Как работает система управления рысканием в ветротурбинах
Современные ветротурбины спроектированы таким образом, чтобы максимально эффективно использовать энергию, получаемую при изменении направления и скорости ветровых потоков. Для обеспечения того, чтобы ротор (лопасть) всегда был «обращен» к ветру под правильным углом, турбина нуждается в механизме, способном вращать гондолу (гондолу) в соответствии с изменениями направления ветра. Этот механизм называется системой управления рысканием. Проще говоря, рыскание — это вращение турбины вокруг вертикальной оси таким образом, чтобы плоскость стреловидности ротора оставалась параллельной направлению входящего ветра. В этой статье рассматривается принцип работы системы управления рысканием в ветротурбинах, ее основные компоненты, стратегии управления, а также проблемы и вопросы технического обслуживания.
1. Почему важна система управления рысканием?
Основная цель управления рысканием — минимизировать отклонение по рысканию, то есть угловую разницу между направлением ветра и направлением движения ротора. Если ротор отклоняется от направления ветра, часть энергии ветра «проходит» через ротор, не будучи оптимально использована. Последствия:
1. Снижение выходной мощности. В целом, чем больше смещение, тем больше снижение выходной мощности.
2. Конструктивные нагрузки возрастают. При боковом ветре аэродинамические силы становятся асимметричными и вызывают динамические нагрузки на лопасти, ступицу, ось и башню.
3. Вибрация и ускоренный износ. Несоосность может усиливать вибрацию и ускорять износ механических компонентов.
Благодаря грамотному управлению рысканием турбина может поддерживать свою эффективность и продлевать срок службы.
2. Основные принципы системы рыскания
Ветротурбины с горизонтальной осью вращения (HAWT) обычно используют активную систему поворота, которая активно вращает гондолу с помощью двигателя. В отличие от небольших турбин, которые иногда используют хвостовое оперение (лопатку) для пассивного «следования» за ветром, турбины промышленного масштаба почти всегда используют активный поворот из-за большой массы гондолы и необходимости точного управления.
Когда датчик обнаруживает изменение направления ветра, контроллер (ПЛК/SCADA-контроллер) вычисляет, на сколько должна повернуться турбина. Если угол отклонения превышает определенный порог, двигатель поворота приводит в действие шестерни на подшипнике поворота, заставляя гондолу вращаться до тех пор, пока она не выровняется.
3. Основные компоненты системы управления рысканием
а) Датчик скорости и направления ветра
Над гондолой обычно располагаются:
– Флюгер для измерения направления ветра относительно гондолы двигателя.
– Анемометр для измерения скорости ветра.
Эти данные являются основным исходным материалом для определения необходимости внесения поправок по рысканию.
б) Поперечный подшипник рыскания
Подшипник рыскания — это большой кольцеобразный подшипник, позволяющий гондоле вращаться вокруг башни. Этот подшипник должен выдерживать суммарную нагрузку: вес гондолы, тягу ротора и динамические нагрузки, вызванные турбулентностью.
c) Привод рыскания и двигатель рыскания
Привод рыскания обычно состоит из нескольких электродвигателей (часто более одного для резервирования), которые приводят в движение шестерню, зацепляющуюся с зубчатым колесом на подшипнике рыскания. Двигатели могут работать попеременно или одновременно в зависимости от конструкции и требуемого крутящего момента.
d) Торможение рыскания
Помимо двигателя, имеется тормозная система, предотвращающая свободное вращение гондолы. Тормоза рыскания необходимы для:
– стабилизировать положение, когда турбина достигнет желаемого угла.
– предотвратить непрерывные мелкие движения (рыскание),
– удерживание гондолы при определенных ветровых условиях или при остановке турбины.
e) Контроллер турбины (Управляющий)
Контроллер принимает сигналы от датчиков, применяет логику управления, а затем отправляет команды двигателям и тормозам. Контроллер также реализует блокировки безопасности: например, предотвращает рыскание при отказе датчика, при работе турбины в определенных режимах или при экстремальных скоростях ветра.
4. Как турбина определяет момент поворота?
Турбины не всегда корректируют свои параметры при малейшем изменении направления ветра. Если они слишком чувствительны, система будет часто смещаться, что ускорит износ двигателя, небольшого редуктора в приводе рыскания и подшипников рыскания. Поэтому в управлении рысканием обычно используются понятия порогового значения (мертвой зоны) и временной задержки.
а) Ошибка рыскания и мертвая зона
– Ошибка рыскания = измеренное направление ветра – текущее положение гондолы
– Мертвая зона – это диапазон допуска, например, от ±5° до ±15° (он может варьироваться в зависимости от производителя и стратегии управления).
Если ошибка рыскания все еще находится в пределах мертвой зоны, турбина принимает решение не двигаться.
б) Задержка по времени и фильтрация данных
Направление ветра колеблется из-за турбулентности. Поэтому данные с датчиков обычно имеют следующий вид:
– отфильтровано с использованием скользящего среднего.
– оценивается в течение определенного периода времени (например, 10–60 секунд),
чтобы турбина не реагировала на кратковременный «шум».
c) Стратегия шага по оси рыскания
Вместо непрерывного вращения турбины часто поворачиваются небольшими шагами. Они поворачиваются на несколько градусов, останавливаются, проводят переоценку ситуации, а затем, при необходимости, возобновляют вращение. Такой подход помогает уменьшить колебания и контролировать механические нагрузки.
5. Последовательный процесс управления рысканием.
Ниже представлен типичный рабочий процесс для крупномасштабных турбин:
1. Измерение ветровых условий. Флюгер измеряет направление ветра относительно гондолы, анемометр измеряет скорость.
2. Расчет несоосности. Контроллер вычисляет ошибку рыскания и проверяет, превышает ли она зону нечувствительности.
3. Проверка рабочего состояния. Система гарантирует, что турбина находится в безопасном положении по углу поворота: отсутствуют критические сигналы тревоги, тормоза готовы, двигатели доступны, а пределы вращения кабеля находятся в пределах нормы (для конструкций с кабелями внутри башни).
4. Отпустите тормоза рыскания (при необходимости). Тормоза можно отпустить, чтобы позволить гондоле двигателя двигаться.
5. Активация двигателя рыскания. Двигатель поворачивает гондолу в сторону ветра. Скорость рыскания поддерживается относительно низкой для снижения нагрузки (например, несколько градусов в секунду).
6. Торможение и фиксация положения. По мере приближения к целевому углу двигатель останавливается, и тормоза удерживают гондолу в устойчивом положении.
7. Проверка. Датчик повторно считывает данные, чтобы убедиться, что ошибка рыскания уменьшилась. Если нет, цикл повторяется.
6. Взаимосвязь управления рысканием с управлением тангажем и мощностью.
Управление рысканием не существует изолированно. В современных турбинах используются три основных взаимодополняющих метода управления:
– Регулировка угла наклона лопастей: изменяет угол наклона лопастей для регулирования мощности и нагрузки.
– Регулировка скорости вращения ротора: регулирует вращение ротора (через генератор и преобразователь).
– Управление рысканием: обеспечивает ориентацию ротора по направлению ветра.
Например, при очень сильном ветре турбина может перейти в режим ограничения мощности при определенном угле наклона лопастей. В таких условиях система управления рысканием может быть настроена на более консервативный режим, чтобы избежать увеличения нагрузки. И наоборот, в нормальных условиях эксплуатации система управления рысканием будет более активной для достижения максимальной эффективности.
7. Типичные проблемы и сложности в системах управления рысканием
а) Охота на рыскание
Это происходит, когда турбина слишком часто меняет направление рыскания из-за помех в сигнале направления ветра или очень малой мертвой зоны. Это приводит к износу двигателя, тормозов и подшипников.
б) Износ подшипников рыскания и зубчатых передач
Из-за больших нагрузок и повторяющихся движений смазка и осмотр имеют важное значение. Несоосность шестерен, недостаточная смазка или попадание загрязнений могут ускорить повреждение.
c) Сбой датчика
Если флюгер поврежден или анемометр выдает неверные показания, турбина может быть повернута в неправильном направлении. Во многих турбинах используются средства диагностики и резервирования для обнаружения неисправных датчиков.
d) Предел скручивания кабеля
В некоторых конструкциях электрические и сигнальные кабели внутри гондолы могут перекручиваться, если угол рыскания слишком сильно изменяется в одном направлении. Поэтому для восстановления работоспособности гондолы используются системы предотвращения перекручивания, такие как датчик перекручивания и процедура раскручивания.
8. Уход и передовые методы
Для оптимальной работы системы рыскания операторы обычно применяют следующие меры:
– Периодически калибруйте датчик направления ветра.
– Проверка тормозов и двигателя: температура, ток и реакция тормозной системы.
– Смажьте подшипники и шестерни механизма рыскания в соответствии с графиком производителя.
– Анализ данных SCADA: мониторинг частоты, продолжительности и характера ошибок при повороте. Изменения в характере ошибок могут указывать на ранние проблемы.
– Визуальный осмотр зубчатого колеса, болтов и конструкции гондолы.
заключение
Система управления рысканием играет ключевую роль в удержании ветротурбин по направлению ветра и эффективной выработке электроэнергии при сохранении безопасных конструктивных нагрузок. Используя датчики скорости и направления ветра, контроллер определяет, когда отклонение становится достаточно большим для коррекции, затем включает привод рыскания через двигатель и удерживает положение с помощью тормозов. Такие стратегии, как мертвая зона, фильтрация сигнала и ступенчатое изменение рыскания, используются для балансировки двух часто противоречащих друг другу целей: быстрого реагирования на изменения ветра и минимизации износа компонентов. Поскольку системы рыскания работают в экстремальных условиях и несут значительные нагрузки, они требуют надежной конструкции и планового технического обслуживания для поддержания оптимальной производительности турбин на протяжении всего срока службы.
