BE1019240A5 - Passieve omvormer. - Google Patents

Abstract

De uitvinding beschrijft een methode voor MPPT-benadering (maximum power point tracking) en snelheidsregeling van een windturbine via een AC/DC-omvormer met uitsluitend passieve componenten. Het voorgestelde systeem maakt enkel gebruik van passieve elektrische componenten of halfgeleiders zoals inductoren, condensators of diodes. In het voorgestelde concept gebeurt dit door een elektrisch circuit aan te passen opdat de uitgangsstroom van de generator zodanig wordt belast dat er een vooraf gedefiniëerde koppelfrequentiekarakteristiek wordt verkregen. Deze koppelkarakteristiek ligt dicht bij de ideale besturingswet tot aan de nominale rotorsnelheid, en kan gebruikt worden om af te remmen boven de nominale rotorsnelheid, om zo oversnelheid van de turbine te voorkomen.

Description

Passieve omvormer

Achtergrond

Om zo veel mogelijk energie op te vangen bij verschillende windsnelheden worden variabelesnelheidsturbines verkozen boven vastesnelheidsturbines.

Windturbines zijn doorgaans ontworpen om een maximaal vermogen bij een specifieke windsnelheid op te wekken. Bij fellere winden moet de overtollige energie deels geneutraliseerd worden opdat de windturbine niet beschadigd zou raken. De meeste grote windturbines vallen stil bij windsnelheden boven 25 meter per seconde. Bovendien zijn alle windturbines voorzien van een vermogensregeling om het binnenkomende vermogen te beperken en te voorkomen dat de turbine te snel draait. Dat is mogelijk door gebruik te maken van het stall- of overtrekprincipe of van een pitch-mechanisme (bladhoekverstelling). De eenvoudigste vorm van vermogensregeling is passieve stallregeling (passieve overtrekregeling), die inspeelt op de dalende liftcoëfficiënt en stijgende weerstandscoëfficiënt bij overtrek om een vermogenslimiet bij toenemende windsnelheid te bewerkstelligen. Actieve pitchregeling (actieve bladhoekverstelling) beperkt het vermogen boven de nominale windsnelheid door elk blad volledig of gedeeltelijk rond zijn as te laten draaien in die richting die de aanvalshoek en dus de liftcoëfficiënt verkleint - een techniek die ook bekend staat als blade feathering (het uit de wind draaien van de bladen). [The Wind Energy Handbook, Wiley]

Het belangrijkste voordeel van stallregeling is de afwezigheid van bewegende delen in de rotor zelf. Anderzijds vormt de stallregeling een zeer complex probleem op het vlak van aerodynamisch design, met de bijbehorende uitdagingen voor de structurele dynamica van de hele windturbine - bijvoorbeeld om door overtrek veroorzaakte trillingen te voorkomen.

Actieve stallregeling beperkt het vermogen boven de nominale windsnelheid door de bladen in tegengestelde zin als bij pitchregeling te draaien. Een van de voordelen van actieve stallregeling is dat het vermogen nauwkeuriger geregeld kan worden dan bij passieve stallregeling. Maar net zoals bij pitchregeling is een complex afstelsysteem nodig.

Variabele snelheidsstrategieën laten de draaisnelheid van de turbine schommelen. Dat doen ze door het koppel geleverd door de generator van de windturbine te regelen. Dat leidt tot een constante tipsnelheid van de turbine. Het werkingspunt van de turbine wordt dan ook voortdurend afgestemd op de windsnelheid om zoveel mogelijk vermogen te leveren. Dit staat bekend als maximum powerpoint tracking (MPPT).

In alle vorige publicaties over MPPT in windturbines bestaan variabelesnelheidsaandrijvingen uit een vermogenselektronische omvormer die op een of andere manier het vermogen geleverd door de generator en/of andere variabelen zoals de rotorsnelheid detecteert en een elektronisch algoritme toepast om het optimale koppel van de generator te bepalen. Dit beschouwt men als een actief systeem, wat betekent dat er een intelligentie is die eigenlijke waarden meet en vergelijkt met doelwaarden en het werkingspunt actief verandert om mogelijke afwijkingen tussen de twee te corrigeren. Door de complexiteit van dergelijke systemen (veel componenten, talloze verbindingen, enz.) zijn ze weinig betrouwbaar. Deze uitvinding beschrijft een methode voor MPPT-benadering en snelheidsregeling van een windturbine via een wisselstroomomvormer met uitsluitend passieve componenten. Het voorgestelde systeem maakt enkel gebruik van passieve elektrische componenten of halfgeleiders zoals smoorspoelen, een condensator of diodes.

In het voorgestelde concept gebeurt dit door een elektrisch circuit aan te passen opdat de uitgangsstroom van de generator zodanig wordt belast dat er een vooraf gedefinieerde koppelfrequentiekarakteristiek wordt verkregen. Deze koppelkarakteristiek ligt dicht bij de ideale besturingswet tot aan de nominale rotorsnelheid, en kan gebruikt worden om af te remmen boven de nominale rotorsnelheid, om zo oversnelheid van de turbine te vermijden.

Verschillende bestaande elektrische schema's kunnen worden toegepast om de gewenste koppelfrequentiecurve te benaderen.

De uitvinding is bedoeld om de productie- en onderhoudskosten van de generator te doen dalen, dankzij de robuustheid en de hoge betrouwbaarheid van de gebruikte componenten. Ze is vooral interessant voor offshoretoepassingen, waarbij de omvormer voor de generator zich in de motorgondel (op zee) bevindt en de omvormer voor het net zich aan land kan bevinden (indien een gecentraliseerde netomvormer wordt gebruikt en het collectornet op gelijkstroom werkt). Ook voor kleine vermogens (< 1 kW) kan de uitvinding handig zijn bij een gelijkstroomvermogen (geen netomvormer) of wanneer de omvormer zich binnenshuis bevindt (huistoepassingen).

Beschrijving van de uitvinding en verkozen uitvoering

De windkracht is evenredig aan de derde macht van de windsnelheid. Rotoren met aerodynamische bladen bereiken hun piekefficiëntie bij het converteren van de kinetische windenergie in koppel op de as van de windturbinerotor, met een bepaalde verhouding tussen draaisnelheid en windsnelheid. Deze verhouding staat bekend als de tipsnelheidsverhouding (de verhouding van de snelheid van de tip van de rotorbladen tot de windsnelheid). Om een maximaal vermogen te genereren, wordt de snelheid van de turbinerotor voortdurend aangepast aan de windsnelheid, tot op een maximale rotorsnelheid (hoeksnelheid van de rotor). De ideale besturingswet stemt het uit de generator gehaalde vermogen af op het maximale vermogen dat uit de wind kan worden gewonnen. Ze laat het vermogen dus variëren in evenredigheid met de derde macht van de rotorsnelheid om de turbine op de optimale tipsnelheidsverhouding te houden.

De energie geproduceerd door de turbine is - verliezen niet meegerekend - het product van de rotorsnelheid en het koppel van de rotor. De ideale besturingswet voor het generatorkoppel zou bijgevolg het koppel doen variëren in evenredigheid met het kwadraat van de rotorsnelheid en dus ook, in het geval van een synchrone generator, met de generatorfrequentie. (Bij een synchrone generator is de snelheid van de windturbinerotor rechtstreeks gekoppeld aan de grondfrequentie van de generatorstroom en -spanning via het aantal magnetische polen in de generatorrotor.) Er zijn veel mogelijke schema's die aan de bovenstaande vereisen voldoen. In principe kan elk circuit dat gebruikmaakt van verbonden impedanties, diodes of (auto)transformatoren worden aangewend om het gewenste effect te bereiken. Hoe complexer het circuit, hoe meer de resulterende koppelfrequentiecurve zal overeenkomen met de optimale besturingswet. Maar er zullen wel meer componenten en dus ook meer verliezen in het circuit zijn.

Verkozen uitvoering (1-fazig)

Fig. 1 schematiseert het concept met een bruggelijkrichter; Fig. 2 toont de resulterende vermogen-frequentie grafiek. De drie curves representeren de vermogenscurve (P), de beschikbare kinetische energie in de wind (Pw) en de lineaire relatie tussen frequentie en spanning (V/10, geschaald om toonbaar te zijn in de grafiek). De generator wordt gemodeleerd als V2 (regelbare spanningsbron) en een lekinductantie LI.

Bij lage frequenties is de impedantie van de externe spoel (L2) klein en reageert ze als een kortsluiting. Enkel diode Dl en diode D3 worden gebruikt bij deze rotatiesnelheid. Bij hogere snelheden wordt de inductantie groter en reageert de spoel eerder als een open keten. De resulterende grafiek (Fig. 2) heeft een duidelijke vermogendip in het middenste gedeelte. In een 3-fazige uitvoering zou dit betekenen dat bij lage frequenties de generatorwindingen in ' ster' geconnecteerd zijn , en bij hoger frequenties eerder een 'delta'-configuratie hebben.

Het gedrag in het hogere frequentiegebied wordt voornamelijk bepaald door de lekinductantie (LI) van de generator. Het verminderen van de waarde van deze inductantie vermeerdert het maximale vermogen en omgekeerd. De waarde van deze inductantie bepaalt ook de generatorgrootte. Verminderen van deze waarde betekent een grotere generator, wat uiteraard minder wenselijk is.

Het maximale vermogen kan ook aangepast worden door de waarde van de electromagnetische kracht (EMF) van de generator aan te passen. Dit bepaalt ook mede de grootte van de generator. Ook het punt op de grafiek waar het vermogen begint te vloeien (startpunt), wordt bepaald door de waarde van de EMF. Het is het punt waar de topwaarde van de EMF groter is dan de helft van de bronvoeding. Lagere EMF waarden resulteren in hogere startpunten en omgekeerd.

De externe inductantie (L2) beïnvloedt voornamelijk het lager gebied van de vermogen-frequentie curve. Haar waarde kan zo gekozen worden dat ze de ideale curve zo goed mogelijk volgt. Het groter maken van deze inductantie resulteert in een vermindering van het vermogen bij lege frequenties en omgekeerd.

In Figuur 3 toont de eerste lijn (Line 1) de invloed van de externe inductantie op de vermogen-frequentiecurve van het schema zoals voorgesteld in Fig. 1, en het maximale vermogen dat opgewekt kan worden zonder D2 en D4. Lijn 2 ( Line 2) in Fig. 3 toont het effect van het weglaten van de externe inductantie. Het maximale vermogen van lijn 2 is hoger, maar ook het startpunt is hoger en ligt op tweemaal de oorspronkelijke frequentie. De combinatie van de twee lijnen is de grafiek zoals voorgesteld in Fig 2.

Claims (7)

1. Een methode voor MPPT-benadering en snelheidsregeling van een windturbine; waarbij deze methode minstens één AC/DC-omvormer gebruikt om de snelheid te regelen, waarbij deze omvormer bestaat uit een elektrisch circuit met uitsluitend passieve componenten.

2. De methode van conclusie 1, waarbij de omvormer minstens één smoorspoel en minstens één diode omvat.

3. De methode van conclusie 1 of 2, waarbij de omvormer minstens één condensator en minstens één diode omvat.

4. De methode volgens één der conclusies 1 tot 3, waarbij de omvormer minstens één spaartransformator en minstens één diode omvat.

5. De methode volgens één der conclusies 1 tot 4, waarbij de passieve componenten aangepast kunnen worden om de uitgangsstroom van de generator zodanig te laden dat er een vooraf bepaalde koppelfrequentiekarakteristiek wordt verkregen nog voor de installatie van de windturbine.

6. De methode volgens één der conclusies 1 tot 5, waarbij de passieve componenten aangepast kunnen worden om de uitgangsstroom van de generator zodanig te laden dat er een vooraf bepaalde koppelfrequentiekarakteristiek wordt verkregen na de installatie van de windturbine.

7. De methode volgens één der conclusies 1 tot 6, waarbij de omvormer de uitgangsstroom van de generator zodanig belast dat de koppelfrequentiecurve overeenstemt met de ideale besturingswet tot op de nominale rotorsnelheid, en er daarna een forse koppelstijging plaatsvindt zodra de nominale rotorsnelheid bereikt is, om oversnelheid van de turbine te vermijden.