Generatori srednje brzine s trajnim magnetima (MS PMG) ostvaruju učinkovitost iznad 98% - najviše od bilo koje izvedbe komercijalnih generatora za vjetroelektrane. Učinkovitost je visoka pri djelomičnim opterećenjima u uvjetima slabog vjetra što omogućuje optimalnu godišnju proizvodnju kWh. Ovaj članak prikazuje trud u projektiranju i ispitivanju koji stoji iza ABB-ova paketa generatora – pretvarača srednjeg napona, srednje brzine, koji proizvodi više MW, piše portal croenergo.eu.
Otkad su se MS PMG-ovi pojavili 2011. godine, privlače veliku pozornost na tržištu. Glavne prednosti dizajna srednje brzine uključuju visoku pouzdanost za velike vjetroelektrane na moru, kompaktnu veličinu i manju težinu što omogućuje malu težinu gornje glave turbine i lakšu logistiku. MS PMG-ovi se mogu koristiti s pretvaračima kao cjelovitim konceptom koji osigurava potpuni nadzor i naprednu strategiju sukladnosti s distrtibucijskim mrežama.
Dostupni su MS generatori za snage od više MW - do 7 MW i više, a mogu se implementirati na tri različita načina. U potpuno integriranom dizajnu, reduktor i generator dijele isti okvir, ležajeve i osovinu. Poluintegrirani dizajn ima generator i reduktor spojene preko prirubnice, dok je kod modularnog dizajna generator zaseban sklop koji se ugrađuje neovisno o reduktoru.
Turbine na vjetar snage od više megawatta usmjerene su na malu težinu glave gondola i minimalne napore za kabliranje između generatora, pretvarača i transformatora. Zbog toga je srednji napon (MV - najčešće 3,3 kV) često optimalan izbor napona za sustav, jer koristi znatno manje struje nego niskonaponska rješenja pa time smanjuje gubitke u dijelovima za pretvaranje energije (električni pogon) i u dugačkim kabelima.
Kad je kupac, vodeći proizvođač turbina na vjetar, od ABB-a naručio isporuku paketa MS PMG generator – pretvarač, prvi je korak bio odrediti osnovne projektne specifikacije za generator. Nazivna brzina bila je zadana na 400 o/min u suradnji s dobavljačem reduktora i s kupcem. Nazivna snaga bila je zadana na 7,35 MW s učinkovitošću većom od 98%. Dodatna ograničenja za dizajn bila su vodeno hlađenje s ulaznom temperaturom vode od 50˚C te granične vrijednosti težine i dimenzije. Nakon što se napravila osnovna specifikacija, započelo je projektiranje – uključujući velik broj simulacija, optimizacija, izračuna i analiza.
Nakon što je utvrđeno da je optimalan 18-polni dizajn određen je najbolji oblik pola i dizajn polnog nastavka uz veliki napor u analizi koji uključuje stotine iteracija metodom konačnih elemenata. Pazilo se i na frekvenciju ukopčavanja kako bi se izbjegle pobudne frekvencije koji bi mogle izazvati rezonanciju, ne samo u rotirajućim dijelovima nego i u okviru i dijelovima hladnjaka. Ovaj je rad prethodio stvarnom ispitivanju prototipa, jer je to bio jedini način učinkovite procjene kako će međusobno djelovati generator i pretvarač.
>>> Posjetite portal CROENERGO.EU - Energija i okoliš na jednom mjestu
Izabran je ABB-ov pretvarač PCS 6000 – srednjenaponski pretvarač temeljen na IGCT (integrirani upravljivi tiristori). Njegov dizajn visoke pouzdanosti i malih gubitaka omogućuje rad s promjenjivom frekvencijom ukopčavanja uz osiguravanje dobrih harmoničkih karakteristika izlaznog napona. Dizajn s malim gubicima i manjim brojem dijelova znači i niže troškove energije tijekom cijelog vijeka korištenja turbine. Daljnja prednost je što modularna izvedba pretvarača omogućuje različite kombinacije za ugradnju, ovisno o tome da li se stavljaju u tornju, gondoli ili u zasebni spremnik izvan turbine. Pretvarač ima i brojne mogućnosti kako bi se osigurala sukladnost s distribucijskim mrežama.
Ispitivanje generatora je provedeno koristeći back-to-back instalaciju u ABB tvornici generatora u Helsinkiju, Finska. Dva su generatora bila mehanički međusobno spojena i oba su na mrežu bila spojena preko frekvencijskih pretvarača. Prvi pretvarač pogonio je svoj stroj kao motor, a drugi kao generator. Takav spoj je generiranu snagu slao natrag u mrežu preko vlastitog pretvarača. Uslijed toga je iz mreže bilo potrebno pokriti samo gubitke cijelog sustava. Instalacija je omogućila da generator radi na nazivnoj djelatnoj snazi.
Ispitivanja su potvrdila da su dostignute ili premašene gotovo sve projektne specifikacije. Rast temperature generatora bio je B klase, kako je izračunato, a konačne temperature dijelova pretvarača ostale su ispod relevantnih graničnih vrijednosti. Trofazno kratkospojno ispitivanje nakon rasta temperature pokazalo je da je ostvaren projektni cilj zaštite magneta generatora od demagnetizacije. Vibracija generatora i razine emitirane buke bili su ispod relevantnih IEC kriterija. Učinkovitost generatora u nazivnoj točki bila je 98,17%, a u drugim točkama opterećenja premašila je očekivanja.
Senzor za mjerenje ubrzanja vibracija postavljen je na sredinu statorskog jarma kako bi se izmjerila vibracijska reakcija jarma na uklopnu frekvenciju. Uklopna frekvencija i/ili njeni viši harmonici mogu pobuditi prirodnu frekvenciju statora što bi moglo dovesti do rezonancije. Izvršena su ispitivanja uklopnih frekvencija po cijelim rasponu brzina. Najbolji rezultati ostvareni su s nepromjenjivom uklopnom frekvencijom preko cijelog raspona brzina, asinkronog modusa, jednakog ili većeg od 720 Hz. Asinkroni modus je dao dobre rezultate, jer se ni uklopna frekvencija ni njeni viši harmonici nisu poklapali s opasnim točkama rezonancije kod bilo koje brzine vrtnje.
Usporedna ispitivanja električnog pogonskog sklopa pokazala je da je paket generator – pretvarač zadovoljio specifikacije kupca i IEC zahtjeve. Kombinacija srednje brzine i srednjeg napona u ovome rješenju sada pruža mnoge značajne koristi ne samo kupcu, proizvođaču turbine, nego i operateru vjetroparka i krajnjem kupcu. MS PMG-ovi daju nenadmašivu učinkovitost zajedno s kompaktnom veličinom i malo težinom. Srednjenaponski sustavi omogućuju rješenja sa slabom strujom koji smanjuju gubitke u sustavu i kabelima, olakšavaju projektiranje generatora i dopuštaju korištenje izuzetno robusnih srednjenaponskih pretvarača uz visoku raspoloživost.