Схемы работы ветрогенератора

Приведем несколько популярных схем работы ветрогенераторных систем с потребителем.

Базовая схема включает в себя ВЭУ, инвертор, батареи, дизель-генератор (рис.1).

Схема может использовать двойное преобразование от дизель-генератора и сети (переменный — постоянный — переменный ток) для подачи бесперебойного питания потребителю. В этом случае потребитель не чувствует даже малейших перепадов в питании при переключении с одного источника питания на другой (например, с ветроустановки на дизель-генератор и т. д.).

Рис. 1. Схема ВЭУс резервным дизель-генератором и аккумуляторами

САП — Система автоматического пуска бензогенератора.

БП — Блок питания или преобразователь напряжения.

Для обеспечения максимальной защиты от перебоев в питании ветрогенератор можно использовать совместно с дизельным, бензиновым или газовым генератором. В такой схеме ветрогенератор является основным источником питания, а дизельный генератор — вспомогательным.

В обычном режиме ветрогенератор заряжает аккумуляторы, от которых питается нагрузка. Если во время активного потребления электроэнергии наступает длительный штиль и аккумулированной энергии оказывается недостаточно, то включается резервный генератор.

Подчеркнем, что резервный генератор работает, как и ветровой, на заряд аккумуляторов, чтобы всегда находиться в режиме максимальной мощности, при котором обеспечивается лучший КПД. За счет этого достигается значительная экономия топлива.

После того, как аккумуляторы заряжены или появляется ветер, резервный генератор отключается. Таким образом, при сочетании ветрового и дизельного генераторов или сети потребитель получает максимальную надежность при минимальных затратах на топливо. Другая схема (Рис.2) может использовать прямое (by-pass) питание для подачи бесперебойного питания потребителю. В этом случае при переключении источников питания (например, с ветроустановки на дизель-генератор и т. д.) чувствуется незначительное падение напряжение. Аналогично работает бесперебойный блок питания для компьютера [5].

Рис. 2. Схема ВЭУ с прямым питанием

Или аналогичный вариант:

Рис. 3. Схема ВЭУ с прямым питанием

Комбинированная система (рис.4) наиболее эффективна. Электричество из аккумуляторной станции поступает в инвертор, где постоянный ток преобразуется в переменный (220В/50 Гц). Происходит взаимная «подстраховка» альтернативных источников электропитания: — ветер может дуть как днем, так и ночью, но вероятна штилевая погода — ночью нет солнечного света, но день настает неизбежно. Использование теплового генератора сводится к минимуму.

Генератор включается на короткое время (3 — 8 часов) для подзарядки аккумуляторной станции лишь в том случае, когда потребление электроэнергии превышает выработку (длительная штилевая погода, пасмурность).

Ветрогенератор, как и солнечные модули дают малые токи, которые продлевают «жизнь» аккумуляторам минимум до 10 лет (на практике 12−14 лет службы).

Даже при наличии сети общего пользования потребитель может сталкиваться со множеством проблем, начиная от перебоев или недостатка мощности и заканчивая высокой ценой за энергию. Поэтому вопрос об установлении ветрогенератора, работающего в параллель с сетью, может оказаться актуальным. Такая схема реализуется без использования аккумуляторов, а возможности инвертора должны быть дополнены функцией синхронизации. Если вырабатываемая ветровым генератором энергия покрывает потребление, то излишки отдаются в сеть. Если же наоборот мощности ветряка недостаточно, то требуемая порция электричества берется из сети.

Синхронный генератор, управляемый турбиной через коробку передач, используется исключительно для питания автономных сети. В таких сетях ветряной двигатель может быть единственным источником питания или чаще может поддерживаться системой хранения, например, батарея плюс преобразователь, или другой источник, такой как дизельный управляемый генератор.

Рис. 4 Комбинированная схема

В настоящее время существует относительно немного примеров этой схемы, они ограничены небольшими островами или отдаленными потребителями. Если ветряной генератор является основным источником энергии, он также должен отвечать за системную частоту и напряжение. Для сети фиксированной частоты, ветровая турбина должна быть управляемой, чтобы работать на фиксированной скорости, несмотря на изменения в скорости ветра и в требовании системном. Это может быть достигнуто путем регулирование частоты ветряных турбины переключением нагрузки или комбинация переменного управления ветряной турбины и управляемой нагрузки и/или система хранения, такая как батареи с двунаправленным преобразователем.

Фиксирование скорости ветровой турбины

Рис. 5 показывает классическую схему: турбина — коробка передач — асинхронный генератор — объединенная энергосистема, широко используемую в 80-ых годах.

Она проста, надежна и очень хорошо зарекомендовала себя на практике. Многие из ветряных турбин, установленных в течение 1980;ых и 1990;ых, имели эту схему и все еще работают. В этой схеме генератор имеет короткозамкнутый ротор и, в связи с неизбежным скольжением, скорость изменяется незначительно от силы ветра, таким образом, скорость не является строго постоянной.

Скольжения обеспечивает определенную степень сглаживания электроэнергии во время порывистого ветра, что имеет преимущество для снижения нагрузок в механической трансмиссии.

Генератор должен быть непосредственно подключен к сети (без контроля скорости), устройства плавного пуска, как правило, требуется в целях ограничения токов и крутящего момента во время пуска. Устройство плавного пуска не является преобразователем как таковым, а просто ограничивает скачок тока, необходимого асинхронному генератору в целях создания вращающегося магнитного поля при первом подключении к сети.

Рис. 5. Прямое подключение короткозамкнутого асинхронного генератора

Рис. 6 показывает питание — электронное устройство плавного пуска, состоящее из трех пар антипараллельных тиристоров. Сначала, тиристоры включаются в самом конце цикла для того, чтобы были небольшие токи. Постепенно, включение происходит чуть раньше, до тех пор, пока тиристоры не будет работать непрерывно, в это время коробка передач переключает генератор с низких на высокие обороты и он начинает работать на скорости щ1. Несколько датских производителей широко использовали эту схему в 1980;ых и 1990;ых.

Рис. 6. Soft starter (пускатель)

Короткозамкнутый ротор, используемый в ветряных турбинах фиксированной скорости, описанных выше, является очень экономичным, устойчивым и надежным. У них есть небольшое сопротивление, которое в значительной степени определяет вращающий момент — скоростную характеристику и, следовательно, величину скольжения. Чем больше беличье колесо у асинхронных машин, тем ниже сопротивление ротора и поэтому меньше скольжение. Это уменьшает соответствие между механическими и электрическими системами, которое не желательно в ветряных турбинах.

Номинальный крутящий момент может быть развит на различных скоростях за счет увеличивая сопротивление ротора от Rr до RR? а затем Rr''. Это может быть легко достигнуто путем введения внешних переменных резисторов через контактные кольца ротора асинхронного двигателя [5].

Управление скоростью, осуществляемое таким образом, даёт недопустимое сокращение эффективности. Этот режим управления мог быть исключён как бесполезный в ветряных двигателях, тем не менее, производитель использовал его разумно и успешно для повышения производительности. В ветряной турбине сопротивлением можно управлять динамически, чтобы учесть порывы ветра. Во время порыва сопротивление увеличивается, что даёт небольшое (отрицательное) скольжение; скорость вращения немного увеличивается и энергия поглощается инерцией. После порыва, сопротивление уменьшается, что переводит скорость назад в нерабочее состояние и энергия подаётся в сеть в течение более длительного периода времени. Если бы эта схема применялась между падениями и номинальной скоростью, энергия была бы необратимо рассеяна во внешних резисторах. Однако, если эта схема применяется в период, когда средняя скорость ветра выше номинальной т. е. когда энергия ветра может быть потеряна без экономических затрат, то в результате дает выгоду.