Обзор основных типов промышленных ветроэлектрических установок

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

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. Прежде всего, это:

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

• поддержание баланса мощности в энергосистеме;

•  участие во вторичном регулировании.

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

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

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

Все существующие ВЕУ 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, непосредственно соединен с электрической сетью (рис. 2).

Это одно из самых первых и простых решений, реализовано впервые в Дании еще в 50-х годах прошлого века, и испытано на ВЭУ Гедсер в 1957 - 1967 годах, поэтому известно в мире как «Датское решения».

Первые ВЭУ этого типа имели незначительную мощность (от 30 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 (s = 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 осуществлять 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).

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

Рис. 2. Схема ВЭУ с постоянной скоростью

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 тип вместо АГ с короткозамкнутым ротором применяют АГ с фазным ротором, в цепь ротора которого через контактные кольца введены дополнительные резисторы (рис. 3). Управление скольжением осуществляется за счет изменения сопротивления цепи ротора.

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

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.

При превышении номинальной скорости ветра шунт отсоединяется и в цепь ротора вводится дополнительное сопротивление. Управление величиной введенного дополнительного сопротивления осуществляется контролером 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 контролера 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 ответ 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.

Рис. 3. Схема ВЭУ с динамическим контролем скольжения

Рис. 4. Схема работы ВЭУ с динамическим контролем скольжения

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 ВЕС в энергосистеме. В первую очередь это касается поведения ВЕС в аварийных ситуациях и возможности ВЭУ генерировать реактивную мощность.

АГ непосредственно соединенный с электрической сетью не может соответствовать этим требования. Кроме того, ВЭУ с постоянной скоростью имеют весьма ограниченный рабочий диапазон, что негативно отразилось на их эффективности работы.

Справиться с поставленими, задачами могут ВЭУ с переменой скоростью.

Как правила, 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:

•                      диодный мост — инвертор;

•                      инвертор — инвертор.

Силовой преобразователь диодный МОСТ — инвертор (рис. 5а) позволяет передавать мощность только в одном направлении - от генератора к сети. Преобразователь инвертор - инвертор (рис. 5Ь) 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;

•                      ВЭУ с полным инвертором.

Оба типа ВЭУ рассмотрены ниже.

Рис 5 Типы силовых преобразователей применяемых на ВЭУ

Таблица 1

Возможные варианты сочетания генераторов и силовых преобразователей

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 — 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.

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.

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 более экономически 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 токосьемными 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.

Такая схема позволяет использовать как СГ так и АГ. 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.

Рис 6 Схема ВЭУ с генератором двойного питания

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 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 использованы 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, механические потери энергии в узлах трансмиссии. Основной недостаток тихоходным генераторов значительные габариты и масса.

Принцип работы

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

Рис. 7. Схема ВЭУ с полным преобразователем с синхронным генератором

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 DC1 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 DC1 и DC2). 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 на ВЭУ АГ 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 обмотки, 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 за счет отказа от коробки передач повысить надежность ВЭУ, а также снизать шум от элементов трансмиссии ВЭУ, что очень существенно при возрастающих требования к ВЭС со стороны экологов.

Литература

•                      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.

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

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

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

2004.

•                      Analysis of requirements in selected Grid Codes.

OVERVIEW OF THE MAIN TYPES OF INDUSTRIAL WIND POWER TURBINES

Кармазин А. А., обособленное подразделение «Научно-технический центр электроэнергетики», Государственное предприятие «Национальная энергетическая компания «Укрэнерго»

Karmazin A. A., Separated Subdivision «Scientific-Technical Electricity Center»,

State Enterprise «National Energy Company « Ukrenergo»