Контрол на мощността на вятърни турбини

ВЕИ енергетикaТехнически статииСп. Енерджи ревю - брой 6, 2012

Вятърните турбини са конструирани да работят в определен диапазон от скорости на вятъра, който се определя от минималната скорост за включване и максималната скорост на вятъра, при която турбината спира, за да се предотврати механична повреда. Изходната мощност и натоварването на механичните елементи при високи скорости на вятъра се контролират чрез система за активно или пасивно ъглово завъртане на ротора за проследяване посоката на вятъра и регулиране на подемната сила или на стъпката на роторните лопатки за контролиране на изходната мощност. Профилите на роторните лопатки с регулиране на ъгъла са проектирани да губят своята подемна сила при високи скорости на вятъра. Турбините с регулиране на ъгъла на атаката на вятъра променят ъгъла на витлото, за да намалят подемната сила и да избегнат прекомерната енергия при силен вятър. Ако скоростта на вятъра се увеличи до максимална стойност, при която турбината спира да работи, лопатките на перките и турбината спират да се въртят, за да се избегнат излишното натоварване на ротора и другите механични компоненти.

Роторите, използващи регулиране на ъгъла на атака спрямо вятъра, също така предлагат начин за оптимизиране изходната мощност при по-ниска скорост на вятъра. Другите алтернативи за намаляване на мощността, които се използват, включват промяна на ъгъла на атаката само на върховете на лопатите, спирачни системи на върховете на лопатките и елерони.

Активни ограничители на мощността

При вятърните турбини с управление на ъгъла на роторните лопатки контролерът на турбината проверява произведената от турбината мощност няколко пъти в секунда. Когато изходната мощност стане прекалено висока, контролерът изпраща сигнал към регулиращия механизъм за промяна в ъгъла на атака на лопатките и те се завъртат извън вятърния напор. Системата за позициониране на перките променя ъгъла на атака на вятъра и по този начин въртящият момент се контролира да бъде константен от определена степен на вятъра, например 10 м/с до максималния - 25 м/с. До 10 м/с перките са с максимален ъгъл на атака, а мощността се регулира от конвертора, така че да се постигне най-високото КПД и да се извлече оптималната мощност. При ветрогенераторите с вградена функция за управление на ъгъла на лопатките спрямо посоката на вятъра (pitch control), системата за управление трябва да може да отчита дори и минималните промени в метеорологичните условия и да оптимизира работата на отделните компоненти. При извънредни ситуации, като буря или скорост на вятъра над 25 м/с, се задейства аварийна система за спиране на генератора, при която роторните лопатки се обръщат в неутрална позиция спрямо вятъра.

На базата на измерения ъгъл на работните лопатки, системата, регулираща стъпката им (pitch drive) и системата за ориентация на ротора (azimuth drive), осигуряват експлоатацията на ветрогенератора в работния обхват. Системата за ориентация на ротора трябва от една страна да гарантира, че ще поддържа ротора в правилна позиция и от друга, че системата е разположена коректно спрямо вятъра и получава оптимално количество въздушен поток върху роторните перки - в случай че системата не функционира правилно, аеродинамичният дисбаланс може да доведе до претоварване на механичните компоненти - главината, основния вал, основните носещи елементи, редуктора, съединителя и генератора и всички други компоненти, при които съществува опасност от повишено износване при подобни натоварвания

Механизмите за промяна на ъгъла на роторните лопатки обикновено са с хидравлично задвижване.

Управлението се базира на PID контролери. В бъдеще по-бърза и ефективна работа обещават контролерите с размита логика (които намират приложение и в процеса на следене на MPPT при фотоволтаичните системи). Основното им предимство е, че при изпълнението на управлението не са необходими математически модели. Принципно, контролерите с размита логика наблюдават скоростта на ротора и темпа на регулиране на ъгъла на перките и изчисляват отклонението на скоростта от зададената стойност и ускорението на ротора. На двата входящи параметъра се задават размити стойности, като се използват различни сектори. Така например, отклонение на скоростта равно на нула ще бъде централната точка, лекото отклонение ще бъде зададено на първия сектор, а третият ще съдържа по-големите отклонения на скоростта. Използват се общо три сектора за съответния входящ параметър, като се прави разлика между отрицателните и положителните отклонения и се определя дали е възможно стойността да бъде извън зададените сектори. Съответно, три сектора се създават и за изхода - темп на регулиране на ъгъла на роторните лопатки - от нисък темп до максимален темп на регулиране, като при всеки случай те са положителни и отрицателни. По този начин се създават три параметъра за отклонение в скоростта, три за ускорение и три за темпа на регулиране.

Ако отклонението на скоростта е в първия положителен сектор, а ускорението е във втория отрицателен сектор, тогава темпът на регулиране на наклона на перките се задава към първи отрицателен темп. Отрицателен темп на регулиране на наклона на перките ще означава завъртането на роторната перка и повишаването на коефициента на мощност. Това показва гъвкавостта на контролера с размита логика. Един PID контролер би правил постоянна положителна корекция в случай на положително отклонение в скоростта. Но, тъй като роторът вече показва отрицателно ускорение, т. е. скоростта пада, роторът би бил забавен допълнително, което ще доведе до по-ниска скорост и понижаване на енергийната производителност. От своя страна, правилото на контролера с размита логика работи с отрицателно ускорение. Вместо да понижи още скоростта на ротора, контролерът се опитва да работи срещу ускорението, за да предотврати падането на скоростта. Целта е да се прави по-специфична регулация към номиналната скорост и да се повиши производството на енергия.

Механизмът за промяна на ъгъла на роторните лопатки обикновено се активира чрез хидравлика или електрически стъпкови двигатели.

Пасивно управление на мощността

Вятърните турбини с пасивен контрол на мощността използват роторни лопатки, фиксирани под определен ъгъл. Аеродинамичният профил на ротора е конструиран така, че при скорости на вятъра над определена стойност се получава завихряне на въздушния поток, при което ламинарният поток се заменя с турбулентен на върха на турбината. По този начин се намалява силата на натиск върху лопатките и се ограничава изходящата мощност.

Обикновено този тип перки са леко усукани по надлъжната си ос. Това се прави отчасти, за да се гарантира, че перката ще спре постепенно, а не внезапно, когато скоростта на вятъра достигне своята критична стойност. Основното предимство на пасивното управление чрез затихване е това, че се избягва монтажът на подвижни части в самия ротор и сложни системи за управление. От друга страна, управлението чрез затихване представлява много сложен проблем от гледна точка на аеродинамиката и свързаните проектни предизвикателства в структурната динамика на цялата вятърна турбина, например избягването на предизвиканите от затихването вибрации.

Големите вятърни турбини (1 MW и повече) се разработват с управление чрез активно затихване. От техническа гледна точка те приличат на турбините с управление на промяна на ъгъла на роторните лопатки спрямо посоката на вятъра (pitch control), тъй като перките им също могат да променят ъгъла си при ниски скорости на вятъра, за да се получи сравнително голям въртящ момент. Когато обаче турбината достигне своята номинална мощност, се забелязва важна разлика. Ако генераторът е близо до претоварване, турбината ще промени наклона на своите лопатки в обратна посока на тази, която би използвала турбината с pitch control. С други думи, тя ще повиши ъгъла на атака на перките, за да накара перките да преминат в състояние на по-дълбоко затихване, като по този начин губят излишната енергия на вятъра.

Едно от предимствата на активното затихване е, че произведената мощност може да се управлява по-точно в сравнение с пасивното затихване, така че да се избегне надхвърлянето на номиналната мощност на турбината в началото на порива на вятъра. Друго предимство е, че турбината може да работи точно на своята номинална мощност при високи скорости на вятъра. При обикновените турбини с управление чрез пасивно затихване ще има спад в производителността при по-високи скорости на вятъра, тъй като перките преминават в по-дълбоко затихване.

Други методи за управление на мощността

Някои по-стари вятърни турбини използват елерони (задкрилки) за управление на мощността на ротора, както самолетите използват задкрилки за промяна на геометрията на крилата, за да се предостави допълнителна подемна сила при излитане.

Друга теоретична възможност е ъгловото завъртане на ротора частично извън вятъра, за да се понижи мощността. Тази техника на контрол чрез ъглово завъртане се използва на практика само за малки турбини (1 kW или по-малко), тъй като тя излага ротора на критично променливо напрежение, което в крайна сметка може да повреди цялата конструкция.


Top