Ветроэнергетическая установка

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ(71) Заявитель Горностай Александр Владимирович(72) Авторы Горностай Александр ВладимировичРолик Юрий АнатольевичГончар Анатолий Андреевич(73) Патентообладатель Горностай Александр Владимирович(57) Ветроэнергетическая установка, содержащая ветродвигатель, генератор, датчики контролируемых параметров частоты вращения генератора, напряжения и тока нагрузки, подключенные к проверяемым выходам, и регулятор, соединяющий генератор через соответствующие блоки коммутации с приоритетной и обычной нагрузками, отличающаяся тем, что регулятор выполнен в виде цифрового решающего блока, снабженного цифровыми преобразователями частоты вращения генератора, напряжения и тока нагрузки,блоком программного управления, вычислительными блоками значений нагрузки и мощностной характеристики ветродвигателя, сравнивающим блоком, блоком допустимых отклонений, блоком вычисления отклонения от допустимого значения, блоком переключения,блоками формирования управляющих сигналов на подключение нагрузки, при этом входы цифровых преобразователей частоты вращения генератора, напряжения и тока нагрузки связаны с выходами соответствующих датчиков частоты вращения генератора, напряжения и тока нагрузки, выходы цифровых преобразователей напряжения и тока нагрузки подключены ко входам вычислительного блока значений нагрузки, выход которого подключен к одному входу сравнивающего блока, другой вход которого подключен к выходу вычислительного блока мощностной характеристики ветродвигателя, входы которого подключены к 76882011.10.30 выходу цифрового преобразователя частоты вращения генератора и к выходу блока программного управления, другие выходы которого подключены - один ко входу вычислительного блока значений нагрузки, а другой - ко входу блока допустимых отклонений,выход которого подключен к одному входу блока вычисления отклонения от допустимого значения, другой вход которого подключен к выходу сравнивающего блока, а выход блока вычисления отклонения от допустимого значения подключен ко входу блока переключения, выходы которого подключены ко входам блоков формирования управляющих сигналов на подключение нагрузки, выходы которых подключены к соответствующим блокам коммутации.(56) 1. Твайделл Дж., Уэйр А. Возобновляемые источники энергии Пер. с англ. - . Энергоатомиздат, 1990. - С. 234, рис. 9.23 (в). 2. Патент Латвийской Республики -11917, 1997. 3. Шефтер Я. И. Использование энергии ветра. - ., 1975. - С. 168-170. Полезная модель относится к области ветроэнергетики, а точнее - к технике преобразования кинетической энергии ветра в электрическую. Известна ветроэнергетическая установка, содержащая ветродвигатель, генератор,электронный коммутатор нагрузок, включенный между генератором и нагрузкой, и обеспечивающий в зависимости от скорости ветра изменение числа подключаемых к генератору приемников электрической энергии 1. Недостатком такой установки является сложность управления, поскольку для его реализации используется электрическое управление, которое требует большого количества электронного оборудования для коммутации нагрузок, определения приоритетности их подключения и самих величин в соответствии с имеющимися возможностями ветродвигателя. При этом нагрузка подключается ступенчато, с недостаточным уровнем дискретизации, чем не обеспечивается точное согласование мощностных характеристик ветродвигателя и значений подключаемой нагрузки в каждый момент времени. Поэтому эффективность такой установки остается еще недостаточной. Известна также ветроэнергетическая установка, содержащая ветродвигатель, генератор, датчики контролируемых параметров частоты вращения генератора, напряжения и тока нагрузки, подключенные к проверяемым выходам, и регулятор, соединяющий генератор через соответствующие блоки коммутации с приоритетной и обычной нагрузками 2 - прототип. Недостатком такой ветроэнергетической установки является также недостаточная эффективность управления генератором, поскольку в этом случае используется датчик ветра и импульсный генератор для подключения нагрузок. При этом хотя и обеспечивается электрическое торможение генератора в соответствии с законом работы ветродвигателя,тем не менее не происходит точной адаптации ветродвигателя и нагрузки, т.е. не обеспечивается его оптимальная по мощности загрузка. Все это значительно снижает коэффициент полезного действия установки. Задача, которую решает данная полезная модель, заключается в усовершенствовании конструкции и повышении коэффициента полезного действия ветроэнергетической установки путем оптимальной загрузки ветродвигателя. Это достигается тем, что в ветроэнергетической установке, содержащей ветродвигатель, генератор, датчики контролируемых параметров частоты вращения генератора, напряжения и тока нагрузки, подключенные к проверяемым выходам, и регулятор,соединяющий генератор через соответствующие блоки коммутации с приоритетной и обычной нагрузками, согласно полезной модели, регулятор выполнен в виде цифрового 2 76882011.10.30 решающего блока, снабженного цифровыми преобразователями частоты вращения генератора, напряжения и тока нагрузки, блоком программного управления, вычислительными блоками значений нагрузки и мощностей характеристики ветродвигателя, сравнивающим блоком, блоком допустимых отклонений, блоком вычисления отклонения от допустимого значения, блоком переключения, блоками формирования управляющих сигналов на подключение нагрузки, при этом входы цифровых преобразователей частоты вращения генератора, напряжения и тока нагрузки связаны с выходами соответствующих датчиков частоты вращения генератора, напряжения и тока нагрузки, выходы цифровых преобразователей напряжения и тока нагрузки подключены ко входам вычислительного блока значений нагрузки, выход которого подключен к одному входу сравнивающего блока, другой вход которого подключен к выходу вычислительного блока мощностной характеристики ветродвигателя, входы которого подключены к выходу цифрового преобразователя частоты вращения генератора и к выходу блока программного управления, другие выходы которого подключены - один ко входу вычислительного блока значений нагрузки, а другой ко входу блока допустимых отклонений, выход которого подключен к одному входу блока вычисления отклонения от допустимого значения, другой вход которого подключен к выходу сравнивающего блока, а выход блока вычисления отклонения от допустимого значения подключен ко входу блока переключения, выходы которого подключены ко входам блоков формирования управляющих сигналов на подключение нагрузки, выходы которых подключены к соответствующим блокам коммутации. Функциональная схема ветроэнергетической установки изображена на фиг. 1. Ветроэнергетическая установка содержит ветродвигатель 1, генератор 2, датчики частоты вращения 3 генератора, напряжения 4 и тока 5 нагрузки, регулятор 6, блоки 7, 8 и 9 коммутации нагрузок, приоритетная нагрузка 10 и обычная нагрузка 1112. Регулятор 6 (см. фиг. 1) выполнен в виде цифрового решающего блока и содержит цифровые преобразователи частоты вращения 13 генератора, напряжения 14 и тока 15 нагрузки, блок 16 программного управления, вычислительные блоки 17 значений нагрузки и 18 мощностной характеристики ветродвигателя, сравнивающий блок 19, блок 20 допустимых отклонений, блок 21 вычисления отклонения от допустимого значения, блок 22 переключения, блоки 23 и 24 формирования управляющих сигналов на подключение нагрузки. Датчики 3, 4, и 5 подключены к проверяемым выходам ветроэнергетической установки. Регулятор 6 соединяет генератор 2 через блок 7 с приоритетной нагрузкой 10, а через блоки 8 и 9 с обычными нагрузками 1112. Входы цифровых преобразователей частоты вращения 13 генератора, напряжения 14 и тока 15 нагрузки связаны с выходами соответствующих датчиков частоты вращения 3 генератора, напряжения 4 и тока 5 нагрузки. Выходы цифровых преобразователей напряжения 14 и тока 15 нагрузки подключены ко входам вычислительного блока 17 значений нагрузки. Выход блока 17 подключен к одному входу сравнивающего блока 19, другой вход блока 19 подключен к выходу вычислительного блока 18 мощностной характеристики ветродвигателя. Входы блока 18 подключены к выходу цифрового преобразователя тока нагрузки 15 генератора и к выходу блока 16 программного управления. Другие выходы блока 16 подключены один ко входу вычислительного блока 17 значений нагрузки, а другой - ко входу блока 20 допустимых отклонений. Выход блока 20 подключен к одному входу блока 21 вычисления отклонения от допустимого значения. Другой вход блока 21 подключен к выходу 5 сравнивающего блока 19. Выход блока 21 подключен ко входу блока 22 переключения. Выходы блока 22 подключены ко входам блоков 23 и 24 формирования управляющих сигналов на подключение нагрузки. Выходы блоков 23 и 24 подключены к соответствующим блокам 7, 8 и 9 коммутации нагрузок 10, 1112. На вход блоков 13, 14 и 15 подаются напряжения, пропорциональные частоте вращениягенератора 2, напряжению нагрузкии току нагрузки . Блоки 13, 14 и 15 осуществляют преобразование электрических сигналов, снимаемых с датчиков 3, 4 и 5, в цифровой код. 3 76882011.10.30 Блок 16 программного управления координирует работу блоков 17, 18 и 20 путем непрерывной обработки программ уравнивания подводимой к генератору 2 мощности, вырабатываемой ветродвигателем 1, с мощностью имеющейся нагрузки 1012. При этом вырабатываемая в каждый момент времени мощностьгенератора 2 определяется следующим выражением(1),где- число фаз- коэффициент мощности. Блок 17 по командам блока 16 непрерывно производит вычисление текущих значений мощности генератора по формуле (1). Рассчитанные таким образом параметры определяют значения нагрузки 1012, требуемые для подключения в текущий момент времени. Это необходимо, чтобы оптимально нагрузить генератор 2 и, следовательно, более эффективно использовать ветродвигатель 1. В блоке 18 также по командам блока 16 происходит непрерывный расчет мощностной характеристики ветродвигателя 1. Для этого используются значения частоты вращениягенератора 2, снимаемые с датчика 3, и коэффициент быстроходности(2)/(60),где- диаметр ветроколеса ветродвигателя- скорость ветра. Согласно 3 мощность ветродвигателя 1 определяется выражением 0,48123,(3) где- коэффициент использования ветра, рассматриваемый как функция быстроходности . Выразив скорость ветрачерез частоту вращенияи коэффициент быстроходности ,получим в общем виде связь между мощностью ветродвигателя и частотой его вращения 5 Это дает возможность использовать формулу (4) блоком 18 для расчета мощностей характеристики ветродвигателя 1 в каждый момент времени для заранее известной зависимости. В блоке 19 происходит непрерывное сравнение выражений (1) и (4) и формирование сигнала рассогласования. В памяти блока 20 хранятся допустимые значения сигналов рассогласования, снимаемых с блока 19. В блоке 21 происходит вычисление отклонения сигнала рассогласования (разности мощностей (1) и (4 от допустимого значения, поступаемого с блока 20, и формирование сигнала в блок переключения 22, если отклонение выше допустимого. Блок 22 осуществляет поочередное или одновременное включение блоков 23 и 24 формирования управляющих сигналов на подключение нагрузки. Блоки 23 и 24 по командам блока 22 осуществляют управление коммутационными блоками 7, 8 и 9. При этом они обеспечивают постоянное изменение значений подключаемой приоритетной 10 и обычной 1112 нагрузки и, следовательно, дозирование ветродвигателя 1 только той нагрузкой, которая в данный момент времени является для него расчетной. Таким образом, в каждый момент времени нагрузка на ветродвигателе 1 будет ни больше требуемой, т.е. приводящей к торможению, ни меньше необходимой, приводящей к быстрому раскручиванию ветроколеса, срыву потока и работе ветроэнергетической установки на холостом ходу. Ветроэнергетическая установка работает следующим образом. 76882011.10.30 При увеличении скорости ветра ветродвигатель 1 выработает большую мощность, чем это было в предыдущий момент времени. Это состояние будет зафиксировано датчиком 3 путем увеличения значения частоты вращениягенератора 2. В отличие от этого датчики 4 и 5 будут фиксировать состояние системы в предыдущий момент времени, т.е. значения напряженияи токанагрузки для того момента, когда значение скорости ветра еще не возросло. Сигналы с выходов датчиков 3, 4 и 5 поступят в свои цифровые преобразователи 13, 14 и 15, где преобразуются в коды. Эти коды затем поступят в вычислительные блоки 17 и 18. Блок 18 при этом рассчитает новое значение мощности ветродвигателя 1,соответствующее возросшей скорости ветра, и выдаст это значение в блок 19. На второй вход блока 19 в этот момент поступит сигнал с блока 17, соответствующий расчетным значениям нагрузки в предыдущий момент времени, т.е. еще до возрастания скорости ветра. Блок 19 в результате сравнения зафиксирует рассогласование появившейся большей мощности в ветродвигателе 1 и имеющейся в данный момент времени в подключенной нагрузке 1012. Полученный сигнал рассогласования с выхода блока 19 поступит в блок 21. В блоке 21 этот сигнал будет сравнен с допустимым отклонением, поступившим в блок 21 из блока 20. При этом в блоке 21 будет рассчитано отклонение от допустимого значения и зафиксировано, что оно выше допустимого, а также сформирована команда в блок 22. После этого блоком 22 будут выданы соответствующие команды на блоки 23 и 24. Затем блоки 23 и 24 выдают свои сигналы в блоки коммутации 79, которые подключат требуемую в данный момент времени нагрузку 1012, достаточную для того, чтобы эффективно загрузить ветродвигатель 1 в соответствии с его возросшей мощностью . При этом с ростом значения подключаемой нагрузки соответствующим образом изменится состояние датчиков 4 и 5. Сигналы с выходов датчиков через цифровые преобразователи 14 и 15 поступят на обработку в блок 17. Далее блок 17 рассчитает новое значение подключенной в данный момент времени нагрузки, которое, сравниваясь в блоке 19 с имеющимся значением мощности ветродвигателя 1, уже даст другое рассогласование или оно вообще будет отсутствовать. Поэтому после сравнения в блоке 21 с допустимым отклонением, поступающим из блока 20, команда на включение блока 22 не формируется и дальнейших коммутаций нагрузок 1012 не происходит, т.к. ветродвигатель 1 работает в оптимальном режиме. При уменьшении скорости ветра ветродвигатель 1 выработает уже меньшую мощность, чем в ранее описанный момент времени. Это состояние будет также зафиксировано датчиком 3 путем соответствующего уменьшения значения частоты вращения генератора 2. В свою очередь датчики 4 и 5 будут фиксировать состояние системы в вышеописанный,предыдущий момент времени, т е. значения напряжения и тока нагрузки, соответствующие для еще не уменьшенного значения скорости ветра. Блок 18 также рассчитает новое текущее значение мощности ветродвигателя 1, соответствующее уже уменьшенной скорости ветра, и выдаст это значение в блок 19. На другой вход блока 19 в этот момент поступит сигнал с блока 17, соответствующий расчетным значениям нагрузки в предыдущий момент времени, т.е. еще до уменьшения скорости ветра. Блок 19 в результате сравнения зафиксирует рассогласование появившейся меньшей мощности в ветродвигателе 1 и имеющейся мощности - большей, в данный момент, в подключенной нагрузке 1012. Этот сигнал рассогласования с выхода блока 19 снова поступит в блок 21. В блоке 21 он будет также сравнен с допустимым отклонением, поступившим в блок 21 из блока 20. При этом в блоке 21 будет рассчитано отклонение от допустимого значения и зафиксировано,что оно также выше допустимого и потому будет сформирована команда в блок 22. Блоком 22 снова будут выданы соответствующие команды на блоки 23 и 24. Далее блоки 23 и 24 выработают свои сигналы в блоки коммутации 79, которые и отключат требуемую в данный момент времени нагрузку 1012, такую, чтобы разгрузить ветродвигатель 1 в соответствии с его снизившейся мощностью. При этом с уменьшением значения подключаемой нагрузки снова изменится состояние датчиков 4 и 5. Блок 17 опять рассчитает 5 76882011.10.30 новое значение подключенной нагрузки, которое, сравниваясь в блоке 19 с требуемым значением мощности ветродвигателя 1, опять же даст другое рассогласование или оно также будет отсутствовать. Поэтому так же, как и в предыдущем случае, сравниваясь в блоке 21 с допустимым отклонением, поступающим из блока 20, команда на включение блока 22 вырабатываться не будет и дальнейших коммутаций нагрузок 1012 происходить также не будет, поскольку ветродвигатель 1 работает в оптимальном режиме. Описанный процесс, обладающий высоким быстродействием, зависящим в основном от тактовой частоты работы элементов цифровой техники, будет непрерывно повторяться и, следовательно, ветродвигатель 1 будет постоянно работать в оптимальном режиме отдачи мощности, обеспечивающем высокий коэффициент полезного действия. Таким образом, предлагаемая ветроэнергетическая установка обеспечивает высокую эффективность преобразования энергии за счет цифрового регулирования, которое создает условия работы ветродвигателя в режиме производства наибольшей мощности при любой скорости ветра. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 6