Научно-исследовательский проект «Моделирование аномальных режимов ветроэлектрических установок с использованием функций чувствительности»

Применение нетрадиционных источников электроэнергии в настоящее время является актуальной задачей. В связи с ухудшающейся экологической обстановкой ветроэнергетика является приоритетным направлением в комплексе развития нетрадиционных источников электроэнергии. Это особенно актуально для потребителей удаленных районов, где есть затруднения со стационарным электроснабжением, и в качестве альтернативных источников электрической энергии выступают автономные ветроэлектрические установки (ВЭУ) небольшой мощности.

Основной особенностью автономных ВЭУ является необходимость работы в условиях изменения скорости ветра и нагрузки электрического генератора. Изменение скорости ветра приводит к изменению скорости вращения генератора. Изменение нагрузки генератора приводит к изменению момента сопротивления генератора и также к изменению скорости его вращения. Автономные ВЭУ небольшой мощности обычно не имеют редукторов и механических систем регулирования скорости вращения. Опыт эксплуатации таких ВЭУ показывает, что зачастую их работа неустойчива: при плавных изменениях скорости ветра или нагрузки генератора скорость вращения меняется резко, скачком, что приводит к ударным усилиям и нежелательно.

Целью работы является повышение надежности работы автономной ветроэлектрической установки (ВЭУ) небольшой мощности путем определения областей устойчивости ее режима при изменении скорости ветра и нагрузки электрического генератора. Для достижения этой цели поставлены задачи:

• математическое описание электрического генератора;
• построение математической модели ветроколеса;
• формирование основного уравнения ВЭУ;
• выявление особенностей режима ВЭУ при изменении скорости ветра и нагрузки генератора с применением функций чувствительности.

Объектом исследования является автономная ветроэлектрическая установка небольшой мощности, предназначенная для получения электрической энергии.

Предметом исследования является основное уравнение режима подобной ветроэлектрической установки.

Для решения поставленных задач применены методы математического моделирования; метод графического решения нелинейного алгебраического уравнения; математическая теория устойчивости динамических систем. В целом работа имеет теоретический характер; ее результаты должны быть использованы при проектировании систем управления режимом автономной ВЭУ небольшой мощности.

Научная новизна:

• получила дальнейшее развитие математическая аппроксимация характеристики момента ветроколеса, которая более точно, чем существующие отражает опытные данные;
• сформировано и графически решено основное уравнение скорости ВЭУ в условиях изменяющейся скорости ветра и нагрузки генератора;
• в трехмерном пространстве впервые построена поверхность зависимости скорости ВЭУ от скорости ветра и нагрузки генератора и объяснены особенности динамического поведения ВЭУ;
• впервые определены области устойчивости скорости ВЭУ в пространстве параметров ее режима.

Практическая ценность полученных теоретических результатов состоит в использовании их для построения электронной системы управления нагрузкой электрического генератора с целью предотвращения выхода его из области устойчивой работы в условиях изменяющейся скорости ветра, а также работе в режиме максимальной мощности. Использование результатов работы позволит избежать ударных изменений скорости ВЭУ и улучшить надежность ее работы.