MODERNE TEHNOLOGIJE VETROGENERATORA

V.Kati, B.Dumni, D.Milievi, S.Grabi, Z.orba, N.Kati, Fakultet tehnikih nauka, Novi Sad SAETAK Brz razvoj industrije vetrogeneratora ide u dva kljuna pravca poveanje snage, kroz poveanje dijametara rotora, odnosno kroz sve vei obuhvat kinetike energije vetra, i poveanje efikasnosti konverzije kroz unapreenje pretvarakih sklopova, odnosno aktivnu regulaciju brzine i postavljanje u taku maksimalne snage. Do sada su razvijene razliite konfiguracije su i one se opisuju u ovom radu. Razmatrane su tehnologije sa asinhronim i sinhronim generatorima, sa i bez multiplikatora brzine. Posebno su razmatrana i prikazana postojea reenja vetrogeneratora sa promenljivom brzinom. Na kraju je predstavljena i problematika prikljuenja vetrogeneratora na elektroenergetsku mreu uz potovanje Pravila o radu EES-a ili Grid Code. Kljune rei: Energija vetra, Vetrogeneratori, Prikljuenje vetrogeneratora UVOD Vetroelektrane postaju sve znaajniji izvor elektrine energije, a brzina rasta njihove implementacije poslednjih 10-tak godina je impresivna. Danas je ve u Evropi instalirano blizu 100 GW vetrogeneratora, koji daju preko 200 TWh elektrine energije godinje, to ini oko 6% ukupne potronje elektrine energije u EU [1]. Industrija vetrogeneratora u EU zapoljava direktno ili indirektno blizu 240.000 ljudi, to u dananjoj ekonomskoj krizi ini respektabilan broj [2]. Predvianja su da e do kraja ove decenije instalisana snaga po jednim projekcijama dostii 180 GW [1], a po drugim ak 240 GW [2], pa e shodno tome uee vetroelektrana u proizvodnji elektrine energije porasti na 13,4%, odnosno 16%. Oekuje se da e to doneti veliki broj novih radnih mesta, pa se procenjuje da e tada u ovom industrijskom sektoru raditi oko 520.000 ljudi [2]. Da bi se ostvario takav intenzivan rast, potrebno je dalje usavravati tehnologiju izrade vetrogeneratora, kao i poveati njihovu pojedinanu snagu.

MODERNE TEHNOLOGIJE KONVERZIJE ENERGIJE VETRA U ELEKTRINU Dosadanja reenja sa asinhronim mainama kaveznog ili kliznokolutnog tipa sa konstantnom ili delimino regulisanim brzinama rada nisu dovoljno energetski efikasna i sve tee mogu da odgovore sve sloenijim zahtevima mree datim u Pravilima za rad elektroenergetskih sistema (Grid Code) [3,4]. Takoe, pitanja pouzdanosti i smanjenja trokova odravanja, posebno za vetroelektrane na moru, sve je znaajnije, pa se trae nova reenja efikasnijeg korienja energije vetra kroz sve veu ulogu energetskih elektronskih pretvaraa kao interfejsa izmeu generatora i mree, kao i rada bez mehanikih multiplikatora brzine. Brz razvoj industrije vetrogeneratora ide u dva kljuna pravca poveanje snage, kroz poveanje dijametara rotora, odnosno kroz sve vei obuhvat kinetike energije vetra, i poveanje efikasnosti konverzije kroz unapreenje pretvarakih sklopova, odnosno aktivnu regulaciju brzine i postavljanje u taku maksimalne snage. Poveanje instalisane snage generatora Vetrogeneratori su poeli kao male generatorske jedinice od nekoliko desetina kW i sa simbolinom ulogom u elektroenergetskom sistemu. Meutim, veoma brzo su se razvijali i u prethodnoj deceniji, jedinice od nekoliko MW su postale uobiajene. Trenutno se na tritu javljaju vetrogeneratori snage 6 - 8 MW, s tim da se planira razvoj jedinica snage 10MW sa vizijom poveanja do ak 20 MW [5]. Na slici 1 prikazan je karakteristian ilustrativan prikaz zavisnosti prenika rotora od instalisane snage vetrogeneratora. Vidi se da oni postaju kolosalni graevinski objekti visina veih od 100m sa prenikom rotorskih krilca veim od najveeg putnikog aviona dananjice Airbus-a A380 (raspon krila 80m).

Slika 1 Zavisnost prenika rotora od instalisane snage [5].

Poveanje efikasnosti konverzije energije vetra U kontinuiranim naporima da se smanje trokovi, povea pouzdanost i efikasnost sistema za konverziju energije vetra, razliita reenja su razvijena. Generalno, vetro-turbine se mogu svrstati u turbine sa fiksnom i sa regulisanom brzinom [6]. Vetrogeneratori sa fiksnom brzinom koriste kavezni asinhroni generator konektovan direktno na mreu. Za pokretanje se koriste tiristorski energetski pretvarai u konfiguraciji soft start, koji su u nominalnom reimu kratko-spojeni. Taj metod tera elektrinu mainu da radi na konstantnoj frekvenciji i zbog toga na priblino konstantnoj brzini. Pulsacije snage vetrogeneratora se prenose direktno na

mreu i nema kontrole aktivne i reaktivne snage, koji su tipino vani parametri za regulaciju frekvencije i napona. Prikljuenje na mreu i tekoe u usaglaavanju sa Pravilima rada EES predstavljaju dodatne probleme. S druge strane, ova reenja su jednostavna, robusna i koriste postojeu, ve razvijenu tehnologiju, pa su sa te strane cenovno prihvatljiva. Poboljano reenje sa sinhronim generatorom sa permanetnim magnetima i pretvarakim sklopom povezanim u zvezditu otvorenog statora, omoguava aktivno priguenje uz relativno malu snagu pretvaraa (20% nominalne snage generatora) [7]. Meutim, to reenje je ostalo na nivou akademskog predloga i van interesa industrije. Vetrogeneratori sa fiksnom brzinom uglavnom su primenjeni u prvima danima korienja energije vetra i karakteristini su za male snage. Vee interesovanje za primenu vetrogeneratora i snaniji investicioni ciklusi, doveli su do traenja reenja za otklanjanje gornjih ogranienja, odnosno do razvoja primene konstrukcija sa regulisanom brzinom. Turbine sa regulisanom brzinom daju bolje iskorienje snage i lake se adaptiraju potrebama mree. Sinhroni generatori i asinhroni kavezni generatori povezani sa energetskim pretvarakim sistemom se koriste u praktinim izvedbama ovih vetrogeneratora. Dodatno, klizno-kolutne maine, kao dvostruko napajani asinhroni generatori sa smanjenom snagom pretvaraa ili asinhroni generatori sa spoljnom kontrolisanom otpornou rotora, imaju praktine primene [6]. PREGLED POSTOJEIH REENJA VETROGENERATORA SA PROMENLJIVOM BRZINOM Zbog promenljivosti brzine vetra, veoma je poeljno da pogon turbine bude sa promenljivom brzinom. Takodje, porastom snage turbine kontrolni parametri postaju sve vie vani, tako da je neophodno implementirati energetsku elektroniku kao interfejs izmedju vetro-turbine i mree. Turbina sa promenljivom brzinom poboljava dinamiko ponaanje turbine I omoguava pogon sa maksimalnom snagom na odredjenoj brzini vetra i kontrolu toka aktivne i reaktivne snage. Ostale prednosti su smanjeni mehaniki stres, manje pulsacije momenta i snage, poboljani kvalitet napona i manja buka na malim brzinama vetra [4]. Na osnovu korienja prenosnog mehanizma, mogu se podeliti na turbine sa direktnim ili indirektinim pogonom. Oba reenja sinhronog generatora sa namotanim rotorom ili sa permanentnim magnetima su prihvatljiva za direktni pogon, za koje je pun energetski pretvaraki sistem potreban. Mogu se koristiti i asinhroni kavezni generatori, takoe uz primenu pretvarakog sistema tipa back-to-back. Ovaj sistem slui kao interfejs izmedju generatora i mree i sastoji se iz diodnog ili aktivnog ispravljaa, jednosmernog meukola (DC link) i mrenog invertora. Brzina generatora se prilagodjava brzini turbine i time je prenosni mehanizam od manjeg znaaja i moe biti eliminisan. U vetrogeneratorskim sistemima sa konfiguracijama sa multi-polnim (naprimer 72 pola) ili multi-faznim (na primer 6 faza) sihronim generatorima mehaniki multiplikator se moe eliminisati [8]. To naroito vai kada generator radi na maloj brzini, tj. ima veliki broj polova. Takva turbina bez mehanikog multiplikatora (prenosnog mehanizma) je atraktivna zbog nie cene, teine i znaajno manjih trokova odravanja. Multifazni ili vienamotajni generatori su interesantni za istraivanja i zbog toga to takva topologija poveava pouzdanost celog sistema, a sa odgovarajuim dizajnom uklopnih ema, uticaj harmonika na mreu se moe znaajno smanjiti [9]. Turbine sa indirektnim pogonom zahtevaju prenosni mehanizam za sinhronizuju male brzine turbine sa visokom brzinom generatora. Druga mogua klasifikacija odslikava primenu pretvarakih sistema na bazi energetskih elektronskih pretvaraa. Razlikuju se vetrogeneratorski sistemi sa delimino regulisanim brzinama i sa punom regulacijom brzine. Reenja sa delimino regulisanom brzinom Slika 2 predstavlja jedno od najednostavnijih reenja za pogon sa promenljivom brzinom. Konfiguracija je bazirana na klizno-kolutnom asinhronom generatoru sa spoljnim otporom rotora.

Spoljni otpor rotora je promenljiv korienjem pretvaraa sa diodnim mostnim ispravljaem i IGBT operom. Sa razliitim vrednostim otpora, generator moe da radi na razliitim radnim takama. To omoguava ogranieni opseg brzina, obino manje od 10% od nominalne brzine. Najvea prednost ove konstrukcije je mala cena i jednostavnost, a nedostatak je ogranien opseg promene brzine, nemogunost kontrole isporuke reaktivne snage u mreu i smanjena efikasnost zbog gubitaka u otporima.

Slika 2 Ashinhroni klizno-kolutni generator sa regulacijom spoljnog otpora rotora

Dvostruko napajani asinhroni generator ili DFIG sistem konverzije energije vetra sa promenljivom brzinom je jedna od najvie komercijalizovanih konfiguracija u industriji vetrogeneratorske opreme u prethodnoj deceniji i danas se najee moe videti na poljima. Stator je direktno povezan na mreu, dok je rotor povezan na mreu preko dvostrukog energetskog pretvaraa (slika 3). Tipini statorski napon za DFIG je 690 V, a opseg snaga je od nekoliko stotina kW do nekoliko MW. Dvostruki pretvara je 1/3 instalisane snage generatora, s tim da pretvara na strani rotora kontorlie momenat ili aktivnu/reaktivnu snagu generatora, dok pretvara na strani mree kontrolie napon jednosmernog meukol i reaktivnu snagu na naizmeninoj strani. Opseg brzina ovog tipa vetrogeneratora je oko +/- 30%.

Slika 3 Konfiguracija vetrogeneratora sa dvostruko napajanim asinhronim generatorom (DIFG)

Reenja sa punom regulacijom brzine i dvostrukom konverzijom

Tipina konfiguracija vetrogeneratorskog sistema opremljena sa nisko-naponskim elektrinim generatorima kaveznog asinhronog ili sinhronog tipa, prikazana je na slici 4. Turbina je sa generatorom najee povezana preko multiplikatora (Gear), mehanikog sistema za usaglaavanje brzine turbine sa nominalnom brzinom generatora. Za povezivanje generatora sa mreom primenjen je dvostruki naponski pretvara, koji se sastoji od dva identina konvertora povezana u back-to-back

topologiju, sa kapacitivnim filterom u jednosmernom meukolu kao svojevrsnim interfejsom. Prema mrei moe biti povezan i transformator u zavisnosti od naponskog nivoa.

Slika 4 Blok ema vetrogeneratorskog sistema sa punom regulacijom brzine.

Pretvaraki sklop moe imati razliita reenja. Za pomenute vrste maina to je aktivni naponski ispravlja i mreni naponski invertor povezani DC linkom. Na slici 5 se vidi ova konfiguracija sa pretvaraima na 2 nivoa i IGBT prekidaima. Generator i konverteri su tipino za 690 V, a svaki pretvara moe da nosi 0,75 MW. Za generatore snage vee od 0,75 MW, snaga pretvaraa se moe poveati paralelisanjem IGBT modula. Ova konfiguracija obezbedjuje najvee iskorienje energije vetra, mogunost injekcije reaktivne snage u mreu i kompenzaciju reaktivne snage u sluaju slabe mree ili kvarova u sistemu bez obzira na korienje indukcione maine.

Slika 5 Konfiguracija SCIG/SG sa back-to-back konverterom

Vetrogenerator sa sinhronim generatorom (SG) ima vei broj moguih konfiguracija, jer SG mogu da proizvode rotorski fluks samostalno. Umesto aktivnog ispravljaa na generatorskoj strani, moe se koristiti jeftiniji diodni ispravlja sa podizaem napona (boost pretvaraem) u jednosmernom meukolu (slika 6). Meutim, za vee snage podiza napona mora biti sastavljen od vie isprepletanih jedinica ili na neki drugi nain.

Slika 6 Pretvaraki sklop sa diodnim ispravljaem, podizaem napona i naponskim ispravljaem

[10]. Reenja za vetrogeneratore velikih snaga Za vetrogeneratore veih snaga (10 MW) koriste se srednjenaponski elektrini generatori i adekvatni pretvarai. Problem je veliko naponsko naprezanje elektronskih prekidakih komponenti, pa se

komponente moraju vezivati na red. Slika 7 predstavlja srednje-naponsku (MV) vetro-turbinu, koja koristi konverter sistem punog kapaciteta sa kaveznim asinhronim ili sinhronim MV generatorom. Dva identina konvertera su primenjena, jedan koji radi kao ispravlja strujnog tipa (CSR) na generatorskoj strani i drugi koji radi kao strujni invertor (CSI) na strani mree. Takodje, postoji trofazni kondenzator na obe AC strane da pomae komunikaciju uklopnih uredjaja i smanjuje harmonike uklapanja. CSR i CRI su povezani sa DC prigunicom koja ograniava DC struju i takodje razdvaja generator od mree. Strujni ispravlja (CSR) ima jednostavnu strukturu sa malim brojem uklapanja i pouzdanom zatitom od kratkih spojeva u poredjenju sa naponskom tehnologijom. Mada dinamiki odziv strujnog pretvaraa nije tako brz kao naponskog, on je dobro reenje pretvaraa za velike vetrogeneratore na srednjem naponu od 3 do 4 kV.

Slika 7 Konfiguracija SCIF/SG sa srednjenaponskim konverterom strujnog tipa.

Nova reenja za konvertore veih snaga ukljuuju primenu pretvaraa sa vie nivoa (Multilevel Converters). Mogue su varijante pretvaraa sa 3 nivoa, sa 5 nivoa, kao i kombinacije ovih reenja u polumostnoj ili mostnoj konfiguraciji. Na slici 8 prikazano je reenje sa ispravljaen sa 3-nivoa i invertorom sa 5 nivoa u polumostnoj konfiguraciji. Pored problema sa fluktuacijom napoona srednje take, koji je na putu reenja, ozbiljan nedostatak je nejednaka distribucija gubitaka u granama pretvaraa.

Slika 8 Dvostruki pretvara sa ispravljaem sa 3-nivoa i invertorom sa 5 nivoa [10].

Za vetrogeneratore mogue je primeniti i pretvarae sa vie povezanih manjih jedinica, to je pogodnije s obzirom na nivoe naprezanja samih prekidakih elektronskih komponenti. Za razliku od varijanti sa dvostrukim pretvaraima, ovde se predlau reenja sa indirektnim ili direktnim AC/AC pretvraima. Na slici 9 prikazane su dve mogunosti: indirektni pretvara i direktni (matrini) pretvara. Indirektni pretvara je kombinacija AC/DC, DC/AC, AC/AC, AC/DC i DC/AC serijski vezanih pretvaraa, s tim to je AC/AC pretvara u stvari izolacioni transformator, koji radi na srednjim frekvencijama. Matrini pretvara je sloena jedinica, koji zahteva izolacioni transformator sa veim brojem primarnih namotaja. Mogua su i druga reenja, koja obuhvataju vei broj razliito paralelovanih ili serijski vezanih pretvaraa sa velikim brojem prekidaa. Meutim, zbog mnogobrojnih komponenti, pitanje pouzdanosti sistema dolazi u prvi plan, pa su potrebne sloene analize moguih ispada i metoda odravanja [10].

Slika 9 Indirektni i direktni AC/AC pretvarai za vetrogeneratore [15]

PRIKLJUENJE VETROELEKTRANE NA MREU Svaki elektroenergetski sistem radi u skladu sa odredjenim pravilima koja definiu obaveze postojeih I buduih korisnika za pogon i prikljuenje na elektroenergetsku mreu [3,4]. Ovi zahtevi moraju biti ispunjeni od strane proizvodjaa elektrine energije, potroaa konektovanih na elektroenergetsku mreu i kompanija koja upravljaju mreom. Ta pravila su poznata kao Pravila o radu elektroenergetskog sistema (Grid Code). Slino prenosnim mreama, distributivna mrea odredjuje zahteve za prikljuenje svojih korisnika u Pravilima o radu Distributivne Mree (Distribution Code) [11]. U poredjenju sa korisnicima prenosne mree, korisnici distributivne mree imaju manje snage i manji uticaj na rad mree, tako da su zahtevi Pravila o radu Distributivne Mree znaajno laki u poredjenu sa prenosom. injenica je da se zahtevi Pravila o radu EES stalno prilagodjavaju razvoju tehnologije. Ona ukljuuju problematiku kvarova, regulaciju aktivne snage, frekvencije, regulaciju reaktivne snage, napona i planiranje proizvodnje. Glavni nedostatak WECS u poredjenju sa konvencionalnim izvorima energije je nesigurnost proizvodnje elektrine energije, kao posledica konstantnih promena u brzini vetra [6]. Iz tih razloga, vetrogeneratori ne mogu ispuniti zahteve koje sinhroni generatori velike snage ispunjavaju, naprimer tana predikcija proizvodnje elektrine energije, ograniena brzina promene snage, ostrvski rad i putanje u rad bez podrke mree (black start). Takodje, razna tehnoloka reenja farmi vetrogeneratora su karakterisana razliitim upravljanjem, kako u stabilnom pogonu, tako i u vreme poremeaja u radu sistema, to odredjuje kako utiu na rad elektroenergetskog sistema. Na primer, vetro-turbina sa kaveznim asinhronim generatorom (squirell cage induction generator) direktno povezana na mreu i sa ogranienjem mehanikog inputa (stall turbines) ima najednostavniji dizajn bez mogunosti kontrole toka aktivne iIi reaktivne snage u normalnom pogonu ili tokom poremeaja rada. Za vreme propada napona, asinhroni generator dodatno optereuje mreu poveanom potronjom reaktivne snage, to moe ugroziti stabilnost mree. Sa druge strane, vetrogenerator sa energetskim pretvaraima ima mnogo vie mogunosti, ak i prednosti u poreenju sa konvencionalnim elektranama. Njihova sposobnost da brzo kontroliu tokove aktivne i reaktivne snage moe obezbediti dodatnu podrku mrei u smislu doprinosa regulaciji frekvencije i napona. Parkovi vetrogeneratora se prikljuuju na elektroenergetsku mreu, u zavisnosti od snage: za instalisane snage preko 15 MW, farme su prikljuene uglavnom na prenosnu mreu, dok za snage ispod 15 MW su prikljuene na distributvnu mreu. Jedna mogunost za organizaciju i prikljuenje farme vetrogeneratora je prikazana na slici 10. S obzirom da farme vetrogeneratora mogu imati znaajan uticaj na kvalitet elektrine energije i stabilnost elektroenergetskog sistema, njihova instalacija, aktiviranje i pogon predstavljaju znaajan problem. U tom smislu propisana su tehnika pravila za prikljuenje farmi vetrogeneratora u Pravilima za rad elektroenergetskih sistema (Grid Code). Tehnologija vetrogeneratora se brzo razvija i ima puno specijalnih funkcionalnosti u poredjenju sa konvencionalnim elektranama. Iz tog razloga, u mnogim zemljama zahtevi za prikljuenje farmi vetrogeneratora imaju poseban tretman u vidu posebnih pravila (Wind Code) [8].

Slika 10 Prikljuenje farme vetrogeneratora na elektroenergetsku mreu

ZAKLJUAK Opti zahtevi veine vodeih Pravila o radu sistema (Grid Code) u delu prikljuenja farmi vetrogeneratora, ukljuuju problematiku kvarova, regulaciju aktivne snage, frekvencije, regulaciju reaktivne snage i napona, koji su analizirani u ovom radu. Sa druge strane savremene konstrukcije vetrogeneratora omoguavaju smanjenja trokova i poveanja pouzdanosti. Predstavljene su tehnologije sa asinhronim i sinhronim generatorima, sa i bez multiplikatora brzine, a posebno su analizirana postojea reenja vetrogeneratora sa promenljivom brzinom. U buduim jedinicama velike snage (10-20 MW) kljunu ulogu u elektro-delu e imati kvalitetna i pouzdana reenja pretvarakih sklopova energetske elektronike. U toj oblasti se oekuje dalji napredak i znaajna unapreenja. REFERENCE 1. TPWind Advisory Council, Wind Energy: A Vision for Europe 2030, European Wind Energy

Technology Platform, 2006, www.windplatform.eu 2. Wilkes J., Green Growth The Impact of Wind Energy on Jobs and Economy, Report, EWEA,

April 2012, www.ewea.org 3. Fulli, G., Ciupuliga, A.R., Review of existing methods for transmission planning and for grid

connection of wind power plants, 15.06.2009, http://realisegrid.erse-web.it 4. JP Elektromreze Srbije, Pravila o radu prenosnog sistema, verzija 1, od 15.04.2008. god.

http://www.ems.rs/pravila_o_radu_prenosnog_sistema.pdf. 5. Nicolas Fichaux et all, Up Wind Design limits and solutions for very large wind turbines,

EWEA, March 2011, www.ewea.org 6. Bin, W., et al., Power Conversion and Control of Wind Energy Systems, John Wiley and Sons,

Inc., Publication, New Jersey, USA, 2011 7. Grabi S., elanovi N., Kati V., Permanent Magnet Synchronous Generator Cascade for Wind

Turbine Application, IEEE Trans. on Power Electronics, Vol.23, No.3, May 2008, pp. 1136-1142 8. Heier S., Grid Integration of Wind Energy Conversion Systems, John Wiley & Sons, 2nd Ed.,

Chichester, U.K., 2006. 9. Levi E., Multiphase Electric Machines for Variable-Speed Applications, IEEE Transactions on

Industrial Electronics, Vol. 55, No. 5, May 2008, pp.1893-1909. 10. Blaabjerg F., Liserre M., Ma K., Power Electronics Converters for Wind Turbine Systems, IEEE

Tran. on Industry Applications, Vol.48, No.2, Mar./Apr.2012, pp.708-719. 11. The Distribution Code, NGET plc., Warwick, UK, 2006, http://energynetworks.org