Корекція вихідної потужності генератора безмультиплікаторної вітроелектроустановки при дискретних та випадкових значеннях швидкості вітру

Abstract

Основним перетворювачем механічної енергії вітру в електричну у вітроустановках є електричний генератор. Як правило, в таких системах ви-користовуються синхронні генератори із постійними магнітами на роторі. Головним недоліком такого конструктивного виконання є складність або і практична неможливість регулювати вихідні параметри генератора: напругу, потужність і т.ін. Відомі методи та засоби направлені на вирішення даної задачі відносяться до випадків, коли швидкість вітру є постійною, тобто незмінною. В реальних умовах характер вітру носить мін-ливий характер. Середньорічна швидкість вітру для України коливається в межах ≈ 5-6 м/с. Поточне значення швидкості вітру залежить від погодних умов, часу доби та пори року. Відповідно і характер вихідної потужності генератора буде мати мінливий характер. В даній роботі автори проводять оцінку ефективності корекції вихідної потужності генератора безмультиплікаторної вітроустановоки при дискретних та випадкових значеннях швидкості вітру. Основною енергетичною установкою даного дослідження виступає магнітоелектричний синхронний генератор із двостороннім розташуванням магнітів на роторі та з аксіальним магнітним потоком. Для вирішення поставленої мети розроблено чисельну імітаційну математичну модель системи у складі із безмультиплікаторною вітроустановокою та магнітоелектричним синхронним генератором із двостороннім розташуванням магнітів на роторі та з аксіальним магнітним потоком в програмному пакеті MATLAB-Simulink. Розроблена іміта-ційна модель враховує зміну вихідних параметрів генератора при зміні швидкості вітру і навпаки, система в якій зміна вихідного стану генератора призводить до зміни параметрів ротора вітроагрегату. Мінливість та дискретність швидкості вітру реалізована в системі MATLAB-Simulink шляхом формування сигналів, значення яких в окремі моменти часу є випадковою величиною, розподіленою за нормальним (Гауссовим) законом із заздалегідь заданими параметрами. За допомогою розробленої математичної моделі проведено чисельні імітаційні експерименти, в яких дослі-джувалась ефективність корекції вихідної потужності досліджуваної системи при підключенні статичних конденсаторів до обмотки якоря гене-ратора та при подачі струму на додаткову обмотку магнітоелектричного генератора. При підключенні додаткової підмагнічувальної ємності ≈30 мкФ до затискачів генератора спостерігається збільшення вихідної потужності на ≈5-10%. При подачі напруги на обмотку збудження Uf=8 В спостерігається приріст вихідної потужності генератора ≈30-40% ніж без регулювання. Тому це є більш ефективним способом корекції вихідної потужності магнітоелектричного генератора. Розроблену математичну модель можливо використовувати в подальших дослідженнях для синтезу закону керування додатковою обмоткою магнітоелектричного генератора для максимально ефективного перетворення механічної енергії вітру в електричну.

The main converter of mechanical wind energy into electricity in wind turbines is an electric generator. Typically, such systems use synchronous generators with permanent magnets on the rotor. The main disadvantage of this design is the complexity or the impossibility of adjusting the output parameters of the generator: voltage, power, etc. Known methods and tools aimed at solving this problem relate to cases where the wind speed is constant, ie constant. In real conditions, the nature of the wind is changeable. The average annual wind speed for Ukraine varies between ≈ 5-6 m / s. The current value of wind speed depends on weather conditions, time of day and season. Accordingly, the nature of the output power of the generator will be variable. In this paper, the authors evaluate the effectiveness of the correction of the output power of the generator of the multiplier wind turbine at discrete and random values of wind speed. The main power unit of this study is a magnetoelectric synchronous generator with two-sided arrangement of magnets on the rotor and with axial magnetic flux. To solve this goal, a numerical simulation mathematical model of the system was developed, consisting of a multiplier-free wind turbine and a magnetoelectric synchronous generator with two-way arrangement of magnets on the rotor and with axial magnetic flux in the MATLAB-Simulink software package. The developed simulation model takes into account the change of the output param-eters of the generator when the wind speed changes and vice versa, the system in which the change of the initial state of the generator leads to a change in the parameters of the rotor of the wind turbine. The variability and discreteness of wind speed is realized in the MATLAB-Simulink system by generating signals, the values of which at certain points in time are a random variable distributed according to the normal (Gaussian) law with prede-termined parameters. Using the developed mathematical model, numerous simulation experiments were performed, which investigated the efficiency of correction of the output power of the studied system when connecting static capacitors to the armature winding of the generator and when applying current to the additional winding of the magnetoelectric generator. When connecting an additional magnetizing capacitance ≈30 μF to the generator terminals, there is an increase in output power by ≈5-10%. When the voltage is applied to the excitation winding Uf = 8 V, there is an increase in the output power of the generator ≈30-40% than without regulation. Therefore, it is a more efficient way to correct the output power of the magnetoelectric generator. The developed mathematical model can be used in further research to synthesize the control law of the additional winding of the magnetoe-lectric generator for the most efficient conversion of mechanical wind energy into electrical energy.