Математическая модель ветровой электростанции с

Багманов Ильдар и Дорогая Марина
5 курс
Релейная защита и автоматизация электроэнергетических систем
ГАОУ СПО «Уфимский топливно-энергетический колледж»
Руководитель: Сухарева Галина Витальевна
Тема работы: Математическая модель ветровой
вертикальным расположением ветродвигателей
e-mail: [email protected]
электростанции
с
Введение
На сегодняшний день развитие мировой энергетики базируется на
использовании традиционных ископаемых видов топлива. В долгосрочной
перспективе развитие энергетики в этом направлении будет сдерживаться
экологическими, ресурсными и социальными ограничениями, однако, спрос на
энергопотребление, связанный с развитием экономики и приростом населения будет
постоянно расти. Для удовлетворения этого спроса необходимо использование всего
спектра традиционных и возобновляемых энергоресурсов [1,2]. Вышеуказанное
обуславливает в настоящее время широкомасштабное развитие альтернативной
энергетики как в промышленно развитых, так и в развивающихся странах.
Возобновляемая энергия существует в окружающей среде постоянно и не
требует специальных затрат на свое высвобождение. Так, например, суммарная
кинетическая энергия ветрового потока в приземном слое Земли, оценивается в 19,6
МВт, учитывая этот факт, важное значение приобретают научные разработки,
направленные на применение этого ресурса для выработки электроэнергии [3].
Дальнейшее развитие ветроэнергетики позволит решить проблемы
качественного и надежного энергоснабжения потребителей, а также снизит вредное
воздействие энергетики на окружающую среду.
Можно выделить следующие положения, определяющие ветроэнергетику как
перспективное экологически чистое направление:
– мировая ветроэнергетика развивается ускоренными темпами, опережая
существующие прогнозы, что обусловлено ее экологическими преимуществами;
– цена производства энергии на ВЭС сопоставима с ценой от традиционных
источников;
– в ряде государств (Германия, Дания, Испания, Индия) ветроэнергетика
превратилась в самостоятельную и значительную отрасль электроэнергетики.
Анализ современных проблем в области ветроэнергетики [2,4,5,6,7]
показывает наличие двух наиболее важных из них:
– оценка ветропотенциала;
– проблема подключения и совместной работы ветроэнергетических установок
(ВЭУ) и ветровых электростанций (ВЭС) в составе электроэнергетической системы
(ЭЭС).
Научные исследования в области динамики ВЭУ идут по пути создания новых
и усовершенствования известных моделей аэродинамических и электромагнитных
воздействий на систему, что позволяет достичь достаточно точного результата [8].
1
Для теоретического исследования моделей, в основном, применяются
численные методы. Данная работа представляет собой пример создания
математической модели ВЭУ с вертикальной осью вращения.
К достоинствам вертикально-осевых ВЭУ относятся:
– упрощение конструкции за счет возможности расположения генератора на земле;
– отсутствие необходимости разворачивать ветроприемное устройство - ротор при
изменении направления ветра.
Таким образом, проведение исследований в области разработки
математических моделей ВЭУ для оценки возможности их подключения и
совместной работы в составе ЭЭС является важным вопросом.
Актуальность темы
Актуальность темы определена исследованием и разработкой новой
конструкции ВЭУ с вертикальной осью вращения с целью увеличения мощности и
повышения рентабельности ветрогенераторных установок.
Цель и задачи исследования
Целью исследовательской работы является разработка математической
модели ВЭУ с вертикальной осью вращения и проведение теоретических
исследований для оценки возможности её работы, как в автономном режиме, так и в
составе электроэнергетической системы.
Для достижения указанной цели в исследовательской работе решаются
задачи:
– разработка модели ветрового потока;
– определение зависимости коэффициента использования ветра от быстроходности
и угла установки лопасти;
– разработка методики для расчёта вертикально - осевой ВЭУ с лопастями
расположенными в полом корпусе.
В процессе работы мы проводили теоретические исследования с
использованием методов математического моделирования, теории электрических
цепей, асинхронных электрических машин, теории аэродинамики, а также с
применением программного пакета MATLAB.
Повышение точности определения параметров режимов ветровых
электрических станций (ВЭС), работающих в составе электроэнергетических систем
(ЭЭС), зависит от адекватности отражения физических процессов элементов и
режимов ЭЭС, модели ветрового потока, который в значительной мере определят
режим работы (ВЭУ) [9].
В процессе работы по моделированию вертикально-осевых ветротурбин мы
выделили пять направлений в исследованиях:
– моделирование ветрового потока;
– моделирование ротора;
– моделирование генератора;
– моделирование процесса перехода механической энергии, вращения ротора в
электроэнергию;
– моделирование систем управления выходной мощностью.
Принципиальную сложность представляет моделирование аэродинамического
воздействия ветрового потока на ротор, определение влияния формы лопастей
2
ротора и других геометрических параметров на аэродинамические характеристики
конструкции. При вращении ротора лопасть изменяет свое расположение
относительно потока воздуха. С этим связано значительное усложнение в
исследовании аэродинамики вертикально - осевого ротора по сравнению с
горизонтально – осевым.
Метод
численного
построения
аэродинамических
характеристик
ветротурбины с вертикальной осью вращения на основании импульсной модели
ветроколеса, а также геометрических и аэродинамических соотношений выбранного
профиля лопасти позволил нам построить энергетические и моментные
характеристики и проектировать ветроколеса с различными типами профилей, для
которых имеются аэродинамические характеристики. Вариация таких параметров,
как относительные величины хорды профиля лопасти и высоты колеса в долях
радиуса, с помощью автоматизированного расчета, позволило нам выбрать
оптимальные варианты геометрических параметров ветротурбины с вертикальной
осью вращения на стадии ее проектирования.
Существенной трудностью для расчёта профиля с неизвестными
аэродинамическими характеристиками стало определение коэффициента мощности
Ср, который зависит:
- от сложных и нелинейных аэродинамических процессов, возникающих при
взаимодействии ветрового потока с рабочей поверхностью лопасти ветрового
колеса. Например, для определения зависимости коэффициента мощности от
скорости ветра Ср(V) использовали специальная программа WT_PERF [11], которая
постоянно модернизируется и дополняется новыми функциями.
- от быстроходности ветроколеса (ротора) Ср(л) для широко распространённых
типов роторов, как вертикальных, так и горизонтальных.
Численный метод расчета обтекания лопастей позволил нам получить модели
ВЭУ, основанные на рассмотрении:
1) трубки тока;
2) системы трубок тока;
3) сходящих вихрей;
4) комбинации трубки тока и сходящих вихрей.
Ввиду сложности аналитического вычисления Ср мы применяли
имитационное моделирование, т.е. имитационные модели ветровых установок.
Имитационное моделирование основывается на том, что математическая модель
воспроизводит процесс функционирования во времени, причем моделируются
элементарные события, протекающие в системе с сохранением логики их
взаимодействия и последовательности протекания во времени. Таким образом, есть
возможность получения по исходным данным сведений о состоянии модели в
определенные промежутки времени, что позволяет оценить характеристики модели.
Также для определения Ср использовали нейросеть типа многослойного
перцептрона с тремя слоями. Нейросеть воспроизводит трехмерную поверхность,
для которой по оси X отложена быстроходность, по оси Y - установочный угол, а по
оси Z - коэффициент Ср. И если эту поверхность разрезать плоскостью,
соответствующей некоторой фиксированной быстроходности, то получим кривую,
показывающую зависимость коэффициента мощности Ср от угла поворота лопасти.
3
Поиск конфигураций лопастей связан с параметрическими исследованиями
всего разнообразия геометрических и кинематических характеристик и ротора в
целом, и основан на многократном решении прямых задач аэродинамики. Метод
дискретных вихрей для оперативной оценки, быстрого и правильного анализа
разнообразных геометрических компоновок ветроагрегатов, позволил быстро
выполнить расчет и обеспечить достаточным количеством информации для анализа.
Вопрос моделирования генератора не имеет жёсткой привязанности
непосредственно к ветроэнергетике. Поэтому можно рассматривать различные
модели генераторов, так например, модель электрогенератора с постоянными
магнитами.
В области вопроса электромеханического взаимодействия между ротором и
генератором осуществляли с помощью аэродинамических, прочностных и
электромагнитных расчётов, которые сравнивались с опытными данными.
В исследовательской работе так же мы рассмотривали активное управление
выходными параметрами ВЭУ путём изменения угла атаки лопастей. Угловая
скорость вращения ротора ВЭУ зависит от скорости ветра, угла поворота лопастей
относительно набегающего потока и нагрузки на генераторе. Следовательно, при
изменении ветра и нагрузки, варьируя угол атаки, можно обеспечить постоянство
угловой скорости. Данную систему можно применять для ветровых установок, как с
горизонтальной, так и вертикальной осью.
Известные модели ветрового потока [10] позволяют имитировать наличие
случайно изменяющегося с различной амплитудой ветрового потока. Но известные
модели ветрового потока не позволяют создавать его колебания относительно
некоторой постоянной величины скорости ветра, не изменяя её, что может привести
к ошибке в определении параметров режимов ВЭС [9].
Выводы
Данная работа представляет собой исследование по созданию математической
модели ветровой электростанции с вертикальным расположением ветродвигателей,
которая может применяться для исследования режимов работы ВЭС, как в составе
единой электроэнергетической системы, так и в автономном режиме при различных
погодных условиях.
– наиболее подходящим методом для моделирования в данной работе является
имитационный метод, так как математическая модель воспроизводит процесс
функционирования во времени, что дает возможность получения по исходным
данным сведений о состоянии модели в определенные промежутки времени;
– значительной
трудностью при моделировании является определение
аэродинамических характеристик лопасти, а именно коэффициента мощности, и
воздействия ветрового потока на ротор;
– важной частью модели является система регулирования выходных параметров
ВЭУ;
– на точность определения параметров режимов ВЭС существенно оказывает
влияние модель ветрового потока.
Список источников
1. Быков Е. Н. Обоснование параметров ветроэнергетической установки со
спиральными лопастями на основе экспериментальных исследований: Дис. канд.
4
тех. наук / Санкт-Петербургский государственный политехнический университет Санкт-Петербург, 2007. – 141 с.
2. Деркачёв С. В. Актуальность и проблемы развития ветроэнергетики Украины.
3. Елистратов В. В. Использование ветроэнергетических установок
в
Северозападном регионе РФ Текст. / В. В. Елистратов. Энергонадзоринформ. – 2006. –№ 2.
– С. 28–30.
4. Белей В. Ф. Анализ режимов работы ветроустановки с АГ / В. Ф. Белей //
Российские технологии для индустрии: сб. докл. / ФТИ им. А.Ф. Иоффе. – СПб.:
Изд-во ФТИ им. А.Ф. Иоффе, 2001. С. 166–167.
5. Белей В. Ф. Ветроэнергетические установки: тенденции развития, проблемы
подключения и эксплуатации в составе электроэнергетических систем / В. Ф. Белей
// Малая энергетика. 2005. – № 1-2. – С. 6.
6. Белей В. Ф. Современная ветроэнергетика: тенденции развития, проблемы и
некоторые пути их решения / В. Ф. Белей, А. Ю. Никишин // Электрика. 2006. – № 8.
– С. 19-22.
7. Белей В. Ф. Расчет выработки электроэнергии ветроэнергетическими установками
по данным ветропотенциала / В. Ф. Белей, А. Ю. Никишин // Электрооборудование
судов и электроэнергетика: сб. науч. тр. / КГТУ. Калининград: Изд-во КГТУ, 2004. –
С. 4-6.
8. Климина Л. А. Вертикально-осевая ветротурбина: динамика и управление: Дис.
канд. физ-мат. наук/ Московский государственный университет им.
М. В. Ломоносова – Москва, 2010. – 123 с.
9. И. П. Заболотный С. В. Деркачёв Моделирование режимов мощных ветровых
электрических станций, работающих в составе электроэнергетических систем.
ОКЕУ 2011 Оптимальное управление электроустановками. I международная
научно-техническая конференция. Тезисы докладов. 25-27 октября 2011г.
Винницкий национальный технический университет, 2011.
10. А. М. Суббота, Д. А. Гаевая Будущее энергетики – альтернативные источники
энергии. // Радіоелектронні і комп’ютерні системи, 2010, № 4 (45)
11. National wind technology center [Электронный ресурс]. – Режим доступа:
http://wind.nrel.gov/designcodes/simulators/wtperf/
аэрокосм. ун–т «Харьк. авиац. ин–т», Севастополь: Севаст. нац. техн. кн–т, 2004, –
519 с.
5