Инновационные численные технологии эффективного управления ветроэлектрическими установками на базе прогнозирования скоростей ветра и электрических нагрузок

Широко используемые методы управления ВЭУ не обеспечивают должной стабильности частоты вращения ротора ветротурбины вследствие запаздывания принятия управляющих решений в условиях быстро изменяющихся ветровых и электрических нагрузок, что отрицательно влияет на надёжность и продолжительность безаварийной работы ВЭУ. Инновационная численная технология эффективного управления ВЭУ на базе прогнозирования скоростей ветра и электрических нагрузок позволяет своевременно подготовить систему к изменениям внешней среды.

 Описание предложения

Инновационная численная технология эффективного управления ветроэлектрическими установками на базе прогнозирования скоростей ветра и электрических нагрузок обеспечивает своевременную подготовку системы к внешним возмущающим воздействиям, за счет прогнозирования характеристик метеорологических и электроэнергетических условий и оценки информации о времени включения устройства изменения положения лопастей на расчетный, требуемый угол атаки, что позволяет выработать сигнал по реализации управляющих воздействий на технологическое оборудование, обеспечивающее изменение угловой скорости ротора ветроколеса до номинального значения. 

Так как управление реализуется программно, то описание предложения для автоматизированного управления угловой скоростью ротора ветроколеса, в рассматриваемой инновационной технологии состоит в следующих шагах:

1) сбор в течение заданного промежутка времени информации о характеристиках метеопараметров и мощности потребляемой электроэнергии, передача их в информационно-вычислительный комплекс для временного накопления;

2) краткосрочное прогнозирование значения скорости ветра и мощности потребляемой электроэнергии на следующий временной интервал на основании замеренных данных за предыдущий период;

3) моделирование изменения значения угловой скорости ветроколеса на основе прогнозируемого значения скорости ветра, мощности потребляемой электроэнергии и текущих данных угловой скорости ротора генератора;

4) моделирование изменения значения угла положения лопасти, на основе прогнозируемого значения скорости ветра, мощности потребляемой электроэнергии;

5) оценка времени, включения двигателя привода угла питча лопасти на основе предполагаемого значения скорости ветра, мощности потребляемой электроэнергии;

6) выдача предписаний по реализации регулирующих воздействий, направленных на включение двигателя привода угла питча в заданное расчетное время:

• если прогнозируемое значение угловой скорости ротора ветроколеса отличается от текущего значения на величину, характеризующую зону грубого регулирования, и при этом изменилось в большую сторону – включить двигатель для изменения положения лопастей на требуемый угол;

• закрыть доступ к двигателю привода питча со стороны основного существующего метода управления, и обеспечить его на следующем интервале времени прогноза для контроля выходных, управляемых параметров;

• если прогнозируемая величина угловой скорости ротора ветроколеса не отличается от текущего значения на величину, характеризующую зону грубого регулирования или она изменилась в меньшую сторону – реализация управляющих воздействий на технологическое оборудование, обеспечивающее изменение угловой скорости ветроколеса до требуемого значения не осуществляется;

• обеспечить доступ к реализации управляющих воздействий на технологическое оборудование, обеспечивающее изменение угловой скорости ветроколеса до требуемого значения со стороны основного существующего метода управления на всем отрезке времени для контроля параметров угловой скорости ротора генератора и мощности производимой электроэнергии до следующего интервала времени прогноза.

Таким образом, информационно-управляющий вычислительный комплекс имеет в своем составе: подсистему оперативного прогноза скорости ветра; подсистему оперативного прогноза мощности потребляемой электроэнергии; подсистему моделирования изменения угловой скорости ротора ветроколеса; подсистему моделирования изменения угла положения лопасти;  подсистему оценки параметра времени включения двигателя привода угла питча лопасти; подсистему интеллектуальной поддержки принятия решений по управлению угловой скоростью ветроколеса, в функции, которой входит оперативный контроль за управляемыми характеристиками процесса.

Инновационные аспекты предложения

К инновационным аспектам предложения можно отнести следующее:

1. Усовершенствована математическая модель процесса производства электроэнергии ВЭУ, отличающаяся тем, что метеопараметр, определяющий характер зависимости угловой скорости ротора ветроколеса от скорости ветра и угла положения лопасти выбирается с возможностью заблаговременного определения изменения частоты вращения ветроколеса, что способствует учету динамических свойств системы для повышения оперативности принятия управляющих решений при переменных характеристиках метеорологических условий. При этом введение коэффициента в предложенной формуле обеспечивает понижение кубической степени метеопараметра до единицы, что дает возможность получить линейную зависимость скорости вращения ротора в соответствии с изменением внешней среды.

2.  Впервые разработан метод оценки времени включения двигателя привода угла питча лопасти, в соответствии с изменением скорости ветра и мощности потребляемой электроэнергии на последующем интервале времени, с учетом инерционности системы и постоянной времени разворота лопастей, что позволяет обеспечить своевременную установку лопастей на необходимый угол для повышения стабильности частоты вращения ротора ветроколеса.

3. Усовершенствован метод автоматизированного управления процессом производства электроэнергии ветроэнергетической установкой путем формирования угловой скорости ротора ветроколеса и угла положения лопасти на основе упреждения изменений скорости ветра и величины потребляемой электроэнергии на малые промежутки времени  (среднеквадратическая ошибка математического ожидания метеопараметра не превышает 4%).

4. Организация интервала, в течение которого осуществляется осреднение измеренных значений, производится с помощью учета хронологии характера изменения внешней среды, чтобы минимизировать время контроля выходных управляемых параметров, который реализуется согласно критерию формирования доступа к двигателю привода питча со стороны предложенного и основного методов принятия управляющих решений,  что дает возможность повысить стабильность частоты вращения ротора ветротурбины за счет уменьшения продолжительности переходного процесса в среднем в два раза.

Главные преимущества предложения

1. Разработаны мероприятия по обеспечению продолжительности надёжного функционирования деталей механизмов ВЭУ, повышения стабильности частоты вращения ветроколеса, экономии производимой электроэнергии при собственном потреблении, эффективности использования энергии ветра и уменьшению динамических нагрузок на основные элементы конструкции в процессе эксплуатации, за счет уменьшения количества включений устройства изменения положения лопастей, в среднем в 15 раз, при неустановившемся режиме, вызванным  запаздыванием регулирования угловой скорости ветроколеса, которое составляет около 13с.

2. Предложенные новые средства: методика и прикладное программное обеспечение, которые решают такие задачи, как прогноз угловой скорости ветроколеса и угла положения лопасти в соответствии с изменением скорости ветра и величины потребляемой электроэнергии на будущем отрезке времени; оценка времени включения двигателя привода угла питча лопасти, на том же отрезке времени; обеспечение согласованного доступа к двигателю привода питча со стороны, предложенного и основного существующего методов принятия управляющих решений, с целью повышения стабильности частоты вращения ветроколеса –  не требуют вложений денежных средств, для реализации, как компонента системы.

Технологические ключевые слова

Ветротурбина, оценка времени, переходный процесс, угловая скорость, момент инерции, прогноз, эффективность, скорость ветра, принятие управляющих решений.

Практическое применение

Разработка может быть полезна организациям, занимающимся проектированием,  созданием и обслуживанием ветроэлектрических агрегатов.

Права интеллектуальной собственности

Планируется подача заявки на патент.