Tuulivoimalaitosten generaattori- ja tehoelektroniikkaratkaisut

Turbiinityypit Voidaan jakaa kahteen pääryhmään Kiinteän nopeuden turbiinit Saavuttavat suurimman aerodynaamisen hyötysuhteensa yhdellä tuulen nopeudella. Etuna rakenteessa yksinkertaisuus, robustius, edullisuus ja teknologian kypsyys. Muuttuvanopeuksiset turbiinit Toimivat maksimaalisella aerodynaamisella hyötysuhteella laajoillakin tuulialueilla. Sisältävät lähes poikkeuksetta tehonmuokkaimen (tutummin tehoelektroniikkaa) Tyypeistä lisää seuraavilla kalvoilla

Turbiinin tehonsäätömenetelmät Tarkoituksena on säätää roottorin aerodynaamisia ominaisuuksia turbiinin tehon säätämiseksi. Periaatteessa kolme erilaista tapaa Passiivinen sakkaussäätö (stall control, “tyyppi 0”) Turbiinin lavat kiinteässä kulmassa navan suhteen Lavan geometria suunniteltu niin, että tietyllä roottorin pyörimisnopeudella virtaus irtoaa lavan pinnasta ja lapa sakkaa  vähemmän tehoa akselille. Aktiivinen lapakulmasäätö (pitch-control, “tyyppi 1”) Lapakulmaa voidaan kääntää tuuleen nähden optimaalista hyötysuhdetta silmälläpitäen. Aktiivinen sakkaussäätö (active stall, “tyyppi 2”) Yhdistelmä edellisistä.

Tyyppi A: kiinteänopeuksinen turbiini Epätahtigeneraattorin suoralla verkkokytkennällä toteutettu ratkaisu. Robusti ja yksinkertainen, mutta vain yksi synkr. ω. Ottaa magnetointiin tarvitsemansa loistehon verkosta Huono tehokerroin Vaatii kompensointikondesaattoripariston Pehmeäkäynnistin vaaditaan käynnistystilanteen virtarasitusten pienentämiseen. Vikatilanteessa hallitsematon käytös.

Tyyppi B: rajoitettu muuttuva nopeus Kyten tyyppi A, mutta säädettävällä roottoriresistanssilla Jättämää voidaan säätää resistanssia muuttamalla Pieni vaihtelevan nopeuden alue (~+10% synk. ω) Isommalla jättämällä teho muuttuu lämmöksi roottoriresistanssissa. Häviävä topologia, Vestas myynyt OptiSlip™ nimellä.

Tyyppi C: muuttuvanopeuksinen yksikkö osatehoisella suuntaajakäytöllä Liukurenkailla varustettu epätahtigeneraattori Tehokerroin aseteltavissa, yleensä pyritään toimimaan niin, että PF=1. Suuntaaja mitoitettu tyypillisesti n. 30% teholle käytön kok. tehosta. Edullinen suuntaajakäyttö Vikatilanteessa suuntaajan suojaus kriittinen (crowbar) Voi toimia n. ±30 % synkr. nop. ympärillä.

Tyyppi D: täyden tehon suuntaajakäyttö Täydelle teholle mitoitettu suuntaajakäyttö Voidaan käyttää kaikkia generaattorityyppejä Vaihteisto voidaan eliminoida, jos käytetään useampinapaisia generaattoreita. Tehokerroin aseteltavissa vapaasti Mahdollisuus toimia aktiivisena verkon osana. Löytyy nykyään monen suuren valmistajan valikoimasta.

Yleisimmät kokonaisratkaisut

Eri tyyppien markkinaosuudet ’98-’02

Tehoelektroniikka tuulivoimakäytöissä (pros & cons)

Tehoelektroniikka tuulivoimakäytöissä (suuntaajat) Pakkokommutoituja ja kuormakommutoituja suuntaajia Pakkokommutoidut suuntaajat PWM modulointi Moduloinnin seurauksena syntyvät harmoniset komponentit kytkentätaajuudella (ja sen monikerroilla) Helppo suodattaa (halpa) Jännite- ja virtavälipiirilliset toplogiat jännitevälipiirilliset topologiat yleisimpiä Kuormakommutoidut suuntaajat Pieni kytkentätaajuus pienet häviöt matalataajuisia harmonisia komponentteja Vaatii järeät passiiviset (aktiiviset) suodattimet

Tehoelektroniikka tuulivoimakäytöissä (komponentit ’01)

Tehoelektroniikka tuulivoimakäytöissä (suuntaajat) Jännitevälipiirillinen taajuudenmuuttaja Useimmiten toteutettu IGBT komponenteilla Jännite ja taajuus vapaasti aseteltavissa Tehokerroin aseteltavissa Rajoitettu virransyöttökyky (vikatilanteet) Tulossa ja olemassa maailmalla (ei kuvassa) Monitasoiset suuntaajat (enemmän jännitetasoja  pienemmät harmoniset komponentit)

Yhteenveto Turbiinityyppejä periaatteessa neljä erilaista kiinteä, ”melko kiinteä”, rajoitettu muuttuva nopeus, muuttuva nopeus. Kiinteänopeuksisia lukuun ottamatta tehonsäätö lapakulmasäädöllä. Muuttuvanopeuksiset käytöt vaativat suuntaajakäyttöjä Mitoitettu koko käytön teholle tai osateholle. Mahdollistavat tehokertoimen asettelun sekä turbiinien nopeuden vaihtelut. Parempi hyötysuhde vaihtelevissa tuulioloissa.