Синтез нечеткого регулятора угла положения лопастей для адаптивной системы управления ветроэлектрической установкой тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.09.03, кандидат технических наук Рябов, Денис Юрьевич

• Рябов, Денис Юрьевич
• кандидат технических наук
• 2009

Оглавление диссертации кандидат технических наук Рябов, Денис Юрьевич

Введение'

1 Энергия ветра и возможности ее использования

1.1 Энергетические характеристики ветра

1.2 Основы преобразования энергии ветра

1.2.1 Первичные преобразователи энергии ветра

1.2.2 Преобразование выработанной механической энергии

1.3 Режимы работы ВЭУ

1.4 Анализ существующих методов и средств управления режимами работы ВЭУ

1.4.1 Ветрогенераторы малой мощности

1.4.2 Ветрогенераторы средней мощности

1.4.3 Ветрогенераторы большой мощности 34 Выводы по первой главе и постановка задач исследования

2 Теоретические исследования процесса преобразования кинетической энергии ветра в электрическую энергию

2.1 Общие положения

2.2 Математическое описание изменения скорости движения воздушных масс

2.3 Преобразование энергии ветра в механическую энергию (модель ветроприемника)

2.3.1 Работа поверхности при действии на нее силы ветра

2.3.2 Работа ветрового колеса крыльчатого ветродвигателя

2.4 Теория реального ветроколеса Г.Х. Сабинина

2.4.1 Работа элементарных лопастей ветроколеса. Первое 50 уравнение связи

2.4.2 Второе уравнение связи

2.5 Момент и мощность всего ветроколеса

2.6 Потери ветродвигателей

2.7 Математическая модель процесса преобразования энергии ветра в механическую энергию

2.8 Математическая модель генератора

2.9 Математическая модель конвертора переменное/постоянное /переменное напряжение

Выводы по второй главе

3 Разработка системы управления ветроэнергетической установкой

3.1 Задачи реализуемые системой управления и алгоритм работы системы управления ветроэнергетической установкой

3.1.1 Режимы работы ВЭУ

3.1.1.1 Пуск ВЭУ

3.1.1.2 Выход ВЭУ на установленную мощность

3.1.1.3 Работа ВЭУ с установленной мощностью

3.1.1.4 Отключение ВЭУ при повышенных скоростях ветра

3.1.1.5 Снижение мощности при уменьшении скорости ветра

3.1.1.6 Аварийный останов ВЭУ

3.2 Используемая схема ВЭУ

3.3 Реализация системы управления

3.3.1 Разработка системы управления ВЭУ в среде MATLAB с применением пакета прикладных программ Simulink

3.3.2 Нечеткая система управления ВЭУ

3.3.3 Нечеткая модель управления ветроэнергетической установкой в среде MATLAB с применением пакета прикладных программ Simulink и Fuzzy Logic Toolbox

Выводы и результаты третьей главы

4 Экспериментальная проверка системы управления ВЭУ с горизонтальной осью вращения

4.1 Описание экспериментальной установки 112 4.1.1 Аэродинамическая труба для экспериментальной продувки ветрогенераторов

4.1.2 Описание конструкции макетного образца ВЭУ

4.2 Оценка погрешностей измерений

4.3 Практическая реализация разработанной САУ

4.4 Описание эксперимента

4.5 Результаты экспериментальной проверки разработанной системы управления

Выводы и результаты четвертой главы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Синтез нечеткого регулятора угла положения лопастей для адаптивной системы управления ветроэлектрической установкой»

Актуальность темы

Традиционная энергетика, в большей своей части топливная, несмотря на мероприятия по охране окружающей среды оказывает серьёзное отрицательное влияние на природу и животный мир, регулярно загрязняя атмосферу и водоёмы продуктами сгорания. Помимо этого запасы топлива на планете далеко не безграничны, что заставляет учёных и инженеров постоянно заниматься поиском новых энергетических технологий и источников энергии.

Одной из очевидных альтернатив традиционной энергетики является развитие технологии использования возобновляемых источников энергии, в том числе и энергии ветра.

Однако эффективное использование энергии ветра возможно лишь при условии решения ряда проблем технического и экономического характера. Технические проблемы связаны с низкой плотностью энергии воздушного потока, что заставляет для получения ощутимых результатов строить достаточно масштабные сооружения. Следует также признать, что наибольшим препятствием для использования ветроэнергетических установок пока является высокая стоимость производимой ими электроэнергии. Хотя многое здесь достигнуто, наиболее сложной задачей, имеющей первостепенное значение, остаётся разработка дешёвых и эффективных ветроэнергетических установок, способных надёжно работать в автоматическом режиме в течение многих лет и обеспечивать бесперебойную эксплуатацию при минимальном периодическом обслуживании

Важнейшей характеристикой, определяющей энергетическую ценность ветра, является его скорость, которая определяется множеством природных факторов и изменяется по случайному закону. Данную проблему можно решить при помощи высокоточного автоматического регулирования ветрогенераторов, а использование в регуляторах современных недорогих микроконтроллеров позволяет минимальными затратами повысить КПД.

Крыльчатые ветроколеса, являющиеся основным типом первичных преобразователей энергии в ВЭУ представлены широкой гаммой типоразмеров, однако тенденции их поведения при изменении скорости ветра одинаковы, что предполагает возможность применения принципов нечеткого регулирования. Кроме этого, применение регуляторов нечеткого тип позволяет исключить из структуры САУ значительное количество датчиков, что влечет за собою повышение надежности и снижение стоимости установок в целом.

Диссертационная работа выполнена в рамках научного направления Международного института компьютерных технологий «Объектно-ориентированные электротехнические и энергетические системы».

Цель и задачи работы

Целью данной работы является исследование работы горизонтально-осевой ВЭУ и синтез нечеткого регулятора угла положения лопастей для адаптивной системы управления, позволяющей максимизировать выработку электроэнергии.

Методы исследований

Для решения поставленных задач использовались методы системного анализа, математического моделирования, классической теории управления, а так же методы, основанные на теории нечетких множеств. Для моделирования использовался пакет прикладных программ МАТЪАВ 7.

Научная новизна

В диссертации получены следующие результаты, характеризующиеся научной новизной:

- предложена новая структурная модель процесса преобразования энергии ветра в электрическую энергию, отличающаяся наличием статических преобразователей и буферного накопителя;

- разработана новая математическая модель ВЭУ, отличающаяся учетом аэродинамических потерь ветроколеса и позволяющая исследовать поведение комплекса в динамике;

- впервые разработан алгоритм работы САУ ВЭУ с нечетким регулятором угла положения лопастей, обеспечивающий максимальную выработку электроэнергии;

- на основании предложенного алгоритма впервые разработана структура системы управления на базе нечеткой логики с использованием регулятора угла положения лопастей.

Практическая значимость работы

Практическая ценность работы заключается в следующем:

- разработана новая схема системы управления ВЭУ с нечетким регулятором угла положения лопастей;

- предложены схемные решения, позволяющие повысить выработку электроэнергии ветроэлектрических комплексов.

Реализация и внедрение результатов работы

Результаты диссертационного исследования использовались организацией ООО «Научно-исследовательский институт механотроники -Альфа» в инновационном проекте «Синхронный генератор широкодиапазонной ветроэнергетической установки малой мощности с микропроцессорной системой возбуждения».

Апробация работы

По результатам исследования опубликовано 9 печатных работ.

Основные положения диссертационной работы обсуждались и получили одобрение на всероссийских научно-технических конференциях «Новые технологии в научных исследованиях, проектировании, управлении, производстве» (г. Воронеж, 2007 - 2008 г.); международных конференциях «Высокие технологии энергосбережения» (г. Воронеж, 2005 и 2007 г.); международной научно-методической конференции «Информатика: проблемы, методология, технологии» (г. Воронеж 2009 г.) и конференции «Образовательные, научные и инженерные приложения в среде Lab VIEW и технологии National Instruments » (г. Москва 2008 и 2009 г.).

Кроме того, результаты диссертации опубликованы в научно-технических журналах «Электротехнические комплексы и системы» и «Системы управления и информационные технологии».

Публикации

Результаты проведенных исследований опубликованы в 9 печатных работах, из них 1 работа в издании, рекомендованном ВАК РФ (список работ приведен в конце автореферата). В работах, опубликованных в соавторстве, соискателем сделано следующее: в [1] произведен синтез нечеткого регулятора угла установки лопастей для адаптивной системы управления ВЭУ; [2] разработана программа, позволяющая провести моделирование механических характеристик крыльчатых ветроколес; [3] разработана математическая модель ВЭУ, отличающаяся учетом аэродинамических потерь ветроколеса и позволяющая исследовать поведение комплекса в динамике; [6] проведен анализ режимов работы характерных для автономных ветроэнергетических установок; [7] разработана модель изменения скорости ветра и показана ее роль при синтезе системы управления ВЭУ; [9] реализована система управления двигателями постоянного тока из среды MATLAB.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений; содержит 164 страницы, 93 рисунка, 9 таблиц. Список литературы состоит из 102 наименований.