Рынок электрогенераторов меняется столь стремительно, что игрокам приходится быстро менять свои предложения и подстраивать их под нужды потребителей. И эти изменения почувствовали на себе как производители ветровых турбин, так и поставщики оборудования и узлов. Станет ли это причиной появления новой технологии?

 

Во время испытаний имитируются различные сбои, которые могут возникнуть в реальной энергосети. В ходе испытаний проводятся самые разные сочетания сбоев в сетях. Источник: ABB.

В условиях быстро меняющихся способов выработки и распределения электроэнергии некоторые производители ветровых турбин для домашнего пользования рассматривают отказ от электрических силовых передач, в основе которых лежат индукционные генераторы двойного питания к генераторам с полным преобразованием. Это изменение самой концепции силовых передач может преобразить рынок комплектующих для ветрогенераторов и состав его игроков.

Помимо производителей комплектных турбин для ветрогенераторов, есть еще целый пласт компаний, производящих и поставляющих отдельные узлы. У них могут быть разные подходы к работе, но все они работают примерно в одной ценовой модели и в одних стандартах энергоэффективности. Одна из таких компаний – финская АВВ, которая производит комплектные силовые передачи обоих типов.

 

Испытательная установка имеет собственное питание и использует потери энергии для приведения в движение двигателей испытательных приводов.. Источник: ABB.

Сотрудники испытательного полигона ABB в Хельсинки поделились секретами испытания узлов, а также рассказали, зачем им проводить испытания и как они видят будущее ветроэнергетики.

 

Две основных концепции силовых передач

Электрическая силовая передача ветряка состоит из генератора, преобразователя, трансформатора и выключателя среднего напряжения. Основная разница между силовой передачей с двойным питанием и трансмиссией с полным преобразованием состоит в типе и размере генератора. Кроме того, у ветряков с полным преобразованием вся мощность проходит через преобразователь. Трансмиссии ветряков с полным преобразованием могут быть низкоскоростными (прямой привод), среднескоростными и высокоскоростными.

В электрических трансмиссиях задействованы как механические, так и электрические силы. Об этом рассказал Тейхо Карна, маркет-менеджер ветрогенераторов ABB Finland.  Электрические трансмиссии должны выдерживать оба этих вида взаимодействия, и при этом соответствовать требованиям электросети как на уровне ветрогенераторов, так и на уровне предприятий-потребителей энергии.

Возможно, именно поэтому узлы электрических трансмиссий являются причиной трети всех неисправностей ветряков, а время простоя ветряков из-за таких неисправностей достигает 37% по году.

По мнению Тейхо, столь большое число неполадок вызвано взаимодействием отдельных узлов силовой передачи друг с другом. Поэтому, если модернизировать один из элементов трансмиссии, сразу встанет вопрос, насколько хорошо он будет работать в преобразователе от другого производителя? Другими словами, по мнению Тейхо Карны, количество неполадок обуславливается тем, насколько хорошо инженеры-проектировщики поработали над всей конструкцией ветряка и как они справились с задачей обеспечения надежности и снижения времени простоя.

Вот уже много лет рынок трансмиссий плотно занят силовыми передачами с двойным питанием, но трансмиссии с полным преобразованием быстро наверстывают отставание. Для продвижения последних имеются большие козыри: необходимость соответствовать новым и более строгим электросетевым стандартам и растущая потребность в оптимизации электрогенерации на более низких скоростях ветра. С каждым годом всё больше и больше заметна тенденция генерации больших мощностей с сохранением надежности и стабильности параметров сети за счет подачи в сеть реактивной мощности.

Тимо Хейонен, контент-менеджер из ABB Motors and Generators, считает, что преимущества силовой передачи с полным преобразованием «во много раз превосходят плюсы системы с двойным питанием».

«Такая концепция позволяет вырабатывать энергию во всём диапазоне скоростей, обеспечивает полное соответствие требованиям к параметрам сети, и вместе с тем позволяет поддерживать генераторный режим при провале напряжения сети, поддерживать работу при неисправностях сети и полностью отказаться от контакта узлов с сетью», – сказал Хейонен.

В ABB говорят, что от выбора типа трансмиссии, который применяют в своих конструкциях производители, будет зависеть вес турбины, ее размер и способы технического обслуживания.  Поэтому в компании заявляют, что к выбору трансмиссии стоит подходить ответственно, учитывая требования к турбине, все требуемые разрешения и применимые стандарты электроснабжения в сетях.

Кроме того, поскольку место установки турбины и, как следствие, конкретные применимые стандарты не всегда известны заранее, некоторым производителям приходится принимать в расчет дополнительные затраты, которые обуславливаются конкретными нормами и правилами. Испытания позволяет избежать этих расходов, заявляет компания.

 

Важность электросетевых стандартов

 

В электросетевых стандартах указываются необходимые технические требования, которым должен соответствовать подключенный к сети генератор, в целях обеспечения надежной и экономически целесообразной работы региональной или государственной электрической сети.

В Европе бурный рост возобновляемых источников энергии привел к пересмотру многих электросетевых стандартов за последние годы. И это стало еще одним вызовом и задачей для производителей турбин и отдельных узлов.

По словам Карны, в Европе генерирующим предприятиям нельзя отключать что-либо от сети (в случае неполадок в ней) – станция всегда должна оставаться в работе, чтобы при необходимости отдать в сеть энергию. Он добавил, что отдельные ветряки «уже не могут функционировать как отдельные энергоблоки, но должны работать как электростанция».

ABB получает требования к конструкциям от производителей комплектного оборудования, а требования к сети в целом составляют операторы сетей.

Карна отметил: «Производители комплектного оборудования считают для себя большой удачей, если у них получается создать изделие, соответствующее требованиям к турбине».

Несмотря на то,что в ветряной турбине самой по себе невозможно соблюсти сетевые требования, поскольку эти требования, как правило, устанавливаются в момент подключения всей ветряной фермы, качество энергии, вырабатываемой ветряком, всё же весьма велико – такие негативные факторы, как фликкер-шум, паразитные гармоники и генераторный режим работы со сбоями отрицательно скажутся на работе сети, и их допускать нельзя.

В дополнение ко всему Карна отметил, что основной проблемой для производителей турбин в целом и отдельных узлов часто являются не требования сети как таковые, а понимание функциональных особенностей своих турбин и требований к технологиям, поскольку сами по себе сетевые стандарты могут определять назначение и конструкцию турбин.

 

Яри-Пекка Матсинен, менеджер по работе с клиентами и менеджер по продажам на местном рынке в подразделении ABB Oy BU Drives & Controls, PG Wind Converters, сказал, что «на данный момент производители комплектного оборудования удовлетворены» сетевыми требованиями в европейских странах, которые имеют место на данный момент.

Однако вместе с тем Матсинен заметил: «в последнее время в отрасли прошли многочисленные встречи, в особенности в Германии», в ходе которых некоторые производители, которые производят оборудование полного преобразования, активно рекламировали возможности своих устройств по подпитке сети при всевозможных сбоях.

«Вопрос о том, как турбина должна работать при симметричных и несимметричных сбоях, по-прежнему остается открытым", – добавил Матсинен.

«По крайней мере, до сегодняшнего момента нормы и правила по качеству электроэнергии в сетях были такими, что подпитка сети всегда должна была осуществляться током прямой последовательности, вне зависимости от типа сбоя», - добавил Матсинен.

Матсинен заявил также, что из-за таких нововведений производители комплектного оборудования для трансмиссий с двойным питанием оказывались в проигрыше. Виной тому были преимущества, которыми могут похвастаться узлы оборудования с полным питанием.

К примеру, генератор с двойным питанием может работать аналогично обычному асинхронному генератору, но лишь в том случае, если в требованиях к качеству сети не указываются дополнительные условия.

«Как мне видится, современные требования к качеству электроэнергии в сети менее благоприятны для устройств с двойным питанием и уже сказались на больших расходах для производителей данного типа  турбин», - добавил Матсинен и отметил, что технология двойного питания и удобна, и позволяет добиться соответствия текущим требованиям к качеству элекроэнергии в сети.

На сегодняшний день, ввиду больших объемов мощностей, вырабатываемых возобновляемыми источниками энергии в Германии, вполне вероятна нестабильность сети. «Сетевые стандарты созданы не только для того, чтобы предотвращать сбои», - продолжает Матсинен, – «они также призваны обеспечить качество электроэнергии».

«Нам необходимо принять ряд мер, обеспечивающих работу сети при нормальных нагрузках, а также сбалансировать мощность от традиционных и возобновляемых источников энергии, чтобы сделать сеть более стабильной».

Ввиду вновь вводимых сетевых стандартов свои основные усилия ABB направляет на проведении испытаний в тех областях, где, по мнению компании, стоит ожидать изменений. В системе всегда ведется контроль напряжения сети на предмет сбоев, и, если система «видит» провал напряжения, которое ранее могло быть причиной сбоя, источник этого падения напряжения будет отключен от сети. Однако на сегодняшний день стандарты таковы, что напряжение может упасть даже до нуля, и при этом не спровоцировать сбой. Поэтому в данный момент перед нами стоит проблема сократить длительность сбоев.

Матсинен добавил: «аварийные режимы сейчас более-менее имитируются и приняты на вооружение, поэтому напряжение не может упасть ниже нуля, и сейчас нам удалось внедрить такой механизм в действие. Единственная вещь, которую нам нужно доработать - это длительность».

В странах Европы приняты разные сетевые стандарты, и производители комплектного оборудования сталкиваются на своём пути с новыми и новыми проблемами. Одни из самых строгих стандартов, если не самые строгие – это, по мнению Матсинена, британские.

ABB провела масштабные испытания, в ходе которых был имитирован выход среднего диапазона напряжений. В ходе испытаний была поставлена цель выяснить, сможет ли оборудование выдержать сбой в сети длительностью 500 мсек. Это именно та цифра, которая, по словам Матсинена, «полностью соответствует всем известным международным сетевым стандартам».

Значительные изменения в стандартах, к примеру, пересмотр стандартов в Китае, могут привести к тому, что производителям комплектного оборудования придётся внести изменения в уже работающие турбины, чтобы обеспечить соответствие новым требованиям и воспользоваться более высокими тарифами на подпитку сети. Это, безусловно, повлечет за собой дополнительные расходы.

По мнению Матсинена, оборудование ABB позволит производителям «провести все необходимые лабораторные испытания, чтобы заранее спрогнозировать изменения и знать, в каком направлении двигаться». К примеру, последние изменения в сетевых стандартах Китая заставляют лишь обновить ПО для частотных преобразователей».