Ветровые ЭС

Внимание: АВР не позволяет работать сети одного объекта одновременно от двух разных источников питания! Инвертор – преобразовывает ток из постоянного, который накапливается в аккумуляторных батареях, в переменный, который потребляет большинство электроприборов. Инверторы бывают четырёх типов:

Модифицированная синусоида – преобразовывает ток в переменный с напряжением 220В с модифицированной синусоидой (квадратная синусоида). Пригоден только для оборудования, которое не чувствительно к качеству напряжения: освещение, обогрев, заряд устройств и т.п.

Чистая синусоида - преобразовывает ток в переменный с напряжением 220В с чистой синусоидой. Пригоден для любого типа электроприборов: электродвигатели, медицинское оборудование и др.

 Трехфазный  – преобразовывает ток в трехфазный с напряжением 380В. Можно использовать для трехфазного оборудования.

Сетевой – в отличие от предыдущих типов позволяет системе работать без аккумуляторных батарей, но его можно использовать только для вывода электроэнергии в общественную электросеть.

 Их  стоимость, обычно, в несколько раз  превышает стоимость несетевых  инверторов. Иногда они стоят  дороже, чем все остальные компоненты  ветроустановки вместе взятые. Принципиальная электрическая схема взаимодействия ВЭУ и различных устройств может совершенствоваться бесконечно.

Схемы работы ветрогенератора.

 

 Приведу  несколько популярных схем работы  ветрогенераторных систем с потребителем. Это всего лишь некоторые примеры, поэтому возможны и другие схемы работы. В каждом случае составляется индивидуальный проект, который способен решить поставленную перед задачу. Базовая схема включает в себя ВЭУ, инвертор, батареи, дизель-генератор(Рис.1). Схема может использовать двойное преобразование от дизель-генератора и сети (переменный – постоянный – переменный ток) для подачи бесперебойного питания потребителю. В этом случае потребитель не чувствует даже малейших перепадов в питании при переключении с одного источника питания на другой (например, с ветроустановки на дизель-генератор и т.д.).

Рис. 1 - Схема ВЭУ с резервным дизель - генератором и аккумуляторами

САП - Система автоматического пуска бензогенератора

БП - Блок питания или преобразователь напряжения

Для обеспечения максимальной защиты от перебоев в питании ветрогенератор можно использовать совместно с дизельным, бензиновым или газовым генератором.

В такой схеме ветрогенератор является основным источником питания, а дизельный генератор – вспомогательным. В обычном режиме ветрогенератор заряжает аккумуляторы, от которых питается нагрузка. Если во время активного потребления электроэнергии наступает длительный штиль и аккумулированной энергии оказывается недостаточно, то включается резервный генератор. Подчеркнем, что резервный генератор работает, как и ветровой, на заряд аккумуляторов, чтобы всегда  находиться в режиме максимальной мощности, при котором обеспечивается лучший КПД. За счет этого достигается значительная экономия топлива. После того, как аккумуляторы заряжены или появляется ветер, резервный генератор отключается. Таким образом, при сочетании ветрового и дизельного генераторов или сети потребитель получает максимальную надежность при минимальных затратах на топливо. Другая схема (Рис.2) может использовать прямое (by-pass) питание для подачи бесперебойного питания потребителю. В этом случае при переключении источников питания (например, с ветроустановки на дизель-генератор и т.д.) чувствуется незначительное падение напряжение. Аналогично работает бесперебойный блок питания для компьютера.

 

Рис.2 – Схема ВЭУ с прямым питанием

 

Фиксирование скорости ветровой турбины.

 

Рис. 3 показывает классическую схему: турбина – коробка передач – асинхронный генератор – объединенная энергосистема, широко используемую в 80-ых годах. Она проста, надежна и очень хорошо зарекомендовала себя на практике. Многие из ветряных турбин, установленных в течение 1980-ых и 1990- ых, имели эту схему и все еще работают. В этой схеме генератор имеет короткозамкнутый ротор и, в связи с неизбежным скольжением, скорость изменяется незначительно от силы ветра, таким образом, скорость не является строго постоянной. Скольжения обеспечивает определенную степень сглаживания электроэнергии во время порывистого ветра, что имеет преимущество для снижения нагрузок в механической трансмиссии. Генератор должен быть непосредственно подключен к сети (без контроля скорости), устройства плавного пуска, как правило, требуется в целях ограничения токов и крутящего момента во время пуска. Устройство плавного пуска не является преобразователем как таковым, а просто ограничивает скачок тока, необходимого асинхронному генератору в целях создания вращающегося магнитного поля при первом подключении к сети.

Рис.3 – Прямое подключение короткозамкнутого асинхронного генератора.

Рис.  4  показывает  питание  –  электронное  устройство  плавного  пуска, состоящее  из  трех  пар  антипараллельных  тиристоров.  Сначала,  тиристоры включаются  в  самом  конце  цикла  для  того,  чтобы  были  небольшие  токи.

Постепенно, включение происходит чуть раньше, до тех пор, пока тиристоры не будет работать непрерывно, в это время коробка передач переключает генератор с низких на высокие обороты и он начинает работать на  скорости ω1. Несколько датских производителей широко использовали эту схему в 1980-ых и 1990-ых.

 

Рис.  4  электронное  устройство  плавного  пуска.

Изменение скольжения ветряной турбины.

 

Короткозамкнутый ротор, используется в ветряных турбинах фиксированной скорости,  описанных  выше,  является  очень  экономичным,  устойчивым  и надежным. У них  есть маленькое сопротивление, которое в значительной степени определяет вращающий момент – скоростную характеристику и, следовательно, величину  скольжения.  Чем  больше  беличье  колесо  у  асинхронных  машин,  тем ниже  сопротивление  ротора  и  поэтому  меньше  скольжение.  Это  уменьшает соответствие  между  механическими  и  электрическими  системами,  которое  не желательно  в  ветряных  турбинах.  Номинальный  крутящий  момент  может  быть развит на различных скоростях за счет увеличивая сопротивление ротора от Rr до RR′  а  затем  Rr''.  Это  может  быть  легко  достигнуто  путем  введения  внешних переменных резисторов через контактные кольца ротора асинхронного двигателя.

Управление  скоростью  осуществляемое  таким  образом,  даёт  недопустимое сокращение  эффективности.  Этот  режим  управления  мог  быть  исключён  как бесполезный в ветряных двигателях, тем не менее, производитель использовал его разумно и успешно для повышения производительности.

  В ветряной турбине сопротивлением можно управлять динамически, чтобы учесть  порывы  ветра.  Во  время  порыва  сопротивление  увеличивается,  что  даёт небольшое  (отрицательное)  скольжение;  скорость  вращения  немного увеличивается  и  энергия  поглощается  инерцией.  После  порыва,  сопротивление уменьшается,  что  переводит  скорость  назад  в  нерабочее  состояние  и  энергия подаётся  в  сеть  в  течение  более  длительного  периода  времени.  Такая  схема   изображена  на  рис.  5.  Если  бы  эта  схема  применялась  между  падениями    и номинальной  скоростью,  энергия  была  бы  необратимо  рассеяна  во  внешних резисторах. Однако, если эта схема применяется в период, когда средняя скорость ветра  выше  номинальной  т.  е.  когда  энергия  ветра  может  быть  потеряна  без экономических затрат, что в результате дает выгоду. 

 

Рис.  5 Vestas OptiSlip регулировка сопротивления ротора.

В схеме Vestas OptiSlip, специально разработанный асинхронный генератор оснащен  вращающейся  встроенной  электроникой  и  резисторами  на  валу,  таким образом  избавляя  от  скольжения  -  кольца  и  щетки.  Здесь  механизм  управления заботится о более длительных изменениях ветра, в то время как система OptiSlip заботится о более быстрых изменениях из-за порывов ветра. Выходная мощность поддерживается  на  уровне  номинального  значения,  скорости  могут  изменяться  между 1 и 10%-ым диапазоном скольжения. Принцип регулируемого скольжения не  увеличивает  получение  энергии,  но  повышает  качество  вырабатываемой электроэнергии  и  снижает  усилия  в  трансмиссии  ветряной  турбины,  что  имеет большое значение.

 

Экономические аспекты ветроэнергетики.

 

Основная часть стоимости ветроэнергии определяется первоначальными расходами на строительство сооружений ВЭУ (стоимость 1 кВт установленной мощности ВЭУ ~$1000).

Экономия топлива

Ветряные генераторы в процессе эксплуатации не потребляют ископаемого топлива. Работа ветрогенератора мощностью 1 МВт за 20 лет позволяет сэкономить примерно 29 тыс. тонн угля или 92 тыс. баррелей нефти.

Себестоимость электроэнергии

Себестоимость электричества, производимого ветрогенераторами, зависит от скорости ветра.

Скорость ветра	Себестоимость (для США, 2004 год)
7,16 м/c	4,8 цента/кВт·ч;
8,08 м/с	3,6 цента/кВт·ч;
9,32 м/с	2,6 цента/кВт·ч.

Для сравнения: себестоимость электричества, производимого на угольных электростанциях США, 4,5 — 6 цента/кВт·ч. Средняя стоимость электричества в Китае 4 цента/кВт·ч.

При удвоении установленных мощностей ветрогенерации себестоимость производимого электричества падает на 15 %. Ожидается, что себестоимость ещё снизится на 35—40 % к концу 2006 г. В начале 80-х годов стоимость ветряного электричества в США составляла $0,38.

В марте 2006 года Earth Policy Institute (США) сообщил о том, что в двух районах США стоимость ветряной электроэнергии стала ниже стоимости традиционной энергии. Осенью 2005 года из-за роста цен на природный газ и уголь стоимость ветряного электричества стала ниже стоимости электроэнергии, произведённой из традиционных источников. Компании Austin Energy из Техаса и Xcel Energy из Колорадо первыми начали продавать электроэнергию, производимую из ветра, дешевле, чем электроэнергию, производимую из традиционных источников.

Экономика ветроэнергетики в России

В большинстве регионов России среднегодовая скорость ветра не превышает 5 м/с, в связи с чем привычные ветрогенераторы с горизонтальной осью вращения практически не применимы — их стартовая скорость начинается с 3-6 м/с, и получить от их работы существенное количество энергии не удастся. Однако на сегодняшний день все больше производителей ветрогенераторов предлагают т. н.роторные установки, или ветрогенераторы с вертикальной осью вращения. Принципиальное отличие состоит в том, что вертикальному генератору достаточно 1 м/с чтобы начать вырабатывать электричество. Развитие этого направления снимает ограничения по использованию энергии ветра в целях электроснабжения. Наиболее прогрессивная технология — сочетание в одном устройстве генераторов двух видов — вертикального ветрогенератора и ФЭМ (фото-электрические модули) — солнечные панели. Дополняя друг друга, совместно они гарантируют производство достаточного количества электроэнергии на любых территориях и в любых климатических условиях. Достаточных, например, для уличного освещения или питания объектов инженерно-технической инфраструктуры (базовые станции сотовой связи, пункты наблюдения, погодные и метео-станции и так далее).

Другие экономические проблемы

Ветроэнергетика является нерегулируемым источником энергии. Выработка ветроэлектростанции зависит от силы ветра — фактора, отличающегося большим непостоянством. Соответственно, выдача электроэнергии с ветрогенератора в энергосистему отличается большой неравномерностью как в суточном, так и в недельном, месячном, годовом и многолетнем разрезах. Учитывая, что энергосистема сама имеет неоднородности нагрузки (пики и провалы энергопотребления), регулировать которые ветроэнергетика, естественно, не может, введение значительной доли ветроэнергетики в энергосистему способствует её дестабилизации. Понятно, что ветроэнергетика требует резерва мощности в энергосистеме (например, в виде газотурбинных электростанций), а также механизмов сглаживания неоднородности их выработки (в виде ГЭС или ГАЭС). Данная особенность ветроэнергетики существенно удорожает получаемую от них электроэнергию. Энергосистемы с большой неохотой подключают ветрогенераторы к энергосетям, что привело к появлению законодательных актов, обязующих их это делать.

Проблемы в сетях и диспетчеризации энергосистем из-за нестабильности работы ветрогенераторов начинаются после достижения ими доли в 20-25 % от общей установленной мощности системы. Для России это будет показатель, близкий к 50 тыс. — 55 тыс. МВт.

Небольшие единичные ветроустановки могут иметь проблемы с сетевой инфраструктурой, поскольку стоимость  линии блектропередачи и распределительного устройства для подключения к энергосистеме могут оказаться слишком большими.

Проблема частично решается, если ветроустановка подключается к местной сети, где есть энергопотребители. В этом случае используется существующее силовое и распределительное оборудование, а ВЭС создаёт некоторый подпор мощности, снижая мощность, потребляемую местной сетью извне. Трансформаторная подстанция и внешняя линия электропередачи оказываются менее нагруженными, хотя общее потребление мощности может быть выше.

Крупные ветроустановки испытывают значительные проблемы с ремонтом, поскольку замена крупной детали (лопасти, ротора и т. п.) на высоте более 100 метров является сложным и дорогостоящим мероприятием.

 

Экономика малой ветроэнергетики.

 

В России считается, что применение ветрогенераторов в быту для обеспечения электричеством малоцелесообразно из-за:

Высокой стоимости инвертора ~ 50 % стоимости всей установки (применяется для преобразования переменного или постоянного тока получаемого от ветрогенератора в ~ 220В 50Гц (и синхронизации его по фазе с внешней сетью при работе генератора в параллель))