ОБЗОР ОСНОВНЫХ ТИПОВ ПРОМЫШЛЕННЫХ ВЕТРОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ УСТАНОВОК Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

ВЕТРОЭНЕРГЕТИКА

WIND ENERGY

Статья поступила в редакцию 07.03.13. Ред. рег. № 1574 The article has entered in publishing office 07.03.13. Ed. reg. No. 1574

УДК 621.311.24

ОБЗОР ОСНОВНЫХ ТИПОВ ПРОМЫШЛЕННЫХ ВЕТРОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ УСТАНОВОК

А.А. Кармазин

Институт возобновляемой энергетики НАНУ 02094 Украина, Киев, ул. Красногвардейская, д. 20А Тел./факс: +38044 206-28-09, renewable@ukr.net, alexey.karmazin@gmail.com

Заключение совета рецензентов 14.03.13 Заключение совета экспертов 21.03.13 Принято к публикации 28.03.13

В статье выполнен обзор основных схем преобразования энергии ветра в электрическую энергию, применяемых на промышленных ветроэлектрических установках (ВЭУ). Рассмотрен принцип работы ветроэлектрических установок, построенных по этим схемам. Отмечены их преимущества и недостатки.

Ключевые слова: асинхронный генератор, синхронный генератор, ветроэлектрическая установка, силовой преобразователь, активная мощность, реактивная мощность.

OVERVIEW OF MAIN TYPES OF INDUSTRIAL WIND POWER TURBINES

A.A. Karmazin

Institute of Renewable Energy of NASU, 20A Krasnogvardeyskaya St., Kiev, 20294, Ukraine Tel/fax +38044 206-28-09, renewable@ukr.net, alexey.karmazin@gmail.com

Referred 14.03.13 Expertise 21.03.13 Accepted 28.03.13

This article gives an overview of basic circuits of wind energy conversion into electric energy using industrial wind power plants. Operating principle of wind power systems constructed according to these schemes is presented. Their advantages and disadvantages are noted.

Keywords: asynchronous generator, synchronous generator, wind power turbine, power converter, active power, reactive power.

Сведения об авторе: Научный сотрудник института возобновляемой энергетики Национальной академии наук Украины.

Образование: Национальный технический университет «Харьковский политехнический институт», инженер энергетик.

Область научных интересов: Присоединение ветроэлектростанций к электрическим сетям. Работа ветроэлектростаций в объединенной энергосистеме.

Публикации: 7 публикаций в специализированных журналах.

Алексей Александрович Кармазин

Введение

За последние 30 лет ветроэнергетика прошла путь от экспериментальной науки до мощной отрасли электроэнергетики. За это время было создано множество различных схем преобразования энергии ветра в электрическую энергию. Каждая из них имеет свои преимущества и недостатки. Мощность современных ВЭУ выросла от нескольких десятков киловатт до мегаватт (рис. 1).

Ветроэлектрические станции (ВЭС), построенные на базе современных ВЭУ, в отличие от своих предшественников, с успехом могут выполнять ряд системных функций, с которыми ранее могли справиться только традиционные электростанции [1]. Прежде всего, это:

- контроль частоты, напряжения и реактивной мощности в точке присоединения;

- поддержание баланса мощности в энергосистеме;

- участие во вторичном регулировании.

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 03 (121) 2013 © Scientific Technical Centre «TATA», 2013

Это стало возможно благодаря созданию новых схем ВЭУ с применением преобразовательной силовой электроники.

100 кВт 0 40 м 50 кВт ^20111

2000 кВт а80м , *— 600 кВт / 500 кВт » 50 м L

1980 1985 1990 1995 2000 2005

2010

Рис. 1. Динамика изменения мощности и диаметра ротора ВЭУ по годам

Fig. 1. Dynamics of wind turbines rotor power and diameter change in years

В данной статье выполнен обзор основных схем преобразования энергии ветра в электрическую энергию на применяемых промышленных ВЭУ, а также рассмотрен принцип, их работы, отмечены конструктивные особенности, преимущества и недостатки по сравнению с ВЭУ других типов.

Все существующие ВЭУ делят по скорости вращения генератора на две группы - с постоянной и переменной скоростью вращения.

ВЭУ с постоянной скоростью вращения

На ВЭУ с постоянной скоростью используют асинхронный генератор (АГ) с короткозамкнутым ротором, который непосредственно соединен с электрической сетью (рис. 2) [2, 3].

Рис. 2. Схема ВЭУ с постоянной скоростью Fig. 2. Chart of wind turbines with fixed speed

Это одно из самых первых и простых решений впервые было реализовано в Дании еще в 50-х годах прошлого века и испытано на ВЭУ Гедсер в 19571967 годах, и известно в мире как «Датское решение».

Первые ВЭУ этого типа имели незначительную мощность (от 30 кВт до 450 кВт) и, как правило, были оборудованы двумя генераторами. Каждый из генераторов рассчитан на свою частоту вращения.

Такое решение позволяло более эффективно использовать энергию ветра.

Впоследствии от двух генераторов отказались в пользу одного с возможностью изменять количество пар полюсов. Это позволило генератору ВЭУ работать с двумя различными номинальными скоростями вращения в зависимости от фактической скорости ветра.

АГ нашли широкое применение на ВЭУ, прежде всего, из-за высокой надежности, низкой стоимости и простоты подключения к электрической сети.

Принцип работы

Для АГ допустима работа с переменным скольжением (8=0-0,08). Благодаря этому частота вращения генератора ВЭУ может изменяться в диапазоне до одного процента. Эта особенность позволяет подключать АГ к электрической сети без вспомогательного оборудования.

Пуск ВЭУ с постоянной скоростью может осуществляться двумя способами. В первом случае АГ с помощью ветра разгоняется до синхронной скорости и затем подключается к сети. Во втором -АГ разгоняется в двигательном режиме за счет электрической сети.

Первый способ применяется для ВЭУ, оборудованных питч-контролем, второй - для ВЭУ с пассивным срывом ветрового потока.

Пуск АГ сопровождается значительными переходными токами. Для уменьшения этих токов на ВЭУ предусмотрено устройство плавного пуска (рис. 2) [2].

Для создания магнитного поля АГ потребляет реактивную мощность. Как правило, штатных конденсаторных батарей, которые устанавливаются на ВЭУ, недостаточно для полной компенсации потребления. Поэтому оставшаяся часть потребляется из сети, либо компенсируется с помощью дополнительных компенсирующих устройств, устанавливаемых во внутренней сети ВЭС.

Преимущества:

- простота конструкции;

- низкая стоимость.

Недостатки:

- потребление реактивной мощности;

- значительные динамические нагрузки на элементы ВЭУ при порывах ветра.

Несмотря на указанные недостатки, на базе ВЭУ этого типа построено значительное количество ВЭС во всем мире, которые продолжают еще работать.

Снизить нагрузки на элементы ВЭУ можно за счет применения динамического контроля скольжения АГ.

На ВЭУ этого типа вместо АГ с короткозамкнутым ротором применяют АГ с фазным

Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 03 (121) 2013 © Научно-технический центр «TATA», 2013

ротором, в цепь ротора которого через контактные кольца введены дополнительные резисторы (рис. 3). Управление скольжением осуществляется за счет изменения сопротивления цепи ротора.

Рис. 3. Схема ВЭУ с динамическим контролем скольжения Fig. 3. Chart of wind turbines with dynamic slip control

Благодаря динамическому контролю скольжения частота вращения АГ может изменяться в более широком диапазоне (s=0,02-0,2) [2, 4].

Такая схема позволяет при высоких скоростях ветра увеличивать сопротивление цепи ротора для поддержания тока ротора и, соответственно, мощности, генерируемой в сеть, близкими к их номинальным значениям.

Принцип работы

Работа этого типа ВЭУ происходит следующим образом. В диапазоне скоростей ветра ниже номинальной скорости обмотка ротора закорочена на шунт (рис. 4) и генератор работает как АГ с короткозамкнутым ротором [3].

Рис. 4. Схема работы ВЭУ с динамическим контролем скольжения Fig. 4. Chart of work of wind turbine with dynamic slip control

При превышении номинальной скорости ветра шунт отсоединяется, и в цепь ротора вводится дополнительное сопротивление. Управление величиной введенного дополнительного

сопротивления осуществляется контроллером с помощью переключателя. Если переключатель

открыт, то к внутреннему сопротивлению обмотки ротора АГ добавляется сопротивление дополнительных резисторов, в результате скольжение увеличивается. При этом часть электрической мощности выделяется в виде тепла на дополнительных резисторах. Поэтому резисторы нуждаются в охлаждении. На вход контроллера подаются сигналы о частоте вращения генератора и его выходных параметрах.

Увеличение скольжения на один процента увеличивает на один процент потери электрической мощности в роторе. Это вполне допустимо, так как такие режимы работы генератора

непродолжительны.

На ВЭУ, оборудованных питч-контролем, система динамического контроля используется как кратковременный отклик на быстрое изменение скорости ветра. При резких изменениях скорости ветра система управления ВЭУ увеличивает скольжение генератора на время, требуемое для разворота лопастей ВЭУ, после этого обмотка ротора снова шунтируется.

Такое решение позволяет расширить рабочей диапазон и снизить динамические нагрузки на элементы ВЭУ.

Преимущества:

- более низкие нагрузки на элементы ВЭУ;

- более широкий рабочий диапазон.

Недостатки:

- наличие сложного фазного ротора с токосъемными кольцами;

- потребность в охлаждении дополнительных резисторов.

- потребление реактивной мощности;

Также для ВЭУ с постоянной скоростью характерна следующая проблема. При присоединении ВЭУ с постоянной скоростью к слабой распределительной сети, под воздействием колебаний ветра в сети возникают колебания напряжения, именуемые «фликером». Это явление возникает из-за отсутствия буфера, способного скомпенсировать колебания ветрового потока. Данной проблемы практически лишены ВЭУ с переменной скоростью. В ВЭУ этого типа в качестве буфера выступает массивный ротор ветротурбины.

ВЭУ с переменной скоростью вращения

Увеличение установленной мощности ВЭС в балансе энергосистем привело к усилению влияния ВЕС работу этих энергосистем. В связи с этим системные операторы выдвинули более жесткие требования к работе ВЭС в энергосистеме [1, 5]. В первую очередь это касается поведения ВЭС в аварийных ситуациях и возможности ВЭУ генерировать реактивную мощность.

АГ, непосредственно соединенный с электрической сетью, не может соответствовать этим

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 03 (121) 2013

© Scientific Technical Centre «TATA», 2013

требования. Кроме того, ВЭУ с постоянной скоростью вращения имеют весьма ограниченный рабочий диапазон, что негативно отражается на эффективности их работы.

Справиться с поставленными задачами могут ВЭУ с переменной скоростью вращения. Как правило, этот тип ВЭУ оснащается питч-контролем, их лопасти могут быть развернуты для увеличения или уменьшения подъемной силы на профиле лопасти. В результате этого, на валу ротора получается переменный диапазон частот вращения, в то время как частота электрической энергии, произведенной ВЭУ, должна быть постоянной и соответствовать частоте электрической сети. Применение синхронного генератора (СГ) в этом случае невозможно, так как для его работы требуется постоянная частота вращения, а у АГ допустимый диапазон изменения частоты вращения ротора слишком мал. Поэтому необходимо отделить частоту вращения ротора генератора от частоты электрической сети.

Сделать это возможно с помощью частотно-регулируемого силового преобразователя. Долгое время реализовать такое решение было невозможно из-за уровня развития силовой электроники.

Силовой преобразователь, применяемый на ВЭУ с переменной скоростью, состоит из двух частей, соединенных между собой через шину постоянного тока и конденсатор.

На ВЭУ применяют, как правило, два типа

преобразователей: инвертор-инвертор.

диодный мост-инвертор и

Он

о

Й Он

<и X <и

a) диодный мост-инвертор

Он

о

Й-Q.

<U

X -

<и

1-4

2 &

о <и

F л s н

О- <D

H °

<и ч

m PQ

2 &

о <и

■ F Н5

s н

О- 3J

H-0

<и Ч

m

PQ

b) инвертор-инвертор;

Рис. 5. Типы силовых преобразователей, применяемых на ВЭУ Fig. 5. Types of power converters used at wind turbines

Силовой преобразователь диодный мост-инвертор (рис. 5а) позволяет передавать мощность только в одном направлении - от генератора к сети. Преобразователь инвертор-инвертор (рис. 5 b) может передавать мощность в обоих направлениях.

Применение силовых преобразователей на ВЭУ позволяет получить стабильные напряжение и частоту на выходе генератора в широком диапазоне изменения частоты вращения ротора, а также управлять потоками мощности.

Недостатком силовых преобразователей является генерация высокочастотных гармоник. Поэтому на ВЭУ с силовыми преобразователями устанавливают специальные фильтры.

Возможные варианты сочетания рассмотренных силовых преобразователей и различных типов генераторов приведены в табл. 1.

Наибольшее распространение получили следующие ВЭУ с переменной скоростью вращения: ВЭУ с генератором двойного питания и ВЭУ с полным инвертором.

Оба типа ВЭУ рассмотрены ниже.

Таблица 1

Возможные варианты сочетания генераторов и силовых преобразователей

Table 1

Possible variants of generators and power converters combination

Тип генератора Силовой преобразователь

Асинхронный генератор с короткозамкнутым ротором Инвертор-инвертор

Асинхронный генератор с фазным ротором Инвертор-инвертор

Синхронный генератор Диодный мост-инвертор или инвертор-инвертор

Синхронный генератор на постоянных магнитах Диодный мост-инвертор или инвертор-инвертор

ВЭУ с генератором двойного питания

На ВЭУ с генератором двойного питания используют АГ с фазным ротором. Статор генератора ВЭУ непосредственно подключается к электрической сети, ротор подключается через силовой преобразователь (рис. 6).

Силовой преобразователь в цепи ротора позволяет управлять питанием генератора и получать мощность в цепи ротора.

Мощность силового преобразователя, как правило, покрывает лишь до 40% от номинальной мощности генератора. Такая мощность является оптимальной как с точки зрения стоимости силового преобразователя, так и по потерям мощности. Это позволяет получить диапазон изменения частоты вращения генератора от -40% до +30% синхронной скорости.

Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 03 (121) 2013 © Научно-технический центр «TATA», 2013

за

В отличие от ВЭУ с динамическим контролем скольжения, в ВЭУ этого типа электрическая мощность, генерируемая в роторе, не преобразуется в тепловую, а выдается через силовой преобразователь в электрическую сеть. Такое решение позволяет значительно повысить эффективность работы ВЭУ.

Рис. 6. Схема ВЭУ с генератором двойного питания Fig. 6. Chart of wind turbine with doubty fed generator

Синхронная скорость вращения генератора составляет около 2000 об/мин. На ВЭУ устанавливают трехступенчатую коробку передач.

Принцип работы

Для данного типа ВЭУ возможны четыре режима работы: генераторный или двигательный со скоростью выше или ниже синхронной в каждом из них.

В двигательном режиме при скорости ниже синхронной и генераторном при скорости выше синхронной инвертор со стороны ротора работает как обычный выпрямитель, а со стороны сети - как инвертор. В результате электрическая мощность из ротора выдается в сеть.

В генераторном режиме при скорости ниже синхронной и двигательном при скорости выше синхронной инвертор со стороны сети работает как выпрямитель, а со стороны ротора как - как инвертор. В этом случае электрическая мощность подается из сети в ротор.

При синхронной скорости генератор работает как СГ, и электрическая мощность для создания магнитного поля потребляется из сети.

Эффективное производство электроэнергии и более низкие механические нагрузки делают эти решения экономически более выгодными. К тому же этот тип ВЭУ более совместим с электрической сетью.

Преимущества:

- возможность управлять потоками реактивной мощности;

- широкий рабочий диапазон.

Недостатки:

- сложный фазный ротор с токосъемными кольцами;

- наличие высокочастотных гармоник.

ВЭУ с полным преобразователем мощности

Другой способ отделения частоты вращения генератора от частоты электрической сети заключается в использовании силового преобразователя в цепи статора генератора (рис. 7). При этом мощность преобразователя должна быть равна установленной мощности генератора.

Рис. 7. Схема ВЭУ с полным преобразователем с

синхронным генератором Fig. 7. Chart of wind turbines with full converter and synchronous generator

Такая схема позволяет использовать как СГ, так и АС. При этом диапазон изменения скорости вращения ротора составляет до 120% для любого из генераторов.

В последнее время широкое распространение получили генераторы на постоянных магнитах. Это позволило значительно упростить конструкцию как генератора, так и системы управления - отсутствие обмотки возбуждения позволило отказаться от контактных колец и системы возбуждения. Это повысило надежность работы ВЭУ. Однако магниты, используемые вместо обмотки возбуждения, требуют охлаждения.

На ВЭУ с полным преобразователем применяют следующие генераторы:

- быстроходные генераторы (турбогенераторы, до 2000 об/мин);

- генераторы со средней скоростью вращения (до 500 об/мин);

- тихоходные генераторы (до 30 об/мин).

Быстроходные генераторы (синхронные на

постоянных магнитах или асинхронные) используются в сочетании с трехступенчатой коробкой передач. Такая конфигурация позволяет

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 03 (121) 2013

© Scientific Technical Centre «TATA», 2013

использовать генератор относительно небольшого размера и, соответственно, небольшой массы по сравнению с другими схемами. ВЭУ с быстроходным генератором конструктивно похожа на ВЭУ с генератором двойного питания. Поэтому эта схема может быть использована для модернизации существующих ВЭУ с генераторами двойного питания.

Генераторы со средней скоростью вращения (как правило, на постоянных магнитах) используются в сочетании с одно- или двухступенчатой коробкой передач. Это решение позволяет снизить скорость вращения по сравнению с быстроходным генератором, уменьшить механические нагрузки и повысить надежность ВЭУ в целом.

Тихоходные генераторы (на постоянных магнитах или генераторы с независимым возбуждением) применяются без коробки передач. Это позволяет снизить шум и механические потери энергии в узлах трансмиссии. Основной недостаток тихоходных генераторов - это значительные габариты и масса.

Принцип работы

Принцип работы ВЭУ с полным преобразователем рассмотрен на примере СГ (рис. 7).

Под воздействием изменяющегося ветрового потока генератор генерирует переменный электрический ток с частотой, отличной от частоты сети (рис. 7). Затем этот ток с помощью первого звена преобразователя (инвертора со стороны генератора) преобразуется в постоянный (точка БС1 на рис. 7). Если скорость ветра ниже номинальной, то значение напряжения на выходе первого звена преобразователя не достигает требуемой величины (как правило, 400 В) даже при полном возбуждении. В этом случае напряжение повышается преобразователем до нужного уровня (рис. 7 точки БС1 и БС2). После этого постоянный ток с помощью инвертора со стороны электрической сети преобразуется в переменный трехфазный ток с постоянной частотой 50 Гц, и через трансформатор подается в сеть.

Система управления углом установки лопастей остается неактивной до превышения номинального значения скорости ветра.

В случае применения АГ на ВЭУ реактивная мощность, требуемая для создания магнитного поля, может быть получена в инверторе со стороны генератора.

Принцип работы генератора на постоянных магнитах аналогичен генератору с индукционной обмоткой, но в этом случае напряжение на клеммах генератора зависит только от скорости вращения

ротора и не может быть изменено с помощью тока возбуждения. Величина напряжения ВЭС с генератором на постоянных магнитах может быть скорректирована только с помощью силового преобразователя.

Преимущества:

- возможность управления реактивной мощностью;

- рабочий диапазон шире, чем у ВЭУ с генератором двойного питания.

Недостатки:

- мощность инвертора равна установленной мощности генератора;

- наличие высокочастотных гармоник;

- высокая стоимость.

Выводы

Современный уровень развития ВЭУ позволил значительно повысить эффективность работы ВЭС, а также решить одну из основных проблем ВЭУ -потребление реактивной мощности.

Использование силовых преобразователей значительно расширило рабочий диапазон ВЭУ и позволило применять различные типы генераторов.

Применение тихоходных генераторов позволило повысить надежность ВЭУ за счет отказа от коробки передач, а также снизать шум от элементов трансмиссии ВЭУ, что очень существенно при возрастающих требованиях к ВЭС со стороны экологов.

Список литературы

1. Кармазин А. А., Кудря С. А. Анализ мирового опыта работы ветроэлектрических станций в едином режиме с энергосистемой // Альтернативная энергетики и экология. 2012. № 7. С. 41-47

2. Olimpo Anaya-Lara. Nick Jenkins. Wind energy generation: modeling and control. United Kingdom, 2009.

3. Robert Gasch. Jochen Twele. Wind Power Plants. Fundamentals, Design, Construction and Operation. Second Edition. Berlin. 2011.

4. Modeling and analysis of variable speed wind turbines with induction generator during grid fault. Institute of Energy Technology, Aalborg University, Denmark. 2004.

5. Analysis of requirements in selected Grid Codes http://frontwind.com/Analysis%20of%20the%20require ments%20in%20selected%20Grid%20Codes.pdf.

6. Technical Application Papers. Wind power plants. http://www05.abb.com/global/scot/scot209.nsf/veritydis play/92faf0c1913f5651c1257937002f88e8/$file/1sdc007 112g0201.pdf

Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 03 (121) 2013 © Научно-технический центр «TATA», 2013