Get Adobe Flash player
Follow us on Twitter

Sekcja generatora elektrowni wiatrowej

Zadaniem sekcji generatora elektrowni wiatrowej lub systemu przeniesienia napędu jest przemiana energii kinetycznej koła wiatru na energię elektryczną. Zadanie to wygląda na początku prosto, lecz mając na uwadzę parametry wejściowe jak i wyjściowe określone w poniższej grafice, gdzie sekcja generatora przedstawiona jest jako blackbox, mamy pierwszy obraz problemów przed jakimi stoi dziesiątki inżynierów z działu rozwoju każdego producenta elektrowni wiatrowych. Wielkością źródłową jest strumień powietrza. Wiatr jest wartością zmienną. Zarówno jego siła jak i kierunek zmieniają się w szerokim spektrum częstotliwości. Jednak największym wyzwaniem konstrukcyjnym są porywy wiatru o amplitudzie nie rzadko ponad 20% średniej prędkości wiatru - i to zarówno pod kątem efektywnego wykorzystania wiatru, jak i źródła nieporządanych momentów mechanicznych na poszczególnych elementach turbiny wiatrowej.  

Blackbox.jpg

Elektrownie wiatrowe są obiektami przyłączonymi do systemu elektroenergetycznego i w rezultacie są jednym z jego elementów. Normalne funkcjonowanie elektrowni wiatrowej wiąże się z nieustannymi zmianami stanu jej pracy a co za tym idzie ze zmianami w oddziaływaniu na system elektroenergetyczny. Wpływ elektrowni wiatrowych na system elektroenergetyczny zależy od dwóch podstawowych czynników, a mianowice wspomnianych już cech wiatru oraz samej konstrukcji elektrowni wiatrowej. Konstrukcja elektrowni wiatrowej jest źródłem zmienności momentów, mocy, napięć i prądów elektrowni. Powodem tych zmian są między innymi:

  • Efekt cienia będący rezultatem przechodzenia łopat wirnika przed wieżą elektrowni,
  • Nierównomierne rozłożone prędkości wiatru i turbulencje w obszarze omiatanym przez koło wiatrowe,
  • Złożone, silnie nieliniowe oscylacje wieży elektrowni, wirnika turbiny i łopat wirnika przenoszące się na wał turbiny,
  • Harmoniczne prądu i napięcia, będące wynikiem pracy układów energoelektronicznych,

Oscylacje momentu mechanicznego oraz praca układów energoelektronicznych mogą wpływać na parametry systemu elektroenergetycznego. Do tych parametrów można zaliczyć:

  • jakość energii elektrycznej
    • wahania i zapady napięcia,
    • pobór mocy biernej, prowadzący do obniżenia napięcia,
    • efekt migotania,
    • procesy łączeniowe, powodujące zapady i skokowe wzrosty napięcia,
    • harmoniczne prądu i napięcia
  • stabilność napięciową
  • stabilność lokalną i globalną systemu
  • zabezpieczenia i sterowanie:
    • koordynację elektroenergetycznej automatyki zabezpieczeniowej,
    • regulację napięcia i częstotliwości.

Ze względu na powyżej wymienione czynniki i uwarunkowania pracy elektrownie wiatrowe można uznać za niespokoje źródła energii. Aby pojedyncze elektrownie jak i całe farmy wiatrowe mogły współpracować z systemem elektroenergetycznym w warunkach korzystania, prowadzenia ruchu, eksploatacji i planowania rozwoju sieci (IRiESP) operator systemu przesyłowego definiuje (jak dla każdej jednostki wytwórczej) wymagania techniczne i warunki pracy farm wiatrowych (II.B.3.3.3.). Dostosowanie pracy elektrowni wiatrowej do obowiązujących standardów jest jednym z największych wyzwań dla producentów elektrowni wiatrowych. 

Innym ważnym aspektem jest konstruowanie elektrowni wiatrowej pod kątem optymalnego wykorzystania energii wiatru. Elektrownia wiatrowa osiąga najwyższy współczynnik mocy cp kiedy prędkość obrotowa wirnika dopasowana jest do prędkości wiatru. Charakterystyczne cechy wiatru wymuszają możliwość pracy ze zmiennymi prędkościami wirowania w celu utrzymania koła wiatrowego w rejonie maksymalnego współczynnika mocy.   

Pierwsze turbiny z bezpośrednio do sieci podłączonym generatorem asynchronicznym dalekie były od optymalnego wykożystania energii strumienia powietrza. Za sprawą niewielkiego poślizgu maszyny asynchronicznej (do 2%), stała prędkość obrotowa koła wiatrowego wymuszana była przez sieć a nie przez prędkość wiatru. A co za tym idzie turbina pracowała optymalnie tylko przy nominalnej prędkości wiatru.   

Budowa nowoczesnych siłowni wiatrowych ze zmienną prędkością obrotową została umożliwiona poprzez rozwój energoelektroniki a szczególnie przekształników energoelektronicznych (IGBT - Insulated Gate Bipolar Transistor). Najnowszym rozwiązaniem niemieckiej firmy DEwind jest zastosowanie hudrodynamicznegej przekładni (WinDrive), które zastępuje klasyczny przekształtnik a tym samym pozytywnie wpływa na jakość energii poprzez redukcję harmonicznych prądów i napięć. 

Ideę zastosowania elektrowni wiatrowej o zmiennej prędkości obrotowej przedstawia poniższy diagram. Niebieskie wykresy funkcji przedstawiają moc elektrowni wiatrowej (3 płaty) dla poszczególnych prędkości wiatru. Maksymalny współczynnik mocy (Cpmax) przesuwa się wraz z rosnącą prędkością wiatru  w kierunku większych obrotów. Maksymalizację produkcji energii otrzymujemy zatem dopasowując prędkość obrotową wirnika do danej prędkości wiatru. Te zadanie przejmuje przekształtnik energoelektroniczny lub przekładnia hydrodynamiczna. Konkretne dopasowanie prędkości obrotowej do prędkości wiatru następuje poprzez zaprogramowaną linię sterującą (zielony wykres) urządzenia.     

SteuerkennliniePL.jpg 

Dopasowanie elektrowni wiatrowej do wymagań operatorów sieci elektroenergetycznych oraz zwiększenie wydajności turbozespołów doprowadziła do opracowania kilku rozwiązań systemów przeniesienia napędu, które mają zastosowanie w nowoczesnych siłowniach wiatrowych klasy Multi-Megawatt. Pomimo istnienia dwóch centralnych kierunków, a więc zastosowanie maszyny synchronicznej lub asynchronicznej ograniczenia związane z patentami oraz rozwoju kierowanego mottem "ewolucja zamiast rewolucji" - a więc ulepszaniem tego co dobre, większość producentów stosuje swoje autorskie rozwiązania. Na kolejnych stronach przedstawimy najważniejsze typy sekcji generatora.

 
PWE CC on Facebook
Joomla Templates and Joomla Extensions by JoomlaVision.Com