Как работи системата за контрол на въртенето във вятърните турбини
Съвременните вятърни турбини са проектирани да улавят колкото е възможно повече енергия от променящата се посока и скорост на вятърните течения. За да се гарантира, че роторът (лопатката) винаги е „обърнат“ към вятъра под правилния ъгъл, турбината се нуждае от механизъм, който може да завърта гондолата (гондолата) според промените в посоката на вятъра. Този механизъм се нарича система за управление на отклонението от курса (yaw control system). Казано по-просто, отклонението от курса е въртенето на турбината около вертикална ос, така че равнината на обръщане на ротора да остане успоредна на посоката на входящия вятър. Тази статия разглежда как работи системата за управление на отклонението от курса във вятърните турбини, нейните основни компоненти, стратегии за управление, както и предизвикателствата и поддръжката.
1. Защо е важен контролът на ъгловото движение?
Основната цел на контрола на отклонението от курса е да се сведе до минимум несъосието на отклонението от курса - ъгловата разлика между посоката на вятъра и посоката на движение на ротора. Ако роторът е несъосвен спрямо вятъра, част от енергията на вятъра „преминава“ през ротора, без да бъде оптимално уловена. Въздействието:
1. Намалена изходна мощност. Като цяло, колкото по-голямо е несъосието, толкова по-голямо е намалението на изходната мощност.
2. Структурните натоварвания се увеличават. Когато вятърът идва отстрани, аеродинамичните сили стават асиметрични и предизвикват динамични натоварвания върху лопатките, главината, оста и кулата.
3. Вибрации и ускорено износване. Несъответствието може да увеличи вибрациите и да ускори износването на механичните компоненти.
С добър контрол на отклонението, турбината може да поддържа ефективност и да удължи експлоатационния си живот.
2. Основни принципи на системата за риосване
Вятърните турбини с хоризонтална ос (HAWT) обикновено използват система за активно отклонение от курса, която активно завърта гондолата с помощта на двигател. За разлика от малките турбини, които понякога използват опашка (перка), за да „следват“ пасивно вятъра, турбините с голям мащаб почти винаги използват активно отклонение от курса поради голямата маса на гондолата и необходимостта от прецизен контрол.
Когато сензорът засече промяна в посоката на вятъра, контролерът (PLC/SCADA контролер) изчислява с колко трябва да се завърти турбината. Ако ъгълът на несъосност надвиши определен праг, двигателят за отклонение от курса задейства зъбните колела на лагера за отклонение, което кара гондолата да се завърти, докато се подравни.
3. Основни компоненти на системата за контрол на риасковането
а) Сензор за скорост и посока на вятъра
Над гондолата обикновено има:
– Ветроупор за измерване на посоката на вятъра спрямо гондолата.
– Анемометър за измерване на скоростта на вятъра.
Тези данни са основният вход за определяне дали е необходимо да се направи корекция на отклонението от курса.
б) Опорно-наклонен лагер
Лагерът за въртене на гондолата е голям, пръстеновиден лагер, който позволява на гондолата да се върти върху кулата. Този лагер трябва да може да издържи на комбинираното натоварване: теглото на гондолата, тягата на ротора и динамичните натоварвания, причинени от турбуленцията.
в) Задвижване на ъгловото движение и двигател за ъглово движение
Задвижването за отклонение от курса обикновено се състои от множество електрически двигатели (често повече от един за резервиране), които задвижват зъбно колело, което се зацепва с венец на лагера за отклонение от курса. Двигателите могат да работят последователно или едновременно в зависимост от конструкцията и изискванията за въртящ момент.
г) Спирачка за отклонение от курса
В допълнение към двигателя, има спирачна система, която предотвратява свободното въртене на гондолата. Спирачките за отклонение от курса са от съществено значение за:
– стабилизиране на позицията, когато турбината достигне желания ъгъл,
– предотвратяване на непрекъснати малки движения (лов на отклонение от курса),
– задържане на гондолата при определени ветрови условия или когато турбината спре.
д) Турбинен контролер (контролер)
Контролерът получава сигнали от сензори, прилага управляваща логика и след това изпраща команди към двигателите и спирачките. Контролерът също така внедрява блокировки за безопасност: например, предотвратяване на отклонение от курса при повреда на сензор, когато турбината е в определени режими или когато скоростта на вятъра е екстремна.
4. Как турбината определя кога да се завърти?
Турбините не винаги коригират всеки път, когато вятърът се промени леко. Ако са твърде чувствителни, системата ще се движи често и ще ускори износването на двигателя, малката скоростна кутия в задвижването за отклонение от курса и лагерите на отклонението от курса. Следователно, управлението на отклонението от курса обикновено използва концепциите за праг (мъртва зона) и времево закъснение.
а) Грешка при отклонение от курса и зона на нечувствителност
– Грешка от отклонението от курса = измерена посока на вятъра – текущо положение на гондолата
– Мъртва зона е диапазон на толеранс, например от ±5° до ±15° (варира в зависимост от производителя и стратегията за управление).
Ако грешката от отклонението от курса все още е в рамките на мъртвата зона, турбината избира да не се движи.
б) Закъснение във времето и филтриране на данни
Посоката на вятъра се колебае поради турбулентност. Следователно, данните от сензорите обикновено са:
– филтрирано с помощта на пълзяща средна,
– оценява се за определен период от време (напр. 10–60 секунди),
така че турбината да не реагира на моментен „шум“.
в) Стратегия за стъпково отклонение от курса
Вместо да се въртят непрекъснато, турбините често се отклоняват на малки стъпки. Те ще се завъртят на няколко градуса, ще спрат, ще преоценят и след това ще възобновят, ако е необходимо. Този подход помага за намаляване на трептенията и контролиране на механичните натоварвания.
5. Последователен работен процес на управление на рикането
Следният работен процес е често срещан за големи турбини:
1. Измерване на вятърните условия. Ветромерът отчита посоката на вятъра спрямо гондолата, а анемометърът - скоростта.
2. Изчисляване на несъосността. Контролерът изчислява грешката от отклонението и проверява дали тя надвишава зоната на нечувствителност.
3. Проверка на работното състояние. Системата гарантира, че турбината е в безопасно състояние на отклонение: няма критични аларми, спирачките са готови, двигателите са налични и ограниченията за въртене на кабелите са безопасни (за конструкции с кабели вътре в кулата).
4. Освободете спирачките за отклонение от курса (ако е необходимо). Спирачките могат да бъдат освободени, за да може гондолата да се движи.
5. Активиране на двигателя за отклонение от курса. Двигателят завърта гондолата към вятъра. Скоростта на отклонение от курса се поддържа относително бавна, за да се намали натоварването (например няколко градуса в секунда).
6. Спиране и заключване на позицията. С приближаването на целевия ъгъл, двигателят спира и спирачките задържат гондолата стабилно.
7. Проверка. Сензорът отчита отново, за да види дали грешката от отклонението от курса е намаляла. Ако не, цикълът се повтаря.
6. Връзка между управлението на ъгловото движение и управлението на тангажа и мощността
Контролът на въртенето по течението не съществува самостоятелно. В съвременните турбини има три основни допълващи се контрола:
– Контрол на наклона: променя ъгъла на лопатките, за да регулира мощността и натоварването.
– Управление на скоростта на ротора: регулира въртенето на ротора (чрез генератор и преобразувател).
– Контрол на риаскането: осигурява, че роторът е обърнат срещу вятъра.
Например, при много силни ветрове турбината може да влезе в режим на ограничаване на мощността при определен ъгъл. При тези условия системата за отклонение от хоризонталната ос може да бъде направена по-консервативна, за да се избегне увеличаване на натоварването. Обратно, при нормални производствени условия, отклонението от хоризонталната ос ще бъде по-активно, за да се постигне ефективност.
7. Често срещани предизвикателства и проблеми в системите за отклонение от курса
а) Лов на риповане
Това се случва, когато турбината променя посоката си на отклонение твърде често поради шумен сигнал за посока на вятъра или много малка зона на нечувствителност. Това води до износване на двигателя, спирачките и лагерите.
б) Износване на лагери и зъбни колела при въртене на крилата
Поради тежките натоварвания и повтарящите се движения, смазването и проверката са от съществено значение. Неправилното подравняване на зъбните колела, лошото смазване или проникването на замърсители могат да ускорят повредата.
в) Повреда на сензора
Ако ветропоказателят е повреден или анемометърът дава неправилни показания, турбината може да е насочена в грешна посока. Много турбини използват диагностика и резервиране, за да открият дефектни сензори.
г) Ограничение на усукване на кабела
При някои конструкции електрическите и сигналните кабели вътре в гондолата могат да се усукат, ако ъгловата ос се завърти твърде много в едната посока. Поради това са предвидени системи за управление на усукването, като например сензор за усукване и процедура за разплитане, за да се възстанови гондолата.
8. Грижа и най-добри практики
За да работи системата за отклонение от курса оптимално, операторите обикновено прилагат:
– Калибрирайте сензора за посока на вятъра периодично.
– Проверка на спирачката и двигателя: температура, ток и реакция при спиране.
– Смажете лагерите и зъбните колела на въртенето съгласно графика на производителя.
– Анализ на SCADA данни: наблюдение на честотата на отклонение от курса, продължителността и моделите на грешки. Промените в моделите могат да показват ранни проблеми.
– Визуална проверка на зъбния венец, болтовете и конструкцията на гондолата.
Заключение
Системата за контрол на отклонението от курса е ключова за поддържане на вятърните турбини с лице към вятъра и ефективно генериране на енергия, като същевременно се поддържат безопасни структурни натоварвания. Използвайки сензори за скорост и посока на вятъра, контролерът определя кога несъответствието е достатъчно голямо, за да се коригира, след което прилага задвижването на отклонението от курса чрез двигателя и задържа позицията със спирачки. Стратегии като мъртва зона, филтриране на сигнала и стъпково регулиране на отклонението от курса се използват за балансиране на две често противоречащи си цели: бърза реакция на промените в вятъра и минимизиране на износването на компонентите. Тъй като работят в екстремни условия и носят значителни натоварвания, системите за отклонение от курса изискват надежден дизайн и планирана поддръжка, за да се поддържа оптимална производителност на турбините през целия им експлоатационен живот.
