Çift beslemeli asenkron jeneratör (DFIG): değişken hızlı rüzgâr türbinleri nasıl çalışır?

Rüzgâr türbinleri neden değişken hıza ihtiyaç duyar?

Rüzgârdaki güç P = ½ × ρ × A × v³'tür ve türbin bunun Cp kadarlık bir kısmını yakalar. Cp, kanat ucu hızının rüzgâr hızına oranı olan uç hız oranı λ'ya bağlıdır ve tek bir tepe noktası vardır (modern üç kanatlı rotorlar için yaklaşık 0,45 ile 0,5; λ ≈ 8 civarında). Rüzgâr değişirken bu tepede kalmak için rotor hızının rüzgâr hızıyla orantılı değişmesi gerekir.

Şebekeye bağlı sincap kafesli bir asenkron jeneratör neredeyse sabit hızda döner, bu yüzden bunu yapamaz. Seçenekler, jeneratör ile şebeke arasında tam güçlü bir konvertör (çalışır ama gücün %100'ünü taşımak zorundadır) ya da aynı değişken hızlı çalışmayı çok daha küçük bir konvertörle sağlayan çift beslemeli asenkron jeneratördür. Rüzgâr hızı da dalgalandığı için rotorun hızlanıp yavaşlamasına izin vermek, rüzgâr esintilerini rotorun kinetik enerjisi olarak depolar ve dişli kutusu üzerindeki gerilmeyi azaltır.

DFIG nasıl yapılır?

Makinenin üç fazlı bir stator sargısı ve üç fazlı bir sargılı rotoru vardır; rotor uçları bileziklerle dışarı alınır. Türbin göbeği rotoru bir dişli kutusuyla sürer (örneğin yaklaşık 90:1; kabaca 10 ile 20 dev/dk'lık göbek hızını jeneratör hızına çıkarır). İki sargı şöyle bağlanır:

• Stator, şebeke frekansında doğrudan şebekeye bağlanır.
• Rotor, ortak bir DC baraya sahip iki konvertör üzerinden şebekeye bağlanır: rotora kayma frekansında kontrollü bir AC gerilim uygulayan rotor tarafı konvertörü ve şebekeyle güç alışverişi yapan şebeke tarafı konvertörü.

Çift beslemeli adı, şebekeye olan iki elektriksel bağlantıyı, yani stator ve rotoru ifade eder. Rotor tarafı konvertörü, hem torku hem statorun reaktif gücünü belirleyen rotor akımını düzenler. Şebeke tarafı konvertörü DC bara gerilimini sabit tutar.

Alt ve üst senkron çalışma

Stator alanının senkron hızı n_s = 120 × f / p'dir; 50 Hz'de dört kutup için 1500 dev/dk. Kayma s = (n_s − n) / n_s'dir; rotor alandan yavaşken pozitif, hızlıyken negatiftir. Rotor akımlarının frekansı |s| × f'dir; 1200 dev/dk'daki bir rotor 10 Hz görür, 1800 dev/dk'daki bir rotor ise ters faz sırasında 10 Hz görür.

Konvertör bu kayma frekansını üretebilir ve rotor gücünün yönü kaymanın işaretine bağlıdır.

• Alt senkron (n < n_s, s > 0): rotor konvertör üzerinden şebekeden güç çeker. Stator, mil gücünden daha fazlasını verir.
• Üst senkron (n > n_s, s < 0): rotor konvertör üzerinden şebekeye güç verir. Şebeke stator gücü artı rotor gücünü alır.
• Senkron hızda rotor akımı DC'dir ve rotor gücü yalnızca bakır kaybıdır.

Kayıplar ihmal edilirse stator P_s verir ve rotor gücü

P_rotor ≈ −s × P_s

olur; işaret kuralı, rotor gücünün şebekeye aktığında pozitif olmasıdır. Şebekedeki toplam güç P ≈ (1 − s) × P_s'dir ve mil gücü de aynıdır. Gereken rotor gerilimi |s| ile orantılı olduğundan, konvertörün yalnızca kayma aralığıyla orantılı bir gerilim ve güç değerine ihtiyacı vardır.

Çözümlü örnek

2 MW, 690 V, 50 Hz, dört kutuplu bir DFIG'in hız aralığı ±%30'dur, yani rotor hızı 1050 ile 1950 dev/dk arasında çalışır.

1. Senkron hız: 120 × 50 / 4 = 1500 dev/dk. 2. Aralığın üstünde, 1950 dev/dk'da s = (1500 − 1950) / 1500 = −0,30'dur. Altında, 1050 dev/dk'da s = +0,30'dur. 3. Makine s = −0,30'da toplam 2000 kW veriyorsa P_s = 2000 / 1,3 ≈ 1540 kW'tır ve rotor gücü 0,30 × 1540 ≈ 460 kW'tır. Konvertör toplam gücün yaklaşık dörtte birini taşır. 4. 1050 dev/dk'da, düşük rüzgârda makinenin şebekeye örneğin 500 kW verdiğini varsayalım: P_s = 500 / 0,7 ≈ 714 kW ve rotor yaklaşık 214 kW çeker.

Tam konvertörlü bir sistem 2000 kW'ın tamamını konvertöründen geçirirdi. DFIG'in ekonomik gerekçesi budur: daha küçük konvertör daha düşük maliyet ve daha düşük konvertör kaybı demektir; %30'luk konvertörün bu kadar yaygınlaşmasının nedeni de budur.

Reaktif güç ve şebeke

Etkin gücü rotor akımıyla kontrol etmenin yanında, rotor tarafı konvertörü makineyi rotordan mıknatıslayabilir. Bu yüzden stator reaktif gücü için bir ayar noktası birim güç faktöründe tutulabilir ya da şebeke gerilimini desteklemek için reaktif güç vermesi veya çekmesi sağlanabilir; kondansatör gerekmez. Aralık konvertör gerilim ve akım değerleriyle ve stator akımı sınırıyla sınırlıdır. Şebeke tarafı konvertörü de kendi başına reaktif güç alışverişi yapabilir.

Tam konvertörlü türbine (senkron ya da asenkron jeneratör kullanır ve konvertörü tam güce göre seçilir) kıyasla DFIG'in artı ve eksileri şunlardır:

• Daha küçük, daha ucuz konvertör ve daha düşük konvertör kaybı.
• Stator doğrudan bağlı olduğu için şebeke bozulmalarını daha çok hisseder: gerilim çukuru yüksek rotor akımlarına yol açar; bu da bir crowbar ya da başka bir hata geçişi koruması gerektirir.
• Bakım kalemi olan bilezik ve fırçalara ve bir dişli kutusuna ihtiyaç duyar.
• Hız aralığı kabaca ±%30 ile sınırlıdır; tam konvertör her hıza izin verebilir.

Simülatör DFIG'i nasıl modeller?

Curvo Studio'nun çift beslemeli asenkron jeneratör simülatörü, statora indirgenmiş, motor yön kuralıyla, rotorun kayma frekansında beslendiği kararlı durum, faz başına T eşdeğer devresini kullanır. Türbin Heier/Slootweg Cp(λ, β) eğrisini kullanır (tepe Cp yaklaşık 0,48, λ ≈ 8,1'de), dişli kutusu %97 verimlidir, MPPT hız kontrolü ±%30 kaymayla sınırlıdır ve anma rüzgârının üzerinde kanatlar rüzgârdan açı alır. Devreye girme 4 m/s, devreden çıkma 25 m/s'dir. Konvertör, rotor görünür gücünün %1,5'ini kaybeder ve şebeke tarafının birim güç faktöründe çalıştığı varsayılır.

Model yarı kararlı durumdadır. Konvertör kontrol çevrimlerini, şebeke arızalarını ya da hata geçişini simüle etmez. Varsayılan makine 2000 kW, 690 V, dört kutuplu, 90:1 dişli kutulu, 11 m/s anma rüzgârlı, %30 konvertörlü ve birim güç faktörü ayar noktalıdır.

Varsayılan 10 m/s rüzgârda izleyici rotoru yaklaşık 1676 dev/dk'da tutar (kayma %−11,8, üst senkron). Stator yaklaşık 1344 kW verir, rotor konvertör üzerinden yaklaşık 155 kW ekler ve şebeke yaklaşık 1496 kW alır.

DFIG simülatöründe deneyin

Çift beslemeli asenkron jeneratör simülatörünü açın ve aşağıdakileri deneyin.

• Hız kontrolü'nü Rüzgâr (MPPT) üzerinde bırakıp Rüzgâr hızı'nı tarayın. 10 m/s'de Çalışma bölgesi Üst senkron'dur ve Rotor gücü (konvertör üzerinden) pozitiftir, yaklaşık 155 kW. 7 m/s'de hız yaklaşık 1173 dev/dk'dır, bölge Alt senkron'dur, kayma yaklaşık +%22'dir ve Rotor gücü yaklaşık −148 kW'tır (güç rotor tarafından şebekeden çekilir).
• 5 m/s'de rotor hızı 1050 dev/dk sınırında (kayma %30) tutulur; 12 m/s'de Kanat açısı yaklaşık 3°'ye çıkarken rotor hızı 1950 dev/dk'da tutulur ve Türbin gücü anma değerine yakın tutulur.
• 4 m/s'nin altında makine park edilmiştir ve göstergeler Devreye girme hızının altında yazar.
• Hız kontrolü'nü Elle hız yapın ve Rotor hızı'nı 1500 dev/dk'ya ayarlayın. Kayma sıfırdır ve Rotor akımı frekansı 0 Hz'dir.
• Stator reaktif gücü'nü +500 ya da −500 kvar yapın (pozitif şebekeye verilen demektir) ve Konvertör yüklenmesi ile Şebekedeki güç faktörü'nü izleyin. +1000 kvar'da yüklenme yaklaşık %100'e ulaşır.
• Elle hız 1700 dev/dk iken Konvertör gücü'nü %10'a düşürün; Konvertör yüklenmesi %100'ün üzerine çıkar: konvertör aşırı yüklenir ve bir çalışma uyarısı görünür.

Rotor hızına göre güç akışı (MPPT eğrisi) grafiği, stator, rotor ve toplam gücü MPPT eğrisi boyunca gösterir; rotor gücü senkron hızda işaret değiştirir.

Simülatörde deneyin