Өнімділікті оңтайландыруға арналған жел турбиналарын басқару жүйесі
Жел турбиналары әлемдегі ең жылдам дамып келе жатқан жаңартылатын энергия технологияларының бірі болып табылады. Дегенмен, желден электр энергиясын өндіру тек үлкен қалақтарды биік мұнараларға бекітуден де көп нәрсені білдіреді. Жел кездейсоқ, өзгермелі және топография, турбуленттілік және күнделікті ауа райының өзгеруі сияқты жергілікті жағдайларға әсер етеді. Сондықтан, жел турбиналарын басқару жүйелері турбинаның қауіпсіз, тұрақты жұмыс істеуін және максималды энергия өндіруін қамтамасыз етуде маңызды рөл атқарады. Бұл мақалада өнімділікті оңтайландырудағы жел турбиналарын басқару жүйелерінің тұжырымдамалары, компоненттері, стратегиялары және қиындықтары талқыланады.
Неліктен басқару жүйесі қажет?
Жел турбиналарын басқарудың негізгі мақсаттарын үш түрліше қорытындылауға болады: (1) төмен және орташа жел жылдамдығында энергияны барынша пайдалану, (2) механикалық жүктемелерді шектеу және қатты желде қауіпсіздікті сақтау, және (3) қуат сапасын және электр желісімен үйлесімділікті сақтау. Тиісті басқару болмаса, турбиналар жылдамдықтың шамадан тыс артуына, динамикалық жүктемелерге байланысты шаршауға және электр желісін бұзатын қуат ауытқуларына ұшырауы мүмкін.
Жалпы алғанда, турбиналар жел жылдамдығына байланысты бірнеше аймақта жұмыс істейді. «Шектеу» нүктесінен төмен жылдамдықта турбина жұмыс істемейді. Шектеу және номиналды жылдамдықтар арасында басқару энергияны барынша арттыруға бағытталған. Номиналды жылдамдық пен «шектеу» нүктесінен жоғары басқару номиналды қуатты сақтауға және зақымдануды болдырмауға бағытталған.
Басқару жүйесінің негізгі компоненттері
Қазіргі заманғы жел турбиналарын басқару жүйелері аппараттық және бағдарламалық жасақтаманың тіркесімінен тұрады:
1. Сенсор
Турбиналар желдің жылдамдығы мен бағыты (анемометр және жел қалағы), ротордың жылдамдығы, қалақшаның қадамы, генератор тогы/кернеуі, діріл, беріліс қорабының температурасы және гидравликалық немесе электр жүйесінің жағдайлары сияқты нақты уақыт режиміндегі деректерді қажет етеді. Үлкенірек турбиналарда гондоланың акселерометрлері және қалақшаның жүктеме сенсорлары сияқты қосымша сенсорлар жүктемені басқаруға көмектеседі.
2. Жетек
Негізгі қоздырғыштарға мыналар жатады:
– Еңкейту жүйесі: көтеру күші мен аэродинамикалық моментті реттеу үшін қалақтардың желге қарай бұрышын өзгертеді.
– Фокустау жүйесі: ротор жел бағытына қарайтындай етіп гондола айналдырады.
– Қуат генераторы/түрлендіргіш: түрлендіргішті басқару арқылы электромагниттік момент пен ротордың жылдамдығын реттейді.
– Тежегіш жүйесі: аэродинамикалық тежегіштер (қадамнан қаңқаға дейін) және қорғаныс ретінде механикалық тежегіштер.
3. Контроллер (PLC/өнеркәсіптік контроллер)
Басқару жүйесінің миы сенсор деректерін өңдейді, алгоритмдерді орындайды, атқарушы механизмдерге командалар береді және жұмыс режимдерін басқарады (іске қосу, қалыпты, дауылды басқару, апаттық өшіру). Контроллер сонымен қатар қашықтан бақылау үшін SCADA жүйесіне қосылған.
Энергияны оңтайландыруды бақылау стратегиялары
1. Генератордың айналу моментін басқару (номиналды мәннен төмен)
Желдің төмен және орташа жылдамдықтарында мақсат - қуат коэффициентін (Cp) барынша арттыратын оңтайлы ұштық-жылдамдық қатынасына - қалақ ұшының жылдамдығы мен жел жылдамдығы арасындағы қатынасқа - қол жеткізу. Жалпы стратегия - максималды қуат нүктесін бақылау (MPPT). Қарапайым тілмен айтқанда, контроллер генератордың айналу моментін реттейді, осылайша ротордың жылдамдығы желмен оңтайлы қисық сызық бойымен жүреді.
MPPT әдістері келесілерге негізделуі мүмкін:
– Модельге негізделген: аэродинамикалық модельдер мен турбина параметрлерін пайдаланады.
– Іздеуге негізделген: максималды қуатты табу үшін орнатылған нүктені біртіндеп реттейді (ауытқытып, бақылайды).
– Бағалаушыға негізделген: ротор мен генератор айнымалыларынан жел жылдамдығының тиімді бағаларын пайдаланады.
Айналдыру моментін басқарудың артықшылықтары - жылдам әрекет ету және жоғары тиімділік, әсіресе кеңінен өзгеретін жылдамдықтарды реттей алатын толық түрлендіргіштері бар турбиналарда.
2. Дыбысты бақылау (жоғары бағаланған)
Жел жылдамдығы номиналды жылдамдықтан асып кеткен кезде, турбиналар шамадан тыс қуат өндіру және шамадан тыс жүктеме тудыру қаупін тудырады. Бұл салада негізгі стратегия - аэродинамикалық кедергіні азайту және номиналды мәнде тұрақты қуат шығысын сақтау үшін екпін бұрышын арттыруды қамтитын қадамнан қауырсынға дейін.
Әдетте, дыбыс деңгейін басқару үшін PID контроллері немесе олардың вариациялары қолданылады. Мәселе қалақ динамикасы мен дыбыс деңгейін басқару жетектерінің кідірістері мен дыбыс деңгейін реттеу шектеулеріне ие болуында. Егер басқару тым агрессивті болса, тербелістер пайда болуы мүмкін; егер тым баяу болса, ротор жылдамдықтан асып кетуі мүмкін. Сондықтан көптеген турбиналар күшейту кестесін пайдаланады: басқару параметрлері жұмыс жағдайларына сәйкес өзгертіледі (мысалы, ротордың жылдамдығы немесе дыбыс деңгейін реттеу бұрышы).
Энергияны көбірек жинау үшін қисықпен басқару
Иілу ротордың желге қарағанын қамтамасыз етеді. Иілу қателіктері энергияны азайтады, себебі ротордағы тиімді жел компоненті азаяды. Дегенмен, иілу қосымша жүктемелер тудырады, себебі иілудің жиі қозғалыстары иілу берілісінің тозуын арттырып, динамикалық тураланбау салдарынан құрылымдық жүктемелерді арттыруы мүмкін.
Yaw оңтайландыру стратегиялары тепе-теңдікті сақтауға тырысады:
– Энергияны барынша арттыру (жүру қателігін азайту),
– Жел ауытқыған кезде алға және артқа қозғалысты болдырмайды, қисық иілу белсенділігін азайтады,
– Гондола мен мұнара құрылымдарындағы жүктемелерді басқарыңыз.
Қазіргі заманғы алгоритмдер жел бағыты сүзгілерін, өлі жолақтарды (төзімділік аймақтарын) және турбуленттілікті ескеретін шешім қабылдау логикасын қамтуы мүмкін.
Жүктемені басқару және компоненттің қызмет ету мерзімі
Өнімділікті оңтайландыру тек энергия өндірумен ғана емес, сонымен қатар қолжетімділік пен техникалық қызмет көрсету шығындарымен де байланысты. Қалақшаларға, хабтарға, беріліс қораптарына, мойынтіректер мен мұнараларға циклдік жүктемелер материалдың шаршауының негізгі себебі болып табылады. Басқару жүйелері бірнеше тәсілдер арқылы жүктемені азайтуға ықпал етеді:
1. Жеке ән айтуды бақылау (IPC)
Үш қалақшалы турбинада әрбір қалақшаны ығысудан (жел жылдамдығы биіктікпен артады) және турбуленттіліктен туындаған теңгерімсіз жүктемелерді азайту үшін бөлек басқаруға болады. IPC қалақшаның түбірі мен мұнарасындағы шаршау жүктемелерін тиімді түрде азайтады, бірақ басқарудың күрделілігін және жауап беретін жетектерге деген қажеттілікті арттырады.
2. Мұнараның демпферлік басқаруы
Мұнара тербелістерін, әсіресе құрылымның табиғи жиіліктерінде, бәсеңдету үшін бұрылыс немесе айналу моментін басқаруды пайдалануға болады. Бұл дірілді азайтады және құрылымның қызмет ету мерзімін ұзартады.
3. Трансмиссияның бұралу басқаруы
Генератор моментін басқару, әсіресе тордың бұзылуы немесе желдің кенеттен өзгеруі кезінде, жетек жүйесіндегі бұралу тербелістерін азайта алады, осылайша беріліс қорабы мен ілінісуді қорғайды.
Электр желісімен интеграциялау (желілік қолдау)
Қазіргі заманғы жел турбиналары енді тек электр желісіне «еркін жүріп» қана қоймай, сонымен қатар қолдау көрсетеді. Электр желілерінің кодтары көбінесе мыналарды талап етеді:
– Белсенді қуатты басқару: қуаттың өзгеруі тым жылдам болмауы үшін рамп жылдамдығын шектеу.
– Реактивті қуат/кернеуді басқару: қосылу нүктесіндегі кернеуді ұстап тұруға көмектеседі (PCC).
– Ақаулықтарды жою (FRT): кернеуді қалпына келтіруді қолдау үшін реактивті ток енгізу мүмкіндігін қоса алғанда, уақытша кернеу бұзылыстары кезінде байланыста қалады.
Бұл компоненттерге зақым келтірмей тұрақты жұмыс істеуді қамтамасыз ету үшін турбинаны басқару, қуат түрлендіргіші және электр қорғанысы арасындағы үйлесімділікті қажет етеді.
SCADA, деректер және жасанды интеллекттің рөлі
SCADA өнімділікті бақылауға, дабылдарға және трендтерді талдауға мүмкіндік береді. Тарихи деректермен операторлар:
– Жағдайды бақылау: беріліс қорабының дірілін, мойынтірек температурасын немесе генератор ауытқуларын анықтайды.
– Болжамды техникалық қызмет көрсету: ақаулықтарды алдын ала болжау, осылайша жұмыс уақытының тоқтап қалуын азайту.
– Өнімділікті оңтайландыру: аэродинамикалық бұзылуды (мысалы, қалақтардағы кірді) немесе сенсор қателерін анықтау үшін нақты қуат қисығын анықтамалық қисықпен салыстырады.
Жасанды интеллект және машиналық оқыту желді тиімді бағалау, аномалияны анықтау, жел өрісіне негізделген ауытқуды оңтайландыру және техникалық қызмет көрсетуді жоспарлау үшін қолданыла бастады. Оларды қолдану перспективалы болғанымен, сақтықты талап етеді, себебі деректерге негізделген модельдер маңызды жүйелерде қауіпсіз және түсіндіруге болатын болып қалуы керек.
Қиындықтар және даму бағыттары
Жел турбиналарын басқару жүйелеріндегі негізгі қиындықтардың қатарына күрделі жерлерде (тауларда немесе жағалауда) жоғары турбуленттілік, жел электр станциясындағы турбиналар арасындағы өзара әрекеттесу (ояту әсері) және энергия құнын төмендету қажеттілігі (LCOE) жатады. Болашақта басқару келесі мәселелерге көбірек назар аударатын болады:
– Жел электр станциясын басқару: тек бір турбина үшін ғана емес, электр станциясының жалпы өнімділігін оңтайландыру үшін турбиналар арасындағы еңкею/қадамды реттейді.
– Кеңейтілген басқару: мысалы, жетек шектерін басқару және желдің өзгеруін болжау үшін модельді болжау басқаруы (MPC).
– Лидар көмегімен басқару: ротордың алдындағы желді «көру» үшін лидар сенсорларын пайдаланады, бұл шың жүктемелерін азайту үшін қадам мен айналу моментін болжау уақытын қамтамасыз етеді.
Қорытынды
Жел турбиналарын басқару жүйелері өнімділікті оңтайландырудың кілті болып табылады, себебі олар турбинаның өзгермелі желге қалай жауап беретінін реттейді. MPPT үшін момент басқару, қуатты шектеу және қауіпсіздік үшін екпінді басқару, ротордың бағытын басқару және жүктемені азайту стратегияларының үйлесімі арқылы турбиналар зақымдану қаупін азайта отырып, көбірек энергия өндіре алады. Электр желісін қолдау және SCADA деректерін пайдаланумен бірге заманауи басқару элементтері өндірісті арттырып қана қоймай, сонымен қатар компоненттердің қызмет ету мерзімін ұзартады және пайдалану шығындарын азайтады. Сенсорлардың, озық басқару алгоритмдерінің және ферма деңгейіндегі оңтайландырудың дамуымен жел турбиналары таза энергияға көшудің негізі ретінде сенімді бола түседі.
