Основні схеми включення вітроенергетичних установок

Размещено на http://www.allbest.ru/

Основні схеми включення вітроенергетичних установок

Основними параметрами, які повинні бути розглянуті при виборі структури та схем вітроенергетичних установок, призначених для перетворення енергії вітру в електричну енергію, є: вид вироблюваної електроенергії (змінна напруга змінної або постійної частоти; постійна напруга); частота обертання вітродвигуна (постійна, близька до постійної, змінна); характер використання вироблюваної електричної енергії (застосування акумуляторних батарей, акумулювання за допомогою інших способів, видача електроенергії в мережу змінного струму енергосистеми). В даний час розроблено і застосовується значна кількість схем для перетворення енергії вітру в електричну енергію постійної або змінної напруги за допомогою електричних генераторів постійного струму і відповідно асинхронних або синхронних генераторів. Найпростіше система використовується з електрогенератором постійного струму - виходить постійна напруга в мережі при різній швидкості вітру завдяки регулюванню збудження.

Можливі технологічні схеми ефективного отримання електричної енергії за рахунок енергії вітру для автономної роботи ВЕУ представлені на рис. 7.8.

Рисунок- Структурні схеми систем генерування і використання електроенергії при автономній роботе ВЕУ

Генерування постійного струму даний час здійснюється в практично тільки на малих ВЕУ потужністю не більше 10...20 кВт. У цьому випадку не потрібна постійна частота обертання вітродвигуна і зазвичай застосовуються акумуляторні батареї. У сучасних ВЕУ перетворення енергії вітру здійснюється в основному тільки в схемах з генеруванням змінного струму. Наприклад, акумулювання енергії у вигляді теплоти з використанням її для опалення приміщень може бути здійснено при застосуванні ВЕУ змінної напруги з частотою, що змінюється або ВЕУ постійної напруги. Частота обертання вітродвигуна в цьому випадку не обов'язково повинна бути постійною. Застосування випрямних пристроїв дає можливість отримати постійне напруження, яке може бути використане безпосередньо або ж після його інвертування в змінну напругу постійної частоти.

Мінливість вітру і сильна залежність потужності ВЕУ від швидкості вітру ускладнюють забезпечення високої якості електроенергії та надійності електропостачання споживачів в автономному режимі роботи ВЕУ. Кількість годин використання генеруючої потужності ВЕУ залежить від середньорічної швидкості вітру і лежить в межах 2...4 тис. год на рік. Найбільш сприятливі для роботи ВЕУ осінньо- зимовий і ранній весняний періоди року, що в цілому збігається з умовами зміни електричного та теплового навантажень об'єктів автономного енергопостачання.

В даний час визнано, що великомасштабне отримання електричної енергії за рахунок використання енергії вітру має здійснюватися у вигляді змінної напруги постійної частоти для можливості подачі електроенергії, що виробляється в мережі існуючих енергосистем. Можливі технологічні схеми ефективного отримання електричної енергії за рахунок енергії вітру при паралельній роботі ВЕУ з енергосистемою, представлені на рис. 7.9.

Зусилля зі створення ВЕУ великої потужності значною мірою пов'язані з використанням вітродвигуна з постійною частотою обертання, сполученого з синхронним генератором або, при використанні асинхронного генератора, забезпечення обертання вітродвигуна з частотою, близькою до постійної.

Рисунок - Структурні схеми систем генерування і використання електроенергії при підключенні ВЕУ до мережі

Останнім часом привертає увагу інший підхід узгодження роботи ВЕУ з енергосистемою, який полягає в тому, щоб дати можливість вітродвигуну обертатися зі змінною оптимальною частотою, регульованою відповідно до зміни швидкості вітру, і з застосуванням спеціальних генеруючих систем забезпечувати отримання змінної напруги постійної частоти, що відповідає частоті напруги енергосистеми.

Методи отримання змінної напруги постійної частоти при змінній частоті обертання вала вітродвигуна в загальному випадку зводяться до диференціальних і недиференціальних груп. Диференціальні методи реалізуються в системах ВЕУ з синхронними генераторами за допомогою механічних пристроїв, що забезпечують отримання постійної частоти обертання генераторів (редуктори зі змінним передавальним відношенням, пристрої з гідравлічною передачею потужності і т.п.), а також за допомогою електричних пристроїв, що компенсують зміну частоти обертання за допомогою живлення обмотки збудження напругою з частотою, рівній різниці частоти обертання ротора генератора і частоти напруги енергосистеми, на яку працює генератор. Недиференціальні методи можуть бути реалізовані через статичні пристрої зміни частоти за схемою перетворення: змінна напруга - постійна напруга - змінна напруга.

Складність практичної реалізації таких схем полягає в необхідності мати в системі ланку (в силовому колі або в системі управління вітродвигуном), що забезпечує узгодження -частоти і рівня напруги ВЕУ з цими ж параметрами в точці підключення до енергосистеми.

Існує безліч схем підключення ВЄУ до енергосистеми, основні відмінності яких складаються в конструкції і типу генераторів, а також наявності і типу перетворювальних пристроїв. На рис. 7.10 показано схеми прямого підключення до енергосистеми ВЄУ з синхронним генератором (рис. 7.10, а) і асинхронним (рис.7.10, б) генератором з короткозамкненим ротором, підключеними до вітродвигуна через мультиплікатор (редуктор) п, Для реалізації таких схем паралельної роботи ВЕУ з мережею енергосистеми необхідною умовою є постійне підтримання синхронної швидкості обертання ротора СГ і надсинхронної швидкості - для АГ.

Рисунок - Безпосереднє підключення до мережі ВЕУ з синхронним (а) і асинхронним (б) генератором

У разі паралельної роботи декількох ВЕУ з синхронними генераторами, частота обертання валів генераторів може підтримуватися стабільним шляхом наступних можливих варіантів підключення:

- кожен генератор має власний пристрій синхронізації;

- пристрої автоматичної синхронізації синхронізують генератори між собою у групах, а потім відбувається синхронізація груп з мережею;

- пристрої автоматичної синхронізації синхронізують генератори між собою в групі, потім синхронізуються групи, а з мережею синхронізація відбувається безпосередньо на головній підвищувальної підстанції.

Очевидно, що перший варіант найбільш повно відповідає експлуатаційним вимогам і дозволяє встановлювати мінімальну кількість синхронізуючих пристроїв. У цьому випадку будь-який з генераторів може підключатися до мережі незалежно від інших.

Застосування асинхронних генераторів дозволяє виключити з головної схеми ВЕС синхронізуючі пристрої. Однак у цьому випадку власнику ВЕС доводиться або розплачуватися з мережевою компанією за реактивну потужність, споживану установками з мережі. На рис. 7.10, б в схемі застосований асинхронний генератор (АГ) класичної конструкції, що має короткозамкнений ротор. У асинхронному генераторі швидкість обертання ротора повинна бути вище синхронної швидкості та ковзання є негативним, але за абсолютним значенням приблизно однаковим з двигуном - 3...8 %. Розглянута схема характеризується сталістю швидкості обертання вітроколеса, що не є оптимальним з точки зору використання енергії вітру.

Для підвищення ефективності використання вітру пізніше стали використовувати ступеневе (зазвичай двоступеневе) регулювання швидкості. Для чого в статорі генератора закладається дві обмотки з різною кількістю пар полюсів. При низькій швидкості вітру, для збереження оптимальної швидкохідності застосовується низька швидкість обертання вітроколеса і в генераторі включається обмотка з найбільшим числом пар полюсів. При зростанні швидкості вітру вище певної межі, відбувається перемикання на найменше значення числа пар полюсів і допускається збільшення швидкості обертання. Двошвидкісні ВЕУ отримали широке поширення, тому їх конструкція істотно простіша, ніж схеми з перетворювачами.

Другий спосіб підключення ВЕУ до енергосистеми, на відміну від попереднього способу, передбачає послідовне перетворення електроенергії перед подачею її в енергосистему за допомогою випрямлячів і інверторів, що не вимагає застосування систем підтримки сталості і синхронізації швидкості генераторів ВЕУ (рис. 7.11).

вітроенергетичний автономний мережа тепловий

Рисунок- Підключення ВЕУ до мережі через випрямляч і інвертор з синхронним (а) та асинхронним (б) генератором

На рис. 7.1, а зображена схема підключення на паралельну роботу з енергосистемою ВЕУ з синхронним генератором без пристрою синхронізації. У цій схемі на виході генератора частота струму змінюється в широкому діапазоні відповідно до зміни швидкості вітродвигуна. Далі змінний струм перетворюється у випрямлячі (В) у постійний і двожильним кабелем подається на інвертор (І), що знаходиться внизу у башті ВЕУ, де і перетворюється в змінний струм частотою 50 Гц. Тип інвертора - "ведений мережею", і це означає, що частота на виході інвертора задасться фактично існуючою в кожну мить частотою мережі. Відомо, що за допомогою інвертора можна міняти кут між струмом і напругою. Якщо струм "відстає" від напруги, то генератор споживає реактивну потужність, а якщо струм "випереджає" напругу то генератор виробляє поряд з активною і реактивну потужність. Іншими словами, вітроустановка може брати участь у регулюванні напруги мережі в точці приєднання ВЕУ до енергосистеми. Природно, що випрямляч і інвертор в схемі розраховані кожен на повну потужність генератора, що призводить до подорожчання електричної частини ВЕУ.

На рис. 7.11, б зображена схема підключення на паралельну роботу з енергосистемою ВЕУ з асинхронним генератором з короткозамкненим ротором. Швидкість вітродвигуна і частота струму на виході асинхронного генератора також змінюються в широкому діапазоні, а подальше перетворення і видача вироблюваної ВЕУ електроенергії в енергосистему здійснюється так само, як у схемі рис. 7.11, а. Так як асинхронний генератор для намагнічування ротора повинен споживати реактивну потужність і за рахунок послідовно включених випрямляча і інвертора, не може отримати її з мережі, в схему на вихід генератора включена конденсаторна батарея, як джерело реактивної потужності.

На рис. 7.12 представлені схеми підключення ВЕУ до енергосистеми, характерною особливістю яких є наявність перетворювача частоти (ПЧ). У цих схемах перетворювачі частоти також розраховуються на повну потужність генератора ВЕУ.

Рисунок - Підключення ВЕУ до мережі за допомогою перетворювача частоти з (а) синхронним (без механічної передачі) і (б) асинхронним генератором

На рис. 7.12, а як приклад, показана схема підключення до енергосистеми ВЕУ з синхронним генератором і без мультиплікатора. Фірмою Enercon (Німеччина) розроблений тихохідний синхронний багатополюсний генератор, що дозволило відмовитися від редуктора і істотно спростити механічну частину ВЕУ. Однак електрична частина істотно ускладнилася за рахунок включення в схему перетворювача частоти, але при цьому придбала додаткові позитивні якості. У таких системах може використовуватися також асинхронний генератор з короткозамкненим ротором (рис. 7.12, б). Так, наприклад, при зміні швидкості обертання вітроколеса відповідно змінюється швидкість обертання ротора генератора, що призводить до зміни частоти на виході генератора і вході в перетворювачі. Далі на виході перетворювача частота підтримується рівною частоті мережі (50Гц в Європі і 60 Гц в США). Схема забезпечує підтримку оптимального значення швидкохідності у великому діапазоні зміни швидкості вітру. Однак це досягнуто ціною збільшення загальної вартості електрообладнання ВЕУ на величину вартості перетворювача частоти.

Размещено на Allbest.ru