Małe turbiny wiatrowe — przyłączenie do sieci i zabezpieczenia

Przewodnik o falownikach PV i ochronie przeciwwyspowej oraz przewodnik o przyłączeniu kogeneracji (WKK) do sieci opisują dwie formy generacji rozproszonej, które muszą spełniać tę samą normę przyłączeniową. Mała turbina wiatrowa (zwykle do kilkudziesięciu kW) podlega tej samej normie, ale ma dwa ryzyka, których nie zna instalacja PV: migotanie światła spowodowane podmuchami wiatru oraz przekroczenie prędkości obrotowej wirnika przy utracie sieci.

Ta sama norma przyłączeniowa co PV i kogeneracja

Podobnie jak falownik PV, falownik turbiny wiatrowej musi spełniać NEN-EN 50549-1 (wymagania dla generatorów przyłączanych do sieci niskiego napięcia): granice napięcia i częstotliwości, przetrwanie krótkotrwałych zakłóceń sieci tam, gdzie ma to zastosowanie, oraz — co istotne — ochronę przeciwwyspową: przy utracie sieci turbina musi się odłączyć w przewidzianym czasie, aby sieć niezamierzenie nie pozostała pod napięciem podczas konserwacji lub awarii gdzie indziej.

Typ generatora determinuje zachowanie względem sieci

• Bezpośrednio sprzężony generator asynchroniczny (indukcyjny): prosty i solidny, ale pobiera z sieci znaczny prąd magnesujący przy osiągnięciu prędkości wiatru załączającego — porównywalny z prądem rozruchowym silnika trójfazowego (zob. przewodnik o prądzie rozruchowym silnika) — co może spowodować krótkotrwały spadek napięcia.
• PMSG (generator synchroniczny z magnesami trwałymi) z pełnym przekształtnikiem energoelektronicznym: całkowicie oddziela prędkość wirnika od częstotliwości sieci i daje przekształtnikowi większą kontrolę nad zachowaniem przy przyłączeniu, porównywalne z falownikiem PV.

Migotanie: większe ryzyko niż przy PV

Moc wiatrowa waha się przy każdym podmuchu, a bezpośrednio sprzężony generator indukcyjny przekłada te wahania mocy niemal bezpośrednio na wahania napięcia w punkcie przyłączenia. To sprawia, że migotanie światła (zob. przewodnik o wahaniach napięcia i migotaniu) jest bardziej istotnym zagadnieniem dla małych turbin wiatrowych niż dla instalacji PV, gdzie moc — poza przemijającym zachmurzeniem — zmienia się znacznie łagodniej.

Przekroczenie prędkości obrotowej przy utracie sieci: dlaczego to więcej niż tylko kwestia sieci

Dla falownika PV ochrona przeciwwyspowa to przede wszystkim wymaganie bezpieczeństwa sieci — same panele PV nie są narażone na ryzyko przy odłączeniu. Dla turbiny wiatrowej utrata sieci to również bezpośrednie zagrożenie dla samej turbiny: w niektórych konstrukcjach turbin (zwłaszcza z bezpośrednio sprzężonymi generatorami) sieć przenosi część momentu przeciwdziałającego, który utrzymuje wirnik na odpowiedniej prędkości. Jeśli sieć zniknie, a turbina nie wykryje tego i nie skompensuje wystarczająco szybko, wirnik może przejść w nadmierną prędkość obrotową — z ryzykiem uszkodzenia mechanicznego łopaty, wału lub łożysk, a w skrajnym przypadku oderwania fragmentów łopaty.

Z tego powodu zabezpieczenie elektryczne turbiny wiatrowej przy utracie sieci lub przekroczeniu prędkości obrotowej uruchamia nie tylko odłączenie od sieci, ale także mechaniczną lub aerodynamiczną funkcję hamowania — na przykład mechaniczny hamulec tarczowy, obrócenie wirnika „z wiatru" (furling) lub ustawienie kąta łopaty (pitch) w pozycji hamującej.

Ochrona odgromowa

Maszt turbiny wiatrowej i łopaty wirnika są często najwyższym punktem w bezpośrednim otoczeniu, z podwyższonym ryzykiem bezpośredniego uderzenia pioruna — porównywalne z rozważaniami z przewodnika o odległości oddzielającej ochrony odgromowej, ale zastosowanymi do ruchomej, uziemionej konstrukcji, której końcówki łopat podczas obrotu obejmują znaczną powierzchnię przechwytywania.

Uwaga: ten artykuł opisuje elektrotechniczne aspekty przyłączenia do sieci i zabezpieczeń. Wymagania konstrukcyjne, aerodynamiczne i dotyczące pozwoleń dla turbiny wiatrowej wykraczają poza zakres NEN 1010 i są regulowane gdzie indziej (przepisy budowlane, normy producenta, seria IEC 61400).

Znaczenie praktyczne

Przy ocenie instalacji małej turbiny wiatrowej nie wystarczy sprawdzić tylko normę przyłączeniową (NEN-EN 50549-1), tak jak w przypadku instalacji PV — ocena musi także ustalić, czy elektryczne wykrywanie utraty sieci jest rzeczywiście powiązane z mechaniczną funkcją hamowania, i czy oczekiwane migotanie pozostaje w dopuszczalnych granicach dla lokalnej charakterystyki wiatru.

Typowe błędy

1. Ocenianie przyłączenia turbiny wiatrowej jako „to samo co PV" bez uwzględnienia ryzyka migotania i przekroczenia prędkości obrotowej specyficznych dla wiatru.
2. Zakładanie, że ochrona przeciwwyspowa chroni tylko sieć — w przypadku turbiny wiatrowej powiązana mechaniczna funkcja hamowania chroni także samą turbinę przed nadmierną prędkością obrotową.
3. Pomijanie oceny migotania ponieważ turbina jest „mała" — właśnie bezpośrednio sprzężony generator indukcyjny może powodować nieproporcjonalnie duże migotanie w stosunku do swojej mocy przy słabej sieci.

Powiązane

• Falownik PV — ochrona przeciwwyspowa (NEN-EN 50549)
• Przyłączenie kogeneracji (WKK) do sieci
• Wahania napięcia i migotanie
• Ochrona odgromowa — odległość oddzielająca (IEC 62305-3)