1
УПРАВЛЕНИЕ ПРОЦЕССОМ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ИСХОДНОЙ ЭНЕРГИИ ВЕТРОУСТАНОВКИ В ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК
ЭС НА БАЗЕ ДИАГРАММЫ ВЫШНЕГРАДСКОГО А.С. Калиев, Д.Ә. Әубәкір
ЭкО-центр «Ноосфера и Устойчивое развитие» при ЕНУ им. Л.Н. Гумилева.
E-mail: [email protected]
Введение. Постоянное удорожание электроэнергии и рост строительства загородных домовладений обусловили появление на рынке нового, альтернативного (возобновляемого) вида источников электроэнергии – ветрогенераторов, гидрогенераторов, а также генераторов, использующих энергию солнца, приливов и т.п. Возобновляемые источники энергии должны сыграть существенную роль в энергетике. Следует подчеркнуть, что энергетический потенциал возобновляемых источников энергии в мире в два раза превышает объем годовой добычи органического топлива всех видов.
Использование энергии ветра и воды выросло за последние годы в десятки раз, а по данным ученых запасы энергии ветра более чем в 100 раз превышают запасы гидроэнергии всех рек нашей планеты.
§ 1. Ветроустановки: генераторы и электростанции
Ветряные электростанции – один из перспективнейших видов систем для выработки электроэнергии, производящих электричество за счет энергии перемещающихся воздушных масс – ветра. На протяжении долгого времени ветряные мельницы используемые в ветроэнергетики, наряду с водяными мельницами, были единственными машинами, которые использовало человечество. Поэтому применение этих механизмов было различным: в качестве мукомольной мельницы, для обработки материалов (лесопилка) и в качестве насосной или водоподъемной станции. Ветроэлектростанса состоит из мачты, наверху которой размещается контейнер с генератором и редуктором. К оси редуктора ветряной электростанции прикреплены лопасти. Контейнер электростанции поворачивается в зависимости от направления ветра. Принцип действия ветряных электростанций прост: ветер крутит лопасти ветряка, приводя в движение вал электрогенератора. Генератор в свою очередь вырабатывает электрическую энергию.
Основную проблему ветряных электростанций вызывает непостоянная природа ветра. При этом мощность ветряных электростанций в каждый момент времени переменна. Несмотря на то что при постройке ветроэлектростанции учитывается ветропотенциал местности, разрабатывается схемы размещения турбин с учѐтом характеристик площадки, гарантировать постоянную и подходящую ветряную погоду никто не может. К недостаткам ветряных электростанции можно причислить вредные шумы в различных звуковых спектрах; помехи, которые негативно воздейтсвуют телевидению и различным системам связи. С экономической точки зрения такие факторы как необходимость получения электроэнергии промышленного качества ~ 220В 50
2
Гц (требуется применение инвертора), необходимость автономной работы в течение некоторого времени (требуется применение аккумуляторов), необходимость длительной бесперебойной работы потребителей (требуется применение дизель-генератора) приводят к удорожанию энергии получаемой от ветроэнергетики.
Невозможно иметь от одной ветроэлектростанции стабильное поступление определенных объемов электроэнергии. В данное время для решения таких проблем используются резервные дизельные генераторы, солнечные батареи или накопление энергии в аккумуляторах.
Вырабатываемая энергия ветроэлетростанции зависят от генератора.
Комбинированное применение генератов малой мощности и большой мощности дает возможность работать непрыровно, так генераторы малой мощности могут работать при малых скоростях ветра, но при больших скоростях лопасти генератов могут быть повреждены.
Стабильной работы ветроустановок можно достигнуть также оптимизируя процесс аккумулирования энергии. Применение аккумуляторов, заряженных в период минимальной потребности в энергии и разряжаемых в период максимальной потребности, существенно повышает надежность и эффективность работы энергетических систем. Поэтому весьма существенно решить задачу технико-экономического обоснования применения систем аккумулирования энергии.
§ 1. Ветроустановки: автоматизированные системы контроля и управления –
экспертная система на базе диаграммы Вышнеградского
Автоматизированное управление ветроустановок, учитывая их технические характеристики, такие как прочность лопасти ветроустановки, температура генератора, технические смазки для уменьшения трения, уровень запаса техническиой смазки, а также вышеуказанные методы оптимизации работы ветроэлектростанции могут решить основную проблему ветроэнергетики.
Важным элементом автоматизации ветроустановок является эффективная система управления процессом преобразования исходной энергии энергоустановки в электрический ток.
Объединение ветроэлектростанции с помощью компьютерной систем, которые способны управлять работой сотен ветротурбин, является первым этапом автоматизации ветроэнергетики. Но применение вычислительных устройств не являеется достаточным условием практического применения автотизированного управлением ветроэлектростанции.
В данной работе представлена интеллектуальная система управления на базе диаграммы Вышнеградксого, которая является эффективной системой управления процессом преобразования исходной энергии энергоустановки в электрический ток.
3
Рисунок 1. Диаграмма Вышнеградского.
Диаграмму Вышнеградского (далее – ДВ) впервые Иван Вышнеградский построил в 1876 г. в работе, положившей начало теории автоматического регулирования. Исчерпывающий характер и наглядность геометрической интерпретации исследуемых свойств динамических систем третьего порядка с помощью ДВ делают его привлекательной.
Диаграмма Вышнеградского строится исходя из нормированного характеристического уравнения динамической системы третьего порядка
g3 + a·g2 + b·g+ 1 = 0, (13) где коэффициенты а, b называются параметрами системы или параметрами Вышнеградского.
Здесь линии диаграммы обозначены в виде функциональных зависимостей:
АВ: b=W11(a), CD: b=W12(a), CE: b=W22(a), CF: b=W21(a).
Линия АВ, представляющая ветвь единичной гиперболы, выражает границу устойчивости; линия CD, представляющая границу между областями I и II, выражается формулой
b = (2∙a3+27)/(9∙a), (14) где линии CE, CF представляют два из трех действительных корней кубического уравнения
a2∙b2 – 4∙(a3+b3) + 18∙a∙b – 27 = 0. (15) Эти линии разбивают первый квадрант плоскости параметров системы на 4 зоны с определенным установившимся режимом функционирования динамической системы (далее – ДС) в каждой зоне. Зону между осями
4
координат и гиперболой назовем нулевой зоной и обозначим 0+, а остальные зоны обозначим римскими цифрами I, II, III.
Припишем каждой зоне числовое значение, совпадающее с ее порядковым номером, и определим искомую так называемую диагностическую функцию работоспособности ДС (a, b) в выражении (1):
Эволюция функционирующей динамической системы сопровождается деградационными процессами на параметрическом уровне, т.е. система претерпевает структурные преобразования, что, в свою очередь, вызовет изменения ряда параметров. Эти изменения могут носить закономерный или же случайный характер. Следуя из этого можно предполагать что параметры a, b служат косвенными диагностическими показателями нашей ветроэлектростанции.
(1) Еще одна положительная сторона системы связана с возможностью активного вмешательства в некоторые процессы в пространстве параметров, в частности, – в процесс изменения параметров a, b или их отслеживания.
Основываясь на таких технических характеристик как состояние генератора тока и показателей измерительных приборов (таких как показатели скорости ветра) система улучшает параметры a, b в смысле устойчивого надежного затухания переходных процессов (ПП), возникающих в узлах сопряжения и в процессах преобразования, таким образом повышая работоспособность ветроустановок.
Заключение. Следуя из вышеизложенного, можно сделать вывод, что программное приложение технической экспертной системы (ТЭС) на базе диаграммы Вышнергадского является эффективной системой управления, которая может управлять процессом преобразования исходной энергии ветроустановки в электрический ток на протежении всего “жизненного цикла”
ветроэлектростанции с программируемыми качественными характеристиками.
0, если (a∙b)<1
(режим расходящихся процессов)
1, если {(a∙b>1)and(a<3)and(2∙a3-9∙a∙b+27)>0}or{(a>3)and(a∙b>1)}
and{a2∙b2-4∙(a3+b3)+18∙a∙b-27<0)and(a≥b)}
(режим колебательно-устойчивых процессов) v(a,b) =
2, если {(2∙a3-9∙a∙b+27<0)and(a≤3)}or{(a2∙b2-4∙(a3+b3)+18∙a∙b-27<0) and(a>3)and(b≥a)}
(режим монотонно-устойчивых процессов) 3, если a2∙b2-4∙(a3+b3)+18∙a∙b-27≥0
(режим апериодически-устойчивых процессов)
5 Литература:
1. Әубәкір Д.А. Құбылмалы сипаттамалар теориясы және кибернетикалық жүйелердегі үдерістерді бірегей нобайда қарастыру мәселелері (орысша). – Ақмола: Ғылым, 1998. – 250 б.
2. Голицын М.В., Пронина Н.В., Голицын А.М. Альтернативные энергоносители. / РАН: Институт физики атмосферы им. А.М. Обухова. МГУ им. М.В.Ломоносова. – М.: Наука, 2004. – 159 с.
3. Быстрицкий Г.Ф. Основы энергетики: учебник. – М.: ИНФРА-М, 2005. – ISBN 5-16-002223-6 (в пер.). – 278 с.
