WINDENERGIE : GENERATOREN

Transcriptie

1

2 INHOUD: Inleiding Overzicht types generatoren Turbine met asynchrone generator Turbine met asynchrone generator met grote slip Turbine met dubbel gevoede inductiemachine Turbine met synchrone generator Turbine met permanent magneet generator Nut van een variabel toerental

3 Het werkingsprincipe van een windturbine is bekend: De wind valt loodrecht in op het rotatievlak van de wieken. De wieken roteren en drijven zo de rotor aan van een elektrische generator. De generator zet de mechanische energie om in elektrische energie.

4 In de huidige sessie zullen we ons richten op de generatoren. Welke types generatoren worden er gebruikt? Wat is het werkingsprincipe? Wat zijn de belangrijkste eigenschappen? Voordelen en nadelen?

6 Belangrijkste types generatoren welke gebruikt worden in windturbines zijn: Asynchrone generator Asynchrone generator met grote slip Dubbel gevoede inductiemachine Synchrone generator Permanent magneet generator

7 INHOUD: Inleiding Overzicht types generatoren Turbine met asynchrone generator Gebruik tandwielkast Inductiemachine Koppel-toerental-karakteristiek Omschakelbaar poolpaartal Turbine met asynchrone generator met grote slip Turbine met dubbel gevoede inductiemachine Turbine met synchrone generator Turbine met permanent magneet generator Nut van een variabel toerental

8 Bekijken we eerst eens die turbine met een asynchrone generator

9 De wieken zijn meestal via een tandwielkast verbonden met de asynchrone generator. Het toerental van de wieken (bijvoorbeeld 20 tpm) is een stuk lager dan het toerental van de generator (1000 of 1500 tpm). Het lage toerental van de wieken wordt door de tandwielkast verhoogd. Het opdrijven van het toerental betekent uiteraard een evenredige verlaging van het koppel. Tandwielkast moet hier de snelheid opdrijven (de tandwielkasten in de meeste aandrijvingen met verbrandingsmotoren en elektrische motoren doen net het omgekeerde)

10 Het gebruik van een tandwielkast: Een tandwielkast neemt natuurlijk plaats in. Een tandwielkast kost geld (investering) en vergt het nodige onderhoud. Een tandwielkast zorgt voor lawaai. Tandwielkast is verbonden met de wieken die blootstaan aan windstoten, veranderingen windrichting, Het rendement van een tandwielkast is hoog (> 99%), doch geen 100%. Dit betekent verliezen en opwarming.

11 Het gebruik van een tandwielkast: Stel dat een tandwielkast een rendement van 99% heeft bij een 2 MW turbine die op volle vermogen werkt. Dit betekent een verlies van 20 kw omgezet naar warmte. Dat is niet niks!! Het is uiteraard wel een grote markt. Flink wat windturbines zijn met tandwielkasten uitgerust. Er is dan ook flink wat research verricht speciaal naar windturbines toe.

12 Het gebruik van een tandwielkast: Zie bijvoorbeeld de website van Hansen Transmissions Er zit een tandwielkast tussen de wieken en de generator. Dit laat wel toe de asynchrone generator rechtstreeks op het net te schakelen.

14 Als generator wordt hier een inductiemachine = asynchrone machine gebruikt: Kan als motor en als generator gebruikt worden. Inductiemotoren zijn de werkpaarden van de elektrotechniek. Inductiemachines bestaan in 2 uitvoeringsvormen Met bewikkelde rotor: duurder, voorlopig niet van toepassing Met kooirotor: goedkoper, hier gebruikt Het zijn dus de kooiankermotoren die als werkpaarden van de elektrotechniek dienst doen.

15 Inductiemachines met kooirotor zijn: Goedkoop (geen wikkelingen in rotor, geen borstels, geen sleepringen) Leverbaar in zowat alle vermogenklassen Vergen weinig of geen onderhoud Robuust Hebben lange levensduur

17 Bekijken we nu eens het gedrag van de asynchrone machine die hier als generator zal moeten werken.

18 De inductiemachine heeft een synchroon toerental Dit synchroon toerental 60 f N S = p (f is de netfrequentie en p is het poolpaartal) p = 1 geeft 3000 toeren per minuut bij 50 Hz Hier is p meestal hoger dan 1 om toerental te beperken en zo snelheidsverhouding van de tandwielkast te beperken. Onder dit synchroon toerental werkt de machine als motor. Kan nuttig zijn om de rotor op snelheid te brengen indien dit niet aërodynamisch gebeurt via de wieken en de wind. Dit lukt natuurlijk enkel als er niet in eilandbedrijf gewerkt wordt.

19 De koppel-snelheids-karakteristiek vermeldt de de pulsatie ωs = 2π N S De koppel-snelheids-karakteristiek vermeldt ook de slip ωs ω s = ω S Onder het synchroon toerental: motorwerking, slip > 0 Boven het synchroon toerental: generatorwerking, slip < 0

20 In regime wordt er bij motorwerking gewerkt met een slip tussen 0 en s m In regime wordt er bij generatorwerking gewerkt met een slip tussen 0 en -s m Bij een inductiemachine met kooirotor is s m klein. Stel dat de windturbine de generator aandrijft. Omwille van de kleine s m varieert de snelheid weinig. Generator draait een weinig oversynchroon. Bij benadering is de snelheid constant en gelijk aan de synchrone snelheid.

21 De generator draait dus een weinig oversynchroon. De snelheid is in eerste benadering constant. Het feit dat de snelheid een weinig kan variëren is wel nuttig om bijvoorbeeld een plotse windstoot op te vangen. De extra energie kan tijdelijk opgeslagen worden als kinetische energie doordat het toerental een klein beetje toeneemt. De generator zet mechanisch vermogen om in elektrisch vermogen en levert dus (bij verwaarlozing van verliezen) een actief elektrisch vermogen P = ω T. Maar een inductiemachine (zowel motor als generator) verbruikt reactief vermogen. Dit laat toe het magnetisch veld in de machine op te bouwen.

22 De asynchrone generator verbruikt reactief vermogen Q. Dit reactief vermogen moet geleverd worden door het net. Dit is een nadeel. Er kunnen condensatorbatterijen geplaatst worden om de arbeidsfactor te verbeteren. Deze condensatoren leveren dus het reactief vermogen aan de generator zodat het net dit niet meer moet doen. Wanneer de generator in eilandbedrijf werkt, is er geen net om het reactief vermogen te leveren. Condensatoren zijn onmisbaar.

23 Bekijken we terug de algemene opbouw van de windturbine: We weten dus al waarom er op de figuur gesproken wordt van fixed speed. Maar waarom wordt er ook gesproken over dual speed?

24

26 Het is uiteraard de bedoeling zoveel mogelijk energie uit de wind te halen. Dit betekent dat een zo groot mogelijke rotorefficiëntie C P gewenst is.

27 Bij een driebladige turbine van de voorgaande figuur is de TSR = stip speed ratio best ergens tussen 3 en 5. Bij een andere vorm van aërofoil kan dit bijvoorbeeld variëren tussen 4 en 6. Maar de TSR mag niet te veel buiten een bepaald gebied liggen. Stel dat de C P -curve vastligt, de pitch-hoek van de wieken kan niet gewijzigd worden. Maar de windsnelheid varieert. Bij een (nagenoeg) constante rotatiesnelheid betekent dit een variatie van de tip speed ratio. C P kan te laag worden.

28 Stel dat de windsnelheid halveert. Is het mogelijk de rotatiesnelheid ook te halveren zodat de tip speed ratio onveranderd blijft? JA! een hoge C P behouden blijft? JA! Herinner dat de synchrone snelheid van de generator bepaald wordt door het poolpaartal. Door een generator te gebruiken met een omschakelbaar poolpaartal, kan het toerental van de generator en dus van de wieken anders gekozen worden. DUS OMSCHAKELBAAR POOLPAARTAL!

29 Onderstaande figuur toont de rotorefficiëntie C P in functie van de windsnelheid bij verschillende toerentallen van de rotor.

30 Dus betekent in het huidige voorbeeld: Voor lage windsnelheden best 20 omwentelingen per minuut Voor middelmatige windsnelheden best 30 omwentelingen per minuut Voor hoge windsnelheden best 40 omwentelingen per minuut Maar wat geeft dat nu voor het uiteindelijk gegenereerde vermogen? Uiteindelijk blijft de energie in de wind evenredig met de windsnelheid tot de derde macht.

31 Gegenereerd vermogen in functie van de windsnelheid bij diverse rotatiesnelheden. Zelfde conclusies. Bij hogere windsnelheid is hoger toerental vereist.

32 Het bepalen van de rotatiesnelheid van de wieken kan gebeuren door het poolpaartal van de generator te wijzigen. kan gebeuren via de tandwielkast. Sommige turbines hebben 2 tandwielkasten met een verschillende snelheidsverhouding. Afhankelijk van de windsnelheid wordt de ene of de andere gebruikt. kan eventueel gebeuren door toe te laten dat de generator een frequentie verschillend van 50 Hz opwekt. In eilandbedrijf bestaat die mogelijkheid. De opgewekte spanning wordt mogelijks gelijkgericht.

33 INHOUD: Inleiding Overzicht types generatoren Turbine met asynchrone generator Turbine met asynchrone generator met grote slip Principe Bewikkelde rotor Turbine met dubbel gevoede inductiemachine Turbine met synchrone generator Turbine met permanent magneet generator Nut van een variabel toerental

34 Bij gebruik van een asynchrone generator met kooirotor is de rotorweerstand beperkt wat een kleine kipslip s m geeft. De mogelijke snelheidsvariaties zijn dus erg beperkt. De mogelijkheid om tijdelijk wat extra kinetische energie op te slaan na een windstoot is dus beperkt. Door de rotorweerstand te verhogen, verhoogt de kipslip. De snelheid van de generator kan binnen een breder gebied variëren. De energie in windstoten kan meer opgevangen worden in een snelheidsstijging. Het geleverde koppel blijft beter constant.

35 Als het koppel van de generator beter constant blijft. Dan is het geleverde actief vermogen aan het net meer constant. De netoperator heeft graag dat het geleverde vermogen weinig varieert. MAAR Maar bij een kooirotor is de rotor niet bereikbaar. De rotorweerstand kan dus niet bijgeregeld worden.

36 De oplossing kan er in bestaan een asynchrone machine met bewikkelde rotor te gebruiken. Via sleepringen kunnen weerstanden in serie geschakeld worden met de rotorwikkelingen.

37 Via een grotere rotorweerstand kan een grotere kipslip bekomen worden.

38 INHOUD: Inleiding Overzicht types generatoren Turbine met asynchrone generator Turbine met asynchrone generator met grote slip Principe Bewikkelde rotor Turbine met dubbel gevoede inductiemachine Turbine met synchrone generator Turbine met permanent magneet generator Nut van een variabel toerental

39 Enkele voordelen die we hadden bij een kooirotor vallen nu achterwege.

40 Een dergelijke bewikkelde rotor is duurder: grotere investering. De rotorweerstanden betekenen ook een investering. De warmte ontwikkeld in de rotorweerstanden is verlies. Elektrisch contact tussen draaiende rotor en stilstaande weerstanden via borstels en sleepringen Meteen meer onderhoud nodig en meer kans op defecten.

41 Vermeldenswaardig is hier: Het OptiSlip systeem van Vestas (1997). Laat snelheidsvariaties tot 10% toe. Via optische weg communiceren tussen stilstaande en draaiende onderdelen. Zo opdracht geven rotorweerstanden in of uit te schakelen.

42 INHOUD: Inleiding Overzicht types generatoren Turbine met asynchrone generator Turbine met asynchrone generator met grote slip Turbine met dubbel gevoede inductiemachine Principe en situering Machinetheorie Voordelen en nadelen Turbine met synchrone generator Turbine met permanent magneet generator Nut van een variabel toerental

43 Herinner u wat we al besproken hebben: Constante snelheid: inductiegenerator met kooirotor Semi-constante snelheid: inductiegenerator met bewikkelde rotor (grotere slip, 10% snelheidsvariaties) Variabele snelheid: dubbel gevoede inductiegenerator Laat snelheidsvariaties toe van 20% en zelfs 30%. Daar zullen we hier nu op ingaan.

44 Hier wordt net zoals bij het systeem met grote slip een inductiegenerator met bewikkelde rotor gebruikt.

45 De wind valt loodrecht in op het rotatievlak van de wieken. Via een tandwielkast drijven de wieken de inductiegenerator aan. De stator van de inductiegenerator is verbonden met het 50 Hz net. Via een transformator en een wisselrichter kan energie vanuit de rotor naar het net gestuurd worden energie vanuit het net naar de rotor gestuurd worden

47 Beschouw een inductiemachine: Er kan aangetoond worden dat: P R = s P δ Hierbij is P δ het elektromagnetisch vermogen welke via de luchtspleet overgedragen wordt van de stator naar de rotor of omgekeerd. P R is het rotorvermogen. s is de slip.

48 Indien de verliezen in de stator verwaarloosd worden, dan is het statorvermogen P S = P δ geldt dat P R = s P S Wat is de klassieke situatie met rotorweerstanden? P R > 0, warmte gedissipeerd in die weerstanden motorwerking: s > 0, P S > 0 opgenomen uit het net generatorwerking: s < 0, P S 0, vermogen geleverd aan het net

49 Dankzij de vermogenelektronica kan P R zowel positief als negatief zijn. Er zijn dus 4 in plaats van 2 mogelijke werkingstoestanden.

50 Dus zowel onder als boven de synchrone snelheid kan als generator gewerkt worden. Is bepaald door het teken van het rotorvermogen. Belangrijk is hoe groot P R kan zijn. De maximum grootte van P R wordt bepaald door het ontwerp van de vermogenelektronica. Een grotere P R laat (P R = s P S ) een grotere slipvariatie, snelheidsvariatie toe. Doch de vermogenelektronische omvormer is dan wel duurder. Als omvormer gedimensioneerd is op 30% van het generatorvermogen. Snelheid kan variëren tussen 70% en 130% van de synchrone snelheid.

52 Voordelen van dubbel gevoede asynchrone generator: Snelheid kan binnen breed gebied variëren (bvb. 70% tot 130% van de synchrone snelheid) De vermogenelektronica is berekend op het rotorvermogen en niet op het grotere statorvermogen. Belangrijk qua kostprijs. De asynchrone generator verbruikt niet zomaar reactief vermogen zoals we tot nu steeds vermeld hebben. Door de rotorstromen gepast te sturen, kan de generator reactief vermogen leveren aan het net.

53 Voordelen van dubbel gevoede asynchrone generator: De stator kan naar keuze reactief vermogen leveren aan het net of reactief vermogen opnemen uit het net. De vermogenelektronische omvormer verbonden met de rotor kan ook een geregelde hoeveelheid reactief vermogen leveren aan het net of opnemen uit het net. De reactieve vermogens van de stator en de rotor kunnen onafhankelijk van elkaar geregeld worden.

54 Is dat reactief vermogen belangrijk? Uiteraard! In een net moeten 2 voorwaarden voldaan zijn: Het gegenereerd actief vermogen moet gelijk zijn aan het verbruikte actief vermogen. Het gegenereerd reactief vermogen moet gelijk zijn aan het verbruikte reactief vermogen. Dus als er teveel reactief vermogen is, verbruik je reactief vermogen via de windturbine. Als er te weinig reactief vermogen is (komt vaker voor), dan lever je reactief vermogen via de windturbine.

55 Nadelen dubbel gevoede asynchrone generator: Er is nog steeds een tandwielkast nodig. Een elektrische verbinding nodig tussen de roterende rotor en de vermogenelektronica die niet ronddraait. Borstels en sleepringen zijn nodig. De vermogenelektronica is niet goedkoop en is bovendien kwetsbaar.

56 INHOUD: Inleiding Overzicht types generatoren Turbine met asynchrone generator Turbine met asynchrone generator met grote slip Turbine met dubbel gevoede inductiemachine Turbine met synchrone generator Principe De generator Voordelen en nadelen Turbine met permanent magneet generator Nut van een variabel toerental

57 In plaats van een asynchrone generator, wordt nu een synchrone generator gebruikt.

58 Bemerk hierbij dat: Er is geen tandwielkast meer nodig. Men spreekt dan ook van een direct drive systeem. Tussen het net en de stator van de synchrone generator is een frequentie omvormer geplaatst. Dus de generator is niet direct met het net verbonden, de naam direct drive slaat daar NIET op. Typisch voor een synchrone generator is dat de rotor met een DC-spanning gevoed wordt.

60 De generator en werkingsprincipe geheel: Door de rotor met een DC-stroom te bekrachtigen, gedraagt deze zich als een elektromagneet. Deze elektromagneet draait rond, aangedreven door de wieken. Zo wordt in het anker (= de stator) een driefasige spanning opgewekt met dezelfde frequentie als het toerental. Als de wieken en dus de rotor met een ander toerental draaien, wordt een andere frequentie opgewekt. Die wordt gelijkgericht. Een wisselrichter zet deze DC dan om naar een gepaste 50 Hz spanning die op het net gezet wordt.

61 De generator: De generator heeft gewoonlijk een groot aantal poolparen zodat ook bij een lage rotatiesnelheid een normale ACfrequentie opgewekt wordt. Hierdoor is geen tandwielkast vereist. De generator kan bij verschillende snelheden roteren en wekt afhankelijk hiervan een verschillende AC-frequentie op. Deze wordt toch gelijkgericht.

62 De generator: De generator is speciaal ontworpen met een groot aantal poolparen. Dit betekent een lage rotatiesnelheid, maar een groot koppel. Enercon E kw Zedelgem

63 De generator heeft dan ook een grote rotordiameter: Bijvoorbeeld bij de Enercon E-112 direct drive 4,5 MW turbine is de rotordiameter 12 meter! Film: bemerk de traag draaiende rotor met een grote diameter. (Enercon E66)

65 Voordelen: Geen tandwielkast. Dit biedt meerdere voordelen, waaronder: het wegwerken van de wrijving laat toe een lagere cut-in snelheid te bekomen. Kan werken binnen een breed snelheidsgebied. Is windturbine met variabele snelheid. Een synchrone generator kan reactief vermogen leveren bij overbekrachtiging. Bij onderbekrachtiging verbruikt de generator reactief vermogen. Het reactief vermogen van de generator is dan ook regelbaar.

66 Nadelen: Een synchrone generator is duurder dan een inductiegenerator met kooirotor. Een DC-bron nodig om de rotor te bekrachtigen. Het volledige statorvermogen moet gelijkgericht worden en daarna via een wisselrichter naar 50 Hz omgezet worden. Het niet zoals bij de dubbel gevoede inductiegenerator dat enkel het rotorvermogen omgevormd moet worden. (bvb. 30% van het statorvermogen) De wisselrichter is dan ook een flinke investering. Ook hier is het rendement geen 100% en is koeling vereist.

67 INHOUD: Inleiding Overzicht types generatoren Turbine met asynchrone generator Turbine met asynchrone generator met grote slip Turbine met dubbel gevoede inductiemachine Turbine met synchrone generator Turbine met permanent magneet generator Principe Voordelen en nadelen t.o.v. uitvoering met synchrone generator Nut van een variabel toerental

68 Is een windturbine met variabele snelheid:

69 In feite trekt de manier van werken erg goed op het direct drive systeem met een synchrone generator. Een generator met permanente magneten is dan ook een synchrone generator. In de rotor zitten permanente magneten en geen elektromagneten. Veel voordelen en nadelen kunnen dan ook gewoon overgenomen worden van wat we gezegd hebben bij de synchrone generator.

70 INHOUD: Inleiding Overzicht types generatoren Turbine met asynchrone generator Turbine met asynchrone generator met grote slip Turbine met dubbel gevoede inductiemachine Turbine met synchrone generator Turbine met permanent magneet generator Principe Voordelen en nadelen t.o.v. uitvoering met synchrone generator Nut van een variabel toerental

71 De elektromagneten in de rotor zijn vervangen door permanente magneten. Dit betekent dat: Geen DC-voeding meer voorzien moet worden. Een compacter ontwerp mogelijk is. Er zijn geen bekrachtigingswikkelingen nodig.

72 WINDENERGIE: GENERATOREN Maar langs de andere kant hebben dergelijke permanente magneten ook nadelen. De sterkte van de permanente magneet kan niet geregeld worden. Bij een elektromagneet kan dat wel. Permanente magneten zijn niet goedkoop. De montage van de permanente magneten en de rotor met permanente magneten is moeilijker. Permanente magneet is eerder kwetsbaar (breekbaar ). Zeker in ruwere offshoreomstandigheden is dat belangrijk.

73 Flink wat micro-windturbines hebben een rotor met permanente magneten. Ampair Pacific 100 Micro windturbine Rotor met permanente magneten Evolutie is naar windturbines voor grotere vermogens toe. Evolutie en ontwikkeling naar het MW-gebied toe. Misschien hebben turbines met permanente magneten in de rotor nog een grote toekomst. Ook bij de grotere vermogens.

74 Windturbine met permanente magneten

76 We hebben windturbines gezien met diverse types generatoren. Sommigen werken steeds bij dezelfde rotatiesnelheid van de wieken, anderen laten diverse rotatiesnelheden toe. Wat zijn de voordelen van een windturbine die met variabele snelheid kan werken? De maximale rotorefficiëntie C P kan behouden blijven over een brede range van windsnelheden. Zeker in combinatie met verstelbare pitch hoek, kan een lagere cut-in windsnelheid bekomen worden.

77 Wat zijn de voordelen van een windturbine die met variabele snelheid kan werken? Windstoten en dergelijke kunnen opgevangen worden door snelheidsveranderingen. De generator zal niet plots meer elektrisch vermogen leveren. Het geleverde vermogen is constanter. Dit is goed voor de netbeheerder. Is een vorm van power quality. Bij lage windsnelheden de wieken trager doen draaien zodat minder geluid geproduceerd wordt.

78 Wat zijn de voordelen van een windturbine die met variabele snelheid kan werken? De mogelijkheid om de turbine bijvoorbeeld s nachts trager te laten draaien en zo geluid te beperken. Zo vermijden dat de turbine omwille van het geluid stilgelegd moet worden. De mogelijkheid om het geproduceerde/verbruikte reactief vermogen bij te regelen. Is nuttig vanuit het standpunt van de netbeheerder.

79 Natuurlijk, de installaties die een variabele snelheid van de wieken toelaten hebben niet enkel voordelen. De frequentie omvormers hebben verliezen, dit verlaagt het geleverde vermogen aan het net. De warmteverliezen moeten afgevoerd worden. De frequentie omvormer levert geen perfecte sinusvormige spanning. De spanning is bijvoorbeeld een PWM-signaal. Er is een filter nodig. De vermogenelektronica en de generator is niet goedkoop.

80