Частота переменного напряжения

50 Гц или нестабилизированная частота.

Для тихоходных генераторов непосредственное получение частоты 50 Гц (без использования повышающих преобразователей частоты) требует большого числа пар полюсов. Например, чтобы получить частоту напряжения 50 Гц при частоте вращения 20 об/мин, требуется генератор со 150 парами полюсов [5].

 

Типы генераторов

В составе ВЭУ используются трехфазные генераторы переменного тока.

- классические синхронные генераторы с ОВ на роторе (питание ОВ осуществляется в режиме самовозбуждения);

- синхронные генераторы с возбудителем и вращающимся выпрямителем (в ВЭУ мощностью более 15 кВт);

- индукторные генераторы с неподвижной обмоткой возбуждения;

- синхронные генераторы с возбуждением от постоянных магнитов;

- асинхронные генераторы (основной генератор ВЭУ до 2000 года [23]);

- синхронизированные асинхронные генераторы (САГ) (Раздел 13.3).

Пример: ВЭУ Growian мощностью 3МВт в Германии [31].

Все эти генераторы применяются и в других электроэнергетических установках, поэтому об особенностях, достоинствах и недостатках различных типов генераторов будет сказано в рамках отдельного раздела (Раздел 13).

 

Стабилизация выходных показателей

Варианты стабилизации частоты напряжения

Как правило, к выходному напряжению ВЭУ предъявляются требования по стабильности частоты.

Заметим, что не все потребители критичны к изменению частоты: например, осветительные приборы, электронагревательные элементы, двигательная нагрузка (когда не требуется стабильная частота вращения). В отдельных областях применения (сельскохозяйственные установки) такие потребители составляют 90% суммарной мощности [5].

1) Стабилизация частоты вращения генератора, а следовательно, и частоты напряжения генератора: f _г=60 n _г/ p.

Частота вращения n _вк при прочих равных условиях зависит от скорости ветра и от момента сопротивления на ветроколесе. Момент сопротивления на ветроколесе зависит от нагрузки генератора.

а) Воздействие на ветроколесо, например, путем изменения угла поворота рабочих лопастей α_л (угол атаки) (pitch control) [23].

Для изменения угла атаки используются гидравлическая и механическая системы поворота лопастей, существенно усложняющие установку.

Предположим, что изменилась мощность нагрузки генератора, т.е. изменилась мощность (момент) сопротивления турбины. За счет изменения α_л можно выровнять моменты – момент, развиваемый турбиной, и момент сопротивления. Равенство моментов, согласно уравнению движения:

М – М _с= cJdn / dt (4.10)

не приведет к изменению частоты вращения.

Из-за меньшей плотности воздуха возможности такого управления существенно меньше, чем в случае гидротурбин [5].

Еще одним недостатком такого способа регулирования является большая инерционность [5].

Отметим, что такие ветроколеса должны быть оснащены специальными подшипниками, которые часто являются причиной поломок агрегатов.

Более точно было бы сказать, что этот способ направлен на регулирование мощности на валу генератора. При скорости ветра v < v _p (v _p выбирается около 1,7 от средней скорости ветра, но не более 13…14 м/с) система регулирования в действие не вступает, и ветродвигатель работает с переменной мощностью. При v > v _p с помощью системы регулирования мощность поддерживается почти постоянной [10].

б) Использование редуктора с переменным передаточным отношением i (система SPG – Super Position Gear): n _г(const) = i (var) · n _вк (var).

SPG – это механическая система (планетарный дифференциал), которая использует гидравлические компоненты и полностью заменяет дорогое силовое электронное оборудование. Часто действует в комбинации со способом 1, а [32].

Впервые этот способ был успешно испытан на экспериментальной ВЭС LS1 (Великобритания, Оркнейские острова, 1987). Тот же принцип используется на ветростанции мощностью 2 МВт чешской фирмы Wilkov Wind [32].

в) Регулирование нагрузки генератора. Наряду с полезной нагрузкой используется балластная нагрузка. Тем самым предотвращается превышение скорости. Более высокое быстродействие [5].

Балластная нагрузка – бесполезная нагрузка (сопротивление), которая при необходимости подключается на выходные клеммы генератора, изменяя, тем самым, его ток, и как следствие, момент на его валу, являющийся для ветроколеса моментом сопротивления.

Например, в момент, когда АБ полностью зарядилась, регулятор "отключает" заряд, чтобы батарея не перезарядилась, в то же время поддерживая нагрузку на генераторе переменного тока для предотвращения ускорения.

Следует отметить, что удержание ветроколеса на постоянной скорости снижает его КПД [23].

2) Стабилизация частоты напряжения при изменяющейся частоте вращения (применение электрических преобразователей частоты).

а) Преобразователь частоты со звеном постоянного тока ("выпрямитель" - "инвертор") (более распространен).

б) Непосредственный преобразователь частоты (НПЧ) (циклоконверторы).

в) Применение синхронизированных асинхронных генераторов с преобразователем частоты в цепи ротора.