Вітроелектрична установка

Корисна модель відноситься до вітроелектроенергетики і може бути використана переважно при створенні міні- і мікро- вітроелектричних установок, що традиційно працюють спільно з буферними накопичувачами електричної енергії, для розширення їх функціонального призначення завдяки можливості роботи в об'єднаній енергосистемі. Відома вітроелектрична установка, що містить вітродвигун, генератор змінного струму, датчик частоти обертання валу вітродвигуна, датчик активної потужності навантаження, суматор, один з входів якого сполучений з виходом датчика активної потужності навантаження, при цьому вона має зубчату диференціальну передачу, одна з ланок якої механічно сполучена з валом вітродвигуна, друга ланка - з валом генератора змінного струму, а третя ланка - з регулюючою машиною постійного струму, якір якої електрично пов'язаний з якорем другої машини постійного струму, механічно сполученим з валом генератора змінного струму, при цьому друга машина постійного струму має додаткову обмотку збудження, приєднану до підсилювального пристрою, вхід якого підключений до виходу регулятора, один з входів якого підключений до виходу формувача швидкості, а інший до виходу суматора, при цьому вхід формувача швидкості сполучений з виходом датчика частоти обертання валу вітродвигуна, а до другого входу суматора підключений задатчик активної потужності [патент РФ №2210854, Н02Р9/06, Н02Р9/42, F03D9/02, 2002]. Недоліком вітроелектричної установки є наявність зубчатої диференціальної передачі, що вимагає регулярного технічного обслуговування і заміни мастила, а також додаткової регулюючої другої машини постійного струму, що істо тно збільшує вартість виготовлення та експлуатації установки і вироблюваної нею електричної енергії. Найбільш близькою по технічній суті і технічному результату, що досягається, є вітроелектрична установка (прототип), вітродвигун якої містить, вал, який механічно пов'язаний з валом генератора змінного струму, керований випрямляч, вхід якого сполучений з обмоткою статора генератора змінного струму, датчик частоти обертання валу вітродвигуна, до ви ходу якого підключений вхід функціонального перетворювача, що реалізовує кубічну залежність, суматор, входи якого сполучені відповідно з виходом функціонального перетворювача і з виходом датчика активної потужності навантаження, а вихід суматора через інтегратор підключений до входу керованого випрямляча, датчик швидкості вітру і диференціатор, причому вихід датчика швидкості вітру підключений через диференціатор до додаткового входу суматора [а.с. СРСР №1300625, Н02Р9/00, 1987]. Недоліком вітроелектричної установки є наявність жорсткого механічного зв'язку валу вітродвигуна з валом електричного генератора, що визначає необхідність застосування функціонального перетворювача, який реалізовує кубічну залежність, для підтримки незмінними вихідної напруги і частоти генерованого струму, внаслідок чого у вихідному струмі і напрузі керованого випрямляча міститься велика кількість вищих гармонік, що знижує якість електричної енергії, яка передається в електричну мережу. В основу корисної моделі поставлено завдання удосконалення вітроелектричної установки, у якій застосування встановленої між валом вітродвигуна і валом генератора керованої безступінчатої трансмісії забезпечує підтримку незмінної частоту обертання валу генератора в широкому діапазоні змін швидкості вітру внаслідок керованої варіації передавального відношення безступінчатої трансмісії, що істотно розширює робочий діапазон швидкості вітру перш за все в область малих швидкостей, забезпечує стабілізацію напруги і частоти електричного струму, що виробляється вітроелектричною установкою і, отже, підвищує якість передаваємої в електричну мережу електроенергії і енергоекономічні характеристики установки. Поставлене завдання досягається тим, що вітроелектрична установка, що містить вітродвигун, вал якого механічно пов'язаний з валом генератора змінного струму, датчик частоти обертання валу генератора, суматор, функціональний перетворювач, джерело опорної частоти, а вал вітродвигуна механічно сполучений з валом генератора за допомогою керованої безступінчатої трансмісії FRS, елементи управління якою за допомогою сервопривода сполучені з виходом функціонального перетворювача, вхід якого сполучений з виходом суматора, один з входів якого сполучений з датчиком частоти обертання валу генератора, а другий вхід суматора сполучений з виходом генератора опорної частоти. Широкому розповсюдженню міні- і мікропотужних вітроенергетичних установок перешкоджає низька якість вироблюваної енергії із-за нестабільності потужності вітрового потоку. Використання для механічного зв'язку валу вітродвигуна і валу генератора керованої безступінчатої трансмісії забезпечує стабілізацію частоти генерованого вітроелектричною установкою змінного струму при спонтанних змінах швидкості вітру. Використання в якості керованої безступінчатої трансмісія FRS-варіатора [патент України №55714 А, кл. F16H15/00, 2003] з коефіцієнтом зміни передавального відношення 9-16 забезпечує стабілізацію частоти генерованого вітроелектричною установкою змінного струму при зміні швидкості вітру в діапазоні 1-16м/с. Будова вітроелектричної установки представлена на Фіг.1. Вітроелектрична установка містить вітродвигун 1, вал якого сполучений з генератором 2 за допомогою керованого FRS - варіатора 3, управління яким здійснюється сервоприводом 4, сполученим з виходом функціонального перетворювача 5, вхід якого сполучений з виходом суматора 6, один з входів якого сполучений з виходом генератора опорної частоти 7, а другий вхід суматора сполучений з датчиком 8 частоти обертання генератора. Працює вітроелектрична установка таким чином. При мінімальній швидкості вітру 0,5-1м/с FRS-варіатор знаходиться в положенні максимального передавального відношення (крайнє ліве положення на Фіг.1). При обертанні вітродвигуна 1 обертається також привідний конус варіатора 3 і ротор генератора 2, що призводить до генерації електричного струму певної частоти. Внаслідок наявного великого передавального відношення варіатора 3 навіть при мінімальній швидкості вітру 0 ,5-1м/с ротор генератора 2 обертається зі швидкістю, відповідною заданій генератором опорної частоти 7 частоті 50Гц генерованого генератором 2 струму. При збільшенні швидкості вітру частота змінного струму зростає, сигнал датчика 8 також зростає і на виході суматора 6 утворюється електричний сигнал, пропорційний різниці частот опорного генератора частоти 7 і частоти змінного струму генератора 2. Посилений функціональним перетворювачем 5 сигнал різниці частот поступає на управління сервоприводом 4, який змінює передавальне відношення варіатора 3 так, щоб швидкість обертання генератора 2 і частота генерованого струму відповідала частоті генератора опорної частоти 7. При зміні швидкості вітру система управління варіатором 3 автоматично підтримує частоту обертання генератора 2 і частоту генерованого ним змінного струму відповідно до частоти генератора 7. FRS-варіатор забезпечує зміну передавального відношення у 9-16 разів, що дозволяє підтримувати незмінною частоту змінного струму генератора 2 в дуже широкому діапазоні швидкостей вітру - від 0,5-1м/с до 816м/с без використання електронних пристроїв підтримки частоти. Елементи варіатора, що обертаються, 3 мають досить значний власний момент інерції, що забезпечує додаткову механічну стабілізацію частоти генерованого генератором 2 струму при спонтанних поривах вітру. Таким чином, пропонована вітроелектрична установка завдяки наявності встановленої між валом вітродвигуна і валом генератора керованої безступінчатої трансмісії забезпечує підтримку незмінної частоти обертання валу генератора в широкому діапазоні змін швидкості вітру внаслідок керованої варіації передавального відношення безступінчатої трансмісії, що істотно розширює робочий діапазон швидкості вітру перш за все в область мінімальних значень, забезпечує стабілізацію напруги і частоти генерованого вітроелектричною установкою електричного струму, підвищує якість передаваної в електричну мережу електроенергії, розширює функціональне призначення завдяки можливості роботи в об’єднаній енергосистемі і, отже, енергоекономічні та експлуатаційні характеристики вітроелектричної установки.