Устройство для управления асинхронизированным синхронным генератором ветроэнергетической установки

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для управления электрическими машинами переменного тока, первичная обмотка которых подключена к сети переменного тока, а вторичная получает питание от регулируемого преобразователя частоты, в частности в ветроэнергетике для управления асинхронизированными синхронными генераторами ветроэнергетических установок, работающих на мощную сеть.Целью изобретения является увеличение выработки электроэнергии и уп рощение устройства.На фиг.1 изображена блок-схема устройства для управления асинхронизированным синхронным генератором ветроэнергетической установки; на 20 фиг.2 - семейство механических характеристик ветродвигателя при различных скоростях ветра Ч Ч, ,Ч н наг- . рузочные характеристики генератора при различных законах управления; на фнг.3 - зависимости среднегодовой выработки электроэнергии при различных законах управления асинхронизированным синхронным генератором.Устройство для управления асинхро низированным синхронным генератором 1 ветроэнергетической установки (фиг.1) содержит преобразователь 2 частоты, выход которого подключен к роторной цепи указанного генератора 1, канал регулирования реактивной мощяости, содержащий датчик 3 реактивной мощности, входы которого соединены с датчиками тока 4 и напряжения 5 статорной цепи асинхронизиро ванного синхронного генератора 1, а выход подключен к первому входу первого элемента 6 сравнения, второй вход которого соединен с задатчиком 7 реактивной мощности, а выход - с 45 регулятором 8 реактивной мощности, выход которого подключен к первому входу блока 9 преобразования координат, Устройство содержит также канал регулирования частоты вращения, содержащий датчик 10 частоты вращения, выход которого соединен с первым входом второго элемента 11 сравнения, выход которого подключен к входу регулятора 12 частоты вращения, задатчик 13 частоты вращения, выход которого соединен с вторым входом второго элемента 11 сравнения через первый блок 14 коммутации, формирователь 15 гармонических функций частоты сколь,жения, первый вход которого соединен с датчиком 16 частоты напряжения сети 17, второй вход - с датчиком 18 углового положения ротора, а выход - с вторым входом блока 9 преобразования координат, выход которого подключен к первому входу третьего элемента 19 сравнения, второй вход которого соединен с датчиком 20 тока ротора, а выход через регулятор 21 тока ротора - с входом преобразователя 2 частоты. Кроме того, устройство содержит двухпороговый компаратор 22, вход которого соединен с выходом датчика 23 скорости ветра, первый выход - с управляемыми входами первого блока 14 и второго блока 24 коммутации, а второй выход - с управляемым входом третьего блока 25 коммутации, и масштабный усилитель 26, вход которого соединен с выходом датчика 23 скорости ветра, а выход через второй блок 24 коммутации подключен к первому входу сумматора 27, второй вход которого соединен с выходом регулятора 12 частоты вращения, а выход через третий блок 25 коммутации подключен к третьему входу блока 9 преобразования координат.Устройство работает следующим образом.Сигналы с датчиков тока 4 и напряжения 5, несущие информацию о токах и напряжениях первичной цепи асийхронизированного синхронного генератора 1 и имеющие частоты, равные частоте сети, поступают на вход датчика 3 реактивной мощности, с которого снимается сигнал О, пропорциональный г реактивной мощности. При изменении задающего значения реактивной мощности 9 д (сигнала задатчика 7) или сигнала 0 реактивной 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 15 гармоническихфункций частоты скольжения. Сигнал на выходе блока 9 преобразования координат является заданием для фаэных токов ротора. На первый вход третьего 5 элемента 19 сравнения поступает сигнал с выхода блока 9 преобразования координат, на второй вход - сигнал фазных токов ротора от датчика 20 тока ротора, Результат сравнения этих сигналов поступает на регулятор 21 тока ротора, сигнал с выхода последнего - на вход преобразователя 2 частоты, выходы которого подводятся к контактным кольцам ротора асинхронизированного синхронного генератора 1,Таким образом, рассогласование, появившееся на выходе первого элемента 6 сравнения в результате неравенства сигналов О и 0 задприводит к 20 изменению модуля и фазы напряжения, подводимого к кольцам ротора с выхода преобразователя 2 частоты, и соответствующему изменению токов и напряжений первичной цепи асинхронизирован ного синхронного генератора 1. В результате происходит демпфирование колебаний реактивной мощности (во время динамических процессов) или установ/ ление нового значения выдаваемой30 (потребляемой) реактивной мощности, а на выходе первого элемента 6 сравнения восстанавливается нулевой сигнал.При достижении скорости ветра значения Ч=Ч (Фиг,2), при котором час 35 тота вращения ветродвигателя соответствует началу рабочего диапазона изменения частоты вращения шасинхронизированного синхронного генерато ра 1, последний подключается к сети.В диапазоне скоростей ветра от Ч, до Ч 1 сигналы на выходах двухпорогового компаратора 22, осуществляющего управление блоками 14, 24 и 25 коммутации, равны нулю. При этом выход задатчика 13 частоты вращения, сигнал которого пропорционален минимальной частоте вращения ш = ш , подключен к второму входу второго элемента 11 сравнения через первый блок50 14 коммутации, выход масштабного усилителя 26 отключен от первого входа сумматора 27 (первый вход сумматора 27 заземлен), выход которого подклю" чен к третьему входу блока 9 преобразования координат через третий блок 25 коммутации. Блоки 14, 24 и 25 коммутации представляют собой управляемые электронные кличи, замыкание (размыкание) которых происходит в зависимости от наличия сигналов, поступающих на их управляемые входы с выходов двухпорогового компаратора 22. При изменении частоты вращения (во время динамических процессов при изменении скорости ветра) на выходе второго элемента 11 сравнения появляется сигнал рассогласования, который поступает на вход регулятора 12 частоты вращения, представляющего собой пропорционально-интегральный регулятор. Сигнал с выхода последнего поступает на второй вход сумматора 27, а затем через третий блок 25 коммутации на третий вход блока 9 преобразования координат. Дальнейшая работа аналогична описанной, т.е . изменение сигнала регулятора 12 частоты вращения и суммарного сигнала канала регулирования частоты вращения с выхода сумматора 27 будет продолжаться до момента установления заданного значения частоты вращения и =ш асинхЗаь мИН рониэированного синхронного генератора 1.По достижении скорости ветра Ч=Ч ца первом выходе двухпорогового компаратора 22 формируется сигнал управления, поступающий ца управляемые входы первого блока 14 и второго блока 24 коммутации, При этом происходит отключение выхода задатчика 13 частоты вращения от второго входа второго элемента 11 сравнения (второй вход второго элемента 11 сравнения заземляется) и подключение выхода масштабного усилителя 26 к первому входу сумматора 27. Масштабный усилитель 26 реализует умножение сигнала Ч, поступающего на его вход от датчика 23 скорости ветра, на заданный коэффициент К и может быть выполнен на базе известных функциональных элементов, например операционного усилителя с регулируемым коэффициентом усиления. При изменении скорости ветра в диапазоне от Ч=Чдо Ч=Ч вращающий момент на валу асинхрониэированного синхронного генератора 1 меняется, что приводит к изменению его частоты вращения. На первый вход сумматора 27 с выхода масштабного усилителя 26 поступает сигнал, пропорциональный КЧ, где К - отношение нормального значения числа модулей ветродвигателя к его радиусу, Ч - те99885 6 вращения ротора асинхронизированного синхронного генератора 1, пропорционального величине КЧ.По достижении скорости ветра значения Ч=Ч на втором выходе двухпорогового компаратора 23 формируется сигнал управления, поступающий на управляемый вход третьего блока 25 коммутации, При этом происходит отключение выхода сумматора 27 от третьего входа блока 9 пресбразования координат (третий вход блока 9 преобразования координат эаземляется), и суммарный сигнал канала регулирования частоты вращения независимо от сигналов, поступающих на первый и второй входы сумматора 27, становится равным нулю. Отключение канала регулирования частоты вращения (что равносильно полной взаимной компенсации сигналов, поступающих на входы сумматора 27) обусловливает переход асинхронизированного синхронного генератора 1 на режим работы с постоянным моментом при изменении скорости ветра от Ч=Чэ до скорости Ч=Ч, соответствующей верхней границе рабочего диапазона изменения частоты вращения ы= ы (фиг.2).Таким образом, применение предлагаемого устройства позволяет получить три режима работы асинхронизированного синхронного генератора 1 в рабочем диапазоне изменения скоростей ветра: с постоянной частотой вращения = Ыд (нагрузочная характеристика М, - М на фиг.2), с квадратичной на груз очной характеристик ой М- М; -5 13 кущее значение скорости ветра. На второй вход сумматора 27 с выхода регулятора 12 частоты вращения поступает сигнал, пропорциональный текущему значению частоты вращения М асинхронизированного синхронного генератора 1.В сумматоре 27 происходит сложение указанных сигналов, причем сигнал регулятора 12 имеет знак, противоположный знаку сигнала масштабного усилителя 26, после чего суммарный сигнал поступает на третий вход блока 9 преобразования координат, а с выхода последнего через третий элемент 19 сравнения и регулятор 21 тока ротора - на вход преобразователя 2 частоты и к кольцам ротора асинхронизированного синхронного генератора 1.Переходный процесс заканчивается установлением нового значения частоты М и с постоянным моментом (нагруэочная характеристика М- М на фиг.2). Работа асинхронизированного синхронного генератора 1 с постоянной 5частотой вращениямц в диапазоне скоростей ветра от Ч до Ч обеспечивает наиболее быстрый выход ветроэнергетической установки на режим работы с нормальным числом модулей 22 н (точка М на фиг.2). Число модулей 2 характеризует аэродинамические свойства ветродвигателя и определяется соотношением 2=ЯК/Ч, где К - ра диус ветродвигателя. В частности,при работе с постоянным числом модулей, равньв нормальному 2=2 я, значение коэффициента использования энергии ветра максимально при любой ско рости ветра. Режим работы с квадратичной нагрузочной характеристикой М- М, - Мхарактеризуется максимальным коэффициентом использования энергии ветра, что обеспечивается со 25 ответствующим выбором значений скоростей ветра Чи Ч з при настройкедвухпорогового компаратора 22, а также коэффициента К = 2 д/К при настрой 1ке масштабного усилителя 26. Данный 30 режим является оптимальным и соответствует максимально возможной выдаче электроэнергии. Режим работы с нагрузочной характеристикой М . М характеризуется хорошим использованием асинхронизированного синхронного генератора 1 по моменту, а также позволяет применять асинхронизированныесинхронные генераторы меньших установленных мощностей. Последнее обус 40 ловлено тем, что приращение выработки электроэнергии с ростом установленной мощности асинхронизированногосинхронного генератора в значительной степени определяется структурой 45 ветрового потока (законом среднегодового распределения скоростей ветра).и, начиная с некоторогб значения,дальнейшее увеличение установленной мощности становится нецелесообразным. В качестве иллюстрации на фиг. 3 показано приращение выработки электроэнергии (пропорциональное площади с двойной штриховкой, ограниченной замкнутой кривой А-А-Ч-Ч -А-Аз) при работе асинхронизиронанного синхронного генератора с нагрузочной характеристикой М -М;-М -М(фиг.2). Такое управление нерационально, поскольку в этом случае требуется приме 1399885 8О ность. нение асинхронизированного синхронного генератора с почти вдвое больше установленной мощностью.При использовании предлагаемого устройства обеспечивается выработка электроэнергии, пропорциональная площади, ограниченной замкнутой кривой А-А -А,-А -А -Ч -А, на фиг.З, причем для любой скорости ветра Ч, в диапазоне от Ч до Чз выработка электроэнергии выше, чем у известного устройства. Поскольку точка М; принадлежит кривой О - М - М з - М, соответствующей максимальному значению коэффициента использования энергии ветра, то переход при той же скорости ветра Ч на любой другой режим работы и, в частности, в точку М1 на фиг.2 (что будет иметь место при использовании известного устройства), приведет к снижению выработки электроэнергии (точка В; на фиг.З). Кроме того, закон управления, реализуемый предлагаемым устройством, позволяет упростить последнее за счет исключения задатчика скорости ветра, одного из задатчиков частоты вращения и четвертого элемента сравнения, уменьшения числа соединений элементов, а также замены формирователя зависимости частоты вращения от скорости ветра более простым по исполнению и функциональному назначению масштабным усилителем и тем самым повысить надежВ качестве датчика 10 частоты вращения может быть использован тахогенератор постоянного тока или функциональный преобразователь сигнала датчика 18 углового положения ротора в сигнал постоянного тока, пропорциональный частоте вращения. Для получения информации о скорости ветра может быть использован любой из известных датчиков, например анемометр. Подключение асинхронизированного синхронного генератора 1 к сети 17 (при достижении скорости ветра значения, при котором частота вращения соответствует началу рабочего диапазона), а,также отключение его от сети при увеличении скорости ветра выше расчетной (во избежание перегрузки) может быть реализовано обычными способами с применением выключателей, автоматов защиты или каких-либо других устройств. 5 20 25 30 35 40 45 50 55 Таким образом, изобретение обеспечивает увеличение выработки электроэнергии на 5-107 (площадь, пропорциональная замкнутой кривой А-А" Аз-В;-А, с тройной штриховкой), а также уменьшение числа элементов и упрощение схемы их соединений,Формула изобретения Устройство для управления асинхронизированным синхронным генератором ветроэнергетической установки, содержащее преобразователь частоты, выход которого подключен к роторной цепи указанного генератора, канал регулирования реактивной мощности, содержащий 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, содержащий датчик частоты вращения, выход которого соединен с первым входом второго элемента сравнения, выход которого подключен к входу регулятора частоты вращения, задатчик частоты вращения, выход которого соединен с вторым входом второго элемента сравнения через первый блок коммутации, формирователь гармонических функций частоты скольжения, первый вход которого соединен с датчиком частоты напряжения сети, второй вход - с датчиком углового положения ротора, а выход - с вто;ъщ входом блока преобразования координат, выход которого подключен к первому входу третьего элемента сравнения, второй вход которого соединен с датчиком тока ротора, а выход через регулятор тока ротора - с входом преобразователя частоты, двухпороговый компаратор, вход которого соединен с выходом датчика скорости ветра, первый выход - с управляемыми входами первого и второго блоков коммутации, а второй выход - с управляемым входом третьего блока коммутации, и сумматор, один вход которого соединен с выходом регулятора частоты вращения, а выход9 139988 через третий блок коммутации подключен к третьему входу блока преобразования координат, о т л и ч а ю щ ее с я тем, что, с. целью увеличения5 выработки электроэнергии и упрощения устройства, меаду датчиком скорости ветра и вторым блоком коммутации 5 1 Овключен масштабный усилитель с выходным сигналом К Ч, где К - отношениенормального числа модулей ветродвигателя к его радиусу, Ч - скоростьветра, а другой вход сумматора подключен к выходу второго блока коммутации,1399885 Чэ г Ч Редактор Е.Копча орректор В,гирняк каз 2677/5 583 Подписи зводственно-полиграфическое предприятие, г. Уагород, ул кт оставитель А.Баехред М.Дидык ВНИИПИ Государственно по делам изобретений13035, Москва, Ж, Ра комитета СССРоткрытийкая наб., д.