Քամու տուրբինի կառավարման համակարգ՝ աշխատանքի օպտիմալացման համար
Քամու տուրբինները աշխարհում վերականգնվող էներգիայի ամենաարագ զարգացող տեխնոլոգիաներից մեկն են։ Սակայն քամուց էլեկտրաէներգիա ստանալը ավելին է, քան պարզապես մեծ թևեր բարձր աշտարակներին ամրացնելը։ Քամին պատահական է, փոփոխական և ազդվում է տեղական պայմաններից, ինչպիսիք են տեղագրությունը, տուրբուլենտությունը և ամենօրյա եղանակային փոփոխությունները։ Հետևաբար, քամու տուրբինների կառավարման համակարգերը կարևոր դեր են խաղում տուրբինի անվտանգ, կայուն աշխատանքի և առավելագույն էներգիայի արտադրության ապահովման գործում։ Այս հոդվածը քննարկում է քամու տուրբինների կառավարման համակարգերի հասկացությունները, բաղադրիչները, ռազմավարությունները և մարտահրավերները՝ աշխատանքի օպտիմալացման գործում։
Ինչու՞ է անհրաժեշտ վերահսկողության համակարգը։
Քամու տուրբինների կառավարման հիմնական նպատակները կարելի է ամփոփել երեքի մեջ՝ (1) էներգիայի կլանման մաքսիմալացում ցածրից մինչև միջին քամու արագությունների դեպքում, (2) մեխանիկական բեռների սահմանափակում և անվտանգության պահպանում ուժեղ քամիների դեպքում, և (3) էլեկտրաէներգիայի որակի և համատեղելիության պահպանում էլեկտրացանցի հետ։ Առանց պատշաճ կառավարման, տուրբինները կարող են գերարագություն, հոգնածություն ունենալ դինամիկ բեռների պատճառով և հզորության տատանումներ, որոնք խաթարում են ցանցը։
Ընդհանուր առմամբ, տուրբինները գործում են մի քանի շրջաններում՝ կախված քամու արագությունից: «Միացման» կետից ցածր արագությունների դեպքում տուրբինը չի աշխատում: Միացման և անվանական արագությունների միջև կառավարումը կենտրոնանում է էներգիայի մաքսիմալացման վրա: Նշանակված արագությունից և «անջատման» կետից բարձր դեպքում կառավարումը կենտրոնանում է անվանական հզորությունը պահպանելու և վնասը կանխելու վրա:
Կառավարման համակարգի հիմնական բաղադրիչները
Ժամանակակից քամու տուրբինների կառավարման համակարգերը բաղկացած են սարքավորումների և ծրագրային ապահովման համադրությունից.
1. Սենսոր
Տուրբինները պահանջում են իրական ժամանակի տվյալներ, ինչպիսիք են քամու արագությունը և ուղղությունը (անեմոմետր և քամու թև), ռոտորի արագությունը, թիերի թեքությունը, գեներատորի հոսանքը/լարումը, թրթռումը, փոխանցման տուփի ջերմաստիճանը և հիդրավլիկ կամ էլեկտրական համակարգի վիճակը: Ավելի մեծ տուրբինների վրա լրացուցիչ սենսորներ, ինչպիսիք են գոնդոլային աքսելերոմետրերը և թիերի բեռնվածության սենսորները, օգնում են բեռի վերահսկմանը:
2. Գործարկիչ
Հիմնական ակտիվացուցիչները ներառում են.
– Թեքության համակարգ. փոխում է թևերի անկյունը քամու նկատմամբ՝ կարգավորելու համար վերելքը և աերոդինամիկական մոմենտը։
– Շեղման համակարգ. պտտում է գոնդոլը այնպես, որ ռոտորը ուղղված լինի քամու ուղղությամբ։
– Հզորության գեներատոր/փոխարկիչ. կարգավորում է էլեկտրամագնիսական պտտող մոմենտը և ռոտորի արագությունը փոխարկիչի կառավարման միջոցով։
– Արգելակային համակարգ՝ աերոդինամիկ արգելակներ (քայլից փետուր) և մեխանիկական արգելակներ՝ որպես պաշտպանություն։
3. Կառավարիչ (PLC/Արդյունաբերական կառավարիչ)
Կառավարման համակարգի ուղեղը մշակում է սենսորների տվյալները, կատարում ալգորիթմներ, հրամաններ է տալիս ակտուատորներին և կառավարում է աշխատանքային ռեժիմները (մեկնարկ, նորմալ, փոթորկի կառավարում, արտակարգ անջատում): Կառավարիչը նաև միացված է SCADA համակարգին հեռակառավարման մոնիթորինգի համար:
Էներգիայի օպտիմալացման կառավարման ռազմավարություններ
1. Գեներատորի պտտող մոմենտի կառավարում (նվազագույնը գնահատվածից)
Ցածրից մինչև միջին քամու արագությունների դեպքում նպատակն է հասնել ծայր-արագություն օպտիմալ հարաբերակցության՝ շեղբի ծայրի արագության և քամու արագության հարաբերակցության, որը մեծացնում է հզորության գործակիցը (Cp): Տարածված ռազմավարություն է առավելագույն հզորության կետի հետևումը (MPPT): Պարզ ասած, կարգավորիչը կարգավորում է գեներատորի պտտող մոմենտը այնպես, որ ռոտորի արագությունը հետևի քամու հետ օպտիմալ կորին:
MPPT մեթոդները կարող են հիմնված լինել հետևյալի վրա.
– Մոդելի վրա հիմնված. օգտագործում է աերոդինամիկ մոդելներ և տուրբինի պարամետրեր։
– Որոնման վրա հիմնված. սահմանված արժեքը աստիճանաբար կարգավորում է (խանգարում և դիտարկում)՝ առավելագույն հզորությունը գտնելու համար։
– Գնահատողի վրա հիմնված. օգտագործում է ռոտորի և գեներատորի փոփոխականներից ստացված արդյունավետ քամու արագության գնահատականներ։
Մոմենտի կառավարման առավելություններն են արագ արձագանքը և բարձր արդյունավետությունը, հատկապես լիարժեք փոխակերպիչներով տուրբիններում, որոնք կարող են կարգավորել լայնորեն փոփոխական արագությունները։
2. Բարձրության վերահսկողություն (գնահատվածից բարձր)
Երբ քամու արագությունը գերազանցում է սահմանված արագությունը, տուրբինները ռիսկի են դիմում առաջացնելու չափազանց մեծ հզորություն և գերբեռնվածություն: Այս ոլորտում հիմնական ռազմավարությունը թեքության անկյան մեծացումն է՝ աերոդինամիկ դիմադրությունը նվազեցնելու և սահմանված արժեքի վրա կայուն հզորություն պահպանելու համար:
Բարձրության կառավարումը սովորաբար օգտագործում է PID կարգավորիչ կամ դրա տարատեսակներ: Խնդիրն այն է, որ թևերի դինամիկան և բարձրության ակտուատորները ունեն ուշացումներ և բարձրության արագության սահմանափակումներ: Եթե կառավարումը չափազանց ագրեսիվ է, կարող են տատանումներ առաջանալ, եթե չափազանց դանդաղ է, ռոտորը կարող է գերարագանալ: Հետևաբար, շատ տուրբիններ օգտագործում են ուժեղացման ժամանակացույց. կառավարման պարամետրերը փոխվում են աշխատանքային պայմաններին համապատասխան (օրինակ՝ ռոտորի արագությունը կամ բարձրության անկյունը):
Շեղման կառավարում՝ էներգիայի կլանման ավելացման համար
Շեղումը ապահովում է, որ ռոտորը ուղղված լինի քամուն։ Շեղման սխալները նվազեցնում են էներգիան, քանի որ ռոտորի վրա քամու արդյունավետ բաղադրիչը նվազում է։ Այնուամենայնիվ, շեղումը նաև ստեղծում է լրացուցիչ բեռներ, քանի որ հաճախակի շեղման շարժումները կարող են մեծացնել շեղման մեխանիզմի մաշվածությունը և մեծացնել կառուցվածքային բեռները դինամիկ անհամապատասխանության պատճառով։
Շեղման օպտիմիզացման ռազմավարությունները փորձում են հավասարակշռել՝
– Առավելագույնի հասցնել էներգիան (նվազեցնել շեղման սխալը),
– Նվազեցնում է քամին հակվածության ակտիվությունը (խուսափում է առաջ և ետ շարժումից, երբ քամու ուղղությունը տատանվում է),
– Կառավարեք գոնդոլի և աշտարակի կառուցվածքների վրա առկա բեռները։
Ժամանակակից ալգորիթմները կարող են ներառել քամու ուղղության ֆիլտրեր, մեռյալ գոտիներ (հանդուրժողականության գոտիներ) և որոշումների տրամաբանություն, որը հաշվի է առնում տուրբուլենտությունը։
Բեռի կառավարում և բաղադրիչների կյանքի տևողություն
Արդյունավետության օպտիմալացումը վերաբերում է ոչ միայն էներգիայի արտադրությանը, այլև մատչելիությանը և սպասարկման ծախսերին: Թևերի, առանցքակալների, փոխանցման տուփերի, կրողակալների և աշտարակների վրա ցիկլային բեռները նյութական հոգնածության հիմնական պատճառն են: Կառավարման համակարգերը նպաստում են բեռնվածության մեղմացմանը մի քանի մոտեցումներով.
1. Անհատական բարձրության կառավարում (IPC)
Եռաթև տուրբինում յուրաքանչյուր թև կարող է կառավարվել անկախ՝ նվազեցնելու համար սղման (քամու արագությունը մեծանում է բարձրության հետ) և տուրբուլենտության պատճառով առաջացող անհավասարակշիռ բեռները: IPC-ն արդյունավետորեն նվազեցնում է թևերի արմատի և աշտարակի վրա հոգնածության բեռները, բայց մեծացնում է կառավարման բարդությունը և ավելի արագ արձագանքող ակտուատորների անհրաժեշտությունը:
2. Աշտարակի մարման կառավարում
Աշտարակի տատանումները, մասնավորապես կառուցվածքի բնական հաճախականությունների դեպքում, կարող են օգտագործվել թեքության կամ պտտող մոմենտի կառավարումը։ Սա նվազեցնում է տատանումները և երկարացնում կառուցվածքի կյանքի տևողությունը։
3. Փոխանցման համակարգի պտտման կառավարում
Գեներատորի պտտող մոմենտի կառավարումը կարող է նվազեցնել փոխանցման համակարգի պտտող տատանումները, հատկապես ցանցի խախտման կամ քամու հանկարծակի փոփոխությունների ժամանակ, այդպիսով պաշտպանելով փոխանցման տուփը և ճիրանակը։
Ինտեգրացիա էլեկտրական ցանցի հետ (ցանցի աջակցություն)
Ժամանակակից հողմային տուրբինները այլևս պարզապես չեն «հետևում» ցանցին, այլև ապահովում են աջակցություն: Ցանցային կոդերը հաճախ պահանջում են.
– Ակտիվ հզորության կառավարում. սահմանափակելով աճի տեմպը, որպեսզի հզորության փոփոխությունները չափազանց արագ չլինեն։
– Ռեակտիվ հզորության/լարման կառավարում. օգնում է պահպանել լարումը միացման կետում (PCC):
– Խափանումների հաղթահարում (FRT). միացված է մնում ժամանակավոր լարման խանգարումների ժամանակ, ներառյալ լարման վերականգնումը ապահովելու համար ռեակտիվ հոսանք ներարկելու հնարավորությունը։
Սա պահանջում է տուրբինի կառավարման, հզորության փոխարկիչի և էլեկտրական պաշտպանության համակարգում՝ կայուն աշխատանք ապահովելու համար՝ առանց բաղադրիչները վնասելու։
SCADA-ի, տվյալների և արհեստական բանականության դերը
SCADA-ն հնարավորություն է տալիս մոնիթորինգի ենթարկել աշխատանքը, տագնապներ և վերլուծել միտումները: Պատմական տվյալների միջոցով օպերատորները կարող են.
– Վիճակի մոնիթորինգ. հայտնաբերում է փոխանցման տուփի թրթռման, կրողակալների ջերմաստիճանի կամ գեներատորի անոմալիաների աճը։
– Կանխատեսողական սպասարկում. խափանումների կանխատեսում դրանց առաջացումից առաջ՝ խափանումների կրճատման համար։
– Արդյունավետության օպտիմալացում. համեմատում է իրական հզորության կորը հղման կորի հետ՝ աերոդինամիկական վատթարացումը (օրինակ՝ թևերի վրա կեղտ) կամ սենսորային սխալները հայտնաբերելու համար։
Արհեստական բանականությունը և մեքենայական ուսուցումը սկսում են օգտագործվել քամու արդյունավետ գնահատման, անոմալիաների հայտնաբերման, քամու դաշտի վրա հիմնված շեղման օպտիմալացման և սպասարկման ժամանակացույցի համար: Թեև խոստումնալից են, դրանց կիրառումը պահանջում է զգուշություն, քանի որ տվյալների վրա հիմնված մոդելները պետք է մնան անվտանգ և բացատրելի կարևոր համակարգերում:
Մարտահրավերներ և զարգացման ուղղություններ
Քամու տուրբինների կառավարման համակարգերի հիմնական մարտահրավերներից են բարդ վայրերում (լեռներ կամ ծովափնյա) բարձր տուրբուլենտությունը, քամու էլեկտրակայանի ներսում տուրբինների միջև փոխազդեցությունը (ալիքային էֆեկտ) և էներգիայի արժեքը (LCOE) իջեցնելու անհրաժեշտությունը: Ապագայում վերահսկողությունը ավելի ու ավելի կկենտրոնանա հետևյալի վրա.
– Քամու էլեկտրակայանի կառավարում. կարգավորում է տուրբինների միջև թեքությունը/ուղղությունը՝ էլեկտրակայանի ընդհանուր արտադրությունը օպտիմալացնելու համար, այլ ոչ թե միայն յուրաքանչյուր տուրբինի համար։
– Ընդլայնված կառավարում. օրինակ՝ մոդելի կանխատեսողական կառավարում (MPC)՝ ակտուատորի սահմանները կառավարելու և քամու փոփոխությունները կանխատեսելու համար։
– Լիդարի օգնությամբ կառավարում. օգտագործում է լիդար սենսորներ՝ ռոտորի առջևի քամին «տեսնելու» համար, ապահովելով թեքության և պտտող մոմենտի կանխատեսման ժամանակ՝ գագաթնակետային բեռնվածությունը նվազեցնելու համար։
Եզրակացություն
Քամու տուրբինների կառավարման համակարգերը կարևոր են աշխատանքի օպտիմալացման համար, քանի որ դրանք կարգավորում են, թե ինչպես է տուրբինը արձագանքում փոփոխվող քամիներին: MPPT-ի համար պտտող մոմենտի կառավարման, հզորության սահմանափակման և անվտանգության համար թեքության կառավարման, ռոտորի կողմնորոշման համար թեքության կառավարման և բեռի նվազեցման ռազմավարությունների համադրության միջոցով տուրբինները կարող են արտադրել ավելի շատ էներգիա՝ վնասի ավելի ցածր ռիսկով: Ցանցի աջակցության և SCADA տվյալների օգտագործման հետ մեկտեղ, ժամանակակից կառավարման համակարգերը ոչ միայն մեծացնում են արտադրությունը, այլև երկարացնում են բաղադրիչների կյանքը և նվազեցնում շահագործման ծախսերը: Սենսորների, առաջադեմ կառավարման ալգորիթմների և ֆերմայի մակարդակի օպտիմալացման զարգացման շնորհիվ, քամու տուրբինները կդառնան ավելի ու ավելի հուսալի՝ որպես մաքուր էներգիայի անցման հիմք:
