Generatory prądu w elektrowniach wiatrowych

Rodzaj zastosowanego generatora zależy od wielkości siłowni wiatrowej i celu jakiemu ma ona służyć. Wyróżnić można dwa rozwiązania: elektrownie pracujące na sieć wydzieloną oraz elektrownie przyłączone do sieci energetyki zawodowej.

Systemy izolowane są całkowicie niezależnymi zródłami energii, w których stosowane są prądnice prądu stałego lub małe trójfazowe prądnice, często z magnesami trwałymi. Pracują one przy zmiennej prędkości obrotowej. Układy takie zawierają najczęściej baterię akumulatorów do gromadzenia energii, regulatory napięcia, falowniki do inwersji prądu stałego na jedno- lub trójfazowy. Elektrownie z prądnicą prądu stałego wymagają zastosowania regulatora napięcia oraz akumulatorów do gromadzenia energii (rys.1a), a dodatkowo falownika, aby uzyskać prąd zmienny (rys.1b).

Rys. 1a.Przykładowe schematy układów pracy systemów autonomicznych z prądnicą prądu stałego

Rys. 1b.Przykładowe schematy układów pracy systemów autonomicznych z prądnicą prądu stałego

Użycie generatora prądu zmiennego również pozwala na uzyskanie odpowiedniej jakości energii prądu stałego po uprzednim wyprostowaniu i regulacji napięcia, co ilustruje rysunek 2a. Ponieważ prędkość obrotowa turbin elektrowni autonomicznych zmienia się wraz ze zmianami prędkości wiatru, nie mogą one zapewnić napięcia zmiennego o odpowiedniej, niezmiennej wartości częstotliwości i amplitudy. Dlatego muszą one mieć pośredni obwód prądu stałego i falownik, dla uzyskania odpowiednich parametrów napięcia zmiennego (rys.2b). Zakres napięć nominalnych przy jakich pracują układy autonomiczne to (12-230) V prądu stałego bądˇ zmiennego.

Rys. 2a. Przykładowe schematy układów pracy systemów autonomicznych z prądnicą prądu zmiennego

Rys. 2b. Przykładowe schematy układów pracy systemów autonomicznych z prądnicą prądu zmiennego

W elektrowniach lub farmach wiatrowych pracujących na potrzeby energetyki zawodowej najczęściej wykorzystywana jest prądnica asynchroniczna (rys.3).

Rys. 3. Schemat najczęściej stosowanego układu w energetyce zawodowej

Energia elektryczna produkowana w takich elektrowniach musi mieć takie same parametry (częstotliwość i napięcie) jak sieć, z którą elektrownia wiatrowa współpracuje. Zwykle prędkość obrotowa turbiny utrzymywana jest na stałym poziomie, jednak stosuje się też układy pracujące ze zmienną prędkością obrotową. Dla zwiększenia rocznej produkcji energii stosowane są dwa generatory, z których jeden pracuje przy dużych prędkościach wiatru, zaś drugi przy słabszych wiatrach. Inne rozwiązanie to generatory o przełączanej (regulowanej) liczbie par biegunów. Daje to również możliwość pracy przy różnych prędkościach obrotowych generatora. W czasie rozruchu generatory łączone są do sieci przez układy tyrystorowe, które następnie są bocznikowane stycznikami.

Korekcja współczynnika mocy i tyrystorowy włącznik generatora

Generator asynchroniczny nie zawiera magnesów stałych i nie jest oddzielnie wzbudzany. Oznacza to, że generator asynchroniczny musi pobierać prąd wzbudzenia z sieci, a pole magnetyczne pojawia się dopiero, gdy generator jest podłączony do sieci. Gdy generator pobiera prąd wzbudzenia z sieci, wówczas zużywa moc bierną z tej sieci.

Prąd w przewodzie prowadzącym do generatora składa się z dwóch części:

- prądu czynnego odpowiadającego produkcji mocy czynnej (jednostka: kW)
- prądu biernego odpowiadającego zużyciu mocy biernej (jednostka: kWAr).

Ze względu na prąd wzbudzenia istnieje przesunięcie fazowe pomiędzy prądem a napięciem. Prąd jest opózniony względem napięcia o kąt f. Przesunięcie fazowe jest definiowane współczynnikiem mocy: cos f. Część prądu wzbudzenia (mocy biernej) generatora jest pobierana z kondensatorów, zwanych również układem korekcji współczynnika mocy. Kondensatory są podłączone do sieci nieco pózniej niż generator i są odłączane zanim generator zostanie odłączony od sieci. Korzyścią z korekcji współczynnika mocy jest to, że utrata mocy z sieci zmniejsza się, ponieważ zmniejsza się prąd pobierany z sieci. Przy braku obciążenia prąd pobierany z sieci wynosi około 0 A, ponieważ prąd bezobciążeniowy (tylko prąd bierny) generatora jest pobierany w całości z kondensatorów.

Gdy generator asynchroniczny jest włączony bezpośrednio, powstaje duży prąd włączenia. Ten prąd może być 7-8 razy większy od prądu nominalnego. Tak duży prąd może spowodować zakłócenia w sieci. Aby uniknąć takich zakłóceń, generator jest włączany przy prędkości asynchronicznej za pośrednictwem tyrystorów. Tyrystorowe włączanie polega na tym, że tyrystory powoli otwierają przepływ prądu, co zajmuje około 1,5 sekundy. Gdy tyrystory są całkowicie otwarte, wówczas zamykany jest łącznik obejścia pozwalający na pominięcie układu tyrystorowego. Przy odłączaniu generatora od sieci tyrystory są w pełni otwarte przed rozłączeniem łącznika obejścia. Następnie tyrystory są zamykane (80 ms), aż prąd osiągnie zero, a następnie generator jest odłączany. Dzięki temu łącznik nie musi rozłączać żadnego prądu i wewnątrz niego nie powstaje łuk.

Wynikiem działania tego układu jest łagodniejsze dołączanie i odłączanie od sieci oraz wydłużony czas pracy łącznika.

Wszelkie prawa zastrzeżone.
Created by Paweł Premicz 2000-2006 KVM