Układy pracy generatorów stosowanych w elektrowniach wiatrowych(1), ELEKTROWNIE WIATROWE

[ Pobierz całość w formacie PDF ]
Prace Naukowe Instytutu Maszyn, Napędów i Pomiarów Elektrycznych
Nr 58
Politechniki Wrocławskiej
Nr 58
Studia i Materiały
Nr 25
2005
elektrownia wiatrowa, konfiguracja,
generator asynchroniczny
modelowanie, symulacja
Piotr URACZ
F
*
F
, Bogusław KAROLEWSKI
*
UKŁADY PRACY GENERATORÓW STOSOWANYCH
W ELEKTROWNIACH WIATROWYCH
Przedstawiono opis konfiguracji generatorów i układów energoelektroniki najczęściej stosowa-
nych w konstrukcjach elektrowni wiatrowych. Opis zawiera cechy charakterystyczne oraz najważ-
niejsze wady i zalety poszczególnych konfiguracji. Ze względu na popularność generatora asynchro-
nicznego w elektrowniach wiatrowych, zwłaszcza o niewielkich mocach, zaprezentowano możliwość
jego modelowania za pomocą modelu matematycznego analogicznego do modelu obwodowego silni-
ka indukcyjnego, opisanego w [6]. Zamieszczono wyniki przykładowej symulacji przejścia od pracy
silnikowej do generatorowej.
1. WPROWADZENIE
Turbiny wiatrowe znane są już od bardzo dawna, ale profesjonalna energetyka wia-
trowa rozwija się dynamicznie od początku lat 80-tych dwudziestego wieku. Na prze-
strzeni 25 lat moc znamionowa instalowanych elektrowni zwiększyła się praktycznie o
trzy rzędy: zaczynając od montowanych w połowie lat 80-tych konstrukcji o mocy
kilku kW, a kończąc na współczesnych rozwiązaniach o mocach sięgających 4,5 MW
(np. Enercon 112 w Magdeburgu). W okresie tym zmieniały się także konfiguracje
turbin i generatorów elektrowni, oraz sposób ich podłączania do sieci. Stosowane
początkowo proste układy wykorzystujące generatory indukcyjne klatkowe zastępo-
wano stopniowo coraz bardziej skomplikowanymi konstrukcjami z innymi typami
generatorów. Dużą rolę w tych przemianach odegrał rozwój energoelektroniki, umoż-
liwiając budowanie bardziej elastycznych, a co za tym idzie, efektywniejszych elek-
trowni wiatrowych. Znaczący wpływ miał także rozwój technologii wytwarzania ma-
gnesów trwałych. Nowe wysokoenergetyczne magnesy umożliwiły budowę
__________
*
Politechnika Wrocławska, Instytut Maszyn, Napędów i Pomiarów Elektrycznych, 50-372 Wrocław,
ul Smoluchowskiego 19, piotr.uracz@pwr.wroc.pl, boguslaw.karolewski@pwr.wroc.pl
generatorów synchronicznych o sprawności i niezawodności na poziomie zbliżonym
do maszyn klatkowych.
Na świecie systematycznie rośnie liczba i moc siłowni wiatrowych podłączanych
do systemu elektroenergetycznego. Prym w tej dziedzinie wiodą państwa Unii Euro-
pejskiej. W samym tylko 2004 roku, moc nowo zainstalowanych urządzeń wyniosła
tutaj ponad 5,7 GW, a tym samym całkowita moc zainstalowana wzrosła o 20% – do
poziomu ponad 34 GW [4]. W Polsce również można spodziewać się wzrostu mocy
zainstalowanej, pomimo że oficjalnie w 2004 roku nie zarejestrowano nowych jedno-
stek. Bodźcem do dalszego rozwoju powinno być Rozporządzenie Ministra Gospo-
darki, Pracy i Polityki Społecznej w sprawie szczegółowego zakresu obowiązku zaku-
pu energii elektrycznej iciepła z odnawialnych źródeł energii oraz energii
elektrycznej wytwarzanej w skojarzeniu z wytwarzaniem ciepła – Dz. U. Nr 104, poz.
971, z dnia 30 maja 2003 r. Oprócz nowych jednostek, w Polsce instaluje się również
elektrownie używane, sprowadzane najczęściej przez prywatnych importerów, nie
ujmowane w oficjalnych sprawozdaniach [2].
Istotnym zagadnieniem jest określenie oddziaływania tego typu jednostek wytwór-
czych na istniejącą sieć. Aby to było możliwe, konieczne jest sformułowanie modelu
matematycznego elektrowni wiatrowej. Model taki składa się z kilku głównych ele-
mentów: układu odwzorowującego prędkość wiatru, modelu części mechanicznych
(turbina, przekładnia, sprzęgło), modelu generatora oraz modelu elementów elektro-
nicznych i energoelektronicznych (regulatorów, układu sterowania, przekształtników).
Do modelowania popularnego w siłowniach wiatrowych generatora indukcyjnego
można wykorzystać odpowiednio przystosowany model obwodowy silnika indukcyj-
nego. W niniejszej publikacji przedstawiono przykładowe wyniki symulacji uzyskane
za pomocą takiego modelu.
2. UKŁADY PRACY ELEKTROWNI WIATROWYCH –
PRZEGLĄD ROZWIĄZAŃ
Na rys. 1 przedstawiono konfiguracje generatora i energoelektroniki najczęściej
stosowane w elektrowniach wiatrowych.
Konfiguracja z rys. 1a stosowana była przez wielu duńskich producentów w latach
80-tych i 90-tych. Turbina jest połączona z generatorem przez przekładnię. W latach
80-tych układ został rozbudowany o baterię kondensatorów do kompensacji mocy
biernej i układ tyrystorowy, tzw. soft-starter, ograniczający prąd rozruchu [5].
W stanie normalnej pracy generator pracuje przy prędkości nadsynchronicznej odda-
jąc moc czynną do sieci, ale równocześnie pobierając moc bierną. Prędkość maszyny
jest utrzymywana przez sieć i zmienia się tylko w zakresie ograniczonym wartością
poślizgu znamionowego. Dużą zaletą tego rozwiązania jest niski koszt układu oraz
tanie i nieskomplikowane sterowanie. Układ taki nie wymaga układów synchronizacji
ani kontroli prędkości. Niewątpliwą wadą tego rozwiązania jest brak możliwości ste-
rowania mocą oraz konieczność kompensacji mocy biernej. Ze względu na zastoso-
wanie kondensatorów do kompensacji mocy, w stanach awaryjnych może dojść do
wzrostu napięcia i w konsekwencji do uszkodzenia generatora lub transformatora.
Kolejną wadą jest też prawie stała prędkość maszyny co nie sprzyja optymalnemu
wykorzystaniu wiatru. W praktyce układ ten jest stosowany dla mocy do 1,5MW [1].
Rys. 1. Standardowe konfiguracje turbiny wiatrowej: a), b), c), d) z generatorem indukcyjnym, e), f), g),
h) z generatorem synchronicznym [5]
Fig. 1 Standard wind turbine configurations: a), b), c), d) with induction generator, e), f), g), h) with
synchronous generator
W kolejnej konfiguracji (rys. 1b) soft-starter i bateria kondensatorów są zastępo-
wane przez pełno-wymiarowy przemiennik częstotliwości (około 120% mocy zna-
mionowej generatora). Eliminuje to wady poprzedniego układu, a ponadto umożliwia
pracę przy zmiennej prędkości obrotowej. Szeroki zakres zmian prędkości turbiny
pozwala efektywniej wykorzystać energię wiatru. W chwilach silniejszych podmu-
chów jest ona gromadzona w postaci energii kinetycznej wirnika i odzyskiwana póź-
niej. Oczywistą wadą jest koszt układu energoelektronicznego. Innym wariantem tej
konfiguracji jest użycie przemiennika częstotliwości o mocy rzędu 20-30% mocy ge-
neratora, włączanego w celu kompensacji mocy biernej tylko wtedy, gdy prędkość
wiatru przekracza wartości projektowane [5].
Konfiguracja 1c wykorzystuje generator pierścieniowy i jest używana m.in. przez
firmę Vestas od połowy lat 90-tych (OptiSlip). Zasadnicza idea tego rozwiązania po-
lega na kontrolowaniu całkowitej rezystancji wirnika przy pomocy zmiennej rezystan-
cji zewnętrznej sterowanej za pomocą przekształtnika energoelektronicznego. W ten
sposób możliwe jest sterowanie poślizgiem w zakresie do 10%. Kontrola poślizgu
pociąga za sobą kontrolę mocy wytwarzanej [5].
Dla potrzeb tej konfiguracji buduje się także generatory pozbawione pierścieni. Po-
lega to na zabudowaniu wewnątrz wirnika układu energoelektronicznego oraz rezysto-
rów. Komunikacja systemu sterowania z układami w wirniku odbywa się poprzez
interfejs z wirującym optycznym sprzęgłem. Zwiększa to niezawodność układu i wy-
dłuża czas między przeglądami technicznymi, co obniża koszy eksploatacyjne.
W konfiguracji przedstawionej na rys. 1d, generator jest skonstruowany jako po-
dwójnie zasilana maszyna asynchroniczna z uzwojonym wirnikiem, połączona
z obwodami zewnętrznymi przy pomocy pierścieni ślizgowych. W obwodzie wirnika
znajduje się przemiennik częstotliwości, który podaje do obwodu wirnika napięcie
o regulowanej częstotliwości, dzięki czemu możliwa jest regulacja prędkości w zakre-
sie około ± 30% synchronicznej prędkości obrotowej. W podsynchronicznym trybie
pracy moc przepływa z sieci przez przemiennik częstotliwości, obwód wirnika i stojan
z powrotem do sieci. Energia mechaniczna turbiny napędzającej wał prądnicy prze-
twarzana jest na elektryczną i dodaje się do energii odprowadzonej do sieci przez sto-
jan, dzięki czemu bilans energii jest dodatni. W trybie nadsynchronicznym do ok. 80%
energii jest dostarczane do sieci przez stojan, a reszta przepływa przez obwód wirnika
i przetwornicę częstotliwości. Dzięki sprzężeniu zwrotnemu pomiędzy przetwornicą
częstotliwości a generatorem, następuje dostrojenie częstotliwości prądnicy do często-
tliwości sieci zarówno w trybie podsynchronicznym jak i nadsynchronicznym [3].
Układ ten stwarza możliwość zastosowania przekształtnika o mocy mniejszej od
mocy generatora (20-30% mocy znamionowej), ponieważ moc przetwarzana jest pro-
porcjonalna do poślizgu. Dużą zaletą tego rozwiązania jest generowanie mocy o sta-
łym poziomie (w zakresie prędkości wiatru pomiędzy wartością znamionową a mak-
symalną). Mimo, że prędkość na wale generatora zmienia się, to dzięki zastosowaniu
przemiennika, moc oddawana do sieci może pozostawać stała. Parametry mocy odda-
wanej do sieci są bardzo dobre, migotanie napięcia jest mniejsze od 1%, nie ma tzw.
zjawiska przesłaniania, a pulsacje mocy oddawanej do sieci są bardzo małe. Zaletą tej
konfiguracji jest również możliwość sterowania mocą bierną. Wadą tego układu jest
wysoki koszt układów energoelektronicznych - chociaż i tak niższy niż w przypadku
konfiguracji 1b, trudny układ sterowania oraz konieczność stosowania przekładni [1].
Układ ten cieszy się obecnie największą popularnością wśród producentów. Elek-
trownie o tej konfiguracji stanowią ponad 90% mocy zainstalowanej obecnie w pol-
skiej energetyce wiatrowej (24 turbiny Vestas V80 2MW: 9 w Cisowie k. Darłowa, 15
w Zagórzu; 6 turbin Vestas V52 850kW - Barzowice). Do końca 2005 udział ten może
się jeszcze zwiększyć w związku z planowaną budową nowego parku wiatrowego o
mocy 50MW (25 kolejnych turbin V80).
Turbiny współpracujące z generatorem o magnesach trwałych (rys. 1e) są typowo
stosowane jako źródła energii na łodziach żaglowych. Dwu- lub trójłopatowe turbiny
wykorzystujące taki generator (zwykle o mocy poniżej 1kW) używane są do ładowa-
nia akumulatorów – w tym przypadku miejsce przemiennika zajmuje prostownik.
Konfiguracja ta jest stosowana także w systemach przydomowych (1-20kW), często w
układzie hybrydowym z generatorem spalinowym lub baterią słoneczną [5].
Główną zaletą tej konfiguracji jest samowzbudzenie generatora. Stąd wynikają też
kolejne zalety: praca przy wysokim współczynniku mocy i wysoka sprawność. Wirnik
tego typu generatora ma także dużą odporność na działanie zabrudzeń, dlatego kon-
serwacja generatora ogranicza się praktycznie do smarowania łożysk.
Kolejna konfiguracja (rys. 1f) nie jest szeroko używana w turbinach wiatrowych.
Maszyna jest wzbudzana zewnętrznie z użyciem prostownika. Mniejsza atrakcyjność
w porównaniu z poprzednią konfiguracją wynika z trzech powodów: występowania
strat w obwodzie wzbudzenia, potrzeby stosowania pierścieni ślizgowych i bardziej
złożonej strategii zabezpieczania turbiny [5].
Konfiguracja z rys. 1g również nie jest szeroko stosowana. W odróżnieniu od po-
przedniej, konfiguracja ta pozwala na pracę ze zmienną prędkością obrotową, pod
warunkiem, że prądnica jest połączona z siecią za pomocą cztero-kwadrantowego
przemiennika częstotliwości [5].
Ostatnia prezentowana konfiguracja turbiny (rys. 1h) wykorzystuje wielobieguno-
wy generator synchroniczny. W zasadzie nie różni się od poprzedniej konfiguracji, ale
dzięki wykorzystaniu wolnoobrotowego generatora, nie ma potrzeby stosowania prze-
kładni. Jej zaletą jest też praca ze zmienną prędkością obrotową. Podstawową wadą
jest wysoki koszt układu przekształtnikowego. Konfiguracja ta jest dość szeroko sto-
sowana. W swoich konstrukcjach wykorzystują ją firmy Lagerway i Enercon, m.in. w
największej obecnie turbinie E112.
[ Pobierz całość w formacie PDF ]

  • zanotowane.pl
  • doc.pisz.pl
  • pdf.pisz.pl
  • emaginacja.xlx.pl

    •