3.3. Исследование работы встроагрегатов при порывистом ветре
В практике эксплуатации ветроэлектрических агрегатов бывают случаи, когда подключаемая нагрузка не соответствует характеристике развиваемого момента быстроходного ветродвигателя. Такая ситуация возникает, например, при подключении шнекового или транспортерного механизма, момент сопротивления которых практически не изменяется при колебаниях частоты вращения приводного электродвигателя.
Для определения условий устойчивой работы быстроходного ветродвигателя с различными видами нагрузок при переменном порывистом ветре автором выполнено математическое моделирование ветроэлектрического агрегата, основные результаты которого приводятся ниже.
Уравнение движения ветроагрегата в общем виде представляется следующим выражением:
I*dw/dt=Ma-Mc
где I – приведенный момент инерции вращающихся частей ветроагрегата;
w – угловая частота вращения ветроколеса;
Мa – аэродинамический момент ветроколеса;
Mc — момент сопротивления нагрузки;
t – время.
Колебания скорости природного ветра имеют случайный характер; его статистические характеристики известны весьма приближенно.
Если скорость ветра за некоторый промежуток времени может быть представлена в виде тригонометрического ряда кратных частот, то колебания частоты вращения ветроагрегата за этот период могут быть представлены в виде того же ряда, но с временным сдвигом по фазе, причем коэффициенты ряда уменьшают свою амплитуду тем больше, чем выше порядковый номер гармонической составляющей.
Проверка точности аналитического решения произведена методом сравнения полученных результатов с результатами численного решения уравнения с конкретными значениями коэффициентов а = 0,031; /в = 0,02 и у = 0,067, которые соответствуют характеристике аэродинамического момента ветроагрегата АВЭУ6-4. В численном расчете принималось также, что V = 1 + s sin 2пt, где s=0,2; 0,4; 0,6; К- коэффициент, характеризующий быстродействие ветроагрегата, принимался в различных вариантах расчета равным 1.0; 10; 100. Расчет проводился до полного затухания переходного процесса в периодическом виде.
Сопоставление результатов расчета на ЭВМ и аналитического решения с одними и теми же исходными данными показало, что погрешность аналитического решения не превышает 3-5% при определении амплитуды колебаний частоты вращения.
Выполненный анализ динамики ветродвигателя позволил также установить возможность потери устойчивости системы ветроагрегат-нагрузка при Mc=const и Мс=Мw, вызывающей режим форсированного торможения, обусловленного превышением момента сопротивления нагрузки над развиваемым крутящим моментом. Практика эксплуатации подтвердила, что при порывистом ветре неустойчивый режим возникает часто.
Результаты анализа полученных данных позволили определить допустимые значения расчетной быстроходности ветро-колеса (Z0). Ветроагрегаты с высоким быстродействием (К=10; 100), работая в переменном воздушном потоке в режиме, близком к потере устойчивости, имеют амплитуду колебаний частоты вращения, превышающую амплитуду колебаний скорости ветра, что подтверждают результаты расчетов.
Для конкретного ветроагрегата АВЭУ6-4 и нагрузки с Mc=const и часто наблюдаемого на практике коэффициента пульсаций ветра, соответствующего ? = 0,4-0,6, установлено, что для обеспечения устойчивой работы расчетная быстроходность должна быть поднята до Z0 = 12, что приводит к вынужденному снижению коэффициента использования энергии ветра примерно в два раза. Коэффициент быстродействия К для АВЭУ6-4 находится в пределах 4-8. При линейной зависимости момента сопротивления нагрузки от частоты вращения (m=1) ограничение выбора расчетной быстроходности менее жесткое: расчетная быстроходность должна быть выбрана, исходя из условия Zo > 10, что приводит к вынужденному снижению коэффициента использования энергии ветра примерно на 19%. При вентиляторной характеристике момента сопротивления (m=2) не возникает опасности неустойчивой работы ветродвигателя. В этом случае следует использовать ветроагрегат в работе с нормальным значением быстроходности (для АВЭУ6-4 Zh=8,6), соответствующем оптимальному режиму работы в широком диапазоне скоростей ветра.
Приведенное приближенное аналитическое решение уравнения движения ветроагрегата может быть использовано для анализа режимов работы любых крыльчатых ветроагрегатов с известной характеристикой аэродинамического момента и величины момента инерции ветроколеса и других вращающихся частей ветроагрегата.