Обзор методов генерации и управления ветровыми турбинами

В этой статье обсуждаются преимущества энергии ветра как возобновляемого источника энергии, а также необходимость развития конструкции и технологии ветряных турбин. В нем также освещаются недостатки и процедуры проектирования ветряных турбин.

Темы, затронутые в этой статье:

Ⅰ. Методы генерации ветровых турбин

Ⅱ. Проблемы с генератором с прямым приводом

Ⅲ. Как преодолеть проблемы, связанные с генераторами с прямым приводом?

Ⅳ. Классификация синхронных генераторов с постоянными магнитами

Ⅴ. Машина с постоянным магнитом осевого потока

Ⅵ. Машина с постоянными магнитами радиального потока

Ⅶ. Подведение итогов по ключевым моментам

Ⅷ. Ссылка

Из-за растущей обеспокоенности по поводу глобального потепления и истощения запасов ископаемого топлива крайне важно развивать возобновляемые источники энергии . Ветроэнергетика быстро развивалась за последние три десятилетия, что сделало ее самым быстрорастущим источником возобновляемой энергии в мире. Энергия ветра может получить более широкое распространение, если будут достигнуты технологические достижения в конструкции ветряных турбин и генерирующих систем.

С 1990-х годов произошел резкий рост эффективности систем преобразования энергии ветра. Существует множество различных идей и методов управления ветряными турбинами, которые были разработаны для повышения их надежности и эффективности, а также снижения их общей стоимости.

Ⅰ. Методы генерации ветровых турбин

Традиционные генерирующие системы, используемые большими ветряными турбинами, бывают трех видов.

В первом случае используется обычный асинхронный генератор с короткозамкнутым ротором (SCIG) и многоступенчатый редуктор в сочетании с прямым решетчатым соединением для создания ветряной турбины с фиксированной скоростью.

Вторая группа состоит из двух подтипов:

а. Ограниченные конструкции с регулируемой скоростью

б. Конструкции с регулируемой скоростью, в которых используется преобразователь частичного масштаба.

Чтобы реализовать идею ограниченной переменной скорости, используется асинхронный генератор с фазным ротором (WRIG) с переменным сопротивлением ротора, а также преобразователь силовой электроники и механизм управления шагом.

Преобразователь с частичной номинальной мощностью, многоступенчатый редуктор и асинхронный генератор двойного питания (DFIG) составляют систему ветряной турбины с регулируемой скоростью.

Наконец, существует безредукторная ветряная турбина, иногда известная как ветряная турбина с прямым приводом или регулируемой скоростью. Обычно полномасштабный преобразователь мощности соединяется с тихоходным синхронным генератором с высоким крутящим моментом, образуя генераторную систему с прямым приводом.

Ⅱ. Проблемы с генератором с прямым приводом

При установке ветряной турбины с редуктором отказ коробки передач и необходимость регулярного технического обслуживания являются двумя основными факторами. Выходная мощность, упрощение трансмиссии, дешевое обслуживание, высокая эффективность и надежность — вот лишь некоторые из причин, по которым генераторы с прямым приводом более интересны, чем генераторы с редуктором.

Поскольку эти генераторы с прямым приводом работают на низких скоростях и требуют высокого крутящего момента для обеспечения необходимой мощности, в них обычно используется большой диаметр воздушного зазора, что увеличивает общую стоимость и объем системы.

Для подключения к интеллектуальной сети необходим полностью номинальный преобразователь мощности, что увеличивает как расходы, так и потери. Различные типы генераторов, которые можно было бы использовать в ветряных турбинах с прямым приводом, были предметом многочисленных исследований.

Ⅲ. Как преодолеть проблемы, связанные с генераторами с прямым приводом?

Было обнаружено, что синхронные генераторы с постоянными магнитами (PMSG) превосходят синхронные генераторы с электрическим возбуждением (EESG) с точки зрения выходной энергии, надежности, соотношения крутящего момента и стоимости, эффективности и легкой конструкции, что делает их оптимальным выбором для этого применения.

Машины PM не являются обычными легкодоступными машинами; вместо этого их конструкция обеспечивает значительную гибкость, позволяя использовать различные топологии. И структура, и направление потока могут быть использованы для классификации машины с постоянными магнитами.

Ⅳ. Классификация синхронных генераторов с постоянными магнитами

В зависимости от ориентации потока PMSG можно разбить на

● Машина с постоянным магнитом осевого потока (AFPM).

● Машина с постоянным магнитом радиального потока (RFPM).

● Машина с постоянным магнитом поперечного потока (TFPM).

Ⅴ. Машина с постоянным магнитом осевого потока

Машина AFPM предлагает еще один вариант использования с прямым приводом. Как видно на рис. 1, это устройство создает магнитный поток вдоль осевой, а не радиальной оси. В то время как ток распространяется радиально, поток от ПМ движется аксиально. По сравнению с машиной с ПМ радиального потока, эта машина имеет большой диаметр, но короткую осевую длину. Торовая машина — это еще одно название обычной беспалевой машины AFPM с одним статором и двойным ротором.

Рис. 1. Машина с ПМ с осевым потоком Источник: IEEE Access.

Достоинства

● Короткая осевая длина и легкая намотка.

● Минимальный шум и крутящий момент.

● Превосходное соотношение крутящего момента и размера.

Недостатки

● Высокое использование ПМ при большом диаметре.

● Структурная нестабильность

● Проблемы с сохранением воздушного зазора при большом диаметре.

Ⅵ. Машина с постоянными магнитами радиального потока

Как показано на рис. 2, это наиболее типичная схема для машин с постоянными магнитами, в которой линии потока лежат в радиальной плоскости, а ток течет аксиально.

Рис. 2. Машина с ПМ радиального потока Источник: IEEE Access.

Приложения

● Двигательные установки на судах

● Производство ветровой энергии

● Тяга и т. д.

Машина RFPM имеет низкий риск разрушения конструкции и высокое соотношение крутящего момента к весу. Вот почему машины RFPM составляют подавляющее большинство низкоскоростных мегаваттных генераторов, представленных сегодня на рынке.

Машина RFPM имеет более высокую производительность в широком спектре применений ветряных турбин с прямым приводом. Осевая длина машины и диаметр воздушного зазора также настраиваются. Поскольку осевая длина больше, а диаметр меньше, потери в меди будут сосредоточены на концевых обмотках.

Типы

В литературе в основном обсуждаются два типа машин RFPM:

● Накладной монтаж

● Флюс-концентрированный.

Крупномасштабные ветряные турбины с прямым приводом могут извлечь выгоду из установки RFPM поверхностного монтажа. Плотность потока воздушного зазора меньше остаточной плотности потока в магнитах на поверхности ротора, что отличается от топологии, ориентированной на поток.

Кроме того, поскольку конфигурации с внешним ротором легче устанавливать и обслуживать, чем конфигурации с внутренним ротором, они более практичны для больших генераторов с прямым приводом. Кроме того, многополюсная конструкция с большой внешней периферией может обеспечить большую плотность крутящего момента.

Машина с постоянным магнитом поперечного потока

У.М. Мордей был первым, кто запатентовал идею машины TFPM в 1895 году. В 1970-х годах эта концепция снова появилась в серии статей Э.Р. Лейтуэйта и др. на линейной машине TFPM для железнодорожного транспорта. И последнее, но не менее важное: публикация Х. Ве привлекла широкое внимание к этому аппарату.

Магнитная цепь, создающая движущую силу, расположена в плоскости, ортогональной направлению движения. Односторонние машины ТФПМ поверхностного монтажа, подобные изображенной на рис. 3, имеют самую простую топологию среди всех машин ТФПМ.

Рис. 3. Машина с постоянными магнитами с поперечным потоком Источник: IEEE Access.

В отличие от традиционных машин, машины TFPM обеспечивают дополнительное пространство для обмоток якоря, не жертвуя при этом площадью, доступной для основного магнитного потока.

Шаг полюсов машины TFPM может быть установлен очень малым по сравнению с другими машинами. По сравнению с машинами AFPM и RFPM, машины TFPM могут иметь большую плотность крутящего момента из-за этого. Сложность в трех измерениях, низкий коэффициент мощности и большой крутящий момент — вот некоторые проблемы устройств TFPM. Эта машина работает как синхронная машина.

Достоинства

● Более высокая плотность крутящего момента

● Разделение электрических и магнитных нагрузок.

● Модульная структура

● Отказоустойчивость

● Простые обмотки

Недостатки

● Плохой коэффициент мощности.

● Высокий крутящий момент

● Высокие потери

● Комплексное производство

Честное проектирование и сравнение машины TFPM с обычной машиной RFPM необходимо, если она хочет стать ведущим кандидатом в ветроэнергетике. Процедура проектирования состоит из трех этапов: условия, исследование и оптимизация.

Ⅶ. Подведение итогов по ключевым моментам

● Ветроэнергетика является наиболее быстрорастущим источником возобновляемой энергии в мире, и ее развитие имеет важное значение для решения проблем глобального потепления и истощения запасов ископаемого топлива.

● Развитие технологий необходимо для улучшения конструкции ветряных турбин и генерирующих систем, чтобы обеспечить более широкое распространение энергии ветра.

● Ветровые турбины имеют некоторые недостатки, в том числе низкий коэффициент мощности, высокий крутящий момент, высокие потери и сложное производство.

● Последние инновации в конструкции и технологиях ветряных турбин, такие как использование интеллектуальных материалов и передовых систем управления, производят революцию в возобновляемой энергетике.

Ⅷ. Ссылка

Кумар, Раджеш, Цзы-Цян Чжу, Александр Дюк, Арвин Томас, Ричард Кларк, Зиад Азар и Чжан-Юань Ву. «Обзор машин с постоянными магнитами с поперечным магнитным потоком для применения в ветроэнергетике». IEEE Access 8 (2020): 216543–65. https://doi.org/10.1109/access.2020.3041217 .