Разработка алгоритма отслеживание точки максимальной мощности для встречно вращающейся двухроторной ветровой турбины

Аннотация

Актуальность: хотя доля возобновляемых источников энергии в мировой энергетической системе увеличивается год от года, быстрый рост спроса на электроэнергию и ограниченность традиционных топливных ресурсов требуют разработки новых, высокоэффективных энергетических технологий. В частности, ветроэнергетика имеет особое значение благодаря своей экологической чистоте, возобновляемости и широкому географическому охвату. В частности, согласно закону Беса, максимальная энергия, получаемая от ветрового потока, ограничена 59,3%, кроме того, круговой поток (wake), образующийся за ротором, еще больше увеличивает потери энергии. В результате эффективность систем SRWT в условиях низких и средних скоростей ветра значительно снижается. С этой точки зрения, противовращающиеся двухроторные ветровые турбины (Counter-Rotating Wind Turbine - CRWT) в последние годы становятся центром внимания научных исследований. В системах CRWT второй ротор позволяет повторно использовать энергию кругового потока, выходящего из первого ротора, повышая общий коэффициент мощности до 15-30%. Это делает CRWT особенно перспективным решением для регионов с низкой скоростью ветра. Однако широкое внедрение систем CRWT связано с рядом нерешенных научно-технических проблем. Одним из наиболее важных среди них является задача точного и стабильного отслеживание точки максимальной мощности (ОТММ). Традиционные алгоритмы ОТММ (TSR, Perturb & Observe, Hill Climb и другие) в основном разработаны для однороторных систем, и их прямое применение к двуроторным, аэродинамически взаимосвязанным системам считается неэффективным. В системе CRWT из-за аэродинамического взаимодействия между передним и задним роторами, распределения моментов и нулевой зависимости скоростей вращения не существует единого экстремума мощности, а возникает проблема многомерной оптимизации. Это приводит к снижению устойчивости существующих алгоритмов ОТММ, колебаниям мощности и потерям энергии. Кроме того, несмотря на растущую потребность в интеллектуальном управлении, адаптации в режиме реального времени и интеллектуальных алгоритмах в современных системах ветроэнергетики, исследования высокоскоростных и устойчивых алгоритмов ОТММ, адаптированных для CRWT, учитывающих взаимодействие роторов, недостаточны. Существующие научные работы в основном сосредоточены на аэродинамических или конструктивных аспектах, а вопрос глубокой интеграции алгоритмов управления недостаточно освещен.

Цель: разработка устойчивого и высокоэффективного алгоритма отслеживание точки максимальной мощности (ОТММ), работающего в режиме реального времени, учитывающего аэродинамические и электромеханические взаимодействия между передним и задним роторами для двухроторной ветровой турбины с противоположным вращением (CRWT), а также научное обоснование ее энергетической, динамической и экономической эффективности

Методы: использовался комплекс теоретических, расчетных, алгоритмических и экспериментальных методов исследования: теория оптимизации, безградиентный поиск и эвристические методы.

Результаты: предложена расширенная математическая модель, учитывающая аэродинамическое взаимодействие между передним и задним роторами в противоположно вращающейся двухроторной ветровой турбине. Разработан новый гибридный алгоритм ОТММ, который определяет отдельные оптимальные рабочие точки для переднего и заднего роторов и адаптивно корректирует их взаимодействие.