YOSH OLIMLAR
ILMIY-AMALIY KONFERENSIYASI
in-academy.uz/index.php/yo
4
ШАМОЛ ЭЛЕКТР СТАНЦИЯЛАРИДА БОШҚАРИЛУВЧИ АСИНХРОН
ГЕНЕРАТОРЛАРНИНГ ҚУВВАТ ВА МОМЕНТИНИ БОШҚАРИШ
УСУЛЛАРИ
Таниев Мирзоҳид Хуррамович
“Электр машиналари ва юритмалари муҳандислиги”
кафедраси доценти, PhD.
Маннабова Мадина Суннатилла Қизи
“Электр машиналари ва юритмалари муҳандислиги”
Кафедраси магистри
https://doi.org/10.5281/zenodo.14642860
Аннотация.
Шамол электр станцияларининг асосий вазифаси шамолнинг кинетик
энергиясини электр энергиясига айлантиришдир. Асинхрон генераторлар, хусусан, фаза
роторли асинхрон генераторлар, шамол тезлиги ўзгаришларига мос равишда қувват ва
моментни бошқариш имконини беради. Ушбу тадқиқотда қувват ва моментини
бошқариш учун PID контроллер қўллаш имкониятлари ва имитацион моделлар асосида
олинган натижалар кўриб чиқилган.
Калит сўзлар:
фаза роторли асинхрон генератор, шамол электр станцияси, PID
контроллер, магнит оқим, реактив ва актив қувват, реактив қаршилик, инерция
моменти.
МЕТОДЫ УПРАВЛЕНИЯ МОЩНОСТЬЮ И МОМЕНТОМ УПРАВЛЯЕМЫХ
АСИНХРОННЫХ ГЕНЕРАТОРОВ В ВЕТРОЭЛЕКТРОСТАНЦИЯХ
Таниев Мирзохид Хуррамович
Доцент кафедры « Инженерия электрических
машин и приводов», PhD.
Маннабова Мадина Суннатилла Қизи
Магистр кафедры « Инженерия электрических
машин и приводов»,
Аннотация
Основной задачей ветряных электростанций является преобразование
кинетической энергии ветра в электрическую энергию. Асинхронные генераторы, в
частности асинхронные генераторы с фазным ротором, позволяют управлять
мощностью и моментом в соответствии с изменениями скорости ветра. В данном
исследовании рассматриваются возможности применения PID-регулятора для
управления мощностью и моментом, а также результаты, полученные на основе
имитационных моделей.
Ключевые
слова:
асинхронный
генератор
с
фазным
ротором,
ветроэнергетическая установка, ПИД-регулятор, магнитный поток, реактивная и
активная мощность, реактивное сопротивление, момент инерции.
YOSH OLIMLAR
ILMIY-AMALIY KONFERENSIYASI
in-academy.uz/index.php/yo
5
METHODS FOR CONTROLLING POWER AND TORQUE OF CONTROLLED
INDUCTION GENERATORS IN WIND POWER PLANTS
Taniev Mirzohid Khurramovich,
Associate Professor of the Department of Electrical
Machines and Drives Engineering, PhD
Mannabova Madina Sunnatilla qizi
Magister of the Department of Electrical
Machines and Drives Engineering
Annotation
The main task of wind power plants is to convert the kinetic energy of wind into electrical
energy. Asynchronous generators, particularly phase rotor asynchronous generators, allow
power and torque to be controlled in response to changes in wind speed. This study examines
the potential use of a PID controller for managing power and torque, as well as the results
obtained from simulation models.
Keywords:
asynchronous generator with a phase rotor, wind power plant, PID controller,
magnetic flux, reactive and active power, reactance, moment of inertia.
Республикамизда истеъмолчиларга узлуксиз сифатли электр энергияси билан
таъминлаш мақсадида шамол электр станциялари (ШЭС) ва микро гидроэлектр
станциялари (ГЭС) дан фойдаланиш, уларда қўлланиладиган генераторларни электр
таъминот тизимига интеграциялаш, замонавий технологияларни қўллаш орқали
энергия тежамкор ва бошқариш режимларини ишлаб чиқиш бўйича катта ислоҳотлар
амалга оширилмоқда. 2022-2026 йилларга мўлжалланган янги Ўзбекистоннинг
тараққиёт стратегиясида, жумладан “...уй-жой-коммунал хўжалиги, ижтимоий соҳа
объектлари ва бошқа соҳаларда қайта тикланувчи энергия манбаларини кенг жорий
этиш ва энергия самарадорлигини ошириш...” бўйича вазифалари белгиланган. Ушбу
вазифаларни амалга оширишда, хусусан, шамол ва сув оқими тезликлари ўзгаришида
электр таъминот тизими билан параллел ишловчи фаза роторли асинхрон
генераторнинг тезлигини ростлайдиган автоматик бошқариш тизимини ишлаб чиқиш
муҳим аҳамият касб этади.
Шамол энергияси тизимида имитацион модел қилинадиган асосий қисмларга
шамол турбинаси, асинхрон генератор, узатиш қутиси, трансформатор ва тармоқ
киради. Шамол турбинаси тизимининг асосий мақсади шамолнинг кинетик
энергиясини генераторга юбориладиган механик энергияга айлантириш иборат.
Шамолнинг кинетик энергиясидан олинган механик қувватни қуйидагича ифодалаш
мумкин.
)
,
(
5
,
0
3
C
AV
P
w
(1)
бу ерда
ρ
,
A
,
V
w
ва
C
p
мос равишда ҳаво зичлиги, уриладиган ҳаво майдон юзаси,
шамол тезлиги ва шамол турбинаси қувват коэффициенти.
Қувват ва момент коэффициентларини аниқлашнинг асосий усули қўйидаги
тарзда ёзилиши мумкин.
YOSH OLIMLAR
ILMIY-AMALIY KONFERENSIYASI
in-academy.uz/index.php/yo
6
i
e
C
i
R
/
4
,
18
14
,
2
2
,
13
002
,
0
58
,
0
151
773
,
0
(2)
бу ерда
1
003
,
0
02
,
0
1
3
i
ёки қуйидагича ифодаланиши мумкин:
W
t
V
R
Ушбу тадқиқотда тақдим этилган модел ўзгарувчан тезликка эга уч фазали ФРАГ
ни ўз ичига олади. Қисқа туташтирилган асинхрон генераторидан фарқли ўлароқ, ротор
валида сирпаниш ҳалқалари ва чўткалар мавжуд. Ўзгарувчан ташқи актив қаршиликни
асинхрон генераторининг ротор чулғамларига кетма-кет улаш орқали генераторнинг
айланиш тезлигини ўзгартириш мумкин. Ташқи актив қаршиликни ўзгартириш орқали
генераторнинг ишлаши, айниқса момент, қувват ва фойдали иш коэффициентини
ўзгартириш мумкин.
Модел шамол тезлиги, электр юкламаси ва бошқа иш шароитларининг ўзгаришига
генераторнинг барқарор ҳолатини тасвирлайди:
p
r
m
(3)
Статор ва ротор фазаларининг кучланишлари (
u
s
,
u
r
), токлари (
i
s
,
i
r
) ва магнит оқим
илашимликлари (
Ψ
s
,
Ψ
r
), матрица шакли қуйидагича ифодаланиши мумкин:
;
C
B
A
s
u
u
u
u
;
c
b
a
r
u
u
u
u
;
C
B
A
s
i
i
i
i
;
c
b
a
s
i
i
i
i
;
C
B
A
s
;
c
b
a
r
(4)
бу ерда (
u
s
,
u
r
), (
i
s
,
i
r
) ва (
Ψ
s
,
Ψ
r
), мос равишда статор ва ротор фазаларининг
кучланишлари, токлари ва магнит оқим илашимликлари. Статор ва ротор кучланиш
тенгламалари қуйидагича ёзилиши мумкин:
dt
d
i
R
u
s
s
s
s
dt
d
i
R
i
R
u
r
r
sh
qo
r
r
r
'
(5)
бу ерда
R
s
ва
R
r
- статор ва роторнинг қаршилиги ва
R
qo’sh
- ротор чулғамига уланган
қўшимча қаршилик.
Статор ва ротор магнит оқим илашимликлари тенгламаларини қуйидагича ёзиш
мумкин:
r
sr
s
s
s
i
M
i
L
s
rs
r
r
r
i
M
i
L
(6)
бу ерда
L
s
ва
L
r
статор ва ротор индуктивлиги;
M
sr
ва
M
r
s
- статор ва ротор
ўртасидаги ўзаро индуктивлик. (6) ва (7) тенгламаларни қуйидагича ёзиш мумкин
dt
i
M
d
dt
i
L
d
i
R
u
r
sr
s
s
s
s
s
)
(
)
(
YOSH OLIMLAR
ILMIY-AMALIY KONFERENSIYASI
in-academy.uz/index.php/yo
7
dt
i
M
d
dt
i
L
d
i
R
i
R
u
s
rs
r
r
r
sh
qo
r
r
r
)
(
)
(
'
(7)
Қўшимча қаршилик киритилган ФРАГ нинг алмаштириш схемасидан фойдаланиб,
асинхрон генератор қуввати ва моментини қуйидагича ифодалаш мумкин
2
2
2
'
2
'
2
2
)
(
)
(
1
3
X
X
s
R
R
R
s
R
R
U
P
K
sh
qo
K
sh
qo
K
AG
(8)
2
2
2
'
2
'
2
2
)
(
)
(
1
3
X
X
s
R
R
R
s
R
R
U
P
M
R
sh
qo
K
s
sh
qo
K
s
AG
E
(9)
бу ерда
P
AG
– электромагнит қувват;
М
E
- электромагнит моменти;
R
2
- ротор актив қаршилиги;
U
K
– кучланиш;
R
K
ва
X
K
- мос эквивалент актив ва реактив қаршилик;
X
1
ва
X
2
- мос равишда статор ва ротор реактив қаршиликлиги;
ω
s
- синхрон бурчак тезлик;
s
- сирпаниш.
Ташқи ростланувчан қаршилик ва шамол тезлигидан фойдаланган ҳолда ФРАГ
тезлигини бошқариш усуллари тадқиқот қилинди. Тадқиқотда PID (proportional-
integral-derivative) контроллерлари қўлланилади. PID контроллерлари амалда қўллаш
қулайлиги ва самарадорлиги туфайли бошқарув тизимларида кенг қўлланилади. 1-
расмда анъанавий PID контроллернинг блок диаграммаси келтирилган. Ушбу
контроллернинг ишлаши (10) тенгламада кўрсатилганидек, вақт доимийси функцияси
сифатида белгиланган нуқталардан фойдаланишни ўз ичига олади:
dt
t
de
K
dt
t
e
K
t
e
K
T
t
d
i
p
)
(
)
(
)
(
)
(
0
(10)
1-расм. PID контроллернинг блок диаграммаси
PID контроллер қуйидаги атрибутлар орқали “Process” параметри ва “Setpoint”
ўртасидаги боғланишни яратади:
• P (proportional controller): тизим учун муҳим бўлган барқарор ҳолатдаги хато
кўрсаткичлари бўлмаслигини таъминлайди.
YOSH OLIMLAR
ILMIY-AMALIY KONFERENSIYASI
in-academy.uz/index.php/yo
8
• I (integral controller): бу тизимнинг ишлаши секинлашса ҳам, барқарор ҳолатни
таъминлайди.
• D (derivative controller): ушбу контроллернинг қўшилиши юқорида айтиб ўтилган
иккала муаммони ҳам енгиб ўтишга ёрдам беради.
Шамол генераторининг ҳаракат дифференциал тенгламаси қуйидаги кўринишга
эга.
ishq
G
mex
k
M
M
dt
d
J
(11)
бу ерда
J
– генератор валидаги умумий инерция моменти, kg·m
2
;
M
mex
– шамол турбинасининг механик моменти, N·m;
M
G
– генераторнинг электромагнит моменти, N·m;
ω
– генератор валининг айланиш тезлиги, rad/s.
dt
d
s
ўзгартириш киритиб, (11) тенгламани қуйидаги оператор шаклда ифодалаш
мумкин.
ishq
G
V
k
M
M
Jsw
(12)
Шамол генераторининг механик қисми учун узатиш функцияси қуйидагича
бўлади:
Js
k
Js
s
M
s
ishq
nat
1
/
1
)
(
(13)
бу ерда
g
sh
nat
M
M
s
M
– генератор валида ҳосил бўлган натижавий момент, яъни,
шамол турбинасининг айланиши ва генераторнинг электромагнит моменти таъсирида
ҳосил бўлган натижавий момент.
(13) ифоданинг сурат ва махражини
Js
га кўпайтирилса, қуйидаги ифода ҳосил
бўлади:
ishq
ishq
nat
k
Js
Js
k
Js
s
M
s
1
1
1
)
(
(14)
Махраждаги
k
ishq
коэффициентини қавслар ичидан чиқарилади ва узатиш
функцияси учун қуйидаги ифода олинади:
s
M
s
nat
)
(
;
1
)
(
mex
ishq
nat
T
k
s
M
s
(15)
бу ерда
ishq
mex
k
J
T
- шамол генераторининг механик қисмининг вақт доимийси.
Киритилган соддалаштиришлардан сўнг, структура схемаси 2- расмда
кўрсатилгани каби кўринишга эга бўлади.
YOSH OLIMLAR
ILMIY-AMALIY KONFERENSIYASI
in-academy.uz/index.php/yo
9
2 – расм. Шамол электр станциясининг механик қисми
соддалаштирилган структура схемаси
Шамол турбинаси томонидан яратилган механик момент, шамол турбинасининг
радиуси (
R
), ҳаво зичлиги (
ρ
) ва шамол тезлиги (
v
) га боғлиқ:
r
B
C
v
R
M
2
3
2
1
(16)
Ушбу формула шамол қувватидан фойдаланиш коэффициенти
C
R
ни ўз ичига
олади, унинг қиймати тезлиги (λ) ва парракларнинг ўрнатиш бурчаги (β) каби
коэффициентларга билан чизиқли бўлмаган боғланишга эга ҳисобланади.
Юқорида келтирилган параметрларни (16) формулага киритиш орқали
генератор валидаги моменти аниқлаш имкони яратилади:
r
B
C
v
R
M
2
3
2
1
(17)
Умумий инерция моменти генератор вали ва шамол турбинасининг инерция
моментлари йиғиндисига тенг бўлади. Шамол турбинасининг диаметри генератори
роторининг диаметридан сезиларли даражада ошади, бундай ҳолда тизимни
моделлаштиришда шамол турбинаси инерция моменти қийматидан фойдаланилади.
12
2
D
G
J
(18)
Ишқаланиш коэффициенти
k
ishq
шамол электр станцияси номинал қувватнинг 2-
5% ни ташкил қилади
k
ishq
≈ 0,02
P
nom
(19)
Matlab дастурининг Simulink пакети ёрдамида бошқарилувчи асинхрон
генераторнинг имитацион модели тузилган (3-расм).
YOSH OLIMLAR
ILMIY-AMALIY KONFERENSIYASI
in-academy.uz/index.php/yo
10
3-расм. Бошқарилувчи асинхрон генераторнинг имитацион модели
Matlab Simulink дастурида 2,2 кВтли генератор учун модел тузилди.
- Ротор чулғамига қўшимча қаршилик қийматлари ўзгартирилиб, ток ва кучланиш
ўзгаришлари ўрганилди.
- Ротор айланиш тезлиги ва статор токининг номинал қийматларга етиши таҳлил
қилинди.
Хулоса.
Тадқиқотлар натижасида шамол тезлиги ўзгаришларига мос равишда PID
контроллер ёрдамида генератор қуввати ва моментини бошқаришнинг самарали
усуллари аниқланди. Бундай моделлар энергия манбаларидан самарали фойдаланиш
имкониятини беради.
References:
1.
Toirov O. Z., Taniyev M.X., Xalikov S. S., Jumayeva D.J., Safarov. Amaldagi tarmoq bilan
parallel ishlovchi boshqariluvchi shamol elektr qurilmasi // O‘zbekiston Respublikasi adliya
vazirligi huzuridagi «Intellektual mulk markazi» davlat muassasasi. Foydali modelga patent. -
Tashkent, 2023. № FAP 2023 0311. 30.08.2023.
2.
Тоиров О.З. Таниев M.X. Шамол электр станцияларида асинхрон генераторларни
қўллаш имкониятлари // “Энергия ва ресурс тежаш муаммолари” илмий-техник
журнали. - Ташкент, 2022. Махсус сон. 283-288 б.
3.
Toirov O.Z., Taniyev M.X. Sotiboldiev A.A. Questions of Control of Asynchronous
Generators Used at HPP and WPP Stations // International Journal of Advanced Research in
Science, Engineering and Technology. India. 2022. - Vol. 9, Issue 4, April 2022. ISSN: 2350-0328.
PP. 19260-19265.
4.
Taniyev M., Mirkhonov U., Rakhmatova M., Isakov F., Ergashov Sh., Nizamov J. Study of the
substitution scheme of the parameters of a phase-rotor induction generator // AIP Conference
Proceedings, https:// doi.org/10.1063/5.0130746 05 January 2023. Р. 215-220.
5.
Alimkhodjaev K. T., Toirov O.Z., Taniyev M.X. Addressing Issues and Possibility of
Introducing Renewable Energy Sources in the Conditions of Uzbekistan // Journal of critical
reviews Vol. 7, Issue 15, 2020. Р. 1721-1728.
6.
Toirov O.Z., Pirmatov N.B., Yusupov D.T., Taniyev M.X. Elektr mashinalari ekspluatatsiyasi
// Darslik. - Toshkent, TDTU. 2023. 211 b.
YOSH OLIMLAR
ILMIY-AMALIY KONFERENSIYASI
in-academy.uz/index.php/yo
11
7.
Тоиров О.З., Таниев M.X. Қайта тикланувчи энергия манбаларида асинхрон
генераторнинг фазалари уланиш схемасининг чиқиш кучланишига таъсири //
“Ўзбекгидроэнергетика” илмий-техник журнали. - Тошкент, 2022. №2(14). 70-72 б.
8.
Алимходжаев
Ш.К.
Ветроэлектростанции,
работающие
параллельно
с
действующей энергосистемой Узбекистана // Энергия ва ресурс тежаш муаммолари.
№1, 2015. –Т., -с.180.
9.
Р.А. Захидов, М.В. Кремков. Потенциал ветровой энергетики Узбекистана //
Гелиотехника, №4, 2015.
10.
Алимходжаев К.Т., Таниев M.X., Захидов О.У. Asynchronous phase rotor generators for
power planes operating parallel with a network // Вестник ТашИИТ. - Ташкент, 2019. №4.
С. 79-86.
11.
О.З.Тоиров, К.Т.Алимходжаев, Ш.К.Алимходжаев, К вопросу использования
возобновляемых источников энергии в энергосистеме Узбекистана, International
Conference “Solar Energy: Trends of Researchs and Developments”, С. 66, 2019.
12.
Оценка гидроэнергетического потенциала Республики Узбекистан, Т.: Fichtner,
2003
