способ управления ветроэнергетической установкой (варианты)

Формула изобретения

1. Способ управления ветроэнергетической установкой (ВЭУ) с самоориентирующейся по ветру горизонтальной осью вращения ветроколеса (ВК), включающий синхронное ориентирование лопастей ветроколеса относительно плоскости его вращения в диапазоне углов от конструктивно минимального _о до флюгерного _ф в режиме раскрутки, рабочем или останова ВК, удержание лопастей ВК на установочном угле , при котором стабилизируют вращение ВК в диапазоне номинальной угловой скорости рабочего режима _{min ном max}, включение/выключение нагрузки ВЭУ и/или тормоза ВК, отличающийся тем, что при раскрутке ВК от набегающего ветрового потока разворот лопастей ВК производят с предварительно установленной постоянной или переменной угловой скоростью от угла _ф> до угла _о< , при этом фиксируют время t_p разгона ВК до заданной контрольной угловой скорости _{o ном}, далее сравнивают значение t _p с его предварительно установленным пороговым значением , при t_p доводят вращение ВК до угловой скорости _max и включают нагрузку, с переходом ВК в диапазон номинальной стабилизируемой угловой скорости _ном рабочего режима, а при t _p< останавливают ВК посредством перевода лопастей на угол _ф и включения нагрузки и/или тормоза, при этом одновременно включают таймер на предварительно установленное время задержки t_з, а по окончании t _з выключают тормоз, нагрузку и вновь переводят ВК в режим раскрутки.

2. Способ управления ВЭУ по п.1, отличающийся тем, что при достижении ВК в рабочем режиме угловой скорости < _min осуществляют разворот лопастей ВК с предварительно установленной угловой скоростью от угла до _о до достижения ВК _ном, но при сохранении < _min далее выключают нагрузку, а лопасти ВК фиксируют на угле 10° 50°.

3. Способ управления ВЭУ по п.1, отличающийся тем, что при достижении ВК в рабочем режиме угловой скорости > _max осуществляют разворот лопастей ВК с предварительно установленной угловой скоростью от угла до _ф до достижения ВК _ном, причем при сохранении > _max, далее включают тормоз ВК, а также таймер на предварительно установленное время задержки t _з, при этом по окончании t_з выключают тормоз, нагрузку и вновь переводят ВК в режим раскрутки.

4. Способ управления ВЭУ по п.1, отличающийся тем, что дополнительно вводят блокировку тормоза, которая в случае его неисправности воспрещает раскрутку ВК по окончании t_з .

5. Способ управления ВЭУ по п.1, отличающийся тем, что дополнительно вводят световые и/или радиомаяки, сигнализирующие об отказе нагрузки, и/или тормоза, и/или синхронного ориентирования лопастей, и/или включении/выключении режима раскрутки, или рабочего, или останова ВК.

6. Способ управления ветроэнергетической установкой (ВЭУ) с самоориентирующейся по ветру горизонтальной осью вращения ветроколеса (ВК), включающий синхронное ориентирование лопастей ветроколеса относительно плоскости его вращения в диапазоне углов от конструктивно минимального _о до флюгерного _ф в режиме раскрутки, рабочем или останова ВК, удержание лопастей ВК на установочном угле , при котором стабилизируют вращение ВК в диапазоне номинальной угловой скорости рабочего режима _{min ном max}, включение/выключение нагрузки ВЭУ и/или тормоза ВК, отличающийся тем, что при раскрутке ВК от набегающего ветрового потока разворот лопастей ВК производят с предварительно установленной постоянной или переменной угловой скоростью от угла _ф> до угла _о< , при этом за заданное контрольное время t _o фиксируют угловую скорость разгона ВК _{р ном}, далее сравнивают значение _р с предварительно установленным пороговым значением , при _р доводят вращение ВК до угловой скорости _max и включают нагрузку, с переходом ВК в диапазон номинальной стабилизируемой угловой скорости _ном рабочего режима, а при _р> останавливают ВК посредством перевода лопастей на угол _ф и включая нагрузки и/или тормоза, при этом одновременно включают таймер на предварительно установленное время задержки t_з, а по окончании t _з выключают тормоз, нагрузку и вновь переводят ВК в режим раскрутки.

7. Способ управления ВЭУ по п.6, отличающийся тем, что при достижении ВК в рабочем режиме угловой скорости < _min осуществляют разворот лопастей ВК с предварительно установленной угловой скоростью от угла до _о до достижения ВК _ном, но при сохранении < _min, далее выключают нагрузку, а лопасти ВК фиксируют на угле 10° 50°.

8. Способ управления ВЭУ по п.6, отличающийся тем, что при достижении ВК в рабочем режиме угловой скорости > _max осуществляют разворот лопастей ВК с предварительно установленной угловой скоростью от угла до _ф до достижения ВК _ном, причем при сохранении > _max, далее включают тормоз ВК, а также таймер на предварительно установленное время задержки t _з, при этом по окончании t_з выключают тормоз, нагрузку и вновь переводят ВК в режим раскрутки.

9. Способ управления ВЭУ по п.6, отличающийся тем, что дополнительно вводят блокировку тормоза, которая в случае его неисправности воспрещает раскрутку ВК по окончании t_з .

10. Способ управления ВЭУ по п.6, отличающийся тем, что дополнительно вводят световые и/или радиомаяки, сигнализирующие об отказе нагрузки, и/или тормоза, и/или синхронного ориентирования лопастей, и/или включении/выключении режима раскрутки, или рабочего, или останова ВК.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к ветроэнергетическим (в т.ч. ветроэлектрическим) установкам (ВЭУ) с самоориентирующейся по ветру горизонтальной осью вращения ветроколеса (ВК), а более конкретно - к способам управления такими ВЭУ.

Известны способы управления ВЭУ с горизонтальной осью вращения ВК. Например, в т.н. «тихоходных» ВЭУ распространение получили способы управления (регулирования) путем вывода ветроколеса из-под ветра давлением, создаваемым воздушным потоком на дополнительные поверхности - боковые планы; или давлением на ВК, ось вращения которого смещена (эксцентрично расположена) относительно вертикальной оси его разворота по ветру. В исходное положение ветроколесо возвращается, например, усилием пружины. Принудительная остановка ВК производится, например, через систему тросов лебедкой. В большинстве т.н. «быстроходных» ВК регулирование осуществляется поворотом лопасти или ее концевой части относительно продольной оси, например, вследствие комбинированного действия на нее давления воздушного потока и момента ее центробежных сил (в т.ч. включая балансировочные грузы лопасти), под действием усилия центробежного регулятора и т.п. - см., например, «Большая советская энциклопедия», М., Изд-во «Советская энциклопедия», 1971 г., т.4, стр.590-594.

Известна ВЭУ «Growian-1» (ФРГ) с самоориентирующейся по ветру горизонтальной осью вращения ВК, - ближайший аналог (прототип), система управления (СУ) которой обеспечивает синхронное ориентирование (разворот) лопастей ветроколеса относительно плоскости его вращения в диапазоне углов от конструктивно минимального ( _o) до флюгерного ( _ф) - в режиме раскрутки, рабочем (энергогенерирующем) либо останова ВК; СУ обеспечивает также выведение лопастей ВК на установочный (близкий к оптимальному) угол ( ), при котором стабилизируют вращение ВК в диапазоне номинальной угловой скорости рабочего режима (18,5 об/мин ± 15% для ВЭУ «Growian-1»), кроме того, СУ осуществляет включение/выключение нагрузки ВЭУ и/или тормоза ВК - см., например, Ю.М.Голоднов, А.В.Пиковский «Генераторы для ветровых, малых гидравлических и приливных электростанций», М., ВИНИТИ, 1992 г, стр.51-55.

Однако способ управления ВЭУ - ближайший аналог, реализуемый СУ ВЭУ «Growian-1», оптимизирован для параллельной работы с электросетью. При работе же ВЭУ в автономном режиме, когда не требуется строгого согласования параметров силы тока/напряжения/фазы с параллельными сетевыми параметрами, но обязательна высокая надежность при автоматическом (безлюдном) функционировании ветроустановки, структура СУ и аппаратно-программная реализация способа управления ВЭУ, реализованная на ближайшем аналоге, является, с одной стороны, неоправданно переразмеренной и громоздкой (по критерию «стоимость-эффективность»), с другой стороны, недостаточной для полностью автономной автоматической работы (в т.ч. многократного штормового флюгерования с последующим автоматическим перезапуском и выходом в штатный энергогенерирующий режим; автоматической самодиагностики, в т.ч. с возможностью переконфигурирования, ключевых блоков ВЭУ; применения оптимальной фильтрации разгонных параметров ВК с учетом ветровых порывов, др.).

Целью предлагаемого изобретения является создание способа управления ветроустановкой, обеспечивающего ее автономную автоматическую (безлюдную) работу при использовании в качестве датчика скорости ветра непосредственно ветроколеса ВЭУ.

Указанная цель достигается тем, что в способе управления ветроэнергетической установкой с самоориентирующейся по ветру горизонтальной осью вращения ветроколеса, включающем синхронное ориентирование (разворот) лопастей ВК относительно плоскости его вращения в диапазоне углов от конструктивно минимального _о до флюгерного _ф (в режиме раскрутки, рабочем или останова ВК), а также удержание лопастей ВК на установочном угле , при котором стабилизируют вращение ВК в диапазоне номинальной угловой скорости рабочего режима _{min ном max}, а также включение/выключение нагрузки ВЭУ и/или тормоза ВК, - при раскрутке ВК от ветрового потока, ориентирование лопастей ВК производят (с предварительно установленной постоянной или переменной угловой скоростью разворота лопастей относительно их продольных осей ) от угла _ф> до угла _o< , при этом фиксируют время t_p разгона ВК до заданной контрольной угловой скорости _{o ном} или за заданное контрольное время t₀ фиксируют угловую скорость разгона ВК _{p ном}, далее сравнивают значение t _p или _p с их предварительно установленным пороговым значением или , при t_p или _р доводят вращение ВК до угловой скорости _max и включают нагрузку - с переходом ВК в диапазон номинальной стабилизируемой угловой скорости _ном рабочего режима, а при t _р< или _p> останавливают ВК посредством перевода лопастей на угол _ф и включения нагрузки и/или тормоза, при этом одновременно включают таймер на предварительно установленное время задержки t_з, а по окончании t _з выключают тормоз, нагрузку и вновь переводят ВК в режим раскрутки.

При уменьшении в рабочем режиме _ном менее _min (достижении ветроколесом угловой скорости < _min) осуществляют разворот лопастей ВК - с предварительно установленной постоянной или переменной угловой скоростью этого разворота - от угла до _o до достижения ветроколесом _ном, причем при сохранении условия < _min далее выключают нагрузку, а лопасти ВК фиксируют на угле 10° 50°.

При увеличении в рабочем режиме _ном более _max (достижении ветроколесом угловой скорости > _max) осуществляют разворот лопастей ВК - с предварительно установленной угловой скоростью этого разворота - от угла до _ф до достижения ВК _ном, причем при сохранении условия > _max далее включают тормоз ВК, а также таймер на предварительно установленное время задержки t _з, при этом по окончании t_з выключают тормоз, нагрузку и вновь переводят ВК в режим раскрутки.

Кроме того, дополнительно вводят блокировку тормоза, которая в случае его неисправности воспрещает раскрутку ВК по окончании t_з.

Кроме того, дополнительно вводят световые и/или радиомаяки (индикаторные устройства), сигнализирующие об отказе нагрузки, и/или тормоза, и/или синхронного ориентирования лопастей (устройства разворота лопастей), и/или включении/выключении режима раскрутки, или рабочего, или останова (торможения) ВК ВЭУ.

На чертеже представлена структурная схема ВЭУ, СУ которой реализует предложенный способ управления. Приняты обозначения:

1 - лопасть ВК,

2 - устройство синхронного разворота лопастей в диапазоне углов от _ф до _о,

3 - силовая передача крутящего момента от ВК к нагрузке,

4 - предохранительная/компенсирующая муфта,

5 - нагрузка,

6 - тормоз,

7 - управляющее устройство,

8 - таймер,

9 - датчик оборотов ВК,

10 - линия командно-информационной связи,

11 - сигнализатор (маяк),

12 - источник энергопитания.

Функционирование ВЭУ по данному способу управления осуществляется следующим образом. При начальном переводе ветроустановки в режим штатной эксплуатации (либо автономном автоматическом перезапуске ВЭУ по таймеру) лопасти поз.1 ВК устанавливаются во флюгерное положение (на угол _ф) посредством устройства синхронного разворота поз.2 по команде управляющего устройства поз.7. После этого выключают нагрузку поз.5 и/или тормоз поз.6 - если они были включены - и осуществляют с предварительно установленной (заданной априори) постоянной или переменной угловой скоростью синхронный перевод (разворот) лопастей поз.1 ВК из флюгерного положения _ф к положению конструктивно минимального («антифлюгерного») угла _о. Данный режим предусматривает использование ветроколеса ВЭУ в качестве датчика скорости ветра (с «идеальной» фильтрацией порывов ветра для каждого конкретного ВК).

При этом в процессе раскрутки ветроколеса от ветрового потока фиксируют:

либо время t_p разгона ВК до заданной априори контрольной угловой скорости _{о ном},

либо угловую скорость разгона ВК _{р ном} за заданное контрольное время t₀.

Контроль t_p - таймером поз.8, _p - датчиком оборотов поз.9. Далее сравнивают значение t_p или _p с их предварительно установленным пороговым значением или (осуществляется управляющим устройством поз.7). При t _p или _р (что соответствует нештормовой скорости ветра) доводят вращение ВК - посредством дальнейшего разворота лопастей поз.1 с предварительно установленной постоянной или переменной угловой скоростью этого разворота - до угловой скорости _max (задается априори) и включают нагрузку поз.5. При этом - за счет перераспределения кинетического момента ВК на нагрузку поз.5 - угловая скорость вращения ветроколеса уменьшается до значения _{min ном max} (контроль - по датчику оборотов поз.9 ВК). Управляющее устройство поз.7 поддерживает данный рабочий режим. При этом при уменьшении скорости ветрового потока и достижении ветроколесом угловой скорости < _min производится разворот лопастей поз.1 ВК (с заданной угловой скоростью ) от текущего значения установочного угла до _o (в пределе) - до достижения ветроколесом номинальной угловой скорости _ном. При этом, если сохраняется < _min, нагрузку поз.5 далее выключают, а лопасти ВК фиксируют на угле 10° 50° (угол наивыгоднейшей раскрутки ненагруженного ВК из штилевого состояния).

Соответственно, при увеличении скорости ветрового потока и достижении на рабочем режиме ветроколесом угловой скорости > _max - производится разворот лопастей поз.1 ВК (с заданной угловой скоростью их разворота ) от текущего значения установочного угла до _ф (в пределе) - до достижения ветроколесом номинальной угловой скорости _ном. Причем при сохранении условия > _max (например, на углах _ф- , где =3-25°) - включают тормоз поз.6 ВК и одновременно таймер поз.8 (на предварительно установленное время задержки t_з). По окончании t_з - выключают тормоз поз.6, нагрузку поз.5 и вновь переводят ВК в режим раскрутки (т.е. осуществляют автономный автоматический перезапуск ВЭУ).

В качестве дополнительных ступеней предохранения ВЭУ, СУ при работе по указанному способу может вводить блокировку тормоза поз.6, которая в случае его неисправности воспрещает раскрутку ВК, в т.ч. по окончании t_з.

Кроме того, в структуру ВЭУ могут быть дополнительно введены световые и/или радиомаяки (индикаторные устройства) поз.11, сигнализирующие, например, об отказе нагрузки поз.5, и/или тормоза поз.6, и/или устройства разворота лопастей поз.2 (что приводит к невозможности синхронного ориентирования лопастей поз.1), и/или включении (либо выключении) режима раскрутки, или рабочего, или торможения (останова) ВК.

В рамках представленной на чертеже структурной схемы ВЭУ предполагается традиционное для установок этого типа (с самоориентирующейся по ветру горизонтальной осью вращения ВК) сопряжение ВК и целевой нагрузки поз.5 (включая в состав нагрузки в т.ч. редукторы, мультипликаторы, приводы и т.п.) через силовую передачу поз.3 (с предохранительными/компенсирующими муфтами поз.4), а также управляющего устройства поз.7 с оконечными устройствами поз.2, 5, 6, 8, 9, 11 через линии командно-информационной связи поз.10; при этом энергопитание всех потребителей обеспечивается от специализированного источника поз.12, например электрогенератора (в качестве дублирующих источников энергопитания поз.12 могут применяться также инерционные маховики, электрические аккумуляторы, фотоэлектрические преобразователи - солнечные батареи и т.п.).

Предложенное техническое решение - способ управления ветроэнергетической установкой - при его реализации на ВЭУ с самоориентирующейся по ветру горизонтальной осью вращения ВК (которые составляют, по разным оценкам, от 85 до 91% современного парка ВЭУ) позволит обеспечить ее автономную автоматическую (безлюдную) работу, что актуально для регионов с малой плотностью населения и/или низкой квалификацией привлекаемого обслуживающего персонала. При этом использование ветроколеса ВЭУ в качестве датчика скорости ветра (что обеспечивает практически «идеальную» фильтрацию порывов ветра для конкретного ВК) позволяет перейти к программно-аппаратной реализации ВЭУ, более предпочтительной по критерию «стоимость - эффективность».