ГЕНЕРАТОРЫ ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК

Генераторы ветроэнергетических установок работают в тяжёлых климатических и технических условиях: на открытом воздухе, при значительных колебаниях температуры, влажности, действии дождя. Конструктивное размещение и условия эксплуатации делают их недоступными для регулярного технического обслуживания и ремонта. Они работают в условиях повышенных вибраций, нестабильной скорости и силы ветра. Срок службы генераторов в этих условиях должен быть не менее 20-25 лет.

В качестве генераторов ветроэнергетических установок оказывается нецелесообразным применение коллекторных генераторов постоянного тока из–за низкой надёжности щеточно-коллекторного узла в описанных условиях.

Наиболее широкое применение имеют синхронные и асинхронные генераторы.

Реже применяются асинхронизированные генераторы. Обсуждаются проблемы применения безредукторных низкоскоростных генераторов, например, индукторных.

Синхронные генераторы наиболее широко применяются на электрических станциях, в том числе и ветроэнергетических, благодаря способности генерировать активную и реактивную мощность, высокому КПД и высокой надёжности.

Нецелесообразно применение синхронных генераторов с возбудителями постоянного тока из-за низкой надежности коллекторной машины постоянного тока. Перспективны схемы с бесконтактным электромагнитным возбуждением и с магнитоэлектрическим возбуждением с использованием современных высококоэрцитивных постоянных магнитов из редкоземельных элементов.

Схема бесконтактного возбуждения синхронного генератора от синхронного возбудителя с вращающимся выпрямителем представлена на рис.1.3.1. Генератор приводится во вращение ветродвигателем ВД через редуктор Р. Генератор и возбудитель выполнены в одном корпусе. На роторе находится обмотка возбуждения генератора ОВСГ, трёхфазная обмотка якоря возбудителя ОЯСВ и вращающийся выпрямитель ВВ. На статоре располагается трёхфазная обмотка якоря генератора ОЯСГ и обмотка возбуждения возбудителя ОВСВ. ОВСВ питается от выпрямителя В через трансформатор Т, подключённый к якорю генератора. Управление выпрямителем осуществляется регулятором возбуждения РВ с обратными связями по току (ТТ) и по напряжению (ТН).

Схема обеспечивает бесконтактное возбуждение (самовозбуждение) генератора и стабилизацию выходного напряжения при переменной частоте вращения и нагрузке. Схема управления и защиты должна обеспечить управление режимами работы генератора при автономной и параллельной работе, защиту генератора и ветроустановки в целом, измерения и сигнализацию.

Рис. 1.3.1.Схема бесконтактного возбуждения синхронного генератора от синхронного возбудителя с вращающимся выпрямителем

Синхронные генераторы с магнитоэлектрическим возбуждением с применением современных высокостабильных высококоэрцитивных магнитов из редкоземельных сплавов обладают высокой надёжностью и компактностью. Они могут быть изготовлены на значительные мощности. Они достаточно просты по конструкции. Недостатки– отсутствие регулирования напряжения и большой тормозной момент при пуске ветродвигателя. Существенные сложности при разработке ветроэлектрических агрегатов возникают из-за несоответствия номинальных скоростей вращения ветродвигателя и электрического генератора, в том числе синхронного. Ветродвигатель является низкоскоростной машиной с частотами вращения 20-200 об/мин., электрический генератор- высокоскоростной с частотами 1000-1500 об/мин., при которых его размеры и энергетические характеристики оптимальны. Кроме того, ветродвигатель наиболее эффективен при регулировании его частоты вращения в широком диапазоне, при котором обеспечивается постоянная быстроходность, генератор наиболее эффективен при постоянстве частоты вращения. Для устранения этих противоречий применяют различные схемы: механическое соединение вала генератора с ветродвигателем непосредственно или через редуктор (мультипликатор), соединение генератора с энергосистемой (при параллельной работе) непосредственно или через преобразователь частоты.

Безредукторный прямоприводной синхронный или асинхронный генератор с номинальной частотой вращения 20-200 об/мин. отличается большими габаритными размерами и массой. При редукторном приводе генератора его размеры значительно снижаются, но при этом появляется слабое дополнительное звено- редуктор, который требует постоянного технического обслуживания, сезонной смены смазки, часто выходит из строя из-за механических поломок. При передаче больших вращающих моментов и мощностей (установки мегаваттного класса) размеры редуктора непропорционально возрастают.

При решении вопроса о применении редукторного или безредукторного привода генератора ветроэнергоустановки необходимо учитывать зависимость массы электрической машины от вращающего момента, зависимость массы редуктора от момента и передаточного отношения, а также соотношения массы и стоимости генератора и редуктора

Рис.1.3.2. Конструкция прямоприводного магнитоэлектрического генератора.

Для геометрически подобных машин справедливо соотношение: масса активных материалов пропорциональна вращающему моменту в степени ¾. С погрешностью этим соотношением можно воспользоваться для оценки полной массы. Такая оценка сделана для синхронного генератора серии ОС мощностью 16 кВт :

редукторный серийный генератор ОС71 частотой вращения 1500 об/мин, имеет массу 245 кг;

масса прямоприводного (расчетного) генератор ОС (оценка) частотой вращения 60 об/мин - 2700 кг.

Видно, что низкоскоростной генератор имеет в 10 раз большую массу, чем высокоскоростной. С учётом массы редуктора (например, РЦД-400 для среднего режима работы при передаточном числе 25, частоте вращения быстроходного вала 1500 об/мин, мощности на быстроходном валу 18,8 кВт), равной 250 кг, полная масса быстроходного генератора составляет 500 кг. В то же время масса прямоприводного синхронного генератора составляет до 2700 кг.

С учётом более сложной конструкции электрической машины, использования более дорогих материалов и более высокой удельной стоимости генератора по сравнению с редуктором, выигрыш редукторного привода вне сомнения. Для мощных установок это преимущество не является решающим.

Конструкция прямоприводного магнитоэлектрического генератора номинальной мощностью 1250 кВт, частотой вращения 0,5-20 об / мин. с числом пар полюсов 56 номинальной частотой 14,93 Гц представлена на рис. 1.3.2. Генератор предназначен для работы в составе ветроэлектрического агрегата с трехлопастным пропеллерным двигателем 1250 кВт и сетевым преобразователем частоты. Габаритный наружный диаметр агрегата 3,8 м. Генератор выполнен с наружным ротором, совмещенным с ротором ветродвигателя. На рисунке: 1-ротор ветродвигателя с лопастями 2, 4- наружный ротор-индуктор генератора с постоянными магнитами, 5- внутренний статор с пазами и трехфазной обмоткой якоря, 6- подшипники, 7-поворотная опора, 8-опора установки. Для ветроэнергоустановок с синхронными генераторами при автономной работе задача поддержания постоянного напряжения и частоты решается путём механического регулирования частоты вращения ветроколеса, прямого регулирования нагрузки или применением устройства стабилизации в виде выпрямителя, аккумуляторной батареи и инвертора.

Синхронный генератор в этом смысле уступает асинхронному, который работает со скольжением относительно сети, даёт возможность проявления маховичных свойств ветроагрегата и определяет более благоприятные условия его работы в динамических режимах.

Асинхронный генератор проще синхронного по конструкции, дешевле и значительно надежнее, если в качестве асинхронного генератора использовать асинхронную машину с короткозамкнутым ротором. Он позволяет в некоторых пределах регулировать частоту вращения, но нуждается в реактивной мощности для возбуждения и всегда работает с отстающим током. Асинхронная машина в генераторном режиме работает при отрицательном скольжении. Частота вращения ротора превышает частоту вращения магнитного поля. При параллельной работе с системой асинхронный генератор, также как и двигатель потребляет из сети реактивную мощность для создания магнитного потока. Потребляемая реактивная мощность АГ может достигать 25-50% его полной мощности, так как потребляемый намагничивающий ток равен 25-50% номинального при напряжении, равном напряжению сети, поскольку именно из сети асинхронный генератор потребляет реактивную мощность. При нормальной скорости и силе ветра генератор работает с отрицательным скольжением и отдаёт в сеть активную мощность. При снижении скорости ветра и частоты вращения ветродвигателя частота вращения снижается до частоты вращения холостого хода генератора и машина переходит в режим холостого хода. При дальнейшем снижении скорости ветра и частоты вращения ротора машина переходит в двигательный режим и потребляет из сети активную мощность. Частота тока статора f₁ остаётся постоянной и устойчивая работа генератора с сетью сохраняется при любых значениях частоты вращения ротора и частоты ЭДС ротора и скольжения, так как

f₁=f₂ /s.

При переходе генератора в двигательный режим он должен быть отключён от системы или от ветродвигателя. В последнем случае ветроустановка должна иметь между ветродвигателем и генератором электромагнитную или механическую муфту. При её отключении генератор переходит в двигательный режим без нагрузки. При использовании асинхронного генератора с фазным ротором эту задачу можно выполнить размыканием цепи ротора и переводом в режим холостого хода с разомкнутым ротором.

При автономной работе асинхронного генератора должны быть обеспечены условия самовозбуждения. В качестве источника реактивной мощности используется батарея конденсаторов. Условия самовозбуждения: наличие остаточного магнитного потока, частота вращения выше критической. При этом частота индуктируемой ЭДС обмотки статора f₁ равна резонансной частоте системы, содержащей индуктивность и ёмкость. Индуктивность асинхронной машины зависит от её насыщения и нагрузки и не постоянна. Одно из преимуществ асинхронной машины – повышенная устойчивость при параллельной работе с системой и постоянство частоты f₁ здесь не используется.

Рис. 1.3.3. Асинхронизированная синхронная машина

Асинхронизированная синхронная машина(АМ), рис.1.3.3 – это неявнополюсная бесколлекторная машина переменного тока, например, асинхронная машина с фазным ротором с 3-фазными обмотками на статоре и роторе. Обмотка статора подключена к сети, обмотка ротора – к возбудителю переменного тока В. Возбудитель получает питание от вспомогательной синхронной машины ВСМ или от трансформатора Т. Частота на выходе возбудителя может изменяться по требуемому закону, и в установившемся режиме равна разности частот вращения поля статора и ротора, то есть частоте скольжения. Возбудитель является преобразователем частоты источника питания в частоту скольжения.

Асинхронизированная машина может работать с переменной частотой вращения в синхронном или асинхронном режиме, в режиме недовозбуждения или перевозбуждения, так как ротор питается от постороннего источника – возбудителя.

Вопросы.

1. Как обеспечивается стабильность выходного напряжения и частоты генератора ВЭУ при переменной скорости ветра?

2. Начертите схему бесконтактного возбуждения синхронного генератора ВЭУ.

3. Назовите требования к схеме управления генератора ВЭУ.

4. Назовите преимущества и недостатки асинхронного генератора в качестве генератора ВЭУ.

5. Чем асинхронизированный генератор отличается от обычного асинхронного? Начертите принципиальную схему управления асинхронизированного генератора. Поясните назначение основных элементов.

6. Определите ток холостого хода, приведенный ток ротора и ток статора асинхронного десятиполюсного генератора ветроэнергетической установки номинальной мощностью 11 кВт, фазным напряжением 72,6 В, частотой вращения 200 об/мин и номинальной частотой 16,7 Гц при скольжении -0,04. Расчетная скорость ветра 13 м/с. Параметры Г-образной схемы замещения

асинхронного генератора:

7. Нарисуйте схему связи асинхронного генератора ветроэнергетической установки п.6 с энергосистемой с номинальным напряжением 10кВ и частотой 50 Гц. В каком скоростном режиме работает ветроэнергетическая установка?

8. Определите мощность на валу генератора п.6,7, активную и реактивную электрическую мощность на выходе генератора и уточните направление потоков мощности при скольжении -0,04.

9. Определите , КПД, потери мощности в обмотках статора и ротора, потери мощности в стали генератора по п.6,7,8, если механические потери равны 0,2 кВт.

10. Определите скорость ветра, которой соответствует режим работы генератора п.6,7,8,9.

1.4.ВЕТРО-ДИЗЕЛЬ-ГЕНЕРАТОРНАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ПИТАНИЯ АВТОНОМНЫХ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ.

ВЭУ могут быть конкурентоспособными с традиционными источниками энергии в районах с высоким ветровым потенциалом при электроснабжении удалённых потребителей. Это достигается путём создания энергетических установок, максимально использующих энергию ветра и обеспечивающих надёжность питания потребителей высококачественной электроэнергией.

Один из вариантов такого решения – комплексная энергетическая установка для питания автономных потребителей электроэнергией. Структурная схема этой установки состоит из взаимосвязанных функциональных блоков:

· ВЭУ – ветроэнергетическая установка – первичный источник переменного тока, ВГ – ветрогенератор,

· ДГУ – дизель – генераторная установка – резервный источник переменного тока, ДГ – дизель – генератор,

· АКБ – аккумуляторная батарея, работающая в буферном режиме,

· В – выпрямительно-зарядное устройство,

· И – инвертор – преобразователь постоянного тока в переменный.

Система автоматически обеспечивает аварийную защиту, аварийно-предупредительную сигнализацию, пуск, остановку, включение нагрузки, включение на параллельную работу с основным источником или резервирование, дистанционное управление, заряд аккумуляторов. Схема установки обеспечивает:

· максимально возможное использование энергии ветра,

· минимально возможный расход дизельного топлива,

· компонуется из серийно выпускаемых агрегатов и аппаратов,

· простоту и надёжность работы,

· стабильность параметров и бесперебойность снабжения потребителей,

· высокую степень гибкости режимов питания автономных потребителей (возможно использование либо ВЭУ, либо АБ, либо ДГУ или их совместная работа),

· работа АБ на нагрузку в буферном режиме устраняет недостатки электроснабжения потребителей от ВЭУ – ликвидирует провалы и превышение напряжения, и значительные отклонения частоты.

В схеме приняты следующие обозначения аппаратов: РН1 , РН2 – реле напряжения, К1, К2 – контакторы, РВ – реле времени с выдержкой времени при срабатывании, R_А , R_С – нагрузка фаз А и В – неответственные токоприемники.

Рис.1.4.1.Электрическая схема ветро – дизель – генераторной установки для питания автономных потребителей

Вопросы.

1. Назовите и охарактеризуйте основные элементы ветро – дизель – генераторной установки.

2. Каково назначение установки, и каковы ее функции?

3. Как обеспечивается надёжность и качество электроэнергии для потребителей разной категории?

4. Поясните порядок работы системы в различных ветровых условиях.

5. Как осуществляется питание потребителей при исчезновении ветра?

6. Когда вводится в действие дизель- генераторная установка?

7. Какую роль играет аккумуляторная батарея и в каком режиме она работает?

8. Назовите несколько крупных действующих ветроэлектростанций. Какова их мощность? Какова мощность одной турбины?

9. Предложите вариант схемы управления ветро – дизель - генераторной установкой, которая обеспечит параллельную работу ветрогенератора и дизель - генератора. Какие сложности появятся при переходе от совместной работы к параллельной работе?