Ветроагрегаты с оптимальным управлением выработки электроэнергии

ВЕТРОАГРЕГАТЫ
С ОПТИМАЛЬНЫМ 
УПРАВЛЕНИЕМ
ВЫРАБОТКИ
ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ

В.И. БУЯЛЬСКИЙ

Москва
ИНФРА-М
2023

МОНОГРАФИЯ

УДК 621.311.24(075.4)
ББК 31.627
 
Б94

Буяльский В.И.
Б94  
Ветроагрегаты с оптимальным управлением выработки электроэнергии : монография / В.И. Буяльский. — Москва : ИНФРА-М, 
2023. — 182 с. — (Научная мысль). — DOI 10.12737/1946200.

ISBN 978-5-16-018259-9 (print)
ISBN 978-5-16-111273-1 (online)
В монографии на основе анализа современных методов автоматического управления ветроэлектрическими установками предложено решение 
о корректной связи (в теоретическом плане) связанных задач динамического поведения энергоагрегатов с оптимальным управлением выработки электроэнергии. В этом направлении получены принципы, структуры 
и алгоритмы, обеспечивающие уменьшение динамических нагрузок составляющих частей современных ветрогенераторов на основе своевременной подготовки системы к внешним возмущающим воздействиям и учета 
вибрационной нагруженности привода при разных режимах эксплуатации 
энергоагрегата.
Предназначена для научных работников и специалистов в области ветроэнергетики, автоматизации технологических процессов, системного 
анализа, а также аспирантов и студентов соответствующих направлений 
подготовки и специальностей технических вузов.

УДК 621.311.24(075.4)
ББК 31.627

ISBN 978-5-16-018259-9 (print)
ISBN 978-5-16-111273-1 (online)
© Буяльский В.И., 2023

Данная книга доступна в цветном  исполнении 
в электронно-библиотечной системе Znanium

Р е ц е н з е н т ы:
Муравьева О.В., доктор технических наук, профессор, профессор кафедры приборов и методов измерений, контроля диагностики Ижевского 
государственного технического университета имени М.Т. Калашникова;
Филипович О.В., кандидат технических наук, доцент, заведующий 
кафедрой приборных систем и автоматизации технологических процессов Севастопольского государственного университета

Введение

Существующая технология преобразования энергии ветра 
в электроэнергию влияет на эффективность ветроэнергоустановок. 
Широко используемые методы управления ветроэнергетической 
установкой в условиях быстро изменяющихся ветровых нагрузок 
не обеспечивают должной стабильности частоты вращения ротора, 
что снижает надежность ветроэлектрических агрегатов, повышает 
собственное потребление производимой ветроэнергетическими 
установками электроэнергии, а также негативно влияет на эффективность использования энергии ветра. Решение этих проблем 
возможно лишь при наличии эффективного автоматизированного 
управления ветроэнергетической установкой.
В настоящее время управление ветроэлектрической установкой 
выполняется на основе критерия по поддержанию номинального 
значения угловой скорости ветроколеса за счет изменения угла 
положения лопастей. Управляющий сигнал зависит от отклонения 
фактической угловой скорости ротора от номинальной, которое 
получается в результате изменения скорости ветра или мощности 
потребляемой электроэнергии как внешних возмущающих воздействий. Такой подход не обеспечивает оперативности выработки 
управляющих воздействий, направленных на поддержку номинального значения угловой скорости в условиях переменных ветровой 
энергии и электрической нагрузки, а также не учитывает вибрационную нагруженность привода, поскольку вибрации рождают 
не только лопасти, но и все элементы с роторными системами, что 
негативно отражается на показателях надежности составляющих 
частей современных ветрогенераторов и на энергоэффективности 
технологического процесса.
Существующий метод подготовки информации для реализации 
управления указывает на необходимость его модификации путем 
обеспечения своевременной подготовки системы к внешним возмущающим воздействиям за счет оценки характеристик ветровой 
энергии и электрической нагрузки, а также учета вибрационной 
нагруженности привода и динамических свойств системы, что 
обеспечит устойчивость системы управления на основе работы оптимизации вариации ошибки управления по крутящему моменту 
и способствует уменьшению времени переходного процесса регулирования угловой скорости. Это и составляет содержание настоящей 
монографии, в которой приводятся два подхода к созданию автоматизированной системы управления ветроэлектрической установкой. Первый подход позволяет получить управление путем своевременной подготовки системы принятия управляющих решений 

на базе оценки времени включения двигателя привода питча угла 
лопасти в соответствии с упреждением скорости ветра и мощности 
потребляемой электроэнергии на последующий отрезок времени. 
При этом для решения проблемы разграничения доступа к двигателю привода питча разработан алгоритм согласованного доступа 
к устройству изменения положения лопастей со стороны предложенного и основного методов управляющих решений. А для установления зависимости частоты вращения ветроколеса от скорости 
ветра, мощности потребляемой электроэнергии и угла положения 
лопасти использованы закон аэродинамики (уравнение связи ширины лопасти и коэффициента подъемной силы с деформацией потока, характеризуемого коэффициентом торможения) и закон электродинамики для определения тока обмотки ротора. Второй подход 
позволяет использовать в крутящем моменте не только скорость 
ветра и угол положения лопасти, но и параметр нагрузки, что делает возможным учитывать вибрационную нагруженность привода 
путем обеспечения устойчивости системы управления на основе 
оптимизации вариации ошибки управления по крутящему моменту 
в соответствии с изменением внешней среды.
Исследования, посвященные поиску повышения эффективного 
управления ветроэлектрической установкой, отражены в работах 
отечественных ученых (Н.В. Зубовой, А.А. Кацурина, А.В. Серебрякова, А.В. Крюкова, А.Б. Весенина, Т.У. Еникеева, М.Ю. Медведева, 
Г.Е. Веселова) и в работах зарубежных авторов (О.О. Тихевича, 
В.И. Гайдайчук, Д.В. Легошина).
Необходимые законы и параметры управления нестационарными режимами работы ветроэлектрических установок для 
уменьшения аэродинамических и электромеханических нагрузок 
на силовые элементы конструкции в процессе эксплуатации рассмотрены в работах В.П. Васько, В.П. Коханевича и др.
Исследования В.С. Козина, М.Б. Кудлик и др. направлены 
на изучение повышения аэродинамической эффективности работы 
ветроагрегатов.
Теоретические результаты, полученные перечисленными авторами, посвящены конструктивным, статическим и динамическим 
характеристикам ветроэлектрической установки. Вместе с тем 
изучению динамических свойств ветрогенератора как объекта 
управления скорости вращения турбины уделено недостаточно 
внимания. Поэтому необходимы исследования, направленные 
на совершенствование систем автоматизированного управления 
ветрогенератором на основе своевременной подготовки процесса 
принятия управляющих решений и учета вибрационной нагруженности привода, которые обеспечивают уменьшение динамических 

нагрузок на все элементы роторных систем и повышают стабильность скорости вращения ротора ветротурбины.
Монография состоит из введения, восьми глав, заключения, 
биб лиографического списка, трех приложений.
В первой главе рассматриваются вопросы, связанные с созданием 
систем автоматизированного управления ветроэнергоустановками. 
Детально рассмотрены общие характеристики ветрогенераторов 
и их систем управления. Проведен подробный анализ современных 
методов автоматизированного управления ветро энергоустановкой. 
Определены понятия «своевременная подготовка системы» и «учет 
вибрационной нагруженности привода» как факторы повышения 
надежности работы ветрогенераторов.
Во второй главе построена математическая зависимость угловой 
скорости ветроколеса от скорости ветра, мощности потребляемой 
электроэнергии и угла положения лопасти, которая обеспечивает 
понижение кубической степени метеопараметра до единицы, что 
дает возможность получить линейную зависимость скорости вращения ротора ветротурбины в соответствии с изменением внешней 
среды, а параметр нагрузки способствует устойчивости системы 
управления на основе работы оптимизации вариации ошибки 
управления по крутящему моменту в соответствии с изменением 
внешней среды. Решена задача по обеспечению учета плотности 
воздушного потока в различные времена года для математической 
модели угловой скорости ветроколеса.
Третья глава посвящена описанию метода своевременной подготовки системы к внешним возмущающим воздействиям на основе 
оценки времени включения двигателя привода питча. Проведено 
исследование влияния запаздывания регулирования угловой скорости ротора ветротурбины. Сравнение результатов аналитического и имитационного моделирования проведено в различных 
сочетаниях изменения скорости ветра и мощности потребляемой 
электроэнергии как внешних возмущающих воздействий, показана 
эффективность своевременной подготовки системы к внешним 
возмущающим воздействиям за счет уменьшения времени переходного процесса на 50%.
В четвертой главе построена оптимизационная модель управления ветроэнергоустановкой на базе учета нагруженности привода 
на основе передаточных функций всех элементов роторных систем. 
Найдены коэффициенты корреляции между динамическими 
звеньями и степень устойчивости связи между ними. Проведено 
исследование оптимизационной управляющей функции по обеспечению устойчивости системы управления на основе работы оптимизации вариации ошибки управления по крутящему моменту 

в соответствии с изменением внешней среды, что способствует 
уменьшению времени переходного процесса на 50%.
В пятой главе рассмотрены вопросы экспериментальных исследований динамического анализа оптимизационной управляющей 
функции в рамках вибраций роторных систем ветроэлектрической установки. На основе результатов имитационного моделирования показана эффективность оптимизационной управляющей 
функции, которая обеспечивает уменьшение уровня вибраций 
на 75%. Решена задача расчета собственных колебаний роторных 
систем ветро энергоустановки и выполнен динамический анализ 
взаимодействия элементов конструкции и силовых воздействий 
от лопастных элементов на основе учета вибрационной нагруженности привода при разных режимах эксплуатации энергоагрегата. 
Оценка надежности эксплуатации энергоагрегата составляет 26%. 
При этом 8% приходится на метод своевременной подготовки 
системы к внешним возмущающим воздействиям, а 18% — на метод 
управления, учитывающий вибрационную нагруженность привода.
Шестая глава посвящена описанию критерия по формированию 
согласованного доступа к двигателю привода питча со стороны 
предложенного и существующего основного методов принятия 
управляющих решений с целью минимизации времени контроля 
выходных управляемых параметров. Обоснован выбор метода 
оценки скорости ветра и мощности потребляемой электроэнергии. 
Решена задача по определению интервала времени выборки измеренных значений случайного процесса, разработан алгоритм согласованной работы предложенного и основного методов принятия 
управляющих решений.
В седьмой главе разработано программное обеспечение автоматизированного управления ветроэнергоустановкой в составе ветроэлектростанции на базе учета вибрационной нагруженности привода и своевременной подготовки процесса принятия управляющих 
решений при разных режимах эксплуатации энергоагрегата. Представлен общий алгоритм работы программы управления ветроэлектростанцией. Выполнено описание руководства пользователя.
Восьмая глава посвящена описанию реализации автоматизированной системы управления ветроэнергоустановкой. Разработан 
алгоритм реализации автоматизированного управления ветроэнергоустановкой. Построена структурная схема автоматизированной 
системы управления, непосредственно реализующая предложенный метод, повышающий эффективность управления энергоагрегатом. Определен состав информационно-управляющего вычислительного комплекса и построена структурно-функциональная 
схема автоматизированной системы управления ветроэнергоустановкой. Разработан алгоритм взаимодействия управляющей и вы

числительных процедур функционирования подсистемы интеллектуальной поддержки принятия решений, построена схема передачи 
данных между вычислительными процедурами автоматизированной системы управления ветроэнергоустановкой.
В заключении сформулированы общие выводы.
В приложении А приведены основные характеристики и параметры работы исследуемой ветроэнергоустановки; в приложении Б
приведены данные удельного веса воздуха  и ускорения силы тяжести g для различных температурных условий внешней среды (от 
+28 до —45°C); в приложении В приведено руководство пользователя.

Глава 1
ЗАДАЧИ ПО СОЗДАНИЮ СИСТЕМ 
АВТОМАТИЗИРОВАННОГО УПРАВЛЕНИЯ 
ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИМИ УСТАНОВКАМИ

1.1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ 
УСТАНОВОК И ИХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ

Использование энергии ветра имеет большую историю. В 1913 г. 
в России действовало более 1 млн ветряных мельниц. В 1931 г. 
была построена в Балаклаве опытная ветроэлектростанция мощностью 100 кВт для параллельной работы на местную электросеть. 
В 1935 г. был выпущен первый Атлас ветроэнергетических ресурсов 
СССР. В 1950-х годах для нужд сельского хозяйства производилось более 9 тыс. ветротурбин в год. Однако в последующие годы 
в связи с изменением стратегии развития энергетики — ориентацией на строительство крупных электростанций, созданием единой 
энергетической системы, мощных межсистемных связей — эти 
работы существенно сократились. Новый толчок развитию ветроэнергетики во всех странах дал энергетический кризис середины 
1970-х годов [1, 2].
Современные ветроэнергоустановки обеспечивают производство 
электроэнергии высокого качества с частотой, соответствующей 
сети, могут работать в непрерывном режиме без постоянного присутствия персонала и при малом уровне технического обслуживания в течение 20 лет и более, обеспечивая ресурс в 120 000 часов 
службы и характеризуются предназначением их работы:
 
– параллельной работы с энергосистемой в составе ветроэлектростанций;
 
– параллельной работы с другими ветротурбинами в составе 
ветроэлектростанции без связи с энергосистемой;
 
– автономной работой на изолированную нагрузку без аккумулирования электроэнергии [3, 4].
При параллельной работе с энергосистемой ветроэнергоустановки характеризуются следующими режимами работы [5]:
 
– режим 1 — с изменением угла установки лопастей и переменной частотой вращения турбины;
 
– режим 2 — с изменением угла установки лопастей и постоянной частотой вращения;

– режим 3 — с постоянным (фиксированным) углом установки 
лопастей и постоянной частотой вращения турбины;
 
– режим 4 — с постоянным (фиксированным) углом установки 
лопастей и переменной частотой вращения турбины.
Режимы с регулированием угла установки лопастей возможны 
только для поворотно-лопастных горизонтальных ветроагрегатов. 
Режимы с регулированием частоты вращения ветроколеса возможны при использовании преобразователя частоты в цепи статора 
или в цепи ротора генератора.
Важнейший элемент ветроэнергоустановок — система регулирования мощности, которая определяет конструктивные особенности 
ветроагрегата и систему автоматики [6, 7]. Существует два вида 
принципиально разных способа.
Первый — регулирование мощности путем изменения угла 
между лопастью и набегающим потоком воздуха («углом атаки — 
т.е. питч (pitch)-регулирование»). Эффективность и надежность 
этой системы определяется надежностью гидравлической и механической системой поворота лопастей.
Второй способ — это когда профиль лопасти неодинаков по всей 
длине. Тогда при одной и той же скорости ветра разные участки работают с разной эффективностью. При определенной для каждого 
участка скорости ветра наступает срыв потока. Такой способ называется «стол (stall)-регулирование». Система управления этими 
ветротурбинами упрощается, но эффективность использования 
энергии ветра зависит от тщательного расчета профиля.
Необходимость пользоваться большим количеством агрегатов, 
установленных на большом пространстве, выдвигает требование 
автоматизации и высокой надежности с минимальным надзором. 
Система управления, сигнализации и измерения ориентированы 
на микропроцессоры и персональные компьютеры. Пуск и остановка ветроагрегата осуществляются автоматически по скорости 
ветра. Повторный автоматический пуск производится, если отключение произошло по внешней причине, а не из-за неисправности какого-либо элемента ветроустановки. Расшифровки вида 
неисправности, данные о выработке электроэнергии за различные 
периоды времени, начиная с даты ввода в работу, число и длительность остановок, дистанционный пуск и остановка, и многое другое 
реализуются через персональные компьютеры [6].
Ветроэлектростанция представляет собой группу ветрогенераторов, которые объединены в единую систему и используют для 
производства электроэнергии силу ветра. Принцип работы ветроэлектростанции основан на том, что ветер вращает лопасти турбины, а редуктор приводит в действие электрогенератор. Электроэнергия, получаемая таким образом, транспортируется по кабелю 

через силовой шкаф, который расположен в основании ветроэнергоустановки.
Мачты ветряных энергетических установок, имея значительную 
высоту, позволяют использовать силу ветра в полной мере. При проектировании ветроэлектростанции в местности, где ее планируется 
разместить, заранее проводят исследования, определяющие силу 
и направления ветра при помощи приборов-анемометров. Как известно, отбор мощности начинается со скорости ветра около 4 м/с, 
а номинальная мощность достигается при скорости 14–16 м/с.
По экспертным оценкам, технический потенциал ветровой 
энергии России оценивается свыше 6000 млрд кВтч/год. Экономический потенциал составляет примерно 31 млрд кВтч/год. 
Россия — одна из самых богатых в этом отношении стран — самая 
длинная на Земле береговая линия, обилие ровных безлесных пространств, большие акватории внутренних рек, озер и морей — все 
это наиболее благоприятные места для размещения ветроэлектростанций [8].
Отечественная ветроэнергетика. В Уфимском государственном 
авиационном техническом университете разработана ветроэнергетическая установка средней мощности ВЭУ–100. Ветротурбина 
разработана в двух модификациях для работы в составе энергосистемы и в локальной сети совместно с дизель-генератором [9, 10].
Система автоматического управления служит для запуска, 
стабилизации работы генератора, останова, предотвращения аварийных ситуаций. В состав системы входят: электронная система 
управления, гидростанция, гидросистема, исполнительные механизмы. Для каждой модификации ветроустановки имеются свой 
алгоритм управления и свое аппаратное обеспечение.
Ветроэнергетика за рубежом. Ветроэнергоустановка АВЭ–
250С с синхронным генератором была разработана КБ «Южное» 
(Украина) [11–12] и предназначена для параллельной работы 
с энергосистемой в составе ветроэлектростанции, а также для параллельной работы с другими ветротурбинами в составе ветроэлектростанции без связи с энергосистемой; для автономной работы на изолированную нагрузку без аккумулирования электроэнергии. Рабочим органом энергоагрегата является ветроколесо. 
При достижении ветровым потоком рабочего диапазона скоростей 
по соответствующим командам системы управления ветроколесом 
лопасти разворачиваются из флюгерного положения в сторону 
«мощность», ветроколесо приводится во вращение и при достижении генератором номинальной частоты вращения контрольнораспределительный шкаф (КРШ–200) включает синхронный генератор в сеть методом самосинхронизации, а система управления 
ветроколесом обеспечивает максимальное использование энергии