 |
ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ УСТАНОВКИ
Системы адаптивного управления
В «Новостях ЭлектроТехники» (№ 2(38) 2006) наши петербургские авторы рассказали о ветроэнергетических установках, применяемых в системах автономного энергообеспечения объектов малой энергетики. Они отметили, что наибольший эффект дает использование энергии ветра для комбинированной выработки электрической и тепловой энергии.
Сегодня те же авторы рассматривают вопросы повышения эффективности ветроустановок с помощью систем адаптивного управления.
Александр Герасимов, д.т.н., профессор, ведущий специалист
Владимир Толмачев, д.т.н., зам. технического директора, старший научный сотрудник
Константин Уткин, технический директор ОАО «Звезда», г. Санкт-Петербург
Задача максимального использования установленной мощности ветроэнергетической установки (ВЭУ) при минимальных за-тратах не может быть эффективно решена без систем автоматического регулирования (САР) объектов. САР включают в свой состав как системы автоматического управления нагрузками, так и систему регулирования ВЭУ. Учитывая, что САР будет работать в условиях неопределенности исходной информации, наиболее рационально создавать такую систему как адаптивную.
Адаптивной называется система, которая сохраняет работо-способность в условиях непредвиденного изменения свойств управляемого объекта, цели управления или условий окружающей среды посредством смены алгоритмов своего функционирования или поиска оптимальных состояний. Такая система производит управление на основе неполной исходной информации об управляемом процессе, изменяющееся по мере накопления информации о нем, и применяет управление с целью улучшения качества работы. Система адаптивного управления должна обеспечивать получение текущей информации о состоянии объекта, т.е. идентифицировать процесс. Она должна сравнить текущее качество работы объекта управления с желаемым и на основании этого принять решение так адаптироваться, чтобы качество работы стремилось к оптимальному.
Таким образом, адаптивные системы – это такие системы, которые обладают способностью при изменении возмущающих воздействий перестраивать свою структуру и (или) изменять параметры, обеспечивая наилучшее значение выбранного показателя качества работы управляемого объекта.
ЗАДАЧИ
Основными возмущающими воздействиями для системы автономного энергообеспечения с ветроэнергетической установкой (СЭО с ВЭУ) являются:
- изменение скорости ветра;
- изменение температуры воздуха.
Изменение скорости ветра будет приводить к изменению энергетического потенциала источника энергии, а изменение температуры воздуха и скорости ветра – к изменению нагрузки на подсистему СЭО – систему теплоснабжения. Внутренним возмущающим воздействием в этом случае будет изменение технологического режима функционирования потребителей (графиков электрических и тепловых нагрузок).
Представленная в [1] СЭО с ВЭУ может быть выполнена как структурно-параметрически адаптивная система, так как в ней имеется возможность управления потоками энергии и параметрами энергии.
С этой целью возможно:
- создать систему управления ВЭУ, обеспечивающую выработку максимальной мощности при данной скорости ветра;
- оптимизировать параметры преобразования электрической энергии в тепловую (изменение величины питающего напряжения, количества включенных ТЭНов и т.д.);
- разработать алгоритм управления СЭО с ВЭУ для эффективного снабжения потребителей автономного объекта электрической и тепловой энергией во всех режимах функционирования объекта.
Этот алгоритм должен обеспечить:
- максимальное использование ветра для покрытия графиков электрических и тепловых нагрузок;
- функционирование источников тепловой и электрической энергии с КПД, позволяющим максимально экономить ресурс источников и горючесмазочные материалы;
- получение максимального технико-экономического эффекта;
- достижение оптимального значения эффективности СЭО с ВЭУ в переходных и установившихся режимах.
СТРУКТУРНАЯ СХЕМА
Для решения задачи построения адаптивной системы представим СЭО с ВЭУ в виде схемы, приведенной на рис. 1. Управляющее устройство системы автоматического управления (САУ) состоит из адаптера и регуляторов. В составе программного обеспечения адаптера имеются математические модели основных каналов передачи электрической (СЭС) и тепловой (СТС) энергии.
При решении задачи адаптивного регулирования можно выделить следующие этапы:
- построение закона управления. Для СЭО автономного объекта это законы управления: в СТС – нагревательными элементами электробойлера или электрокалорифера; в СЭС – регуляторами заряда и разряда аккумуляторной батареи источника бесперебойного питания;
- выбор алгоритма адаптации;
- определение параметров алгоритма адаптации из условия сходимости самого процесса адаптации и достижения её цели.
УПРАВЛЕНИЕ
САР системы энергообеспечения автономного объекта, структурная схема которой представлена на рис. 1, фактически должна обеспечить управление тремя каналами передачи энергии:
1. Преобразование энергии ветра в электрическую энергию. Оптимизация данного канала достигается за счет управления нагрузкой на ВЭУ таким образом, чтобы частота вращения ВЭУ соответствовала оптимальной для данного скоростного напора ветра [2]:
где Zн и R – соответственно номинальное число модулей и радиус ветроколеса;
V – скорость ветра.
2. Преобразование электрической энергии, вырабатываемой ВЭУ, с нестабильными параметрами в электроэнергию требуемого качества в канале источника бесперебойного питания.
3. Преобразование электрической энергии, вырабатываемой ВЭУ, с нестабильными параметрами в тепловую энергию в электробойлере или электрокалорифере.
При этом необходимо иметь в виду, что в каждый данный момент времени для первого канала основная проблема оптимизации будет заключаться прежде всего в приведении в соответствие кинетической энергии ветра и суммы потоков энергии, передаваемых от ВЭУ по второму и третьему каналам потребителям объекта. В данном случае следует непрерывно проводить расчет энергетического баланса на основании информации от датчика скорости ветра, датчиков расходуемой и запасенной электрической энергии во втором канале и датчиков расходуемой и запасенной тепловой энергии в третьем канале. В зависимости от структуры энергетического баланса объекта необходимо принимать решение о выведении ВЭУ на оптимальную для данной структуры энергетического баланса частоту вращения.
При недостаточной точности таких расчетов возможны следующие последствия:
- недоиспользование энергии ветра. В этом случае необходимо либо сбрасывать избыток энергии через канал аварийного сброса, либо задавать такую частоту вращения ВЭУ, при которой коэффициент использования энергии ветра будет меньше максимального значения;
- дефицит энергии ветра. В этом случае требуется сформировать команду на использование энергии, накопленной в аккумуляторах второго и третьего каналов.
Учитывая, что эффективность накопления и использования энергии как во втором, так и в третьем каналах будет зависеть от «стартовых» параметров энергии, объект будет иметь переменные параметры (по второму и третьему каналам) не только по конечному результату – потреблению энергии, но и по своим внутренним свойствам. Следует отметить, что при высоком потенциале накопленной энергии эффективность накопления энергии будет снижаться, а при недостаточном потенциале накопленной энергии будет снижаться эффективность её расходования.
Таким образом, в идеальном случае САР, которая управляет потоками энергии в трех указанных каналах, должна представлять собой адаптивную систему, в которой на основе моделирования энергетических процессов вырабатывается управляющее воздействие, оптимальное для данного момента времени и обеспечивающее оптимальную структуру энергетического баланса в целом.
Рис. 1
Структурная схема системы автоматического регулирования СЭО автономного объекта с ВЭУ
w – датчик частоты вращения ВЭУ;
ЗУ – зарядное устройство аккумуляторной батареи АБ;
УУ – устройство управления исполнительными механизмами потребителей тепловой энергии;
tO – температура наружного воздуха;
Р1 – регулятор мощности электробойлера ЭБ (электрокалорифера ЭК);
Р2 – регулятор выпрямителя В;
Р3 – регулятор зарядного
устройства ЗУ;
Р4 – регулятор разряда аккумуляторной батареи АБ;
Р5 – регулятор балластной нагрузки БН.
АДАПТАЦИЯ
Одним из эффективных методов синтеза законов оптимального управления является метод синтеза, оптимального по критерию обобщенной работы управления. Наиболее универсальными свойствами обладают алгоритмы оптимального управления с прогнозирующими моделями.
Конкретные возможности системы автоматического управления САЭ с ВЭУ и вычислительные затраты зависят от вариантов алгоритма с прогнозирующей моделью, наиболее целесообразным из которых применительно к рассматриваемой задаче является алгоритм с численным дифференцированием.
Методика проектирования оптимальной системы по критерию обобщенной работы управления приведена в [3].
Таким образом, для максимального использования адаптационных свойств источника энергии и объекта, САР должна быть кибернетического типа с программным обеспечением, учитывающим вероятностный характер поступающих энергоресурсов, резкопеременный характер графиков тепловых и электрических нагрузок и изменение параметров объекта и источника энергии. Вместе с тем, необходимо учитывать, что высокий технический уровень САР объекта не должен привести к существенному возрастанию ее стоимости и соответственно к превышению нормативного срока окупаемости капитальных затрат при достаточно малых мощностях энергопотребления автономных объектов рассматриваемого класса. Рост затрат на САР объекта не должен превысить экономический эффект от её использования.
РЕГУЛИРОВАНИЕ
Итак, адаптивная система управления включает в себя регулятор частоты вращения ВЭУ, регулятор управления потоками энергии в ИБП, регулятор, управляющий потоками тепловой энергии в СТС, и центральный регулятор, который, обрабатывая информацию от трех каналов передачи энергии, задает экстремумы первым трем регуляторам.
Такая, на первый взгляд, избыточная структура системы на самом деле может быть реализована на достаточно простых и недорогих технических средствах. Характеристики САР будут зависеть от обоснованного уровня точности регулирования, так как класс точности этой системы будет в основном определять её стоимость.
Например, цена источника бесперебойного питания как основного элемента канала передачи электрической энергии будет существенно зависеть от диапазона изменения входного напряжения, определяющего степень использования емкости аккумуляторной батареи (глубину её разряда). Более совершенный источник бесперебойного питания обеспечивает более глубокий разряд батареи и соответственно более эффективное электроснабжение потребителей.
Регулятором в канале электрической энергии является довольно простой по конструкции широтно-импульсный регулятор ИБП (ШИР). Возможности регулирования будут определяться электромагнитной мощностью входного трансформатора ИБП. Стоимость САР в данном случае слабо зависит от положительного эффекта регулирования, поскольку ШИР в любом случае является неотъемлемой функциональной частью ИБП.
Регулирование в канале тепловой энергии может осуществляться разными по сложности и цене способами. В частности, если в СТС реализована естественная циркуляция теплоносителя, определяемая его температурным потенциалом, то в этом случае от накопителя тепловой энергии можно передать потребителям только часть накопленной тепловой энергии, имеющей максимальную температуру. По мере снижения температурного потенциала теплоносителя скорость циркуляции также будет уменьшаться, что соответственно приведет к снижению эффективности теплоснабжения потребителей.
Эффективность теплоснабжения существенно возрастает в случае применения в СТС насосной системы циркуляции теплоносителя. Скорость циркуляции в этом случае не зависит от температуры теплоносителя, поэтому глубина разряда аккумулятора тепловой энергии увеличивается. Она также может дополнительно возрасти за счет применения насосов с регулированием частоты их вращения.
В канале электрической энергии САР контролирует обеспечение требуемых параметров качества электроэнергии у потребителей объекта и величину электрической энергии, запасенной в аккумуляторной батарее.
Таким образом, уровень регуляторов в составе САР объекта может изменяться от простых позиционных регуляторов до микропроцессорных приборов.
В связи с вышеизложенным, основная проблема оптимизации структуры СЭО объекта, включая САР, будет заключаться в обосновании необходимых и достаточных условий. Основным ограничением при решении этой задачи является величина капитальных затрат, отнесенная к достигаемому положительному эффекту.
ВЫВОДЫ
1. Наличие внешних (температура наружного воздуха и скорость ветра) и внутренних (изменение тепловых и электрических нагрузок) возмущающих воздействий на систему энергообеспечения автономного объекта ограниченной мощности приводит к необходимости применения на таких объектах систем энергообеспечения, обладающих свойствами адаптивности. Они могут обеспечить минимизацию потерь энергетических и других ресурсов и сократить время перехода СЭО на новый энергетический уровень.
2. Для эффективного энергоснабжения автономных объектов ограниченной мощности разработаны структурно-принципиальные схемы систем энергообеспечения, обладающие свойствами адаптивности вследствие возможности управления потоками энергии (с помощью коммутационных устройств) и параметрами энергии (с помощью тиристорного регулятора мощности).
3. С целью максимального использования адаптивных свойств источников энергии и автономного объекта представляется целесообразным применение САР кибернетического типа с программным обеспечением, учитывающим вероятностный характер поступления энергоресурсов, резкопеременный характер графиков тепловых и электрических нагрузок и изменение параметров объекта и источников энергии.
4. Максимальная технико-экономическая эффективность системы энергообеспечения с использованием нетрадиционных возобновляемых источников энергии может быть достигнута только при комплексном подходе к оптимизации автономного энергетического комплекса как по структуре, так и по техническому обеспечению уровня адаптивности. Технический уровень САР объекта не должен привести к существенному возрастанию её стоимости и соответственно к превышению нормативного срока окупаемости капитальных затрат.
ЛИТЕРАТУРА
1. Герасимов А., Толмачев В., Уткин К. Ветроэнергетические установки для автономного электроснабжения // Новости ЭлектроТехники. – 2006. – № 2(38).
2. Вашкевич К.П. Аэродинамические характеристики ветродвигателей ветроэлектрических установок // Известия РАН. Энергетика. – 1997. – № 3. – С. 4–17.
3. Толмачев В.Н., Орлов А.В., Булат В.А. Эффективное использование энергии ветра в системах автономного энергообеспечения. – СПб: ВИТУ, 2002. – 203 с.
| 
|
