2.6. Схеми генерування електричної енергії вітроустановками
Вітроелектроустановки виробляють енергію як постійного, так і змінного струму для автономних або мережевих систем і будуються за такими схемами:
ротор – генератор постійного струму – споживач постійного струму та/або акумуляторна батарея;
ротор – генератор постійного або змінного струму – нагрівник та тепловий акумулятор;
ротор – генератор змінного струму – випрямляч – інвертор – споживач змінного струму сталої частоти;
ротор – генератор змінного струму (синхронний або асинхронний) – мережа навантаження.
Генерування постійного струму здійснюється на установках потужністю до 10 кВт. Електричні машини постійного струму містять колектор і щітковий контакт, що обмежує їх широку експлуатацію. Вони мають великий початковий момент опору і це ускладнює їх застосування в агрегатах з швидкохідними роторами (наприклад, в агрегаті потужністю 1,5 кВт цей момент досягає 0,8 кгм, унаслідок чого агрегат з трилопатевим ротором діаметром 4 м починає працювати тільки за швидкості вітру близько 6 м/с).
Для генерування змінного струму застосовують асинхронні та синхронні машини.
Асинхронний генератор має низку переваг, що полягають у простоті конструкції, високій надійності в експлуатації, нескладних схемах під’єднання на паралельну роботу з мережею та іншими джерелами електроенергії. Крім того, як генератор може застосовуватись асинхронний двигун. Асинхронний генератор є механічно міцною машиною, за якою потрібен мінімальний догляд. У разі короткого замикання ударний струм швидко затухає, що не спричиняє перегрівання та руйнування обмоток. Під час перевантаження генератор швидко втрачає збудження (і навіть розмагнічується), що також запобігає виходу його з ладу.
Принципову електричну схему подано на рис. 2.10.
Рис. 2.10. Схема при’єднання асинхронного генератора: D – привідний двигун (ротор вітроустановки); G – асинхронний генератор; C – батарея конденсаторів; QF – роз’єднувач; P – навантаження
Робота асинхронного генератора як автономного джерела живлення можлива тільки за умови подавання в обмотку статора реактивної потужності від батареї конденсаторів, приєднаних до кожної фази. У разі активного навантаження реактивна потужність, що надходить від конденсаторів, має дорівнювати реактивній потужності генератора (що дорівнює величині, необхідній для створення магнітного потоку). За активно-індуктивного навантаження реактивна потужність від конденсаторів має покривати також реактивну потужність навантаження. Така величина ємності конденсаторів значно збільшує вартість вітроустановки, що є недоліком.
Величину ємності конденсаторів за трьома фазами можна визначити (у разі вмикання трикутником) як мкФ:
,
де Q – реактивна потужність конденсатора, кВАр.
Для запобігання коливань напруги за зміни характеру навантаження (активне, індуктивне), слід передбачати комутацію частини конденсаторів.
Ще однією перевагою асинхронного генератора є те, що напруга на його виході має сталу частоту в разі зміни частоти обертів ротора в певних межах, і це надає йому більшої стійкості під час роботи на мережу, ніж під час застосування синхронних машин.
До недоліків належить менший рівень вироблення енергії, порівняно з синхронними машинами, що пов’язано з меншим коефіцієнтом потужності, зумовленим більшими струмами намагнічування (вони пропорційні квадрату напруги).
Іншими системами є застосування асинхронної машини з фазним ротором як асинхронного або синхронного генератора для найдоцільнішої реалізації позитивних характеристик обох типів. За дономінальних та номінальних швидкостей вітру машина працює як синхронний генератор із збудженням постійним струмом, що підводиться через контактні кільця до обмоток ротора. У разі поривчастих вітрів, машина переходить у режим асинхронного генератора з коротко замкненим ротором і використанням його допустимого діапазону ковзання. Перехід від синхронного до асинхронного режиму проходить із незначним перевантаженням за струмом. Під час оберненого переходу слід забезпечити такий режим, щоб викиди моменту та струму не були більшими за 0,5...0,8 % від номінального.
Синхронні генератори із самозбудженням від випрямлячів мають мінімальну кількість контактів, а також задовільну стійкість роботи в широкому діапазоні швидкості обертання. У разі роботи синхронного генератора з мережею, у випадках зниження швидкості вітру, він переходить у двигунний режим (і споживає енергію з мережі) або випадає із синхронізму, що є суттєвим недоліком цієї системи.
Синхронні генератори із збудженням від постійних магнітів застосовують переважно в автономних вітроелектроустановках. До їх переваг належить простота конструкції, надійність, неможливість контактів ковзання та обертання обмоток, непотрібність витрат енергії на збудження. Недоліком цих генераторів є складність регулювання та стабілізації напруги, обмежена гранична потужність через порівняно невелику питому енергію постійних магнітів. За конструкцією синхронні генератори з постійними магнітами виконуються з обертовими магнітами та нерухомими обмотками.
У разі конструювання автономних вітроелектроустановок, що приєднуються безпосередньо або з акумулювальними пристроями на навантаження, слід ураховувати умови допустимої втрати напруги під час пуску електрообладнання споживача, тому потужність генератора становитиме:
де Nв – потужність двигуна електроспоживача; k0 – коефіцієнт, що дорівнює 0,35 для привода з постійним і 0,9 – для привода з вентиляторним моментом.