автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Синтез нечеткого регулятора угла положения лопастей для адаптивной системы управления ветроэлектрической установкой

На правах рукописи

РЯБОВ Денис Юрьевич

СИНТЕЗ НЕЧЕТКОГО РЕГУЛЯТОРА УГЛА ПОЛОЖЕНИЯ ЛОПАСТЕЙ ДЛЯ АДАПТИВНОЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ВЕТРОЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ УСТАНОВКОЙ

Специальность 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 О ДЕК 2009

Воронеж 2009

Работа выполнена в Международном институте компьютерных технологий

Научный руководитель кандидат технических наук, доцент

Беляков Павел Юрьевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Мещеряков Виктор Николаевич кандидат технических наук, доцент Слепокуров Юрий Сергеевич

Ведущая организация Научно-исследовательский и

проектно-конструкторский институт ООО «НИИ Механотроники - Альфа», г. Воронеж

Защита диссертации состоится 23 декабря 10 часов в конференц-зале на заседании диссертационного совета Д 212.037.09 Воронежского государственного технического университета по адресу: 394026, г. Воронеж, Московский просп., 14.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Воронежского государственного технического университета.

Автореферат разослан «23» ноября 2009 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

Кононенко К. Е.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

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 MATLAB 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 LabVIEW и технологии National Instruments » (г. Москва 2008 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. 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 МАТЬАВ.

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.

Во введении обоснована актуальность темы, сформулирована цель и задачи исследований, показана структура диссертации, отмечены научная новизна и практическая ценность результатов проведенных исследований.

В первой главе рассмотрены особенности ветра, как первичного источника энергии, а также возможные способы преобразования ее в электрическую энергию. Кратко рассмотрены режимы работы ветроэнергетических установок (ВЭУ) и на основании данного обзора сформулированы основные цели управления ВЭУ. Проанализированы существующие в настоящее время методы и средства управления режимами работы ВЭУ для установок различной мощности. Отмечено отсутствие оптимального регулирования при использовании установок малой мощности.

На основании изложенного в диссертационной работе была поставлена цель: исследование работы горизонтально-осевой ВЭУ и синтез нечеткого регулятора угла положения лопастей для адаптивной системы управления, позволяющей максимизировать выработку электроэнергии. Для достижения поставленной цели требовалось решить следующие задачи:

- исследовать характер изменения во времени скорости ветра и разработать его математическое описание;

- исследовать процесс преобразования кинетической энергии ветра в электрическую и разработать его структурную модель;

- разработать новую математическую модель ВЭУ, адекватно описывающую процесс преобразования энергии;

- разработать алгоритм работы САУ ВЭУ, обеспечивающий максимизацию выработки энергии;

- разработать варианты оптимальных регуляторов развиваемой мощности ВЭУ и произвести их сравнительный анализ;

- с использованием разработанной математической модели ВЭУ исследовать поведение объекта с целью определения параметров для синтеза нечеткого регулятора;

- осуществить синтез регулятора угла установки лопастей для ВЭУ, обеспечивающий достижение максимума развиваемой мощности в реальных условиях;

- провести сравнительный анализ эффективности нечеткого регулятора и регулятора, разработанного по классической схеме.

Вторая глава посвящена исследованию и моделированию изменений скорости ветра, а также созданию математической модели ветроэнергетического комплекса (ВЭК).

В современной ветроэнергетике на первом этапе осуществляется преобразование кинетической энергии движущейся воздушной массы в механическую энергию вращающегося вала ветроприёмника (ветроколеса), развивающего при некоторой частоте вращения п крутящий момент М. На втором этапе осуществляется преобразование механической энергии в электрическую энергию переменного (частотой /) или постоянного тока / с напряжением и. Часто между двумя вышеназванными процессами присутствует промежуточное преобразование механической энергии с целью изменения её характеристик -повышения частоты вращения с одновременным понижением крутящего момента, что вызвано высокими рабочими частотами вращения абсолютного большинства современных электромеханических преобразователей.

Для построения динамической модели изменения скорости ветра были произведены непрерывные замеры скорости ветра в течение длительного промежутка времени. На основании полученных данных удалось получить графики изменения мгновенных скоростей ветра.

Для математического описания экспериментальной кривой использовался интерполяционный полином Лагранжа, в результате чего было получено выражение, которое описывает процесс с погрешностью, не превышающей 5%. Данная модель в дальнейшем использована в качестве задающего воздействия при разработке системы управления ветроэнергетическим комплексом.

Расчёт усилий, возникающих от взаимодействия рабочих поверхностей ветроприёмника с воздушным потоком, осуществляется на основе импульсной теории или на основе уравнений связи, использующих более сложный математический аппарат и требующих применения метода конечных элементов.

Путем соединения двух методов расчета удалось получить характеристики ветроприёмника - зависимость крутящего момента ветроколеса от скорости ветра и частоты вращения М=/(а>, V).

Реальный ветроприёмник, трансмиссия, и электромеханический преобразователь (генератор электроэнергии) характеризуются потерями на трение в подшипниковых узлах и моментами инерции. Таким образом, уравнение движения вала установки имеет следующий вид:

М-К--Щ О)

где Мс — М, + М„ - момент сопротивления, состоящий из суммарного момента трения и момента нагрузки создаваемого на валу ветроприёмника генератором;

J - суммарный момент инерции вращающихся масс (ветроприёмника, внутренних обойм подшипников, зубчатых колёс мультипликатора, ротора генератора).

Совокупность соотношений приведенных в приложении А диссертации и выражения (1) положены в основу математической модели, реализованной с использованием программного обеспечения из пакета МАТЬАВ - БитшИпк (рисунок !)•

Рисунок 1 — Блок-схема математической модели ВЭУ

Входные переменные модели разделены на две категории:

- конструктивные параметры установки (максимальный и минимальный диаметры ветроколеса, максимальная и минимальная ширина лопасти, число лопастей, момент инерции, оптимальный угол атаки, аэродинамические коэффициенты профиля крыла);

- независимые входные переменные (скорость ветра, плотность, влажность и температура воздуха, момент нагрузки на валу, угол установки крыла).

При разработке модели были приняты следующие допущения:

- поток воздуха считается ламинарным;

- не учитывается взаимовлияние лопастей;

- плотность, влажность и температуру воздуха принимаются постоянными. Математическое описание зависимостей коэффициентов Су и Сх от угла атаки

(а) создаётся внутри модели с использованием интерполяционного полинома Лагранжа в соответствии с таблицей, содержащей аэродинамические характеристики профилей крыльев конечного размаха.

Разработанная модель позволяет при известных конструктивных параметрах ВЭУ для различных скоростей ветра получить механические и энергетические характеристики, оптимальные сочетания значений углов установки лопастей, частоты вращения и момента. Кроме того, модель позволяет анализировать переходные процессы.

В качестве электромеханического преобразователя в исследуемой системе использовался синхронный генератор с постоянными магнитами. Для его моделирования применена динамическая модель трехфазной синхронной машины с постоянными магнитами «Permanent Magnet Synchronous Machine», входящая в состав набора блоков SimPowerSystems математического пакета MATLAB

Этап преобразования полученной электроэнергии состоит из двух частей:

- преобразование переменного напряжения генератора в постоянное при помощи универсального выпрямителя Universal Bridge;

- преобразование постоянного напряжения в переменное, предназначенное конечному потребителю.

Описанные составные части соединены в единое целое и полученная модель комплекса приведена на рисунке 2.

Рисунок 2 - Модель ветроэнергетической установки в среде Ма^аЬ

В результате исследования модели ветроэнергетической установки были получены значения угла положения лопастей и частоты вращения ветроколеса, соответствующие максимальной мощности при задании скоростей ветра из рабочего диапазона. Помимо этого исследованы соотношения величин угла положения лопасти, частоты вращения и скорости ветра, использованные позже при синтезе нечеткого регулятора.

В третьей главе на основании анализа режимов работы ВЭУ сформулированы

задачи реализуемые системой управления ВЭУ при обеспечении максимальной выработки электроэнергии и разработан алгоритм работы адаптивного регулятора, осуществляющего оптимальное управление ветроустановкой.

Система управления состоит из оборудования, необходимого для управления изменением угла установки лопастей, положением оси ветроколеса в горизонтальной плоскости, нагрузкой генератора и его работой. Она включает также контрольно-измерительное оборудование, необходимое для определения параметров ветра, вращающего момента, температуры окружающей среды, атмосферного давления, электрической мощности и других данных, которые необходимы для нормального функционирования ВЭУ. Система управления состоит также из оборудования, необходимого для управления ВЭУ при ее техническом обслуживании.

К системе управления относятся все необходимые для выполнения управляющих функций компоненты, за исключением тех, которые являются составными частями основных систем ВЭУ.

Задачи, реализуемые системой управления:

- развязывание динамики подсистем ветрогенератора (компенсация их взаимного влияния);

- согласование собственного перемещения подсистем с эталонным движением, возбуждаемым программным управлением;

- управление потоками энергии с целью обеспечения требуемого графика нагрузки;

- обеспечение сохранности установки.

Однако, наведение на ветер установок рассматриваемой мощности успешно осуществляется при помощи хвостового оперения или свободного рыскания, в связи с чем, этот вопрос в работе не рассматривается.

С учетом замечаний, представленных выше, структурную схему САУ ВЭУ можно представить следующим образом (рисунок 3).

Рисунок 3 - Структурная схема системы управления ветроэнергетической

установки

Адаптивный регулятор, входящий в состав САУ, используя информацию о заданных перемещениях (изменение угла атаки и поворот ветроколеса), а также о фактических перемещениях и скоростях движения (частота вращения вала генератора и скорость поворота ветроколеса), формирует управляющие воздействия.

Данное решение предлагается использовать в качестве одного из серии типовых решений для САУ малых энергетических комплексов на базе ветрогенератора с горизонтальной осью вращения.

Функцию регулирования угла установки лопастей можно реализовать двумя различными способами:

- в соответствии с классической теорией управления;

- при использовании нечеткой логики.

В классических системах объект управления характеризуется некоторым конечным множеством входных параметров и конечным множеством выходных параметров. На вход системы управления поступают входные переменные, которые формируются с помощью конечного множества датчиков. На выходе системы управления с использованием некоторого алгоритма формируется множество значений выходных переменных - управляющих переменных. Значения этих выходных переменных поступают на вход объекта управления и, комбинируясь со значениями входных параметров объекта управления, изменяют его поведение в желаемом направлении. Алгоритм управления классических систем основан на сравнении выходных параметров объекта с некоторыми заданными параметрами и определении величины ошибки между ними. Сравнение происходит либо на основе анализа дифференциальных уравнений, описывающих объект управления, либо на составлении таблиц соответствия между значениями его входных и выходных переменных, полученных в результате эксперимента.

Разработанная адаптивная система, осуществляющая управление по оптимальному закону, основана на уравнениях описывающих зависимость a(n;V)-

Существующие классические технологии синтеза регуляторов основаны либо на анализе дифференциальных уравнений, описывающих объект управления, либо на составлении таблиц соответствия между значениями его входных и выходных переменных, полученных в результате эксперимента. Однако, в результате непредсказуемых явлений (изменения параметров объекта или внешних воздействий на объект управления, а иногда и структуры объекта) использовать математический аппарат дифференциальных уравнений затруднительно, так как решение системы дифференциальных уравнений в режиме реального времени требует наличия мощного и дорогого процессора. Использование таблиц ведет к нерациональному использованию памяти процессора, а также к большим затратам времени на их составление и испытание объекта.

При использовании нечетких алгоритмов управления, предоставляется возможность связать между собой входные и выходные параметры объекта управления даже без составления математической модели. В отличие от классических методик синтеза систем управления аппарат нечеткой логики

позволяет описать высоко нелинейные системы с использованием всего нескольких логических правил обработки входной информации, что в ряде случаев управления позволяет применять более дешевые процессоры.

Структура или модель нечеткого управления основана на замене классической системы системой нечеткого управления, в качестве которой используется система нечеткого вывода.

Для формального представления эмпирических знаний в системах нечеткого вывода используются правила нечетких продукций, в которых условия и заключения сформулированы в терминах нечетких лингвистических высказываний.

База нечетких правил представляет собой конечное множество правил нечетких продукций, согласованных относительно используемых в них лингвистических переменных. При разработке базы правил в нашем случае использовалась упрощенная форма, то есть для связи между антецедентами, применялось только «ЛОГИЧЕСКОЕ И».

В среде MATLAB реализована модель ветроэнергетической установки с нечетким регулятором угла установки лопастей.

За основу модели ветроэнергетической установки взята модель, разработанная во второй главе. В среде MATLAB с применением пакета Fuzzy Logic Toolbox был разработан нечеткий регулятор с описанными выше входными и выходными лингвистическими переменными (рисунок 4).

Рисунок 4 - Структура ВЭУ с регулятором на основе нечеткой логики (модель ВЭУ (рисунок 2) представлена блоком Vetrogenerator)

Fuzzy Logic Toolbox позволяет внедрять разработанные системы нечеткого логического вывода в динамические модели пакета Simulink. Для этой цели служат Simulink-блоки "Fuzzy Logic Controller" - нечеткие контроллеры.

Для исследования характеристик ветроэнергетической установки в качестве функций принадлежности использовались функции, соответствующие приведенной выше базе правил. Нечетким регулятором выполняются все этапы нечеткого вывода

по алгоритму Мамдани. В результате, на выходе нечеткого регулятора в зависимости от значений входных координат, в соответствии с разработанными правилами получаем численное значение угла установки лопастей а.

Среда MATLAB дает возможность проводить оценку и необходимую коррекцию системы нечеткого вывода. Для анализа результатов нечеткого вывода есть возможность просмотра правил нечеткой системы (Rule Viewer) - браузер нечеткой базы знаний. Браузер позволяет проиллюстрировать ход логического вывода по каждому правилу, получение результирующего нечеткого множества и выполнение процедуры дефаззификации.

Для оценки устойчивости полученной нечеткой системы в среде MATLAB есть возможность вывода поверхности нечеткого вывода - Surface Viewer (рисунок 5); чем более гладкая получается поверхность, тем устойчивей система. Кроме того, при логической несогласованности правил ошибку можно сразу определить визуально: поверхность нечеткого вывода будет иметь провалы или пики.

Поверхность нечеткого вывода позволяет установить зависимость значений выходной переменной от значений входных переменных нечеткой модели системы управления ветроэнергетической установкой. Кроме того, имеется возможность установления зависимости выходной переменной от одной из входных переменных. Получение подобных зависимостей может послужить основой для программирования контроллера или аппаратной реализации соответствующего нечеткого алгоритма управления в форме таблицы решений.

Четвертая глава содержит результаты экспериментальной проверки работы ветроэнергетической установки.

Для проверки качества разработанной системы управления недостаточно математического моделирования происходящих процессов, так как при

моделировании использовали упрощенные математические описания и | принимались различные допущения, поэтому для проверки результатов моделирования была разработана экспериментальная установка на основе аэродинамической трубы. | Регулирование частоты вращения приводного двигателя вентилятора осуществлялось простейшими доступными средствами - введением добавочного I сопротивления.

I В данной аэродинамической трубе, при помощи регулируемого асинхронного двигателя мощностью 750 Вт создается воздушный поток, движущийся со скоростью от 2 до 10 м/с.. Управление скоростью воздушного потока в аэродинамической трубе осуществляется при помощи персонального компьютера, оснащенного платой ввода-вывода сигналов NI PCI-6024E, из среды MATLAB.

В качестве макетного образца для проверки разработанных моделей регуляторов использовался крыльчатый ветроприемник, имеющий профиль крыла | 507 ЦАГИ и оснащенный приводом поворота лопастей.

Для реализации разработанной классической САУ была сконструирована система, структурная схема которой представлена на рисунке 6.

Рисунок б - Структурная схема экспериментальной установки для оценки качества разработанной системы управления

На рисунке МК1 и МК2 - микроконтроллеры ADuC 812, входящие в состав стендов SDK 1.1, которые используются в учебном процессе и обладают подходящими характеристиками.

Первый микроконтроллер используется в качестве адаптивного регулятора и предназначен для управления углом установки лопастей и подключения нагрузки на генератор. Второй контроллер отвечает за перераспределение потоков энергии и обеспечивает потребителя энергией в соответствии с необходимым графиком нагрузки.

Система управления ветроэнергетической установкой на основе нечеткого регулятора также была реализована в среде МАТЬАВ при помощи замены контроллера МК1 нечетким регулятором.

Функции нечеткого регулятора, модель которого представлена на рисунке 7, аналогичны функциям адаптивного регулятора МК1, использованного в блок-схеме рисунок 6.

National Instruments PCI-6Ü24E [auto]

chastota

Рисунок 7 - Модель регулятора угла установки лопастей в среде БппиНпк

С использованием разработанной установки были проведены следующие эксперименты:

1 Исследование поведения ВЭУ при управлении углами установки крыльев в условиях изменяющейся скорости воздушного потока.

2 Оценка максимальной выработки электроэнергии без применения регулятора угла установки лопастей в статическом режиме при различных значениях скорости ветра, угла установки лопастей и тока нагрузки.

3 Оценка максимальной выработки электроэнергии без применения регуляторов в динамическом режиме (при управлении скоростью воздушного потока в соответствии с разработанной моделью скорости ветра).

4 Оценка выработки электроэнергии в динамическом режиме с применением классического регулятора угла установки лопастей.

5 Оценка выработки электроэнергии в динамическом режиме с применением нечёткого регулятора угла установки лопастей.

Критерием оценки качества разработанной системы управления традиционно является количество энергии выработанной за некоторый промежуток времени. В нашем случае контрольный промежуток времени составлял 60 секунд. Как показал анализ результатов исследования изменения скорости ветра в течение нескольких суток, выбранный отрезок времени достаточно полно характеризует ветрообстановку в рассматриваемом районе.

В качестве входной величины использованы результаты реальных измерений скоростей ветра.

На рисунке 8 показана суммарная информация по всем экспериментам (изменение скорости ветра и соответствующие мощности за контролируемый промежуток времени, равный 60 с). Кривая колебаний скорости ветра показана

штриховой линией. Цифрами на рисунке обозначены изменения во времени мгновенных значений:

1 - теоретической мощности ветра, протекающего через ометаемую поверхность ветроколеса (расчётной);

2 - теоретически отбираемой мощности ветра (расчётной);

3 - электрической мощности, отбираемой ветродвигателем с классическим регулятором;

4 - электрической мощности, отбираемой ветродвигателем с нечетким регулятором установки лопастей;

5 - электрической мощности, отбираемой ветродвигателем без использования регулятора установки лопастей.

Мощность, Вт

О 10 20 30 40 50 60

Время,с

Рисунок 8 - Кривые изменения скорости ветра и мощностей за контрольный

промежуток времени

Результаты эксперимента использованы при оценке возможной годовой выработки электроэнергии системой с регулятором и без него. Анализ показал, что использование нечеткого регулятора угла установки лопастей в составе системы управления ВЭУ, может обеспечить годовой прирост вырабатываемой энергии на 26% по сравнению с установкой без оптимального регулирования. На рисунке 9 в качестве примера приведены интегральные кривые возможной выработки энергии за период времени, равный 60 секундам:

1 - электроэнергия, выработанная ВЭУ без регулятора угла установки лопастей.

2 - электроэнергия, выработанная ВЭУ с нечетким регулятором;

3 - электроэнергия, выработанная ВЭУ с классическим регулятором.

\V.Pil 0.11

0.1:

0.1 0.08

0.06

0.0-1

о.о:

о к- :о зо 40 5о оо

Рисунок 9 - Интегральные кривые выработки энергии

Эффективность регулятора зависит от количества нечетких правил и тонкости настройки при неизменных параметрах самого ветрогенератора.

Практически полное совпадение 2 и 3 кривой показывает, что нечеткий регулятор выполняет функцию регулирования угла установки на том же уровне.

В заключении сформулированы основные результаты, полученные в работе, а также даны рекомендации по использованию полученных результатов.

В приложении приведены:

- зависимости момента, создаваемого ветроколесом от скорости ветра и частоты вращения ветроколеса при различных углах установки лопастей;

- параметры моделируемого ветроколеса;

- описание стандартных блоков БтиНпк, использованных при моделировании;

- результаты экспериментальной проверки разработанных систем управления;

- акты внедрения.

Основные результаты диссертации

1 Исследована динамика изменения скоростей и направлений ветра и разработано ее математическое описание.

2 Разработана математическая модель ВЭУ малой мощности и исследовано ее поведение в широком диапазоне скоростей ветра и электрических нагрузок.

3 Разработан алгоритм получения оптимальных законов управления быстроходной горизонтально-осевой ВЭУ крыльчатого типа.

4 Разработаны алгоритмы управления исследуемого типа ВЭУ, позволяющие обеспечить максимальную развиваемую электрическую мощность в условиях переменных значений характеристик ветра и электрических нагрузок.

5 Разработаны варианты и произведён сравнительный анализ оптимальных САУ ВЭУ с горизонтальной осью вращения.

6 Разработан метод синтеза САР угла установки лопастей крыльчатого ветродвигателя с использованием нечёткого регулятора.

7 Осуществлён синтез и физическая реализация САУ ВЭУ малой мощности, обеспечивающей достижение максимума вырабатываемой электроэнергии в условиях переменных значений характеристик ветра и электрических нагрузок.

8 Произведена экспериментальная проверка полученных решений на масштабной модели ВЭУ под управлением созданной САУ, показавшая их эффективность.

Рекомендации по использованию полученных результатов

1 Полученные результаты могут быть использованы в качестве типового решения для систем управления малых энергетических комплексов (мощностью до 100 кВт) на базе быстроходных ветродвигателей с горизонтальной осью вращения.

2 Результаты, полученные в диссертации, включены в курс лекций по дисциплине «Технологии электроэнергетики нетрадиционных и возобновляемых источников» раздел «Управление и регулирование ВЭУ» и дисциплине «Моделирование и компьютерные технологии» раздел «Моделирование электротехнических комплексов».

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1 Рябов Д. Ю., Беляков П. Ю. Программа для моделирования механических характеристик крыльчатых ветроколес // Высокие технологии энергосбережения: Труды международной школы-конференции. - Воронеж: Издательский дом «Кварта», 2005. - с. 133-134.

2 Беляков П. Ю., Рябов Д. Ю. Математическая модель для исследования характеристик и режимов работы ветроэнергетической установки с крыльчатым ветроприемником // Электротехнические комплексы и системы управления. -Воронеж, - 2007, 1 (7). - с. 55-58

3 Рябов Д. Ю. Система адаптивного управления ветроэнергетической установкой // Новые технологии в научных исследованиях, проектировании, управлении, производстве: Труды всероссийской конференции. - Воронеж, 2007. -с. 18-19

4 Рябов Д. Ю. Реализация управления ветроэнергетической установкой с горизонтальной осью вращения // Компьютерные технологии в технике и

экономике: Сборник докладов международной научной конференции. - Воронеж, 2007.-с. 127-134

5 Рябов Д. Ю., Беляков П. Ю. Анализ режимов работы автономной ветроэнергетической установки // Высокие технологии энергосбережения: Труды международной школы-конференции. - Воронеж: Издательский дом «Кварта», 2007.-с. 125-127

6 Рябов Д. Ю., Беляков П. Ю. Модель изменения скорости ветра и ее применение при разработке систем управления ветроэнергетическими установками // Новые технологии в научных исследованиях, проектировании, управлении, производстве: Труды всероссийской конференции. - Воронеж, 2008. - с. 49

7 Рябов Д. Ю. Использование модели нечеткого регулятора угла установки лопастей при синтезе адаптивной системы управления ветроэнергетической установкой // Информатика: проблемы, методология, технологии: Материалы Девятой международной научно-методической конференции. - Воронеж, 2009. - с. 280-283

8 Рябов Д. Ю., Беляков П. Ю. Модель нечеткого регулятора угла установки лопастей для адаптивной системы автоматического управления ветроэнергетической установкой с горизонтальной осью вращения // Системы управления и информационные технологии. - Москва - Воронеж, 2009, 1 (35). - с. 25-28

9 Куксин А. В., Рябов Д. Ю., Кобзистый С. Ю. Автоматизированная система управления двигателями постоянного тока с использованием MATLAB // Новые технологии в научных исследованиях, проектировании, управлении, производстве: Труды всероссийской конференции. - Воронеж, 2009. - с. 170

Подписано в печать 19.11.2009 г. Формат 60x84/16. Бумага для множительных аппаратов. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ № 59.

Международный институт компьютерных технологий 394026, Воронеж, ул. Солнечная, 29 б

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

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.