generatory

Generatory

Generator w elektrowni wiatrowej ma za zadanie zamienić energię mechaniczną w elektryczną. Jego konstrukcja nieco odbiega od typowych prądnic. Jednym z powodów jest to, że źródło mocy (wirnik turbiny wiatrowej) dostarcza zmieniający się, w zależności od warunków wiatrowych, moment napędowy.

Elektrownie wiatrowe wykorzystują moc wiatru w zakresie jego prędkości od 4 do 25 m/s. Przy prędkości wiatru mniejszej od 4 m/s moc wiatru jest niewielka, a przy prędkościach powyżej 25 m/s ze względów bezpieczeństwa elektrownia jest zatrzymywana.

Generatory do elektrowni wiatrowych powinny spełniać następujące wymagania i zalecenia:

• konstrukcja generatora powinna zapewnić długotrwała pracę bez wymiany i konserwacji podzespołów,
• dla efektywniejszego wykorzystania energii wiatru korzystniejszy jest wariant generatora pracującego ze zmienną prędkością wirowania,
• współczynnik mocy powinien być bliski jedności (należy unikać pobierania mocy biernej przez generator),
• należy zmniejszyć do minimum udział wyższych harmonicznych prądu dostarczanego do sieci,
• należy utrzymywać parametry sieci.

W dużych elektrowniach (o mocy większej niż 100-150 kW), stosuje się trójfazowe prądnice prądu przemiennego, zwykle o napięciu 690 V. Energia jest przesyłana do transformatora obok turbiny (lub w wieży), który podnosi napięcie do wartości wymaganej przez sieć, na którą pracuje. Liczący się producenci dostarczają turbiny w dwóch wersjach: z generatorami 60 Hz przystosowanymi dla sieci w Ameryce i 50 Hz dla reszty świata.

Stosowane w elektrowniach wiatrowych generatory elektryczne przetwarzają energię mechaniczną silnika wiatrowego w energię elektryczną, przy stałej lub zmiennej prędkości obrotowej.

Ze stała prędkością wirowania, lub zmienną skokowo pracują generatory indukcyjne (asynchroniczne), jedno lub dwubiegowe. Nie są one szeroko używane poza energetyką wiatrową, i małymi hydroelektrowniami. Jest kilka powodów, dla których stosuje się prądnice asynchroniczne w energetyce wiatrowej. Maszyna ta jest bardzo niezawodna, stosunkowo tania i odporna na przeciążenia. Niezwykle pożyteczne jest też zjawisko poślizgu. Dzięki niemu prądnica nieznacznie zwiększa lub zmniejsza prędkość, jeśli zmienia się moment napędowy. Stosowane są również rozwiązania generatorów indukcyjnych z powiększonym poślizgiem, realizowanym przez zwiększenie rezystancji wirnika w układzie zewnętrznym lub wewnętrznym. Pozwala to powiększyć poślizg do ok. 10 procent. Oznacza to mniejsze zużycie i podatność na awarie skrzyni biegów. I to jest największą zaletą w stosunku do prądnicy synchronicznej.

Firma WEIER Electric w zakresie generatorów dla elektrowni wiatrowych oferuje generatory indukcyjne ze zmiennym poślizgiem realizowanym poprzez regulację prądów wirnika, tzw. system RCC (Rotor Current Control) bez układu pierścieni. Polega on na zabudowaniu wewnątrz wirnika tranzystorów mocy IGBT oraz rezystorów. Regulacja i sterowanie systemem RCC odbywa się za pomocą programowalnego sterownika z 16 bitowym procesorem. System RCC, oprócz zadań regulacyjnych, nadzoruje wszystkie parametry ruchowe i diagnostyczne. Komunikacja do i od wirującego wirnika z systemem RCC odbywa się poprzez seryjny interfejs z wirującym optycznym sprzęgłem. Do komunikacji generatorów z nadrzędnym sterownikiem zarządzającym całą elektrownią służy odpowiedni protokół.

Wadą generatorów asynchronicznych jest konieczność zasilenia uzwojenia stojana (namagnesowania) przed rozpoczęciem pracy. Jest ona istotna w przypadku, gdy elektrownia ma produkować energię na sieć wydzieloną. Potrzebne wtedy będzie urządzenie, które dostarczy prąd magnesujący przed rozpoczęciem pracy (kondensatory, akumulator).

Jak wynika z charakterystyki powyżej, zastosowanie stałej prędkości obrotowej uniemożliwia optymalne wykorzystanie energii wiatru. Częściowo problem ten rozwiązuje się stosując generatory dwubiegowe. Przy słabym wietrze mogą one pracować z mniejszą prędkością obrotową. Można spotkać także rozwiązanie w postaci dwóch osobnych prądnic w jednej gondoli dla różnych prędkości wiatru.

Zastosowanie zmiennej prędkości obrotowej w elektrowniach wiatrowych umożliwia optymalne wykorzystanie energii wiatru i daje większy uzysk energii. Wymagane jest jednak sterownie kątem natarcia łopat. Do przetwarzania energii w tych elektrowniach najczęściej stosowane są generatory indukcyjne pierścieniowe z tzw. podwójnym zasilaniem. Stojan jest przyłączony bezpośrednio do sieci elektroenergetycznej, natomiast wirnik jest dołączony do tej samej sieci poprzez przekształtnik energoelektroniczny - jest to tzw. kaskada nadsynchroniczna.

Innym rozwiązaniem stosowanym w elektrowniach wiatrowych są generatory synchroniczne wolnoobrotowe bez przekładni bądź generatory synchroniczne wysokoobrotowe z przekładnią mechaniczną. Obydwa rozwiązania ze względu na zmienną częstotliwość napięcia wymagają stosowania przekształtników energoelektronicznych w obwodzie stojana oraz układu regulacji wzbudzenia w obwodzie wirnika. W najnowszych rozwiązaniach generatorów synchronicznych preferuje się stosowanie wzbudzenia od magnesów trwałych - eliminuje to układ do regulacji prądu wzbudzenia oraz pierścienie ślizgowe wraz z układem szczotek.

Generatory podczas pracy wymagają chłodzenia. W większości turbin używa się do tego powietrza, tłoczonego przez wentylator, ale można także spotkać chłodzenie wodą. Zaletą takiego rozwiązania jest bardziej zwarta budowa prądnicy, ale wymaga ono umieszczenia radiatora w gondoli, celem pozbycia się nadmiaru ciepła z układu chłodzenia.

Większość sterowników w elektrowniach wiatrowych jest tak zaprogramowana, że przy niskich prędkościach wiatru odłącza prądnice od sieci (inaczej maszyna pracowałaby jako silnik). Kiedy wiatr staje się na tyle silny, że elektrownia możne oddawać energię do sieci, ważny jest moment jego podłączenia. Nieprawidłowa procedura startowa mogłaby doprowadzić do rozbiegania się układu. Bezpośrednie włączenie generatora do sieci mogłoby spowodować odczuwalny spadek napięcia, co wpływa niekorzystnie na pracę innych odbiorników zasilanych z tej linii. Przyczyną jest pobór dużego prądu magnesującego w czasie rozruchu. Innym niekorzystnym zjawiskiem byłoby przeciążenie mechaniczne wirnika i przekładni. Aby temu zapobiec, łączenia i rozłączanie odbywa się poprzez specjalne łączniki tyrystorowe (softstart).

W elektrowniach wiatrowych stosuje się wiele typów układów konwersji energii. Rodzaj zastosowanego układu zależy od przeznaczenia siłowni (praca na sieć wydzieloną lub sztywną) oraz jej mocy.