Исследование регулирования частоты вращения ротора перспективной ветроэнергетической установки с использованием нескольких переменных элементов ее геометрии

Рассматриваются варианты стабилизации частоты вращения ротора перспективной вертикально-осевой ветроэнергетической установки, состоящей из двусвязного статора и ротора слопастями. Статор в целом является осесимметричной с ротором частью конструкции, а ротор немного заглублен в верхнюю часть статора — раструб. Эта установка может входить в качестве элемента в комплексную силовую энергетическую установку для дополнительного и аварийного электропитания как стационарных, так мобильных объектов, например, надводных робототехнических комплексов. В работе предлагается использовать аэродинамический метод стабилизации угловой скорости вращения ротора путем управления положениями двух изменяемых элементов конструкции рассматриваемой установки относительно ее статора. В качестве таких элементов могут быть использованы нижняя направляющая структура — один из элементов статора, и аэродинамическая тормозная заслонка. Перестроение положений обоих элементов относительно статора изменяет эффективное сечение взаимодействия входящего в установку ветрового потока с ротором. Подробно рассмотрена методика синтеза регулятора угловой скорости вращения ротора. Особенностью этого регулятора является наличие двух каналов управления при одной переменной состояния. Вначале необходимо определить динамические диапазоны регулирования крутящего момента на валу ротора для каждого из изменяемых элементов геометрии. Это позволяет корректно выбрать условие переключения между двумя каналами управления в зависимости от степени отклонения желаемой скорости потока от текущей скорости. На основании уравнения ошибки регулирования второго порядка и процедуры синтеза редуцированных наблюдателей возмущений вращающего момента получен искомый закон управления угловой скоростью вращения ротора. На примере решения задачи стабилизации угловой скорости с заданными критериями качества проведено моделирование синтезированной системы управления при различных исходных данных. Показано, что построенный регулятор способен эффективно парировать влияние ветровых возмущений в широком диапазоне отклонений текущей скорости от желаемой для данного целевого значения частоты.

1. Innovative Technologies & Solutions for Sustainable Shipping, Eco Marine Power, available at: ecomarinepower.com/en/about-us (date of access: 26.10.2018).

2. Ocius Technology Limited (Australia), available at: ocius.com.au (date of access: 26.10.2018).

3. Kostyukov V. A., Medvedev M. Yu., Poluyanovich N. K., Dubygo M. N. Features of electromechanical control of a complex power plant with a vortex type wind-conversion device, Springer Nature Switzerland AG 2020 ("Cyber-Physical Systems: Advances in Design & Modelling"), 2019, pp. 221—219.

4. Omorov T. T., Takyrbashev B. K. Identification of the state of the distribution electric network in automation systems for metering and energy management, Mekhatronika, Avtomatizatsiya, Upravlenie, 2016, vol. 17, no. 10, pp. 651—656.

5. Wright A. D., Balas M. J. Design of State-Space-Based Control A lgorithms for Wind Turbine Speed Regulation, Journal of Solar Energy Engineering, 2003, 125(4): 386—395.

6. Ravikumar N. V.A., Saraswathi G. Robust controller design for speed regulation of a f lexible wind turbine. Endorsed Transactions on Energy Web, 2019, vol. 6, pp. 1—10.

7. Kostjukov V. A., Medvedev M. Y., Poluyanovich N. K., Dubyago M. N., Bulanovich D. I., Pavlenko D. D. Control law synthesis of the wind-driven power-plant with variable geometry, 2019, EA I Endorsed Transactions on Energy Web, pp. 125—130.

8. Kostjukov V. A., Shevchenko V. A. Features of the complex power unit for mobile robotic, ICCM-2018, 2018, pp. 86—92.

9. Baniotopoulos C. C., Borri C., Stathopoulos T. (eds.) Environmental Wind Engineering and Design of Wind Energy Structures (CISM International Centre for Mechanical Sciences), Springer, 2011, 358 p.

10. Tiago Pinto. Electricity markets with growing levels of renewable generation: structure, operation, agent-based modeling and new projects, Springer, 2018, 640 p.

11. Gasch R. Wind Power PlantsFundamentals, Design, Construction and Operation, Springer, 2012, 567 p.

12. Hau E. Wind Turbines — 2013 Fundamentals, Technologies, Application, Economics, Third, translated edition, Springer, 2013, 879 p.

13. Haskin L. Ya. Aerodynamics of a wind wheel with a fairing and an output device, Scientific notes TsAGI, 1993, vol. 24, no. 4.

14. Rafał Wróżyński, Mariusz Sojka, Krzysztof Pyszny, Krzysztof Pyszny. The application of GIS and 3D graphic software to visual impact assessment of wind turbines, Renewable Energy, vol. 96, part A, October 2016, pp. 625—635.

15. Qing’an Li, Junsuke Murata, Masayuki Endo, Takao Maeda, Yasunari Kamada. Experimental and numerical investigation of the effect of turbulent inf low on a Horizontal A xis Wind Turbine (part II: Wake characteristics), Energy, vol. 113, 15 October 2016, pp. 1304—1315.

16. Young Gun Heoa, b, Nak Joon Choic, Kyoung Ho Choib, Ho Seong Jia, Kyung Chun Kima. CFD study on aerodynamic power output of a 110 kW building augmented wind turbine, Energy and Buildings, vol. 129, 1 October 2016, pp. 162—173.

17. Mikhnenkov L. V. Planetary type wind-driven power plant planetary type, Scientific Bulletin of MSTU, 2008, no. 125.

18. Wenyi Liu. Design and kinetic analysis of wind turbine blade-hub-tower coupled system, Renewable Energy, vol. 94, August 2016, pp. 547—557.

19. Gorelov D. N. Energy characteristics of the Darier rotor (review), Publishing House of the Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences, 2010, pp. 325—333.

20. Biswas A., Gupta R. Unsteady aerodynamics of a twist bladed H-Darrieus rotor in low Reynolds number f low, J. Renew Sustain Energy, 2014, vol. 6.

21. Sobhani E., Ghaffari M., Maghrebi M. J. Numerical investigation of dimple effects on darrieus vertically axial wind turbine, Energy, 2017, 133:231—41.

22. Beri H, Yao Y. Numerical simulation of unsteady f low to show self-starting of vertical axis wind turbine using f luent, J. Appl. Sci. 2011;11:962—70.

23. Pshikhopov V. Kh., Medvedev M. Yu. Evaluation and management in complex dynamic systems, Moscow, Fizmatlit, 2009, 295 p.

24. Matveev N. M. Integration methods of ordinary differential equations, Moscow, Publishing house "Higher School", 1967, 555 p.

25. Pshikhopov V. Kh., Medvedev M. Yu., Gaiduk A. R., Neudorf R. A., Belyaev V. E., Fedorenko R. V., Kostyukov V. A., Krukhmalev V. A. Positional-trajectory control system for a robotic aeronautical platform: control algorithms, Mekhatronika, Avtomatizatsiya, Upravleni, 2013, no. 7, pp. 13—20.

26. Pshikhopov V. Kh., Medvedev M. Yu. Assessment algorithms in the control system of an autonomous robotic airship, Bulletin of the Southern Federal University. Technical science, 2013, no. 2 (139), pp. 200—207.