Вятърни генератори с двойно захранване

Произведената от вятърните централи електрическа енергия е с променлива честота, зависеща от скоростта на въртене на ротора. Преди да се подаде към мрежата, честотата на произведената електроенергия се преобразува до мрежовата. Използват се различни конфигурации, базирани на синхронни или асинхронни генератори. Сред технологиите, намерили широко приложение в практиката, са системите с двойно захранен асинхронен генератор (doubly fed induction generator). DFI генераторите предлагат почти всички предимства на задвижванията с променлива скорост, но при тях мощностният инверторен блок преработва само 20-30% от цялата произведена енергия. Загубите в силовите електронни инвертори са значително по-малки в сравнение със системите, в които пълната мощност се отдава в електроенергийната система през инвертора. Освен това разходите за производството на инвертора са много по-малки. Двойно захраненият асинхронен генератор има по-ограничен скоростен диапазон, но той е достатъчен, за да покрие изброените предимства. Сред фирмите, които произвеждат вятърни турбини със система DFIG, са DeWind, GE Energy, Nordex, Vestas и др.

Принцип на действие на DFIG система

DFIG системата се състои от вятърна турбина за променлива скорост с двойно захранен асинхронен генератор. При този тип машини статорът е директно свързан към мрежата, а роторната намотка е свързана чрез плъзгащи контактни пръстени към инверторен блок.

Инверторният блок се състои от два инвертора обърнати "гръб с гръб". Условно, инверторите се разделят на "инвертор от страна на генератора" и "инвертор от страна на мрежата". Променливотоковите им страни са свързани съответно към генератора и към мрежата, а постояннотоковите им вериги се свързват една към друга. Между инверторите се монтира кондензаторна батерия, в която се запасява енергия за изглаждане на пулсациите на напрежението. С инвертора от страна на генератора може да се управлява въртящият момент, скоростта на ротора, факторът на мощността на изводите на статорните намотки. Основната задача на инвертора от страната на мрежата е да зарежда кондензаторната батерия.

Ограничаване на магнитните загуби на генератора

При ниски стойности на скоростта на вятъра е възможно да се намали магнитният поток, което води до намаляване на магнитните загуби и, съответно, до по-добра ефективност. В DFIG системите статорът е свързан с електроразпределителната мрежа и, съответно, стойността на магнитния поток зависи от напрежението на статора. Разработени са два основни метода за намаляване на магнитните загуби във ветрогенераторите със системи DFIG. При първия от тях при ниски скорости на вятъра статорната верига се свързва на късо и цялата произведена мощност от турбината преминава през инверторния блок. Този метод е познат като „късо съединена DFIG система”. При втория метод при високи скорости на вятъра статорната верига се свързва в триъгълник, а при ниски скорости - се свързва в звезда. Той е познат като „свързване звезда-триъгълник на DFIG система”. Целта на двата метода е да се повиши ефективността на системата. Превключването на статорните намотки от звезда в триъгълник (или обратното) се осъществява от устройство, монтирано в статорната верига. След затварянето на ключа машината се синхронизира с мрежата. Синхронизацията на асинхронния генератор с мрежата зависи от производствената мощност на машината. Ветрогенераторите с малка мощност РН Ј 250 kW, UН = 0.4 kV се включват директно към електроразпределителната система. Синхронизацията се осъществява, като машината се стартира в двигателен режим и след достигане на определени обороти преминава в генераторен режим. В други машини от същия клас се използва синхронизиращо реле. Неговата настройка позволява да се синхронизира с грешка до ±1-2%, което е в границите на допустимото. Съвременните ветрогенератори с мощност от няколко мегавата също се стартират в двигателен режим, но за ограничаване на пусковите токове се използва софтстартер. След синхронизация софтстартерът се шунтира.

Съществува вариант на DFIG, който използва контролируеми външни роторни съпротивления, но при този метод енергията се разсейва в областта на външните роторни съпротивления и не е възможно да се контролира реактивната мощност.

Управление на DFIG

Управлението на индукционните генератори с двойно захранване може да се осъществи чрез променливите на статора или на ротора. Контролируемите променливи на статора са броят на полюсите, напрежението и честотата. Променливите на ротора могат да бъдат проектното съпротивление, проектното реактивно съпротивление и оборотите. Управлението на роторните ток и напрежение позволява на генератора да остане в синхрон с мрежата независимо от промените на скоростта на въртене на лопатките. По този начин по-ефективно се оползотворяват промените в скоростта на вятъра, а работният диапазон от 30%, в който това е възможно, се оказва доста приемлив.

Децентрализирани приложения

При децентрализираните приложения нуждите на индукционните генератори от реактивна мощност 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.

Предимства и приложения

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 мощности от ветроенергийни съоръжения.

В сравнение със синхронните генератори с постоянни магнити (PMSG), асинхронните генератори с двойно захранване имат почти същите енергийни характеристики, но тяхното основно предимство е по-ниската им себестойност и по-висока надеждност.

Освен това осигуряват по-голяма стабилност на електроразпределителната мрежа и подпомагат нейното възстановяване след напреженови пулсации. Системите DFIG намират широко приложение не само във ветроенергетиката. Те успешно се използват и в дизелгенераторите, помпените инсталации за съхраняване на енергия и др.