Индукционни генератори за малки ветроенергийни системи

Напредъкът в развитието на силовата електроника и микроконтролерите оказаха сериозен тласък в употребата на индукционните генератори във вятърната енергетика. Надеждната им конструкция и компактни размери ги правят предпочитано решение най-вече за малки ветроенергийни централи. Поради възможността за работа с променлива скорост и ниските експлоатационни разходи, този тип генератори предлагат редица предимства за вятърните електроцентрали както в самостоятелни, така и при свързани приложения. Също така се характеризират с разширени възможности за много и нескъпи типове управления, внедрени нови технологии за компенсиране на реактивната мощност и асинхронно подаване на енергия в мрежата. Работата с тях, в сравнение с големите системи за мощност, е значително по-лесна, тъй като вградените статични и реактивно компенсиращи кондензатори могат да се използват за коригиране на фактора на мощността и понижаване на хармониците.

Индукционните генератори имат устойчиви конструктивни характеристики, които предоставят естествена защита срещу къси съединения и се отличават с ниски разходи в сравнение с други генератори. Резките промени в оборотите поради натоварване или промени в основния източник, които могат да се очакват при малки електроцентрали, се абсорбират от солиден ротор и пиковете в напрежението се омекотяват, без опасност от демагнетизиране, противоположно на генераторите с постоянен магнит.

Самовъзбуждащи се индукционни генератори

За своята работа индукционният генератор се нуждае от приемливо количество реактивна мощност, която трябва да бъде подадена външно, за да се създаде магнитното поле, необходимо за конвертирането на механичната мощност от неговия вал в електрическа. Поради тази причина, към навивките на статора, които са отговорни за управлението на изходното напрежение, трябва да има постоянно свързан външен реактивен източник. При свързани приложения синхронната мрежа подава такава реактивна мощност. При самостоятелните приложения реактивната мощност трябва да бъде подадена от самия товар или от група кондензатори, които са свързани към неговите клеми или от електронен инвертор. Когато към индукционния генератор бъдат свързани кондензатори, системата обикновено се нарича SEIG (самовъзбудждащ се индукционен генератор). Когато валът се върти външно, това движение взаимодейства с остатъчното магнитно поле и индуцира напрежение по външния кондензатор, което води до ток в паралелна верига. Той, от своя страна, подсилва магнитното поле и системата натрупва повишено възбуждане. Поради високата цена на кондензаторите и необходимостта от поддръжка, самовъзбудимостта на индукционния генератор се препоръчва от икономическа гледна точка само за малки електроцентрали.

Когато няколко SEIG системи работят свързано, всяко индукционно устройство изисква определен брой кондензатори в зависимост от основната енергия, магнитизиращата крива на вътрешния магнитопровод и моментния товар. Така че взаимодействието между работното състояние на основния източник на енергия с индукционния генератор, параметрите за самовъзбудимост и товара, определят цялостната производителност на електроцентралата.

Производителността се влияе най-вече от променливостта на някои параметри, които са свързани с наличността на основна енергия и промените на товара.

Индукционни генератори с двойно захранване

Индукционният генератор с двойно захранване (DFIG) обикновено се използва за приложения с висока мощност. DFIG представлява устройство с навит ротор, в което веригата на ротора е свързана към външно променливо напрежение и честотен източник чрез контактни пръстени, а статорът е свързан към електрическата мрежа. Този тип генератори предлагат възможност за промяна на реактивното съпротивление на ротора чрез ефективната модулация на някои индуктори в сериите спрямо оригиналното реактивно съпротивление на ротора.

Регулирането на честотата на външния източник на ток за ротора управлява оборотите на индукционния генератор с двойно захранване.

Устройствата с двойно захранване не бяха много популярни в миналото поради необходимата поддръжка на контактните пръстени. Наскоро, с развитието на материалите, мощните цифрови контролери и силовата електроника, индукционният генератор с двойно захранване стана подходящо решение при генерирането на мощност до няколкостотин kW.

Както бе споменато, управлението на индукционните генератори с двойно захранване може да се осъществи или чрез променливите на статора или на ротора. Контролируемите променливи на статора са броят на полюсите, напрежението и честотата. Променливите на кафезните ротори могат да бъдат проектното съпротивление, проектното реактивно съпротивление и оборотите. Индукционният генератор с двойно захранване се влияе от втората мощност на напрежението от мрежата и контролируемите промени са ток, напрежение, честота и изместване на фаза на напрежение по отношение на ъгъла на напрежението на статора.

Работа в мрежа и самостоятелна работа

Когато е директно свързан към разпределителна мрежа, индукционният генератор трябва да променя своите обороти (да бъдат повишени до или над синхронната скорост). Абсорбираната механична мощност при синхронни обороти е достатъчна, за да устои на механично триене и съпротивлението на въздуха. Ако оборотите бъдат повишени малко над синхронните обороти, се случва регенеративна реакция, но все още без да бъде подавана енергия към разпределителната мрежа. Това се случва само, когато токът с демагнетизиращ ефект на ротора бъде балансиран от статорен компонент, който може да подава и компенсира собствените си загуби и освен това да подава мощност към външен товар. При свързване или изключване от електроразпределителната мрежа трябва да се вземе предвид, че има интервал на въртене над синхронните обороти, при който ефективността е много ниска. Този ефект се предизвиква от фиксираните загуби, свързани с ниското ниво на генерирана мощност и въртящ момент при ниски обороти. Друг аспект, който има отношение, е максималното въртене. В този момент трябва да се случи изключване от мрежата, така че контролната система да реагира като спирачка за турбината при работа с контрол на оборотите.

Изключването трябва да бъде извършено за осигуряване на електрическата безопасност на генератора в случай на неизправност на контролната спирачка, както и за обезопасяването на екипите по поддръжка на местната електроразпределителна компания.

В случай на самостоятелна работа магнетизиращият ток ще бъде получен от процеса на самовъзбуждане. Механичната енергия на въртене може да повлияе само на активния компонент на тока без да има влияние върху реактивния компонент.

Ако индукционният генератор е паралелен на синхронно устройство, възбуждането зависи от относителната скорост между тях, така че подаденият ток на късо съединение зависи от пада на напрежението, създаден по клемите на синхронния генератор. Ако напрежението по клемите падне до нула, токът на късо съединение в постоянно състояние е нула. Индукционният генератор потиска колебанията, стига да не трябва да работи при синхронна скорост. Цялата промяна на товара се следва от промяна на скоростта и малко изместване на фазата, сходно със синхронните генератори.

Системи за децентрализирани приложения

Както беше споменато, нуждите на индукционните генератори от реактивна мощност при използване от отдалечени потребители, не могат да бъдат покрити от мрежата и трябва да се използват други източници. Един от възможните източници е паралелно свързан с генератора трифазен кондензатор, който му позволява да работи самовъзбудимо. Друг източник може да бъде кондензатор, свързан към DC шината на инвертор. Тази разстановка ще може да стартира генератора, стига да има начално напрежение в кондензатора. По-надежден начин за стартиране се явява използването на акумулатор на DC шината, който може да подава напрежение, докато бъде генерирано достатъчно напрежение от генератора, за да се захрани DC шината.

След като генераторът започне да отдава напрежение, има няколко начина за използване на генерираната от него мощност. Така например, директно към клемите може да бъде свързан АС товар, но не трябва да се забравя, че напрежението и честотата на електрическата енергия на клемите зависят от оборотите. Към DC шината на инвертора може да бъде свързан DC товар, но трябва да се използва контролер, който да регулира напрежението на DC шината. Ако напрежението на DC шината падне прекалено много, напрежението, което се подава от машината, ще се срине и повече няма да може да подава мощност към консуматорите.

Освен че трябва да поддържа напрежението на шината постоянно, генераторът захранва както AC, така и DC консуматори. За да захрани АС консуматор с енергия, контролерът регулира напрежението на клемите на машината. Контролерът се опитва да поддържа напрежението на DC шината постоянно, но също така се опитва да регулира и напрежението на клемите на машината, за да захрани АС консуматора с постоянно напрежение. Напрежението на АС шината може да се контролира индиректно чрез програмирането на потока на статора на машината.

Напрежението на клемите е пропорционално на оборотите на ротора, умножено по потока. За да се поддържа напрежението на клемите постоянно, произведението на оборотите и потока трябва да остане константа.