Hur anpassas vindkraftverkens ojämna energi till elnätets 50-periodiga växelström?

Det undradeGöte Strömhäll i nummer 17. Här kommer svar.

.

.

Vindkraftens snabba fluktuationer är en utmaning för generatorn. Teoretiskt borde en vanlig synkrongenerator fungera, på effektvariationer svarar den med att anpassa lastvinkeln. För de snabba vindfluktuationerna utlöser dock försöken till lastvinkelanpassning lastvinkelsvängningar med stora mekaniska påfrestningar, så synkrongeneratorer kopplade direkt till nätet fungerar inte för vindkraft.

I dag finns tre huvudlösningar:

1) Asynkrongeneratorermed kortslutningslindning i rotorn, alltså en vanlig induktionsmotor som byter effektriktning. Den roterar något snabbare (några procent) än synkront. Varvtalsdifferensen ökar med ökande effekt, och buffrar för effektfluktuationer. Dock är reglerområdet något litet för vindhastighetsintervallet som vindkraftverket ska fungera inom. Därför är många utrustade med automatisk omkoppling mellan 6-polig statorlindning (låg vindhastighet) och 4-polig (starkare vind) för att kunna rotera med olika basvarvtal, beroende på hur mycket det blåser. Det finns även släpringade maskiner med variabla motstånd i rotorkretsen för att kunna variera varvtalet något, till priset av ökade förluster. Det höga generatorvarvtalet kräver en växellåda mellan turbin och generator.

2) Asynkronmotorermed rotormatning genom omriktare. Där är rotorn utrustad med en trefaslindning som matas med differensfrekvensen som behövs för att få rätt varvtal för att ”bli av” med effekten. Även här används fyrpoliga generatorer och växellåda. Ursprungligen användes denna rotormatningsteknik, i början med roterande hjälpmaskiner för leverans av differensfrekvensen (Scherbiusmaskiner), för att koppla ihop växelströmsnät med olika frekvens som inte är synkrona, exempelvis järnvägens 16 2/3 Hz med 50 Hz-näten i Tyskland, Schweiz och Österrike.

3) Synkrongeneratorer med högt poltal och utan växellåda. Dessa tillåts variera i varvtal för att anpassa sig till vindhastigheten. Mellan generator och nätet sitter en omriktare som omvandlar den i frekvens och spänning varierande strömmen från generatorn till nätfrekvens och nätspänning.

Att alla tre varianter används i jämförbar omfattning beror på att de har olika för- och nackdelar.

En gemensam nackdel för asynkrongeneratorerna är att den stora skillnaden i varvtal (cirka 1 500 varv/min för generatorn och under 60 varv/min för propellern) tvingar fram tunga, dyra och underhållskrävande växellådor.

Induktionsgeneratorn har induktiv effektfaktor, vilket gör att vindkraftsparkernas effekt med dessa måste vara liten i förhållande till effektomsättning i nätet, annars krävs dyra kompensationsåtgärder.

Omriktaren, antingen för rotormatning eller för synkrongeneratorn, är en fördyrande komponent.

Synkrongeneratorn, med sitt höga poltal, blir mycket större än asynkron-alternativen. Viktminskningen genom att man slipper växellåda äts upp av den tunga generatorn.

Både den rotormatade asynkrongeneratorn och synkrongeneratorn med omriktare kan fås att arbeta med bästa fasläge (induktivt, kapacitivt eller rent resistivt) och tilllåter därför integrering av en större andel vindkraft i nätet. Synkrongeneratorn gör det till priset av en omriktare för hela effekten, vilket innebär högre pris och större förluster än hos omriktaren för rotormatning.

Man kan i en vindkraftspark även blanda billiga induktionsgeneratorer med dyrare rotormatade eller omriktarkopplade. ”Lyxkraftverken” kan då kompensera de enklare verken.

Ett tänkbart alternativ för stora vindkraftverk till havs, där varvtalsförhållandet mellan turbin och asynkrongenerator blir än mera ogynnsamt på grund av ännu lägre turbinvarvtal, och där den kapacitiva laddningsströmmen för en lång undervattenkabel blir svårhanterbar, är att driva dem med lägre frekvens (som järnvägens 16 2/3 Hz), och anordna en omriktare på landbacken. Detta förenklar växellådorna, eftersom varvtalsförhållandet är proportionellt mot frekvensen, och minskar laddningsströmmen.

Thorsten Schütte, Västerås

Nu över till nästa veckas fråga:

Hur är förhållandetmellan en magnet och det underlag som man fäster magneten vid? Sitter en kraftig magnet fast hårdare på en 10 mm stålplåt än på en som bara är 2 mm tjock? Finns det någon formel för sambandet?

Patrick Enger

Skicka in era svar och nya intrikata frågor till?teknikfragan@nyteknik.se

Det är ni, kära läsare, som både frågar och svarar i Teknikfrågans spalter.