Меню
Главная
Авторизация/Регистрация
 
Главная arrow Техника arrow Основы ветроэнергетики

Основные схемы включения ВЭУ

Основными параметрами, которые должны быть рассмотрены при выборе структуры и схем ветроэнергетических установок, предназначенных для преобразования энергии ветра в электрическую энергию, являются: вид производимой электроэнергии (переменное напряжение переменного или постоянного частоты; постоянное напряжение) частота вращения ветродвигателя (постоянная, близкая к постоянной, переменная) характер использования вырабатываемой электрической энергии (применение аккумуляторных батарей, аккумулирования с помощью других способов, выдача электроэнергии в сеть переменного тока энергосистемы). В настоящее время разработаны и применяется значительное количество схем для преобразования энергии ветра в электрическую энергию постоянного или переменного напряжения с помощью электрических генераторов постоянного тока и соответственно асинхронных или синхронных генераторов. Проще система используется с электрогенератором постоянного тока - значит постоянное напряжение в сети при различной скорости ветра благодаря регулированию возбуждения.

Возможные технологические схемы эффективного получения электрической энергии за счет энергии ветра для автономной работы ВЭУ представлены на рис. 7.8.

Структурные схемы систем генерирования и использования электроэнергии при автономной роботе ВЭУ

Рисунок 7.8 - Структурные схемы систем генерирования и использования электроэнергии при автономной роботе ВЭУ

Генерирование постоянного тока настоящее время осуществляется в практически только на малых ВЭУ мощностью не более 10 ... 20 кВт. В этом случае не требуется постоянная частота вращения ветродвигателя и обычно применяются аккумуляторные батареи. В современных ВЭУ преобразования энергии ветра осуществляется в основном только в схемах с генерированием переменного тока. Например, аккумулирование энергии в виде теплоты с использованием ее для отопления помещений может быть осуществлено при применении ВЭУ переменного напряжения с частотой, изменяется или ВЭУ постоянного напряжения. Частота вращения ветродвигателя в этом случае не обязательно должна быть постоянной. Применение выпрямительных устройств дает возможность получить постоянное напряжение, которое может быть использовано непосредственно или после его инвертирование в переменное напряжение постоянной частоты.

Изменчивость ветра и сильная зависимость мощности ВЭУ от скорости ветра затрудняют обеспечение высокого качества электроэнергии и надежности электроснабжения потребителей в автономном режиме работы ВЭУ. Количество часов использования генерирующей мощности ВЭУ зависит от среднегодовой скорости ветра и лежит в пределах 2 ... 4 тыс. Часов в год. Наиболее благоприятные для работы ВЭУ осенне-зимний и ранний весенний периоды года, в целом совпадает с условиями изменения электрического и теплового нагрузок объектов автономного энергоснабжения.

В настоящее время признано, что крупномасштабное получения электрической энергии за счет использования энергии ветра должно осуществляться в виде переменного напряжения постоянной частоты для возможности подачи электроэнергии, вырабатываемой в сети существующих энергосистем. Возможные технологические схемы эффективного получения электрической энергии за счет энергии ветра при параллельной работе ВЭУ с энергосистемой, представленные на рис. 7.9.

Усилия по созданию ВЭУ большой мощности в значительной степени связаны с использованием ветродвигателя с постоянной частотой вращения, соединенного с синхронным генератором или, при использовании асинхронного генератора, обеспечения вращения ветродвигателя с частотой, близкой к постоянной.

Структурные схемы систем генерирования и использования электроэнергии при подключении ВЭУ к сети

Рисунок 7.9 - Структурные схемы систем генерирования и использования электроэнергии при подключении ВЭУ к сети

В последнее время привлекает внимание другой подход согласования работы ВЭУ с энергосистемой, который заключается в том, чтобы дать возможность ветродвигатель вращаться с переменной оптимальной частотой, регулируемой в соответствии с изменением скорости ветра, и с применением специальных генерирующих систем обеспечивать получение переменного напряжения постоянной частоты, соответствующей частоте напряжения энергосистемы.

Методы получения переменного напряжения постоянной частоты при переменной частоте вращения вала ветродвигателя в общем случае сводятся к дифференциальным и недиференциальних групп. Дифференциальные методы реализуются в системах ВЭУ с синхронными генераторами с помощью механических устройств, обеспечивающих получение постоянной частоты вращения генераторов (редукторы с переменным передаточным отношением, устройства с гидравлической передачей мощности и т.п.), а также с помощью электронных устройств, компенсирующих изменение частоты вращения с помощью питания обмотки возбуждения напряжением с частотой, равной разности частоты вращения ротора генератора и частоты напряжения энергосистемы, на которую работает генератор. Недиференциальни методы могут быть реализованы через статические устройства изменения частоты по схеме преобразования: переменное напряжение - постоянное напряжение - переменное напряжение.

Сложность практической реализации таких схем заключается в необходимости иметь в системе звено (в силовой цепи или в системе управления ветродвигателем), что обеспечивает согласование -Частота и уровня напряжения ВЭУ с этими же параметрами в точке подключения к энергосистеме.

Существует множество схем подключения ВЕУ к энергосистеме, основные различия которых состоят в конструкции и типа генераторов, а также наличия и типа преобразовательных устройств. На рис. 7.10 показано схемы прямого подключения к энергосистеме ВЕУ с синхронным генератором (рис. 7.10, а) и асинхронным (рис.7.10, б) генератором с короткозамкнутым ротором, подключенными к ветродвигателям через мультипликатор (редуктор) п, Для реализации таких схем параллельной работы ВЭУ с сетью энергосистемы необходимым условием является постоянное поддержание синхронной скорости вращения ротора СГ и надсинхроннои скорости - для АГ.

Непосредственное подключение к сети ВЭУ с синхронным (а) и асинхронным (б) генератором

Рисунок 7.10 - непосредственное подключение к сети ВЭУ с синхронным (а) и асинхронным (б) генератором

В случае параллельной работы нескольких ВЭУ с синхронными генераторами, частота вращения валов генераторов может поддерживаться стабильным путем следующих возможных вариантов подключения:

- Каждый генератор имеет собственное устройство синхронизации;

- Устройства автоматической синхронизации синхронизируют генераторы между собой в группах, а затем происходит синхронизация групп с сетью;

- Устройства автоматической синхронизации синхронизируют генераторы между собой в группе, затем синхронизируются группы, а с сетью синхронизация происходит непосредственно на главной повышающей подстанции.

Очевидно, что первый вариант наиболее полно отвечает эксплуатационным требованиям и позволяет устанавливать минимальное количество синхронизирующих устройств. В этом случае любой из генераторов может подключаться к сети независимо от других.

Применение асинхронных генераторов позволяет исключить из главной схемы ВЭС синхронизирующие устройства. Однако в этом случае владельцу ВЭС приходится либо расплачиваться с сетевой компанией за реактивную мощность, потребляемую установками из сети. На рис. 7.10, б в схеме применен асинхронный генератор (АГ) классической конструкции, имеет короткозамкнутый ротор. В асинхронном генераторе скорость вращения ротора должна быть выше синхронной скорости и скольжения является отрицательным, но по абсолютному значению примерно одинаковым с двигателем - 3 ... 8%. Рассмотренная схема характеризуется постоянством скорости вращения ветроколеса, не является оптимальным с точки зрения использования энергии ветра.

Для повышения эффективности использования ветра позже стали использовать ступенчатая (обычно двухступенчатое) регулирование скорости. Для чего в статоре генератора закладывается две обмотки с разным количеством пар полюсов. При низкой скорости ветра, для сохранения оптимальной быстроходности применяется низкая скорость вращения ветроколеса и в генераторе включается обмотка с наибольшим числом пар полюсов. При росте скорости ветра выше определенного предела, происходит переключение на наименьшее значение числа пар полюсов и допускается увеличение скорости вращения. Двухскоростные ВЭУ получили широкое распространение, поэтому их конструкция существенно проще, чем схемы с преобразователями.

Второй способ подключения ВЭУ к энергосистеме, в отличие от предыдущего способа, предусматривает последовательное преобразование электроэнергии перед подачей ее в энергосистему с помощью выпрямителей и инверторов, не требует применения систем поддержания постоянства и синхронизации скорости генераторов ВЭУ (рис. 7.11).

Подключение ВЭУ к сети через выпрямитель и инвертор с синхронным (а) и асинхронным (б) генератором

Рисунок 7.11 - Подключение ВЭУ к сети через выпрямитель и инвертор с синхронным (а) и асинхронным (б) генератором

На рис. 7.1, а изображена схема подключения на параллельную работу с энергосистемой ВЭУ с синхронным генератором без устройства синхронизации. В этой схеме на выходе генератора частота тока изменяется в широком диапазоне в соответствии с изменением скорости неподвижны. Далее переменный ток превращается в выпрямители (В) в постоянный и двужильного кабеля подается на инвертор (И), что находится внизу в башне ВЭУ, где и превращается в переменный ток частотой 50 Гц. Тип инвертора - "ведомый сетью", и это означает, что частота на выходе инвертора задастся фактически существующей в каждое мгновение частотой сети. Известно, что с помощью инвертора можно менять угол между током и напряжением. Если ток "отстает" от напряжения, то генератор потребляет реактивную мощность, а если ток "опережает" напряжение то генератор производит наряду с активной и реактивной мощности. Иными словами, ветроустановка может участвовать в регулировании напряжения в точке присоединения ВЭУ к энергосистеме. Естественно, что выпрямитель и инвертор в схеме рассчитаны каждый на полную мощность генератора, что приводит к удорожанию электрической части ВЭУ.

На рис. 7.11, б изображена схема подключения на параллельную работу с энергосистемой ВЭУ с асинхронным генератором с короткозамкнутым ротором. Скорость ветродвигателя и частота тока на выходе асинхронного генератора также изменяются в широком диапазоне, а дальнейшее преобразование и выдача вырабатываемой ВЭУ электроэнергии в энергосистему осуществляется так же, как в схеме рис. 7.11, а. Так как асинхронный генератор для намагничивания ротора должен потреблять реактивную мощность и за счет последовательно включенных выпрямителя и инвертора, не может получить его от сети в схему на выход генератора включена конденсаторная батарея, как источник реактивной мощности.

На рис. 7.12 представлены схемы подключения ВЭУ к энергосистеме, характерной особенностью которых является наличие преобразователя частоты (ПЧ). В этих схемах преобразователи частоты также рассчитываются на полную мощность генератора ВЭУ.

Подключение ВЭУ к сети с помощью преобразователя частоты с (а) синхронным (без механической передачи) и (б) асинхронным генератором

Рисунок 7.12 - Подключение ВЭУ к сети с помощью преобразователя частоты с (а) синхронным (без механической передачи) и (б) асинхронным генератором

На рис. 7.12, а в качестве примера, показана схема подключения к энергосистеме ВЭУ с синхронным генератором и без мультипликатора. Фирмой Enercon (Германия) разработан тихоходный синхронный многополюсный генератор, что позволило отказаться от редуктора и существенно упростить механическую часть ВЭУ. Однако электрическая часть существенно усложнилась за счет включения в схему преобразователя частоты, но при этом приобрела дополнительные положительные качества. В таких системах может использоваться также асинхронный генератор с короткозамкнутым ротором (рис. 7.12, б). Так, например, при изменении скорости вращения ветроколеса соответственно изменяется скорость вращения ротора генератора, что приводит к изменению частоты на выходе генератора и входе в преобразователе. Далее на выходе преобразователя частота поддерживается равной частоте сети (50Гц в Европе и 60 Гц в США). Схема обеспечивает поддержку оптимального значения быстроходности в большом диапазоне изменения скорости ветра. Однако это достигнуто ценой увеличения общей стоимости электрооборудования ВЭУ на величину стоимости преобразователя частоты.

 
< Предыдущая   СОДЕРЖАНИЕ   Следующая >
 

Предметы
Агропромышленность
Банковское дело
БЖД
Бухучет и аудит
География
Документоведение
Естествознание
Журналистика
Инвестирование
Информатика
История
Культурология
Литература
Логика
Логистика
Маркетинг
Математика, химия, физика
Медицина
Менеджмент
Недвижимость
Педагогика
Политология
Политэкономия
Право
Психология
Региональная экономика
Религиоведение
Риторика
Социология
Статистика
Страховое дело
Техника
Товароведение
Туризм
Философия
Финансы
Экология
Экономика
Этика и эстетика
Прочее