Turinys
1. Įžanga 3
2. Galios keitikliai vėjo jėgainėse: dabartinė ir ateities plėtra 4
3. Išvados 17
4. Literatūra 18
Įžanga
Vėjo turibinos generatoriaus sistemos reikalauja galios valdymo grandinės- galios keitiklio, galinčio pritaikyti genaratoriaus dažnį ir įtampą prie tinklo parametrų. Per pastaruosius dešimtmečius yra ištobulinti keli jų tipai, su savo privalumais ir trūkumais. Pramoniuose vėjo elektrinių generatorių sistemose pagrinde yra naudojami du jų tipai. Daugumoje keitiklių yra reikalingi filtrai ir transformatoriai, kad būtų pagerinta galios kokybė ir žingsnio įtampa. Šie sunkūs ir didelių gabaritų komponentai stipriai padidina bokšto konstrukcijos ir turbinos instaliacijos ir išlaikymo kaštus. Pastarieji pažengimai puslaidininkiuose ir magnetinėse medžiagose privedė prie naujų keitiklių struktūrų, kurios gali būti nauji sprendimai mažinant galios keitiklių dydį, svorį, ir kainą.
Darbo tikslas
Vėjo elektrinių galios keitiklių ir jų harmonikų palyginimas tarpusavyje
Uždaviniai
Apžvelgti esamas ir naujas galios keitiklių technologijas.
Panagrinėti jų struktūras, veikimo principus.
Galios keitiklių palyginimas tarpusavyje.
Sukeliamų harmonikų apžvelgimas
Galios keitikliai vėjo jėgainėse: dabartinė ir ateities plėtra
(Power converters for wind turbines: Current and future development)
Vėjo elektrinės gondolos sandara
Generatorius
Pavara
Keitiklis
Transformatorius
Perjungimų ir turbinos valdymas
1 Pav. Vėjo turbinos sandara [3]
Vejo elektrinių keitikliai.
Pastaraisiais metais skirtingos keitiklių technologijos buvo tiriamos. Jos visos turi savo privalumų ir trūkumų. Tačiau paprastai yra naudojami diodų lyginimo ir „back to back“ keitikliai. Keitiklių tiekiamos galios kokybę apibūdina THD faktorius. Itampos ar srovės kreivės formos iškraipymai kintamoje elektros energijos sistemoje atsiranda dėl aukštesniųjų harmonikų įtakos. Aukštesnės srovės harmonikos, tekėdamos tinklo elementais, sukelia įtampos kritimus šių elementų varžose, kurie sumuojasi prie pagrindinės įtampos sinusoidės, tokiu būdu iškraipydami jos formą. Tinklo įtampos ar srovės nukrypimą nuo sinusinės kreivės formos priimta apibūdinti netiesinių iškreipių faktoriumi, THD (angl. – Total Harmonic Distortion).
Diodų lyginimo keitikliai: (angl.- Diode rectifier based converter)
Šioje keitimo sistemoje nustatyto dažnio ir dydžio kintama galia iš generatoriaus pirma yra keičiama į nuolatinią galią, o paskui į kintamą su kitu dažniu ir įtampa. Diodų lyginimo keitikliais (nekontroliuojami keitikliais) paremta sistema galią gali versti tik į vieną pusę (pvz.: iš generatoriaus į tinklą). Ši konversijos technologija paprastai yra naudojama žiedinių rotorių sinchronių generatorių arba nuolatinių magnetų sinchroninių generatorių vėjo elektrinėse.
2 Pav. Diodų lyginimo keitiklių schematinis vaizdavimas
3 Pav. Diodų lyginimo keitiklių išėjimo įtampa, kai keitiklio perjungimo dažnis- 2kHZ
4 Pav. Diodų lyginimo keitiklių įėjimo srovė
5 Pav. Diodų lyginimo keitiklių išėjimo įtampos dažninis spektras
Privalumai:
Paprastai įdiegiama;
Žemi kaštai.
Trūkumai:
Didelis harmonikų kiekis;
Didesni harmonikų nuostoliai;
Nepakankamos galios valdymo galimybės.
„Back to back“ keitikliai
Kontroliuojamo lyginimo ir kontroliuojamo keitimo keitiklis yra vadinamas „back to back“ keitikliu. Jis skiriasi nuo diodų lyginimo keitiklio lygintuvo grandine, kur diodų lygintuvas su srovės kirtikliu yra pakeičiamas kontroliuojamu lygintuvu. Kontroliuojamas lygintuvas suteikia dvipusio galios srauto galimybę. Taip pat žymiai sumažina harmonikų skaičių ir nuostolius. Tinklo pusės keitiklis gali kontroliuoti reaktyvios ir aktyvios galios srautus į tinklą ir palaiko nuolatinės srovės jungties įtampą pastovią. taip yra pagerinama išeinančios galios kokybė ir sumažinamas THD faktorius.
6 Pav, „back to back“ keitiklio schamatinis vaizdavimas
7 Pav. „back to back“ keitiklio išėjimo įtampa
8 Pav. „back to back“ keitiklio įėjimo srovė
9 Pav. „back to back“ keitiklio išėjimo įtampos dažninis spektras
Taip pat šis keitiklis vis dažniau yra naudojamas vėjo elektrinėse su dvigubo maitinimo generatoriais.
10 Pav. „back to back“ keitiklis VE su dvigubo maitinimo generatoriais
Privalumai:
Dvipusis galios srautas
Nuolatinės srovės (DC) jungties įtampa gali kisti siekiant pilno tinklo srovės valdymo
Maža dalių kaina
Trūkumai:
DC jungtyje esantis sunkus kondensatorius padidina kainą ir sumažina sistemos ilgaamžiškumą.
Perjungimų nuostoliai.
Dideli tinklo persijungimų greičiai ir dėl to gali reikti diegti papildomus filtrus.
Gana sudėtingas valdymas.
Matriciniai keitikliai
Matriciniai keitikliai yra unikali technologija. Ji remiasi kintamos srovės( AC) galios keitimu į kintamos srovės galią. Taip yra panaikinama DC jungti. Yra tiesioginiai arba vienos pakopos keitikliai. Keitiklis susideda iš dvikrypčių jungčių išdėstytų įėjimo ir išėjimo fazių susikirtimo taškuose. Išėjimas yra gaunamas dėl selektyvaus jungčių atsidarymo ir užsidarymo. Filtras įėjimo pusėje padeda komutacijai ir apsaugo tinklą nuo persijunginėjimų sukuriamų harmonikų. Jis yra mažesnis ir lengvesnis, nes jame nėra didelių energijos kaupimo elementų ( kaip DC jungties kondensatorius).
11 Pav. Matricinis keitiklis vėjo elektrinėje.
12 Pav. Matricinio keitiklio išėjimo įtampa
13 Pav. Matricinio keitiklio įėjimo įtampa
14 Pav. Matricinio keitiklio išėjimo įtampos dažninis spektras
15 Pav. Matricinis keitiklis VE su dvigubo maitinimo generatoriumi
Privalumai:
Mažesnių gabaritų ir svorio
DC jungties nebuvimas
Perjungimo nuostoliai mažesni nei „ back to back“ keitikliuose
Pateikia praktiškai sinusoidinių formų įėjimo ir išėjimo sroves su mažu kiekiu harmonikų
Mažesnis terminis puslaidininkių stresas
Trūkumai:
Negalima valdyti išėjimo įtampos.
Norint pasiekti tą pačią išėjimo galią kaip „back to back“ keitiklyje išėjimo srovė turi būti didesnė 1.15 karto, kas padidina perdavimo nuostolius
Sudėtingesnės valdymo technologijos
Ciklokeitikliai
Kaip ir matriciniai, ciklokeitikliai verčia AC į AC tiesiogiai, be DC jungties. Taip pat jie vadinami dažniniais ketikliais. Geriausias panaudojimo būdas, kai energiją reikia perduoti dideliais atstumais ( „offshore“ VE).
16 Pav. Ciklokeitiklis „offshore“ VE
17 Pav. Šešių pulsų ciklokeitiklio fazinė įtampa
18 Pav. Šešių pulsų ciklokeitiklio įėjimo srovė
19 Pav. Ciklo keitiklio dažninis spektras
Privalumai:
Mažesni persijungimų ir perdavimų nuostoliai
Dvipusis galios srautas
Kompaktiškas galios grandinės dizainas
Trūkumai:
Limituotas išėjimo dažnis
Prastas įėjimo galios faktorius
Žemas galios perdavimo santykis
Reikalauja sudėtingų valdymo grandinių
Daugiapakopiai keitikliai (Multilevel, converter)
Daugiapakopiai keitikliai- tai galios elektronikos grandinės, kurios gali būti naudojamos kaip keitiklis ar lygintuvas. Norint pasiekti aukštą įtampą naudojant žemos įtampos jungtuvus daugiapakopiuose keitikliuose yra naudojama perjungimo prietaisai su žemos įtampos nuolatinės srovės šaltiniais. Atsinaujinančios energijos šaltiniai gali būti naudojami kaip papildomi nuolatinės srovės šaltiniai. Šių keitiklių didžiausiai privalumas yra tas, kad jie gali suteikti galimybę prisijungti į trifazį tinklą tiesiogiai. NPC (Neutral point clamped), FC (flying capacitor) ir SCHB(series connected H-bridge) yra trys dažniausiai naudojamos daugiapakopių keitiklių technologijos. FC keitkliuose yra naudojama daugybė kondensatorių, dėl ko išauga jų kaina, sumažėja gyvavimo trukmė, padidėja svoris, gabaritai. Todėl jis vėjo elektrinėse nėra naudojamas. NPC keitiklis leidžia sujungti neutralės tašką su DC jungties viduriniuoju tašku taip sumažindamas įžemėjimo srovę. Tačiau jis yra nepritaikomas aukštai įtampai. SCHB keitikliuose komponentų skaičius priklauso tiesiogiai nuo įtampos lygių ir dėl to galima pasiekti didelį lygių skaičių. Keitiklis su dideliu įtampos lygiu leidžia eliminuoti galios transformatorių ir pasiekti mažesnį THD su mažesniu persijungimų dažniu, kas taip pat leidžia eliminuoti išėjimo filtrus ir sumažinti bendrą kainą. Tačiau SCHIB keitiklis reikalauja kelių izoliuotų ir subalansuotų DC šaltinių.
20 Pav. NPC keitiklis VE
21 Pav. SCHB keitiklis VE
Privalumai:
Didesnės įtampos valdymo galimybės naudojant žemesnio nominalo įrenginius
Žemesni perjungimų nuostoliai ir bendrai didesnis efektyvumas
Mažesnis kiekis filtrų
Trūkumai:
Reikalauja nemažai puslaidininkinių elementų, o tai padaro sudėtingesnę valdymo grandinę.
Įtampos disbalansas tarp aukštesnės ir žemesnės eilės DC jungties kondensatorių
Srovinis stresas puslaidininkiniuose elementuose
22 Pav. Septynių lygių SCHB 11kV keitiklio išėjimo įtampa, be filtro grandies
23 Pav. Septynių lygių 11 kV keitiklio dažninis spektras, be filtro grandies
Daugelio įėjimų keitikliai (Multi-Input converters (MIC))
Šie keitikliai yra sukurti hibridinėms atsinaujinančių šaltinių sistemoms. Jų principas yra panašus kaip ir daugiapakopių keitiklių, tik juose vietine DC jungtimi yra sujungti keli generavimo šaltiniai. Taip yra išsprendžiama problema buvusi daugiapakopiuose keitikliuose, kur DC šaltiniai turėjo būti diegiami papildomai į keitiklį.
24 Pav. Multi-Input keitiklio panaudojimas hibridinėse sistemose
Toliau bus aptariami keturi naujo tipo, švelnaus paleidimo MIC su aktyvia integruota galios faktoriaus korekcija (PFC). Jie gali būti pritaikomi hibridinėse atsinaujinančių šaltinių elektrinėse. Šie keitikliai gali atlikti atskiras arba suderintas operacijas skirtinguose energijos šaltiniuose. Taip pat kiekvienas iš šių keitiklių gali pasiekti „ZCS turn-off“ (zero current switching) ir „ZVS turn on“ (zero voltage switching) atskirose arba suderintose operacijos nenaudodami pagalbinių srovių.
25 Pav. MIC ketiklių tipai. (a) ZCS buck QRC. (b) ZCS zeta QRC. (c) ZVC QRC su PFC pagreitinimu. (ZVC QRC su SEPIC PFC.
Viršuje esančiame paveiksliuke vaizduojami keturi švelnaus paleidimo MIC, kurie yra gaunami kombinuojant ZVC ir QRC( quasi-resonant converter) saulės moduliams ir QRC su PFC vėjo turbinoms.Abu konverterių moduliai( vėjo ir saulės) dalinasi tais pačiais išėjimo filtrais (Lf, Cf) ir diodais. Šių tipų keitikliai pateikia aukštos kokybės linijinę srovę.
26 Pav. MIC su trimis šaltiniais.
27 Pav. (a) fazinė įėjimo srovė, kai vėjo elektrinė veikia individualiai. (b) fazinė įėjimo srvoė, kai vėjo elektrinė veikia suderintai. (c) naudingumas prie skirtingų apkrovų veikiant individualiai ir suderintai. (d) įėjimo galios faktorius
Išvados
Plačiai paplitusius puslaidininkinius keitiklius vis sparčiau keičia puslaidininkiniai, dėl jų „švaresnio“ darbo charakteristikų. Puslaidininkiniuose keitikliuose yra atsisakoma DC jungties, sparčiai vystosi AC-AC keitikliai. Tačiau diodinių keitiklių technologijos taip pat yra tobulinamos.
Senesnio tipo puslaidininkiniuose keitikliuose yra DC jungtis tarp lygintuvo ir inverterio. Nauji puslaidininkiniai keitikliai yra kuriami be jos (AC-AC). Tačiau diodiniai keitikliai taip pat yra tobulinami, gerinant jų veikimo charakteristikas, keičiant struktūrą.
Diodų lyginimo keitikliai yra palygint pigūs ir lengvai įdiegiami bei eksplotuojami, tačiau sukelia daug ir didelės amplitudės harmonikų, taip pat juose galios srautas gali tekėti tik viena kryptimi. „Back to back“ keitikliai nuo jų skiriasi tik lygintuvo grandimi ir tarpiniu kondensatoriumi ( filtru). Jie sukelia mažiau harmonikų, taip pat jų keitiklio charakteristikos yra geresnės. Galios srautas gali tekėti dviem kryptimis. Tačiau jų valdymas yra sudėtingesnis, esantis kondensatorius pakelia kainą, gali būti reikalingi papildomi filtrai. Matriciniuose ir ciklokeitikliuose vietoje diodų naudojami puslaidininkiai. Jie remiasi AC-AC konversija. Dėl naudojamų puslaidininkių sumažėja harmonikų, padidėja THD rodiklis. Juose nėra DC jungties ir kondensatoriaus, dėl ko sumažėja jų svoris, gabaritai, gyvavimo trukmė, tačiau jų valdymas yra sudėtingesnis. Matriciniuose keitikliuose išėjimo ir įėjimo srovės yra beveik sinusoidinės, tačiau juose krenta išėjimo įtampa ir jos negalima valdyti. Ciklokeitikliai turi mažesnius perjungimo nuostolius, galios srautas yra dvipusis, galios grandinę yra kompaktiška, tačiau turi mažą galios faktorių. Šiems keitikliams reikalingos sudėtingesnės valdymo grandinės nei diodiniuose keitikliuose. Multikeitikliai turi didesnes įtampos valdymo galimybes, taip pat jų perjungimo nuostoliai yra mažesni. Jų bendras efektyvumas yra didesnis nei kitų. O MIC keitikliai yra sunkiai palyginami su kitais, nes tai yra prototipinis variantas.
Literatūra
1. S. Moury, J. Lam, V. Srivastava and R. Church, “New soft-switched multi-input converters with integrated active power factor correction for hybrid renewable energy applications,” 2016 IEEE Energy Conversion Congress and Exposition (ECCE), Milwaukee, WI, 2016, pp. 1-8. doi: 10.1109/ECCE.2016.7855291
2. Rivera, Marco and Toleda, Sergio and Nasir, Usman and Costabeber, Alessando and Wheeler, Patrick (2016) New configurations of power converters for grid interconnection systems. In: IEEE International Conference on Automatica (IEEE ICA ACCA 2016), 19- 21 Oct 2016, Chile.
3. Power converters for wind turbines: Current and future development Md Rabiul Islam* , Youguang Guo, and Jianguo Zhu Centre for Electrical Machines and Power Electronics, University of Technology Sydney, NSW-2007, Australia