Электротехнический комплекс с адаптивным управлением для ветроэнергетической установки переменного тока

Мазалов, Андрей Андреевич

автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Электротехнический комплекс с адаптивным управлением для ветроэнергетической установки переменного тока

кандидата технических наук: Мазалов, Андрей Андреевич
город: Таганрог
год: 2012
специальность ВАК РФ: 05.09.03

Диссертация по электротехнике на тему «Электротехнический комплекс с адаптивным управлением для ветроэнергетической установки переменного тока»

Автореферат диссертации по теме "Электротехнический комплекс с адаптивным управлением для ветроэнергетической установки переменного тока"

На правах рукописи

Мазалов Андрей Андреевич

ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС С АДАПТИВНЫМ УПРАВЛЕНИЕМ ДЛЯ ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Специальность 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

17 ян8 т

Новочеркасск - 2012

005048516

Работа выполнена в Федеральном государственном автономном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Южный Федеральный университет» на кафедре «Электротехники и мехатроники» Научный руководитель: доктор технических наук,

доцент

Медведев Михаил Юрьевич

Официальные оппоненты: Петрушин Александр Дмитриевич

доктор технических наук, профессор ФГБОУ ВПО «РГУПС»,

профессор каф. «Электрический подвижной состав»

Рожков Виктор Иванович

кандидат технических наук, доцент ФГБОУ

ВПО «ЮРГТУ(НПИ)»,

доцент каф. «Электромеханика»

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Донской государственный

технический университет» (ДГТУ)

Защита диссертации состоится «25» января 2013 г. в 10 ч. 00 м. на заседании диссертационного совета Д. 212.304.01 при федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт)» в аудитории 149 главного корпуса по адресу: 346428, г. Новочеркасск, Ростовская область, ул. Просвещения, 132.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования "Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт)". Автореферат диссертации размещен на официальном сайте ВАК http://vak.ed.gov.ru и ФГБОУ ВПО «ЮРГТУ(НПИ)» www.npi-tu.ru.

Автореферат разослан «_[0-» декабря 2012 г.

Отзыв на автореферат (в двух экземплярах, заверенных печатью) прошу направлять по адресу: 346428, г. Новочеркасск Ростовской области, ул. Просвещения, 132, Ученый совет ФГБОУ ВПО «ЮРГТУ(НПИ)», ученому секретарю.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.304.01 ЛлУ""""^--" Г

д.т.н., доцент Ф/чХ^— Колпахчьян П.Г.

Общая характеристика работы

Актуальность темы диссертации. В последнее время наблюдается быстрый рост установленных ветроэнергетических мощностей. Совершенствование ветровых турбин и рост мощностей позволяют энергии ветра конкурировать с традиционными источниками энергии. В результате, ветроэнергетические установки участвуют в производстве энергии во многих странах мира.

Актуальной проблемой в ветроэнергетике является разработка методов, обеспечивающих генерацию напряжения с требуемыми параметрами, в изменяющихся условиях окружающей среды при минимизации стоимости получаемой электроэнергии. Это становится возможным за счёт разработки и внедрения новых технических решений, одним из которых является применение в качестве генератора ветроэнергетической установки (ВЭУ) машины двойного питания (МДП). Применение МДП позволяет создавать ВЭУ, функционирующие при переменной частоте вращения лопастей, снизить мощность преобразователя до 50% от мощности всей установки за счет размещения такого преобразователя в управляющей цепи.

Функционирование ВЭУ с МДП при изменении в широких пределах скорости ветра и величины нагрузки требует разработки адаптивной системы управления, компенсирующей влияние внешних возмущений.

Указанные факторы обуславливают интерес к решению проблемы синтеза адаптивных систем управления ветроэнергетическими установками. Различным аспектам этой проблемы посвящены работы зарубежных (Petersson А., В. Rabelo, W. Hofmann, Р. Mutschier, R. Datta, Y. Tang, M. G. Ioannides, Т. Ranga-nathan, Miguel E. González) и отечественных (A.P. Гайдук, B.X. Пшихопов, М.Ю. Медведев, P.A. Нейдорф, Ю.В. Подураев, Н.П. Лавров, Ю.С.Васильев, В.И. Виссарионов, Б.И. Силаев, Н.И. Матвиенко, В.А. Кузнецова, М.Г. Тягунов и др.) ученых.

Большинство предложенных подходов к синтезу систем управления электротехническими комплексами (ЭТК) для ВЭУ базируется на математическом описании генератора переменного тока во вращающихся "dq" координатах с дальнейшей линеаризацией моделей. Использование упрощающих подходов ограничивает разработанные системы управления локальной окрестностью режима, для которого проведена линеаризация. При существенной вариации условий работы это может не позволить достичь требуемых количественных показателей, и привести к потере устойчивости.

В этой связи, актуальность задачи разработки методов адаптивного управления ЭТК для ВЭУ определяется, с одной стороны, востребованностью и широким распространением ветроэнергетических установок, а с другой - недостаточной проработанностью методов синтеза адаптивных систем управления (СУ) ветроэнергетических установок.

Целью исследования является повышение эффективности ветроэнергетических установок переменного тока за счет применения новых методов адаптивного управления ЭТК с машинами двойного питания.

Научная задача, решение которой содержится в диссертации, - разработка электротехнического комплекса с адаптивным управлением, обеспечивающего улучшение характеристик переменно-скоростных ветроэнергетических установок и повышение качества генерируемого напряжения при изменении в широком диапазоне возмущающих воздействий, а также исследование компонентов такого электротехнического комплекса методами математического и компьютерного моделирования.

Основные задачи исследования:

- разработка методов стабилизации амплитуды и частоты генерируемого ВЭУ переменного напряжения;

- разработка переменно-скоростного ЭТК для ВЭУ с МДП и адаптивной СУ;

- разработка адаптивных к ветровым возмущениям и подключаемой электрической нагрузки законов управления ЭТК для ВЭУ с МДП;

- моделирование и исследование разработанного переменно-скоростного ЭТК для ВЭУ с МДП и синтезированных адаптивных систем управления;

- экспериментальное подтверждение качественной работы разработанного переменно-скоростного ЭТК для ВЭУ с МДП и синтезированных адаптивных систем управления.

Объектом исследования в диссертации является процесс генерирования электроэнергии переменно-скоростным ветроэнергетическим комплексом.

Предметом исследования являются методы анализа, синтеза и структурно-алгоритмической реализации адаптивных систем управления ЭТК с МДП для обеспечения устойчивости и качества генерируемой электроэнергии при учёте различных возмущений.

Методы исследования основаны на использовании методов теории электрических машин, теории управления, методах синтеза нелинейных систем управления, методах имитационного моделирования. Проверка эффективности полученных в ходе работы теоретических результатов осуществлялась средствами численного моделирования в среде МАТЬАВ и подтверждена результатами экспериментов.

Достоверность полученных результатов:

- обеспечивается применением известных методов теории автоматического управления, а также использованием адекватного математического аппарата;

- обеспечивается применением общепринятых математических моделей и законов электротехники, теории электрических машин, численных методов решения дифференциальных уравнений;

- подтверждается результатами экспериментов и компьютерного моделирования;

- согласуется с данными экспериментов и результатами исследований других авторов, представленными в печатных изданиях.

Наиболее существенные новые научные результаты, полученные автором:

- метод управления МДП в составе ЭТК для переменно-скоростной ВЭУ, позволяющий повысить качество генерируемого переменного напряжения, посредством использования адаптивного к внешним возмущениям закона управления, учета нелинейности и многосвязности математической модели МДП;

- способ стабилизации частоты и амплитуды генерируемого напряжения МДП посредством управления процессом генерирования электроэнергии, отличающийся управлением амплитуды и частоты переменного напряжения возбуждения, подающегося на фазный ротор МДП, и адаптивного закона управления.

- методика разработки компьютерного комплекса моделирования работы ЭТК для ВЭУ с МДП, позволяющая производить исследования синтезированной системы управления на этапе проектирования, отличающаяся учетом нелинейных свойств исследуемых процессов.

Основные положения, выносимые на защиту:

- Способ стабилизации частоты и амплитуды генерируемого напряжения МДП в составе ЭТК для ВЭУ, отличающийся расположением инвертора в цепи фазного ротора, что позволяет использовать преимущества электронной стабилизации частоты и амплитуды выходного напряжения при меньшей мощности используемого инвертора;

- Метод управления автономным ветроэнергетическим комплексом, отличающийся алгоритмом настройки коэффициентов ПИ-регулятора на основе обратных связей по скольжению и току нагрузки, что позволяет адаптироваться к изменяющейся нагрузке и механической частоте вращения вала;

- Метод непрямого адаптивного управления автономного ЭТК с МДП для ВЭУ, отличающийся робастными алгоритмами оценивания, основанными на скользящей аппроксимации возмущений, что позволяет адаптироваться к изменению параметров генератора и нагрузки.

Практическая ценность работы. Представленные результаты могут быть использованы при проектировании и исследовании систем управления ЭТК для ветроэнергетических установок с генераторами переменного тока. Разработанные подходы позволяют придать переменно-скоростным ВЭУ переменного тока новые функциональные возможности и повысить качество генерируемой электроэнергии в широком диапазоне метеоусловий, снизить стоимость разработки ветроэнергетической системы.

Апробация работы. Основные результаты исследований по теме диссертации докладывались на X Всероссийской научной конференции студентов и аспирантов «Техническая кибернетика, радиоэлектроника и системы управления», г. Таганрог, 2010 г.; Всероссийской научной школы «Микроэлектронные информационно-управляющие системы и комплексы», г. Новочеркасск 2011 г. I молодежной школе-семинаре «Управление и обработка информации в технических системах», п. Домбай, 2009 г.; конференции профессорско-преподавательского состава ТТИ ЮФУ, г. Таганрог, в 2011 и 2012 годах.

Реализация и внедрение результатов работы. Теоретические и практические результаты, полученные в рамках данной работы, внедрены на предпри-

ятии ООО «Комтехсервис», используются в учебном процессе кафедры электротехники и мехатроники ЮФУ при выполнении лабораторных, курсовых и дипломных работ.

Публикации. Основные результаты исследований по теме диссертации изложены в 9 печатных работах, в том числе 5 статей в ведущих научных изданиях, рекомендованных ВАК для публикации результатов работ по диссертациям на соискание ученой степени кандидата технических наук, 3 доклада в материалах Всероссийских и международных конференций. Программная модель системы управления асинхронным генератором ветроэнергетической установки защищена свидетельством.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 102 наименований и содержания. Основная часть работы составляет 158 страниц и включает в себя 75 рисунков, 74 формулы и 2 таблицы.

Краткое содержание диссертации

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, определены цель и задачи исследований, выделены основные положения работы, имеющие новизну и практическую значимость.

В первой главе рассмотрены общие вопросы преобразования энергии ветра и обоснованы основные причины интенсивного развития ветроэнергетических установок в мире. Выявлено, что распространение автономных ВЭУ, генерирующих электроэнергию, соответствующую ГОСТу, сдерживается из-за высокой стоимости преобразующего электрооборудования, входящего в их состав. Особенно актуально решение указанной проблемы для России, где становится наиболее выгодно использовать ВЭУ, исключив преобразовательные устройства из системы, например, для нагрева воды.

В работе предложена структура автономной ВЭУ, а также адаптивная система управления в её составе, которые решают задачу требуемого взаимодействия отдельных узлов ветроэнергетического комплекса, поддерживая его эффективность на высоком уровне.

Сформулирована и решена задача разработки структуры ВЭУ, которая:

1) Позволяет оказывать влияние на общий магнитный поток генератора, что достигается посредством изменения переменного напряжения возбуждения в цепи фазного ротора.

2) Обеспечивает эффективное функционирование в широком диапазоне скоростей ветра при номинальной электрической нагрузке.

3) Обеспечивает снижение мощности преобразователя.

трансформатор

потреоитель

Преобразователь частоты

Рисунок 1. Структура ВЭУ. Тип С

При анализе существующих структурных схем выявлено, что с точки зрения предъявленных требований наиболее перспективен тип ВЭУ, называемый по международной классификации тип С (см. рис. 1). Генератором в таких ВЭУ является МДП или асинхронный генератор с фазным ротором (АГФР).

Использована математическая модель МДП во вращающихся сЦ координатах, записанная относительно производных токов по времени. Система уравнений, описывающая электрическую и механическую подсистемы МДП, представлена в следующем виде:

сИ ¿1

) , К К (¿,',/г + V* ) - К'аг + К

ЧГ .

-¿л+4

- ЬГЬ5 + ъ„х

л

Ыг ■

¿А +4

Ьт{сог{Ьг1чг + К,г

- ¿А + 4

+ ^г^дг + УЧг

ЬГЬ!! +4

1*{°>Л1г'дг + £»' + УЯГ

- ¿А + 4

<и

со ... =

2 Н

-(Те - - Т )

(1)

-в „, = (О

Л "'

(2)

где т т - угловая механическая частота вращения ротора, сог - угловая частота вращения магнитного поля ротора, со - угловая частота вращения координат, Те,Тт- электромагнитный и механический моменты, Р,Н-коэффициенты трения и инерции, индуктивности обмоток ротора,

статора и взаимная индуктивность, Кг, й, - сопротивления обмоток ротора и

статора,, ¡[^, Учг, Уиг — напряжения статора и ротора по осям d и q,

'<л , V > '(/г > 'V _ токи статора и ротора по осям с1 и

Отмечено, что уравнения (1) и (2) представляют собой многосвязную систему нелинейных дифференциальных уравнений, что накладывает дополнительные требования, предъявляемые к используемым методам синтеза адаптивных систем управления ветроэнергетического комплекса.

Вторая глава посвящена разработке методов адаптивного управления ЭТК для автономных ВЭУ. Предложены несколько подходов к синтезу адаптивных СУ, использующие как линеаризованную упрощенную математическую модель генератора, так и нелинейную математическую модель с учетом возмущений.

Целью управления является обеспечение в установившемся режиме частоты и амплитуды выходного напряжения, удовлетворяющего ГОСТ 13109-97: предельно допустимые значения установившегося отклонения частоты равны +/-0,4 %, а напряжения +/-10% от номинального напряжения сети. В качестве управляющих воздействий будут использованы оба управляющих канала — частота и амплитуда напряжения возбуждения МДП в составе ЭТК. Во избежание выхода из строя ВЭУ, необходимо контролировать токи статора и ротора.

Система управления

Датчики ЗФ токи и напряжения статора Алгоритмы стабилизации амплитуды + Амплитуда

ЗФ токи и напряжения ротора напряжения возбуждения Инвертор

Скорость вращения ротора Частота напряжения возбуждения Управление АБ

->

Алгоритмы стабилизации частоты 1 Передача

^ параметров ^ Общий контроль и защита от аварийных режимов Оборудова ние ВЭУ

Панель оператора Задание параметров Управление АВ

Индикация и сигнализация

Рисунок 2 — Структура системы управления автономной ВЭУ

Разработанная структура адаптивной СУ (см. рис.2) состоит из трёх взаимосвязанных блоков, каждый из которых решает свою подзадачу: стабилизацию частоты; стабилизацию амплитуды; общий контроль над энергоустановкой и её защита.

Предполагается, что токи и напряжения ротора и статора, а также скорость вращения ротора измеряются. С помощью панели оператора происходит конфигурирование установки, вносятся паспортные данные и параметры генератора, предельные значения токов ротора и статора, а также другие настройки.

Адаптивные СУ на основе упрощенной математической модели генератора строятся на основе Т-образной схемы замещения, получаемой из линеаризованной модели МДП.

Частота выходного напряжения в данном случае, как известно, определяется соотношением:

fс mam ~~ feoió fea.ia ' Р ^ ^

где fвозе частота напряжения возбуждения; р —число пар полюсов; feaia — частота вращения вала; fcmam - частота напряжения статора.

Выражение (3) показывает, что частота выходного напряжения прямо зависит от управления feo3í>. Это позволяет реализовать инвариантную с точностью до переходных процессов по /„ш„- систему стабилизации частоты fcmam:

3возб fcmam ffíaja ' Р

/•О '

где /„„a - желаемая частота выходного напряжения.

Стабилизация амплитуды генерируемого напряжения более сложна, так как амплитуда связана не только с частотой вращения ротора и величиной подключённой электрической нагрузки, но также и с внутренними параметрами самого генератора. Подробно рассмотрены следующие способы стабилизации амплитуды.

1) Метод переменного коэффициента трансформации. Принимая во внимания тот факт, что процессы в МДП с неподвижным ротором аналогичны процессам в трансформаторе той же мощности, предложено рассматривать МДП с вращающимся ротором как трансформатор с изменяющимся коэффициентом трансформации. Адаптивная СУ рассчитывает коэффициент трансформации при неподвижном роторе, и далее умножает на два поправочных коэффициента, учитывающих текущие значения скорости вращения ротора и подключенной нагрузки. При этом, зная, какое напряжение нужно получить на «вторичной обмотке» - статоре, производится его умножение на вычисленный переменный коэффициент трансформации, в результате чего получается напряжение «первичной обмотки» - возбуждения, которое необходимо подать в цепь возбуждения. Закон управления в данном случае имеет вид:

UR = US-Kl-K2; .'.'1 - ^стт" ~ f«а.™'Р ^ f2 - + R'°(K2o ~ 1)).

fcmam

где К1,К2 - коэффициенты, учитывающие вариации скорости вращения вала и коэффициента трансформации с учетом подключенной нагрузки соответственно, U,и и,- напряжения статора и ротора,/„„„„, и f„am- частоты напряжения

статора и вращения вала, ^, Лдо - сопротивления нагрузок в текущий момент времени и при расчете коэффициента К20 при неподвижном роторе.

Достоинства управления (3),(4) состоит в том, что оно не зависит от параметров генератора, кроме коэффициента трансформации.

Недостаток управления (3),(4) заключается в наличии неуправляемых переходных процессов, негативно сказывающихся на потребителе.

2) СУ, использующая адаптивный ПИ-регулятор. Закон управления в данном случае представляет собой ПИ-регулятор, коэффициент интегральной составляющей которого изменяется в зависимости от частоты вращения вала, подключенной нагрузки и параметров самого генератора, что обеспечивает высокое качество управления. Закон управления имеет вид:

ид = к.(и,

и,

) +

и5 -(Яд + гЕ) А- Я,

и.

)А

(5)

где и, - и1ПО„ - рассогласование, разность требуемого напряжения на выходе МДП и текущего;Я,КЬ,1Е- скольжение, текущее сопротивление нагрузки и эквивалентное сопротивление фазы генератора соответственно.

Законы управления (3) и (5) позволяют поддерживать требуемые параметры напряжения в условиях изменения скорости ветра. К достоинствам регулятора (3), (5) относятся высокая точность и скорость. Однако в переходных режимах при скачках скорости ветра и подключаемой нагрузки возникают всплески напряжения и токов, негативно сказывающихся на потребителе.

Адаптивная СУ на базе нелинейной модели с оценкой неизмеряе-мых возмущений синтезируется на основе математической модели МДП во вращающихся с^ координатах (1), в которую добавлены функции, являющиеся неизмеряемыми параметрическими и внешними возмущениями генератора. В системе управления используется робастный алгоритм оценивания, аппроксимирующий возмущения, позволяющий осуществить адаптивное управление.

Синтез наблюдателя возмущений и регулятора выполнены на основе уравнений (1), в которые добавлены некоторые функции неизмеримых возмущений [в1 и /в2 соответственно для токов по осям q и с!:

а

—1 Ш

й

- * V) ¿«К+ 1пМ) - + Удг ^ , -----^ Jв\\^h

- + ы

М^Ь - ¿«(^(¿гУ + ^т'д*)- К^г + Уд,

Л* -1Л + 4

■ ЬГЬ~ + Ьт

+ /вг(0;

1,ЛУС,5 - ) ^ («Д^'Л + Кг'дг + УЧГ .

Л

■II + Г

КАУсЬ - ^м) + Ьщ'у) - КК,г + УЧг .

«л

Ыг •

^гА? + ^т

■II + Г

(6)

Для синтеза закона управления рассмотрим уравнение , е+а^е = 0 описывающее переходной процесс при изменении скорости ветра либо подключенной нагрузки. Пусть ошибка:

р-У - р /, _!>■«/ (7)

где Я„ -сопротивление нагрузки , у^ - требуемое напряжение по оси с! Тогда, с учетом (7):

е~ Т,* " ~~ —Г7—-7~,-7г-+ Л2О) (8)

Л -¿,4 + 4 -44 + 4,

Подставляя (7) и (8) в уравнение е+ а^е = 0 , и выражая управляющее воздействие У1!г .получаем закон управления, который имеет вид:

1 2

= - , п (/«244^« + - «„4^ + ^г^п'сЬ ~ ~

ЬтКп

2 . 2 «/ ?

Аналогично, зная, что ошибка по оси ц: е = - = Ля/ - , выражаем управляющее воздействие К^

К,г = „ ("/«А 44. +/в\^тКп +КпЬгКр - - -

4»Ли

(10)

-МААЛ + Л,АЛу +а1У"/(-ЬгЬ5 +4));

Процедура синтеза редуцированных наблюдателей выполняется следующим образом. Для упрощения процедуры синтеза введем обозначение:

_ 4 - 4 * 4) , 4. (44 + 4,4 ) ~ 4у + '0 ~ -ы+1} -ы+1?

Подставив (11) в первое уравнение системы (6), получим:

|-4=/о+Л, (12)

Введем макропеременную, отражающую ошибку оценивания:

вн1=/в1-^1 (13)

где /в1 - оценка возмущающего воздействия.

В соответствии с известной процедурой синтеза редуцированных наблюдателей введем уравнение:

/01=^(4,)+^ (14)

где 5в1 (4з) — произвольная функция, подлежащая определению в процессе синтеза наблюдателя, - новая переменная.

Таким образом, с учетом (14), можно записать (13) как:

ен1 = Лх - 5вг(4=г) О5)

11

Производная от ошибки оценивания (15) равна:

ёН1 = /в1 - ^г (/о + ~ А (16)

Для обеспечения асимптотической сходимости оценки потребуем, чтобы ошибка ен1 подчинялась решению уравнения:

ён1 + а1нен1 = О (17)

Подставив уравнения (15), (16) в уравнение (17), получим:

О - ^С/о + Л1) - ¿1 + а1н(/в1 - 5в1(/ч„) - =0 (18)

Если выбрать функцию 5в1(/Ч5) так, чтобы уравнение (18) не зависело от не измеряемого возмущения /в1, то выражение (18) будет являться асимптотическим наблюдателем. При этом оценка не измеряемой величины /в1 будет определяться в соответствии с выражением (14).

Таким образом, чтобы правая часть выражения (18) не зависела от не измеряемого возмущения /в1, приравняем все слагаемые, содержащие этот параметр, к нулю. В результате, придем к следующему уравнению:

-^/в1+а1н/в1 =0 (19)

Решая уравнение (19) относительно , находим:

(20)

Таким образом, из (20) определим 5,в1(/<75):

(/<,*) = Я1Л5 (21)

Подставим уравнение (19), (21) в (18), получим:

—а1н/о - ¿1 ~ - а±н21 = 0 (22)

Выразим новую переменную 21 из (22):

21 = -а^ - а?н/Ч5-а1н/0 (23)

Используя уравнения (14) и (21) можем определить уравнение выхода наблюдателя:

/в1 = «ы^з + ¿1 (24)

Уравнения (23) и (24) являются уравнениями наблюдателя возмущения, действующего на ток по оси я генератора. Так как возмущение /в1 не измеряемое, то вместо него в модели (6) используется его оценка Применяя аналогичную процедуру для тока по оси с1, получим:

/в2 = а2н+ ¿2 (25)

12

Так как возмущения /в1 и /в2 не измеряемые, то вместо них в управлении (9), (10) используются их оценки /о1 и /в2.

Система управления (9) - (12) позволяет адаптироваться к действующим на ВЭУ неизмеряемым возмущениям.

Третья глава посвящена разработке компьютерного комплекса моделирования работы СУ ЭТК с МДП для ВЭУ, позволяющего производить исследования синтезированной системы управления средствами компьютерного моделирования на этапе проектирования, отличающегося учетом нелинейных свойств установки и возмущений внешней среды.

Компьютерный комплекс моделирования работы СУ ВЭУ с МДП предназначен, прежде всего, для использования в процессе конструирования системы управления ВЭУ (для изучения особенностей математической модели, проверки качества функционирования системы управления и ее отладки), проведения стендовых испытаний, и представляет собой ПЭВМ с установленной средой численного моделирования МАТЬАВ.

Модель системы управления включает в себя реализацию адаптивного алгоритма функционирования для каждого предложенного метода стабилизации напряжения, описываемого выражениями (3) и (4), (3) и (5), (3) и (6), а также (9) и (10) вместе с алгоритмами наблюдателя (24) и (25).

В модель ветроэнергетического комплекса входят специализированные блоки-функции, имитирующие работу МДП, инвертора, электрической нагрузки, датчиков тока и напряжения, а также функции внесения возмущений.

2? я«« '

€3

РР С=ь - 3*

■ ■ С г «-» | »........а £

Рисунок 3 — Структура моделирующего комплекса Таким образом, среда численного моделирования позволяет изучить работу ветроэнергетического комплекса на каждом шаге моделирования. На ри-

сунках 3-8 представлены структура моделирующего комплекса и результаты моделирования ЭТК с адаптивными СУ, использующие различные подходы к стабилизации напряжения. Моделировалась работа МДП, описываемого математической моделью (1) и (2), а также (6) при моделировании нелинейной адаптивной СУ, замкнутого законами управления (3) и (4), (3) и (5), (3) и (6), а также (9) и (10) вместе с алгоритмами наблюдателя (24) и (25).

Параметры математической модели МДП принимались следующими:

• 11г=3.8 - сопротивление обмотки ротора;

• 118=3.57 - сопротивление обмотки статора;

• Ьш=0.1037- взаимная индуктивность обмоток статора и ротора;

• Ьг=Ьш+0.005974 - индуктивность обмотки ротора;

• Ьз=Ьт+0.005974 - индуктивность обмотки статора;

• р=2 - число пар полюсов машины;

ВЭУ начинает работу с частотой вращения вала генератора 5 герц, и нагрузкой 20 Ом, а в моменты времени 1 секунда и 2 секунды скачком изменяется частота вращения вала с 5 до 35 герц и нагрузка с 20 до 60 ом соответственно. Для всех моделируемых систем управления эти условия оставались неизменными.

Рисунок 4 - Амплитуда(А) и частота ф действующего значения напряжения на выходе генератора без стабилизации На рис. 4 представлены амплитуда и частота действующего значения напряжения фазы А на выходе генератора без стабилизации с жестко зафиксированными параметрами напряжения возбуждения.

На рисунках 5 и 6 представлены амплитуда и частота действующего значения напряжения фазы А на выходе генератора при работе СУ, использующих методы переменного коэффициента трансформации и адаптивного ПИ-регулятора соответственно. На основе данных результатов моделирования можно сделать вывод о повышении точности стабилизации напряжения генератора при воздействии внешних возмущений с применением предложенных законов управления.

А

Рисунок 5 - Амплитуда(А) и частота(Г) действующего значения напряжения фазы А на выходе генератора. Метод переменного коэффициента трансформации.

Рисунок 6 — Амплитуда (А) и частота (1} действующего значения напряжения фазы А на выходе генератора. СУ с адаптивным ПИ-регулятором.

........ ' у '

:Ц ______1<к

ЧГ 1|»......... I • \ / \

.(.....->,[.. \Ф.У

\\

Рисунок 7 - Переходные процессы в адаптивной нелинейной системе: напряжения статора, токи ёя статора, скорость вращения вала, токи с1я ротора.

Рисунок 8 - Возмущение по нагрузке (сплошная) и его оценка (пунктир)

Однако, линеаризация нелинейного объекта управления, которым является МДП, оказывается недостаточно эффективной в силу того, что при расчетах параметры генератора принимаются постоянными и неизменными, хотя в действительности они изменяются.

Рисунки 7 и 8 демонстрируют эффективность применения нелинейной адаптивной системы для повышения точности стабилизации напряжения.

Приведенные результаты моделирования подтверждают эффективность предложенных законов управления и алгоритмов адаптации к внешним возмущениям. Так, при увеличении частоты вращения вала в 7 раз, а нагрузки в 3 раза, предельное отклонение установившегося значения напряжения и его частоты на выходе генератора от требуемого не превышает, соответственно:

• Для метода переменного коэффициента трансформации 1,82% и 0,26%

• Для СУ с адаптивным ПИ-регулятором 0,22% и 0,2%

• Адаптивная СУ на базе нелинейной модели с оценкой неизмеряемых возмущений - менее 0,01% по обоим показателям.

Полученные данные говорят о том, что качество электроэнергии, генерируемой МДП под управлением предложенных адаптивных СУ, при скачкообразно меняющихся возмущениях, соответствует ГОСТу 13109-97 (нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения).

Четвёртая глава посвящена натурному моделированию адаптивной СУ ЭТК с МДП для ВЭУ. Экспериментальное подтверждение теоретических результатов, полученных в главах 2 и 3, выполнялось с использованием оборудования кафедры Электротехники и мехатроники ЮФУ. Общий вид стенда представлен на рис. 9.

Выполненное натурное моделирование является приближенным. Основные ограничения используемого стенда следующие:

• В силу инерционности ротора синхронного генератора изменение частоты его вращения происходит медленно, что снижает качество генерируемой электроэнергии в динамических режимах.

• Стенд вносит дополнительные аппаратные погрешности поддержания

заданной амплитуды и частоты напряжения возбуждения. В ходе экспериментов определен коэффициент трансформации МДП при неподвижном роторе, выбраны частоты вращения ротора МДП, при которых снимаются данные, а также задана величина нагрузки, подключенной к статору МДП.

Рисунок 9 - Общий вид стенда

Также задана желаемая величина напряжения на выходе МДП. Результаты эксперимента приведены в табл. 1.

Таблица 1.1. Экспериментальные данные

Напряжение возбуждения МДП, вольт; герц. Напряжение на статоре МДП, вольт; герц. Расчетное напряжение возбуждения МДП, вольт;герц. Скорость вращения вала, об/мин(Гц) Нагрузка, Ом

12,55; 39,4 9,57; 61,7 10,2; 35,03 800(13,34) 40

18,03; 39 11,5; 69,9 15,01; 36,56 1000(16,67) 20

34,3 ; 36,6 9,82; 82,7 33,46; 36 1400(23,34) 4

По выражениям (3) и (4) получены расчетные данные, после чего произведено сравнение расчетных и экспериментальных данных:

П и =и /с„Ш„, -/ш„а ■ Р + 95? 39,4 (40 + 40(1,67-1)) _

" 1 /«■ Л/. ' 61,7 40

= 10-0,567-1,67 = 10,2 (26)

Уротора ~~ Устат /вала ' Р ~ ^1,7 ^^ ' 2 — 35,03 (27)

Получено, что отличия расчетных и экспериментальных значениГ находтся в рамках аппаратных погрешностей стенда, а именно 12,8 %.

и =и /сп,дт - /шш -Р (Ял + -1)) _ и 5 39 (20 + 40(1,67-1)) _

2) Л 5 ^ ' 69,9 20

= 10-0,557-2,34 = 15,01 (28)

У ротора Устат Увала ' Р 69,9 *2 —36,56

1000

60 """"" (29)

3) ^ =[/ /,ж,-/им-Р №+^о(£20-1)) 36,6 (4 + 40(1,67-1)) _

Л 5 . /„,„,„, Лл ' '82,7' 4 (30)

= 10-0,44-7,7 = 33,46

/" = Г _ .п = Я?7-М^ 9-ЧЛ ¿ротора J стат У «ат Р «А' Z — ^О

61) (31)

Таким образом данные экспериментальных исследований подтверждают расчетные данные. Небольшие погрешности обусловлены вариациями частоты и амплитуды напряжения возбуждения МДП, которое генерирует машина переменного тока, подверженная колебанию установленной частоты вращения ротора, что устраняется её заменой на управляемый инвертор с раздельным управлением по каналам амплитуды и частоты.

В заключении работы сформулированы основные научные и практические результаты, полученные в диссертационной работе.

Основные результаты работы

Основной научный результат диссертации заключается в решении актуальной задачи, имеющей важное практическое значение: разработки систем управления ЭТК для автономной ВЭУ переменного тока с использованием адаптивных к возмущающим воздействиям алгоритмов управления, обеспечивающих расширение функциональных возможностей автономных ВЭУ переменного тока, повышение качества генерируемой энергии при снижении общей стоимости, а также исследование таких адаптивных СУ методами математического и компьютерного моделирования.

При проведении исследований и разработок по теме настоящей работы получены следующие результаты, обладающие научной новизной:

1) Предложена структура ЭТК для переменно-скоростного ветроэнергетического комплекса, что позволило снизить общую стоимость используемого инвертора на 30% - 50%.

2) Осуществлена разработка структуры адаптивной СУ ЭТК для автономного варианта переменно-скоростного ветроэнергетического комплекса.

3) Предложен метод стабилизации амплитуды и частоты генерируемого напряжения ЭТК для автономной ВЭУ, отличающийся способом выбора переменного коэффициента трансформации, не зависящим от параметров генерато-

ра, что позволяет поддерживать предельное отклонение установившегося значения напряжения и его частоты на выходе генератора от требуемого не более 1,82% и 0,26%, соответственно.

4) Предложен метод стабилизации амплитуды и частоты генерируемого напряжения ЭТК для автономной ВЭУ с ПИ-регулятором, отличающийся адаптивным коэффициентом интегральной составляющей, что позволяет поддерживать предельное отклонение установившегося значения напряжения и его частоты на выходе генератора от требуемого не более 0,22% и 0,2%, соответственно. При этом, адаптивный коэффициент интегральной составляющей позволил увеличить быстродействие СУ и точность стабилизации, в сравнении с СУ со статическими коэффициентами ПИ-регулятора, в среднем в 6 раз и на 24% соответственно.

5) Предложен метод стабилизации амплитуды и частоты генерируемого напряжения ЭТК для автономной ВЭУ с помощью нелинейной СУ при воздействии внешних и параметрических возмущений с априори неизвестной структурой, отличающийся новыми алгоритмами оценивания возмущений, основанных на локальной аппроксимации усеченными рядами Тейлора, действующих на генератор, что позволяет поддерживать предельное отклонение установившегося значения напряжения и его частоты на выходе генератора от требуемого не более 0,01% по обоим показателям при воздействии неизвестных нелинейных неизмеряемых возмущений.

6) Разработана компьютерная модель ЭТК для автономной ВЭУ с МДП, позволяющая производить исследования синтезированной системы управления средствами имитационного моделирования на этапе проектирования, отличающаяся использованием возможностей современных программных средств..

Указанные результаты позволяют разрабатывать системы управления ЭТК для автономной ВЭУ, генерирующие электроэнергию промышленного качества, соответствующую ГОСТу 13109-97, как при известных внешних возму-щениях(частота вращения вала, нагрузка), так и возмущений с априори неизвестной структурой. Благодаря предложенной структуре ЭТК для автономной ВЭУ, удалось снизить итоговую стоимость установки в среднем на 20%, при этом рабочий диапазон частот вращений генератора составил ±30% от синхронной при номинальной нагрузке.

На базе полученных результатов возможно создание высокоэффективных адаптивных систем управления генерирующих электротехнических комплексов с переменной частотой вращения вала входящего в состав такого комплекса генератора переменного тока.

Публикации по теме диссертации

Список публикаций, отражающих научные результаты автора, в изданиях, рекомендованных ВАК:

1. Мазалов A.A. Адаптивная ветроустановка переменного тока с асинхронным генератором // ИзвестияЮФУ. Технические науки. Таганрог: Изд-во ТТИ ЮФУ, 2010, №3 С. 250 - 256.

2. Мазалов A.A. Адаптивная ветроустановка с машиной переменного ток двойного питания // Известия ЮФУ. Технические науки. Таганрог: Изд во ТТИ ЮФУ, 2012, №1 с. 26 - 33.

3. Мазалов A.A.. Прямое управление мощностью ветроэнергетическоГ установки с асинхронным генератором // Известия ЮФУ. Технически науки. Таганрог: Изд-во ТТИ ЮФУ, 2012, №4С. 184-191.

Перечень основных публикаций, отражающих содержание диссер

тационный работы

4. Пшихопов В.Х., Медведев М.Ю., Гуренко Б.В., Мазалов A.A. Адаптив ное управление нелинейными объектами одного класса с обеспечение» максимальной степени устойчивости // Известия ТТИ ЮФУ. Специаль ный выпуск. Материалы седьмой научно-практической конференции «Перспективные системы и задачи управления», Таганрог: Изд-во TTI-ЮФУ, 2012. С. 145 - 151.

5. Мазалов A.A., Медведев М.Ю. Инвариантная к изменению ветра ветроэнергетическая установка переменного тока с асинхронным генератором // Известия ТТИ ЮФУ. Специальный выпуск. Материалы четвертой научно-практической конференции «Перспективные системы и задачи управления», Таганрог: Изд-во ТТИ ЮФУ, 2009. С. 275 - 277

6. Мазалов A.A.. Алгоритмы функционирования адаптивной системы управления ветроэнергетической установки с асинхронным генератором// Сборник тезисов и статей Всероссийской научной школы «Микроэлектронные информационно-управляющие системы и комплексы» Новочеркасск: ЛИК, 2011, с. 165 - 168.

7. Мазалов A.A.. Адаптивная ветроустановка переменного тока с асинхрон-

ным генератором// Сборник материалов X всероссийской научной конференции студентов и аспирантов «Техническая кибернетика, радиоэлектроника и системы управления», Таганрог: Изд-во ТТИ ЮФУ, т.1 2010, с. 183- 184

8. Mazalov A.A. Adaptive wind power plant with double fed induction generator// Proc. of 24th International Conference on Efficiency, Cost, Optimization, Simulation and Environmental Impact of Energy Systems, Novi Sad, Serbia, July 4-7, 2011, p.3734-3746

Перечень патентов по теме диссертации:

9. Мазалов A.A., Пшихопов В.Х., Медведев М.Ю. Программная модель сис темы управления асинхронным генератором ветроэнергетической установки. Свидетельство № 2010612690. Дата регистрации 20.04.2010. Дата поступления 20.01.2010.

В работах, опубликованных в соавторстве, соискателю принадлежат следующие научные результаты (в квадратных скобках указаны номера работ, представленных выше): разработка алгоритмов адаптивного управления [4], программирование, разработка структурной схемы ВЭУ [5], тестирование и отладка алгоритмов управления [9].

Оглавление автор диссертации — кандидата технических наук Мазалов, Андрей Андреевич

Список терминов, условных обозначений и сокращений

Содержание.

Введение

Глава 1 Постановка задачи.

1.1 Ветроэнергетика в мире.

1.2 Основные проблемы и преимущества использования ВЭУ

1.3 Классификация ветроэнергетических установок

1.4 Методы стабилизации напряжения ВЭУ и выбор исследуемой структуры

1.5 Математическая модель МДП. Основные положения и допущения

1.5.1 Математическая модель МДП в естественных координатах.

1.5.2 Преобразование уравнений машины двойного питания

1.6 Выводы по главе

Глава 2. Разработка адаптивных к возмущающим воздействиям систем управления ЭТК с МДП для ВЭУ

2.1 Адаптивные системы управления.

2.2. Система управления машиной двойного питания в составе ЭТК для ветроэнергетической установки.

2.3 Структура ЭТК с МДП для переменно-скоростной ВЭУ.

2.4 Стабилизация частоты генерируемого напряжения МДП в составе

2.5 Стабилизация амплитуды генерируемого напряжения МДП в составе ЭТК.

2.5.1 Стабилизация амплитуды по принципу вольтодобавки.

2.5.2 Стабилизация амплитуды по принципу переменного коэффициента трансформации

2.5.3 Стабилизация амплитуды с помощью ПИ-регулятора.

2.5.4 Стабилизация амплитуды с помощью нелинейной СУ.

2.6 Управление мощностью сетевой ветроустановки переменного тока с МДП.

2.7 Выводы по главе 2.

3 Моделирование ЭТК с адаптивным управлением для ветроэнергетических систем.

3.1 Математическое моделирование ЭТК с МДП. Среда моделирования

MATLAB

3.2. Моделирование адаптивных систем управления ЭТК с МДП для

3.2.1 Моделирование системы управления ЭТК без стабилизации

3.2.2 Моделирование системы управления ЭТК с МДП использующей принцип вольтодобавки

3.2.3 Моделирование системы управления использующей принцип переменного коэффициента трансформации

3.2.4 Моделирование системы управления с ПИ-регулятором

3.2.5 Моделирование нелинейной системы управления с наблюдателем

3.2.6 Моделирование раздельного управления генерацией активной и реактивной мощности ЭТК с МДП для сетевой ВЭУ.

3.3 Выводы по главе

Глава 4 Натурное моделирование ЭТК с адаптивной СУ для переменноскоростной ВЭУ переменного тока.

4.1 Общие вопросы экспериментального моделирования

4.2 Разработка плана-программы и выбор средств проведения эксперимента

4.3 Проведение эксперимента и анализ результатов

4.4 Выводы по главе 4.

Введение 2012 год, диссертация по электротехнике, Мазалов, Андрей Андреевич

Актуальность темы диссертации. В последнее время наблюдается быстрый рост установленных ветроэнергетических мощностей. Совершенствование ветровых турбин и рост мощностей позволяют энергии ветра конкурировать с традиционными источниками энергии. В результате, ветроэнергетические установки участвуют в производстве энергии во многих странах мира.

Актуальной проблемой в ветроэнергетике является разработка методов, обеспечивающих генерацию напряжения с требуемыми параметрами, в изменяющихся условиях окружающей среды при минимизации стоимости получаемой электроэнергии. Это становится возможным за счёт разработки и внедрения новых технических решений, одним из которых является применение в качестве генератора ветроэнергетической установки (ВЭУ) машины двойного питания (МДП). Применение МДП позволяет создавать ВЭУ, функционирующие при переменной частоте вращения лопастей, снизить мощность преобразователя до 50% от мощности всей установки за счет размещения такого преобразователя в управляющей цепи.

Функционирование ВЭУ с МДП при изменении в широких пределах скорости ветра и величины нагрузки требует разработки адаптивной системы управления, компенсирующей влияние внешних возмущений.

Указанные факторы обуславливают интерес к решению проблемы синтеза адаптивных систем управления ветроэнергетическими установками. Различным аспектам этой проблемы посвящены работы зарубежных (Petersson А., В. Rabelo, W. Hofmann, Р. Mutschier, R. Datta, Y. Tang, M. G. Ioannides, Т. Ranganathan, Miguel E. González) и отечественных (A.P. Гайдук, B.X. Пшихопов, М.Ю. Медведев, P.A. Ыейдорф, Ю.В. Подураев, Н.П. Лавров, В.В.Елистратов, Ю.С.Васильев, В.И. Виссарионов, Б.И. Силаев, Н.И. Матвиенко, В.А. Кузнецова, М.Г. Тягунов и др.) ученых.

Большинство предложенных подходов к синтезу систем управления ВЭУ базируется на математическом описании генератора переменного тока во вращающихся "сЦ" координатах с дальнейшей линеаризацией моделей. Использование упрощающих подходов ограничивает разработанные системы управления локальной окрестностью режима, для которого проведена линеаризация. При существенной вариации условий работы это может не позволить достичь требуемых количественных показателей, и привести к потере устойчивости.

В этой связи, актуальность задачи разработки методов адаптивного управления ВЭУ определяется, с одной стороны, востребованностью и широким распространением ветроэнергетических установок, а с другой - недостаточной проработанностью методов синтеза адаптивных систем управления (СУ) ветроэнергетических установок.

Целью исследования является повышение эффективности ветроэнергетических установок переменного тока за счет применения новых методов адаптивного управления электротехническими комплексами (ЭТК) с машинами двойного питания.

Научная задача, решение которой содержится в диссертации, -разработка электротехнического комплекса с адаптивным управлением, обеспечивающего улучшение характеристик переменно-скоростных ветроэнергетических установок и повышение качества генерируемого напряжения при изменении в широком диапазоне возмущающих воздействий, а также исследование компонентов такого электротехнического комплекса методами математического и компьютерного моделирования.