Устройство для управления асинхронизированным синхронным генератором ветроэнергетической установки

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКРЕСПУБЛИК 9) ( Р 9 Щф. иуАНИ Б И етроэнерге ронизирова орами ветр аботающих зобретения ике д ыми си энерг а мощ я вляе льзования асинхр ение аданномы вращеннала регности ирегулироолнитель Я4 РЖ ОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ ВТОРСНОМУ СВИДЕТЕЛ(71) Московский энергетический институт(72) В.И.Асторга, И.П.Копылов и Л.Я.Шапиро(53) 621.316.718.5(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР В 523501, кл. Н 02 Р 7/42, 1976.Авторское свидетельство СССР У 657558, кл. Н 02 Р 7/36, 1979.Авторское свидетельство СССР У. 1146779, кл. Н 02 Р 7/36, 1985. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ АСИНХРОНИЗИРОВАННЫМ СИНХРОННЫМ ГЕНЕРАТОРОМ ВЕТРОЭНЕРГЕТИВСКОЙ УСТАНОВКИ (57) Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для управления электрическими машинами переменного тока, первичная обмотка которых подключена к сетипеременного тока, а вторичная получает. питание от регулируемого преобразователя частоты, в частности, в управления асиннхронньми генераических установок, ую сеть, Целью я повышение иснизированного синхронного генератора и увелработки электроэнергии вдиапазоне изменения частоУстройство содержит два клирования - реактивной мочастоты вращения. В каналвания частоты вращения доЯУ1304167 Гвведены двухпороговый компаратор 16, второй задатчик 15 частоты вращения и три управляемых блока 12, 27, 30 коммутации. Первый блок 12 коммутации включен между выходами первого 14 и второго 15 задатчиков частоты вращения и вторым входом второго элемента 11 сравнения, а его управляемый вход соединен с первым выходом блока задания режима работы, Второй блок 27 коммутации включен между выходом четвертого элемента 24 сравнения и первым входом формирователя 28 зависимости частоты вращения от скорости ветра, а его управляемый входИзобретение относится к электротехнике, а именно к управлению асинхронизированными синхронными генераторами, и может быть использовано в ветроэнергетических установках, работающих на промышленную сеть.Цель изобретения - повышение использования асинхронизированного синронного генератора и увеличение выработки электроэнергии.На фиг.1 представлена блок-схема предлагаемого устройства для управления асинхронизированным синхронным генератором ветроэнергетической установки; на фиг,2 - семейство механических характеристик ветродвигателя при различных скоростях ветра Ч 7 4 и нагрузочные характеристики асинхронизированного синхронного генератора при различных законах управления; на фиг,3 - зависимости выработки электроэнергии А от скорости ветра 7 при различных законах управления.Устройство для управления асинхронизированным синхронным генератором 1 ветроэнергетической установки (фиг.1) содержит преобразователь 2 частоты, выход которого подключен к роторной цепи указанного генератора, канал регулирования реактивной мощности, включающий в себя датчик 3 реактивной мощности, входы которого соединены с датчиками тока 4 и напряжения 5 статорной цепи асинхронизированного синхронного генератора,соединен с первым выходом блок:а задания режима работы. Третий блок: 30 коммутации включен между выходом сумматора 29 и третьим входом блока 9 преобразования координат, а его управляемый вход соединен с вторым выходом блока задания режима работы, вход которого подключен к,выходу датчика 25 скорости ветра. Применениедустрой тва позволяет получить три режима работы асинхронизированного синхронного г-ра в рабочем диапазоне скоростей ветра; с пост. частотой вращения, с гиперболической нагрузочной х-кой и с пост. моментом. 3 ил. а выход подключен к первому входупервого. элемента 6 сравнения, второйвход которого соединен с задатчиком7 реактивной мощности, а выход - с 5 регулятором 8 реактивной мощности,выход которого подключен к первомувходу блока 9 преобразования координат, канал регулирования частотывращения, включающий в себя датчик 10 10 частоты вращения выход которогосоединен с первым входом второго элемента 11 сравнения, второй вход которого соединен с выходом первого блока 12 коммутации, а выход подключенк регулятору,13 частоты вращения,первый задатчик 14 частоты вращения,выход которого соединен с первым входом первого блока коммутации, второйвход которого соединен с выходом вто О рого задатчика 15 частоты вращения,а третий (управляемый( вход - с первым выходом двухпорогового компаратора 16, формирователь 17 гармоничес кой функции частоты скольжения, первый вход которого соединен с датчиком 18 частоты напряжения сети 19,второй вход - с датчиком 20 угловогоположения ротора, а выход - с вторымвходом блока преобразования коордиЗ 0 нат, выход которого подключен к первому входу третьего элемента 21 сравнения, второй вход которого соединенс датчиком 22 тока эотора, а выходчерез регулятор 23 тока ротора - с 35 входом преобразователя частоты. Устройство также содержит четвер."ый эле 3 1304 мент 24 сравнения, первый вход которого соединен с датчиком 25 скорости ветра, второй вход - с задатчиком 26 скорости ветра, а выход - с первым входом второго блока 27 коммутации, второй (управляемый) вход которого соединен с первым выходом двухпорогового компаратора, а выход подключен к первому входу формирователя 28 зависимости частоты вращения от ско рости ветра, второй вход которого соединен с датчиком частоты вращения, а выход - с первым входом сумматора 29,. второй вход которого соединен с выходом регулятора частоты вращения, 15О а выход подключен к первому входу третьего блока 30 коммутации, второй (управляемый) вход которого соединен с вторым выходом двухпорогового компаратора, а выход подключен к третье р му входу блока преобразования координат. Вход двухпорогового компаратора соединен с датчиком скорости ветра. Устройство работает следующим образом.Сигналы с датчиков тока 4 и напряжения 5, несущие информацию ь токах и напряжениях первичной цепи асинхронизированного синхронного генератора 1 и имеющие частоты, равные частоте сети, поступают на вход датчика 3 реактивной мощности, с которого снимается сигнал Я, пропорциональный реактивной мощности. При изменении задающего значения реактивной мощ 35 ности (, (сигнала задатчика 7) или сигналареактивной 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 17 гармонической функции частоты скольжения. Сигнал на выходе блока 9 преобразования координат является заданием для фазных токов ротора. На первый вход третьего элемента 21 сравнения поступает сигнал с выхода блока 9 преобразования координат, на второй вход - сиг 167 4нал фазных токов ротора от датчика 22 тока ротора. Результат сравнения этих сигналов поступает на регулятор 23 тока ротора, сигнал с выхода последнего - на вход преобразователя 2 частоты, выходы которого подводятся к контактным кольцам асинхронизированного синхронного генератора 1.Таким образом, рассогласование, появившееся на выходе первого элемента 6 сравнения в результате неравенства сигналов Я и Япривосд дит к изменению модуля и фазы напряжения, подводимого к кольцам ротора с выхода преобразователя 2 частоты и соответствующему изменению токов и напряжений первичной цепи асинхронизированного 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 Ч = 7, (фиг,2), при котором частота вращения ветродвигателя соответствует началу рабочего диапазона изменения частоты вращения сО асинхронизированного синхронного генератора 1, последний подключается к сети. В диапазоне скоростей ветра Ч - 71 сигналы на выходах двухпорогового компаратора 16 равны нулю, при этом выход второго задатчика 15 частоты вращения, сигнал которого пропорционален минимальной частоте вращенияс,д = Омц у подключен к Вт 01;Ому Вхо ду второго элемента 11 сравнения через первый блок 12 коммутации, выход четвертого элемента 24 сравнения отключен от первого входа формирователя 28 зависимости частоты вращения от скорости ветра (первый вход формирователя 28 заземлен), а выход сумматора 29,подключен к третьему входу блока 9 преобразования координат через третий блок 30 коммутации. Двух- пороговый компаратор 16 осуществляет управление блоками 12, 27 и 30 коммутации, представляющими собой управляемые электронные ключи, в зависимости от величины сигнал, поступающего на его вход от датчика 25 скорости ветра, и может быть реализован5 13041 на базе известных функциональных элементов, например, двух компара торов. При изменении частоты вращения и 3(во время динамических процессов при изменении скорости ветра) на выходе второго элемента 11 сравнения появляется сигнал рассогласования, который поступает на вход регулятора 13 частоты вращения, представляющего собой пропорционально-интегральный 1 О регулятор. Сигнал с выхода последнего поступает на второй вход сумматора 29, на первый вход которого поступает нулевой сигнал с выхода формирователя 28 зависимости частоты вращения от скорости ветра. Дальнейшая работа аналогична описанной вышее, т,е. изменение сигнала регулятора 13 частоты вращения и суммарного сигнала канала регулирования частоты вращения, поступающего на третий вход блока 9 преобразования координат с выхода сумматора 29, продолжается до момента установления заданного значения частоты вращения ц= о 3 асинхрони-, 25 зированного синхронного генератора 1.По достижении скорости ветра Ч = Ч на первом выходе двухпорогового компаратора 16 формируется сигнал управления, поступающий на третий (управ О ляемый) вход первого блока 12 коммутации и на второй (управляемый) вход второго блока 27 коммутации. При этом происходит переключение второго входа второго элемента 11 сравнения с выхода второго задатчика 15 частоты вращения к выходу первого задатчика 14 частоты вращения, сигнал которого пропорционален синхронной частоте вращения о 3 , = сд, асинхронизиро- щ ванного синхронного генератора 1, и подключение выхода четвертого элемента 24 сравнения к первому входу формирователя 28 зависимости частоты вращения от скорости ветра, формирователь 28, представляющий собой блок перемножения, первый вход которого соединен с выходом четвертого элемента 24 сравнения через потенциометр, реализует преобразование сигна ла частоты вращения, поступающего на его второй вход по заданному закону в зависимости от скорости ветра, При изменении скорости ветра в диапазоне от Ч = Ч до Ч = Ч , вращающий момент на валу асинхронизированного синхронного генератора 1 меняется, что приводит к изменению его частоты вращения. На выходах элементов срав 67 6нения 24 и 11 появляются сигналы рассогласования, поступающие соответственно на первый вход формирователя 28 зависимости частоты вращения от скорости ветра и вход регулятора 13 частоты вращения. С выхода формирователя 28 на первый вход сумматора 29поступает сигнал К (Ч - Ч э ) ), пропорциональный текущему значению частоты вращения и отклонению скорости ветра от зацанной Ч а , Величина коэффициента К является постоянной в заданном режиме работы и определяется положением движка потенциометра Формирователя 28, В сумматоре 29 происходит сложение сигналов формирователя 28 и регулятора 13 частоты вращения, причем сигнал регулятора 13 имеет знак, противоположный знаку сигнала формирователя 28, после суммарный сигнал поступает на третий вход блока 9 преобразования координат, ас выхода последнего через третий элемент 21 сравнения и регулятор 23 тока ротора - на вход преобразователя 2 частоты и кольца ротора асинхронизированного синхронного генератора 1, Переходный процесс заканчивается установлением нового значения частоты вращения ротора асинхронизированного синхронного генератора 1, причем на. выходе второго элемента 11 сравнения сохраняется сигнал рассогласования, зависящий от установившихся значений частоты вращениями и скорости ветра Ч, Сигнал рассогласования на выходе четвертого элемента 24 сравнения ве зависит от работы устройства и определяется ветровым режимом. По достижении скорости ветра значения Ч = Ч на втором выходе двух- порогового компаратора 16 формирует- ся сигнал управления, поступающий на второй (управляемый) вход третьего блока 30 коммутации, При этом происходит отключение выхода сумматора 29 от третьего входа блока 9 преобразования координат (третий вход блока 9 преобразования координат заземляется), и суммарньй сигнал канала регулирования частоты вращения независимо от сигналов, поступающих на первый и второй входы сумматора 29, становится равным нулю. Отключение канала регулирования частоты вращения (что равносильно полной взаимной компенсации сигналов, поступающих на входы сумматора 29) обусловливаетпереход асинхронизированного синхронного генератора 1 на режим работыс постоянным моментом при изменениискорости ветра от Ч = Ч до скоростиЧ = Ч , соответствующей верхней границе рабочего диапазона изменениячастоты вращенияТаким образом, применение устройства позволяет получить три режимаработы асинхронизированного синхрон- .ного. генератора 1 в рабочем диапазоне скоростей ветра: с постоянной частотой вращения (нагрузочная характеристика М, - М на фиг,2); гиперболической нагрузочной характеристикойМ -М , близкой на соответствующемучастке к оптимальной (квадратичной)нагрузочной характеристике О-М -М --М ; постоянным моментом (нагрузочная характеристика М -М на фиг.2),причем на всех указанных режимах, заисключением точек М, и М , использование асинхронизированного синхронного генератора 1 повышается, Приэтом выработка электроэнергии в заданном диапазоне изменения частотывращения увеличивается на величину,пропорциональную заштрихованной площади, ограниченной замкнутой кривойА -А -А -А -А на фиг.З,1 2 3 4Формула изо бр етения Устройство для управления асинхронизированным синхронным генератором ветроэнергетической установки, содержащее преобразователь частоты, выход которого подключен к роторной цепи генератора, канал регулирования реактивной мощности, включающийв себя 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 задатчиком реактивной мощности, а выход - с регулятором реактивной мощности, выход которого подключен к первому входу блока преобразования координат, канал регулирования частоты вращения, включающий в себя первый задатчик частоты вращения, второй элемент сравнения, первый вход которого соединен с датчиком частоты вращения, а выход подключен к входу ре 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 гулятора частоты вращения, формирователь гармонической функции частотыскольжения, первый вход которого соединен с датчиком частоты напряжениясети, второй вход - с датчиком углового положения ротора, а выход - свторым входом блока преобразованиякоординат, выход которого подключенк первому входу третьего элементасравнения, второй вход которого соединен с датчиком тока ротора, а выход через регулятор тока ротора - свходом преобразователя частоты, четвертый элемент сравнения, первый входкоторого соединен с датчиком скоростиветра, а второй вход - с задатчикомскорости ветра, формирователь зависимости частоты вращения от скоростиветра с выходным сигналом К (Ч-Ч)о 3,где К - коэффициент пропорцинальности, определяемый структурой ветровогопотока; ы - частота вращения асинхронизированного синхронного генератора; Ч, Ч- соответственно текущее и заданное значения скорости ветра, второй вход которого соединен сдатчиком частоты вращения, а выходподключен к первому входу сумматора,второй вход которого соединен с выходом регулятора частоты вращения,о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, сцелью повышения использования асинхронизированного синхронного генератора и увеличения выработки электроэнергии, дополнительно введены двухпороговый компаратор, второй задатчик частоты вращения и три управляемых блока коммутации, причем первыйблок коммутации включен между выходами первого и второго задатчиков частоты вращения и вторым входом второгоэлемента сравнения, а его управляемыйвход соединен с первым выходом двухпорогового компаратора, второй блоккоммутации включен между выходом четвертого элемента сравнения и первымвходом формирователя зависимости частоты вращения от скорости ветра, аего управляемый вход соединен с первым выходом двухпорсгового компаратора, третий блок коммутации включенмежду выходом сумматора и третьимвходом блока пресоразования координат, а его управляемый вход соединенс вторым выходом двухпорогового компаратора, вход которого подключен к,выходу датчика скорости ветра.1304167 фЬеУ ль С,СмирПопович Состави Техред И вКорректор Л.Пата Редактор М.Тов Заказ 1322/ 5 Производственно-полиграфическое предприятие, г.уж ул.Проектная Тираж 661 ВНИИПИ Государственно по делам изобретен 113035, Москва, Ж, Подписно о комитета СС ий и открытий Раушская наб.