авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ  БИБЛИОТЕКА

АВТОРЕФЕРАТЫ КАНДИДАТСКИХ, ДОКТОРСКИХ ДИССЕРТАЦИЙ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Формирование энергоэффективных режимов работы ветроэнергетических установок на основе нечеткой логики

На правах рукописи

Ядагаев Эркемен Геннадьевич ФОРМИРОВАНИЕ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНЫХ РЕЖИМОВ РАБОТЫ ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК НА ОСНОВЕ НЕЧЕТКОЙ ЛОГИКИ Специальность 05.14.02 – Электрические станции и электроэнергетические сис темы

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Томск – 2013

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образова тельном учреждении высшего профессионального образования «Новосибир ский государственный технический университет»

Научный консультант: Манусов Вадим Зиновьевич доктор технических наук, профессор

Официальные оппоненты: Лукутин Борис Владимирович доктор технических наук, профессор, Национальный исследовательский Томский политехнический университет, заведующий кафедрой «Электроснабжение промышлен ных предприятий» Симаков Геннадий Михайлович доктор технических наук, профессор, Новосибирский государственный техниче ский университет, профессор кафедры элек тропривода и автоматизации промышлен ных установок

Ведущая организация: ЗАО «ЗиО-КОТЭС», г. Новосибирск

Защита состоится «29» мая 2013 г. в 14.00 часов на заседании диссерта ционного совета Д 212.269.10 при Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «На циональный исследовательский Томский политехнический университет» по ад ресу: 634050, г. Томск, пр. Ленина, 30.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Национального иссле довательского Томского политехнического университета по адресу: 634034, г.

Томск, ул. Белинского, 55.

Автореферат разослан «16» апреля 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.269.10, д.т.н., с.н.с. Кабышев А.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Наряду с несомненными достоинствами ветро энергетики, такими как малое отрицательное воздействие работы ветроэнерге тических установок (ВЭУ) на окружающую среду, отсутствие необходимости масштабных строительств, зон отчуждений и т.д., необходимо учитывать не достатки – высокочастотное излучение и невозможность постоянной выработки требуемой мощности ВЭУ при изменении параметров ветра. Следует отметить, что при скорости ветра меньше номинального значения необходимо вырабаты вать максимально возможную мощность и при скорости выше – номинальную.

Данное обстоятельство является довольно важным аспектом, ведь располагае мый ресурс регулирования часто меньше изменения мощности.

В реальной модели непременно присутствует технологический разброс параметров, вызванный непостоянством характеристик механических элемен тов. Этот факт является причиной неточности регулирующих воздействий. Для решения данной проблемы необходимо использовать нечеткие понятия и зна ния, которые описывают процесс регулирования при помощи продукционных правил «если - то». К наиболее важным достоинствам данного метода регули рования относится возможность использования опыта эксперта без составления дифференциальных уравнений. Использование аппарата нечеткой логики для задач регулирования наиболее применимо для систем с плохо формализован ными процессами.

Различные аспекты ветроэнергетики были изучены в работах таких уче ных, как В.Н. Адрианов, П.П. Безруких, Ю.Г. Шакарян и других.

Цель и задачи диссертационной работы. Целью диссертационной рабо ты является разработка эффективной системы регулирования мощности ВЭУ в условиях стохастического изменения параметров энергоносителя, выполненной на аппарате нечеткой логики и позволяющей вырабатывать максимально воз можную мощность в режиме рабочих ветров и номинальную – в режиме огра ничения. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Рассмотреть необходимые контуры регулирования мощности ВЭУ с уче том их ресурса регулирования;

2. Исследовать совместимость контуров регулирования и алгоритмов нечет кого вывода регуляторов по условию «плавного - жесткого» регулирования;

3. Разработать модели регуляторов с алгоритмами нечеткого вывода, соот ветствующих ресурсу контуров регулирования;

4. Разработать системную модель нечеткого регулирования мощности ВЭУ;

5. Провести сравнительный анализ функционирования ПИД и Fuzzy- регу ляторов с разными алгоритмами нечеткого вывода.

Идеей данной работы является применение разных алгоритмов нечеткого вывода в контурах регулирования мощности ВЭУ.

Методы исследования. В диссертационной работе применялись методы преобразования входных данных с использованием аппарата нечеткой логики в продукционных правилах: фаззификация, агрегирование, композиция, импли кация, дефаззификация;

метод пропорционального интегрально дифференциального регулирования, методы решения дифференциальных урав нений.

Научная новизна. В данной работе получены новые результаты, обеспе чивающие повышение эффективности выработки мощности ВЭУ при исполь зовании аппарата нечеткой логики в системе регулирования. Научная новизна заключается в следующем:

разработаны системы регулирования мощности ветроэнергетических ус тановок на основе нечеткой логики, позволяющие повысить выработку мощно сти во второй зоне и снизить колебания мощности в третьей зоне за счет ис пользования разных алгоритмов нечеткого вывода;



разработаны регуляторы нечеткого типа, позволяющие реализовать ис пользование алгоритмов Мамдани и Ларсена для формирования регулирующих воздействий отдельно в контурах поворота гондолы, изменения угла атаки и длины лопасти;

проведено исследование алгоритмов нечеткого вывода по условию «плавности - жесткости» регулирующих воздействий, учитывающий ресурс контура регулирования;

проведен анализ совместимости алгоритмов нечеткого вывода и контуров регулирования мощности, заключающийся в использовании алгоритма Мамда ни для контура поворота гондолы с большим ресурсом регулирования и алго ритма Ларсена для контуров изменения угла атаки и длины лопасти с малым ресурсом регулирования.

Практическая значимость. В ходе проведенных исследований были по лучены результаты, обладающие следующей практической ценностью:

осуществлена программная реализация модели системы регулирования мощности, которая может быть использована в действующих ВЭУ для увели чения выработки мощности;

установлена степень совместимости контуров регулирования и алгорит мов нечеткого вывода, методика которого может быть использована в других системах нечеткого регулирования в плохо формализованных процессах;

показана эффективность нечеткого регулирования мощности ВЭУ, кото рая достигается использованием разных алгоритмов нечеткого вывода в конту рах регулирования.

Достоверность результатов. Достоверность и обоснованность разрабо танных моделей и методов нечеткого регулирования мощности ВЭУ подтвер ждаются теоретическими обоснованиями и совпадением результатов анализа совместимости контуров регулирования с алгоритмами нечеткого вывода и экспериментальными данными.

Основные положения, выносимые на защиту. По результатам выпол ненной диссертационной работы на защиту выносятся следующие положения:

исследование алгоритмов нечеткого вывода по условию «плавности – жесткости» регулирования;

метод эффективного соответствия алгоритмов нечеткого вывода и конту ров регулирования мощности ВЭУ;

метод регулирования мощности ВЭУ с учетом ресурса контуров;

модель системы нечеткого регулирования мощности ВЭУ с разными ал горитмами нечеткого вывода.

Личный вклад. Автором предложен анализ алгоритмов нечеткого выво да с учетом ресурса контуров регулирования и разработана модель системы ре гулирования мощности ВЭУ с использованием алгоритма Мамдани для выдачи управляющих воздействий в контуре поворота гондолы и алгоритма Ларсена в контурах изменения угла атаки и длины лопасти.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы док ладывались и обсуждались на научных семинарах дней науки НГТУ с 2010 по 2012 гг., на Международной научно-практической конференции «Современные техника и технологии», Томск, 2011 – 2012;





Всероссийской научно технической конференции «Электроэнергия: от получения и распределения до эффективного использования», Томск, 2010, 2012;

II Всероссийской научно практической конференции «Научные и технические средства обеспечения энергосбережения и энергоэффективности в экономике РФ», Санкт – Петер бург, 2012;

II Международной научно-технической конференции «Энергоэф фективность и энергобезопасность производственных процессов», Тольятти, 2012.

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 16 статей, из них: 3 научные статьи в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК.

Структура и объем работы. Диссертационная работа содержит страницы основного текста и состоит из введения, четырех глав, заключения, списка библиографических ссылок из 117 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показана актуальность работы, поставлены цели и задачи, даны методы исследования, отражены научная новизна и практическая значи мость, связанная с использованием разных алгоритмов нечеткого вывода для контуров регулирования мощности ВЭУ.

В первой главе проведен обзор методов регулирования мощности ВЭУ.

Структурная схема регулирования мощности ВЭУ показана на рис. 1.

Рис. 1. Структурная схема регулирования мощности ВЭУ Мощность ветроэнергетической установки зависит от параметров ветра (скорости и направления относительно положения гондолы) и параметров вет роколеса (угол атаки лопасти, площадь ометаемой поверхности ветроколеса, положения гондолы к набегающему потоку ветра).

В диссертационной работе рассматривается регулирование выходной мощности ВЭУ изменением угла атаки лопасти (), поворотом гондолы (d) и изменением длины лопасти (L). Используемый энергоресурс (ветер) характери зуется стохастическим изменением параметров: скорости – V и направления. Показано, что для каждого рабочего диапазона скорости ветра применяется своя целевая функция регулирования мощности ВЭУ. Целевым функциям каж дой зоны работы соответствуют определенные значения контуров регулирова ния мощности, которые приведены в таблице 1.

Таблица Зоны работы ВЭУ Зона Целевая функция ре- Значения контуров регулирования работы гулирования ВЭУ =0;

10°;

Lлоп= Lмакс I Pмакс =0;

10°;

Lлоп= Lмакс II Pмакс 0;

10°;

Lлоп Lмакс III Pном =45;

60°;

Lлоп= Lмин IV Так, в рабочем диапазоне ветра (зона II) необходимо вырабатывать мак симум возможной мощности, в режиме ограничения мощности (зона III) необ ходимо поддерживать номинальную мощность, в режиме отключения ВЭУ не обходимо снижать мощность до нуля.

Мощность ВЭУ Vestas V-27, принятой в данной работе для исследования, показана на рис. 2 в трех зонах работы.

Рис. 2. Мощность ВЭУ В работе показана необходимость применения систем нечеткого регули рования мощности вследствие изменения энергоресурса – ветра по величине и направлению по стохастическому закону, а также сложности учета изменения параметров элементов ВЭУ, что приводит к неадекватным регулирующим воз действиям при неточной настройке. Также приведены основные положения теории нечетких множеств, включая операции, лингвистические аналогии, не четкие модели и нечеткую логику.

Во второй главе даны основные технические данные ветроэнергетиче ской установки, параметров ветра, разработана модель системы нечеткого ре гулирования мощности ВЭУ. Показано, что регулирование мощности ВЭУ за ключается в выработке управляющих воздействий для изменения параметров ветроколеса при переменном значении ветра. Мощность ветроколеса ветро энергетической установки рассчитывается согласно формуле:

PС = A P V (1) ВК Получение и регулирование величин, входящих в уравнение (1) приведе но ниже:

- плотность воздуха. Принята неизменной =1.009 кг/м3.

- коэффициент использования энергии ветра СP. Значение вычисляется соглас но формуле:

СP 0,5( z 0,022 2 5,6)e 0,17 z, = где - угол атаки лопасти, который является выходным значением регулятора.

- ометаемая площадь ветроколеса. Вычисляется согласно формуле площади ок ружности с радиусом r:

A = r 2, где r - длина лопасти. Значение длины лопасти является вторым выходом мо дели регулятора, регулирующим ометаемую площадь ветроколеса.

-скорость ветра в кубе, перпендикулярная рабочей плоскости ветроколеса. Ве личина угла ветра, получаемая от динамической модели ветра, складывается c величиной угла поворота гондолы. От полученного угла рассогласования меж ду положением гондолы и направлением ветра рассчитывается проекция, пер пендикулярная плоскости ветроколеса.

Модель ВЭУ, созданная в программе Matlab Simulink, приведена на рис.

3.

Generator speed (pu) wr Pitch angle (deg) Tm (pu) pitch W ind speed (m /s) Veter VetroKoleso Tm (m/s) Wind Vdc Trip Trip Vdc (V) A A m wr B B wr (pu) C C VetroGenerator Energosystema Рис. 3. Модель ВЭУ Учитывая постоянные флуктуации скорости ветра, довольно трудно под держивать постоянное значение быстроходности. Скорость вращения ротора равна:

z V Р = r, где r – длина лопасти ветроколеса, z – быстроходность.

Поэтому одной из задач является точное определение скорости вращения ротора и скорости ветра. Система классического регулирования мощности ВЭУ заключается в изменении скорости вращения ротора по кривой ABCD на гра фике рис. 4.

Рис. 4. Зависимость мощности ВЭУ от скорости вращения ротора Угол атаки лопасти необходимо поддерживать на нулевом значении, пока не будет достигнута номинальная скорость вращения ротора. При номинальной скорости ротора угол атаки лопасти необходимо изменять так, чтобы коэффи циент использования энергии ветра снижался.

На кривой зависимости мощности от Р выделяют 3 диапазона, в каждом из которых регулирующие воздействия выполняются по разным сценариям:

- диапазон скорости [B;

C]. Пропорциональное увеличение скорости вращения ротора при изменении скорости ветра для работы в пиках мощности. Данное обстоятельство позволяет работать с максимальным коэффициентом использо вания энергии ветра и уменьшить механическое перенапряжения элементов ВЭУ. При этом угол атаки лопасти равен нулю. Желаемая скорость (уставка) вращения ротора определяется так:

z V Р = ном.

R Как было указано выше, для регулирования скорости вращения ротора необходимо скорость ветра оценивать с высокой точностью.

- диапазон скорости [C;

D]. Режим ограничения скорости. При достижении но минальной скорости вращения ротора в точке «С» необходимо изменять угол атаки лопасти так, чтобы коэффициент использования энергии ветра снижался.

- диапазон скорости Р D. Режим ограничения мощности. Пропорциональное увеличение угла атаки лопасти для уменьшения вращающего момента ветроко леса, согласно графику. Необходимо точно измерять скорость вращения ротора.

Также во второй главе проведен анализ применимости алгоритмов нечет кого вывода и контуров с учетом ресурса регулирования по условию «плавно сти - жесткости» выдаваемых решений. Исследована возможность использова ния аппарата нечеткой логики для регулирования мощности ВЭУ. Так же про веден сравнительный анализ функционирования регуляторов с алгоритмами Мамдани, Ларсена, Сугэно и Цукамото.

В диссертационной работе указано, что известно более десяти разновид ностей нечетких продукционных моделей на основе различных комбинаций компонентов. В настоящее время наибольшее распространение получили алго ритмы Мамдани, Ларсена, Цукамото, Такаги-Сугэно.

В данном случае выбор алгоритмов для нечеткого вывода каждой выход ной переменной осуществляется исходя из условия «жесткого» и «плавного» регулирования.

Алгоритм Мамдани обладает большой робастностью, но создает нели нейную деформацию функции принадлежности предпосылки -сечением вер шины, обладает плавностью выходных значений.

Алгоритм Ларсена более применим для «жесткого» - быстрого регулиро вания по причине использования операции умножения в импликации. Поэтому функции принадлежности выводов сжимаются, основание не изменятся, что и характеризует возможность резкого перехода между управляющими сигналами.

Алгоритм Цукамото целесообразно применять в тех системах автоматического управления, где необходимо обеспечивать робастность при несогласованности базы правил и нет четких границ по времени.

Алгоритм Сугэно подходит для упрощения контроллеров, использующих дифференциальные уравнения высоких порядков.

Результаты анализа совместимости алгоритмов и контуров регулирова ния приведены в таблице 2.

Таблица Совместимость алгоритмов нечеткого вывода и контуров регулирования мощ ности Мамдани Ларсен Цукамото Такаги Сугэно Изменение угла атаки - + + лопасти Изменение длины ло- - + + пасти Поворот гондолы + - - + С учетом всех свойств алгоритмов для нечеткого вывода значения полу чены следующие выводы:

- для поворота гондолы применим алгоритм Мамдани;

- для изменения угла атаки и длины лопасти применим алгоритм Ларсена.

На рис. 5 представлена модель системы регулирования мощности ВЭУ при применении одного алгоритма нечеткого вывода. Как было указано ранее, это алгоритмы Мамдани, Ларсена, Цукамото, Сугэно. Создание регулятора не четкого типа начинается с определения функций принадлежностей терм мно жеств каждой входной и выходной величины. В данном регуляторе приняты треугольные и трапециедальные функции принадлежности. Далее определена база правил, состоящая из продукционных правил вида «если - то».

Рис. 5. Модель регулятора нечеткого типа в программе Fuzzy Logic В крупных ВЭУ регулирование мощности происходит в основном за счет регулирования лопасти, что требует использования скоростных приводных ме ханизмов и алгоритмов вывода, способных выдавать резкие переходы между управляющими сигналами.

База правил и принятые функции принадлежности терм-множеств даны в виде трехмерных графиков зависимости выходных величин от входных (рис. 6 рис. 8).

Рис. 6. Поверхность базы правил для изменения угла атаки лопасти Контур регулирования поворота гондолы по причине высокого ресурса запускается при больших значениях угла между направлением ветра и положе нием гондолы или при необходимости регулирования мощности, когда рабочий ресурс регулирования угла атаки лопасти исчерпан. В режиме ограничения мощности ВЭУ испытывает большие механические, гироскопические, гравита ционные и аэродинамические перенапряжения, по причине которых необходи мо уменьшать ометаемую площадь ветроколеса уменьшением длины лопасти.

В результате анализа создан регулятор с разными алгоритмами нечеткого вы вода для контуров.

Рис. 7. Поверхность базы правил для изменения длины лопасти Рис. 8. Поверхность базы правил для поворота гондолы На рис. 9 представлена структура модели регулирования мощности регу ляторами с разными алгоритмами нечеткого вывода. Контуры с малым ресур сом (изменение угла атаки и длины лопасти) регулируются одним регулятором, в котором может быть заложен любой алгоритм. Контур с большим запасом (поворот гондолы) регулируется другим регулятором.

Рис. 9. Модель системы нечеткого регулирования мощности Особенностью данной модели регулирования мощности является то, что в ней есть возможность проверить критерий применимости «плавного – жест кого» регулирования в зависимости от алгоритмов нечеткого вывода.

В третьей главе проведено сравнение функционирования регуляторов нечеткого типа в зависимости от используемых алгоритмов нечеткого вывода в четырех режимах работы: пуск (зона I), выработка максимально возможной мощности (зона II), ограничение мощности номинальным значением (зона III), отключение при ураганных скоростях ветра и переход между II и III зонами работы.

График изменения мощности для режима рабочих ветров показан на рис.

10.

Рис. 10. Мощность ВЭУ при регулировании разными алгоритмами нечеткого вывода в ре жиме рабочих ветров Изменение параметров ветра (скорость и направление) было задано так, что располагаемое время регулирования оказывалось больше и меньше посто янной изменения параметров. В качестве алгоритмов нечеткого вывода приме нены Мамдани, Ларсен, Сугэно, Цукамото и комбинированный Ларсен – Мам дани. Целевой функцией регулирования мощности приняты условия выработки требуемой мощности в каждой зоне работы. В программе Matlab Simulink про ведено сравнение результатов функционирования по каждому контуру регули рования и мощности.

На рис. 10 приведены графики изменения мощности ВЭУ, при этом мак симальное приближение к максимальной мощности показывает регулятор с ал горитмом Ларсена для изменения угла атаки и длины лопасти и алгоритмом Мамдани для поворота гондолы. Как видно, неплохой результат регулирования мощности достигается при применении регулятора с алгоритмом Ларсена для всех контуров. Применение оставшихся двух регуляторов показывает наименее благоприятный результат, что объясняется плавным процессом вывода управ ляющих сигналов алгоритмом Мамдани, не обеспечивающего быстродействие.

Графики мощности ВЭУ в режиме ограничения даны на рис. 11. Наи большее значение мощности достигается при регуляторе с алгоритмом Ларсена для изменения угла атаки и длины лопасти и алгоритмом Мамдани для поворо та гондолы. Наименьшее значение мощности характерно для функционирова ния регулятора с алгоритмом Мамдани для изменения угла атаки и длины лопа сти и алгоритмом Ларсена для поворота гондолы. Необходимо сделать вывод о важности анализа совместимости контуров регулирования с учетом их ресурса и алгоритмов нечеткого вывода по условию «плавного – жесткого» регулиро вания.

Рис. 11. Мощность ВЭУ при регулировании разными алгоритмами нечеткого вывода в ре жиме ограничения В режиме отключения ВЭУ регуляторы показывают аналогичное функционирование (рис. 12), что обусловлено выдачей регуляторами крайних значений для контуров регулирования.

Рис. 12. Мощность ВЭУ при регулировании разными алгоритмами нечеткого вывода в ре жиме отключения В четвертой главе получены результаты функционирования регулятора нечеткого типа с разными алгоритмами нечеткого вывода и ПИД – регулятора в трех зонах работы и на стыке зон II и III. Для оценки эффективности регулиро вания приведены графики мощности при безынерционном регулировании, что является теоретическим максимум в режиме рабочих ветров и номинальной мощностью в режиме ограничения.

На рис. 13 приведены графики изменения углов атаки лопасти для регу лятора нечеткого типа и ПИД – регулятора в режиме рабочих ветров.

Рис. 13. Угол атаки лопасти Скорость ветра изменяется внутри диапазона 5-12 м/с. При данных ско ростях ветра осуществляется выработка большей части энергии ВЭУ, поэтому способам регулирования отводится значительная роль. ВЭУ работает с посто янной быстроходностью, соответствующей максимуму коэффициента мощно сти СP, что означает вращение ветроколеса с переменной скоростью при изме нении скорости ветра.

База правил регулятора нечеткого типа поддерживает атаки = 0,31° вы полнением команды «нулевое значение». Как видно из графика, поворот лопа сти в необходимое положение производится без запаздывания, что объясняется правильной базой правил. При изменении направления ветра команда ПИД – регулятора на установку угла лопасти в положение, соответствующее нулевому углу атаки, выполняется с запаздыванием.

Целевая функция регулирования длины лопасти – максимальное значение для всех скоростей ветра в режиме выработки максимальной мощности. Длина лопасти максимальна для всех значений ветра (рис. 14).

Рис. 14. Длина изменяемой части лопасти Видно, что регулятор нечеткого типа функционирует без перерегулиро вания, что обусловлено правильно составленной базой правил.

В режиме рабочих ветров необходимо поддерживать угол рассогласова ния между положением гондолы и направлением ветра 10°. На рис. 15 вид но, что угол на всем диапазоне регулирования поддерживается меньше 10°, что говорит о правильности составленной базы правил.

Рис. 15. Угол рассогласования При изменении угла между направлением ветра и положением гондолы необходимо поворачивать гондолу с целью уменьшения этого угла. На рис. видно, что угол поворота достигает -45° (знак минус означает поворот в сторо ну уменьшения ).

Рис. 16. Угол поворота Поворот гондолы является контуром с самым большим ресурсом регули рования. Точность ориентации должна быть не менее 10°, так как при отклоне нии в 10° потеря мощности составляет 5 %. Максимальная скорость поворота должны быть рассчитана исходя из предельного гироскопического момента:

M гир = J, где, J – момент инерции ротора, и – угловые скорости вращения ветроко леса и поворота гондолы. Графики мощности даны на рис. 17.

Рис. 17. Мощность ВЭУ При всех режимах работы должны соблюдаться устойчивость положения гондолы в потоке, то есть ориентация должна выполняться только при сущест венном и относительном долговременном изменении направления ветра, а не при случайных его пульсациях. Максимально допустимая угловая скорость по ворота гондолы больших ветроколес с диаметром более 20 м принимается макс 0,1 рад/с.

Видно, что регулятор нечеткого типа позволяет ВЭУ вырабатывать боль ше мощности. Максимум мощности составляет 0,97 о.е. В данном режиме ВЭУ работает с максимальным коэффициентом мощности СP. Мощность колеблется из-за изменения скорости и направления ветра, соответственно изменяются угол атаки лопасти и угол.

При рассогласовании угла между направлением ветра и положением гон долы более чем на 10° запускается контур регулирования поворота гондолы, стремящийся уменьшить данный угол.

Рассчитано увеличение выработки электроэнергии ВЭУ при нечетком ре гулировании для реальных данных повторяемости скорости ветра по градаци ям, представленных в таблице 3.

Таблица Повторяемость скорости ветра по градациям Диапазон скоро- 0-1 2-3 4-5 6-7 8-9 10-11 12-13 14-15 стей ветра (м/с) Частота повто- 35,4 33 22 7 2 0,53 0,05 0,02 0, ряемости f (%) Увеличение выработки мощности за счет использования нечеткого регу лирования вычисляется следующим образом:

Суммарная выработка электроэнергии по градациям WВЭУ= Piti.

1.

Увеличение выработки электроэнергии происходит за счет нечетко 2.

го регулирования в зоне II: dW= W FВЭУ – W ПИДВЭУ=67252кВтч – 64036кВтч = 3216 кВтч Прибыль с учетом тарифа на электроэнергию равна: dП= dWT = 3.

3216 кВтч 3,5 руб. /(кВтч) = 11256 руб.

Прибыль от ветроэлектростанции, состоящей из 36 ВЭУ, равна:

4.

dП= n dП=3611256 руб. = 405216 руб.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ По результатам исследования работы регулятора на нечеткой логике можно сделать следующие выводы:

- достигается увеличение вырабатываемой мощности ВЭУ в режиме рабочих ветров до 5-7 %;

- наблюдается точное поддержание номинальной мощности ВЭУ в режиме ог раничения мощности;

- показана возможность эффективного регулирования мощности ВЭУ регуля тором нечеткого типа на основании базы правил, составленных по типу «если то»;

- наиболее эффективное применение характерно для скорости ветра от 5 до м/с, то есть в режиме поддержания максимального коэффициента использова ния энергии ветра;

- доказана целесообразность применения критерия «плавного-жесткого» регу лирования для совместимости алгоритмов нечеткого вывода и ресурса контуров регулирования, а именно использование алгоритма Ларсена для изменения угла атаки лопасти и изменения длины лопасти и алгоритма Мамдани для поворота гондолы показало эффективность;

- результаты управления классического и нечеткого регуляторов аналогичны для режимов вывода ВЭУ из работы. При выводе ВЭУ из работы контуры ре гулирования выдают граничные (крайние) команды, не добиваясь плавных дей ствий.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Научные статьи в рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК:

В.З. Манусов, Э.Г. Ядагаев Поддержание номинальной мощности 1.

ветроэнергетической установки регулятором на основе нечеткой логики // На учные проблемы транспорта Сибири и Дальнего Востока № 1 2012, с. 354 – 358.

В.З. Манусов, Э.Г. Ядагаев Анализ функционирования нечеткого 2.

регулятора мощности ветроэнергетической установки в режиме рабочих ветров // Доклады Томского государственного университета систем управления и ра диоэлектроники, № 1 (25), часть 1. июнь 2012, с. 221-225.

В.З. Манусов, Э.Г. Ядагаев Регулирование мощности ветроэнерге 3.

тической установки на основе нечеткой логики // ЭЛЕКТРО. Электротехника, электроэнергетика, электротехническая промышленность, №5, 2012, с. 18-22.

Научные публикации в других изданиях:

4. В.З. Манусов, Э.Г. Ядагаев Использование распределенной генерации на базе ВЭС для снабжения автономных электропотребителей // Каталог инновационных проектов СФО, 2010. – с. В.З. Манусов, Э.Г. Ядагаев Перспективы развития ЭЭС с распреде 5.

ленной генерацией в Республике Алтай //Материалы III Всероссийской научно технической конференции «Электроэнергия: от получения и распределения до эффективного использования», Томский политехнический университет. – Изд во Томского политехнического университета, 2010, с. 80-82.

6. В.З. Манусов, Э.Г. Ядагаев Влияние уменьшения размеров единичной генерации на устойчивость ВЭС при неизменной общей мощности на примере Республики Алтай // Сборник трудов XVII Международной научно практической конференции студентов и молодых ученых «Современные техни ка и технологии» в 3 т. Т.1., Томск: Издательство Томского политехнического университета, 2011, с. 136-137.

7. В.З. Манусов, Э.Г. Ядагаев Функционирование фаззи – регулятора мощности в III зоне работы ВЭУ // Сборник научных статей по материалам I Международной научно-практической конференции «Современные исследова ния в области энергосбережения и повышения энергетической эффективности», Юго-Зап. гос. ун-т, Курск, 2012, с.107-113.

8. В.З. Манусов, Э.Г. Ядагаев Выбор алгоритмов нечеткого вывода регу лятора мощности ВЭУ// Сборник научных трудов 2-ой Всероссийской научно практической конференции «Научные и технические средства обеспечения энергосбережения и энергоэффективности в экономике РФ», СПбГПУ, 2012, с.35-37.

9. Манусов В.З., Ядагаев Э.Г. Работа нечеткого регулятора мощности сис темных ВЭУ в режиме штормовых ветров // Труды XII Междунар. науч. конф.

«Интеллект и наука», Железногорский филиал СФУ. – Красноярск: Центр ин формации, 2012, с. 233-234.

10. В.З. Манусов, Э.Г. Ядагаев Требования к ВЭС по подключению и ра боте в составе ЭЭС //Материалы V Всероссийской научно-технической конфе ренции «Электроэнергия: от получения и распределения до эффективного ис пользования», Томский политехнический университет. – Изд-во Томского по литехнического университета, 2012, с 58-60.

11. В.З. Манусов, Э.Г. Ядагаев Исследование работы нечеткого регулято ра ВЭУ в режиме ограничения мощности //Материалы V Всероссийской науч но-технической конференции «Электроэнергия: от получения и распределения до эффективного использования», Томский политехнический университет. – Изд-во Томского политехнического университета, 2012, с. 60-62.

12. В.З. Манусов, Э.Г. Ядагаев Особенности параллельной работы ветро электростанций и электроэнергетических систем // Молодёжь и наука: сборник материалов VIII Всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых, посвященная 155-летию со дня рождения К.Э.

Циолковского. – Красноярск: Сиб. федер. ун-т, 2012.

13. Манусов В.З., Ядагаев Э.Г. Регулирование мощности системных ВЭУ регулятором нечеткого типа // Сборник трудов XVIII Международной научно практической конференции студентов и молодых ученых «Современные техни ка и технологии» в 3 т. Т.1., Томск: Издательство Томского политехнического университета, 2012, с. 139-140.

14. Манусов В.З., Ядагаев Э.Г. Анализ функционирования нечеткого ре гулятора мощности ВЭУ на границе II и III зон работы // Сборник трудов XVIII Международной научно-практической конференции студентов и молодых уче ных «Современные техника и технологии» в 3 т. Т.1., Томск: Издательство Томского политехнического университета, 2012, с. 141-142.

15. Манусов В.З., Ядагаев Э.Г. Функционирование нечеткого регулятора мощности ВЭУ в режиме порывов ветра// Сборник трудов II Международной научно-технической конференции студентов, магистрантов, аспирантов «Энер гоэффективность и энергобезопасность производственных процессов», Тольят.

гос.ун-т., 2012, с. 98-101.

16. Манусов В.З., Ядагаев Э.Г. Регулирование мощности ветроэнергетической установки на основе нечеткой логики // Сборник трудов конференции Восьмой всероссийской научной молодежной школы «Возобновляемые источники энергии», Московский государственный университет имени Ломоносова, 2012, с. 470-475.



 

Похожие работы:





 
2013 www.netess.ru - «Бесплатная библиотека авторефератов кандидатских и докторских диссертаций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.