|
Аннотация
Применение асинхронизированных синхронных генераторов (АСГ) в ветроэнергетике приводит к созданию более стабильных, экономичных, обладающих меньшими массогаба-ритными характеристиками ветроэнергетических установок (ВЭУ), чем при использовании других генераторов. Необходимо произвести моделирование работы ВЭУ с АСГ, работаю-щей параллельно с промышленной сетью, с помощью пакета математического моделирова-ния Matlab. Моделирование выполнено двумя методами: при помощи аппарата передаточ-ных функций и с помощью аппарата дифференциальных уравнений. Проведены исследова-ния работы данных моделей, оценены погрешности вычислений.
1. Введение
Рост интереса ученых и конструкторов к проблемам проектирования и эксплуатации ветроэнергетических установок во многом обусловлен их определенными преимуществами по сравнению с традиционными источниками энергии. Эксплуатация ВЭУ сопровождается отсутствием затрат на добычу и транспортировку топлива, а также выбросов, загрязняющих окружающую среду.
Можно выделить следующие направления использования ВЭУ: электроснабжение ав-тономных объектов (как стационарных, так и передвижных), гарантированное электроснаб-жение автономных объектов с аккумуляторным или дизель - генераторным резервированием, выработка электроэнергии и передача ее в энергосистему, теплоснабжение автономных объ-ектов, водоснабжение сельскохозяйственных объектов, опреснение воды и обеспечение питьевой водой жителей полупустынных и пустынных зон.
В свою очередь, увеличение распространения ВЭУ и повышение требований к ним влечет за собой постоянное усложнение их конструкции и требует создания новых, более со-вершенных систем управления ими.
В настоящее время весьма перспективным в мире является построение ВЭУ на основе АСГ или как их еще называют машин двойного питания.
1.1 Глоссарий
АСГ — асинхронизированный синхронный генератор.
ВЭС — ветроэнергетическая станция.
ВЭУ — ветроэнергетическая установка.
1.2 Описание предметной области
АСГ представляет собой электромеханический комплекс, состоящий из электрической машины, возбудителя (тиристорного преобразователя) и системы управления (системы ав-томатического регулирования возбуждения). Структурная схема АСГ показана на Рис. 1.
Электрическая машина 1 — машина переменного тока (как правило, с трехфазными статором и ротором), которая приводится во вращение от ветродвигателя 11. Возбудитель 2, подключаемый к кольцам ротора машины 1, получает силовое питание либо от сети через трансформатор 3, либо от вспомогательного источника питания 4 (аккумуляторной батареи или вспомогательной электрической машины, например, синхронной, расположенной на од-ном валу с основной машиной 1). Возможен вариант, когда источник питания 4 входит в со-став отдельной двигатель-генераторной установки.
Частота напряжения на выходе возбудителя 2 (выводы возбудителя, подключенные к кольцам ротора) может изменяться по требуемому закону и равна в установившемся режиме разности круговых частот вращения полей статора и ротора машины. Это означает, что воз-будитель АСГ является в общем случае преобразователем частоты напряжения источника питания в частоту скольжения.
Система управления (система автоматического регулирования возбуждения) 5 служит для формирования требуемых законов управления АСГ. Законы управления формируются на основе информации, получаемой от системы датчиков, которая в общем случае включает в себя следующие датчики: углового положения и частоты вращения ротора основной машины 6, напряжения статора 7, токов статора 8 и ротора 9.
На Рис. 1 ключ 10 может находиться в одном из положений – правом или левом (на ри-сунке в правом). Действительно, возбудитель 2 может питаться либо от трансформатора 3 (при работе параллельно с сетью), либо от вспомогательного источника питания 4.
Рис. 1. Структурная схема АСГ
В качестве электрической машины, входящей в состав АСГ может использоваться асинхронная машина с фазным ротором как серийного изготовления, так и специально спро-ектированная. В первом случае потребуются некоторые незначительные изменения, во вто-ром случае удается получить систему с лучшими технико-экономическими показателями, так как машина проектируется с учетом свойств остальных элементов данного электромеха-нического комплекса.
Возбудитель АСГ может быть создан на основе как электрических машин, так и вен-тильных устройств. Современная система возбуждения состоит из управляемых тиристор-ных преобразователей частоты. Отметим, что для автономных АСГ, получающих силовое питание от аккумуляторной батареи, необходимо использовать автономный инвертор на-пряжения, который будет обеспечивать преобразование напряжение постоянного тока в на-пряжение требуемой частоты. Для АСГ, работающих параллельно с промышленной сетью, целесообразно использовать непосредственные преобразователи частоты с естественной коммутацией и синусоидальной формой выходного напряжения.
Таким образом, из приведенного выше описания устройства и отдельных функцио-нальных элементов АСГ видно, что АСГ представляют собой достаточно сложные техниче-ские устройства. Поэтому синтез качественной системы управления АСГ и моделирование ее работы представляет собой достаточно сложную задачу.
В дальнейшем будем рассматривать только ВЭУ, работающую параллельно с сетью. При синтезе системы управления такой ВЭУ необходимо учитывать ряд особенностей. Ста-тор АСГ должен быть подключен непосредственно к сети и параметры (амплитуда и частота) выходного напряжения ВЭУ будут определяться этой сетью. В роторную обмотку через кон-тактные кольца подается трехфазное напряжение требуемой частоты с тиристорного преоб-разователя. Амплитуду напряжения ротора АСГ следует регулировать так, чтобы при теку-щей скорости ветра ВЭУ вырабатывала бы максимальную мощность, то есть максимально использовала бы энергию ветра. При этом разрабатываемая система управления должна обеспечивать регулирование и активной, и реактивной мощности ВЭУ, что осуществляется за счет регулирования активной и реактивной составляющих тока ротора.
1.3. Неформальная постановка задачи
• Изучить предметную область курсовой работы;
• Изучить возможности и средства пакета математического моделирования MathWorks Matlab 7;
• Получить математические модели отдельных элементов ветроэнергетической уста-новки;
• Составить математическую модель системы в целом;
• Реализовать полученную модель средствами MathWorks Matlab 7;
• Исследовать созданную модель;
• Проанализировать полученные при моделировании результаты.
1.4. Обзор существующих методов решения
Произведен обзор существующих аналогичных моделей ветроэнергетических установ-ки с АСГ. Первый и единственный метод был найден в сети Интернет [5], остальные методы являются закрытыми. Наиболее вероятной причиной отсутствия достоверной и исчерпы-вающей информации по данному вопросу является стратегическая важность и коммерческая эффективность применения такого рода устройств.
В качестве базисных уравнений, описывающих динамику АСГ, целесообразно исполь-зовать дифференциальные уравнения обобщенной электрической машины, записанные в проекциях на оси прямоугольной системы координат х и у, вращающейся с частотой тока статора (с синхронной скоростью поля машины) ?1. В результате уравнения АСГ примут вид:
, (1)
где U1x, U1y, U2x, U2y — проекции напряжений статора и ротора на соответствующие оси ко-ординат; I1x, I1y, I2x, I2y — проекции токов статора и ротора на соответствующие оси коорди-нат; ?1x, ?1y, ?2x, ?2y — проекции потокосцеплений статора и ротора на соответствующие оси координат; R1, R2 — активные сопротивления статорной и роторной обмоток, соответст-венно; L1, L2 — индуктивности статорной и роторной обмоток, соответственно; L12 —взаимная индуктивность статора и ротора; ?2 = ?1 – pn? — частота тока ротора; ? —скорость вращения ротора; pn — число пар полюсов; Мв.д. — механический момент ветродви-гателя; — электромагнитный момент АСГ; J — суммарный момент инерции ветродвигателя и АСГ.
Работа тиристорного преобразователя частоты в цепи ротора АСГ может быть описана следующими уравнениями:
(2)
|
На уровень вверх
Купить