Модель ветрогенератора ВЭУ-3 в пакете MATLAB

Применение возобновляемых источников энергии совместно с энергоэффективным оборудованием может дать значительный экономический и экологический эффект. Источником энергии является устройство, преобразующее первичную энергию в тепловую или электрическую.

Ветроэнергетическая установка ВЭУ-3 производства ООО «ГРЦ-Вертикаль» (г. Миасс) в качестве преобразователя «ветер – электроэнергия» использует ротор ВЭУ с лопастями и синхронный электрогенератор на постоянных магнитах с осевым зазором [1].

Рассматриваемый источник электрической энергии может быть сопряжен с различными потенциальными маломощными и энергоэффективными потребителями, такими как инфракрасные системы обогрева, насосы и любые бытовые приборы. Не менее интересна возможность совместной работы как с общей сетью, так и с другими источниками энергии. Во всех таких системах в качестве источника электроэнергии может использоваться ВЭУ-3. Поэтому всестороннее изучение этого источника, общего для различных систем, даст возможность широкого его применения во многих сферах.

При помощи программного пакета MATLAB [2] была построена математическая модель ветроге-нератора ВЭУ-3, которая представлена на рис. 1.

Общий принцип работы математической модели заключается в следующем.

К блоку Permanent Magnet Synchronous Machine прилагается отрицательный момент, который определяется скоростью ветра.

Крутящий момент, приложенный к генератору ВЭУ, в зависимости от скорости ветра равен [3]

M_z = m p p V ² SR , (1) где C_m – коэффициент крутящего момента, C m = 0,15; p - плотность воздуха, p = 1,2 кг/м³; V – скорость ветра, м/с; S – ометаемая площадь, S = 12,92 м²; R - радиус ветроколеса, R = 1,7 м.

Коэффициент крутящего момента C_m определяется при максимальном коэффициенте использования энергии ветра C p = 0,4 и быстроходности Z = 2,7 (рис. 2), которая определяется как [3]

Z =

V лин

V вет

— = 2,7, V

где V _лин – линейная скорость вращения, м/с; V _вет – скорость ветра, м/с.

Таким образом, за счет системы управления мы поддерживаем быстроходность Z = 2,7, обеспечивая при этом максимальный коэффициент использования энергии ветра Cp = 0,4, при ко эффициенте крутящего момента Cm = 0,15 .

Определим момент, приложенный к ротору генератора:

0.15       9                        9

M_z = -,—1,2 • V ² - 12,92 - 1,7 = 1,97676 V ².

z 2

При помощи блоков Ramp, Math Function, Gain определяется воздействие момента Mz на генератор.

Краткие сообщения

Работа генератора Permanent Magnet Synchronous Machine описывается следующей системой уравнений в осях q и d , связанных с ротором [2]

поток постоянных магнитов, сцепленный с обмоткой статора; p – число пар полюсов; T_e – элек-

Рис. 1. Модель ветрогенератора ВЭУ-3

Рис. 2. Зависимость C_p и

C_m от быстроходности Z

d .      1          R . Lq .

"T id = —ud - —id + — P®riq , dt    Ld d . _ 1 R .    Ld      .    Xp to r

— io —---Uo--io +--p to ij, dt q Lq q  Lq q LqL’ qqqq

Генератор является источником тока, переменного по фазе, частоте и амплитуде, который сложно использовать для нужд потребителя. Поэтому напряжение подается на трехфазный неуправляемый выпрямительный мост Universal Bridge. Для сглаживания пульсации служит RC-фильтр с постоянной времени, которая много больше периода колебаний тока в обмотке.

Измерение выходного напряжения осуществляется при помощи вольтметра V1, частота вращения ротора – при помощи измерительного порта m блока.

На рис. 3 представлена зависимость выпрямленного напряжения от частоты вращения ротора в режиме холостого хода U _X.X , полу-

Пронин Н.В., Мартьянов А.С.

Модель ветрогенератора ВЭУ-3 в пакете MATLAB

Рис. 3. Характеристика холостого хода ВЭУ-3

Рис. 4. Модель ВЭУ-3 при работе на нагрузку

ченная на модели, которая практически совпадает с характеристикой опытного образца генератора.

Рассматриваемый генератор позволяет получать номинальную мощность 3 кВт при номинальных 180 об/мин. Данные величины должны достигаться при скорости ветра 10,4 м/с. Результаты расчетов, выполненных по математической модели, представленной на рис. 4, показали, что при скорости ветра 10,43 м/с была зафиксирована частота вращения 180 об/мин, ток нагрузки 9,8 А, выпрямленное напряжение на нагрузке 309,8 В и мощность 3036 Вт.

Предложенная модель ветрогенератора ВЭУ-3 достаточно точно отражает работу установки в режиме холостого хода и в нагрузочном режиме и может быть использована при разработке и исследовании системы управления ВЭУ.