ФИНИТНОЕ  УПРАВЛЕНИЕ  ПРИВОДАМИ  ЛОПАСТЕЙ  ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ  УСТАНОВКИ

Капля  Егор  Викторович

канд.  физ.-мат.  наук,  доцент,  ведущий  научный  сотрудник

филиала  Московского  энергетического  института  в  г.  Волжском,

РФ,  г.  Волжский

E-mail: 

FINITE  CONTROL  BY  THE  BLADES  DRIVES  OF  THE  WIND  POWER  PLANT

Egor  Kaplya

candidate  of  physics  and  mathematics,  associate  professor,

leading  researcher  branch  of  Moscow  power  engineering  Institute  in  Volzhsky,

Russia,  Volzhsky

АННОТАЦИЯ

Составлена  структурная  схема  автоматической  системы  финитного  управления  сервоприводами  лопастей  поворотно-лопастного  ветроколеса.  Предложен  закон  финитного  управления  приводами  на  основе  двигателей  постоянного  тока.

ABSTRACT

The  block  diagram  of  an  automatic  system  of  finite  control  by  servo-drivers  of  blades  pitch  angle  control  wind  turbine  is  composed.  Proposed  law  finite  control  actuators  based  on  DC  motors.

Ключевые  слова:  ветроэнергетическая  установка;  ветроколесо,  угол  установки  лопасти;  финитное  управление;  серводвигатель;  сервопривод;  лопасть.

Keywords:  wind  power  plant;  wind  turbine;  pitch  angle  of  the  blade;  finite  control;  fixed-time  control;  servo  motor;  servo-driver;  blade.

Повышение  энергоэффективности  ветроэнергетических  установок  (ВЭУ)  достигается  совершенствованием  аэродинамических  характеристик  и  оптимизацией  систем  управления  ВЭУ.  Современные  поворотно-лопастные  ВЭУ  (ПЛВЭУ)  —  сложные  автоматизированные  устройства.  Система  управления  лопастями  ВЭУ  содержит  блок  управления  и  исполнительные  механизмы.

Одна  из  основных  задач  системы  управления  ветроэлектрической  установкой  —  стабилизация  частоты  электрического  тока.  Частота  электрического  тока,  вырабатываемого  синхронным  генератором,  непосредственно  связана  с  угловой  скоростью  вращения  ветроколеса  (ВК).  При  изменении  скорости  воздушного  потока  управление  угловой  скоростью  вращения  ВК  обычно  осуществляется  поворотом  лопастей  [3,  с.  8—10]  относительно  их  собственных  продольных  осей.  Поворотно-лопастные  механизмы  (рис.  1)  позволяют  стабилизировать  частоту  вращения  ВК  и  уменьшить  аэродинамическую  нагрузку  ВК  при  ураганном  ветре  путём  флюгирования  лопастей.

Существующие  ПЛВЭУ  имеют  электромеханические  или  электрогидромеханические  сервоприводы.  Каждая  лопасть,  как  правило,  оснащается  индивидуальным  сервоприводом.  С  целью  поддержания  стабильной  частоты  тока  на  выходе  генератора  ВЭУ  и  стабильной  частоты  вращения  ВК  используют  ПИД-регуляторы  [4,  с.  4].

Рисунок  1.  Поворотно-лопастное  ВК:  1  —  лопасть  ВК  в  продольном  разрезе;  2  —  сервопривод  лопасти;  3  —  ступица  ВК  в  разрезе 

При  запуске  ПЛВЭУ  лопасти  ВК  устанавливаются  под  углом,  при  котором  достигается  максимальный  вращающий  момент  на  валу  ВК,  обеспечивается  наибольшее  угловое  ускорение  ВК  и  наименьшая  продолжительность  разгона.  Для  останова  ВК  лопасти  устанавливаются  во  флюгерное  положение,  в  котором  вращающий  момент  минимален.  Применение  ПИД-регулятора  при  разгоне  и  останове  ВК  приводит  к  существенному  перерегулированию  и  (или)  к  появлению  ошибки  регулирования.  В  процессе  разгона  или  останова  ВК  вместо  ПИД-закона  управления  целесообразно  использовать  алгоритмы  финитного  управления.

Структурная  схема  усовершенствованного  автоматизированного  сервопривода  лопасти  с  двигателем  постоянного  тока,  блоком  финитного  управления  (БФУ)  и  ПИД-регулятором  представлена  на  рис.  2.

Рисунок  2.  Структурная  схема  автоматизированного  сервопривода  лопасти

На  схеме  использованы  следующие  обозначения:    —  суммарный  осевой  момент  инерции  вращающихся  элементов  сервопривода  и  лопасти,  приведённый  к  валу  двигателя;    —  угол  поворота  ротора  двигателя;    —  ток  в  цепи  якоря;    —  коэффициент  пропорциональности,  связывающий  ток  в  цепи  якоря  и  развиваемый  двигателем  вращающий  момент;    —  напряжение  питания  двигателя;    —  момент  сопротивления  нагрузки;    —  передаточное  число  редуктора  сервопривода  лопасти  —  отношение  угловой  скорости  поворота  лопасти  к  угловой  скорости  вращения  ротора  двигателя;    —  индуктивность  цепи  якоря;    —  активное  сопротивление  цепи  якоря;    —  коэффициент  противоЭДС;    —  угловая  скорость  поворота  ротора  двигателя;    —  угловая  скорость  поворота  лопасти;    —  момент  трогания  сервопривода  с  нагрузкой;    —  коэффициент  динамического  сопротивления  редуктора  и  лопасти;    —  противоЭДС;  ;    —  вращающий  момент,  создаваемый  двигателем;  ;    —  мгновенное  угловое  ускорение  ротора  двигателя;    —  заданное  значение  угла  установки  лопасти;    —  измеренное  значение  угла  установки  лопасти;    —  ошибка  управления;  .

Передача  вращающего  момента  от  вала  двигателя  к  лопасти  осуществляется  зубчатыми  колёсами  редуктора.  Такую  передачу  можно  считать  жёсткой  и  использовать  соотношения:  ,  .

Угловое  ускорение  ротора  двигателя  постоянного  тока  пропорционально  напряжению  питания:  ,  где    —  коэффициент  пропорциональности  между  напряжением  питания  двигателя  и  угловым  ускорением  ротора.

Редуктор  сервопривода  лопасти  позволяет  увеличить  вращающий  момент  и  точность  углового  позиционирования  лопасти.  Контроль  углового  положения  лопастей  осуществляют  с  помощью  энкодеров.  Контроллер  системы  управления  сервоприводами  лопастей  и  серводвигатели  лопастей  устанавливаются  во  внутренней  полости  ступицы  ВК.  В  каждый  момент  времени  лопасти  подвергаются  различным  механическим  нагрузкам.  Оснащение  каждой  лопасти  независимым  сервоприводом,  предполагает  индивидуальный  контроль  углового  положения  каждой  лопасти.

Известный  закон  финитного  управления  [1,  с.  59]  принимает  вид:

где:  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  , 

  —  момент  времени  начала  переходного  процесса; 

  —  терминальное  время  (продолжительность  поворота  лопасти  от    до  ); 

  —  жёсткость  управления.

В  начальном  и  конечном  состоянии  угловая  скорость  поворота  лопасти  равна  нулю  .  Финитный  закон  управления  (1)  не  требует  задания  точного  начального  положения  лопастей.  Закон  (1)  использует  измеренные  значения    и  .

В  системе  управления  приводами  постоянного  тока  ПИД-регуляторы  формируют  в  качестве  сигнала  управления  напряжение  на  обмотках  двигателя:

где:  ; 

  —  коэффициент  усиления  пропорциональной  составляющей  регулятора; 

  —  постоянная  интегрирования; 

  —  постоянная  дифференцирования.

Настройка  ПИД-регулятора  выполняется  на  основе  математической  модели  переходных  процессов  поворота  лопасти  путём  минимизации  целевой  функции.  В  качестве  целевой  функции  можно  принять  [2,  с.  16]:

Функция  (3)  соответствует  настройке  регулятора  по  конечной  фазовой  точке  .  Применение  ПИД-закона  управления  углом  установки  лопасти  при  разгоне  или  останове  ВК  приводит  к  существенному  перерегулированию  угловой  скорости  поворота  лопасти  или  угла  установки  лопасти.

Заключение

Финитное  управление  сервоприводами  лопастей  ВЭУ  целесообразно  при  установке  лопастей  в  разгонное  или  флюгерное  положение.

Финитный  закон  управления  может  применяться  в  комбинации  с  ПИД-законом  управления  углом  установки  лопасти.  Финитное  управление  может  использоваться  при  разгоне  или  останове  ВК,  а  ПИД-закон  в  разогнанном  состоянии  при  достаточной  скорости  ветра.

Список  литературы:

1. Батенко  А.П.  Управление  конечным  состоянием  движущихся  объектов.  —  М.:  Советское  радио,  1977.  —  256  с.
2. Капля  Е.В.  Система  финитного  управления  приводами  лопастей  ветроэнергетической  установки.  //  Автоматизация  и  современные  технологии.  —  2013.  —  №  5.  —  С.  13—18.
3. Johnson  K.E.  Adaptive  torque  control  of  variable  speed  wind  turbines.  //  National  Renewable  Energy  Laboratory  /  TP-500-36265  —  August  2004.  —  107  p.
4. Wright  A.D.,  Fingersh  L.J.  Advanced  control  design  for  wind  turbines.  //  National  Renewable  Energy  Laboratory  /  TP-500-42437  —  March  2008.  —  148  p.