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
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.