Основными моментами, которые должны быть рассмотрены при обсуждении схем, связанных с преобразованием энергии ветра в электрическую энергию, являются: вид вырабатываемой электроэнергии (переменное напряжение переменной или постоянной частоты или постоянное напряжение) частота вращения ветродвигателя (постоянная, близкая к постоянной или переменная), характер использования вырабатываемой электрической энергии (применение аккумуляторных батарей или аккумулирования с помощью других способов, выдача электроэнергии в сеть переменного тока).
Непосредственная выработка постоянного тока осуществляется в настоящее время практически только на малых ВЭУ мощностью не более 10—20 кВт. В этом случае не требуется постоянная частота вращения ветродвигателя и обычно применяются аккумуляторные батареи. Относительно небольшие потребности в энергии в довольно удаленных пунктах могут быть удовлетворены путем использования таких ВЭУ.
Аккумулирование энергии ветра в форме тепла с целью последующего его использования на месте может быть осуществлено при применении ВЭУ переменного напряжения с изменяющейся частотой или ВЭУ постоянного напряжения в комплексе с электрическим тепловым аккумулирующим устройством. Очевидно, что частота вращения ветродвигателя в этом случае не обязательно должна быть постоянной. Возможно также применение выпрямительных устройств для получения постоянного напряжения, которое может быть использовано непосредственно или же после его инвертирования в переменное напряжение постоянной частоты.
С самого начала было признано, что крупномасштабное получение электрической энергии за счет использования энергии ветра должно производиться в виде переменного напряжения постоянной частоты для возможности подачи электроэнергии в сети существующих энергосистем. Первоначальные попытки создания ВЭУ большой мощности в значительной мере связаны с использованием ветродвигателей с постоянной частотой вращения ветроколеса, соединенного с синхронным генератором. В качестве примера может служить ВЭУ Смит Путнэм мощностью 1250 кВт. Для того чтобы вырабатывать переменное напряжение постоянной частоты, При котором электроэнергия могла бы быть подана в энергосистему, асинхронный генератор требует вращения ветродвигателя с частотой, близкой к постоянной.
Рис. 1. Схемы использования электрической энергии, производимой ВЭУ, при ее изолированной работе.
Сравнительные достоинства и недостатки синхронных и асинхронных генераторов с точки зрения их применения в ВЭУ были изложены. Технология производства как синхронных, так и асинхронных генераторов хорошо отработана и очень совершенна. Поэтому Управление NASA-LeRC активно осуществляет обширную программу строительства и испытаний экспериментальных: ВЭУ с постоянной частотой вращения ветродвигателя, оборудованных синхронными генераторами, вырабатывающими переменное напряжение постоянной частоты.
Другой подход, который в последнее время привлекает внимание, заключается в том, чтобы дать возможность ветродвигателю вращаться с переменной оптимальной частотой, регулируемой в соответствии с изменением скорости ветра, и с применением генерирующих систем, обеспечивающих в этих условиях получение переменного напряжения постоянной частоты, при котором электроэнергия может быть подана в существующие энергосистемы. Методы получения переменного напряжения постоянной частоты при переменной частоте вращения вала привода сводятся к двум обширным группам дифференциальным и недифференциальным.
Первые реализуются в схемах с синхронными генераторами (с помощью механических устройств, обеспечивающих получение постоянной частоты вращения генераторов (редукторов с переменным передаточным отношением, устройств с гидравлической передачей мощности), а также с помощью электрических устройств, компенсирующих изменение частоты вращения посредством питания обмотки возбуждения напряжением с частотой скольжения, равной разности частоты вращения ротора генератора и частоты напряжения энергосистемы, на которую работает генератор.
Недифференциальные методы могут быть реализованы через статические устройства изменения частоты по схеме преобразования переменное напряжение — постоянное напряжение — переменное напряжение путем применения вращающихся устройств — коллекторных генераторов переменного тока, циклоконверторов и преобразователей частоты, преобразователей с амплитудной модуляцией частоты. В последнем случае может быть использована высокочастотная или низкочастотная модуляция.
Рис. 2. Схемы использования электрической энергии, производимой ВЭУ, при ее работе в энергосистеме.
Рис. 1 и 2 иллюстрируют схемы использования ВЭУ при их автономной работе и при работе в энергосистемах. В связи с наличием приемлемых по стоимости мощных тиристоров и диодов часть исследовательских работ направлена в настоящее время на создание генераторных систем переменного напряжения постоянной частоты при переменной частоте вращения ветроколеса.
В числе разработок, ведущихся в этом направлении, следует упомянуть работы Университета штата Висконсин (Мадисон) над схемой «переменное напряжение — постоянное напряжение — переменное напряжение». В Университете штата Висконсин (Милуоки) как возможные варианты рассматриваются схемы с коллекторным генератором переменного тока и с асинхронным генератором считаемым ротором. В Оклахомском университете (Стиллуотер) для ВЭУ разрабатываются генераторные схемы с модулированным выходным напряжением.
Материал этой главы основан на отчетах Университета штата Висконсин (Милуоки) и Оклахомского университета, лаборатории Brookhaven National Laboratory , бюро Bureau of Reclamation (Денвер), фирм General Electric Company ( GE ) и Kaman Aerospace Corporation ( Kaman ).
