Способ управления ветроэлектрической установкой и устройство для его осуществления
Владельцы патента RU 2530194:
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Азово-Черноморская государственная агроинженерная академия" (ФГБОУ ВПО АЧГАА) (RU)
Группа изобретений относится к ветроэнергетике и предназначена для регулирования скорости вращения ветроколеса. Способ управления ветроэлектрической установкой включает аэродинамическое ограничение мощности, развиваемой ветроколесом, за счет изменения положения его лопастей относительно ветра и остановку ветроколеса путем понижения мощности на ветроколесе до его номинального значения регулированием разницы вращающих моментов. Регулирование разницы вращающих моментов осуществляют перераспределением моментов между двумя роторами генератора путем изменения их электрической загрузки. Имеется устройство для осуществления упомянутого способа. Группа изобретений направлена на повышение точности регулирования, на повышение быстродействия при резких порывах ветра и на повышение коэффициента использования энергии ветра. 2 н.п. ф-лы, 2 ил.
Изобретение относится к ветроэнергетике и может быть использовано для регулирования скорости вращения ветроколеса.
Известен способ управления и регулирования ветроэнергетической установки (Патент РФ №2350778, F03D 7/02, опубликован 27.03.2009), включающей в себя корпус, поворотный по азимутальному углу, ротор с по меньшей мере одной лопастью ротора, поворотной относительно своей продольной оси, агрегат электропитания и устройство управления, имеющее эксплуатационный режим при скорости ветра, превышающей предварительно заданное значение скорости, причем способ имеет следующие этапы:
устройство управления переключают в указанный эксплуатационный режим, если скорость ветра превышает скорость, при которой происходит отключение установки, и электропитание осуществляется от электросети, связанной с ветроэнергетической установкой, или если
скорость ветра превышает скорость, при которой происходит включение установки, и электросеть, связанная с ветроэнергетической установкой, вышла из строя или отключилась,
устройство управления на основе измеренных значений (υ) скорости ветра и данных о направлении ветра определяет азимутальное угловое положение (α), в которое должен быть установлен корпус, и один или несколько углов (φ) установки для по меньшей мере одной лопасти ротора, таким образом, что ротор в установленном положении вращается с частотой вращения, находящейся в пределах предварительно заданного диапазона частоты вращения,
по меньшей мере один азимутальный привод, запитываемый от агрегата электропитания, устанавливает корпус в азимутальное угловое положение (α), определенное устройством управления, и по меньшей мере один привод наклона, запитываемый от агрегата электропитания, устанавливает по меньшей мере одну лопасть ротора в угловое положение (φ), определенное устройством управления, причем соединенный с ротором вспомогательный генератор снабжает током по меньшей мере часть потребителей электричества ветроэнергетической установки, если электросеть, связанная с ветроэнергетической установкой, вышла из строя или отключилась.
Недостатком данного способа является запаздывание регулирования при изменении скорости ветра.
Наиболее близким к предлагаемому способу является способ управления ветроэнергетической установкой и устройство для его осуществления (Патент РФ №2312249, F03D 7/04, опубликован 10.12.2007), заключающийся в аэродинамическом ограничении мощности, развиваемой ветроколесом, за счет изменения положения его лопастей относительно ветра и остановке ветроколеса путем понижения мощности на ветроколесе до ее номинального значения, причем понижение мощности на ветроколесе осуществляют регулированием разницы вращающих моментов, возникающих на выходном валу, и регулированием момента на валу ветроколеса саморегулирующими устройствами, например упругими элементами.
Ветроэнергетическая установка содержит ветроколесо и ступицу, выполненную в виде цилиндрического стакана с прорезями, в которых установлены втулки со стержнями, с наружной стороны которых закреплены поворотные лопасти, на внутренних концах стержней установлены шестерни, находящиеся в зацеплении с шестерней, закрепленной на втулке, свободно установленной на валу ветроколеса и имеющей с противоположного конца шестерню с пазами, в которые входит вилка, жестко связанная с валом ветроколеса, и упругие элементы, расположенные между вилкой и стенкой паза. Шестерня с пазами находится в зацеплении с шестерней, установленной на выходном валу, с противоположной стороны которого закреплено устройство отбора мощности.
К недостаткам способа следует отнести создание постоянной мощности на выходном валу с помощью упругих элементов и запаздывание ограничения мощности при резких порывах ветра.
Известно устройство двухроторный ветрогенератор (Патент РФ №2433301, F03D 1/02, F03D 7/04, опубликован 10.11.2011), наиболее близкое к предлагаемому устройству, позволяющее при вращении лопастей регулировать их наклон к потоку, для поддержания частоты вращения, состоящий из статора и двух роторов, внутри статора находятся основной ротор и регулирующий ротор, имеющие возможность поворачиваться относительно друг друга, регулирующий и основной роторы через конические шестерни связаны с осями лопастей ветроколеса, регулирование угла атаки лопасти происходит благодаря повороту регулирующего ротора относительно основного путем шунтирования обмотки регулирующего ротора, при этом регулирующий ротор поворачивается относительно основного ротора, поворачивает шестерню, связанную с лопастью ветроколеса, изменяя угол атаки лопасти.
Недостаток данного устройства состоит в рассеивании энергии в регулирующем роторе, снижающем КПД.
Задачей изобретения является повышение точности регулирования, повышение быстродействия при резких порывах ветра и повышение коэффициента использования энергии ветра.
Способ управления ветроэлектрической установкой, включающий аэродинамическое ограничение мощности, развиваемой ветроколесом, за счет изменения положения его лопастей относительно ветра и остановку ветроколеса путем понижения мощности на ветроколесе до его номинального значения, отличается тем, что согласно изобретению осуществляют регулирование разницы вращающих моментов, путем перераспределения моментов между двумя роторами генератора изменением их электрической загрузки.
Ветроэлектрическая установка для реализации способа управления содержит статор с обмоткой возбуждения, внутри которого находятся основной ротор с трехфазной обмоткой и регулирующий ротор с введенной трехфазной обмоткой, подключенной к нагрузке через регулируемые сопротивления.
На фиг.1 представлена конструкция предлагаемой ветроэлектрической установки.
Фиг.2 - принципиальная схема соединений ветроэлектрической установки.
Ветроэлектрическая установка, реализующая предлагаемый способ (фиг.1), представляет собой корпус 1, внутри которого находится статор 2 с обмоткой возбуждения 3, питаемой постоянным током через ключ регулирования 4 (фиг.2).
Внутри статора 2 соосно вращаются основной ротор 5 и регулирующий ротор 6, имеющий возможность проворачиваться относительно основного ротора 5. Роторы 5 и 6 через валы и конические шестерни 7, 8, 9 связаны между собой, при этом коническая шестерня 8 находится на одном валу с лопастью 10 ветроколеса. Конические шестерни 7, 8, 9 помещены в корпус 11, служащий опорой для подшипников валов лопастей ветроколеса.
На основном роторе 5 находится трехфазная обмотка 12, выводы которой подключены к контактным кольцам 13, через щетки 14 ЭДС, наводимая в трехфазной обмотке 12 основного ротора 5, выводится через трансформаторы тока 15, в нагрузку 16. На регулирующем роторе 6 находится трехфазная обмотка 17, выводы которой подключены к контактным кольцам 18, через щетки 19 ЭДС, наводимая в обмотке регулирующего ротора 6, выводится в нагрузку 16 через регулируемые сопротивления 20, величиной сопротивлений 20 управляет блок управления 21.
Ветроэлектрическая установка работает следующим образом.
Вращение ветроколеса приводит к вращению основного ротора 5 и регулирующего ротора 6 в поле статора 2, которое создается обмоткой возбуждения 3, по которой протекает постоянный ток. В трехфазной обмотке 12 основного ротора 5 и трехфазной обмотке 17 регулирующего ротора 6 наводятся ЭДС, пропорциональные напряженности поля, с частотой, определяемой скоростью вращения и числом полюсов обмотки, напряжение и частота тока, подаваемые в нагрузку 16, измеряются блоком управления 21.
Регулирование угла атаки лопасти 10 ветроколеса происходит благодаря повороту регулирующего ротора 6 относительно основного ротора 5 путем изменения сопротивления регулируемых сопротивлений 20, включенных в цепь обмотки 17 регулирующего ротора 6, при этом регулирующий ротор 6 проворачивается относительно основного ротора 5 за счет изменения момента регулирующего ротора 6, поворачивает коническую шестерню 7, которая поворачивает коническую шестерню 8, связанную с лопастью 10 ветроколеса, изменяя угол атаки лопасти.
Регулирование нагрузки регулирующего ротора 6 осуществляется с помощью регулируемых сопротивлений 20, управляемых блоком управления 21. Трехфазная обмотка 17 регулирующего ротора 6 через регулируемые сопротивления 20 подключена к трехфазной обмотке 12 основного ротора 5 и нагрузке 16 через трансформаторы тока 15.
При изменении частоты вращения ветроколеса изменяется частота тока в нагрузке 16, измеряемая трансформаторами тока 15, блок управления 21 изменяет величину управляемых сопротивлений 20, что приводит к изменению нагрузки регулирующего ротора 6, а следовательно, и к изменению угла атаки лопасти 10 ветроколеса, направленному на восстановление частоты вращения.
При изменении нагрузки происходит изменение частоты тока в трансформаторах тока 15 и изменение величины управляемых сопротивлений 20 блоком управления 21, что приводит к изменению нагрузки регулирующего ротора 6, направленное на восстановление частоты вращения путем поворота лопасти 10 ветроколеса.
1. Способ управления ветроэлектрической установкой, включающий аэродинамическое ограничение мощности, развиваемой ветроколесом, за счет изменения положения его лопастей относительно ветра и остановку ветроколеса путем понижения мощности на ветроколесе до его номинального значения регулированием разницы вращающих моментов, отличающийся тем, что регулирование разницы вращающих моментов осуществляют перераспределением моментов между двумя роторами генератора путем изменения их электрической загрузки.
2. Ветроэлектрическая установка для реализации способа управления содержит статор с обмоткой возбуждения, внутри которого находятся основной ротор с трехфазной обмоткой и регулирующий ротор, имеющие возможность поворачиваться относительно друг друга, регулирующий и основной роторы через конические шестерни связаны с осями лопастей ветроколеса, отличающаяся тем, что на регулирующем роторе расположена трехфазная обмотка, подключенная к нагрузке через регулируемые сопротивления.
