Generatori za vjetroelektrane, trendovi u primjeni i hrvatska proizvodnja

HRVATSKI OGRANAK MEĐUNARODNOG VIJEĆA ZA VELIKE ELEKTROENERGETSKE SUSTAVE – CIGRÉ

8. savjetovanje HRO CIGRÉ Cavtat, 4. - 8. studenoga 2007.

A1-10

Drago Ban, Damir Žarko Miroslav Mađerčić Zvonko Čulig, Marijan Petrinić Fakultet elektrotehnike i računarstva Končar- KET d.d Končar – Institut za Elektrotehniku d.d. Zagreb [email protected] [email protected]  [email protected]  [email protected] Branko Tomičić, Josip Študir  Končar-GIM d.d [email protected]   [email protected] 

GENERATORI ZA VJETROELEKTRANE, TRENDOVI U PRIMJENI I HRVATSKA PROIZVODNJA

SAŽETAK U referatu se daje sažeti prikaz u svijetu poznatih dostignuća u području gradnje i primjene električnih generatora za vjetroelektrane. Na temelju literature i drugih tehničkih podataka se uspoređuju različite primjenjivane izvedbe generatora: asinkroni, sinkroni s klasičnom uzbudom, sinkroni s trajnim magnetima i dvostrano napajani asinkroni generator. Ukratko se prikazuje osnovna koncepcija i neki odabrani detalji iz projekta i izvedbe prvog vjetroagregata razvijenog i izgrađenog u Hrvatskoj. Generator   je trofazni sinkroni sporohodni, za direktan spoj s turbinom, snage 1000 kVA. Na temelju iskustava stečenih izvedbom ovog prvog vlastitog projekta i realizacije cijelog vjetroagregata razmatraju se i drugačije izvedbe te traže optimalna rješenja za nove gradnje.

Ključne riječi: vjetroagregat, sinkroni generator, dvostrano hranjeni generator, generator s trajnim magnetima, multiplikator 

GENERATOR TECHNOLOGY FOR WIND TURBINES, TRENDS AND PRODUCTION IN CROATIA

SUMMARY In the paper a detailed overview of achievements known in the world in the area of construction and application of various electric generators for wind turbines is given. Using the available literature and other technical data a comparison is made between the following commonly used types of generator: induction, synchronous with classical excitation, synchronous permanent-magnet and doubly-fed induction generator. A basic concept and some selected details from the design and construction of the first wind generator developed and built in Croatia are given. The generator is three-phase, low speed, designated for direct-drive, power rating 1000 kVA. Based on experience acquired by carrying out the first domestic project involving the construction of the entire wind turbine unit in which the turbine and the generator with excitation and other systems are the key equipment, the other types of generator are also considered and the optimal solutions are sought for future constructions.

Key words: wind power plant, synchronous generator, doubly-fed induction generator, permanent magnet generator, gearbox

1

1.

UVOD

Razvitak, gradnju i eksploataciju vjetroelektrana u zadnjih desetak godina na globalnoj razini prati neočekivani bum. U svijetu su ukupni instalirani kapaciteti za proizvodnju električne energije iz vjetra do konca 2006. god. dostigli veličinu od 74223 MW dok je samo u 2006. god. izgrađeno novih kapaciteta za 15197 MW. Očekivani porast izgradnje novih kapaciteta je oko 32% godišnje [1]. Iako je samo oko 1 % ukupne svjetske proizvodnje električne energije ostvareno iz vjetroelektrana 2005. god. [13], taj sektor  postaje značajan segment na svjetskom energetskom tržištu. Do konca 2006. god. u Europi je instalirano oko 48 000 MW snage vjetroelektrana, a godišnji je rast bio oko 19% [1]. Broj aktivnih proizvođača vjetroturbina u svijetu prelazi 30, a primat imaju europski proizvođači. Zemlje s najvećim instaliranim kapacitetima su Njemačka, Španjolska, SAD, Indija i Danska. U 13 zemalja svijeta instalirani kapaciteti vjetroagregata prelaze 1000 MW [13]. Na tržištu je velika konjunktura i manjak kapaciteta za proizvodnju. Znanstvenim i stručnim istraživanjima se bavi veliki broj specijalista širom svijeta. Istražuju se mogućnosti što efikasnijeg iskorištavanja vjetropotencijala na dozvoljenim lokacijama, gradnjom što većih i efikasnijih turbina, što boljih generatora i sustava povezivanja vjetroelektrana u energetski sustav, razvojem sustava regulacije i vođenja vjetroelektrana, smanjenjem utjecaja na okoliš i još mnogi drugi zadaci. Rezultat napretka u razvoju i gradnji vjetroagregata se vidi iz činjenice da je 1980. god. izgrađen agregat snage 30 kW, a 2005. agregati gigantske snage 5000 kW. Tijek razvoja kroz povećanje snaga i povećanje proizvedene energije po vjetroagregatu u minulih 25 godina je ilustriran na slici 1. U minulih 25 godina povećana je proizvodnja energije u vjetroelektranama oko 500 puta [3, 13].

Godina Nazivna snaga Promjer rotora Visina osi vrtnje Godišnja proizvodnja

1980. 30 kW 15 m 30 m 35.000 kWh

1985. 80 kW 20 m 40 m 95.000 kWh

1990. 250 kW 30 m 50 m 400.000 kWh

1995. 600 kW 46 m 78 m 1.250.000 kWh

2000. 1.500 kW 70 m 100 m 3.500.000 kWh

2005. 5.000 kW 115 m 120 m 17.000.000 kWh

Slika 1. povećanje snaga i dimenzija vjetroagregata u periodu 1980. - 2005. U skladu s trendovima u Europi i obavezama europskih država za proizvodnju dijela električne energije iz obnovljivih izvora Hrvatska se uključila u korištenje vjetropotencijala, kupnjom i instaliranjem vjetroagregata sa svjetskog tržišta i to: na otoku Pagu 7 vjetroagregata svaki snage po 850 kW i u blizini Šibenika 14 agregata snage po 800 kW. Prema studiji koju je za potrebe HEP-a izradio Institut Hrvoje Požar procijenjeni mogući kapaciteti u Hrvatskoj iznose oko 400 MW. Razvoj prvog vlastitog prototipa vjetroagregata se radi u skupini hrvatskih firmi okupljenih oko društava Grupe(Koncerna) Končar. Svrha ovog rada je dati jedan sažeti pregled razvoja i stanja na svjetskom tržištu te predstaviti osnovne značajke iz razvoja domaćeg prototipa.

2

1.1

Osnovne relacije u svezi sa snagom vjetra

Energiju i snagu vjetra moguće je prikazati poznatim izrazom za kinetičku energiju gibajućeg zraka  E

=

1

mv

2

⇒

P

=

2

1 2

( ρ  S v ) v

(1)

2

gdje je E energija, P snaga, m (kg/m3) masa gibajućeg zraka, ρ (kg/m3) gustoća zraka, v (m/s) brzina gibanja zračne mase (vjetra) i S (m2) površina koju vrtnjom opisuje turbina. Primjenom vjetrene turbine može se iskoristiti samo dio ukupne energije vjetra što se računa s koeficijentom iskorištenja C p koji ovisi o aerodinamičkim svojstvima turbine i orijentaciji turbine u odnosu na smjer vjetra. Teoretski maksimum za Cp iznosi 0,593 (Betz-ov zakon). Uzimajući u obzir napisano u (1) snaga vjetrene turbine se može prikazati izrazom  P

1 =

2

C p  ρ  S v

(2)

3

Snaga vjetra proporcionalna je trećoj potenciji njegove brzine prema čemu treba regulirati turbinu. U idealno dizajniranoj turbini moglo bi se prema teoriji njem. znanstvenika Betza od energije vjetra preuzeti najviše 59,3 % energije [4]. U praktičnim izvedbama se postižu koeficijenti iskorištenja u granicama od 0,25 - 0,45. Za optimalni Cp treba prema stalno promjenljivim brzinama vjetra podešavati brzinu vrtnje turbine da bude proporcionalna s vjetrom. U tehničkim proračunima računa se Cp za konkretnu turbinu u ovisnosti o koeficijentu λ koji je omjer obodne brzine [m/s] vrha lopatice turbine (engl. tip speed) i brzine gibanja vjetra [m/s] te o kutu zakreta lopatica turbine θ u odnosu na smjer vjetra. Sada se izraz za snagu turbine može napisati u obliku  E

1 =

2

C p

( λ ,θ ) ρ S v

1

3 =

2

Cp

(λ ,θ )π r  v 2

3

(3)

Za turbine kojima se brzina vrtnje ne regulira koeficijent λ je konstantan, a za neregulirane promjenljiv. Praktički su svi instalirani vjetroagregati bazirani na tri vrste vjetrenih turbina: 1. nepromjenljiva brzina vrtnje (fixed speed), 2. djelomično promjenljiva brzina (semi variable speed), 3. promjenljiva brzina (regulated speed). Principna karakteristika promjene snage vjetrene turbine u ovisnosti o brzini vjetra je prikazana na slici 2. Prema toj karakteristici se bira generator i sustav regulacije snage u promjenljivim uvjetima brzine vjetra. Nazivna snaga turbine i generatora se postiže u području promjena brzine vjetra od vn do vmax. Za brzine vjetra od brzine uključenja vu (eng. cut in speed) do nazivne brzine vn optimira se snaga agregata podešavanjem aerodinamičkog profila lopatica, tako da se dobije što više snage. Od nazivne brzine vn do brzine isključenja vmax (eng. cut out) mora se regulacijom turbine ograničavati snagu na nazivnu snagu agregata i druge elektroopreme. Primjenjuju se različite tehnike optimiranja i ograničenja snage vjetroagregata (engleski nazivi: stall control, activ stall control, pitch control). Detaljno u [4] i [6].

Slika 2. tipična statička karakteristika snage vjetroturbine pri upravljanju metodom "active stall"

2.

IZVEDBE GENERATORA ZA VJETROAGREGATE

S obzirom da su brzine vrtnje vjetrene turbine prirodno niske, približno u rasponu od 5-30 o/min, bez obzira kako se reguliraju, izbor vrste generatora ovisi o tome da li se koristi multiplikator brzine i kakav je 3

priključak na mrežu. U suvremenim izvedbama se koriste generatori izmjenične struje, asinkroni i sinkroni u više varijanti koje su opisane u nastavku. Istosmjerni generatori koriste se za snage reda nekoliko kW. Za turbine fiksne brzine koriste se obično asinkroni generatori, kavezni i klizno-kolutni i direktno se spajaju na mrežu (bez električkog pretvarača frekvencije). Neophodan je multiplikator brzine vrtnje kojemu je prijenosni omjer toliko veliki da se može izabrati 4 ili 6 polni asinkroni generator. Po svojim svojstvima asinkroni generator s mnogo polova (2p>20) je praktički neprihvatljiv za primjenu zbog lošeg faktora snage cos ϕ (0,6 ili još manje bez kompenzacije) i zbog toga relativno slabih energetskih pokazatelja. U nastavku su nešto detaljnije opisane izvedbe pogonskih nizova (engl. drive-train), koji su značajni u primjeni i koji su u trendu za nove elektrane.

2.1

Konstantna brzina vrtnje i asinkroni kavezni generator 

Između rotora turbine i asinkronog generatora je multiplikator (obično trostupanjski velikog prijenosnog omjera i do 1:100) tako odabran da se može upotrijebiti 4-polni ili 6-polni trofazni asinkroni kavezni generator. Takav generator je vrlo jednostavan, može se uzeti iz kataloga standardnih asinkronih strojeva. Priključuje se direktno na mrežu 50 ili 60 Hz uz primjenu uređaja kojim se smanjuju veličine struje kratkog spoja (obično soft-start uređaj) pri priključku na mrežu. Opterećenje generatora je ograničeno aerodinamičkom izvedbom lopatica turbine tzv. "stall principle", a brzina cijelog pogonskog niza turbina + multiplikator + generator se vrlo malo mijenja oko nazivne brzine generatora. Klizanje generatora iznosi oko (1-2)% tako da gubici u rotoru generatora budu u snošljivim granicama. Vjetroagregat ne može raditi bez priključka na energetsku mrežu iz koje uzima jalovu snagu za magnetiziranje. U primjeni je česta varijanta kaveznog asinkronog motora s promjenljivim brojem polova, obično za dvije brzine vrtnje prema slici 3. Tvrtka Mitsubishi primjenjuje takve tehnologije u svim svojim agregatima snage 1000 kW.

Slika 3. vjetroagregat s asinkronim strojem i turbinom konstantne brzine vrtnje Turbina je konstruirana za dvije fiksne brzine vrtnje optimirane tako da se dobije najviše energije iz vjetra i da se smanji buka u promjenljivim uvjetima.

2.2 Turbina promjenljive brzine sa sinkronim ili dvostrano napajanim asinkronim generatorom Klasični sinkroni generatori izvedeni za konstantnu sinkronu brzinu vrtnje koju diktira pogonski stroj imaju na rotoru istosmjernu uzbudnu struju. Takvi su agregati (generator + pogonski stroj) općenito glavni izvori električne energije u elektranama, za sustave 50 ili 60 Hz. Ako je zbog bolje energetske iskoristivosti agregata ili drugog razloga potrebno za vrijeme pogona regulirati brzinu vrtnje turbine i sinkronog generatora, a taj generator priključiti u energetski sustav fiksne frekvencije, to se može ostvariti na dva načina: 1. Upotrebom frekvencijskog pretvarača smještenog između namota sinkronog generatora i energetske mreže fiksne frekvencije, prema ilustraciji na slici 4. Snaga pretvarača jednaka je snazi generatora. Potrebna je uzbudna struja u rotorskom namotu i sustav regulacije napona ili trajni magneti.

4

Slika 4. vjetroagregat sa sinkronim strojem i turbinom promjenljive brzine vrtnje 2. Izmjeničnom uzbudnom strujom u rotorskom namotu iz frekvencijskog pretvarača (ciklokonverter ili dvosmjerni statički frekvencijski pretvarač) priključenog na istu mrežu kao i statorski namot, sve prema ilustraciji na sl. 5. Uobičajeni je naziv za ovakav agregat dvostrano napajani (hranjeni) asinkroni stroj (engl. Doubly-fed Induction Generator). Stator generatora je spojen na mrežu 50 Hz. Rotor generatora  je spojen na mrežu preko frekvencijskog pretvarača i prilagodnog transformatora. Zbog velikog značaja za primjenu u vjetroelektranama i hidroelektranama opisat ćemo detaljnije ovaj pogonski niz (engl. drive train). U izvedbama za vjetroelektrane između turbine i generatora je multiplikator, kojim se postiže da brzina vrtnje generatora bude 1000 ili 1500 o/min ( 6 polni ili 4-polni stroj 50Hz). Konstrukcijski gledano dvostrano napajani asinkroni stroj je poznata izvedba asinkronog kolutnog stroja kojemu na stator i rotor  narinemo napone različite frekvencije. Klasični sinkroni stroj jer također dvostrano napajani stroj ali mu je frekvencija rotorskih struja uvijek jednaka nuli (istosmjerna uzbuda).      A       Ž      E      R M

Zakret lopatica Pg

f 1

f 1

pretvarač

n Pmeh Pt

=

~

asinkroni generator 

Multiplikator 

=

f 2

s Pg

~

f 1

Pref. Q ref.

Slika 5. dvostrano napajani generator (DFIG) vjetroagregata promjenljive brzine vrtnje Izvedba prema slici 5. je daleko povoljnija od izvedbe prema slici 4. zbog veličine i cijene frekvencijskog pretvarača, viših harmoničkih članova u mreži koje generira pretvarač, upravljivosti, potrebnog prostora za smještaj, stabilnosti energetskog sustava, mogućnosti generiranja jalove energije. Kao daljnja prednost ove izvedbe pred drugim izvedbama agregata ističu se mogućnosti povećanja iskoristivosti primarnih pogonskih strojeva u promjenljivim režimima rada, npr. pumpa-turbina kod reverzibilnih hidroagregata snage i do nekoliko stotina MW [14], vjetrene turbine snage do 6 MW. Metoda izmjenične uzbude rotorskog namota, odnosno dodatnog napona u rotoru promjenljive frekvencije se zasniva na znanju da za elektromehaničku pretvorbu energije magnetska polja stvorena statorskim i rotorskim strujama moraju biti u prostoru međusobno nepokretna tj. moraju se vrtjeti  jednakom brzinom. U rotorskom namotu koji ima 2p2 polova i priključenom na trofazni napon frekvencije f 2 stvara se okretno magnetsko polje koje se vrti brzinom n 2 = f 2 /p2 u odnosu na rotor, kojeg turbina vrti brzinom n. U tim uvjetima će se okretno polje rotora vrtjeti prema statorskom namotu koji ima 2p 1 polova brzinom n = n+ f p (4) o2

2

2

Frekvencija induciranih napona u statorskom namotu zbog rotorskog okretnog polja će biti  f1

=

(n + n2 ) p1

=

np + f  2

(5) 5

 jer za pretvorbu energije uvijek mora biti p1 = p2= p. Ako se mijenja smjer vrtnje rotorskog polja biti će n = ( f1 ± f 2 ) p

(6)

Budući da je u ovakvim primjenama uvijek fiksna statorska (mrežna) frekvencija, regulira se frekvenciju u rotoru i brzinu vrtnje turbine. Ako se npr. rotor 4 polnog trofaznog generatora vrti brzinom n = 27,5 o/s, a frekvencija mreže je 50 Hz rotor treba biti uzbuđen strujom frekvencije f 2 = 5 Hz da bi se mogla pretvarati mehanička energija u električku. Odnosi brzina vrtnje rotora n, frekvencije u rotoru f 2 i statorske frekvencije f 1 su ilustrirani na slici 6. Budući da je f 1 zadano mrežom, podešavamo frekvenciju uzbudnih struja rotora prema promjenljivoj brzini vrtnje turbine. Regulacijom brzine vrtnje turbine ili pumpe mogu se ostvariti najbolje energetske iskoristivosti turbine ili pumpe u konkretnim uvjetima npr. brzine vjetra ili visine vode u akumulacijskom jezeru reverzibilne hidroelektrane. Navedenim sustavom reguliranja brzine vrtnje može se dobivati i induktivna i kapacitivna snaga frekvencije ednake frekvenciji energetskog sustava. Dvostrano napajani asinkroni generator ima veliku primjenu u vjetroagregatima [4,14, 6 ] i to zbog vjetra koji ima nepredvidivo promjenljive brzine, zbog čega je povoljno imati mogućnost regulacije brzine turbine. Agregati se izvode za frekvencije u rotoru koje su u grubo (4-10) puta manje od statorskih što omogućava da pretvarači frekvencije imaju snagu oko 35 % nazivne snage generatora. Slika 6. odnosi frekvencija i brzine vrtnje Energetske odnose u vjetroagregatu, (za pojednostadvostrano hranjenog asinkronog stroja vljeno razmatranje u kojemu ćemo zanemariti gubitke pretvorbe u generatoru) razmotrimo prema oznakama na slici 5. Mehanička snaga turbine na izlazu iz multiplikatora Pmeh pretvara se posredstvom okretnog magnetskog polja u električnu snagu Pg koju generator daje u mrežu i „snagu klizanja“ u rotoru Pr  = - s Pg. To se može prikazati izrazom  P g

=

Pmeh

+

s P g 

(7)

Klizanje rotora, oznaka s, je definirano kao razlika brzine vrtnje okretnog statorskog polja i brzine rotora s = (ns – n)/ ns i ono je u generatorskom načinu rada stroja uvijek negativno. Rotorska električna snaga P r  asinkronog stroja je uvijek određena predznakom i veličinom klizanja s. Za generatorski rad bit će predznak snage Pr  pozitivan (u mrežu), a kako je klizanje s pozitivno za motorski rad, bit će snaga motorskog rada Pr  negativnog predznaka ( iz mreže). Za uobičajeni dijapazon regulacije brzine turbine, od 70 - 110 % nazivne, i sinkronu brzinu generatora oko 90% nazivne brzine turbine klizanje je u granicama između ±23%, a potrebna snaga pretvarača u rotorskom iznosi grubo oko 30 % ukupne snage koja se elektromehanički pretvara u stroju. Tehnologije s vjetroagregatima promjenljive brzine vrtnje postaju dominantne, a naročito za velike snage (1-5 MW) vjetrenih turbina. Prema [3] bilo je već 2002. god. 47 % svih vjetroagregata izvedeno s dvostrano hranjenim asinkronim strojem. Frekvencijski pretvarači imaju snagu oko 35% snage generatora.

2.3

Turbina promjenljive brzine vrtnje i sinkroni generator 

Za razliku od asinkronog generatora moguće je koristiti sinkroni generator za vrlo male brzine vrtnje turbine (5-30 o/min). Sinkroni generator s velikim brojem polova (60 ili više) u izvedbi s klasičnom uzbudom ili trajnim magnetima se može direktno spojiti na turbinu bez multiplikatora (engl. direct-drive), a priključak na mrežu e preko frekvencijskog pretvarača. Snaga frekvencijskog pretvarača jednaka je snazi generatora. Zbog velikog broja polova i male brzine vrtnje generator mora razvijati veliki moment vrtnje, njegove su dimenzije i masa relativno velike, presudno utječu na izvedbu i dimenzije „gondole“ elektrane. Izvedba jednog takvog generatora prikazana je na slici 7. Radi se o potpuno novim, ne klasičnim izvedbama generatora za koje je bio potreban poseban istraživačko razvojni rad.

6

Slika 7. sinkroni stroj sa klasičnom uzbudom za "direct-drive" pogon Razvijene su i primjenjuju se tehnologije s permanentnim magnetima i s klasičnom uzbudom na rotoru. U brojnim znanstvenim člancima se mogu pročitati detalji. Ova izvedba agregata je usko povezana s izvedbom frekvencijskog pretvarača kroz koji mora proći ukupna snaga generatora. Razvoj i primjene "direct drive" generatora su neodvojivi od razvoja primjene i cijene frekvencijskog pretvarača. Prema dostupnim informacijama povećava se broj kompanija koje grade generatore s trajnim magnetima i to za "direct-drive" sustav i za pogon preko multiplikatora s jednim ili tri stupnja prijenosa. U odnosu na generatore s uzbudnom strujom na rotoru generatori s trajnim magnetima za istu snagu imaju bolju korisnost (veći η), manje su dimenzije rotora, jednostavniji je rashladni krug generatora, jednostavnije je održavanje, nema posebnog uzbudnog sustava. Sve više kompanija radi ili razvija prototipne generatore s trajnim magnetima (Siemens, ABB, WinwinD, Mitsubishi, ČKD Blansko,...).

2.4

Usporedba različitih izvedbi

U tablici I. je usporedba osnovnih svojstava, relativnih prednosti i nedostataka za šest izvedbi najčešće primjenjivanih agregata u vjetroelektranama. Tablica I. usporedba različitih tehnologija generatora za vjetroagregate

Generator Asinkroni kavezni  jedno ili dvobrzinski generator  (2p=4 ili 6)

Asinkroni klizno-kolutni dvostrano hranjeni generator 

Prednosti - jednostavnost izrade - jednostavno održavanje - prigušenje pulzacija momenta turbine - niska nabavna cijena - izravni spoj na mrežu

- bitno smanjena snaga i cijena pretvarača - mogućnost regulacije brzine vrtnje(tipično ±20-25%) za optimalno korištenja energije - jalova snaga za magnetiziranje stroja iz pretvarača - moguć podsinkroni i nadsinkroni rad

Nedostaci - potrebna jalova energija - potreban soft start uređaj za prvo priključenje na mrežu - primjenjivo samo za fiksne brzine turbine - upotreba multiplikatora - neupotrebljivo za mnogo polova (>20) - klizni koluti i četkice, trošenje, održavanje - složeno upravljanje agregatom - izravni spoj na mrežu otežan

7

Sinkroni generator s uzbudnom strujom na rotoru

DIREKTAN POGON

- jednostavno upravljanje jalovom snagom - široko područje brzina vrtnje - jednostavan za upravljanje

- potreban pretvarač za ukupnu snagu - potreban uzbudni sustav - klizni koluti i četkice, trošenje i održavanje

- jednostavnija izvedba cijelog vjetroagregata jer nema multiplikatora koji se smatra kompliciranim za izradu i održavanje, - veća korisnost agregata

- velike dimenzije i masa, problemi izrade, transporta i montaže generatora

- male dimenzije i masa generatora - standardni generator 

- visoka cijena, gubici ( 2-3) % i problemi održavanja multiplikatora

S MULTIPLIKATOROM

Sinkroni generator s trajnim magnetima

DIREKTAN POGON

- jednostavan rotor bez potrošnih dijelova i uzbudnog namota - nema gubitaka u rotoru, veća korisnost agregata

- visoka cijena trajnih magneta - mogućnost razmagnetiziranja - nema regulacije struje uzbude

- jednostavnija izvedba cijelog vjetroagregata jer nema multiplikatora koji se smatra vrlo kompliciranim za izradu i održavanje, veća korisnost agregata

- velike dimenzije i masa, problemi izrade, transporta i montaže

- male dimenzije i masa generatora, - standardni generator 

- visoka cijena, gubici ( 2-3) % i problemi održavanja multiplikatora

S MULTIPLIKATOROM

2.6

Generatorski sustavi najpoznatijih proizvođača turbina i elektroopreme za vjetroagregate

U tablici II. je dat kratki prikaz generatorskih sustava najpoznatijih svjetskih proizvođača. Odabrani su sustavi koji imaju nazivne snage veće od 100 kW. Tablica II. svjetski poznati proizvođači vjetroagregata i njihovi sustavi Proizvođač

Koncepcija/ dizajn *

ABB (SE)**

RB/PC

Bonus/(DK) Siemens Wind Power 

KB/CS KB/AS

ČKD Blansko (CZ)

RB/PC

DeWind (GB/DE) Enercon (DE)

RB/PC KB/CS RB/PC RB/PC

GE Wind Energy (US/DE)

KB/CS RB/PC

Jeumont (FR)

RB/PC KB/CS RB/PC RB/PC

Ecotechnia (ES)

Made (ES)

8

Područja snaga [kW] 100 – 500 500 – 5000 600 – 4000 600 1000 – 2300

Generator 

kavezni jedno i dvobrzinski asinkroni sinkroni, klasični i s trajnim magnetima dvostrano hranjeni asinkroni kavezni asinkroni kavezni asinkroni sinkroni s trajnim magnetima - 1 stup. 1000 – 3000 multiplikator  600 – 2000 dvostrano hranjeni asinkroni 750 – 3000

dvostrano hranjeni asinkroni

300 – 4500 600 1500 – 3600 2500 (novo) 750 – 1500 660-1320 800 2000

sinkroni "direct drive" kavezni asinkroni dvostrano hranjeni asinkroni sinkroni s trajnim magnetima i multiplikator  sinkroni "direct drive" kavezni asinkroni , dvobrzinski (2p=4 , 2p=6) sinkroni 2p = 4 i multiplikator  sinkroni "brushless" 2p=4

Mitshubishi (JP)

KB/CS

KB/CS KB/AS RB/PC Nordex (DK) RB/PC KB/CS Repower Systems (DE) RB/AS+PC RB/PC NEG micon/Vestas (DK)

RB/PC RB/PC

Siemens (DE) Turbowinds (BE)

KB/AS RB/PC DRB/OS RB/PC RB/PC RB/PC

Vestas (DK) Winwind (FI) Zephyros (NL) Končar (HR) (Prototip)

250 – 1000 2000 600 – 1500 1500 – 2000 2750 - 4200 1300 – 2500 600 – 750 1050 1500 – 5000

kavezni asinkroni dvobrzinski sinkroni s trajnim magnetima "direct drive" kavezni asinkroni kavezni asinkroni dvostrano hranjeni asinkroni dvostrano hranjeni asinkroni kavezni asinkroni kavezni asinkroni dvostrano hranjeni asinkroni dvostrano hranjeni asinkroni 3600 kavezni asinkroni (multiplikator 1:119) 2p=4 400 – 2300 kavezni asinkroni dvobrzinski 2p=4 i 2p=6 3000 sinkroni s trajnim magnetima "direct drive" i s multiplikatorom 400 – 600 kavezni asinkroni dvobrzinski 2p=4 i 2p = 6 660 – 2750 asinkroni dvostrano hranjeni 850 – 3000 kavezni asinkroni dvobrzinski "opti-slip" 1000 – 3000 sinkroni s trajnim magnetima 1500 - 2000 sinkroni sa trajnim magnetima 1000 sinkroni klasični, "direct drive"(u fazi ispitivanja)

* Koncepcija / dizajn turbine KB/CS – konstantna brzina, ("classic stall") - fiksni  kut zakreta lopatica KB/AS – konstantna brzina, ("active stall") – negativni kut zakreta lopatica, (3-5°) RB/PC – promjenjiva brzina, zakret lopatica ("pitch controll", kombinirano sa "classic stall" )

KB/GP – konstantna brzina/ kombinacija sa zakretanjem lopatica DRP/OS – djelomično regulirana brzina, "pitch controll" + "OptiSlip" , regulacija ± 10 % RB/AS+PC – konstantna brzina + zakretanje lopatica

**samo elektrooprema za vjetroagregate

IZVOR: www.ArchiExpo.com - Wind Turbines All the Manufacturers

3.

VJETROAGREGAT HRVATSKE PROIZVODNJE

Nakon detaljnih analiza recentnih svjetskih tehničkih rješenja u gradnji vjetroelektrana i trendova razvoja istih u svijetu, odlučeno je 2004. god. u Končaru da se počne razvoj i gradnja prve vjetroelektrane u Hrvatskoj. Pri tome su uzeti u obzir rezultati ispitivanja vjetropotencijala na lokacijama u Hrvatskoj i mogućnosti hrvatske industrije da izradi što više opreme za vjetroelektrane. Angažiranjem brojnih hrvatskih tvrtki i znanstveno-istraživačkih institucija (Grupa Končar, Đuro Đaković, Institut "Hrvoje Požar", hrvatska brodogradilišta, građevinske tvrtke, transportne tvrtke i drugi ) dovršen je početkom 2007. prototip. U tijeku pisanja ovog rada provodila su se ispitivanja u tvornici Končar – GIM. Planirano je puštanje u pogon u lipnju i srpnju 2007. god. na lokaciji Pometeno Brdo blizu Splita. Osnovni tehnički podaci izgrađenog vjetroagregata su dani u tablici III. Tablica III. tehnički podaci prototipnog vjetroagregata KO VA 57/1 Tipska oznaka Promjer rotora turbine Regulacija snage Nazivna snaga turbine Brzina turbine Visina glavčine na tornju Visina tornja Masa gondole Masa tornja Ukupna masa

KO VA 57/1 57,4 m zakretanjem lopatica (pitch controll) 1000 kW 10 – 30 o/min 60 m 59 m 62 t 82 t 144 t

9

U vjetroagregatu je ugrađen trofazni sinkroni generator u potpunosti razvijen i izrađen u Končar – GIM. Radi se o potpuno novoj konstrukciji i tehnologiji gradnje jer je po prvi put građen generator za tako specifičnu svrhu, 60 polova, snaga 1000 kVA, frekvencija 5 – 14,5 Hz, priključak na mrežu preko frekvencijskog pretvarača. Detaljniji tehnički podaci generatora Končar – GIM su dani u tablici IV., a dvije fotografije iz procesa završetka gradnje na slikama 9. i 10. Generator ima vanjski promjer paketa statora 4200 mm. Ova dimenzija presudno utječe na koncepciju izbora pogonskog niza vjetroagregata i izbora vrste generatora. Zbog transportnih problema u pojedinim zemljama zahtijeva se da ovaj promjer ne bude veći od 4 m. Budući da se radi o prototipu domaćeg generatora za očekivati je da će tijekom ispitivanja biti dragocjenih podataka za korištenje kod sljedećih izvedbi sličnih strojeva.

Slika 9. rotor generatora SV 4205 – 60

Slika 10. glavčina na rotoru generatora SV 4205–60 montiranom u stator 

Tablica IV. tehnički podaci trofaznog sinkronog generatora Tipska oznaka Nazivna snaga Nazivni napon i frekvencija Nazivna struja Nazivna brzina vrtnje Opseg regulacije brzine Opseg promjene frekvencije Regulacija napona Nazivni faktor snage , cos φ Brzina pobjega Broj polova Broj faza Klasa izolacije statora i rotora Hlađenje Sustav uzbude Nazivni uzbudni napon Nazivna uzbudna struja Korisnost generatora Masa generatora ukupno

SV 4205 – 60 1000 kVA 690 V , 14,5 Hz 836,7 A 29 o/min 10 do 30 o/min 5 do 14,5 Hz 150 – 760 V 0,95 36 o/min 60 3 H zrakom nezavisan/samouzbudni 170 V 119 A 0,25 0,5 0,75 1 opterećenje P/Pn 93,9 94,9 95,3 95,3 korisnost % 27 t

Vjetroelektrane su građene s asinkronim generatorima u više varijanti i sa sinkronim klasično uzbuđenim generatorima. Končar je za svoj agregat sasvim razumljivo odabrao "direct drive" generator  uzbuđen klasično strujom u rotorskom namotu. U nastavku je za već izgrađeni generator napravljena projektantska varijanta generatora s trajnim magnetima i usporedba ključnih karakteristika. 10

4.

GENERATOR S TRAJNIM MAGNETIMA

Kod vjetroelektrana je vrlo bitna jednostavnost konstrukcije i lagano održavanje generatora. Zbog toga se sinkroni generator s trajnim magnetima pokazuje kao izuzetno dobro rješenje jer na njemu gotovo da i nema dijelova koje treba održavati. Iz tih razloga danas mnogi proizvođači već rade takve generatore (Siemens, ABB, Mitsubishi, ....). Priključak takvog generatora na turbinu i mrežu je ilustriran na slici 11.

Slika 11. sinkroni generator s trajnim magnetima, "direct drive" pogon i priključak na mrežu Postoje različiti problemi i nedostatak iskustva u izradi sinkronih strojeva veće snage s trajnim magnetima i velikim brojem polova (do 100). To su magnetiziranje magneta, problem smještanja i učvršćenja magneta na rotor, razmagnetiziranje magneta pri visokim temperaturama ili u nekim nepovoljnim režimima rada generatora. Podaci od kojih se može krenuti u dizajniranje su sličnosti s već izrađenim strojem s klasičnom uzbudom. Poznati podaci su snaga, izlazni napon i frekvencija, ista turbina i slične dimenzije.

4.1 Primjer optimalnog dizajna generatora s trajnim magnetima Od različitih izvedbi generatora s trajnim magnetima analize u [7] su pokazale da je izvedba s magnetima lučnog oblika montiranim na površini rotora najpovoljnija s gledišta cijene stroja za određenu snagu. Zbog velikog broja varijabli koje je potrebno varirati tijekom projektiranja i nametnutih ograničenja, optimizacija se koristi kao automatski, matematički utemeljen sustav odlučivanja pri odabiru dimenzija stroja. Općenita definicija problema optimizacije dizajna generatora glasi: pronaći vektor varijabli  x = [ x x x ] x∈ R r

pri čemu je

(G )

 xi

( D)

≤ xi ≤ xi

, i = 1, ..., D

koji mora zadovoljiti m funkcija ograničenja

 D

r

1

,

2

, ...,

 D

 g  j  ( x ) ≤ 0, j r

,

= 1, ..., m

i

minimizirati funkciju cilja  f ( x ) . Koristi se optimizacijska metoda pod nazivom Diferencijalna evolucija (DE) [10]. DE vrši računske operacije na populaciji vektora koji u svakoj iteraciji mutiraju i konvergiraju ka rješenjima koja zadovoljavaju funkcije ograničenja te minimiziraju funkciju cilja. U tablici V je definiran problem optimalnog dizajna generatora za vjetroelektranu istih nazivnih podataka 1 MVA, 690 V, 29 o/min kao i generator opisan u poglavlju 3 . Model generatora je analitički baziran na proračunu polja u zračnom rasporu pomoću konformnog preslikavanja [11]. Generator je priključen na aktivni ispravljač kojim se struja armature postavlja u fazu s induciranim naponom. Time se postiže tražena snaga uz minimalnu struju. Podaci optimiranog generatora su u tablici VI., a presjek na slici 12. r

Tablica V. definicija problema optimalnog dizajna generatora s trajnim magnetima

Varijable generatora (x)

1. Dv/Dv0 : Omjer vanjskog promjera statora i maksimalno dozvoljenog vanjskog promjera (Dv0 = 4 m) 2. D/Dv : omjer promjera provrta i vanjskog promjera statora 3. la/la0 : omjer duljine paketa i maksimalno dozvoljene duljine paketa (la0 = 0.6 m) 4. hu/[(Dv-D)/2]: omjer visine utora statora i razlike između vanjskog i unutarnjeg radijusa statora 5. Br : podaci trajnog magneta 6. Qs : broj utora 7. p : broj pari polova 8. bz/τu : omjer širine zuba i utorskog koraka na provrtu 9. lm/δ : omjer debljine magneta i širine zračnog raspora 10. αp : dio polnog koraka prekriven magnetom 11

1. Bz ≤ 1,7 T : maksimalna indukcija u zubu statora 2. Bj ≤ 1,2 T : maksimalna indukcija u jarmu statora 3. P ≥ 1 MW : minimalna izlazna električna snaga 4. A ≤ 60000 A/m : maksimalni strujni oblog Funkcije 2 ograničenja 5. J ≤ 4 A/mm : maksimalna gustoća struje 7. Θ1 ≤ 0,7Θ1max : ograničenje osnovnog harmonika protjecanja armature zbog zaštite g(x) magneta od demagnetizacije (Θ1max - protjecanje armature na koljenu krivulje magnetiziranja) 8. η ≥ 0.95 : minimalna korisnost 9. ΔM/M≤0.025 : maksimalni pulzacijski moment (2.5% srednje vrijednosti momenta) V/V0 : omjer volumena aktivnog dijela generatora i maksimalno dozvoljenog volumena Funkcija cilja f(x) (V0=D2v0π/4⋅lao) Tablica VI. rezultati optimiranog dizajna generatora s trajnim magnetima Nazivna snaga Nazivni napon Nazivna frekvencija Nazivna struja Nazivna brzina vrtnje Nazivni faktor snage Broj polova Broj faza Broj utora Vanjski promjer statora Promjer provrta statora Vanjski promjer rotora Unutarnji promjer rotora Duljina željeza Zračni raspor Debljina magneta

1 MVA 690 V 15,95 Hz 908 A 29 min-1 0,92 66 3 333 3463 mm 3210 mm 3203 mm 3026 mm 459 mm 3,5 mm 40,5 mm

Podaci magneta na temp. 120 0C Broj zavoja po svitku Broj paralelnih grana Korak svitka Faktor punjenja utora Gustoća struje Strujni oblog Indukcija u zubu statora Indukcija u jarmu statora Indukcija u jarmu rotora Pulzacijski moment Korisnost Masa magneta Masa bakra Masa željeza Masa ukupno (aktivni dio)

VACODYM 669AP Br=1.05 T, Hc=801 kA/m 1 1 5 0,4 3,89 A/mm2 60000 A/m 1,70 T 1,20 T 1,22 T 1.2% 95,0 % 1162 kg 639 kg 7947 kg 9748 kg

Slika 12. presjek dijela optimiranog generatora s trajnim magnetima

5.

ZAKLJUČAK

Provedeno je istraživanje aktualnog stanja i trenda daljeg razvoja i primjene vjetroagregata. Nastavlja se pravi "bum" u gradnji novih sve većih vjetroagregata širom svijeta. U vjetroagregatima se koriste asinkroni i sinkroni generatori, ovisno o veličini turbine i načinu njene regulacije i priključku na energetsku mrežu. Koriste se pogonski nizovi s multiplikatorom i bez njega tzv."direct drive" pogoni. Asinkroni kavezni generatori za snage turbina do oko 1000 kW imaju prednost pri fiksnim brzinama turbine, asinkroni dvostrano hranjeni imaju prednost pri većim snagama i ograničenom području reguliranja brzine turbine, ± 20-25% oko nazivne. Asinkroni generator uvijek treba multiplikator. 12

Sinkroni generatori koriste se za turbine s reguliranom brzinom vrtnje za "direct drive" pogone i za pogone preko multiplikatora. Generatori s trajnim magnetima dobivaju sve više na značaju i realno je očekivati da će oni u novim primjenama istisnuti generatore s klasičnom uzbudom. Vjetroagregat domaće, hrvatske proizvodnje je značajna pojava na tržištu Hrvatske.

6.

LITERATURA

[1] European Wind Energy Association (EWEA) statistics, www.ewea.org [2] G. A. M. van Kuik, Are wind turbines growing too fast ?, Proc. European Wind Energy Conference and Exhibition, Copenhagen 2001, pp. 69-27. [3] F. Blaabjerg, F. Iov, R. Teodorescu, Z. Chen: Power Electronics in Renewable Energy Systems, Record of EPE-PEMC 2006, Portorož, Slovenija [4] H.Poliender,S.W.H. de Han, Maxime R.Dubois, J. G.(Han) Slootweg: Basic Operation Principles and Electrical Conversion Systems of Wind Turbines, EPE Journal,Vol. 15 no.4 December 2005 [5] H.Poliender, Frank F.A.vander Pijl,G.J. de Vilder, P.Tavner: Comparison of Direct-Drive and Geared Generator Concept for Wind Turbines, IEEE Transaction on Energy Conversion, Vol. 21, No 3, pp. 725-733, September 2006. [6] J.G. Slootweg, E. de Vries: Inside wind turbines-Fixed vs. variable speed, Renewable Energy World,2003, pp30-40 [7] A. Binder, T. Schneider: Permanent magnet synchronous generators for regenerative energy conversion , Darmstadt university of technology, link: www.ew.e-technik.tu-darmstadt.de/ew.html [8] European Wind Energy Association (EWEA) statistics, www.ewea.org [9] Web stranice Siemens, Turbowinds, WinWinD, ČKD Blansko, ABB, [10] J. Lampinen, Multi-Constrained Nonlinear Optimization by the Differential Evolution Algorithm, 6th On-line World Conference on Soft Computing in Industrial Applications (WSC6), Sept. 2001. [11] D.Žarko, D.Ban, T.A. Lipo, Analytical Calculation of Magnetic Field Distribution in the Slotted Air Gap of a Surface Permanent-Magnet Motor Using Complex Relative Air-Gap Permeance, IEEE Trans. Magn., vol. 42, No 7, pp. 1828-1837, July 2006. [12] Wind turbines generator systems: Part1-Part21, IEC standards, IEC 61400-1&IEC 61400-21,1988. [13] Web stranice www:norternpower.com [14] T. Kuwabara, A. Shibuja, H. Furata: Design and dynamic response characteristics of 400 MW adjustable speed pump storage unit at Ohkawachi power station, IEEE Transactions, Vol. EC – 11, No. 2, 1996, pp. 376 – 384.

13