Какой тип генератора подходит для выработки ветровой энергии?

Основная задача ветряной турбины — эффективно и стабильно преобразовывать механическую энергию, постоянно изменяющуюся в зависимости от скорости ветра, в электрическую энергию, которую можно подключить к сети. Поэтому генераторы, подходящие для ветроэнергетики, — это не обычные модели; они должны обладать характеристиками адаптации к широкому диапазону скоростей ветра, выдерживать сложные нагрузки и быть простыми в управлении сетью. Современная ветроэнергетическая отрасль в основном развивается по трем технологическим направлениям, каждое из которых имеет свои преимущества и подходит для различных сценариев.

1. Двухпоточный асинхронный генератор: некогда основной элемент отраслевой стратегии.

Долгое время двухфазные асинхронные генераторы были абсолютным фаворитом на рынке ветроэнергетики. Принцип их работы остроумен: ротор генератора соединен с меньшим по размеру преобразователем частоты через контактные кольца и угольные щетки, а статор напрямую подключен к электросети.

Главное преимущество этой конструкции — её экономическая эффективность. Поскольку преобразователю частоты необходимо обрабатывать лишь около одной трети мощности в цепи ротора, стоимость оборудования ниже, а потери энергии также невелики. Кроме того, благодаря чрезвычайно зрелой технологии и полной производственной цепочке, за последние два десятилетия она стала распространенным выбором для наземных ветроэнергетических установок, особенно мегаваттных.

Однако с развитием отрасли все более очевидными становятся его недостатки. Угольные щетки и контактные кольца — это механические контактные компоненты, требующие регулярного технического обслуживания в суровых условиях эксплуатации ветропарков и являющиеся потенциальными точками отказа. Кроме того, из-за прямого подключения статора к электросети его способность справляться с колебаниями напряжения в сети (т.е. «способность выдерживать низкие напряжения») относительно слаба.

2. Синхронный генератор с прямым приводом от постоянных магнитов: образец надежности.

Технология прямого привода использует совершенно иной подход. Она полностью исключает высокоскоростной редуктор, позволяя ветряной турбине напрямую приводить в движение многополюсный синхронный генератор с постоянными магнитами. Из-за низкой скорости частота вырабатываемого тока сильно колеблется, поэтому вся электрическая энергия должна обрабатываться полнофункциональным инвертором, прежде чем передаваться в сеть.

Этот план обеспечивает революционные преимущества. Удаление редуктора с наибольшей частотой отказов значительно повышает надежность и ремонтопригодность агрегата, что особенно важно для морских ветропарков с труднодоступными местами. Постоянные магниты создают магнитное поле без потерь на возбуждение, что приводит к повышению эффективности. Что еще более важно, преобразователь частоты полной мощности действует как «защитный барьер», идеально изолируя генератор от сети, делая ветряную турбину крайне нечувствительной к колебаниям сети и способной активно поддерживать сеть, что обеспечивает превосходное качество электроэнергии.

Проблема заключается в необходимости создания генератора огромного диаметра и с большим количеством полюсов для выработки электроэнергии достаточной частоты на низких скоростях, что приводит к поразительным размерам и весу, создавая проблемы при транспортировке и подъеме. Кроме того, он использует редкоземельные постоянные магниты, что увеличивает его стоимость.

3. Среднескоростной синхронный генератор с постоянными магнитами (полупрямой привод): нынешний технологический фаворит.

Для достижения баланса между надежностью прямого привода и компактностью традиционных конструкций появились компромиссные решения в виде «полупрямого привода» или «среднескоростного привода», которые быстро стали основным выбором для крупных ветротурбин, особенно для морских моделей.

В ней используется простая и надежная среднескоростная коробка передач (обычно с одной планетарной передачей), которая увеличивает скорость вращения ветряной турбины до умеренного уровня, приводит в движение компактный синхронный генератор с постоянными магнитами и, наконец, подключается к сети через преобразователь частоты полной мощности.

Это можно назвать «золотой комбинацией». Она значительно уменьшает габариты и вес генератора с простым редуктором, решая проблему транспортировки агрегатов с прямым приводом, при этом сохраняя высокую эффективность двигателей с постоянными магнитами и отличную совместимость с сетью преобразователей частоты полной мощности. Надежность значительно выше, чем у традиционных систем с двойным питанием. Хотя интеграция технологий сложна, а первоначальные затраты не низки, преимущества значительны с точки зрения общей стоимости электроэнергии за весь жизненный цикл.

Обзор и тенденции

В целом, путь технологической эволюции ветротурбин очевиден:

Двухфазные асинхронные генераторы по-прежнему востребованы на отдельных рынках наземного применения благодаря своей зрелости и экономичности.

Синхронные генераторы с прямым приводом и постоянными магнитами прочно закрепились на рынке морских и ветровых районов благодаря своей непревзойденной надежности.

Среднескоростной синхронный генератор с постоянными магнитами успешно сочетает в себе преимущества первых двух, становясь абсолютным технологическим лидером в современном развитии крупномасштабной и морской ветроэнергетики и представляя собой будущее направление отрасли.

Выбор генератора по сути сводится к поиску оптимального баланса между первоначальными инвестициями, эксплуатационными и техническими затратами, эффективностью выработки электроэнергии и требованиями к подключению к сети. По мере того как ветротурбины становятся все больше и размещаются в открытом море, требования к надежности и возможности поддержки сети становятся все более обременительными. Это также является основной причиной, по которой технологический путь, основанный на использовании генераторов с постоянными магнитами в сочетании с преобразователями частоты полной мощности, оказался наиболее успешным.