Малые ветротурбины — подключение к сети и защита

Гид об инверторах PV и защите от островного режима и гид о подключении когенерации (WKK) к сети описывают две формы распределённой генерации, которые должны соответствовать одному и тому же стандарту подключения к сети. Малая ветротурбина (обычно до нескольких десятков кВт) подпадает под тот же стандарт, но имеет два риска, которых нет у установки PV: фликер из-за порывов ветра и превышение частоты вращения ротора при потере сети.

Тот же стандарт подключения, что и у PV и когенерации

Как и инвертор PV, инвертор ветротурбины должен соответствовать NEN-EN 50549-1 (требования к генераторам, подключаемым к сети низкого напряжения): пределы напряжения и частоты, преодоление кратковременных нарушений сети там, где это применимо, и — что существенно — защита от островного режима: при потере сети турбина должна отключиться в течение предписанного времени, чтобы сеть непреднамеренно не оставалась под напряжением во время обслуживания или аварии в другом месте.

Тип генератора определяет поведение относительно сети

• Напрямую подключённый асинхронный (индукционный) генератор: простой и надёжный, но потребляет из сети значительный намагничивающий ток при достижении скорости включения ветра — сопоставимо с пусковым током трёхфазного двигателя (см. гид о пусковом токе двигателя) — что может вызвать кратковременную просадку напряжения.
• PMSG (синхронный генератор с постоянными магнитами) с полным силовым электронным преобразователем: полностью отделяет скорость ротора от частоты сети и даёт преобразователю больший контроль над поведением при подключении, сопоставимо с инвертором PV.

Фликер: больший риск, чем у PV

Ветровая мощность колеблется с каждым порывом, и напрямую подключённый индукционный генератор преобразует эти колебания мощности почти напрямую в колебания напряжения в точке подключения. Это делает фликер (см. гид о колебаниях напряжения и фликере) более заметной проблемой для малых ветротурбин, чем для установки PV, где мощность — если не считать проходящей облачности — меняется значительно более плавно.

Превышение частоты вращения при потере сети: почему это больше, чем вопрос сети

Для инвертора PV защита от островного режима — это прежде всего требование безопасности сети — сами панели PV не подвергаются риску при отключении. Для ветротурбины потеря сети — это также прямая опасность для самой турбины: в некоторых конструкциях турбин (особенно с напрямую подключёнными генераторами) сеть несёт часть реактивного противомомента, удерживающего ротор на скорости. Если сеть исчезает, а турбина не обнаруживает и не компенсирует это быстро, ротор может пойти вразнос — с риском механического повреждения лопасти, вала или подшипников, а в крайнем случае — отрыва частей лопасти.

По этой причине электрическая защита ветротурбины при потере сети или превышении частоты вращения приводит в действие не только отключение от сети, но и механическую или аэродинамическую систему торможения — например, механический дисковый тормоз, разворот ротора «из ветра» (furling) или изменение угла установки лопасти (pitch) в тормозное положение.

Молниезащита

Мачта ветротурбины и лопасти ротора часто являются самой высокой точкой в непосредственном окружении, с повышенным риском прямого удара молнии — сопоставимо с соображениями из гида о расстоянии разделения молниезащиты, но применительно к движущейся, заземлённой конструкции, законцовки лопастей которой при вращении охватывают значительную площадь перехвата.

Обратите внимание: эта статья описывает электротехнические аспекты подключения к сети и защиты. Конструктивные, аэродинамические и разрешительные требования к ветротурбине выходят за рамки NEN 1010 и регулируются в другом месте (строительные нормы, стандарты производителя, серия IEC 61400).

Практическая значимость

При оценке установки малой ветротурбины недостаточно проверить только стандарт подключения к сети (NEN-EN 50549-1), как для установки PV — оценка должна также установить, действительно ли электрическое обнаружение потери сети связано с механической функцией торможения, и остаётся ли ожидаемый фликер в пределах допустимых границ для местных характеристик ветра.

Типичные ошибки

1. Оценка подключения ветротурбины как «то же самое, что и PV» без учёта рисков фликера и превышения частоты вращения, специфичных для ветра.
2. Предположение, что защита от островного режима защищает только сеть — у ветротурбины связанная механическая функция торможения также защищает саму турбину от превышения частоты вращения.
3. Пропуск оценки фликера из-за того, что турбина «маленькая» — именно напрямую подключённый индукционный генератор может вызывать непропорционально большой фликер относительно своей мощности при слабой сети.

Связанные материалы

• Инвертор PV — защита от островного режима (NEN-EN 50549)
• Подключение когенерации (WKK) к сети
• Колебания напряжения и фликер
• Молниезащита — расстояние разделения (IEC 62305-3)