Математичне моделювання динамічних характеристик поворотно-лопатевих вітроенергетичних установок за умов стохастичного вітрового навантаження
DOI:
https://doi.org/10.31548/energiya1(83).2026.110Ключові слова:
вітроенергетична установка, математична модель, стохастичне вітрове навантаження, орієнтація лопатей, алгоритм керуванняАнотація
Інтеграція поворотно-лопатевих вітроенергетичних установок в сучасні енергетичні системи набуває все більшого значення у зв’язку зі стрімким зростанням частки відновлюваних джерел енергії. Водночас робота вітроенергетичних установок значно відрізняється від традиційних джерел генерації, оскільки її продуктивність безпосередньо залежить від швидкості та напрямку вітру, які мають випадковий характер. Це призводить до значних коливань механічних та електричних параметрів системи, ускладнює процес регулювання частоти та активної потужності генератора і створює підвищені вимоги до стабільності роботи енергосистеми..
Метою дослідження є розробка математичної моделі поворотно-лопатевої вітроенергетичної установки з урахуванням стохастичного вітрового навантаження для аналізу динаміки установки та налаштування алгоритмів керування частотою вітрогенератора.
Математичне моделювання базується на рівняннях обертального руху ротора та вітроколеса, описаних через крутний момент і момент сил опору, а також на рівняннях руху повітряного потоку з урахуванням турбулентності та випадкових змін швидкості і напрямку. Для цифрової реалізації алгоритмів керування використовується дискретизація рівнянь і рекурентні співвідношення для кутової швидкості ротора та кута орієнтації лопатей. Спрощене подання крутного моменту та моменту опору у вигляді поліноміальних залежностей забезпечує достатню точність при мінімальних обчислювальних витратах і дозволяє ефективно тестувати алгоритми керування у режимі реального часу.
Запропонована модель адекватно відтворює динамічні характеристики установки, враховує стохастичні фактори вітру та дозволяє реалізувати цифрові системи керування з високою точністю орієнтації лопатей. Використання моделі забезпечує підвищення стабільності та ефективності роботи поворотно-лопатевих вітроенергетичних установок в реальних умовах експлуатації, гарантує надійне виробництво електроенергії за змінних погодних умов та зберігає ключові динамічні властивості системи при мінімальних витратах ресурсів.
Отримано 2025-12-07
Доопрацьовано 2026-02-02
Прийнято 2026-02-11
Посилання
1. Kuznetsov, M.P. (2022). Features of combined energy systems with renewable energy sources: monograph. Kyiv: IBE.
2. Vasko, P.F. (2001). Calculation of technical efficiency indicators of wind power plants based on the results of real-time wind speed measurements. Technical Electrodynamics, 6, 45-49.
3. Carta, J. A., Ramırez, P., Bueno, C. (2008). A joint probability density function of wind speed and direction for wind energy analysis. Energy Conversion and Management, 49, 1309–1320.
4. Eisenhut, C., Krug, F. (2007). Wind-turbine model for system simulations near cut-in wind speed. IEEE Trans. on Energy Conversion, 22(2), 414-420.
5. Olsson, M., Perninge, M., Soder, L. (2010). Modeling real-time balancing power demands in wind power systems using stochastic differential equations. Electric Power Systems Research, 80, 966‒974.
6. Kravchyshyn, V.S., Medykovskyi, M.O., Galushchak, M.O. (2016). Modeling the energy potential of a wind power plant. Herald of the National University "Lviv Polytechnic". Information Systems and Networks, 854, 80-87.
7. Alexiadis, M., Dokopoulos, P., Sahsamanoglou. H. (1991). Wind speed and power forecasting based on spatial correlation models. IEEE Trans. Energy Convers., 14(3), 836-842.
8. Spalart, P. R., Allmaras, S. R. (1992). A one-equation turbulence model for aerodynamic flow. AIAA Paper, 12(1), 439-478.
9. Kuznetsov, M. P. (2012). Modeling of power system operation parameters that are of a random nature. Renewable Energy, 3, 5–9.
10. Gary, L. (2006). Wind Energy Systems. Manhatan KS.: Electronic edition.
11 Kozyrskyi, V. V., Tregub, M. I., Petrenko, A. V. (2013). Substantiation of the principles of adaptive load regulation of agricultural autonomous wind power plants. Scientific Herald of the National University of Life Resources and Environmental Management of Ukraine. Technology and Energy of the Agricultural Complex, 166(3), 22-31.
12. Shchur I. Z., Shchur V. I. (2012). Optimal control of wind turbines of different power in turbulent wind conditions. Herald of the National University "Lviv Polytechnic". Electrical power and electromechanical systems, 736, 146-152.
13. Redchyts, D.O., Moiseyenko, S.V., Deshko, G.E. (2024). Mathematical modeling of aerodynamics of rotors of vertical-axis wind power plants based on unsteady Navier-Stokes equations. Applied problems of mathematical modeling, 7(2), 221-231.
14. Rogers, S. E., Kwak, D. (1990) An upwind differencing scheme for the time-accurate incompressible Navier-Stokes equations. AIAA Journal, 28(2), 253-262.
15. Kuzio, I.V. Korendiy, V.M. (2011). Theoretical aspects of modeling wind power plants. Herald of the Ternopil National Technical University, 16(3), 85-94.
16. Pekur, P.P. (2013). Operating restrictions on the parameters of wind power plants under load: study guide. Kyiv: Tekhnichna elektrodinamika.
17. Lukyanchenko, O.O., Vorona, Yu.V., Kostina, O.V., Gerashchenko, O.V. (2016). Analysis of the influence of wind load on the stochastic behavior of a fuel tank. Strength of materials and theory of structures, 97, 152-171.
Завантаження
Опубліковано
Номер
Розділ
Ліцензія
Авторське право (c) 2026 Енергетика і автоматика
Ця робота ліцензується відповідно до ліцензії Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License.
Усі матеріали поширюються на умовах ліцензії Creative Commons Attribution 4.0 International Public License, що дозволяє іншим розповсюджувати рукопис із визнанням авторства роботи та першої публікації в цьому журналі.
