Ветряная турбина с регулируемой скоростью

Ветряная турбина с регулируемой скоростью – это турбина, специально разработанная для работы в широком диапазоне скоростей ротора. Это прямая противоположность ветряной турбине с фиксированной скоростью , где скорость ротора примерно постоянна. Причиной изменения скорости ротора является получение максимальной аэродинамической силы ветра, поскольку скорость ветра меняется. Аэродинамическая эффективность, или коэффициент мощности, $C_{p}$ для фиксированного угла наклона лопастей получается при работе ветряной турбины с оптимальным соотношением скорости кончика и скорости, как показано на следующем графике.

Передаточное отношение наконечника к скорости определяется следующим выражением:

$\lambda ={\frac {\omega R}{v}}$

где $\omega$ - скорость ротора (в радианах в секунду), $R$ - радиус ротора, а $v$ это скорость ветра. Поскольку скорость ветра меняется, скорость ротора должна изменяться для поддержания максимальной эффективности.

Фон

До того, как возникла необходимость подключения ветряных турбин к сети, лишь немногие турбины имели фиксированную скорость. Это не было проблемой, поскольку турбины не нужно было синхронизировать с частотой сети.

Все ветряные турбины, подключенные к сети, от первой в 1939 году до разработки ветряных турбин с регулируемой скоростью, подключенных к сети, в 1970-х годах, были ветряными турбинами с фиксированной скоростью.По состоянию на 2003 год почти все ветряные турбины, подключенные к сети, работали с точно постоянной скоростью (синхронные генераторы) или в пределах нескольких процентов от постоянной скорости (асинхронные генераторы).

История

Ветряная турбина Gamma 60 1,5 МВт - двухлопастная турбина с регулируемым рысканьем мощностью , дальнейшая разработка которой ведется компанией Seawind Ocean Technology BV, была первой в мире ветряной турбиной с регулируемой скоростью и качающимся шарниром.

Диаграммы крутящего момента и скорости вращения ротора

Для ветряной турбины собранная мощность определяется по следующей формуле:

$P={\frac {1}{2}}\rho \pi R^{2}v^{3}C_{p}(\lambda )$

где $P$ аэродинамическая мощность и $\rho$ это плотность воздуха. Коэффициент мощности представляет собой представление того, какая часть доступной мощности ветра улавливается ветряной турбиной, и его можно посмотреть на графике выше.

Крутящий момент, $Q$, на валу ротора определяется отношением отбираемой мощности к скорости ротора:

$Q={\frac {P}{\omega }}$

Таким образом, мы можем получить следующие выражения для крутящего момента и мощности:

$P={\frac {1}{2\lambda ^{3}}}\rho \pi R^{5}\omega ^{3}C_{p}(\lambda )$

и

$Q={\frac {1}{2\lambda ^{3}}}\rho \pi R^{5}\omega ^{2}C_{p}(\lambda )={\frac {1}{2\lambda }}\rho \pi R^{3}v^{2}C_{p}(\lambda )$

Из приведенного выше уравнения мы можем построить диаграмму крутящего момента и скорости для ветряной турбины. Он состоит из нескольких кривых: кривая постоянной мощности, которая отображает взаимосвязь между крутящим моментом и скоростью ротора для постоянной мощности (зеленая кривая); кривые постоянной скорости ветра, которые отображают зависимость между крутящим моментом и скоростью ротора при постоянной скорости ветра (пунктирные серые кривые); и кривые постоянной эффективности, которые отображают взаимосвязь между крутящим моментом и скоростью ротора для постоянной эффективности, $C_{p}$. Эта схема представлена ​​ниже:

Примечания

Зеленая кривая: график мощности = номинальной мощности, так что $P=Q\omega$

Серая кривая: скорость ветра считается постоянной, поэтому $Q\propto \omega ^{2}C_{p}(\lambda )$

Синяя кривая: постоянная $C_{p}(\lambda )$ так что $Q\propto \omega ^{2}$

Силы лезвия

Для получения дополнительной информации см. Теорию импульса элемента лопасти.

Рассмотрим следующий рисунок:

Это изображение скорости вымпельного ветра, видимой с помощью лопасти (слева на рисунке). На скорость вымпельного ветра влияют как скорость набегающего потока воздуха, так и скорость ротора. Из этого рисунка мы видим, что оба угла $\theta$ и кажущаяся скорость ветра $W$ являются функциями скорости ротора, $\omega$. В более широком смысле, подъемная сила и силы сопротивления также будут функциями $\omega$. Это означает, что осевые и тангенциальные силы, действующие на лопасть, меняются в зависимости от скорости ротора. Сила в осевом направлении определяется следующей формулой:

Стратегии эксплуатации ветряных турбин с регулируемой скоростью

Стойло регулируется

Как обсуждалось ранее, ветряная турбина в идеале должна работать с максимальной эффективностью при мощности ниже номинальной. После достижения номинальной мощности мощность ограничивается. Это происходит по двум причинам: номинальные характеристики оборудования трансмиссии, такого как генератор; и во-вторых, для уменьшения нагрузки на лопасти. Таким образом, стратегию эксплуатации ветряной турбины можно разделить на компонент субноминальной мощности и компонент номинальной мощности.

Ниже номинальной мощности

При мощности ниже номинальной ветряная турбина в идеале будет работать таким образом, чтобы $C_{p}=C_{p~max}$. На диаграмме скорости ротора это выглядит следующим образом:

где черная линия представляет собой начальный раздел стратегии эксплуатации ветряной турбины с регулируемой скоростью и остановкой. В идеале мы хотели бы оставаться на кривой максимальной эффективности до тех пор, пока не будет достигнута номинальная мощность. Однако по мере увеличения скорости ротора уровень шума увеличивается. Чтобы противостоять этому, скорость ротора не может превышать определенное значение. Это показано на рисунке ниже:

Номинальная мощность и выше

Как только скорость ветра достигнет определенного уровня, называемого номинальной скоростью ветра, турбина не сможет производить больший уровень мощности при более высоких скоростях ветра. Ветряная турбина с регулируемой частотой вращения и сваливанием не имеет механизма наклона. Однако скорость ротора является переменной. Скорость ротора можно увеличить или уменьшить с помощью контроллера соответствующей конструкции. На рисунке, показанном в разделе сил лопастей, очевидно, что угол между скоростью вымпельного ветра и плоскостью вращения зависит от скорости ротора. Этот угол называется углом атаки .

Коэффициенты подъемной силы и сопротивления аэродинамического профиля связаны с углом атаки. В частности, на больших углах атаки аэродинамический профиль глохнет . То есть лобовое сопротивление существенно увеличивается. Подъемная сила и силы сопротивления влияют на выработку энергии ветряной турбиной. В этом можно убедиться из анализа сил, действующих на лопасть при взаимодействии воздуха с лопастью (см. следующую ссылку ). Таким образом, принудительная остановка крыла может привести к ограничению мощности.

Таким образом, можно установить, что если необходимо увеличить угол атаки, чтобы ограничить выработку мощности ветряной турбины, необходимо уменьшить скорость ротора. Опять же, это видно из рисунка в разделе сил на лопастях. Это также можно увидеть из рассмотрения диаграммы крутящий момент-скорость ротора. Что касается приведенной выше диаграммы крутящего момента и скорости ротора, за счет снижения скорости ротора при высоких скоростях ветра турбина входит в зону срыва, что приводит к некоторому ограничению выходной мощности.

Регулируемый шаг

Таким образом, регулирование шага позволяет ветряной турбине активно изменять угол атаки воздуха на лопасти. Это предпочтительнее, чем ветряная турбина с регулируемым остановом, поскольку она обеспечивает гораздо больший контроль выходной мощности.

Ниже номинальной мощности

Как и в случае с ветряной турбиной с регулируемой скоростью с остановкой, первоначальная стратегия работы заключается в работе на $C_{p~max}$ изгиб. Однако из-за таких ограничений, как уровень шума, это невозможно для всего диапазона скоростей ветра ниже номинальной. При скорости ветра ниже номинальной применяется следующая стратегия эксплуатации:

Выше номинальной мощности

При превышении номинальной скорости ветра применяется механизм тангажа. Это обеспечивает хороший уровень контроля над углом атаки и, следовательно, над крутящим моментом. Все предыдущие диаграммы крутящего момента и скорости ротора представляют собой графики, когда угол наклона $\beta$, равен нулю. Можно построить трехмерный график, включающий изменения угла наклона.

В конечном итоге на двумерном графике при скорости ветра выше номинальной турбина будет работать в точке, отмеченной знаком «x» на диаграмме ниже.

Редукторы

Вариатор может иметь или не иметь коробку передач, в зависимости от желания производителя. Ветровые турбины без редукторов называются ветряными турбинами с прямым приводом. Преимущество редуктора заключается в том, что генераторы обычно проектируются так, чтобы ротор вращался внутри статора с высокой скоростью. Ветряные турбины с прямым приводом не обладают этой особенностью. Недостатком коробки передач является надежность и частота отказов.

Примером ветряной турбины без редуктора является Enercon E82.

Генераторы

Для ветряных турбин с регулируемой скоростью можно использовать один из двух типов генераторов: DFIG (асинхронный генератор с двойным питанием) или FRC (преобразователь полной мощности).

Генератор DFIG потребляет реактивную мощность из системы передачи; это может повысить уязвимость системы передачи в случае сбоя. Конфигурация DFIG потребует, чтобы генератор был ротором с фазным ротором; короткозамкнутые роторы в такой конфигурации использовать нельзя.

Полностью номинальный преобразователь может быть либо индукционным генератором, либо генератором с постоянными магнитами. В отличие от DFIG, FRC может использовать в генераторе короткозамкнутый ротор; Примером этого является Siemens SWT 3.6-107, который называют «рабочей лошадкой» в отрасли. Примером генератора с постоянными магнитами является Siemens SWT-2.3-113. Недостатком генератора с постоянными магнитами является стоимость материалов, которые необходимо включить в его состав.

Сетевые соединения

Рассмотрим ветряную турбину с регулируемой скоростью и синхронным генератором с постоянными магнитами. Генератор производит электричество переменного тока. Частота переменного напряжения, генерируемого ветряной турбиной, является функцией скорости ротора внутри генератора:

$N={\frac {120f}{P}}$

где $N$ - скорость ротора, $P$ - число полюсов генератора, а $f$ — частота выходного напряжения. То есть, когда скорость ветра меняется, скорость ротора меняется, и поэтому меняется частота напряжения. Эту форму электроэнергии нельзя напрямую подключить к системе передачи. Вместо этого его необходимо скорректировать так, чтобы его частота была постоянной. Для этого используются преобразователи мощности, что приводит к отсоединению ветряной турбины от системы передачи. По мере того как в национальную энергосистему включается больше ветряных турбин, инерция уменьшается. Это означает, что на частоту системы передачи сильнее влияет потеря одного генерирующего агрегата.

Преобразователи мощности

Как уже упоминалось, напряжение, генерируемое ветряной турбиной с регулируемой скоростью, не соответствует требованиям сети. Чтобы обеспечить сеть передачи электроэнергией от этих турбин, сигнал должен быть пропущен через преобразователь мощности, который гарантирует, что частота напряжения электроэнергии, генерируемой ветряной турбиной, равна частоте системы передачи, когда она передается в систему передачи. Преобразователи мощности сначала преобразуют сигнал в постоянный ток, а затем преобразуют сигнал постоянного тока в сигнал переменного тока. Используемые методы включают широтно-импульсную модуляцию .