ULOGA DVOSTRUKO NAPAJANOG ASINHRONOG GENERATORA U RADU VETROTURBINE PRI PROMENLJIVIM BRZINAMA (VARIABLE SPEED DRIVE)

Nikola Milivojević, Laboratorija za Mikroprocesorsko upravljanje elektromotornim pogonima Elektrotehnički fakultet u Beogradu

Sadržaj – Korišćenje energije vetra, kao obnovljivog izvora energije, u poslednjih 15 godina ima globalnu prosečnu stopu rasta od oko 25%. Vetrogeneratori koji generišu energiju pri promenljivim brzinama vetra (variable speed Wind Turbines), dominiraju nad onima koji rade na tradicionalan način, samo pri konstantnim brzinama vetra (stall Wind Turbines). To je iz razloga što mogu koristiti veću snagu vetra i prilagođavaju rad njegovoj promenjivoj brzini, i čak su 10-15% efikasniji. U radu će biti objašnjena kontrola i principi rada dvostruko napajanog indukcionog generatora u aplikaciji vetrogeneratora za rad pri promenljivim brzinama vetra (Doubly Fed Induction Generator in Variable Wind Turbine).

1. UVOD

Naftna kriza, s početka sedamdesetih godina XX veka, podstakla je razvoj alternativnih izvora koji koriste resurse energije kao što su vetar, sunce, geotermalni gas, biomasa i dr. Ipak, najbrži razvoj doživela je industrija vetrogeneratora. U Danskoj se, kao najrazvijenijoj zemlji Evrope u ovoj oblasti, trenutno iz vetrogeneratora dobija oko 20% električne energije, a instalisano je oko 3,120 MW, što čini trećinu instalisane snage. Ipak Nemačka drži primat u ukupnom instaliranom potencijalu u vetrogeneratorima (oko 15,000MW), što u odnosu na ukupnu instalisanu snagu u svetu iznosi nekih 36%. Iz značajnih ekoloških razloga, dogovorenih Kyoto sporazumom 1997. godine, Evropska agencija energije vetra (EWEA) planira za 2010. godinu ukupnu instalisanu snagu vetrogeneratora u Evropi od 75,000MW, dok za 2020. prognozira čak 180,000MW uz novčano ulaganje od nekoliko stotina milijardi evra [1].

Ukupna snaga u vetru data je izrazom:

32

21 vRP ⋅⋅⋅⋅= πρ (1)

i direktno zavisi od gustine vazduha ρ, zahvaćenoj površini rotora, i trećem stepenu brzine vetra. Međutim snaga iskorišćenja vetra je znatno manja i predstavljena izrazom:

pcvRP ⋅⋅⋅⋅⋅= 32

21 πρ (2)

gde figuriše koeficijent efikasnosti cp koji zavisi od ugla koji pravac vetra zaklapa sa elisama rotora (β), kao i od vršnog odnosa brzina (λ) koji je izražen formulom:

v

R ωλ ⋅= (3)

gde ω predstavlja brzinu obrtanja rotora (na strani generatora). Funkcija zavisnosti cp(λ) prikazana je slikom 1, gde se vidi da vetroturbina ima maksimalni stepen iskorišćenja pri određenoj vrednosti λopt. Održavanje vršnog odnosa brzina na vrednosti λopt moguće je vršiti kontrolom brzine rotora ω (iz jednačine 3), jer brzina vetra v nije predvidiva.

Postoje dve osnovne karakteristike vetroturbina od kojih zavisi upravljanje njihovim radom:

- metod ograničenja snage uzete iz vetra (ulazna snaga turbine), kada snaga vetra postaje veća od one za koju je generator projektovan, a to se može vršiti na 3 do sada poznata načina: stall, active stall ili pitch kontrolom.

- mogućnost vetroturbine da prilagodi brzinu rotora za vreme operacije generisanja električne energije, pa postoje vetroturbine koje rade pri samo jednim brzinama vetra (constant speed Wind Turbine), koje generišu energiju pri dve različite brzine vetra (two speed concept) i one koje rade kontinualno pri različitim brzinama vetra (variable speed concept).

Sl.1. Grafik zavisnosti koeficijenta efikasnosti od vršnog

odnosa brzina vetroturbine

Kada govorimo o prvoj karakteristici vetro-turbine (ograničenje maksimalne snage) u prvom slučaju, elise rotora su aerodinamički dizajnirane tako da pri većim brzinama vetra dolazi do pojave turbulencije koja smanjuje mehaničku snagu vetroturbine (stall efekat). Active stall kontrolom se zaokretanjem elisa rotora oko svoje uzdužne ose može uticati na pojavu stall efekta pri različitim brzinama vetra. Kod pitch kontrole, menjajući napadni ugao, koji pravac vetra zahvata sa površinom elisa, dolazi do regulacije obuhvaćene energije vetra s ciljem efikasne optimizacije generisanja električne energije.

Sl.2. Tipične karakteristike brzine rotora i mehaničke snage u zavisnosti od brzine vetra kod variable speed vetroturbina

Ako govorimo o principima rada vetroturbina pri jednoj, dve brzine vetra ili pri promenljivoj brzini vetra, važno je napomenuti da je poslednji princip značajnije efikasniji u iskorišćenju (čak 10-15% više generisane energije pri istim uslovima vetra). Povećanje efikasnosti se postiže tako što su vetroturbine u mogućnosti da startuju pri nižim brzinama vetra i povećavaju korisnu snagu sa povećanjem brzine vetra.

Zbornik radova XLVIII Konf za ETRAN, Čačak, 6-10 juna 2004, tom IProc. XLVIII ETRAN Conference, Čačak, June 6-10, 2004, Vol. I

254

Sinhroni generator sa permanentnim magnetima koji ima mogućnost promene velikog broja pari polova je jako pogodan za rad pri promenljivoj brzini vetra. Pogodnost se ogleda u tome što nije potreban reduktor (gearbox) koji predstavlja mehanički, neefikasni deo sistema vetro-turbine. Ipak, kao što je na slici 3 prikazano, koriste se tri pretvrača u glavnom kolu toka snage (dva invertora i jedan podizač napona), tako da su gubici nekih 2-3% generisane snage.

Sl.3. Sinhroni generator u konceptu rada vetroturbine pri

promenljivim brzinama vetra

Korišćenje asinhronog generatora sa kaveznim rotorom u variable speed sistemu je omogućeno posredstvom back-to-back punoupravljivog invertora koji takođe ima velike gubitke, a osim toga ovakav sistem sadrži reduktor, što dodatno čini sistem manje efikasnim (slika 4) [2].

Sl.4. Asinhroni generator sa kaveznim rotorom u konceptu rada vetroturbine pri promenljivim brzinama vetra

2. DVOSTRUKO NAPAJANI GENERATOR

Kao što smo primetili velika mana korišćenja sinhronog i asinhronog generatora sa kaveznim rotorom u generisanju el. energije pri promenljivim brzinama vetra je što imaju velike gubitke u pretvaračima. Jedan od načina da se ovi gubici smanje je upotreba asinhronom generatora sa namotanim rotorom (wound rotor Induction Generator).

Sada su trofazni klizni prstenovi montirani na vratilo rotora, stator je priključen na mrežu a karakteristiku momenat/brzina moguće je menjati koristeći se promenom vrednosti spoljašnjih otpornosti, koji su prstenovima vezani u kolo rotora. Ako umesto čiste otpornosti, na rotorski namotaj vežemo trofazni ispravljač, pa potom DC-DC pretvarač, kojim bi kontrolisali duty-ratio, onda možemo kontinualno menjati otpornost rotorskog namotaja. Ovo rešenje koristi kompanija VESTAS, a poznatije je pod nazivom Opti-slip, gde je za pravilnu kontrolu potrebno formirati dijagram radnog režima odnosa duty-ratio/brzina rotora [3].

Da se energija na dodatim otpornicima ne bi rasipala, moguće je snagu klizanja sa rotora povratiti u mehaničku ili električnu energiju. Struja sa rotora, preko prstenova, može biti dovedena na ispravljač, ali u motornom režimu rada kolo rotora ispravljač vidi kao čisto rezistivni otpor, dok ovo nije moguće kada mašina radi u generatorskom modu. Tako da ispravljena jednosmerna struja sa ispravljača može služiti za napajanje DC motora koji je vezan za vratilo dvostruko napajane mašine – metod povraćaja mehaničke snage (Kramer drive). Ali takođe ova ispravljena struja može da se

dovede na invertor, i na taj način vrati u mrežu (Scherbius drive).

Kramer drive se slabo koristi zbog svoje složenosti (dodatni DC motor) ali zato Scherbius drive i dalje ima primenu jer je njime moguća kontinualna regenerativna kontrola.

Princip rada dvostruko napajanog asinhronog vetrogeneratora je da su statorski namotaji vezani na mrežu (trofazno napajanje konstantne frekvencije) samo kada je brzina rotora blizu sinhrone, dok je kolo rotora uvek vezano na mrežu preko invertorskog pretvarača, odnosno, možemo reći da je vezano na trofazno napajanje promenljive frekvencije - slika 5.

Sl.5. Dvostruko napajani asinhroni vetrogenerator

Za manje generatorske brzine (oko 80%), generisana snaga od 20% se dostavlja sa mreže rotoru preko invertorske grupe, dok za brzine rotora od 120% generisana snaga od 20% se dostavlja mreži preko rotorskog kola. Znači da u stvari, kontrolom brzine rotora, pomoću invertorske grupe, možemo da kontrolišemo momenat ili snagu mašine [4].

Frekvencija rotora je jednaka frekvenciji statora pomnožena klizanjem mašine, dok je vrednost napona na rotorskim namotajima određena: vrednošću statorskog napona, klizanjem i prenosnim odnosom statorskog i rotorskog namotaja. S ciljem održanja faznog ugla napona statora, sve veličine su izražene na strani rotora (slika 6). Tada izlazni napon na pretvaraču, vezanim u kolo rotora, može biti sinhronizovan na napon statora. Amlituda i fazni ugao mogu biti kontrolisani da bi generisali željeni momenat pri bilo kojoj brzini.

Sl.6. Ekvivalentno kolo i fazorski dijagram kod dvostruko

napajanog asinhronog vetrogeneratora

Od promene brzine vetra vetro-turbine, zavisiće i fluktuacija momenta i snage vetrogeneratora. Fazorski dijagram struja, u odnosu na statorski napon je prikazan na slici 6, gde je zanemaren pad napona na statoru. Vidi se da je rezultujuća magnetizaciona struja I'm konstantna i normalna na napon statora Vs.

Ako model mašine prikažemo u d-q koordinatnom sistemu, odnosno razdvojimo upravljanje momentom i fluksom, što predstavlja vektorsku kontrolu (FOC – Field Oriented Control), a frekventni vektorski pretvarač snage koristimo kao strujni izvor (CSI – Current Source Inverter) onda možemo struju statora Is nezavisno da kontrolišemo, pri bilo kojoj frekvenciji.

255

Sada rotorsku struju I'r razdvojimo na d i q komponentu a sistem postavimo tako da u stvari I'dr komponenta struje utiče na fluks mašine, dok, s druge strane, I'qr komponentom struje kontrolišemo momenat mašine, po formuli:

drqrTe IIKT '' ⋅⋅= (4)

gde je KT konstanta u izrazu za momenat.

Pošto je stator vezan na mrežno napajanje, fluks mašine je određen naponom i frekvencijom mreže. Tada je moguće upravljati faktorom snage ili reaktivnom snagom na sličan način kao kod sinhrone mašine.

Za odgovarajuću vetro-turbinu postoje relacije između brzine vetra, brzine obrtanja rotora i mehaničke snage (slike 1 i 2). Ukoliko se meri brzina vetra, i uz poznavanje mehaničke karakteristike, moguće je u real-time-u kontrolisati generisanu snagu kontrolom momenta. Znači radom generatora upravljamo koristeći snagu kao referencu.

S ciljem pravilne transformacije veličina u d-q koordinatni sistem, mora se vršiti stalno merenje mehaničke brzine zbog čestih pulsacija na statoru i čestih promena brzine rotora.

3. REZULTATI

S ciljem prikazivanja tipičnog odziva na pad napona vetroturbine opremljene dvostruko napajanim generatorom, biće prikazana merenja koja su izvedena na VESTAS V52-850kW vetroturbini (slika 7).

Sl.7. Odziv vetroturbine na pad napona. a)napon. b) struja mreže. c)aktivna snaga. d)reaktivna snaga.

Pad napona je 5% za 0.1 s, a podaci su uzimani sa frekvencijom odabiranja od 2048Hz i automatski filtrirani sa low-pass filtrom sa isključnom (cut-out) frekvencijom od 1000Hz. Kod ove vetroturbine brzina može da varira do 60%. Pre nego što se dogodio pad napona, vetroturbina je proizvodila oko 420kW, što odgovara polovini nominalne snage.

4. ZAKLJUČAK

Energetska elektronika je obogaćena za još jednu aplikaciju – vetroturbine sa promenljivom brzinom rada (variable speed wind turbines), gde se koriste svi tipovi kontrole generatora. Međutim za velike, megavatne, vetroturbine sve češće je u upotrebi asinhroni generator sa namotanim rotorom, koji svoju svrhu u vetroturbini nalazi kao dvostruko napajani generator.

Prednosti korišćenja ovog nestandardnog asinhronog generatora je što se koristi sa pretvaračima za razmenu snage rotor-mreža, a koji se dimenzionišu za samo 20-30% snage, te su tako gubici u pretvaračima znatno smanjeni (ranije 2-3% a sada oko 0,7% generisane snage). Zbog toga je i maksimalna snaga 120-130% snage mašine [5].

S druge strane kod ovakvog tipa asinhronog generatora moguće je habanje kliznih prstenova. Takođe je ograničena i brzina rada koja zavisi od pretvarača snage, ali se kreće u opsegu 75-125%.

LITERATURA

[1] EWEA, European Wind Energy Association, www.ewea.org

[2] P.W. Carlin, A.S. Laxson, E.B.Muljadi, “The History and State of the Art of Variable-Speed Wind Turbine Technology ”, NREL, february 2001.

[3] L.H. Hansen, L. Helle, F. Blaabjerg, “Conceptual survey of Generators and Power Electronics for Wind Turbines”, Riso National Laboratory, Roskilde, Denmark, december 2001.

[4] A. Petersson, “Analysis, Modeling and Control of Doubly-Fed Induction Generator for Wind Turbines”, Department of Electric Power Engineering, Chalmers Univ. Goeteborg, Sweden, 2003.

[5] D. Schreiber, “State of the Art Of Variable Speed Wind Turbines”, in Proc. IEEE PES Novi Sad, 2001, pp. 519-522.

Abstract – Wind Turbines with doubly-fed induction generators (DFIGs) can operate at variable speed permitting conversion efficiency maximization over a wide range of wind velocites. However, random wind fluctuations, may produce large torque ripple. Field Oriented Control can be used for controling DFIG in variable speed operation.

DOUBLY-FED INDUCTION GENERATOR IN VARIABLE SPEED WIND TURBINES

Nikola Milivojević

256