Классы ветроэлектрических установок.

Различают три класса ветроэлектрических установок в зависимости от относительной мощности ветроэлектроустановки в полной мощности энергосистемы, к которой они подключены.

 

Класс А: мощность ветроэлектрогенератора в энергосистеме является определяющей.

В основном к этому классу относятся отдельно стоящие одногенераторные ветроустановки, не подключенные к какой-либо энергосистеме. Они могут не иметь никаких других источников энергии или иметь, например, дополнительный аэрогенератор меньшего размера. Мощность таких ветроустановок, предназначенных для использования в отдаленных районах в целях освещения, электропитания маяков, средств связи и т.п., не превышает 5 кВт. Если энергия таких ВЭУ используется более широко, например и для отопления, то их мощность может достигать 20 кВт.

Эффективность работы ветроустановки и ее стоимость во многом зависят от правильности выбора системы управления генератором, которые были рассмотрены выше. При минимальном управлении генератором напряжение на его выходе (и частота в случае генератора переменного тока) будет нестабильным. Электроэнергию с такими параметрами можно непосредственно применять в нагревательных элементах, а также в выпрямителях для последующего использования. Во многих случаях такие ветроустановки вполне удовлетворяют потребителей. Относительно небольшие потребности в электроэнергии со стабилизированными параметрами (например, 240 В/50 Гц) можно в этом случае удовлетворить специальными преобразователями, питаемыми от аккумуляторных батарей. Преобразуемая таким способом энергия ограничивается лишь стоимостью аккумуляторных батарей и преобразователей.

В некоторых случаях желательно стабилизировать частоту всей вырабатываемой генератором электроэнергии. Для этого существуют два совершенно различных способа.

1. Механическое управление лопастями ветроколеса с целью стабилизации частоты его вращения. При таком управлении шаг лопастей ветроколеса при изменении скорости ветра изменяется так, чтобы частота его вращения оставалась постоянной. Недостатком метода являются большие потери энергии ветрового потока, сложность и невысокая надежность.

2. Электрическое управление, при котором постоянство частоты вращения ветроколеса и генератора обеспечивается изменением электрической нагрузки на выходе генератора. При таком способе стабилизации частоты энергия ветра используется гораздо эффективнее, так как лопасти ветроколеса работают в оптимальном режиме. Использование современного электронного оборудования делает его также и более дешевым и надежным по сравнению с механическим управлением.

 

В автономных ВЭУ используются электрогенераторы разных типов. В небольших установках наиболее распространены многополюсные генераторы с постоянными магнитами. Генераторы постоянного тока могут иметь устройства для сглаживания пульсации тока, а ток можно использовать для зарядки аккумуляторных батарей. Для генерации переменного тока можно применять синхронные генераторы с нестабилизированными и стабилизированными параметрами на выходе. Асинхронные генераторы переменного тока могут быть как самовозбуждаемые, так и со вспомогательным возбуждающим генератором.

Класс В: мощность ветроэлектрогенератора - одного порядка с мощностью других генераторов системы.

Такая ситуация характерна для небольших энергосистем в отдаленных районах. Чаще всего "другим генератором" является дизельный электрогенератор. В этом случае использование аэрогенератора позволяет экономить дизельное топливо. Дизельный генератор может включаться только в безветрие и может работать параллельно с ветрогенератором при слабом ветре.

В ветроустановках этого класса используются две различные схемы распределения вырабатываемой энергии, представленные на рисунке.

1. Одноканальная схема. В такой схеме, имеющей один выход (обычно трехфазный, бытовые потребители питаются от какой-то одной фазы), поддерживается стабилизированное напряжение определенной величины, (в зависимости от потребностей потребителя). Круглосуточное снабжение электроэнергией без учета ее потребления требует длительной работы (как правило, не менее полусуток) дизельного генератора в периоды безветрия. Дизель при этом или работает непрерывно (особенно для освещения), или выключается только при очень сильном ветре. На практике в такой схеме при сильном ветре иногда более 70% энергии аэрогенератора гасится на балластных сопротивлениях.

2. Многоканальная схема. Целью этой схемы с несколькими выходами является максимально полное использование ветровой энергии. Это достигается снижением цены электроэнергии для определенных потребителей в зависимости от ее качества. При слабом ветре потребители дешевой электроэнергии, вырабатываемой ВЭУ, автоматически отключаются, уменьшая этим нагрузку на энергосистему. Частоту вращения ветроэлектрогенератора в такой системе можно также регулировать одним из описанных выше способов, и тогда он также будет источником стабилизированной электроэнергии. В периоды безветрия электроэнергией снабжаются только потребители дорогой стабилизированной энергии, вырабатываемой дизельным электрогенератором. Преимуществом такой схемы распределения энергии является максимальное использование в любой момент времени энергии ветра.

Класс С: ветроэлектрогенератор подключен к энергосистеме, значительно более мощной, чем его собственная мощность. Это наиболее распространенный случай работы ветроэлектрогенератора любой мощности в районах, где имеются коммунальные или другие энергосистемы большой мощности. При этом энергия ВЭУ используется непосредственно, а ее излишки подаются в энергосистему. При слабом ветре и в безветрие потребители снабжаются электроэнергией от энергосистемы. Наиболее дешевым и, возможно, безопасным типом ветроэлектрогенератора в этом случае является асинхронный генератор переменного тока, подключенный непосредственно в энергосистему. При этом частота вращения ветроколеса может не более чем на 10% превышать частоту, соответствующую номинальной частоте электросети. При слабом ветре, чтобы исключить работу ВЭУ в режиме электродвигателя, его отключают от сети. Необходимость стабилизации частоты вращения ветроколеса при прямом включении аэрогенератора в сеть не позволяет поддерживать постоянной быстроходность ветроколеса, т. е. снижает его КПД. В небольших ВЭУ поэтому часто устанавливают два ВЭУ различной мощности, например 5 и 22 кВт, автоматически включающиеся соответственно при слабом и сильном ветре. Используются и другие приемы, позволяющие изменять частоту вырабатываемой генератором электроэнергии, а именно:

1) увеличение числа полюсов генератора за счет перекоммутации его обмоток при падении частоты вращения ветроколеса;

2) выпрямление переменного тока ВЭУ и затем преобразование его в переменный ток с заданными стабилизированными параметрами;

3) увеличение допустимого отклонения частоты вращения ветроколеса от номинальной за счет включения активной нагрузки в обмотку асинхронного генератора.