Рисунок 1 – Лопасть Siemens B75 длиною в 75м в сравнении с самолетом Airbus A380. (Правообладатель: Siemens)

Рассмотрим физику преобразования энергии ветра в механическую энергию вращения ротора. Энергия ветра , что фактически является кинетической энергией воздуха, проходящего через кругообразную площадь, охватываемую ротором ветрогенератора радиусом R, равна:

, (1)

где – плотность воздуха, – перемещение воздуха в направлении ветра. Производное выражения (1) дает выражение для мощности ветра:

. (2)

Так как фактически это скорость ветра , мощность ветра в упрощенном виде может быть записана как:

. (3)

Выражение (3) описывает важный параметр, который определяет работу ветрогенератора и системы управления. Это – кубическая зависимость мощности ветра от скорости ветра. Из-за такой нелинейной и крутой зависимости, мощность будет низкой при малой скорости ветра и очень высокой при большой скорости ветра. Поэтому имеются два различных региона работы ветрогенератора с соответствующими требованиями к системе управления. При слабых ветрах задача системы управления состоит в максимизации мощности ветрогенератора. Напротив, при сильных ветрах система управления должна ограничивать мощность ветрогенератора и скорость вращения ротора для избежания перегрузок.

Взаимосвязь мощности ветра и мощности ветрогенератора определяется безразмерным параметром – коэффициентом мощности :

. (4)

Теоретически максимальное значение коэффициента мощности определяется законом Бетца и равно 16/27. На практике ветрогенераторы в лучшем случае достигают значения 0,5. Значение коэффициента зависит от скорости ветра, скорости ротора и угла поворота лопастей. Поворот лопасти изменяет угол между хордой лопасти и потоком воздуха. Этот угол называется «углом атаки» и аэродинамика лопасти всецело зависит от него. Это очень эффективный способ управления и поворот всего на существенно снижает мощность ветрогенератора, тогда как поворачивание на практически останавливает вращение ротора. К тому же поворачивание лопастей ротора может быть использовано как мощный аэродинамический тормоз.

Когда рассматривается зависимость коэффициента мощности от переменных ветрогенератора, используется параметр :

. (5)

Этот параметр представляет соотношение скорости ветра к скорости ротора и называется Tip Speed Ratio (далее TSR). Типичная зависимость коэффициента мощности, TSR и угла поворота лопасти показано на Рис. 2 [3].

Рис. 2. Зависимость коэффициента мощности от TSR и угла поворота лопасти

Как можно увидеть из выражения (4) и Рис. 2, мощность ветрогенератора зависит от трех составляющих: скорости ветра, изменении скорости ротора и поворота лопастей. Скорость ветра – неуправляемый входной параметр, который может рассматриваться как внешнее возмущение с точки зрения системы управления. С другой стороны, скорость ротора и угол поворота могут управляться и использоваться как компенсирующие переменные. Эти средства управления доступны в настоящее время, так как современные ветрогенераторы имеют лопасти, которые не закреплены жестко, но закреплены на поворотных кольцах, приводимых в движение с помощью двигателей. А скорость ротора может изменяться по той причине, что генератор подключается к сети не напрямую, а через частотные преобразователи.

В зависимости от региона работы выбирается тот или иной метод управления. При слабых ветрах нет необходимости в управлении поворотом лопастей, кроме как в удержании его значения на оптимальном значении (чаще всего около ). Поэтому оптимизация мощности достигается с помощью адаптации скорости ротора при определенной скорости ветра такому значению TSR, при котором будет максимальным (см. Рис. 2). При сильных ветрах ветрогенератор испытывает большие нагрузки на конструкцию, и мощность ветра может намного превысить номинальную мощность ветрогенератора. Поэтому, появляется необходимость ограничения скорости вращения ротора и мощности ветрогенератора. Достигается это путем поворота лопастей ротора. Как можно заметить из Рис. 2 поворачивание лопастей изменяет кривую . С увеличением угла поворота значение уменьшается. Это позволяет ветрогенератору работать в границах номинальных значений. На Рис. 3 представлена принципиальная схема системы управления ветрогенератора, в зависимости от скорости ветра и региона работы выбирается один из методов управления.

Рис. 3. Принципиальная схема системы управления ветрогенератора

На Рис. 4 отображено применение методов управления в зависимости от скорости ветра и региона работы [4].

Рис. 4. Использование различных методов управления в зависимости от скорости ветра

Как говорилось ранее применение метода управления поворотом лопастей уместнее при сильных ветрах для регулирования выходной мощности и уменьшения динамических нагрузок. Однако этот метод управления может быть применен при пуске ветрогенератора для получения высокого начального крутящего момента [4].

При применении метода управления поворотом лопастей регулируемой переменной величиной является скорость ротора. Если метод управления крутящим моментом реализовывается в открытом контуре, то управление поворотом лопастей должно быть исполнено в закрытом контуре. Стандартное решение подразумевает использование ПИ или ПИД регулятора. При проектировании регулятора должны быть учтены две характеристики ветрогенератора. Первая характеристика – это нелинейность процесса вследствие кубической зависимости между мощностью ветра и его скоростью, а также крутизна кривой (Рис. 2). Для управления таким нелинейным процессом с помощью линейного ПИ регулятора нужно применить адаптацию параметров [3]. Простой метод адаптации параметров – разбивка коэффициентов регулятора по нескольким точкам работы [4]. Из-за большой трудности точного измерения скорости ветра, разбивка коэффициентов регулятора делается основываясь на измерениях угла поворота (Рис. 5). Это возможно вследствие зависимости между углом поворота и скоростью вращения ротора. Вторая характеристика – это влияние управления углом поворота лопастей на прогиб башни ветрогенератора, что в свою очередь влияет на скорость ветра относительно ротора ветрогенератора. В конце концов при такой совокупности плохое управление может привести к раскачке башни ветрогенератора из-за неподходящего угла поворота лопасти по причине положительной обратной связи.

Рис. 5. Параметры регулятора угла поворота лопасти в зависимости от точек работы

Много зарубежных работ посвящено исследованию проблематики систем управления поворотом лопастей. Разработаны универсальные методы и алгоритмы управления. Однако использование комплексных средств моделирования дает возможность доработать алгоритмы систем управления для дальнейшего применения на конкретном объекте. На Рис. 6. показана модель ветрогенератора и системы управления поворотом лопастей, собранная в среде Matlab Simulink [5]. В модель заложены характеристики ветра, конструкции основных узлов ветрогенератора и системы управления. Динамическую модель ветра и ветрогенератора можно связать с контроллером системы управления с помощью технологии OPC (OLE for Process Control). Тем самым спрогнозировать поведение ветрогенератора и системы управления для заданных характеристик.

Рис. 6. Модель ветрогенератора и системы управления поворотом лопастей собранная в Matlab Simulink

На Рис. 7. отображена модель в режиме работы с выводом графиков, показывающих основные параметры, использующиеся в системе управления поворотом лопастей. Как говорилось выше, ветрогенератор переменной скорости имеет 2 режима работы с соответствующими требованиями к системе управления. При слабых ветрах целью системы управления является максимизация мощности подбором оптимального соотношения TSR (Рис. 2). При сильных же ветрах выходную мощность и скорость оборотов лопастей необходимо держать в пределах номинальных значений (Рис. 4).

Рис. 7. Работающая модель ветрогенератора и системы управления поворотом лопастей в среде Matlab Simulink

На графиках (Рис. 7) при очень низкой скорости ветра ветрогенератор находится в состоянии «парковки», скорость вращения ротора составлет 0 об/мин. С увеличением скорости ветра и при достижении рабочего значения, тормозная система освобождает ротор. Система управления поворотом лопастей подбирает оптимальный угол атаки, обеспечивая увеличение выходной мощности и скорости вращения ротора до номинальных значений. После достижения ветрогенератором номинальных значений работы система управления поворотом лопастей держит скорость вращения ротора постоянной.

Таким образом, в ходе исследования изучены режимы работы ветрогенератора переменной скорости, задачи системы управления. Работа системы управления поворотом лопастей рассмотрена в динамической модели, в котором заложены как характеристики ветра, конструкции ветрогенератора так и системы управления. Можно заключить, что система управления поворотом лопастей позволяет максимизировать выходную мощность и существенно снизить динамические нагрузки на конструкцию ветрогенератора. Алгоритмы системы управления поворотом лопастей могут быть усовершенствованы с использованием методов оптимизации, линеаризации и нечеткой логики.