Система управления ветряной турбиной

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИН Зб 11 Р 03 В 7/04 ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯН ПАТЕНТУ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ(72) Джозеф Майкс Коз, Джон Питер Патрик и Кермит Иван Харнер (США) (71) Юнайтед Текнолоджиз корпорейшн (США)(56) 1. Авторское свидетельство СССР В 924489, кл. Р 03 0 7/04, 1950..(54)(57) 1. СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ВЕТРЯНОЙ ТУРБИНОЙ, снабженной ротором споворотными лопастями и связанной через редуктор с электрогенератором,содержащая последовательно соединенные датчик скорости ветра, регуляторугла поворота лопастей и привод поворотных лопастей, о т л и ч а ю щ а яс я тем, что, с целью повышения КПДэлектрогенератора и повышения безопасности его работы, она дополнительно содержит датчик скорости ротора,датчик скорости электрогенератора,датчик крутящего момента вала электрогенератора, задатчик скорости ротора, задатчики минимального и максимального ускорений ротора, переключатель нагрузки электрогенератора ипусковой переключатель, а регулятор.угла поворота лопастей составлен изблока управления скоростью ротора,блока управления ускорением ротора,блока управления мощностью, интегратора и первого, второго и третьегоселекторов, подключенных входами соответственно к блоку управления скоростью ротора и блоку управления усЯО 1098527 кореннем ротора, к первому селектору и блоку управления ускорением ротора, к второму селектору и блоку управления мощностью, причем интегратор подключен входом к третьему селектору, а выходом - к приводу поворотных лопастей, входы блока управления скоростью ротора подключены к датчику и задатчику скорости ротора, датчику скорости ветра и пусковому переключателю, входы блоса управления ускорением ротора подключены к датчику скорости ротора и задатчикам минимального и максимального ускорений ротора, входы блока управления мощностью подключены к датчикам ско- р рости ветра, скорости ротора, скорос ти электрогенератора и крутящего момента вала электрогенератора, интегратор подключен к датчикам скорости ветра и скорости ротора, а третий селектор подключен к переключателю наг- - рузки электрогенератора.2. Система по п. 1, о т л и ч а ю-щ а я с я тем, что блок управления ускорением ротора содержит первый и второй компараторц, а также дифференцирующее звено, подключенное вхо СЛ дом к датчику скорости ротора, а К 3 выходом - к первому и второму компа раторам, связанным соответственно с задатчиками максимального и минимального ускорений ротора, причем выходы , первого и второго компараторов подключены соответственно к первому и второму селекторам.3. Система по пп. 1 и 2, о т л ич а ю щ а я с я ,тзм, что блок управления скоростью ротора содержит последовательно соединенные первое звено умножения, третий компаратор, первое1098527 ЖЛФ Составитель А.КалааниковТехред О,йеце Корректор М.Шароаи актор С.Тимохин Заказ 4232 Й ал ППП "Патент", г. Уагород, ул. Проектна 6 Тирак 4 б 5 ВНИИПИ Государственного коми по делам изобретений и о 113035, Иоскна, Ж,РауаскаяПодписное ета СССР рытнй аб., д. 41098527 звено динамической коррекции и второе звено умножения, а также первыйФункциональный преобразователь, подключенный входом к датчику скоростиветра, а выходом - ко второму звенуумножения, причем первое звено умножения подключено входами к задатчикускорости ротора и пусковому переключателю, третий компаратор подключенк датчику скорости ротора, а выходвторого звена умножения - к первомуселектору,4. Система по пп. 1-3, о т л и -ч а ю щ а я с я тем, что блок управления мощностью содержит последовательно соединенные второй Функциональный преобразователь, четвертыйкомпаратор, апериодическое звено, .сумматор и .третье звено умножения,последовательно соединенные пятыйкомпаратор и второе звено динамической коррекции, а также третий Функциональный преобразователь, подключенный входом к датчику скоростиветра,.а выходом - к третьему звену умножения, причем выход второго звена динамической коррекции подключен к сумматору, входы пятого компаратораподключены к датчикам скорости ротора и скорости электрогенератора, четвертьй. компаратор подключен к датчи- " 1Изобретение относится к энергетике, в Частности к автоматическому управлению ветряными турбинами.Известна система управления ветряной турбиной, снабженной ротором с 5 поворотными лопастями н связанной через редуктор с электрогенератором, содержащая последовательно соединенные датчик скорости веФра, регулятор угла поворота лопастей и привод по воротных лопастей 1 3.Однако известная система не обеспечивает требуемого ЮЩ ветроэлектрогенератора и безопасности его работы.Целью изобретения является ловы шение КПД электрогенератора и повышение безопасности его работы.Поставленная цель достигается тем, что система управления ветряной турбиной, снабженной ротором с пово ку крутящего момента вала электрогенератора, второй Функциональныйпреобразователь подключен к датчикускорости ветра, а выход третьего звена умножения подключен к третьему селектору,5. Система по пп. 1-4, о т л и -ч а ю щ а я с я тем, что интегратор .содержит последовательно соединенныеограничитель, шестой компаратор извено интегрирования, а также ограничитель сигнала интегратора, подключенный входом к выходу звена интегрирования, а выходом - к шестому компаратору, причем выход звена интегрирования подключен к приводу поворотных лопастей, а вход ограничителя сигнала интегратора подключен к третьемуселектору,6, Система по п, 5, о т л и ч а ющ а я с я тем, что интегратор содер. - жит четвертый Функциональный преобразователь и звено деления, подключенное входами к датчикам скорости ветра и скорости ротора, а выходом - к четвертому Функциональному преобразователю, причем выход четвертого Ф;нкционального преобразователя подключен к ограничителю сигнала интегра"тора. 2ротными лопастями и связанной через редуктор с электрогенератором, содержащая последовательнь соединенные датчик скорости ветра, регулятор уг.ла поворота лопастей и привод поворотных лопастей дополнительно содер" жит датчик скорости ротора, датчик скорости электрогенератора, датчик крутящего момента вала электрогенератора, задатчик скорости ротора, задатчик минимального и максимального ускорений ротора, переключатель нагрузки электрогенератора и пусковой переключатель, а регулятор угла поворота .лопастей составлен из блока управления скоростью ротора, блока управления ускорением ротора, блока управления мощностью, интегратора и первого, второго и третьего селекторов, подключенных входами соответственно к3 1098блоку управления скоростью ротора иблоку управления ускорением ротора,к первому селектору и блоку управления ускорением ротора, ко второмуселектору и блоку управления мощнос 5тью, причем интегратор подключен входом к третьему селектору, а выходом -к приводу поворотных лопастей, входыблока управления скоростью ротораподключены к датчику и задатчику ско рости ротора, датчику скорости ветраи пусковому переключателю, входы блока управления ускорением ротора подключены к датчику скорости ротора изадатчикам минимального и максимального ускорений ротора, входы блокауправления мощностью подключены к.датчикам скорости ветра, скоростиротора, скорости электрогенератора икрутящего момента вала электрогенера тора, интегратор подключен к датчикамскорости ветра и скорости ротора, атретий селектор подключен к переключателю нагрузки электрогенератора.Блок управления ускорением роторасодержит первый и второй компараторы,а также дифференцирующее звено, подключенное входом к датчику скоростиротора, а выходом - к первому и второму компараторам, связанным соответственно с задатчиками максимальногои минимального ускорений ротора,причем выходы первого и второго компараторов подключены соответственно кпервому и второму селекторам,Блок управления скоростью роторасодержит последовательно соединенныепервое звено умножения, третий компаратор, первое звено динамическойкоррекции и второе звено умножения,атакже первый функциональный преобразователь, подключенный входом к датчику скорости ветра, а выходом - ковторому звену умножения, причем первое звено умножения подключено входа-ми к задатчику скорости ротора и пусковому переключателю, третий компаратор подключен к датчику скорости ротора, а выход второго звена умноже ния - к пе вом селекто Р У РУБлок управления мощностью содержит последовательно соединенные второй функциональный преобразователь, четвертый компаратор, апериодическое звено, сумматор и третье звено умножения, 55 :.последовательно соединенные пятый компаратор и второе звено динамической коррекции, а также третий функцио 527 4 нальный преобразователь, подключенныйвходом к датчику скорости ветра, а выходом - к третьему звену умножения,причем выход второго звена динамической коррекции подключен к сумматору, входы пятого компаратора подключены к датчикам скорости ротора и скорости электрогенератора, четвертыйкомпаратор подключен к датчику крутящего момента вала электрогенератора,второй функциональный преобразовательподключен к датчику скорости ветра,а выход третьего звена умножения подключен к третьему селектору.Интегратор содержит последовательно соединенные ограничитель, шестойкомпаратор и звено интегрирования, атакже ограничитель сигнала интегратора, подключенный входом к выходу звена интегрирования, а выходом - к шестому компаратору, причем выход звенаинтегрирования подключен к приводуповоротных лопастей, а вход ограничителя сигнала интегратора подключенк третьему селектору.Интегратор содержит четвертыйфункциональный преобразователь и звено деления, подключенное входами кдатчикам скорости ветра и скоростиротора, а выходом - к четвертомуфункциональному преобразователю, причем выход четвертого функционального преобразователя подключен к ограничителю сигнала интегратора,На фиг. 1 схематически показанаветряная турбина; на фиг. 2 - блоксхема системы управления ветрянойтурбиной; на фиг. 3 - блок-схема регулятора угла поворота лопастей; нафиг. 4 - блок-схема блока управленияускорением ротора; на фиг. 5 - блоксхема блока управления скоростью ротора; на фиг. 6 - блок-схема блокауправления мощностью; на фиг, 7 -блок-схема интегратора; на фиг. 8 -блок-схема третьего селектора. Ветряная турбина (фиг. 1) снабжена ротором 1 с поворотными лопастями 2.Система для управления ветряной турбиной, снабженной ротором с поворотными лопастями и связанной через редуктор 3 с электрогенератором 4, содержит последовательно соединенные датчик 5 скорости ветра, регулятор 6 угла поворота лопастей, привод 7 поворотных лопастей, датчик 8 скоростиротора, датчик 9 скорости электрогенератора, датчик 1 О крутящего моментавала, электрогенератора, задатчик 11 скорости ротора, задатчики 12, 13 минимального и максимального ускорений ротора, переключатель 14 нагрузки электрогенератора и пусковой переклю чатель 15, Кроме того, на фиг. 2 показайы линии связи 16-27.Регулятор угла поворота лопастей (фиг, 3) содержит блок 28 управления скоростью ротора, блок 29 управления 10 ускорением ротора, блок 30 управления мощностью, интегратор 31, первый селектор 33 и третий селектор 34. Кроме того, на фиг. 3 показаны линии связи 35-41, 15Блок. управления ускорением ротора (фиг, 4) содержит первый компаратор 42, второй компаратор 43 и дифференцирующее звено 44. Кроме того, на фиг. 4 показаны усилители 45 и 46. 20Блок управления скоростью ротора (фиг, 5) содержит последовательно соединенные первое звено умножения 47, третий компаратор 48, первое звено динамической коррекции 49, второе 25 звено умножения 50 и первый функциональный преобразователь 51.Блок управления мощностью (фиг.б) содержит последовательно соединенные второй функциональный преобразова- зо тель 52, четвертый компаратор 53, апериодическое звено 54, сумматор 55 и третье звено умножения 56, последовательно соединенные пятый компаратор 57 и второе звено динамической коррекции 58, а также третий функциональный преобразователь 59. Кроме того, на фиг. 6 показано звено деления 60.Интегратор (фиг. 7) содержит последовательно соединенные ограничитель 4 О 61, шестой компаратор 62, звено интег рирования 63, ограничитель 64 сигнала интегрирования, четвертый функциональный преобразователь 65 и звено деделения 66,45Третий селектор (фиг, 8) содержит седьмой компаратор 67, второй сумматор 68, и четвертое и пятое звенья 69, 70 умножения. Ветряная турбина (фиг. 1) снабженная ротором 1 с дву 5 б мя диаметрально расположенными поворотными лопастями 2, передает вращательное движение электрогенератору и может поворачиваться в направлении господствующего ветра.Система управления ветряной турбины (фиг. 2) функционирует следующим образом,Вращательное движение лопастейпередается через редуктор 3 электрогенератору 4, выходное напряжениекоторого подается по линии 16 на пе-реключатель 14 нагрузки электрогенератора и с выхода последнего по линии 17 поступает в сеть к потребителю,Сигнал, соответствующий состоянию переключателя 15 (1/О, что соответствует состоянию переключателя "включено" и "выключено" ), по линии 19 поступает на регулятор 6 угла повороталопастей, который управляет положениемповоротных лопастей 2 по сигналамдатчика 5 скорости ветра, датчика 8скорости ротора, датчика 9 скоростиэлектрогенератора и датчика 10 крутящего момента вада электрогенератора,путем воздействия на привод 7 поворотных лопастей 2. Кроме того, нарегулятор 6 поступают сигналы от задатчика 11 скорости ротора, задатчиков 12, 13 минимального и максимального ускорения ротора и от пусковогопереключателя 15.При этом реализуются четыре режима работы.Первый режим управления - эапускреализуется тогда, когда средняя скорость ветра. достигает значения, прикотором ветряная турбина и генератормогут работать и с отдачей полезноймощности. В этом режиме лопасти сдвигаются с их флюгерного положения(90 О) в направлении малого шага так,чтобы лопасти могли обеспечить крутящий момент, увеличивающий скоростьротора и генератора до номинальногозначения без потерь скорости или безускорений.Второй режим управления - управление скоростью при отключенной нагрузке, По мере увеличения скоростигенератора оно используется для поддержания заданной скорости путем изменения угла поворота лопастей и длярегулировки соотношения фаз междуэлектрогенератором и сетью.Третий режим управления - управление при подключенной нагрузке,Как только генератор достиг скорости, обеспечивающей заданную частоту, а фаза генератора отрегулирована так, что она согласуется с сетью, генератор подключается к сети. Угол поворота лопастей после этого регулируется для поддержания заданного уровня мощности. При высоких скоростях вет10985 7ра ротор может развивать мощность, превышающую требуемую, поэтому управление мощностью осуществляется путем измерения крутящего момента вала (может быть измерен ток или мощность электрогенератора). Четвертый режим управления - останов, который реализуется увеличением угла поворота лопасти до флюгерногоо 0 . положения (90 ).Регулятор угла поворота лопастей (фиг. 3) работает следующим образом.При подаче команды запуска на линии 24 подается сигнал, соответствую 15 щнй логической единице, который разрешает прохождение сигнала, поступающего по линии 25 от задатчика 11 ско рости ротора. На выходе блока 28 управления скоростью ротора (линия 35) формируется сигнал р , который пос 20 тупает на первый селектор 32. Одновременно блок 29 управления ускорением ротора формирует на выходе (линия 36) сигнал р, также поступающий на25 первый селектор. Первый селектор 32 является схемой выбора максимального значения сигнала н так как сигналалгебраически больше сигнала р , то на выходе первого селектора (линия 39) сигнал р, соответствует сиг-З 0 калу р, Кроме того, на выходе блока 29 формируется сигнал р 1, который по линии 37 поступает на вход второго селектора 33, который является схемой выбора минимального значения 35 сигнала, и формирует "на выходе (линия 40) сигнал р , также соответствующий сигналу р . Так как нагрузка отключена, третий селектор 34 обеспечивает прохождение сигнала р 40 к интегратору 3 1.По мере увеличения скорости ротора вырастает значение сигнала М 1, поступающего по линии 20, и в зависимости от сигнала М , поступающего 45 по линии 23, увеличйвается значение сигнала р в линии 35 до тех пор, пока оно не превысит величину сигнала р, в линии 36, поступающего от блока 29 и формируемого в зависимос ти от сигнала М (линия 20) и сигналов задатчиков минимального и максимального ускорений ротора, тогда первый селектор 32 пропускает сигнал р на вход второго селектора 33, а 55И% 4 так как сигнал р (как и сигнал рд ) все еще меньше сигнала, поступающего на второй селектор 33 по линии 27 837, то сигнал на выходе второго н третьего селекторов соответствует 5, и тем самым осуществляется регулйрование не по ускорению, а по скорости, что соответствует установившемуся режиму работы при постоянной скорости ветра. При поступлении команды остановки ветряной турбины сигнал м на выходе первого селектора . 32 соответствует сигналу рм , однако второй селектор 33 обеспечивает прохождение сигнала, от блока 29 управления ускорением, что обеспечивает уменьшение скорости. При работе с подключенной нагрузкой третий селектор 34 пройускает сигнал ра, поступающий по линии 38 от блока 30 управления мощностью, на вход которого поступают сигналы от датчиков скорости ветра, скорости ротора, скорости электрогенератора и крутящего момента по линиям 23, 20, 22, 21.Блок управления ускорением ротора (фиг. 4) работает следующим образом.Сигнал от датчика скорости ротора, поступающий по линии 20 на дифференцирующее звено 44, подается на первый и второй компараторы 42, 43, где сравнивается с сигналами, поступающими на эти компараторы по линиям 27, 26 от задатчиков минимального и максимального ускорений ротора. Разностные сигналы, сформированные первым и вторым компараторами 42, 43, усиливаются усилителями 45, 46 и поступают по линиям 36, 37 соответственно к первому и второму селекторам. Блок управления скоростью ротора (фиг. 5) работает следующим образом.Сигнал пуска ввиде логической фединицы поступает по линии 24 на первое звено умножения 47 и обеспечивает прохождение сигнала от эадатчика скорости ротора, поступающего по линии 25, к третьему компаратору 48, на другой вход которбго по линии 20 подается сигнал от датчика скорости ротора. С выхода третьего компаратора 48 разностный сигнал через первое звено динамической коррекции поступает на второе звено умножения 50, на другой вход которого поступает сигнал с выхода первого функционального преобразователя 1, реализующего требуемую зависимость сигнала регулирования от сигнала датчика скорости . ветра, поступающего на вход первого функционального преобразователя по1098527 9линии 23. С выхода. второго звена умножения 50 сигнал 4 регулированияскорости поступает по линии 35 напервый селектор.Блок управления мощностью (фиг.б)работает следующим образом.Сигнал, поступающий по линии 21от датчика крутящего момента валаэлектрогенератора на четвертый компаратор 53, сравнивается.с заданным 10сигналом, поступающим с выхода второго функционального преобразователя52, реализующего требуемую зависимостьзадающего сигнала от сигнала датчикаскорости ветра, поступающего на входвторого функционального преобразователя 52 по линии 23. Разностный сигнал с выхода четвертого компаратора53 через апериодическое звено 54 подается на сумматор 55. Одновременновна второй вход сумматора через второе звено динамической коррекции 58подается сигнал, пропорциональный (сдопустимой степенью приближения)производной крутящего момента, формируемый пятым компаратором 57, на входы которого подаетсяпо линии 20 сигнал от датчика скорости ротора, апо линии 22 через звено деления 60на постоянный коэффициент - сигналот датчика скорости электрогенератора.На вход сумматора 55 от второго зве-.на динамической коррекции 58 поступает сигнал, зависящий от первой ивторой прбиэводных крутящего момента,35а на другой вход - задержанный сигнал, зависящий от крутящего момента,что позволяет получить на выходе сум.матора 55 сигнал, зависящий от крутящего момента и первых двух егопроизводных, что обеспечивает (послеинтегрирования) реализацию пропорцио"нального, интегрального и производного управлений по сигналу крутящегомомента вала. Для компенсацни нелинейности аэродинамической характеристики ротора сигнал с выхода сумматора 55 подается на третье звено умножения 56, где корректируется с учетом сигнала, поступающего от датчика50скорости ветра через третий функциональный преобразователь 59 на другойвход третьего звена умножения56,Полученный сигнал управления мощностью с выхода третьего звена умножения 56 по линии 38 поступает на третий селектор. 10Интегратор (фиг. 7) работает следующим образом.Сигнал управления поступает от третьего селектора по линии 41 через ограничитель 61 на шестой комнаратор 62, где сравнивается с сигналом ограничителя 64 сигнала интегрирования, имеющим нулевое значение, если сигнал на выходе звена интегрирования 63 находится в допустимых предепах, и максимальное значение - в противном случае, Раэностный сигнал с выхода шестого компаратора поступает на звеноинтегрирования 63, где интегрируется и подается на привод поворотных лопастей в качестве сигнала управления. Верхний предел значения сигнала управления соответствует флюгерному положению лопастей (90 ), а нижнее значение корректируется в зависимости от отношения скорости ротора к скорости ветра, которое формируется звеном деления 66, на вход которого поступают по линиям.23, 20 сигналы ат датчиков скорости ветра и датчика скорости ротора. Требуемая зависимость нижнего предела сигнала управления от отношения скорости ротора к скорости ветра формируется четвертым функциональным преобразователем 65. Третий селектор (фиг, 8) работает следующим образом.На вход третьего селектора по линиям 40, 38 поступают сигналы от второго селектора и от блока управления мощностью, которые подаются на четвертое и пятое звенья умножения 69, 70.На другие входы этих звеньев подается сигнал от переключателя нагрузки электрогенератора, поступающий наЮвход третьего селектора по линии 19. При подключенной нагрузке значение этого сигнала соответетвует единице и выходной сигнал пятого звена умножения 70 соответствует сигналу, постунающему от. блока управления мощностью. На вход четвертого звена умножения 69 сигнал от переключателя нагрузки электрогенератора подается через седьмой компаратор 67, где сравнивается с единицей, и поэтому инвертируется. Таким образом, при подключенной нагрузке выходной сигнал четвертого звена умножения 69 равен нулю,а сигнал на выходе второго сумматора68 соответствует сигналу, поступающему от блока управления мощностью.11 1098527 12П ири отключеннои нагрузке выходной электрогенератора, задатчика скорости сигнал пятого звена умножения 70 ра- ротора, задатчиков минимального и вен нулю, а выходной сигнал четверто- ,максимального ускорений ротора, перего звена умножения 69 и сигнал на вы- ключателя нагрузки электрогенеРатоРа ходе сумматора 68 соответствует сиг-и пускового переключателя, выполнение налу, поступающему от второго селек- регулятора угла поворота лопастей в тора. Таким образом, третий селектор виде блока управления скоростью ротокоммутирует управление в зависимости ра, блока управления мощностью, интегот того, включена или выключена наг- ратора и первого, второго и третьего Рузка 10 селекторов позволяет повысить КПДэлектрогенератора за счет оптимизацииВведение в систему управления вет- управления и повысить безопасность ряной турбиной датчика скорости рото- его работы за счет ограничений сигнара, датчика скорости электрогенерато- лов управления и оптимизации процессов ра, датчика крутящего момента вала 15 пуска и останова.Г