Силовое звено

Преобразователи мощности для ветроэнергетических установок

В ветровых турбинах между генератором и электрической сетью включается система преобразования мощности, к которой предъявляются весьма серьёзные требования. В частности, она должна сочетаться с механизмом автоматической регулировки поворота лопастей ротора для подстройки под скорость ветра. Это значит, что напряжение и частота на входе системы всё время меняются, но на выходе они должны быть постоянными. Среди прочих требований к системе - компактность, надёжность, устойчивость к перепадам температур и сбоям в электросети и, в идеале, способность накапливать энергию, регулировать частоту и реактивную мощность.

В ветроустановках мегаваттного класса используются преимущественно два вида генераторов: асинхронизированные, известные за рубежом как индукционные генераторы двойного питания (Doubly-Fed Induction Generators - DFIG), и синхронные генераторы с постоянными магнитами.

БЕРЕГИТЕ ИНВЕРТОР!

Асинхронизированные генераторы (о них «Энерговектор» уже рассказывал, см. здесь) хороши тем, что позволяют регулировать не только активную, но и реактивную мощность в энергосети, опровергая бытующее утверждение, будто бы возобновляемые источники энергии не способны стабилизировать энергосистему. Напомним читателям, что такие генераторы в отличие от синхронных содержат в неявнополюсном роторе не одну, а две или три обмотки возбуждения, расположенные под определённым углом друг к другу. Обмотки возбуждения питаются от электронных преобразователей частоты, которые создают в роторе вращающееся магнитное поле, поэтому между частотой сети и скоростью вращения ротора нет жёсткой взаимозависимости. Обороты ротора обычно могут меняться в диапазоне ±30% относительно значения, соответствующего синхронной скорости. Почему всего тридцать процентов? За пределами такого отклонения напряжение возбуждения становится слишком высоким.

Благодаря применению DFIG автоматика ветрогенератора может подстраивать скорость вращения лопастей под переменную силу ветра с целью максимально увеличить выработку. Для этого подстраивается угол поворота лопастей. Генератор, как мы уже отметили, можно задействовать также для регулирования реактивной мощности. Кроме того, мощность электронного преобразователя частоты не превышает трети мощности ветроустановки (отсюда название «схема с частичным преобразованием мощности»), поскольку преобразователь питает обмотки возбуждения генератора, а не нагрузку (см. рис. 1). Это значит, что производитель ветроустановки может сэкономить на силовой электронике.

Помимо замечательных достоинств схема с частичным преобразованием мощности имеет ряд серьёзных недостатков. Во-первых, обязателен механический мультипликатор оборотов, иногда называемый «редуктором наоборот». Во-вторых, контактные кольца и щётки, через которые напряжение с инвертора подаётся на обмотки возбуждения генератора, изнашиваются и периодически требуют замены. В-третьих, колебания напряжения в сети создают на обмотках возбуждения в разы большие наводки, которые могут сжечь выходные каскады инвертора, так что здесь необходимы специальные тиристорные схемы защиты.

НА ПОЛНУЮ КАТУШКУ

Всё большую популярность у производителей ветрогенераторов набирает схема с полным преобразованием мощности (см. рис. 2). В ней используются синхронные генераторы или генераторы с постоянными магнитами либо с короткозамкнутыми обмотками в роторе. В такой системе частота вращения ротора полностью отвязана от частоты сетевого напряжения, что позволяет эффективно эксплуатировать ветроустановку в широком диапазоне скоростей ветра. Благодаря развязке по постоянному току проблемы с напряжением в электрической сети не влияют на генератор и наоборот. Более того, можно обойтись без мультипликатора оборотов, применив в генераторе многополюсный ротор. В такой схеме, кстати, допускается использовать матричные преобразователи частоты, также известные как циклоконверторы.

Недостатки схемы очевидны. Нужны выпрямитель и инвертор, рассчитанные на полную мощность ветроустановки, которые могут быть весьма дорогими и требовать усиленного охлаждения. А для того, чтобы ветрогенератор мог участвовать в регулировании реактивной мощности, его следует снабдить аккумуляторной батареей и специальными управляющими программами.

КИРПИЧИКИ МОЩНОСТИ

При объединении ветроустановок в ветропарк можно сэкономить на трансформаторах, располагаемых в гондолах. Вместо них применяют один общий трансформатор на подстанции, через которую ветропарк выдаёт энергию в общую сеть.

Помимо этого экономически эффективно применение промышленных однофазных инверторов небольшой мощности - они выпускаются большими тиражами, недороги, эффективны, надёжны и легко заменяемы в случае выхода из строя. На рис. 3 показана схема каскадного включения таких инверторных блоков в ветроустановке с непосредственным приводом (без мультипликатора оборотов).

В данном случае низкооборотный генератор с постоянными магнитами в многополюсном роторе имеет множество статорных обмоток. Каждая из них подключена к своему однофазному инвертору. Инверторы синхронизированы между собой так, чтобы получились три фазы, и включены последовательно для повышения напряжения.

Аналогичную схему можно использовать для многоуровневой аппроксимации синусоиды с тем, чтобы повысить качество выходного напряжения (читай: уменьшить величину гармоник) без применения массивных и громоздких низкочастотных фильтров.

ВОЗМОЖНЫ ВАРИАНТЫ

Немало резервов таится в схемах соединения ветроустановок между собой и с внешней сетью. Например, от морского ветропарка, установленного на расстоянии свыше тридцати километров от берега, имеет смысл передавать мощность по высоковольтной линии постоянного тока (HVDC). При этом между ветроустановками можно организовать соединение тоже по линии постоянного тока, но на среднем напряжении (MVDC), см. рис. 4.

В таком случае инверторы и трансформаторы в каждой гондоле исключаются, а на отдельной платформе нужно будет установить трансформатор постоянного тока.

__________________________________

Спасибо за ваши комментарии и лайки. Нам важно, что вы нас читаете.