При преобразовании энергии ветра с помощью ветроколес в

Журнал "Поиск". - 2014. - № 1. - С .84-89
Моделирование автоматической системы управления ВЭС с
синхронным генератором в среде Matlab
Сарсенбаев Н. С., канд. техн наук, доцент., КазНТУ имени К.И. Сатпаева
Сарсембаев Д., канд. техн наук, доцент., ЖезУ имени О.А. Байконурова
Кожаканова М., магистрант КазНТУ имени К.И. Сатпаева
В работе рассматривается имитационные моделирования автоматической
системы управления ВЭС с синхронным генератором в среде Matlab.
Разработана автоматическая система управления ВЭС с синхронным
генератором и построена модель этой систем, а также на основе модели проведены
исследования.
Как показывает анализ публикации последних лет, многими
экспертами прогнозируется сокращение мировых запасов ископаемого
топлива. Так, например, по данным Renewable Energy Agency и согласно
статистике нефтяной компании British Petroleum, мировых запасов
ископаемого топлива осталось: нефти на 40 лет; природного газа - на 60 лет;
угля - на 224 года; ядерного топлива - на 40 лет при этом, объем мирового
энергопотребления возрастет с 138 ТВт в 2006 году до 162 ТВт в 2015 году и
до 199 ТВт в 2030 году [1,2].
В условиях Казахстана существует реальная возможность
использования ветровой энергии, энергии солнца, геотермальной энергии,
энергии малых рек (малые ГЭС).
Согласно целевым показателям Государственной программы по
форсированному индустриально-инновационному развитию Республики
Казахстан, в 2014 году достижение объема вырабатываемой электроэнергии
возобновляемыми источниками энергии должно составить - 1 млрд. кВтч в
год, что составит более 1 % от общего объема электропотребления.
Потенциал возобновляемых энергетических ресурсов (гидроэнергия,
ветровая и солнечная энергия) в Казахстане весьма значителен. Но, несмотря
на это, процент выработки альтернативной энергии в Казахстане составляет
только 0,4% от общего количества [3].
В связи с этим разработка и исследование генераторных установок
для источников возобновляемых источников энергии является актуальной
задачей.
На сегодняшний день многие из казахстанских ученых занимаются
проблемой ветроэнергетики. Например, комплексы созданы на основе
«Ветровой роторной турбины Болотова» - уникальной разработки известного
казахстанского учёного, доктора технических наук, академика Альберта
Болотова.
Научные труды профессора, доктора технических наук Исембергенова
Н.Т. посвящены к разработке генераторных и преобразовательных устройств
для возобновляемых источников энергии в условиях Казахстана.
Еще одним таким ученым является, ученый-новатор Николай Буктуков,
который говоря о способах экономии электроэнергии, занимается
разработкой уникальной технологии для ветроустановок.
В настоящее время имитационное моделирование является наиболее
удобным и наглядным методом исследования процессов, происходящих в
электромеханических системах.
В данной статье для моделирования синхронной магнитоэлектрической
машины использовалась система Matlab Simulink, имеющая в своем составе
специализированную электротехническую библиотеку блоков. Процесс
моделирования в Matlab Simulink представляет собой построение схемы
устройства из стандартных блоков пакета и задание параметров ее отдельных
элементов [4,5].
На рис. 1 представлена ветроэнергетическая система ВЭС при работе
на автономную нагрузку. Ветроколесо ВК преобразует энергию скорости
ветра в механическую энергию, а синхронный генератор СГ преобразует
механическую энергию в электрическую. Между ветроколесом и СГ
машиной включен редуктор Р для согласования частот вращения.
Рис.1 Ветроэнергетическая система с синхронным генератором
При колебании скорости воды требуется стабилизация частоты
напряжения на выходе ВЭС. Для такого случая разработана система
стабилизации частоты напряжения. Напряжение на выходе СГ выпрямляется
выпрямителем В, далее инвертируется инвертором И, при этом с помощью
фильтра Ф выделяется основная промышленная частота, которая подается на
нагрузку Н.
С помощью пакета Matlab промоделируем ветроэнергетическую
систему, которая состоит из ветроколеса, синхронного генератора, системы
управления возбуждением и различного вида нагрузок. Модель позволяет
исследовать переходные и установившиеся режимы ветроэнергетической
системы с синхронным генератором, имеющим систему управления
возбуждением.
В блоке HTG на первые два входа блока подаются требуемые значения
угловой скорости (wref) и момента (Pref). На третий и четвертый входы блока
поступают фактические значения скорости (we) и активной мощности (Pe).
На пятый вход подается отклонение скорости ротора синхронного генератора
(dw). Выходными сигналами являются механическая мощность, которая
должна подаваться на соответствующий вход блока синхронной машины
(Pm). Все входные и выходные величины измеряются в относительных
единицах.
Блок Excitation System является моделью системы возбуждения для
синхронной машины, что позволяет регулировать напряжение на зажимах
машины работающей в генераторном режиме. За основу модели блока взят
возбудитель, без учета насыщения магнитной цепи возбудителя. Основными
элементами системы возбуждения являются регулятор напряжения и
возбудитель. На первый вход блока (vref) подается требуемое значение
напряжения на зажимах статора. На второй (vd) и третий (dq) входы
подаются текущие значения проекций напряжений статора на оси q и d.
Четвертый вход может быть использован для создания контура стабилизации
мощности машины. Все входные переменные и выходная переменная имеют
размерность относительных единиц (p.u.).
На рисунке 2 показана модель автоматического системы управления
ВЭС. Здесь при стабильных входных значениях угловой скорости и момента
ветроколеса и возбуждения на выходе получен момент изменяющейся по
закону косинус, как показано на рисунке 4.
HTG – гидротурбина; Excitation System – система управления возбуждением;
Synchronous Machine – синхронный генератор; network – нагрузка.
Рисунок 2– Модель автоматического системы управления ВЭС
Для расчетов выбран синхронный генератор, параметры показаны на
рисунке 3.
Рисунок 3 – Параметры синхронного генератора
Рисунок 4 – Изменение момента во времени
Теперь к модели автоматической системы управления последовательно
соединяем инвертор. Частота напряжения на выходе синхронного генератора
можеть быть не стабильной, например, частота напряжения 40 Гц как
показано на рисунке 5. Поэтому присоединив инвертор к синхронному
генератору получим напряжение со стабильной частотой 50 Гц как показано
на рисунке 6.
Рисунок 5 – Выходное значение напряжения частотой 40 Гц
Рисунок 6 – Выходное значение напряжения частотой 50 Гц
Значения индуктивности и конденсатора на фильтре равны
соответственно 1,5 Гн и 5⋅10-6 Ф. Регулируя входную угловую скорость, при
этом момент должен оставаться неизменным, находим интервал
стабилизации изменении частоты выходного напряжения. Анализируя эту
модель получили нижний предел частоты 34 Гц.
На основании выполненных в работе исследовании на основе
иммитационной моделировании позволяют в целом заключить, что в пакете
MATLAB/Simulink
используя
стандартные
или
разработанные
измерительные схемы можно решать следующие задачи:
– определять и анализировать составляющие полной (кажущейся)
мощности и показатели качества враьатываемой электроэнергии;
– реализуя различные алгоритмы управления полупроводниковым
преобразователем, решать вопросы нахождения энергооптимального
алгоритма управления;
– на основании результатов, полученных в ходе моделирования,
определять зависимости массогабаритных показателей энергосистемы.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
1 . А.М. Магомедов. Нетрадиционные возобнавляемые источники
энергии. – М.; Юпитер, 1996г.
2 . М.В. Голицын, А.М. Голицын, Н.М. Пронина. Альтернативные
энергоносители. – М.: Наука, 2004.
3 . Р.Лысенко, Д. Фазылов. Проблемы развития Казахстанской
Ветроэнергетики. // Энергия. - № 4(35). – 2010г.
4.
С.Г.
Герман-Галкин
Компьютерное
моделирование
полупроводниковых систем в MATLAB 6.0: Учебное пособие – СПб.: Корона
принт, 2001. 320 с., ил.
5 . Ю. Лазарев Моделирование процессов и систем в MATLAB.
Учебный курс. - СПб.: Питер; Киев: Издательская группа BHV, 2005. 512 с.:
ил.