Układy pracy generatorów stosowanych w elektrowniach wiatrowych.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.

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: