Целью исследования является увеличение вырабатываемой электрической энергии в расширенном диапазоне ветровых нагрузок, повышение эффективности использования энергии ветра путем создания новой конструкции ветроэлектростанции (ВЭС) - мультимодульной ВЭС с составным перестраиваемым ветроколесом (СПВК).
Методы исследования включают аналитические методы, которые базируются на современной теории работы ветроэнергетических установок, теории электрических машин, преобразователей частоты, магнитоэлектрических систем, а также современном аппарате математического и имитационного компьютерного моделирования.
Мультимодульная ветроэлектростанция - это ветроэлектростанция, представляющая собой систему однотипных транспортабельных модулей небольшой мощности, конструктивно и функционально совместимых между собой, которыми управляет единая система управления. Модульный принцип построения ВЭС позволяет путем увеличения количества модулей получить любую необходимую мощность, а также повысить надежность и ремонтопригодность при транспортировке, монтаже и эксплуатации [2].
Основными составляющими модуля рассматриваемой ветроэлектростанции являются: СПВК, магнитоэлектрическая система перемещения ветроколес для изменения числа рабочих лопастей, электрический генератор, преобразователь частоты на основе инвертора тока, накопитель электрической энергии в виде аккумуляторной батареи с зарядным устройством, а также микропроцессорный блок управления с набором датчиков тока, напряжения, скорости и направления ветрового потока (рис. 1).
Рис. 1. Схема модуля мультимодульной ветроэлектростанции
СПВК состоит из трех ветроколес (ВК) и магнитоэлектрической системы перемещения ВК для включения в работу разного количества рабочих лопастей 12, 6, 3. Данное решение позволяет обеспечить возможность ВЭС работать в широком диапазоне изменения скоростей ветра при высоком значении коэффициента использования энергии ветра ξ = 0,35-0,47 и большом пусковом моменте (для преодоления сил трения) при скорости ветра 2,5 м/с.
На рис. 2 представлены графики изменения коэффициента использования энергии ветра ξ и вращающего момента 
, в зависимости от быстроходности Z для 3-х, 6-и и 12-и лопастных ветроколес, сплошной линией изображен график разработанного СПВК.
Рис. 2. Графики коэффициента использования энергии ветра и вращающего момента СПВК
1-12-и лопастное ВК, 2-6-и лопастное ВК, 3-3-х лопастное ВК; Zопт1 - оптимальная быстроходность 12-и лопастного ВК, Zопт2 - оптимальная быстроходность 6-и лопастного ВК, Zопт3 - оптимальная быстроходность 3-х лопастного ВК.
Из графиков видно, что СПВК позволяет иметь оптимальную быстроходность Z в пределах от 1 до 3, с максимальным коэффициентом использования энергии ветра и большими пусковыми моментами в зоне малых скоростей ветра.
В зависимости от скорости ветра СПВК работает в следующих режимах. При низкой скорости ветра от 2,5 до 4 м/с, лопасти всех ветроколес (общее количество лопастей - 12), совмещены в одной плоскости и участвуют в работе СПВК, обеспечивая максимальный вращающий момент при высоком коэффициенте использования энергии ветра (рис. 2, а). При средней скорости ветра от 4 до 6,5 м/с ВК, содержащее шесть лопастей, отсоединяется от основного ВК, смещается вправо и перестает вращаться (рис. 2, б). В работе остаются два ВК с общим количеством лопастей 6. При скорости ветра от 6,5 до 15 м/с ВК, содержащее три лопасти, отсоединяется от основного ВК, смещается влево и перестает вращаться (рис. 2, в). При этом в работе остается одно 3-х лопастное ВК, которое продолжает работать с максимальной скоростью вращения, а остановившиеся ВК не препятствует вращению основного ВК, а является направляющим для ветрового потока [4].
Основное дифференциальное уравнение, описывающее динамику вращения СПВК, представлено в виде:
, (1)
где 
- момент инерции системы ветроколесо - генератор;
ω - угловая частота вращения вала, рад/с;
- механический момент вращения СПВК при оптимальной быстроходности, Н·м;
- электромагнитный момент ротора генератора, Н·м;
- максимальный вращающий момент ветроколеса, Н·м.
Мощность СПВК определяется из выражения:
, (2)
где 
- коэффициенты использования энергии ветра при работе 12-и лопастей СПВК при скорости ветра 
м/с; 6-и лопастей СПВК при м/с; 3-х лопастей СПВК при 
м/с, соответственно;
, при 
, 
, при 
, 
;
, при 
,
, при 
, 
; 
, при 
, 
, при 
.
- функция распределения скоростей ветра по Вейбуллу:
. (3)
Исследования режимов работы мультимодульной ВЭС показали, что при скорости ветра 2,5 м/с, величина генераторного напряжения составляет 10 % от требуемой величины выходного напряжения 380 В. Мощность ветрового потока при этом составляет 1 % от номинальной мощности модуля. Проблема получения необходимого по величине и частоте выходного напряжения была решена за счет применения преобразователя частоты на основе инвертора тока (ИТ). Инвертор тока в наибольшей степени подходит по своим свойствам к режиму работы ВЭС, за счет свойственной ему внешней характеристики.
Применение преобразователя частоты на основе ИТ позволяет иметь выходное напряжение необходимой величины и качества при изменении генераторного напряжения в широких пределах. Основной особенностью ИТ является возможность получения выходного напряжения, значительно превышающего входное [1].
Однако внешняя характеристика ИТ имеет круто падающий характер. Для получения стабильного выходного напряжения, при изменении нагрузки от холостого хода до номинальной, необходимо схему дополнить компенсирующим устройством - индуктивно-тиристорным компенсатором выпрямительного типа. На рис. 3 представлена схема преобразователя частоты на основе инвертора тока с компенсатором реактивной мощности.
Рис. 3. Схема преобразователя частоты на основе инвертора тока
с индуктивно-тиристорным компенсатором реактивной мощности
VD1-VD6 - диоды выпрямителя; VS1-VS6 - тиристоры инвертора тока;
VS7-VS12 - тиристоры компенсатора; Lk - входной дроссель компенсатора;
Lf, Cf - сглаживающие фильтры; Ld - входной дроссель инвертора тока;
C1-C3 - коммутирующие конденсаторы.
На рис. 4 представлены внешние характеристики ИТ, при совместной работе с компенсирующим устройством и без компенсирующего устройства. Из графиков видно, что при работе ИТ, совместно с компенсатором, имеем участки строго постоянного выходного напряжения при изменении нагрузки в определенных пределах. Данные характеристики хорошо согласуются с особенностями работы ВЭС при ветровых нагрузках, от очень слабых до максимальных.
Рис. 4. Внешние характеристики инвертора тока
γ - угол управления компенсатором;
1 - без учета работы компенсатора реактивной мощности; 2 - с учетом работы компенсатора реактивной мощности.
Внешняя характеристика ИТ в относительных величинах (в рамках метода основной гармоники) выражается в виде зависимости:
,(4)
- отношение величины выходного напряжения U к напряжению питания Ud;
В - коэффициент загрузки;
β - угол запирания;
φ - фазовый угол нагрузки.
Коэффициент загрузки определяется из выражения:
, (5)
где ω - выходная частота, рад/с;
z - сопротивление нагрузки, Ом;
C - фазная емкость коммутирующей батареи, Ф.
Актуальной задачей сегодня является создание математических моделей различных объектов используемых для эффективного анализа физических явлений, предсказывающих поведение исследуемой системы без создания дорогостоящих прототипов [6]. Поэтому и для мультимодульной ВЭС с СПВК была создана математическая модель с помощью программного обеспечения MATLAB Simulink (рис. 5 а, б).
а) 
б) 
Рис. 5. Имитационная математическая модель: а - СПВК (блок Windwheel);
б - мультимодульной ВЭС с СПВК
Исследования на математической модели показали, что применение преобразователя на основе ИТ, для работы при частоте 50 Гц, позволяет получить кривую выходного напряжения, по форме близкую к синусоидальной, и обеспечить наличие стабильного по величине напряжения на нагрузке во всем диапазоне изменения мощности ветрового потока.
Применение мультимодульной ВЭС с СПВК позволяет увеличить годовую выработку электроэнергия на 22 %, при этом 14 % - за счет установки СПВК, 8 % - за счет работы мультимодульной ВЭС в расширенном диапазоне скоростей ветра.
Рецензенты:
- Артюхов Иван Иванович, доктор технических наук, профессор, профессор кафедры «Электроснабжение промышленных предприятий» СГТУ имени Гагарина Ю. А., г. Саратов.
- Томашевский Юрий Болеславович, доктор технических наук, профессор, профессор кафедры «Системотехника» СГТУ имени Гагарина Ю. А., г. Саратов.