Sisteme electrice in turbine eoliene

Sisteme electrice in turbine eoliene

Figura 17: Exemplu de turbina eoliana cu viteza constanta

Figura 18: Exemplu de turbina eoliana cu viteza variabila

Sisteme cu viteza constanta

Pentru turbine conectate la retea, sistemul electric determina daca turbina opereaza la viteza constanta sau variabila. Pentru o masina sincrona, conectata la o retea trifazata, viteza urbinei este egala cu:

  (16)

Cu pp numarul de perechi de poli ai generatorului si GR raportul cutiei de viteze.

Pentru o masina cu inductie exista o mica variatie a vitezei rotorului, in functie de sarcina, numita slip s. Intre fara-sarcina si sarcina full, variatia se schimba de la zero la numai cateva procente, deci viteza turbinei eoliene cu masina cu inductie conectata direct este de asemenea practic constanta:

(17)

Majoritatea turbinelor cu viteza constanta folosesc masini cu inductie. Figura 19 arata trei optiuni:

A masina cu inductie cu rotor cusca de veveritza;

B masina cu inductie cu rotor bobinat;

C masina cu inductie cu redresor controlabil in circuitul rotor.

La  optiunea C, variatia generatorului poate fi controlata prin schimbarea rezistentei circuitului rotor.

Figura 19: Sisteme electrice pentru turbine eoliene conectate direct la retea

2 Sisteme cu viteza variabila

Viteza variabila ofera un numar de avantaje importante:

turbina poate fi reglata la conditile locale sau la imperfectiunile din caracteristicile palei;

zgomotul aerodinamic la viteze mici ale vantului poate fi redus prin reducerea vitezei turbinei;

captura de energie utila la sarcina partiala este maximizata prin operatia de viteza optimala;

fluctuatiile de putere electrica sunt minimizate;

solicitarile de durata in palele rotorului si a trenului de transmisie sunt reduse.

Ultimul aspect este probabil cel mai important avantaj al operarii cu viteza variabila.

Viteza variabila implica insa un pas de conversie de la energia mecanica de viteza variabila de turbina, la energie electrica ce alimenteaza o retea cu frecventa constanta. Aceasta conversie poate fi facuta mecanic, folosind o transmisie variabila continuu, sau electric. Aceasta sectiune se ocupa cu optiunea electrica, unde un convertor electronic de putere este inserat intre masina si retea. El converteste puterea la frecventa masinii in frecventa retelei. In continuare se vor discuta doua tipuri:

sisteme cu convertor in circuitul rotor;

sisteme cu convertor in circuitul stator.

Figura 20: Sisteme electrice pentru turbine eoliene, convertor de dimensiune mica pe rotor

Figura 20A prezinta optiunea de cascada de suprasincronizare. Acest sistem consta dintr-o masina cu inductie cu rotor bobinat si un cunvertor cu tiristor in circuitul rotor. Doar partea de putere electrica este procesata de convertor, rezultind un cost mai scazut pentru convertor si mai putine distorsiuni armonice in retea. Pe de alta parte, generatorul are rotorul bobinat si necesita perii putand ridica probleme intr-un mediu aspru.

Cateva dintre dezavantajele optiunii 20A sunt evitate utilizand inversoare care se bazaeza pe semiconductori cu capacitate de intrerupere. Figura 20B arata un exemplu de sistem ce incorporeaza tehnologia IGBT-urilor (Izolated Gate Bipolar Transistor). Acest tip de sistem, bazat pe asa numita topologie sursa de tensiune. Figura 21 arata forma de unda a tensiunii de iesire ce se obtine prin modularea impulwsurilor in durata (PWM), refacind o forma de unda filtrata cu distorsiuni armonice mici. Principalele trasaturi ale invertorului includ distorsiunile armonice mici si factor de putere controlabil.

Figura 21: Forma de unda a tensiunii PWM inainte si dupa filtrare

Figura 22A prezinta un sistem cu generator sincron, linie CC si doua convertoare in linie. Generatorul sincron este echipat cu un rotor bobinat, si o carcasa inchisa nu este standard. In general aceste generatoare sincrone au un excitator montat pe arbore, deci nu sunt necesare perii. Sistemul ofera cateva intrari de control: curentul excitator si unghiurile de saturatie ale generatorului si convertorul de la retea. Comportamentul fata de retea este sarac din cauza tiristoarelor.

Figura 22: Sisteme electrice pentru turbine eoliene, convertor de dimensiune normala pe stator

Figura 22B si C arata sisteme cu doua invertoare cu sursa de tensiune spate in spate. Distorsiunea armonica a curentului generator este foarte mica, rezultand intr-o eficienta a generatorului usor crescuta. Factorul de putere de retea poate fi controlat si sistemul poate fi insensibil la caderire retelei si defectele liniei.