1. Elementy składowe i ich funkcje.

Wśród elementów instalacji elektrycznych elektrowni wiatrowych wyróżnić można układy generujące energię (generatory synchroniczne lub asynchroniczne wraz z urządzeniami towarzyszącymi, rzadko stosowane są prądnice prądu stałego), układy łączeniowe w postaci wyłączników, styczników lub rozłączników bezpiecznikowych, aparaturę kontrolno-pomiarową, systemy zabezpieczeń (automatyczna diagnostyka elektrowni, wykrywanie stanów awaryjnych elektrowni i jej wyłączenie oraz automatyczne zatrzymanie pracy elektrowni przy prędkości wiatru poniżej minimalnej i powyżej maksymalnej) oraz aparaturę sterującą, sterowaną przez sterownik. Ze względu na specyfikę produkcji energii elektrycznej w elektrowniach wiatrowych, zależnej od prędkości i kierunku wiejącego wiatru, zasadniczym elementem pośredniczącym jest także przekształtnik energoelektroniczny, dopasowujący parametry energii elektrycznej do warunków wymaganych w punkcie przyłączenia.

Elementem nadzorującym pracę istotnych podzespołów oraz sterującym włączaniem obciążenia w zależności od chwilowo rozwijanej mocy jest sterownik. Jest to najczęściej układ mikroprocesorowy, wyposażony w pamięć umożliwiającą programowanie go i dostosowanie parametrów sterujących do typu konkretnej elektrowni.

Sterownik dokonuje pomiaru następujących parametrów:

• kąta natarcia łopat wirnika,

• chwilowej prędkości wiatru,

• kierunku wiatru,

• prędkości obrotowej wirnika,

• prędkości obrotowej generatora,

• napięć zasilających silniki wykonawcze,

• napięć zasilających układy pomiarowe,

• siłę parcia wiatru na wirnik,

• moment na wale głównym,

• rozwijaną moc elektryczną,

• prądy obciążenia poszczególnych faz generatora,

• stan załączenia wyłącznika,

• temperaturę generatora, przekładni zębatej, sterownika

• drgania własne.

W oparciu o zmierzone wielkości, układ sterowania podejmuje decyzje dotyczące:

• załączania lub wyłączania elektrowni,

• włączaniu i wyłączaniu korekcji mocy biernej,

• włączenia silnika zespołu ustawienia „pod wiatr”,

• ustawienia optymalnego kąta natarcia łopat wirnika,

• odkręcenie wiązki energetyczno-sygnałowej.

Ponadto układ sterownia:

• obsługuje złącze do współpracy z komputerem zewnętrznym (monitoring, rozkazy),

• rejestruje parametry pracy elektrowni,

• rejestruje i opracowuje statystykę pracy poszczególnych podzespołów elektrowni,

• rejestruje zapis tzw. „czarnej skrzynki” dla sytuacji awaryjnych.

Praca siłowni wiatrowej jest cały czas monitorowana przez kilka komputerów. Komputery te nazywa się systemem kontroli turbiny wiatrowej. Główny komputer nazywany jest kontrolerem. Komputery kontrolują pewną liczbę łączników, pomp hydraulicznych, zaworów i silników wewnątrz elektrowni. Mogą one komunikować się z operatorem turbiny poprzez łącze telefoniczne lub radiowe. Można połączyć się zdalnie z elektrownią, aby zebrać dane statystyczne i sprawdzić jej aktualny stan pracy. W parku wiatrakowym zazwyczaj jedna z turbin jest wyposażona w komputer, z którego można kontrolować i zbierać dane z reszty elektrowni. Zazwyczaj komputery umieszcza się zarówno na dole wieży jak i w gondoli. W nowoczesnych elektrowniach, komunikacja między kontrolerami odbywa się za pomocą światłowodów.

Większość sterowników w elektrowniach wiatrowych jest tak zaprogramowana, że przy niskich prędkościach wiatru odłącza prądnice od sieci (inaczej maszyna pracowałaby jako silnik). Kiedy wiatr staje się na tyle silny, że elektrownia możne oddawać energię do sieci, ważny jest moment jego podłączenia. Nieprawidłowa procedura startowa mogłaby doprowadzić do rozbiegania się układu. Bezpośrednie włączenie generatora do sieci mogłoby spowodować odczuwalny spadek napięcia, co wpływa niekorzystnie na pracę innych odbiorników zasilanych z tej linii. Przyczyną jest pobór dużego prądu magnesującego w czasie rozruchu. Innym niekorzystnym zjawiskiem byłoby przeciążenie mechaniczne wirnika i przekładni. Aby temu zapobiec, łączenia i rozłączanie odbywa się poprzez specjalne łączniki tyrystorowe (softstart).

2. Schematy instalacji.

Na rysunku 1 przedstawiono poglądowy schemat układu połączeń elektrowni wiatrowej. Rysunek 2 przedstawia schemat instalacji tego typu elektrowni.

Rys. 1. Schemat układu połączeń elektrowni

Rys. 2. Schemat instalacji elektrycznej elektrowni wiatrowej [1].

3. Układy pracy elektrowni wiatrowych.

Stosowane w elektrowniach wiatrowych generatory elektryczne przetwarzają energię mechaniczną silnika wiatrowego w energię elektryczną, przy stałej lub zmiennej prędkości obrotowej.

Rys. 3. Przykładowa rodzina charakterystyk silnika wiatrowego o mocy 1000 kW, o średnicy zewnętrznej łopat 56 m. przy prędkości wiatru zmiennej parametrycznie. Moc znamionową osiąga przy prędkości wiatru 11,5 m/s. Aby w zakresie prędkości wiatru od 4 m/s do 11,5 m/s silnik pracował z maksymalną mocą jego prędkość powinna zmieniać się zgodnie z charakterystyką P_W = f(n).

Zasadniczym problemem przy pracy elektrowni wiatrowej jest uwzględnienie zmian prędkości wiatru. Ilustruje to rysunek 3. Chodzi tu głównie o czynniki mające wpływ na parametry jakościowe energii elektrycznej, a wynikające z charakteru pracy źródeł napędzanych wiatrem [4], takie jak:

• zmiana momentu obrotowego związana z okresowym przesłanianiem łopat śmigła przez wieżę,

• zmiana momentu obrotowego wynikająca z niejednakowej prędkości wiatru na różnych wysokościach,

• oddziaływanie układów przekształtnikowych zainstalowanych w niektórych typach elektrowni wiatrowych.

Ze stała prędkością wirowania, lub zmienną skokowo pracują generatory indukcyjne (asynchroniczne), jedno lub dwubiegowe. Nie są one szeroko używane poza energetyką wiatrową, i małymi hydroelektrowniami. Maszyna ta jest bardzo niezawodna, stosunkowo tania i odporna na przeciążenia. Niezwykle pożyteczne jest też zjawisko poślizgu. Dzięki niemu prądnica nieznacznie zwiększa lub zmniejsza prędkość, jeśli zmienia się moment napędowy. Stosowane są również rozwiązania generatorów indukcyjnych z powiększonym poślizgiem, realizowanym przez zwiększenie rezystancji wirnika w układzie zewnętrznym lub wewnętrznym. Pozwala to powiększyć poślizg do ok. 10 procent. Oznacza to mniejsze zużycie i podatność na awarie skrzyni biegów. I to jest największą zaletą w stosunku do prądnicy synchronicznej.

Stosowane są również generatory indukcyjne ze zmiennym poślizgiem realizowanym poprzez regulację prądów wirnika, tzw. system RCC (Rotor Current Control) bez układu pierścieni. Polega on na zabudowaniu wewnątrz wirnika tranzystorów mocy IGBT oraz rezystorów. Regulacja i sterowanie systemem RCC odbywa się za pomocą programowalnego sterownika z 16 bitowym procesorem. System RCC, oprócz zadań regulacyjnych, nadzoruje wszystkie parametry ruchowe i diagnostyczne. Komunikacja do i od wirującego wirnika z systemem RCC odbywa się poprzez seryjny interfejs z wirującym optycznym sprzęgłem.

Wadą generatorów asynchronicznych jest konieczność zasilenia uzwojenia stojana (namagnesowania) przed rozpoczęciem pracy. Jest ona istotna w przypadku, gdy elektrownia ma produkować energię na sieć wydzieloną. Potrzebne wtedy będzie urządzenie, które dostarczy prąd magnesujący przed rozpoczęciem pracy (kondensatory, akumulator).

Jak wynika z charakterystyki na rysunku 3, zastosowanie stałej prędkości obrotowej uniemożliwia optymalne wykorzystanie energii wiatru. Częściowo problem ten rozwiązuje się stosując generatory dwubiegowe. Przy słabym wietrze mogą one pracować z mniejszą prędkością obrotową. Można spotkać także rozwiązanie w postaci dwóch osobnych prądnic w jednej gondoli dla różnych prędkości wiatru.

Zastosowanie zmiennej prędkości obrotowej w elektrowniach wiatrowych umożliwia optymalne wykorzystanie energii wiatru i daje większy uzysk energii. Wymagane jest jednak sterownie kątem natarcia łopat. Do przetwarzania energii w tych elektrowniach najczęściej stosowane są generatory indukcyjne pierścieniowe z tzw. podwójnym zasilaniem [2]. Stojan jest przyłączony bezpośrednio do sieci elektroenergetycznej, natomiast wirnik jest dołączony do tej samej sieci poprzez przekształtnik energoelektroniczny - jest to tzw. kaskada nadsynchroniczna (rys.4).

Rys. 4. Schemat ideowy elektrowni wiatrowej z kaskadą nadsynchroniczną

Innym rozwiązaniem stosowanym w elektrowniach wiatrowych są generatory synchroniczne wolnoobrotowe bez przekładni bądź generatory synchroniczne wysokoobrotowe z przekładnią mechaniczną. Obydwa rozwiązania ze względu na zmienną częstotliwość napięcia wymagają stosowania przekształtników energoelektronicznych w obwodzie stojana oraz układu regulacji wzbudzenia w obwodzie wirnika. W najnowszych rozwiązaniach generatorów synchronicznych preferuje się stosowanie wzbudzenia od magnesów trwałych - eliminuje to układ do regulacji prądu wzbudzenia oraz pierścienie ślizgowe wraz z układem szczotek.

Większość sterowników w elektrowniach wiatrowych jest tak zaprogramowana, że przy niskich prędkościach wiatru odłącza prądnice od sieci (inaczej maszyna pracowałaby jako silnik). Kiedy wiatr staje się na tyle silny, że elektrownia możne oddawać energię do sieci, ważny jest moment jego podłączenia. Nieprawidłowa procedura startowa mogłaby doprowadzić do rozbiegania się układu. Bezpośrednie włączenie generatora do sieci mogłoby spowodować odczuwalny spadek napięcia, co wpływa niekorzystnie na pracę innych odbiorników zasilanych z tej linii. Przyczyną jest pobór dużego prądu magnesującego w czasie rozruchu. Innym niekorzystnym zjawiskiem byłoby przeciążenie mechaniczne wirnika i przekładni. Aby temu zapobiec, łączenia i rozłączanie odbywa się poprzez specjalne łączniki tyrystorowe (softstart).

W elektrowniach wiatrowych stosuje się wiele typów układów konwersji energii. Rodzaj zastosowanego układu zależy od przeznaczenia siłowni (praca na sieć wydzieloną lub sztywną) oraz jej mocy.

Rys. 5. Najpopularniejsze schematy układów konwersji w elektrowniach wiatrowych pracujących na sieć wydzieloną z prądnicami

prądu stałego.

Układ z rysunku 5a powyżej jest stosunkowo prosty, ale ze względu na rodzaj energii na wyjściu (energia prądu stałego) mało uniwersalny. Problem ten rozwiązano w układzie 5b za pomocą falownika, w którym energia prądu stałego jest zamieniana na energię prądu przemiennego. Falownik umożliwia bardzo dokładne dopasowanie częstotliwości i amplitudy napięcia, dzięki czemu energia pochodząca z siłowni może być użyta przez zwykłe odbiorniki sieciowe.

Rys. 6. Najpopularniejsze schematy układów konwersji w elektrowniach wiatrowych pracujących na sieć wydzieloną z prądnicami prądu przemiennego.

Na rysunku 6 pokazano układy z prądnicami prądu przemiennego. I w tym wypadku dla uzyskania parametrów energii zgodnych z sieciowymi konieczne było użycie falownika a napięcie z generatora musiało być uprzednio wyprostowane. Powyższe układy łączy stosunkowo mała moc oraz to, że uzyskana energia zasila odbiorniki autonomiczne (sieć wydzielona). Przy takiej konfiguracji, aby zapewnić ciągłość dostaw energii wymagane jest użycie baterii akumulatorów. Energetyka wiatrowa to jednak przede wszystkim elektrownie pracujące w systemie elektroenergetycznym.

Rys. 7. Schematy najczęściej stosowanych układów w energetyce zawodowej.

Zdecydowana większość dużych elektrowni wiatrowych oddaje wytworzoną moc do publicznych sieci elektroenergetycznych. Schematy najczęściej stosowanych układów w energetyce zawodowej przedstawiono na rysunku 7.

Jak wskazują doświadczenia, elektrownie wiatrowe mają także niekorzystne z punktu widzenia systemu cechy techniczne. Zależność obciążenia od prędkości wiatru powoduje:

• konieczność zwiększenia rezerw mocy w innych źródłach,

• utrudnione prowadzenie ruchu systemu, np. wskutek gwałtownych zrzutów obciążenia i zmian kierunków przepływu energii w sieciach,

• trudności w planowaniu bilansu mocy i energii.

Występować mogą problemy z regulacją napięcia i mocy biernej, pogarszaniem jakości energii elektrycznej, opanowaniem mocy zwarcia i stabilnością pracy systemu. Problemy te łagodzić może odpowiednie wyposażenie elektrowni wiatrowych w nowoczesne jednostki wytwórcze przystosowane do regulacji parametrów w szerokim zakresie.

Należy zatem postawić pytanie o wpływ pracy elektrowni wiatrowej na jakość energii. Wśród czynników pogarszających parametry jakości energii w sieci elektroenergetycznej powodowanych pracą elektrowni wiatrowych można rozpatrzyć cztery rodzaje:

• wahania mocy,

• wahania napięcia,

• migotanie,

• wyższe harmoniczne.

Wahania mocy. Wahanie mocy czynnej występuje w elektrowniach na skutek zmienności prędkości wiatru. Wahania mocy biernej pobieranej przez prądnice asynchroniczne są wynikiem zmian generowanej mocy czynnej.

Wahania napięcia. Zmiany napięcia występujące jako następstwo powolnych zmian mocy generowanej przez prądnice (mogą być kompensowane regulacją zmian zaczepów transformatorów w GPZ, do których są przyłączone elektrownie wiatrowe). Wahania napięcia mogą być także spowodowane zmiennością mocy biernej pobieranej przez prądnice asynchroniczne (kompensacja za pomocą regulatora mocy biernej z odpowiednią baterią kondensatorów) oraz prądami rozruchowymi.

Migotanie (flicker). Gwałtowne zmiany mocy wyjściowej z turbiny wiatrowej, załączanie generatora i łączenie baterii kondensatorów powodują zmiany wartości skutecznej napięcia. Powyżej pewnego poziomu takie zmiany powodują tzw. migotanie oświetlenia elektrycznego.

Wyższe harmoniczne. Zawartość wyższych harmonicznych pochodzących z prądnic siłowni wiatrowych może powodować zakłócenia w działaniu automatyki i zabezpieczeń w układach elektroenergetycznych. Drgań harmonicznych należy szukać w przemiennikach częstotliwości. Jednak nowoczesne układy energoelektroniczne, praktycznie dla każdego typu współcześnie produkowanych elektrowni wiatrowych dużej mocy (powyżej 1 MW), nie wnoszą swojego udziału składowych harmonicznych ponad dopuszczalne przepisami.

Energetyka wiatrowa jest zaliczana do tzw. generacji rozproszonej (nie planowanej centralnie, o ograniczonej centralnej dyspozycji, współpracującej na ogół z siecią dystrybucyjną, o mocy zainstalowanej na ogół mniejszej niż 500-1000 MW). Wprowadzenie generacji rozproszonej do istniejących systemów elektroenergetycznych ma znaczący wpływ na planowanie i eksploatacje systemu w czasie rzeczywistym. Zdolność systemu do integracji tej formy generacji charakteryzuje się szeregiem czynników nieokreśloności, tak więc wpływ rozproszenia źródeł musi być uwzględniany przy ocenie charakterystyk systemu tak, aby jego funkcjonowanie i bezpieczeństwo nie zostały zakłócone. Generacja rozproszona zwiększa stopień komplikacji sterowania, automatyki zabezpieczeniowej i procedur eksploatacji systemów dystrybucyjnych. Przykładowo selektywność zabezpieczeń musi być zmodyfikowana, gdyż rozproszone źródła mogą zmieniać wartość, czas trwania i rozpływ prądów zwarciowych. Ponadto przy każdym włączeniu nowego źródła konieczne jest sprawdzenie działania automatyki zabezpieczeniowej i jej dostrojenie w sposób zapobiegający powstawaniu zakłóceń.

Literatura.

1. Schemat instalacji EW - 160.

2. Różycki M.: Elektrownia wiatrowa z indukcyjną maszyną pierścieniową. Przegląd Elektrotechniczny 1990 nr 4 - 5.

3. Opis pracy układu sterowania elektrowni EW-100 „NOWOMAG”.

4. Wiśniewski K.: Generacja energii elektrycznej pochodzącej z elektrowni wiatrowej w świetle wymagań dotyczących jakości energii. Biuletyn URE 1/2004.

5. Barzyk G.: Techniczne aspekty współpracy elektrowni wiatrowych z systemem elektroenergetycznym - wspomaganie procesu decyzyjnego. Energia Gigawat 05.2003.

6. www.elektrownie-wiatrowe.org.pl.

Instalacje elektryczne elektrowni wiatrowych

ODNAWIALNE ŹRÓDŁA ENERGII - 8 -

---