Качество на електричеството от вятърни турбиниВъпреки, че вятърните турбини днес са надежден източник на електричество. Наличието на инсталиран синхронен генератор и преобразувател с пълна мощност е най-безопасният, но далеч не най-евтиният начин да се постигне качеството на енергията, произвеждана от конвенционалните електроцентрали. Вятърната енергия се контролира трудно – турбулентността и поривите на вятъра прилагат голяма сила върху ротора и лостовия механизъм. За да може да осигури енергия със същото качество електрониката на вятърната турбина трябва да балансира всички колебания.
Относително малките турбини от 80-те години на 20 век са имали само индуктивен генератор, който е бил комутиран и директно захранвал генерираното електричество към мрежата. Мрежата прилага постоянна скорост върху генератора, а от там и върху ротора. С увеличаване на размера на ротора балансът на енергията се обръща. Роторите, изложени на пориви на вятъра и турбуленция, вече не могат да се свързват към мрежата; лостовият механизъм бил силно обтегнат и колебанията в мощността, породени от състоянието на вятъра, се прехвърляли директно към мрежата. Нарастващата честота на отклоненията не можела да се толерира повече, а производителите трябвало да модернизират начина по който електричеството се захранва към мрежата.
Честа практика днес е роторът да работи според вятъра – това означава при променливи скорости, тъй като това е най-добрият начин да се извлече колкото се може повече енергия от вятъра без турбуленцията и поривите да натоварват лостовия механизъм. Това значи, че генераторът също се върти с различни скорости и генерира електричество при постоянно променящи се честоти, които трябва да се изгладят в последствие.
Некондуктивният електропровод изисква преобразувател с пълна мощност
Все още не е ясно как електричеството, произведено от турбини с променлива скорост, може да бъде преобразувано колкото се може по-евтино, така че да може да бъде подадено към мрежа при постоянна честота от 50Hz. Докато електрониката днес е толкова усъвършенствана, че да може цялата електроенергия да бъде прехвърлена чрез преобразувател (концепцията за преобразувател с пълна мощност), този процес е относително сложно и скъпоструващо решение. Причината се крие във факта, че синхронният двигател е идеалният партньор на преобразувателя, а в същото време е доста по-сложно оборудване от индукционния генератор, следователно и много по-скъпо – особено в случаите, когато роторът на генератора е оборудван с постоянни магнити.
Всичко започва през 1992г. когато Enercon инсталират прототип на вятърна турбина с некондуктивен електропровод. Година по-късно компанията започва производството на Е-40, която е с капацитет от 500kW. Тъй като пръстеновият генератор с некондуктивен електропровод се върти много бавно, синхронният двигател бил единствената опция.
Да се прехвърли генерираното електричество била много сложна процедура, но в днешно време е стандартна практика, благодарение на подобрената електроника. Цялото електричество, произведено от генератора, трябва да премине през токоизправител за средно напрежение DC и през инвертор преди да се пренасочи към мрежата. Преобразувателят с пълна мощност е необходим за разделяне на скоростта на генератора от честотата на мрежата доколкото е възможно.
С откритието, че електрическата концепция е мащабируема, станало възможно тя да се приложи за по-големи капацитети. Така Enercon постепенно увеличава капацитета на своите вятърни турбини до повече от 7MW. Днес останалите фирми следват тази концепция. Все повече производители отказват да използват концепцията за некондуктивен електропровод и я заместват със синхронен генератор и преобразувател с пълна мощност, въпреки че Alstom, Goldwind, Impsa, Leitwind, Siemens и Vensys избягват директно съревнование с Enercon, залагайки на постоянно възбуден компактен генератор вместо на електрически възбуден пръстенов генератор.
Частичните преобразуватели
Преобразувателите с пълна мощност и синхронните двигатели значително повишават цената. Ето защо много от производителите предпочитат по-евтин компромисен вариант, който за пръв път бил тестван при широкомащабната турбина Growian през 80-те години на 20 век и е установен на пазара от 1996г. Това е двойно захранваният индуктивен генератор, който генерира „чиста” енергия. Токът на ротора на генератора може да бъде променян по определен начин, така че да се предотвратят колебания в скоростта, които биха разстроили постоянната честота на електричеството, изпращано към мрежата. Управлението на турбините е сравнително сложно и налага използването на преобразувател, чрез който захранването на ротора се осъществява само с малка част от генерираното електричество (концепцията за частичен преобразувател).
Този компромисен вариант се предпочита от Acciona, Mitsubishi, Nordex и REpower, които изтъкват по-високата ефективност като обяснение за своето решение. Ако само около 20% от изхода се захранва към мрежата чрез конвертор, вероятността за загуби от преобразуване е относително малка, което се изразява в по-висока ефективност.
Gamesa и Vestas също произвеждат вятърни турбини с двойно захранван индуктивен генератор и частичен преобразувател с капацитет от 3MW (Vestas) или вариращ от 850kW до 2MW (Gamesa). Но след представянето на серията GridStreamer (1,8MW) на Vestas става ясно, че в дългосрочен план фокусът на компанията ще бъде насочен към синхронните генератори и преобразувателите с пълна мощност. Gamesa следва същия път, стартирайки с 4,5MW.
И двете компании са доказателство за това, че се намираме в период на преход. Въпреки, че концепцията за използването на преобразувател с пълна мощност очевидно има своите предимства, тя все още е сравнително скъпа.
Нарастване на употребата
Преди около 20 години започва динамичното нарастване на употребата на преобразуватели с пълна мощност в технологиите за вятърна енергия и има основание да се смята, че след 10 години няма да има никакви други концепции, поне не и за турбини от 2MW и повече. Вятърните турбини от това поколение са тези, които се стремят постепенно да заменят конвенционалните електроцентрали.
Ако това бъде постигнато, вятърните турбини ще трябва да имат същото поведение към мрежата като конвенционалните електроцентрали. Те ще трябва да са способни да приемат и доставят реактивна мощност, като наред с това да допринасят за стабилността на напрежението и честотата. С други думи, те трябва да изпълняват системни услуги, сравними с тези на конвенционалните електроцентрали, които също използват синхронни генератори. За разлика от индуктивните генератори, те не изискват реактивна мощност от мрежата, но са способни да контролират необходимата реактивна мощност използвайки съществуващия ток.
Контролираната реактивна мощност е съществена за осигуряване на гладкото функциониране на електроцентралата. Вятърна турбина, оборудвана със синхронен генератор, може да осигури реактивна мощност, дори никаква активна мощност да не се изпраща към мрежата (когато турбината е спряна). Опцията за преход при късо съединение помага за преодоляване на ситуации с понижено напрежение и свръхнапрежение в мрежата, както и при краткотрайни утечки. По този начин вятърните турбини могат да подсигурят мрежата в продължение на няколко секунди, които обикновено са достатъчни на мрежовия оператор за да възстанови условията, последващи напрежение при пробив.
По принцип тези системи могат да се изпълняват с двойно захранван индуктивен генератор и частични преобразуватели, но е по-лесно да се постигнат изискванията на мрежовия оператор със синхронен генератор и преобразувател с пълна мощност. Системите с преобразувател с пълна мощност изискват по-малко технически усилия от страна на производителите на вятърни турбини.
Задвижването чрез зъбни предавки не е пречка
Все повече производители избират опцията със синхронен генератор и преобразувател с пълна мощност, дори когато нямат намерението да се откажат от предавките. Това се отнася за турбините с едностъпална редукторна предавка (Areva, Samsung, WinWinD), както и за тези с многостъпално задвижване (Clipper, e.n.o., Gamesa, GE, Kenersys, Vestas).
Следователно, използването на преобразувател с пълна мощност не се свежда само до турбини с директна предавка, нито до синхронни генератори, както демонстрира Siemens. Техните турбини с редукторна предавка (от 2,3 до 4MW), първоначално проектирани от Bonus, вече са съвместими с индуктивни генератори. Но те също така изпращат електричество към мрежата посредством преобразувател с пълна мощност. 27/09/2014 |