Технологии ветряных турбин
Доминирующей технологией для коммунальных приложений является ветряная турбина с горизонтальной осью. Типичные номинальные значения варьируются от 500 кВт до 5 МВт. В настоящее время используются самые разнообразные технологии ветряных турбин. Типичные ветряные электростанции состоят из сотен турбин, обычно использующих одну и ту же технологию. Эти технологии различаются по стоимости, сложности, эффективности извлечения энергии ветра и используемому оборудованию.Типичная ветряная турбина использует узел ротора с лопастями и ступицей для извлечения энергии из ветра, зубчатую передачу для увеличения скорости вращения вала при медленном вращении ротора до более высоких скоростей, необходимых для привода генератора, и асинхронный генератор в качестве генератора. электромеханическое устройство преобразования энергии. Асинхронные машины популярны в качестве генераторных установок из-за их асинхронной природы, поскольку поддержание постоянной синхронной скорости для использования синхронного генератора затруднено из-за переменного характера скорости ветра. Силовые электронные преобразователи могут использоваться для регулирования активной и реактивной выходной мощности турбины.
Содержание
- 1. История
- 1.1 Индукционный (асинхронный) генератор с прямым подключением (тип I)
- 1.2 Асинхронный генератор с фазным ротором и внешним управлением сопротивлением (тип II)
- 1.3 Асинхронный генератор с двойным питанием — DFAG (тип III)
- 1.4 Турбина с регулируемой частотой вращения и преобразователем мощности полной номинальной мощности (тип IV)
- 2.1 Электрическая устойчивость
- 2.2 Контроль реальной мощности
- 2.3 Динамические характеристики
Фон
Почти все ветряные турбины, развернутые на крупных объектах ветроэнергетики в США за последние десятилетия, в целом можно описать одной из перечисленных ниже конфигураций.
Индукционный (асинхронный) генератор с прямым подключением (тип I)
Основная статья: Индукционный (асинхронный) генератор с прямым подключением
Иногда называемые ветряными турбинами с фиксированной скоростью, в них используются лопасти с регулируемой скоростью (с фиксированным шагом), соединенные со ступицей, которая через редуктор соединяется с обычным асинхронным генератором с короткозамкнутым ротором. Генератор напрямую подключен к линии и может иметь автоматически переключаемые шунтирующие конденсаторы для компенсации реактивной мощности и, возможно, механизм плавного пуска, который отключается после подачи питания на машину. Диапазон скоростей турбины определяется зависимостью крутящего момента от скорости асинхронного генератора. Некоторые из этих турбин не имеют возможности наклона лопастей.
Несмотря на то, что эта технология относительно прочна и надежна, у нее есть существенные недостатки, а именно то, что улавливание энергии ветра неоптимально и требуется компенсация реактивной мощности.Индукционный генератор с фазным ротором и внешним управлением сопротивлением (тип II)
Основная статья: Индукционный генератор с фазным ротором и управлением внешним сопротивлением
Иногда называемые ветряными турбинами с переменным скольжением, в них используется асинхронный генератор с фазным ротором с механизмом управления величиной тока ротора через регулируемые резисторы внешней цепи ротора и регулирование шага лопастей турбины для помощи в управлении скоростью. Диапазон скоростей турбины расширен за счет внешних резисторов.
Асинхронный генератор с двойным питанием — DFAG (тип III)
Основная статья: Асинхронный генератор с двойным питанием — DFAG
В ветряных турбинах, иногда называемых асинхронными генераторами с двойным питанием (DFIG), используется асинхронный генератор с фазным ротором, в котором цепь ротора подключается к клеммам линии через четырехквадрантный силовой преобразователь. Преобразователь обеспечивает векторное (по модулю и углу фазы) управление током цепи ротора даже в динамических условиях и существенно расширяет диапазон рабочих скоростей турбины. Управление вектором потока роторных токов позволяет отделить активную и реактивную мощность, а также максимизировать отбор энергии ветра и снизить механические напряжения. Поскольку преобразователь обрабатывает только мощность в цепи ротора, его не нужно рассчитывать на полную мощность машины. Скорость турбины в основном регулируется за счет активной регулировки шага лопастей турбины.
Турбина с регулируемой частотой вращения и преобразователем мощности полной номинальной мощности (тип IV)
Основная статья: Турбина с регулируемой частотой вращения и преобразователем мощности полной номинальной мощности
Иногда называемые ветряными турбинами с полным преобразователем, в них используется ветряная турбина с переменной скоростью и преобразователем мощности с полной номинальной мощностью между электрическим генератором и сетью.Преобразователь мощности обеспечивает существенное отделение динамики электрического генератора от сети, так что часть преобразователя, подключенная непосредственно к электрической системе, определяет большинство характеристик и поведения, важных для исследований энергосистемы. Эти турбины могут использовать синхронные или асинхронные генераторы и обеспечивать независимое управление активной и реактивной мощностью.
Технологические тенденции
Ценность технологии переменной скорости для больших ветряных турбин была доказана рынком за последнее десятилетие и будет преобладающей технологией в будущем. Работа с переменной скоростью имеет преимущества с точки зрения управления механическими нагрузками на лопатки турбины, трансмиссию и конструкцию. Преимущества со стороны сети также значительны и включают в себя динамическое управление реактивной мощностью, улучшенный динамический контроль над выработкой электроэнергии и возможности для дальнейшего улучшения характеристик интеграции турбины в сеть.
Электрическая надежность
Поставщики ветряных турбин теперь хорошо осведомлены о необходимости повышения электрической надежности турбины, особенно с точки зрения способности устранять неисправности в системе передачи. Усовершенствованный низковольтный режим уже является опцией для нескольких коммерческих турбин и, вероятно, станет стандартной функцией в ближайшие несколько лет. Ожидается, что в дальнейшем ветряные турбины будут не более чувствительны к отключению из-за сбоев в системе передачи, чем обычные генераторы, и обеспечат гибкость в отношении «программирования» режимов их отключения для событий в сети.
Реальный контроль мощности
В настоящее время коммерческие ветряные турбины обычно работают для максимизации производства энергии. Когда скорость ветра равна или выше номинальной скорости, электрическая мощность «ограничена» номинальным значением, указанным на паспортной табличке. Однако при слабом и умеренном ветре турбина работает для захвата как можно большего количества энергии, так что выходная мощность будет колебаться при колебаниях скорости ветра.Эти колебания не являются оптимальными с точки зрения сети, поскольку они могут привести к колебаниям напряжения и потенциально увеличить нагрузку по регулированию на уровне зоны управления. В будущих поколениях ветрогенераторов можно будет «сгладить» эти колебания в большей степени, чем это достигается сейчас одной лишь механической инерцией. Более сложные схемы регулирования шага, улучшенная аэродинамическая конструкция лопастей и более широкий диапазон рабочих скоростей позволят ограничить кратковременные изменения мощности турбины и в то же время свести к минимуму потери производительности. Такая функция может быть включена только там и тогда, когда она имеет экономическую ценность, превышающую потери производства. Расширение этого типа управления позволит ветряным турбинам участвовать в автоматическом управлении генерацией (AGC). В этом режиме турбина должна была бы работать на уровне несколько ниже максимально возможного от ветра, чтобы обеспечить возможность «разгона» в ответ на команды EMS. Опять же, стоимость предоставления этой услуги должна быть оценена по стоимости с точки зрения более низкого производства, а также стоимости приобретения этой услуги из другого источника. Технически, однако, такая работа возможна даже с некоторыми существующими коммерческими технологиями ветряных турбин и ветряных электростанций.
Динамическая производительность
Динамические характеристики более передовых промышленных технологий турбин являются сложными функциями общей конструкции турбины и схем управления. До сих пор мало внимания уделялось тому, что представляет собой желательное динамическое поведение с точки зрения энергосистемы. На сегодняшний день большая часть внимания в этой области сосредоточена на вопросе сквозного проезда. Как только этот вопрос будет решен, могут появиться возможности для точной настройки динамической реакции турбины на сбои в сети передачи, чтобы обеспечить максимальную поддержку восстановления системы и повысить общую стабильность.Учитывая сложность, присущую топологии и схемам управления будущих ветряных турбин, должна быть возможность запрограммировать реакцию до такой степени, чтобы достичь таких преимуществ стабильности. Такая функция позволила бы ветровой турбине / ветряной электростанции участвовать в обширной схеме восстановительных действий (RAS) или специальной системе защиты (SPS), как это иногда делается сейчас с клеммами преобразователя HVDC и новыми устройствами FACTS.
использованная литература
- ↑ Документация, поддержка пользователей и проверка моделей ветряных турбин и электростанций (DE-EE0001378), сентябрь 2012 г., [онлайн]. Доступно: http://www.osti.gov/bridge/servlets/purl/1051403/1051403.pdf. [По состоянию на май 2013 г.].
- ↑ NREL, Динамические модели ветряных турбин и ветряных электростанций (NREL/SR-5500-52780), октябрь 2011 г., [онлайн]. Доступно: http://www.nrel.gov/docs/fy12osti/52780.pdf. [По состоянию на февраль 2013 г.].
