Система аварийного торможения ветроэнергетической установки : диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук : 05.14.08
Введение ……………………………………………………………………………………………………. 4
1. Особенности эксплуатации ветроэнергетических установок …………………. 10
1.1. История развития ветроэнергетики…………………………………………….. 10
1.2. Актуальность применения ветроэнергетических установок ………… 11
1.3. Особенности эксплуатации ветроэнергетических установок ………. 17
1.4. Анализ существующих устройств, систем и способов аварийного
торможения ветроэнергетических установок …………………………………….. 20
1.5. Анализ статистических данных по авариям на ветроэнергетических
установках ………………………………………………………………………………………… 24
1.6. Выводы по главе. ………………………………………………………………………. 31
2. Теоретическое описание системы аварийного торможения
ветроэнергетической установки ……………………………………………………………….. 32
2.1. Состав системы аварийного торможения ветроэнергетической
установки …………………………………………………………………………………………. 32
2.2. Математическое описание работы системы аварийного торможения
ветроэнергетической установки ………………………………………………………… 34
2.3. Разработка универсальной компьютерной модели системы
аварийного торможения ветроэнергетической установки…………………… 36
3. Исследование работы универсальной компьютерной модели системы
аварийного торможения ветроэнергетической установки ………………………….. 47
3.1. Выбор и описание ветроэнергетической установки для разработки
конструкции системы аварийного торможения ………………………………….. 47
3.2. Разработка системы аварийного торможения для ВЭУ-3 ……………. 50
3.3. Разработка компьютерной модели системы аварийного торможения
ВЭУ-3 ………………………………………………………………………………………………. 59
3.4. Компьютерное моделирование работы системы аварийного
торможения ВЭУ-3. ………………………………………………………………………….. 64
3.5. Расчет устойчивости системы аварийного торможения ВЭУ-3 …… 73
3.6. Экспериментальное исследование работы системы аварийного
торможения ВЭУ-3 …………………………………………………………………………… 75
3.7. Обработка и анализ результатов, полученных в ходе
экспериментального исследования ……………………………………………………. 82
4. Способ реализации системы аварийного торможения ВЭУ-3. ……………….. 86
4.1. Функциональная схема системы аварийного торможения ВЭУ-3 .. 86
4.2. Состав системы аварийного торможения ВЭУ-3. ……………………….. 87
Заключение ……………………………………………………………………………………………… 93
Список литературы ………………………………………………………………………………….. 96
Приложение А. Расчет и оптимизация редуктора для системы аварийного
торможения ВЭУ-3 ………………………………………………………………………………… 112
Приложение Б. Листинг программы управления для микроконтроллера
системы аварийного торможения ВЭУ-3 ………………………………………………… 117
Приложение В. Документы о внедрении результатов диссертационного
исследования ………………………………………………………………………………………….. 138
Актуальность темы. Ветроэнергетика – динамично развивающаяся
отрасль энергетической промышленности во многих ведущих странах мира.
На территории России ветроэнергетические установки наиболее востребованы
и экономически целесообразны для электроснабжения отдаленных
децентрализованных объектов. Преимущественно такие объекты
расположены на северных и дальневосточных территориях страны и имеют
характер стратегически важных объектов (оборонительные и навигационные
объекты, станции ресурсодобывающих компаний и т.п.). Однако повышенные
ветровые нагрузки указанных регионов и отсутствие возможности контроля за
работой ветроэнергетических установок со стороны человека создают высокие
риски их эксплуатации. Наиболее распространенными аварийными случаями
при эксплуатации ветроэнергетических установок являются: разрушение
лопастей из-за превышения частоты вращения ротора, перегрев обмоток
генератора, разрушение конструкции из-за повышенных вибрационных
колебаний. Как правило, для предотвращения перечисленных негативных
факторов в ветроэнергетических установках используются системы
торможения. Существующие способы торможения ветроэнергетических
установок делятся на два типа: торможение с использованием электрического
генератора и механическое торможение ветроколеса. Первый способ
торможения является менее пригодным для торможения ветроэнергетических
установок при скорости ветра выше 11 м/с, т.к. электрические генераторы
агрегатов конструктивно рассчитаны на номинальный режим работы при 11
м/с. При более высоких скоростях ветра возникнет риск перегрева обмоток
генератора. Второй способ торможения является более предпочтительным,
т.к. механические элементы систем торможения способны выдерживать
большие динамические и температурные нагрузки. Кроме того, согласно
ГОСТ Р 51991-2002 все ветроэнергетические установки, номинальная
мощность которых выше 4 кВт, должны иметь как минимум две независимые
системы торможения – рабочую и аварийную, т.е. механическая система
торможения может использоваться в качестве дополнительной к системе
торможения электрическим генератором.
На данный момент отсутствуют надежные механические системы
торможения, которые обеспечивали бы безопасную и стабильную
эксплуатацию ветроэнергетических установок при повышенных скоростях
ветра (более 11 м/с). Это подтверждают статистические данные по авариям на
ветроэнергетических установках – на каждой пятой эксплуатируемой
установке в мире происходит аварийная ситуация с последующим полным
выходом ее из строя. Таким образом, обеспечение безопасности эксплуатации
ветроэнергетических установок является актуальной темой, чему посвящена
данная работа.
Степень разработанности темы исследования. Исследованиями в
области совершенствования конструкций ветроэнергетических установок
занимались следующие российские ученые: Н.Е. Жуковский, Д.С. Стребков,
В.П. Ветчинкин, П.П. Безруких, В.В. Елистратов, О.С. Попель, В.М. Ляхтер,
Г.Х. Сабинин, Е.М. Фатеев, В.Н. Андриянов, В.И. Велькин, В.Г. Николаев,
Н.В. Красовский, А.Ф. Дьяков, Э.М. Перминов, Ю.Г. Шакарян, В.Р. Вашкевич,
Д.Н. Быстрицкий, Я.Б. Данилевич, Г.И. Денисенко, В.А. Минин, Е.И. Куклин,
М.В. Кузнецов, В.И. Виссарионов, В.В. Харитонов, Я.И. Шефтер и другие.
Цель работы – повышение безопасности эксплуатации
ветроэнергетической установки путем интеграции в ее состав системы
аварийного торможения и исследование эффективности работы
интегрированной системы аварийного торможения.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие
задачи:
1. Провести анализ статистических данных по авариям
ветроэнергетических установок. Определить виды аварий, их причины и
оценить последствия аварийных случаев.
2. Выявить и проанализировать существующие способы аварийного
В ходе диссертационного исследования были выполнены поставленные
задачи. По результатам исследования получены следующие выводы:
1. Проведен анализ статистических данных по авариям
ветроэнергетических установок. Определены виды аварий, их причины и
последствия.
2. Выявлены и проанализированы существующие способы аварийного
торможения ветроэнергетических установок: механическое торможение,
торможение с использованием электрического генератора, комбинированное
торможение ВЭУ (может одновременно включать в себя аэродинамическое,
механическое и электрическое торможение). Сформулированы следующие
требования к системам аварийного торможения ветроэнергетических
установок: необходимо контролировать скорость вращения ротора,
температуру генератора и вибрационные колебания конструкции; система
должна быть способна работать независимо от основной системы управления
ВЭУ; система должна основываться на механическом способе торможения.
3. Разработана математическая модель, описывающая процессы,
которые необходимы для принятия решения о торможения: степень нагрева
тормозных элементов, степень нагрева обмоток генератора, скорость
вращения ветроколеса. Разработан алгоритм управления системой аварийного
торможения ветроэнергетической установки.
4. С использованием математической модели и алгоритма управления
была разработана универсальная компьютерная модель системы аварийного
торможения ВЭУ в программной среде MATLAB Simulink. Данная модель
позволяет исследовать влияние системы аварийного торможения на процесс
эксплуатации ветроэнергетической установки, что может быть использовано
разработчиками конструкций ветроэнергетических установок для
оптимизации изделий на этапе проектирования.
5. Разработана система аварийного торможения для вертикально-осевой
ветроэнергетической установки мощностью 3 кВт (ВЭУ-3). Исполнительный
тормозной механизм разработанной системы содержит: асинхронный
серводвигаетель HMAB15A200-10S17bA-C с полым валом, планетарный
четырехступенчатый редуктор, тормозной трехкулачковый блок. Из
стандартных изделий выбраны электротехнические компоненты системы
торможения (контроллер, датчики, источник питания, инвертор и пр.). Для
всех электротехнических компонентов системы разработана электрическая
схема соединений. Для контроллера написан код программы управления.
6. Проведено компьютерное моделирование работы созданной системы
аварийного торможения ВЭУ-3. По результатам моделирования было
определено, что разработанная система аварийного торможения обеспечивала
безопасную эксплуатацию ВЭУ-3 при постоянной скорости ветра до 25 м/с и
при переменной скорости ветра с отдельными порывами ветра до 35 м/с и
средней скорости ветра 21,9 м/с.
7. Проведено исследование на экспериментальном стенде,
имитирующем процесс работы ВЭУ-3 и созданной системы аварийного
торможения. В ходе эксперимента имитировалась работа ВЭУ-3 при
постоянной скорости ветра 25 м/с (как при компьютерном моделировании).
Превышение температуры нагрева тормозных колодок при эксперименте над
температурой нагрева тормозных колодок при компьютерном моделировании
на 11,73%. При этом в ходе эксперимента были обеспечены (в имитационном
варианте) безопасные условия эксплуатации ВЭУ-3. Расхождение в
температуре нагрева тормозных элементов при компьютерном моделировании
и экспериментальном исследовании обусловлено тем, что экспериментальное
исследование проводилось при температуре окружающей среды на 3 ºС выше,
чем в компьютерном моделировании. Кроме того, расхождение
температурных значений объясняется неидеальностью пропорций
геометрических параметров тормозных элементов в компьютерном и
экспериментальном исследованиях.
Таким образом, была достигнута цель по повышению безопасности
эксплуатации ветроэнергетической установки путем интеграции в ее состав
системы аварийного торможения.
Перспективы дальнейшей разработки темы исследования:
1. В будущем по теме работы планируется проведение исследования на
предмет ресурса системы аварийного торможения ветроэнергетической
установки. Данное исследование позволит определить регламент
обслуживания системы торможения, что в конечном итоге даст возможность
получить конечную стоимость эксплуатации разработанной системы
аварийного торможения.
2. Планируется разработка и оптимизация технологии производства и
обработки деталей, используемых в исполнительном механизме системы
аварийного торможения. Оптимизированная технология производства и
обработки деталей позволит добиться требуемых прочностных характеристик
снизить себестоимость конечного изделия.
3. Важным этапом в разработке темы исследования может стать
создание методологии по проектированию и расчету механических элементов
системы аварийного торможения. Данная методология упростит процесс
проектирования конструкций систем торможения для ветроэнергетических
установок различных типов и классов.
4. Для повышения эффективности работы системы торможения может
быть разработан алгоритм управления на основе искусственной нейронной
сети, который будет учитывать не только текущие параметры
ветроэнергетической установки, но и открытые данные глобальной
математической модели погоды ECMWF для прогнозирования порывов ветра
и осуществления предиктивного торможения ВЭУ.
Помогаем с подготовкой сопроводительных документов
Хочешь уникальную работу?
Больше 3 000 экспертов уже готовы начать работу над твоим проектом!
4.8 (1033 отзыва)
4.8 (105 отзывов)
4.8 (211 отзывов)
4.8 (373 отзыва)
5 (428 отзывов)
4.2 (25 отзывов)
4.9 (35 отзывов)
5 (8 отзывов)
4.9 (522 отзыва)
