовать замкнутую СУ и получить лучшие результаты.

Заключение

и выводы по работе.

Основной научный результат диссертации заключается в решении актуальной задачи, имеющей важное практическое значение: разработки систем управления ЭТК для ВЭУ переменного шока с использованием адаптивных к возмущающим воздействиям алгоритмов управления, обеспечивающих расширение функциональных возможностей ВЭУ переменного тока, повышение качества генерируемой энергии при снижении общей стоимости, а таю/се исследование таких адаптивных СУ методами математического и компьютерного моделирования.

При проведении исследований и разработок по теме настоящей работы получены следующие результаты, обладающие научной новизной:

1) Предложена структура ЭТК для переменно-скоростного ветроэнергетического комплекса, что позволило снизить общую стоимость используемого инвертора на 30% - 50%.

2) Осуществлена разработка структуры адаптивной СУ ЭТК для автономного и сетевого варианта переменно-скоростного ветроэнергетического комплекса.

3) Предложен метод стабилизации амплитуды и частоты генерируемого напряжения ЭТК для автономной ВЭУ, отличающийся способом выбора переменного коэффициента трансформации, не зависящим от параметров генератора, что позволяет поддерживать предельное отклонение установившегося значения напряжения и его частоты на выходе генератора от требуемого не более 1,82% и 0,26%, соответственно.

4) Предложен метод стабилизации амплитуды и частоты генерируемого напряжения ЭТК для автономной ВЭУ с ПИ-регулятором, отличающийся адаптивным коэффициентом интегральной составляющей, что позволяет поддерживать предельное отклонение установившегося значения напряжения и его частоты на выходе генератора от требуемого не более 0,22% и 0,2%, соответственно. При этом, адаптивный коэффициент интегральной составляющей позволил увеличить быстродействие СУ и точность стабилизации, в сравнении с.

СУ со статическими коэффициентами ПИ-регулятора, в среднем в 6 раз и на 24% соответственно.

5) Предложен метод стабилизации амплитуды и частоты генерируемого напряжения ЭТК для автономной ВЭУ с помощью нелинейной СУ при воздействии внешних и параметрических возмущений с априори неизвестной структурой, отличающийся новыми алгоритмами оценивания возмущений, основанных на локальной аппроксимации усеченными рядами Тейлора, действующих на генератор, что позволяет поддерживать предельное отклонение установившегося значения напряжения и его частоты на выходе генератора от требуемого не более 0,01% по обоим показателям при воздействии неизвестных нелинейных неизмеряемых возмущений.

6) Разработана компьютерная модель ЭТК для ВЭУ с МДП, позволяющая производить исследования синтезированной системы управления средствами имитационного моделирования на этапе проектирования, отличающаяся использованием возможностей современных программных средств.

Указанные результаты позволяют разрабатывать системы управления ЭТК с МДП для ВЭУ, генерирующие электроэнергию промышленного качества, соответствующую ГОСТу 13 109−97, как при известных внешних возмущени-ях (частота вращения вала, нагрузка), так и возмущений с априори неизвестной структурой. Благодаря предложенной структуре ЭТК удалось снизить итоговую стоимость установки в среднем на 20%, при этом рабочий диапазон частот вращений генератора составил ±30% от синхронной при номинальной нагрузке.

На базе полученных результатов возможно создание высокоэффективных адаптивных систем управления генерирующих электротехнических комплексов с переменной частотой вращения вала входящего в состав такого комплекса генератора переменного тока.