Спосіб керування вітроагрегатом у локальній електричній мережі

Спосіб керування вітроагрегатом у локальній електричній мережі, що працює паралельно з генеруючими установками інших типів, наприклад дизель- і газотурбінними генераторами, меншої чи 3 81406 зниженню її якості та швидкому зношенню матеріальної частини вітроагрегатів. В технічній літературі для вітроагрегатів, що працюють у локальних мережах, містяться рекомендації загального характеру про необхідність регулювання вітродвигунів при підвищенні частоти локальної мережі на 5-10 % щодо її номінального значення [див., наприклад, Фатеев Е.М. Ветродвигатели и их применение в сельском хозяйстве. - М.: Ма шгиз, 1957. - 250 с]. Задача керування вітроагрегатом, що працює в локальній мережі паралельно з іншими установками, полягає в забезпеченні необхідної якості генерованої електроенергії в умовах зміни в широких межах навантаження мережі та швидкості вітру при максимальній економії мінерального палива. Даний спосіб керування вирішує цю задачу за допомогою: - контуру обмеження максимальної потужності на вітродвигуні; - контуру керування положенням лопатей вітродвигуна за середньою частотою локальної мережі; - уведення в контур керування за середньою частотою локальної мережі зони нечутливості; - вибору значення коефіцієнта підсилення контуру керування, що забезпечує повне скидання потужності при досягненні середньою частотою мережі верхнього допустимого значення. Відмітними ознаками пропонованого способу керування є: 1) контур керування положенням лопатей вітродвигуна за середньою частотою локальної мережі; 2) наявність у контурі керування за середньою частотою мережі зони нечутливості, обмеженої визначеним пороговим значенням, яке приймається вище номінальної частоти мережі і нижче максимально допустимої в даній локальній мережі середньої частоти струм у; 3) вибір значення коефіцієнта підсилення в контурі керування за середньою частотою, рівного відношенню кута відхилення лопатей, при якому забезпечується повне скидання потужності вітродвигуна на максимальному вітрі, до різниці значень верхньої допустимої частоти і прийнятого порового значення частоти мережі. Керування за середньою частотою струму мережі (ознака 1) забезпечує динамічну розв'язку і стійку взаємодію регулятора вітроагрегату зі швидкодіючими регуляторами інших генеруючих установок, відсутність різкої реакції вітроагрегату на можливі стрибки частоти в локальній мережі при поривах вітру і комутації навантаження, плавність регулювання і на цій основі підвищення якості генерованої в локальній мережі електроенергії. Введення в тракт керування зони нечутливості, обмеженої порогом, який вище номінального значення частоти мережі (ознака 2), забезпечує оптимальний встановлювальний кут лопатей і, як наслідок, повне використання потужності вітроагрегату і максимальну економію мінерального палива в ситуаціях, коли в локальній 4 мережі є потреба в додатковій енергії, тобто коли частота мережі нижче прийнятого порога. Вибір коефіцієнта підсилення тракту керування у відповідності до ознаки 3 забезпечує за будь-яких вітрових обставинах повне скидання потужності вітроагрегатів, якщо середня частота мережі зростає до верхньої допустимої межі. Цим забезпечується захист локальної мережі від надлишку потужності і небезпечного збільшення частоти струм у. Коефіцієнт підсилення тракту керування, визначений у відповідності до ознаки 3, має велике числове значення, оскільки кут відхилення лопатей для повного скидання потужності на великому вітрі достатньо великий (до 45 град), а допустимий діапазон зміни середньої частоти локальної мережі порівняно невеликий (49-52Гц). Забезпечення стійкості систем керування з такими коефіцієнтами можливо тільки при керуванні за середньою частотою мережі (ознака 1) з достатньо великим часом усереднення (необхідна стала часу фільтра низької частоти або інакше стала часу усереднення має порядок 10 –20 с). Слід відзначити, що наведена взаємозалежна сукупність відмітних ознак пропонованого способу керування не є очевидною для фахівців. Суть пропонованого способу керування зручно представити за допомогою опису роботи системи керування вітродвигуном за її функціональною схемою (Фіг.1) та схемою нелінійної ланки (Фіг.2). Система керування містить: - блок алгоритмів контур у обмеження потужності 1; - вимірник частоти струму локальної мережі 2 - фільтр низької частоти 3; - нелінійну ланку 4; - регулятор положення лопатей вітродвигуна 5; - вітродвигун 6. Верхня частина функціональної схеми (позиції 1 і 5)- контур обмеження потужності, захищений патентом найближчого аналога. Нижній контур схеми (позиції 2-5) пристрій, що реалізує пропонований спосіб керування. На вхід вимірника частоти мережі 2 подається напруга мережі (для вітроагрегатів, які оснащені синхронними генераторами, може використовува тися сигнал датчика обертання вітродвигуна). Вимірник частоти 2 видає сигнал, пропорційний частоті мережі, який потім усереднюється на фільтрі низьких частот 3. Профільтрований (усереднений) сигнал надходить на вхід нелінійної підсилювальної ланки 4, де й формується керуючий сигнал на регулятор положення лопатей вітродвигуна 5. Регулятор положення лопатей повертає лопаті вітродвигуна 6 і скидає зайву потужність вітродвигуна, стабілізуючи середню частоту мережі. На Фіг.2 у розгорнутому вигляді показана нелінійна ланка, на вхід якої надходить сигнал усередненої частоти мережі fсеред. Зона нечутливості ланки, обмежена справа заданим пороговим значенням середньої частоти - fпор, забезпечує вітроагрегатам максимальну для поточного значення швидкості вітру генерацію 5 81406 потужності, оскільки лопаті вітродвигуна перебувають в початковому оптимальному робочому положенні. В інтервалі зміни середньої частоти мережі від fпop до f max заворот лопатей здійснюється пропорційно різниці (fсеред -f пop) з коефіцієнтом пропорційності К. При збільшенні середньої частоти до величини fmax лопаті вітродвигуна відхиляються від робочого положення на кут dmax, достатній для повного скидання потужності на вітродвигуні за будь-якої, допустимої для даного вітроагрегату, швидкості вітру. У цій ситуації енергію генерують тільки дізельгенераторні (або газотурбогенераторні ) установки на мінімально допустимому для них рівні потужності, при цьому вітроагрегати залишаються у мережі в стані «гарячого» резерву на випадок збільшення навантаження у локальній мережі. При сильному вітрі (більше номінального) починає працювати контур обмеження потужності 1 (Фіг. 1). Його робота відбувається або у взаємодії з контуром стабілізації частоти (позиції 2-5), якщо середня частота мережі fсеред більше порогової частоти fпop , або самостійно, якщо середня частота мережі менше цього порога (тобто у періоди, коли в локальній мережі є значна потреба в додатковій потужності). Будь-яка енергетична ситуація в локальній мережі відбивається на середній частоті мережі: надлишок енергії веде до підвищення частоти, недостача - до її падіння. Пропонований спосіб автоматичного керування вітроагрегатами в межах можливостей поточного потенціалу вітру дозволяє додавати енергію агрегатів у мережу, коли в ній є потреба, і зменшувати виробництво енергії, коли потреби в ній мінімальні. На цій основі забезпечується стабілізація параметрів якості електроенергії та максимальна економія мінерального палива під час роботи вітроагрегатів у локальній мережі паралельно з генеруючими установками інших типів. Працездатність пропонованого способу і можливість його практичного застосування доказані теоретичними розрахунками різних режимів паралельної роботи вітроагрегатів і дизельгенераторів у локальних електричних мережах, а також тривалими практичними експериментами, проведеними на вітроагрегатах Чукотської вітроелектростанції (м. Анадир, Росія) протягом 2002 - 2003pp. На Чукотській ВЕС встановлені 10 вітроагрегатів типу АВЕ-250СМ номінальною потужністю 250кВт кожний (розробка ДКБ "Південне"). Вітроагрегати АВЕ-250СМ оснащені системою керування, в яку для експериментального відпрацювання були вмонтовані електронні блоки, що реалізують алгоритм керування лопатями вітродвигуна у відповідності до пропонованого способу. Перші декілька місяців експлуатації ВЕС вітроагрегати працювали в локальній мережі паралельно з дизельгенераторами сумарною потужністю 500 1500кВт (кількість ключених до роботи дизельгенераторів змінювалася в залежності від енергоспоживання). 6 Протягом декількох сотень годин різна кількість вітроагрегатів (від одного до десяти) стійко працювала при найрізноманітніших вітрах (від 5 до 35 м/с) з різною кількістю включених дизельгенераторів (у тому числі з повністю виключеними дизелями), забезпечуючи енергопостачання селища Шахтарське, селища Вугільні Копальні та приводних станцій аеропорту достатньо якісною електроенергією. При проведенні цих експериментів були зекономлені десятки тонн дорогого на Крайній Півночі дизельного палива.