В настоящее время в мире можно отметить заметный рост доли возобновляемых источников энергии в общей генерации электроэнергии, что объясняется государственными программами и субсидиями для производителей установок генерации электроэнергии и операторов сетей, направленными на улучшение экологической обстановки в регионах [5]. Производство энергии с помощью ветроэнергетических установок (ВЭУ) является одним из ключевых направлений возобновляемой энергетики. Вместе с ростом общей мощности ветрогенераторов[3], можно также отметить тенденцию к увеличению мощности отдельных установок. Так, например, максимальная мощность ветрогенераторов увеличилась за последние 5 лет с 3 до 10 МВт[4].

Одной из особенностей ВЭУ является их переменная загруженность по мощности, имеющая кубическую зависимость от скорости набегающего потока воздуха. При низких скоростях ветра наличие свободного запаса по току силового преобразователя в составе ВЭУ позволяет использовать его для повышения качества напряжения распределительной сети ветропарка, что уменьшает номинальную мощность, а соответственно и стоимость компенсирующих устройств, использующихся для обеспечения требуемых показателей качества по факторам несимметрии, высших гармоник, провалов и колебаний напряжения сети ветропарка [6].

Так как эффективность и способность ВЭУ обеспечивать качество напряжения сети ветропарка напрямую зависит от топологии её силовой части, актуальной задачей является анализ современных топологий и конструктивных особенностей мощных ветроэнергетических установок.

Общее строение и принцип работы ветрогенератора

Существует два основных типа ВЭУ – с горизонтальной и вертикальной осью вращения ротора[2]. КПД ВЭУ с вертикальной осью существенно ниже, чем обусловлено их практически полное отсутствие на рынке ВЭУ мультимегаваттного уровня. Поэтому в работе рассматриваются только ВЭУ с горизонтальной осью вращения ротора.

Рисунок 1. Механические и силовые составляющие ветрогенератора с горизонтальной осью вращения ротора[7].

Наиболее распространённые топологии ВЭУ с горизонтальной осью вращения имеют сходное конструктивное исполнение, представленное на рисунке 1. Процесс генерации электрической энергии, отдаваемой ВЭУ в сеть, проходит через несколько стадий. В первую очередь с помощью лопастей из набегающей воздушной массы извлекается кинетическая энергия и преобразуется к механической энергии на валу ротора ВЭУ, при этом эффективность преобразования зависит от площади соприкосновения воздушной массы и лопасти. Механические и силовые компоненты ВЭУ рассчитаны на генерацию и передачу в сеть определённой мощности, превышение которой может привести к аварийным режимам работы ВЭУ, раннему износу оборудования и негативному влиянию на сеть, поэтому при больших скоростях ветра генерируемая мощность должна быть ограничена.

Здесь следует выделить два способа ограничения максимальной мощности ветрогенератора:

1) Первый заключается в изменении угла поворота лопастей, для чего лопасти крепятся к ротору ВЭУ с помощью сервоприводов, поворачивающих лопасти, таким образом уменьшая их площадь соприкосновения с набегающим воздушным потоком.

2) Второй способ заключается в производстве лопастей особой формы, которая при увеличении скорости вращения приводит к уменьшению КПД преобразования кинетической энергии, содержащейся в воздушной массе в механическуюмощность, передаваемую ротору. Производство таких лопастей для мощных ветрогенераторов сопряжено с трудностями, таким образом основным способом ограничения максимальной механической мощности, производимой ВЭУ является поворот лопастей. Таким образом почти все ветрогенераторы большой мощности имеют сервоприводы на роторе для поворота лопастей.

Кроме того, для достижения наибольшей эффективности при небольших скоростях ветра люлька вектрогенератора должна быть направлена таким образом, чтобы площадь обдувания лопастей была максимальной. Для этого в башне ВЭУ также устанавливают электропривод, поворачивающий люльку противоположно набегающему воздушному потоку.

Механическая часть ветрогенератора представляет собой два вала ротора – низкоскоростной с креплением на нём лопастей и высокоскоростной ротор генератора. Согласование передачи механического момента между валами достигается с помощью установки трансмиссии.

Силовая часть ВЭУ представляет собой систему, осуществляющую соединение генератора с сетью, и является основным существенным отличием, позволяющим выделитьотдельные структуры реализацииВЭУ.

Ветрогенераторы с неуправляемойскоростью вращения ротора

Первыми мощными ветрогенераторами, получившими широкое распространение, были ветрогенераторы без силового преобразователя. Структура данной топологии представлена на рисунке 2. Данная топология является наиболее дешёвой и простой в реализации. В качестве генератора обычно используется асинхронный генератор с короткозамкнутым ротором (АГКР), статор которого подключается напрямую к обмоткам понижающего трансформатора. При таком подключении АГКР при запуске может потреблять ток, превышающий номинальный в 5–7 раз. Для ограничения пусковых токов перед обмотками статора АГКР обычно устанавливают устройство плавного пуска. Кроме того, статор АГКР постоянно потребляет из сети реактивную мощность, которая может достигать 30% от номинальной мощности. Для компенсации реактивной мощности параллельно статору также обычно устанавливают батареи конденсаторов.

Рисунок 2. Структура ВЭУ без силового преобразователя.

Наиболее существенным недостатком данной топологии является отсутствие возможности управления скоростью вращения ротора. Наибольшая мощность, извлекаемая ветрогенератором из воздушной массы, достигается при определённом соотношении между скоростью вращения ротора и скоростью набегающего на лопасти воздушного потока. Отсутствие возможности регулировать скорость вращения существенно уменьшает КПД преобразования энергии в ВЭУ, поэтому несмотря на простоту и низкую стоимость производства ВЭУ такой топологии, их эффективность крайне низка. Кроме того, скорость вращения ротора у рассматриваемой топологии связана с частотой напряжения сети, а, следовательно, резкое изменение скорости ветра приводит к существенным колебаниям выходной мощности, генерируемой ВЭУ, а также увеличивает нагрузку как на механические, так и силовые составляющие ВЭУ.

• Наиболее простая и недорогая в реализации топология
  
• Низкая эффективность из-за неполного извлечения мощности
  
• Высокие нагрузки на электрические и механические компоненты
  
• Требует устройства плавного пуска и батареи конденсаторов
  

Ветрогенераторы с преобразователем напряжения в цепи статора

Серьёзный скачок в развитии мощных полупроводниковых ключей в 1980-х гг. привёл к повсеместному распространению силовых инверторов напряжения. Несмотря на то, что основной областью их применения стал частотно-регулируемый электропривод, данная тенденция коснулась и ветроэнергетики. Подключение генераторов в составе ВЭУ к сети через AC-ACпреобразователи позволило построить новую топологию, устраняющую основные недостатки ВЭУ с неуправляемой скоростью вращения ротора.

Рисунок 3. Структура ВЭУ с силовым преобразователем в контуре статора.

Структура топологии ВЭУ с силовым преобразователем представлена на рисунке 3. В соответствии с данной топологией генератор может быть выполнен как в виде асинхронного, так и синхронного генератора. Широкое применение нашла конструкция на основе синхронного генератора с постоянными магнитами (СГПМ), которая при относительно высокой стоимости изготовления генератора обеспечивает высокую энергоэффективность и наименьшие затраты на обслуживание генератора. Кроме того, среди прочих конструкций генераторов, СГПМ достаточно просто сконструировать с большим числом пар полюсов, что позволяет исключить трансмиссию. Статор генератора в данной топологии подключается к сети через силовой преобразователь (СП), представляющий собой два инвертора напряжения, чаще всего выполненные на IGBT-модулях, соединённые общим звеном постоянного тока (ЗПТ). Инвертор со стороны генератора позволяет управлять частотой и амплитудой напряжения на статоре, что в свою очередь позволяет управлять скоростью вращения ротора, достигая наибольшей энергоэффективности ВЭУ [1]. ЗПТ в свою очередь не только разделяет частоты напряжения сети и статора, но и служит фильтром, сглаживающим пульсации генерируемой мощности, которые связаны с резкими изменениями скорости ветра.

Недостатком данной топологии является относительно высокая стоимость силовых преобразователей необходимой мощности, а также дополнительные потери на переключение силовых ключей в их составе.

Таким образом, основные особенности топологии ВЭУ с силовым преобразователем в контуре статора:

• Управление скоростью вращения ротора, что обеспечивает наибольший КПД преобразования кинетической энергии воздушного потока в механическую энергию на валу ротора
  
• Наличие ЗПТ позволяет уменьшить нагрузку на электрические и механические компоненты ВЭУ
  
• Раздельное управление активной и реактивной мощностью на стороне сети
  
• КПД преобразования зависит от потерь на переключение ключей в составе преобразователя
  

Ветрогенераторы на основе машины двойного питания

Топология ВЭУ на основе машин двойного питания (МДП) появилась относительно недавно как альтернатива ВЭУ с силовым преобразователем в цепи статора. Структура ВЭУ с МДП представлена на рисунке 4. В рассматриваемой топологии в качестве генератора используется асинхронный генератор с фазным ротором, статор которого подключен напрямую к зажимам трёхобмоточного понижающего трансформатора. Ротор МДП через контактные кольца соединён с AC-AC преобразователем, сетевой инвертор которого также подключается к трёхобмоточному трансформатору.

Рисунок 4. Структура ВЭУ с машиной двойного питания.

Наличие силового преобразователя в контуре ротора позволяет ВЭУ с МДП достигать динамических характеристик аналогичных ВЭУ с силовым преобразователем в контуре статора, при поддержании в цепи ротора лишь 25-30% от номинальной мощности, чем и обусловлено ключевое преимущество рассматриваемой топологии – уменьшение стоимости ВЭУ, габаритов силовой части и снижение тепловых потерь, потерь на переключение и намагничивание за счёт уменьшения мощности силового преобразователя.

Основным недостатком данной топологии является наличие контактных колец, что существенно увеличивает затраты на обслуживание такого типа генераторов.

Основные характеристики рассматриваемой топологии:

• Снижение стоимости и габаритов силового преобразователя.
  
• Низкие тепловые потери, потери на намагничивание и коммутацию.
  
• Динамические характеристики как у ВЭУ с силовым преобразователем в цепи статора.
  
• Высокие затраты на обслуживание из-за контактных колец.
  

Выводы

В работе рассмотрены топологии силовой части ВЭУ, получившие наиболее широкое распространение в генерирующих установках большой мощности – до нескольких мегаватт. Производство и эксплуатация ВЭУ с нерегулируемой скоростью вращения ротора наименее оправдано в связи с их низкой эффективностью. ВЭУ с силовым преобразователем в цепи статора и ВЭУ на основе машины двойного питания являются основными топологиями для производства мощных генерирующих установок, выбор между которыми обусловлен балансом между изначальной стоимостью производства генерирующей установки и затратами на её обслуживание.

1. Никишин А.Ю., Казаков В.П. Современные ветроэнергетические установки на базе асинхронных машин // Современные проблемы науки и образования. – 2012. – № 6. [Электронный ресурс], URL: http://www.scienceeducation.ru/ru/article/view?id=7937 (Дата обращения: 30.11.2016).
2. Ветрогенераторы: классификация и типы, конструкция и схема работы: //Альтернативная энергетика. [Электронный ресурс], URL: http://batsol.ru/vetrogeneratory-klassifikaciya-i-tipy-konstrukciya-i-sxema-raboty.html (Дата обращения 28.11.2016).
3. European Wind Energy Association. The economics of wind energy. EWEA; 2009.
4. Patel, S. IEA: Wind Power Could Supply 18% of World’s Power by 2050. Retrieved from POWER: // Power generation news and jobs in coal, gas, nuclear, renewables: 2013, January 12. [Электронный ресурс], URL: http://www.powermag.com/iea-wind-power-could-supply-18-of-worlds-power-by-2050/ (Дата обращения 29.11.2016)
5. Renewable Energy Directive. 2012. December 17. [Электронный ресурс], URL: http://ec.europa.eu/clima/policies/transport/fuel/docs/com_2012_595_en.pdf (Дата обращения 29.11.2016)
6. Sergei Kryltcov. Doubly fed wind turbine performance in variable grid conditions. Master’s Thesis, 2014.
7. Wind Turbine Parts: //The Solar Guide: [Электронный ресурс], URL: http://www.thesolarguide.com/wind-power/turbine-parts.aspx (Дата обращения 30.11.2016)

Все статьи автора «Tamara Gromova»