COORDONATOR ȘTIINȚIFIC ABSOLVENT Conf.dr. SORIN SINTEA Lipan Adrian CONSTANȚA 2017 UNIVERSITATEA MARITIMĂ DIN CONSTANȚA FACULTATEA ELECTROMECANICĂ… [305236]

UNIVERSITATEA MARITIMĂ DIN CONSTANȚA

FACULTATEA ELECTROMECANICĂ NAVALĂ

SPECIALIZAREA : ELECTROTEHNICĂ

Proiect de diplomă

COORDONATOR ȘTIINȚIFIC ABSOLVENT: [anonimizat].dr. SORIN SINTEA Lipan Adrian

CONSTANȚA

2017

UNIVERSITATEA MARITIMĂ DIN CONSTANȚA

FACULTATEA ELECTROMECANICĂ NAVALĂ

SPECIALIZAREA : ELECTROTEHNICĂ

PROIECTAREA UNEI CENTRALE EOLINE IN ZONA BABADAG CU O PUTERE INSTALATĂ DE 40MVA

COORDONATOR ȘTIINȚIFIC ABSOLVENT: [anonimizat].dr. SORIN SINTEA Lipan Adrian

CONSTANȚA

2017

Declarație,

Prin prezenta declar că Proiectul de diplomă cu titlul „Proiectarea unei centrale eoline in zona Babadag cu o putere instalată de 40MVA. ” este scrisă de mine și nu a mai fost prezentată niciodată la o altă facultate sau instituție de învățământ superior din țară sau străinătate. [anonimizat], [anonimizat], cu respectarea regulilor de evitare a plagiatului:

[anonimizat], sunt scrise între ghilimele și dețin referința precisă a sursei;

reformularea în cuvinte proprii a textelor scrise de către alți autori deține referința precisă;

rezumarea ideilor altor autori deține referința precisă la textul original.

Constanța,

Absolvent: [anonimizat]

2017

CUPRINS

TITLUL PAGINA

Introducere

1.1 Introducere…………………………………………….……….……….………6

CAPITOLUL I – Generalități

1.1 Generalități…………………………………………………………………………………………………7

1.2 Avantajele energiei eoliene…………………………………………………………………………..8

1.3 Stadiul actual al centralelor eoline………………………………………………………………………..8

[anonimizat]

2.1 Structura unui sistem eolian……………………………………………………………………….15

2.1.1 Părțile componente ale turbinei eoliene…………………………………………….16

2.2 Tipuri de turbine eoliene……………………………………………………………………………23

[anonimizat]

3.1 Generatoare pentru turbine eoliene…………………………………………………………….31

3.1.1 Turbine eoliene cu viteza fixă………………………………………………………..31

3.1.2 Turbine eoliene cu viteza variabilă………………………………………………….34

3.3 Centrala de înaltă tensiune pentru conectarea la linia de transpor.t………………….39

[anonimizat]

4.1 Amplasament geografic al centralei eoliene…………………………………………………42

4.2 Schema bloc a centralei eoline……………………………………………………………………44

4.3 Alegerea generatoarelor și a turbinelor………………………………………………………….45

4.4 Schema stație de conexiuni………………………………………………………………………..

4.5 Schema stației de conectare la linia de înaltă tensiune……………………………………

4.6 Amplasamentul în teren……………………………………………………………………………..

CAPITOLUL V-Concluzii

5.1 Avantaje și dezavantaje…………………………………………………………………………..

5.2 Contribuții personale……………………………………………………………………………….

INTRODUCERE

În cadrul acestui proiect de diplomă, vom vorbi despre tema aleasă cu titlul „Proiectarea unei centrale eoliene în zona Babadag cu o putere instalată de 40 MVA”.Am ales această lucrare deoarece energia eoliană este o energie regenarabilă. Energia eoliană este o formă de energie verde, producere energiei eoliene nu implică rezultatul nici unui fel de deșeuri. Populația la nivel mondial se află într-o continuă creștere a poluării din cauza cererii foarte mari de energie electrică. Din cauza acestei creșteri alarmante a poluării se încearcă reorientarea asupra altor surse de producere a energiei electrice, în această categorie încadrându-se și energia eoliană.În zonele greu accesibile, pe vârfuri de munte, pe insule sau în zonele îndepărtate unde accesul la rețeaua națională de energie este foarte dificil, utilizarea energiei verzi, a centralelor eoliene, poate reduce gradul de poluare și costul de punere și menținere în funcțiune al unui generator diesel. Investiția unei centrale eoliene în aceste zone este cu atât mai justificabilă cu cât alimentarea cu energie electrică de la aceasta este permanentă. În prezent, pe plan mondial, ponderea energiilor regenerabile în producerea energiei electrice, este scăzută. Se poate spune că potențialul diferitelor filiere de energii regenerabile este sub-exploatat. Totuși, ameliorările tehnologice au favorizat instalarea de centrale eoliene într-un ritm permanent crescător în ultimii ani, cu o evoluție exponențială.

În ultimile două decenii, exploatarea si utilizarea energiei eoliene a crescut exponențial, acest fapt datorându-se cererii mari de energie electrică si poluării produse de centralele pe bază de combustibili fosili. În comparație cu o centrală nucleară, în cadrul scoaterii din funcțiune a unei centrale eoliene, costurile sunt minime deoarece aceasta poate fi reciclată iar impactul asupra mediul este nul.În Romănia cele mai bune zone pentru exploatarea constantă în mod rentabil a energei eoliene o reprezintă litoralul Mării Negre, Delta Dunării si nordul Dobrogei, deorece în aceste zone viteza vântului este constantă pe tot parcursul anului.Față de alte zone, exploatarea energetică a potențialului eolian din această zonă este favorizată și de turbulența mai mică a vântul

CAPITOLUL I : GENERALITĂȚI

1.1 Generalități

Datorită epuizării pe plan mondial a rezervelor de combustibili fosili ce acționează în mare parte centralele de producere a energiei electrice, se încearcă la ora actuală o reorientare asupra surselor neconvenționale de producere a energiei electrice, din aceste forme făcând parte și sistemele eoliene. Deși folosite în trecut doar pentru aplicații de mică putere – de obicei pentru aplicații tip încărcare de acumulatori – datorită progreselor făcute în domeniul magneților permanenți și al generatoarelor eoliene, se poate discuta astăzi de sisteme ce ajung la performanțe superioare în ceea ce privește randamentul față de centralele clasice.

Totuși, problemele ce apar la interconectarea acestor sisteme cu Sistemele Energetice Naționale au dus la folosirea unor etaje intermediare electronice de putere pentru conversia, monitorizarea și corectarea parametrilor energetici caracteristici sistemelor eoliene.

În general, principiul de gândire asupra sistemelor eoliene a devenit macroscopic, de puteri mari; există cazuri însă când pot fi implementate și sisteme de puteri mici, de ordinul zecilor de kilowați, pentru alimentarea unor consumatori insulari, în zone în care Sistemul Energetic Național nu are acoperire, sau se incearcă o diminuare a consumului de la rețeaua națională.

Zonele care nu sunt conectate la rețeaua națională de electricitate ar putea beneficia de curent electric cu ajutorul unor sisteme bazate pe surse regenerabile, proiectate de diverse firme de specialitate. Soluțiile oferite sunt destinate în special zonelor rurale sau inaccesibile, unde alimentarea cu energie lipsește sau funcționează deficitar.

În România există 500-600 de zone care folosesc generatoare pentru a obține curent electric. Integrarea turbinelor eoliene ar conduce la o reducere a consumului generatorului de aproximativ 2.000 litri de combustibil pe an, la care se adaugă o reducere a poluării cu cinci tone de emisii pe an.

Soluția se aplică în general în acele zone unde nu există deloc rețele de electricitate. Acestea se află de obicei în arii rurale, pe vârfuri de deal, pe insule sau în zone îndepărtate, cu o densitate redusă a populației.

Majoritatea instalațiilor folosite pentru generarea de energie eoliană sunt calculate la o viteză a vantului de 10-12 metri pe secundă. În orice caz, o turbină eoliană de uz casnic este rentabilă dacă viteza vântului în acel amplasament este de peste 5 metri pe secundă. Un studiu “de vânt” durează cel puțin un an, dar rezultatele pot fi destul de diferite de la o lună la alta. În cazul în care viteza vântului nu e cu certitudine peste această valoare minimă, este recomandabil ca în acel loc să fie instalat și un pilon de măsură, care să dea date certe privind potențialul eolian din acea zonă, după o durată de 3 luni-1 an.

Investiția într-o astfel de instalație este cu atât justificabilă cu cât aceasta alimentează o casă locuită în permanență și nu una de vacanță. Astfel, dacă luăm in considerare un consum mediu zilnic de 15 kWh, respectiv de 5.400 kWh pe an, iar gospodăria este legată la rețeaua electrică, atunci cu o viteză a vântului medie anuală de 5 metri pe secunda, o turbină de 5kW poate genera 6.000 de kWh pe an.

Din această imagine putem constata că una din zonele cu potențial eolian ce poate fi utilizat în mod rentabil o constituie Litoralul Mării Negre, Delta Dunării si nordul Dobrogei unde viteza medie anuală a vântului se situează în jurul a 6 m/s.

Față de alte zone, exploatarea energetică a potențialului eolian din această zonă este favorizată și de turbulența mai mică a vântul.

1.2 Avantajele energiei eoliene

Problema incălzirii globare a transformat într-o necesitatea căutarea surselor alternative, energie verde și energe regenarabila cu un impact cât mai mic asupra poluării.

Energia eoliana și-a dovedet deja valoarea ca fiind o solutie alternativa foarte bună din causa problemei consumului mare de energie pe glob.Toate sursele de energie regenerativă depind de căldura soarelui.Vântul este un fenomen cauzat de încălzirea atmosfere Pământului.Lumina produsă de soara încălzește diferit suprafata Pământului producând astfel variații de temperatura, aerul cald se ridică spre iar cel rece coboară.Această mișcare de curenți produce fenomenul numit vânt.

Vântul este o sursă de energie regenerabilă și un produce compuși toxici ca urmare a exploatării acesteia.De asemenea costul exploatării energiei electrice este scăzut.ea fiind o alternativă foarte bună de energie pentru generațiile urmatoare.

Energia eoliană este o forma de energie infinită,și spre deosebire de carbune,lemn sau materia nucleară efectul acesteia în mediu este scăzut aproape de nul.Un alt avantaj al energiei eoliene este acela că in urma exploatării acesteia un se produc deșeuri.Producere energiei eoliene un implică producere nici unui fel de deșeuri.

Costurile scoaterii din funcțiune a unei centrale eoliene în comparație cu o centrală nucleară sunt extrem de mici.În cazul scoaterii din funcțiune a unei centrale eoliene, costurile sunt minime deoarece aceasta poate fi reciclată/

În anul 2004 prețul energei eoliene ajunsese deja la o cincime față de prețul de la sfârșitul anilor 1980.Prețul energiei eoliene este prevăzut să continue sa scadă în decursul următorilor ani deorece se monteaza și se pun în funcțiune tot mai multe centrale eoliene cu puteri instalate de mai mulți megawați.

1.2 Stadiul actual al centralelor eoline

Energia de origine eoliană face parte din energiile regenerabile, aceasta fiind o sursă de energie reînnoibilă. Acest tip de energie este atractiv atât din punct de vedere ecologic – nu produce emisii în atmosferă, nu formează deșeuri radioactive, cât și din punct de vedere economic – ca sursă energetică primară vântul nu costă nimic.

Noile cerințe în domeniul dezvoltării durabile au determinat statele lumii să își pună problema metodelor de producere a energiei și să crească cota de energie produsă pe baza energiilor regenerabile. Protocolul de la Kyoto angajează statele semnatare să reducă emisiile de gaze cu efect de seră. Acest acord a determinat adoptarea unor politici naționale de dezvoltare a eolienelor și a altor surse ce nu degajă bioxid de carbon.

Trei factori au determinat ca soluția eolienelor să devină mai competitivă:

• noile cunoștințe și dezvoltarea electronicii de putere;

• ameliorarea performanțelor aerodinamice în conceperea turbinelor eoliene;

• finanțarea națională pentru implantarea de noi eoliene.

Fig 1.1 Diagrama resurselor primare consumate pentru producerea energiei electrice la nivel mondial

În prezent, pe plan mondial, ponderea energiilor regenerabile în producerea energiei electrice, este scăzută, după cum se vede în diagrama din figura 1. Se poate spune că potențialul diferitelor filiere de energii regenerabile este sub-exploatat. Totuși, ameliorările tehnologice au favorizat instalarea de generatoare eoliene într-un ritm permanent crescător în ultimii ani, cu o evoluție exponențială.

China a devansat Statele Unite ale Americii în ceea ce privește capacitatea intalată în ferme eoliene, potrivit unui raport al Wind Energy Association (Asociația Energiei Eoliene) și citat de Reuters, la 11 iunie 2011. La această dată China a ajuns la circa 45.000 MW instalați în mori de vânt, după ce în 2010 a adăugat 18.900 MW. În SUA s-au adăugat doar 5.116 MW iar totalul a ajuns la 40.000 MW, de ajuns cât să furnizeze energie pentru 10 milioane de locuințe. În 2009 Statele Unite devansase Germania la producția de energie eoliană. În lume cele mai mari producătoare de energie eoliană sunt la ora actuala: China (44 7333MW), Statele Unite (40 180MW), Germania (27 215MW), Spania (20 776MW), India (13065 MW), Italia (5797MW), Franța (5560MW), Marea Britanie (5203MW), Canada (4008MW), Danemarca (3734MW).

Deși încă o sursă relativ minoră de energie electrică pentru majoritatea țărilor, producția energiei eoliene a crescut practic de cinci ori între 1999 și 2010, ajungându-se ca, în unele țări, ponderea energiei eoliene în consumul total de energie să fie semnificativ: Danemarca (23%), Spania (8%), Germania (6%). Ponderea energiei eoliene, în totalul consumului intern era, la începutul anului 2012, de 24% în Danemarca, 14% în Spania și Portugalia, circa 10% în Irlanda și Germania și 5,3% la nivelul UE, iar în România de numai 1,6%.

La nivelul Uniunii Europene, capacitatea totală de producție energetică a turbinelor eoliene era la finele anului 2011 de 84.074 MW. Potrivit datelor de la finele anului 2011 Germania are cea mai mare capacitate de producție de energie eoliană din UE, de 27.214 MW, urmată de Spania, cu 20.676 MW, iar apoi, la mare distanță, de Italia (5.797 MW) și Franța (5.660 MW).

În martie 2012, energia eoliană a devenit, pentru prima dată, tehnologia cu cea mai mare producție electrică din Spania, potrivit Rețelei Electrice din Spania (REE), cu 21 % din totalul cererii de electricitate din Spania. Pe locurile următore: energia nucleară (19%), energia hidraulică (17,3%), ciclurile combinate (17,2%), termocentralele pe cărbune (12,9%) și energia solară (2,6%). Mulțumită aportului energiei eoline, s-a evitat importarea de hidrocarburi în valoare de 250 de milioane de euro și emisia de 1,7 milioane de tone de CO2, adică echivalentul plantării a 850.000 de copaci.

Două asociații profesionale de prestigiu din Europa au analizat impactul penetrării energiei eoliene în rețelele electrice, după cum urmează: Asociația europeană a OTS (ETSO) a elaborat „Studiul privind integrarea generării eoliene în rețelele europene” în ianuarie 2007 și Asociația europeană a energiei eoliene (EWEA) a întocmit „Raportul anual” pentru 2006. Cele două publicații ofereau o imagine concretă asupra impactului penetrării energiei eoliene în sistemele energetice europene.

După cum reiese în studiul ETSO și din raportul EWEA, ca urmare a Directivei Uniunii Europene 77/2001 privind promovarea resurselor regenerabile, până la sfărșitul anului 2006 au fost instalați 48 GW în centrale eoliene, fiind prognozați 80 GW până în anul 2013.

În topul producătorilor europeni de energiei eoliană se situează Germania, Spania și Danemarca .

Având în vedere experiența sistemelor energetice în care există instalată o putere eoliană considerabilă, studiul ETSO a identificat impactul penetrării generării eoliene :

– circulații de puteri mari și neprevăzute care afectează sistemele vecine și reduc capacitățile disponibile pentru trading (în special în nordul Germaniei);

– creșterea frecvenței de apariție a congestiilor de rețea, ceea ce duce la necesitatea de întărire/dezvoltare a rețelelor;

– croducătorii de energie eoliană se amplasează în zonele cu potențial eolian ridicat, indiferent de zonele avantajoase din punct de vedere al dezvoltării sistemelor în ansamblu; – siguranța sistemelor energetice este pusă în pericol datorită deconectărilor rapide a centralelor eoliene la avarii minore. Experiența a arătat că generarea eoliană nu “susține” rețeaua. Pentru a preîntâmpina extinderea avariilor, fabricanții de generatoare eoliene trebuie să ia măsurile constructive necesare pentru ca acestea să participe la stabilitatea sistemelor energetice;

– crește necesarul de rezerve de putere. În accepțiunea studiului ETSO, costul acestora se suportă de către toți consumatorii;

– cresc pierderile în rețea și necesarul de compensare a puterii reactive. În Germania pierderile în rețele se dublează ca urmare a faptului că locul de producție și cel de consum diferă semnificativ – producția din nordul Germaniei este consumată în centrul și sudul țării.

– spre deosebire de generarea clasică, grupurile eoliene au o marjă de reactiv mai redusă. De regulă, acestea consumă putere reactivă din sistem;

– impactul economic asupra generării convenționale. Generatoarele convenționale sunt ținute să funcționeze la minim sau sunt oprite.

Deosebit de importante sunt recomandările studiului ETSO:

– armonizarea schemelor de sprijin la nivel european. În prezent sunt mai multe tipuri de scheme de sprijin: „feed-in tariff” și certificatele verzi. Chiar și modalitatea de aplicare a schemei bazate pe certificate verzi poate să difere de la un sistem la altul;

– accelerarea procedurilor de aprobare a realizării de noi linii electrice;

– generatoarele eoliene ar trebui să fie responsabile pentru dezechilibrele pe care le produc;

– îmbunătățirea cerințelor de conectare pentru a avea grupuri cât mai flexibile pentru reglajele sistemelor energetice;

– re-examinarea regulilor de prioritate la nivel european astfel încât grupurile convenționale (care asigură rezervele – siguranța sistemului) să nu fie discriminate.

Aspecte specifice cu care se confruntă OTS din Europa (E.oN Netz GmbH din Germania și National Grid din Anglia) legate de integrarea generatoarelor eoliene

O analiză a aspectelor specifice cu care se confruntă OTS din Europa a fost făcută în studiul contractat de CNTEE Transelectrica S.A. cu ISPE. Pe lângă cele menționate în acest studiu, CNTEE Transelectrica S.A., din contactele directe cu doi OTS europeni – E.oN Netz GmbH din Germania și National Grid din Anglia – a identificat o serie de probleme care vor fi expuse în continuare :

– disponibilitatea vântului este aleatoare, iar generarea eoliană nu este capabilă să înlocuiască centralele convenționale decât într-o anumită măsură;

– creșterea necesității de redispecerizare. Costurile rezervelor de putere necesare funcționării centralelor eoline (rezerva fiind dimensionată la 50-60% în 2004 și la 90% în 2005) sunt suportate de operatorii de rețea și socializate. În 2003, energia eoliană a acoperit 4% din consumul Germaniei, operatorii de rețea au suportat costuri de 1,7 miliarde Euro în acord cu – legea energiei regenerabile (Renewable Energy Act), ceea ce a dus la o creștere a prețului energiei electrice cu 9 Euro cenți/kWh;

– necesitatea unor linii noi pentru evacuarea puterii generate de centralele eoliene situate în zona nordică (de consum mic) către centrul Germaniei. Din studiile de sistem elaborate de institutele germane (Dena) a rezultat necesitatea realizării a șapte linii noi de 400 kV (610 km) și a trei linii de 110 kV (110 km) până în 2015. În 2020, atunci când se prevede triplarea capacității centralelor eoline (on-shore și off-shore), se estimează că necesitatea extinderii RET din Germania se ridică la 2700 km de linii de înaltă tensiune;

– dificultatea și duratele mari de realizare a unor linii noi aeriene. Opoziția autorităților locale, a organizațiilor de protecție a mediului, a partidelor politice, precum și a cetățenilor germani – „not in my backyard” – față de liniile aeriene pare nejustificată dacă se consideră faptul că înălțimea unui stâlp de 400 kV este de aproximativ 50 m, iar cea a unui generator eolian este de 120 m, aproape triplu față de un stâlp. Referitor la duratele mari de realizare a liniilor noi, s-a exemplificat cu o linie de 110 kV de 8 m a cărei realizare a durat 14 ani. În medie, realizarea unei linii noi durează peste 10 ani, în principal datorită procedurilor de autorizare;

– dezavantajele legate de instalarea și funcționarea cablurilor subterane și subacvatice;

– întărirea/dezvoltarea RET determinată de apariția centralelor eoliene din Germania se socializează prin tariful de transport.

Problemele legate de compensarea puterii reactive în zona nordică (aproximativ 7350 MVAr) au dus la necesitatea impunerii noilor centrale eoliene de a instala echipamente proprii de compensare;

Prognozele asupra energiei produse de centralele eoliene sunt externalizate, fiind realizate în Germania de o universitate, care pe baza datelor furnizate de institutul de meteorologie (viteza, direcția și durata vântului) și a unor metode de aproximare furnizează aceste prognoze operatorilor de rețea germani. În ciuda prognozelor de vânt, fluctuațiile s-au dovedit a fi mari, în medie de aproximativ ± 500 MW. Oricum, cele mai mari deviații orare au ajuns până la ± 2.900 MW la o putere eoliană instalată în Germania de aproximativ 15.000 MW. De importanță majoră este faptul că rezervele de putere trebuie dimensionate astfel încât să acopere deviațiile orare, valoarea medie a deviației fiind nerelevantă pentru stabilirea necesarului de rezerve. Operatorii de rețea sunt obligați să asigure conectarea cu prioritate la rețea a tuturor centralele eoliene. Corelat cu această obligație, în Germania există o lege prin care se urmărește închiderea graduală a centralelor nucleare. Mai mult decât atât, chiar în zonele în care capacitatea rețelei este limitată, la conectarea la rețea a unei noi centrale eoliene în aceste zone (cu congestii temporare), operatorii de rețea prevăd în contractul de racordare posibilitatea reducerii puterii generate de centrală sau chiar a deconectării, până la construirea unor noi linii de transport care să elimine aceste inconveniente. Din punct de vedere operațional, centralele eoliene funcționează cu prioritate, pe principiul First In Last Out;

Generatoarele instalate în Germania sunt de trei tipuri: sincrone, asincrone și asincrone cu dublă alimentare (statorul direct conectat la rețeaua electrică, iar rotorul conectat la rețea printr-un convertor bidirecțional AC/DC/AC de tip „back-to-back”). Cele asincrone fără dublă alimentare nu sunt capabile să îndeplinească noile cerințe tehnice minime pentru centralele eoliene, introduse în codul de rețea în vigoare.

National Grid Electricity Transmission plc., Anglia susține că până în prezent au fost racordați 2 GW în centrale eoliene, iar solicitările analizate și acceptate în vederea racordării totalizează 17,8 GW, pentru care OTS englez va dezvolta sistemul de transport. National Grid Electricity Transmission plc. beneficiază de consultanță în domeniul integrării centralelor eoliene.

Aspecte specifice cu care se confruntă OTS englez în ce privește integrarea generatoarelor eoliene:

– condițiile de racordare impuse de către National Grid. În ceea ce privește condițiile de racordare impuse de către operatorul de rețea, generatoarele eoliene trebuie să îndeplinească cerințele codului de rețea (Grid Code, revizuit recent), fără excepție, ca orice grup convențional;

– perspectiva dezvoltării unor noi centrale eoliene offshore corelată cu dezvoltarea sistemului de transport. Deși s-a dat acordul OTS pentru racordarea a 17,8 GW – putere instalată în centrale eoliene, racordarea efectivă a acestora va fi realizată începând din anul 2016, fiind condiționată de dezvoltarea sistemului de transport; Racordarea la rețea se face pe baza studiilor de soluție, pe principiul primului venit.

CAPITOLUL II – Sisteme de energie eoliană

2.1 Structura unui sistem eolian

In prezent sunt două tipuri de generatoare folosite pentru funcționarea centralelor eoline:

-cu viteză constantă;

-cu viteză variabilă.

Generatoarele folosite pentru funcționarea centralelor eoliene pot fi asicrone cu rotorul în scurt circuit sau rotorul bobinat si sincrone cu excitație separata sau cu magneți permanenți.

Instalația eoliană cu viteza constantă și generatorul montat asincron cu rotorul in scurt circuit reprezintă soluția clasică denumita si metoda daneză.În acest caz se rotește nacela precum și unghiul de înclinare al paletelor pentru modificarea unghiului de atac. Sistemele bazate pe generatoare cu viteză constantă merg în principiu cu viteza mecanică constantă avand mașini cu inducție de înaltă eficiență ce funcționează la viteze de super-sincronizare. Variația vitezei pe unitate este în mod uzual mai mică de 1%. Aceste generatoare de inducție cu viteză constantă sunt simple și nu încorporează electronica de putere.

Instalația eoliană cu viteză variabilă, reprezentând metoda modernă,  utilizează în mod uzual generatoare de inducție cu dublă alimentare (DFIG), având avantajul utilizarii eficiente a energiei vântului, reducerii parții mecanice (nacela ușoară, cutie de viteze redusă sau absentă și turn zvelt), dar având o parte electrică și electronică complexă, necesitând algoritmi de conducere pretențioși. Viteza mecanică de rotație a mașinii poate fi controlată prin reglarea frecvenței curentului de alimentare a rotorului. Două tipuri de instalații eoliene sunt prezentate in figura 2.1:

2.1.1 Părțile componente ale turbinei eoliene

Părțile principale sunt următoarele:

butucul rotorului;

paletele;

nacela;

pilonul;

arborele principal de turație redusă;

multiplicatorul de turație cu roți dințate;

dispozitivul de frânare;

arborele de turație ridicată;

generatorul electric;

sistemul de răcire al generatorului electric;

sistemul de pivotare;

girueta;

anemometrul;

sistemul de control sau controller-ul.

Butucul rotorului are funcția de a permite montarea paletelor turbinei și este situat pe arborele principal al turbinei.În figurile 2.2 și 2.3 sunt afișate două exemple ale unor butuci de turbine eoliene.

Paletele turbinei eoliene sunt una dintre cele mai importante componente ale turbinelor eoliene iar împreună cu butucul alcătuiesc rotorul turbinei.În cele mai multe cazuri,pentru fabricarea paletelor turbinei se utilizează aceleași tehnologii de fabricarea utilizate si in industria aeronautică.Sunt utilizate materiale compozite deoarece aceastea asigura în același simultan rezistența mecanică,flexibilitatea,elasticitatea si greutate relativ mică.În figura 2.4 si 2.5 sunt afișate două palete de turbină.

Nacela turbinei eoliene are rolul de asigura protecția componentelor turbinei eoliene,montate în interiorul acesteia.Componentele protejate,montate în interiorul nacelei, sunt arborele principal, multiplicatorul de turatie, dispozitivul de frânare,arborele de turație ridicată,generatorul electric, sistemul de răcire al generatorului electric și sistemul de pivotare.În figurile de mai jos, 2.6 si 2.7 sunt prezentate doua nacele având dimensiuni mari.

Pilonul turbinei eoliene are rolul de a fixa și susține turbina eoliană și de a permite accesul utilizatorilor in vedere exploatării sau executarea operațiilor de întreținere,mentenanță si reperații.În interiorul pilonul se regăsesc rețeua de distribuție a energiei electrice produse,cât și scările de acces spre nacelă.În figurile următoare sunt prezentate fundația unui pilon(fig 2.8),

iar în figura următoare este prezentată un tronson de pilon pentru susținerea turbinei eoliene(fig 2.9).

Arborele principal al turbinelor eoliene are turație mică,acesta este folosit pentru transmiterea mișcării de rotație de la butucul turbinei la multiplicatorul de turație cu roți dințate.În funcție de tipul turbinei alese,turația arborelui principal poate varia intre 20-400 rot/min.În figura 3 este prezentat arborele principal.

Multiplicatorul de turație cu roți dințate ajută la creșterea turației reduse de la arborele principal la o valoare ridicată de care are nevoie generatorul electric.În figura precedentă, fig 3, este prezentat arborele principal,unde este montat și multiplicatorul de turație.În figura 3.1 este prezentat modul de funcționare al multiplicatorului de turație cu roți dințate iar în urmatoarea figură, fig 3.2, este prezentat un multiplicator de turație eolian.

Dispozitivul de frânare este un dispozitiv de siguranță care este situat pe arborele de turație ridicată, între multiplicatorul de turație si generatorul electric.Pentru a menține viteza de rotație constantă a turbinei se reglează unghiul de înclinare al paletelor în funcție de viteza vântului, acest procedeu nu se face prin frânarea arborelui secundar al turbinei.Dispozitivul de frânare este de obicei hidraulic,dar poate fi și mecanic.Acesta este utilizat doar in cazul defectării mecanismului de reglare al unghiului de înclinare a palatelor sau pentru oprirea completa a turbinei în cazul efectuării operațiilor de întreținere sau reparație.În figura 3.3 este prezentat principiul de funcționare al mecanismului de frânare,iar în figura 3.4 este prezentat dispozitivul de frănare.

Arborele de turație ridicată are denumirea de arbore secundar sau de cuplaj.Rolul arborelui de turație este de a transmite mișcarea de la multiplicatorul de turație la generatorul electric.Turația arborelui este egala cu turația generatorului electric,ea este cuprinsa între 1200-1800 rot/min.În figura 3.5 este prezentat un arbore de turație ridicată care este montat pe multiplicator.

Generatorul electric are rolul de a converti energia mecanică primită de la arborele de turație ridicată al turbinei eoliene,în energie electrică.Spirele rotorului se rotesc în câmpul magnetic generat de stator si astfel, în spire se induce curent electric.Există generatoare care furnizeaza curent continuu,pentru uz casnic si turbine de dimensiuni reduse, cât și generatoare electrice de curent alternativ într-o gamă variată de puteri.În figura 3.6 este prezentat generatorul electric al unei turbine eoline.

Sistemul de pivotare al turbinei eoliene,este folosit pentru a permite orientarea turbinei după direcția vântului.Componentele principale din care este alcătuit acest sistem sunt motorul de pivotare si elementul de transmisie a mișcării.Ambele componente sunt prevăzute cu elemente de angrenare cu roți dințate.În figura 3.7 este prezentat motorul sistemul de pivotare,iar în figura 3.8 este prezentat elementul de transmisie.

Girueta este amplasată pe nacelă, iar rolul acesteia este de a se orienta în permanență dupa direcția vântului.În momentul schimbării direcției vântului,girueta transmite o comandă automată pentru punerea în funcțiune a sistemul de pivotare al turbinei.La turbinele de dimensiuni reduse, nacela este rotită automat după direcția vântului cu ajutorul giruetei.În figura 3.9 este prezentată girueta.

Anemometrul este folosit pentru măsurarea vitezei vântului.Acest aparat este montat deasupra nacelei și are rolul de a comanda pornirea turbinei eoliene în momentul când vântul depășește viteza de 3-4 m/s,respectiv oprirea turbinei în momentul în care viteza vântului are valori mari, 25 m/s.În figura 4 este prezentat un astfel de dispozitiv.

Controler-ul este calculatorul principal al unei turbine eoliene.În cazul turbinelor de mari puteri, controler-ul este integrat într-o rețea de calculatoare,care controlează și supraveghează buna funcționare a componentelor turbinei eoliene.

2.2 Tipuri de turbine eoliene

O eoliană ocupă o suprafață mică pe sol. Acesta este un foarte mare avantaj, deoarece perturbă puțin locația unde este instalată, permițând menținerea activităților industriale sau agricole din apropiere.

Se pot întâlni eoliene numite individuale, instalate în locații izolate. Eoliana nu este racordată la rețea, nu este conectată cu alte eoliene. În caz contrar, eolienele sunt grupate sub forma unor ferme eoliene. Instalările se pot face pe sol, sau, din ce în ce mai mult, în largul mărilor, sub forma unor ferme eoliene offshore, în cazul cărora prezența vântului este mai regulată. Acest tip de instalare reduce dezavantajul sonor și ameliorează estetica.

Turbinele eoliene se pot clasifica după mai multe critetii, în continuare vor fi enumerate câteva dintre acestea:

În funcție de direcția de orientare a axei:

-Turbine cu ax vertical:

Pilonii eolienelor cu ax vertical sunt de talie mică, având înălțimea de 0,1 – 0,5 din înălțimea rotorului. Aceasta permite amplasarea întregului echipament de conversie a energiei (multiplicator, generator) la piciorul eolienei, facilitând astfel operațiunile de întreținere. În plus, nu este necesară utilizarea unui dispozitiv de orientare a rotorului, ca în cazul eolienelor cu ax orizontal. Totuși, vântul are intensitate redusă la nivelul solului, ceea ce determină un randament redus al eolienei, aceasta fiind supusă și turbulențelor de vânt. În plus, aceste eoliene trebuiesc antrenate pentru a porni, pilonul este supus unor solicitări mecanice importante. Din acest motive, în prezent, constructorii de eoliene s-au orientat cu precădere către eolienele cu ax orizontal.

Cele mai răspândite două structuri de eoliene cu ax vertical se bazează pe principiul tracțiunii diferențiale sau a variației periodice a incidenței:

Rotorul lui Savonius în cazul căruia, funcționarea se bazează pe principiul tracțiunii diferențiale. Eforturile exercitate de vânt asupra fiecărei din fețele unui corp curbat au intensități diferite. Rezultă un cuplu care determină rotirea ansamblului.În figurile 4.2 si 4.3 sunt prezentate exemple ale rotorului lui Savonius.

•  Rotorul lui Darrieus se bazează pe principiul variației periodice a incidenței. Un profil plasat într-un curent de aer, în funcție de diferitele unghiuri, este supus unor forțe ale căror intensitate și direcție sunt diferite. Rezultanta acestor forțe determină apariția unui cuplu motor care rotește dispozitivul. În figura 4.4 este prezentată o turbină eoliană de tip Darrieus după numele celui care a realizat prima astfel de turbină.Aceste modele sunt încă în stadiul experimental,ele nefiind disponibile pe piață.

-Turbine cu ax orizontal:

Funcționarea eolienelor cu ax orizontal se bazează pe principiul morilor de vânt. Cel mai adesea, rotorul acestor eoliene are trei pale cu un anumit profil aerodinamic, deoarece astfel se obține un bun compromis între coeficientul de putere, cost și viteza de rotație a captorului eolian, ca și o ameliorare a aspectului estetic, față de rotorul cu două pale.

Eolienele cu ax orizontal sunt cele mai utilizate, deoarece randamentul lor aerodinamic este superior celui al eolienelor cu ax vertical, sunt mai puțin supuse unor solicitări mecanice importante și au un cost mai scăzut.În figura 4.5 este prezentată o eoliană cu axul orizontal.

Turbinele cu axul orizontal se împart în două categorii:

Amonte: vântul suflă pe fața palelor, față de direcția nacelei. Palele sunt rigide, iar rotorul este orientat, cu ajutorul unui dispozitiv, după direcția vântului.În figura 4.6 este prezentată imaginea unei astfel de eoliene.

•  Aval: vântul suflă pe spatele palelor, față de nacelă. Rotorul este flexibil și se auto-orientează.În figura 4.7 este prezentată o eoliană cu axul orizontal de tip aval.

În funcție de puterea electrică furnizată:

-Turbine de putere redusă:

Aceste turbine au o putere redusă,sub 100kW.Turbinele de putere redusă sunt folosite în general pentru uz casnic sau agricol.În figura 4.8 este prezentată o turbină de putere redusă.

-Turbine de putere medie si mare:

Aceste turbine de puteri medii si mari,peste 100kW,sunt utilizate pentru furnizarea energiei electrice în sistemele energetice naționale.

În funcție de modul de amplasare al paletelor:

-Turbine eoliene cu palatele montate în direcția opusă vântului.Vântul se lovește întâi de palete apoi de nacelă.Aceste turbine se numesc “upwind”

-Turbine eoliene cu paletele montate în direcția vântului. Vântul lovește întâi nacela apoi paletele.Aceste tipuri de turbine se numesc “downwind”

În funție de numărul paletelor:

-Turbine cu două palete

-Turbine cu trei sau mai multe palete

CAPITOLUL III-Structura unei centrale eoliene

3.1 Generatoare pentru turbine electrice

Cele mai utilizate generatoare pentru realizarea centralelor eoliene sunt generatoarele asincrone cu rotorul în scurt circuit( aproximativ 90% în anul 1997, 60% în anul 2011). Generatoarele asincrone cu rotorul bobinat s-au dezvoltat în ultimii ani( procentul lor crescând de la 3% în 1997 până la 30% in anul 2001).

3.1.1Turbine eoliene cu viteza fixă

În cazul mașinilor sincrone(MS) clasice si asicrone(MAS) cu rotorul în scurt circuit, viteza de rotație depinde direct si strict de frecvența curenților ce parcurg înfășurările statorice.

Mașina asincronă cu rotorul în scurt circuit,care are un număr fix de perechi de poli, poate funcționa într-un domeniu restrâns de viteze: alunecarea este de ordinul a câtorva procente.

Mașina sincronă funcționează cu viteză fixă.

Funcționarea în mod autonom

Eoliene care nu sunt conectate la o rețea electrică funcționeaza în mod autonom, alimentând sarcini izolate.ce au eventual,unul sau mai mulet grupuri electrogene tampon. În cazul acestui tip de configurație, utilizarea unui sistem de stocare reprezintă un interes deosebit, mai ales în absența grupurilor electrogene, pentru situație în care viteza vântului este redusă

Utilizarea bateriilor de acumulatoare reprezintă o soluție pentru stocarea energiei pe o durată mai îndelungată.Există însă și alte sisteme de stocare a energiei, cum ar fi cel inerțial, pentru stocarea pe durate scurte de timp.Acest tip de stocare evită utilizarea bateriilor de acumulatoare, care prezintă un risc poluant pentru mediu.

Generatorul pentru acest tip de turbine eoliene cu viteză fixă poate fi o mașină sincronă cu magneți permanenți sau o mașină asincronă cu rotor în scurt circuit, prevăzută neapărat cu condensatoare necesare asigurării energiei reactive, de magnetizare.În figura urmatoare este prezentă schema generală a unei eoliene cu viteză fixă,ce funcționează în mod autonom.

Funcționarea în rețea

În cazul conectării eolianei la rețea, viteza de rotație a mașinii asincrone trebuie să rămână practic constantă, apropiată de viteza de sincronism, pentru asigurarea funcționării stabile a generatorului. Frecvența rețelei impune viteza de rotație a mașinii. Generatorul cu viteză fixă, conectat direct în rețea, trebuie neapărat prevăzut cu un multiplicator de viteză.

Mașina asincronă cu rotor în scurt circuit conectată direct la rețea

Conectarea la rețeaua electrică a unei eoliene de acest tip prezintă doi pași care trebuie urmați, și anume:

Conectarea înfașurării statorice la rețeua cu rezistențe înseriate, pentru a se reduce curenții statorici tranzitorii.Pe durata acestei etape, palele turbine sunt orientate în așa fel încât cuplul dezvoltat este nul

După trecerea câtorva secunde, rezistențele din circuitul statoric sunt scurt circuitate, apoi sistemul de reglare comandă orientarea palelor în scopul creșterii puterii.

Regimul tranzitoriu la conectare determină apariția unor curenți importanți, ce sunt limitați de către rezistențe. Rezistențele pot fi înlocuite cu variatoare de tensiune alternativă(VTA), prin modificarea unghiului de comandă al tiristoarelor din structura variatorului reglându-se tensiunea de alimentare, astfel încât curentul să nu se atingă valori periculoase pe durată etapei de conectare.

Mașina asincronă cu stator dublu

Această configurație oferă posibilitatea funcționării eolienei cu două viteze.Statorul este realizat din două bobinaje, care determină un număr variabil de poli și deci domenii diferite de viteză. Se pot impune două viteze de sincronism, prin schimbarea numărului de perechi de poli.

Pe de o parte, pe stator există un bobinaj de mică putere, dar care creează un număr mare de poli, care este utilizat la viteze mici ale vântului.

Puterea debitată în rețea este:

Ptr – puterea transmisă de generator în rețea

m – cuplul electromagnetic

ΩS – viteza de sincronism

Cu 𝜔 pulsația rețelei, iar p numărul de perechi de poli.

La viteze reduse ale vântului, puterea recuperată de eoliană este mică. De asemenea, datorită numărului mare de poli , și viteza de sincronism este mică, așa cum evidențiază relația de mai sus.

Pe de altă parte, statorul mai este dotat cu o înfășurare de putere mai mare, dar cu număr mai mic de poli, care este utilizată atunci când viteza vântului este suficient de mare. La viteze mari ale vântului, puterea recuperată, ca și viteza turbinei sunt mai mari.

3.1.2 Turbine eoliene cu viteza variabilă

Pentru a optimiza puterea debitată în rețea, în funcție de viteza vântului, este de preferat ca viteza de rotație a eolienei sa fie reglabilă. Ideea de bază fiind realizarea unui generator cu frecvența fixă.dar cu viteza variabilă. Generatorul cu viteza variabilă permite funcționarea pentru o gamă extinsă a vitezei vântului,deci recuperarea unei cantități mari din energia vântului, reducând în același timp zgomotul pe durata intervalelor cu vânt slab.În cazul eolienelor cu viteza variabilă, sistemul este reglat astfel încât, pentru fiecare viteză a vântului, eoliana să funcționeze la putere maximă.

Sistemele eoliene cu viteză variabilă ce funcționează conectate la rețea, utilizează convertoare statice de tensiune si frecvență(CSTF).

Prin modificarea vitezei, frecvența și amplitudinea tensiunii la ieșirea generatorului sunt variabile.Pentru conectarea la rețea, energia electrică trebuie transformată și adusă la parametrii constanți ai rețelei.În acest scop se utilizează convertoare statice de tensiune si frecevență, interpuse între generator și rețea.

Convertorul static de tensiune și frecvență este compus din:

Convertor curent alternativ-curent continuu(redresor) (1)

Se utilizează redresoare necomandate,cu diode, în cazul generatoarelor sincrone. Acestea sunt convertoare unidirecționale. În cazul generatoarelor sincrone,se utilizează redresoare cu comanda în durată.

Convertor curent continuu-curent alternativ(invertor) (2)

Prin comanda acestuia, se poate regla frecvența și valoarea eficace a energiei, astfel încât sa se poată realiza conectarea la rețea. Se preferă utilizarea invertoarelor cu modulație în durată, deoarece calitatea energiei furnizate este mai bună.

Pentru generatoarele asincrone

În cazul tipurilor cu generatoare asincrone, datorită alunecării, există posibilitatea funcționării acestora cu ușoare variații de viteză.Sunt posibile mai multe configurații:

Mașina asincronă(MAS) și reostat în circuitul rotoric

Această soluție exploatează faptul că alunecarea s depinde de rezistența rotorică. Care exprimă echivalența prin Rr/s . Prin adăugarea de rezistențe suplimentare în circuitul rotoric, se poate regla alunecarea, și deci viteza rotorului, în funcție de vânt.Prin urmare pulsația rotorică 𝜔r este data de formula:

unde:

-𝜔 –pulsația fixă a rețelei

– s – alunecarea.

Pulsația rotorică se mai poate exprima ca fiind:

unde:

-𝜔s – viteza de sincronism.

Din ecuția de mai sus rezultă:

Generatorul utilizat este MADA(Mașina Asincronă cu Dublă Alimentare) sau MAS cu rotor bobinat.În figura 5.5 este prezentată schema de principiu a unui astfel de sistem.

Mașina asincronă cu dublă alimentare(MADA)

Noțiunea de dublă alimentare se referă la faptul că statorul este conectat direct la rețea, iar rotorul este conectat la convertorul static de tensiune și frecevență.

Acest tip de structură se utilizează pentru eolienele de mare putere. Viteza de rotație se poate modifica în gamă destul de mare. Convertorul static de tensiune și frecevență este bidirecțional, putând asigura deci ambele sensuri de circulație a energiei în rotor.

Prin comanda acestuia se realizează reglajul de viteză și control al puterilor activă și reactivă vehiculate între mașină și rețea.În figura 5.6 este prezentată schema de reglare a vitezei și controlul puterilor active și reactive între mașină și rețea.

Mașina asincronă (MAS) cu rotor în scurtcircuit

Aceasta este asociată cu un convertor static de tensiune și frecventă(CSTF) indirect.În figura 5.7 este prezentată o astfel de schema.

Pentru generatoarele sincrone

Este posibilă renunțarea la multiplicatorul mecanic, dacă se utilizează un generator sincron cu un număr mare de poli (turație mică de sincronism).

Mașina sincronă(MS) cu multiplicator și convertor în stator

În cazul mașinii sincrone, amplitudinea și frecvența tensiunii la borne, depinde de viteză. Din acest motiv, conectarea la rețea trebuie să se realizeze prin intermediul unui convertor static de tensiune și frecvență(CSTF) indirect, compus dintr-un redresor, un circuit intermediar de curent continuu și un invertor.În figura 5.8 este prezentată schema unei mașini sincrone cu multiplicator și convertor în stator.

Mașina sincronă cu rotor cu magneți permanenți

Rotorul este realizat cu magneți permanenți cu flux axial, rezultând o mașină compactă. În această variantă, nu se mai utilizează multiplicatorul de viteză, dar mașina este conectată la rețea prin intermediul unui convertor static de tensiune și frecvență, care transformă energia de curent alternativ de frecvență variabilă, generată de mașina în energie de curent alternativ cu tensiunea și frecvența rețelei de distribuție.

Materialele cu magneți permanenți au fost îmbunătățite și ca urmare a rezultat o mai mare eficiență a generatoarelor cu magneți permanenți decât acea a generatoarelor cu câmp învârtitor. Fluxul de excitație este prevăzut cu magneți permanenți având capacitatea să funționeze la temperatorui de peste 2600C. Aplicând o viteză ridicată generatorului cu magneți permanenți, magnetul se menține între temperaturile limită. Având și posibilitatea de răcire a sistemului, identificarea pierderilor parasite, menținerea și repararea componentelor, reglarea tensiunii și a frecvenței care va fi transformată în putere de curent alternativ.În figura 5.9 este prezentată o astfel de schemă.

3.3 Centrala de înaltă tensiune pentru conectarea la linia de transport

O dezvolare desobită au avut-o, în ultimii ani, sursele de energie electrică care utilizează energia cinetică a maselor de aer în mișcare, ajungându-se astăzi la unități de câțiva MW și parcuri eoliene cu zeci de unități. Având în vedere faptul că, în următorul deceniu, în România vor fi instalate probabil unități cu putere totală de peste 3500 MW, prezintă un interes deosebit, atăt analiza problemelor tehnice de operare, control, protecție, mentenanță cât și a celor privind asigurarea calității energiei electrice furnizată consumatorilor din rețeaua de distribuție la care sunt conectate aceste instalații.

Schema cea mai simplă de conectare a grupurilor eoliene la rețea este schema directă din figura 6.

Utilizarea acestei scheme perminte transmiterea directă în rețeaua de alimentare a tuturor perturbațiilor determinate de funcționarea instalației. Ea este caracterizată de un nivel ridicat al fluctuațiilor de tensiune, pentru toate cele trei componente ale aceste perturbații:

Variațiile de tensiune la borne sunt datorate variațiilor lente ale vitezei vântului

Fluctuațiile de tensiune determinate de fenomene specifice procesului de conversie

Fluctuații rapide determinate, în special, de procese care au loc pe durata pornirii instalației

Utilizarea schemei din figura 6 în cazul parcurilor de instalații eoliene poate determina imporante perturbați/i sub forma de fluctuații de tensiune datorită sincronizării tututor generatoarelor asincrone și deci apariția fluctuațiilor de tensiune la același moment.

Schema este caracterizată și de o eficiență relative redusă, având în vedere faptul că viteza de antrenare a mașinii asincrone, dependent de viteza de rotație a palelor nu poate fi menținută permanent, astfel că micile abateri de la viteza normală, genereză pierderi, care se disipă în rotorul mașinii sau sunt preluate de sistemul de frânare al instalației.

Schema cu dublă alimentare

Schema cu dublă alimentare, prezentată în figura 6.1, permite recuperarea pierderilor datorate abaterilor vitezei de antrenare față de viteza necesară realizării puterii normate printr-o legătură a rotorului la rețeaua electrică de alimentare. Având în vedere existent frecvențelor diferite, legătura între rețeaua cu frecvența de f=50 Hz și rotorul bobinat al mașinii parcurs de curențti de frecvența fr=s*fs se face prin intermediul unui circuit convertor bidirectional.În cazul în care viteza de antrenare a mașinii este superioară vitezei sincrone, puterea de pierderi din rotorul mașinii este transferată în rețeua electrică prin circuitul de conversie. Dacă viteza mașinii scade sub viteza de sincronism atunci prin intermediiul convertorului este suplimentată puterea necesară, prin injecție în rotor.În acest mod de funcționare mașina are o comportare de mașină sincronă.

Schema cu dublă alimentare realizează o creștere a eficienței conversiei din energia cinetică a vântului în energie electrică a generatorului sincron, nu determină nesimetria în rețeaua electrică. Dar poate produce fluctuații de tensiune la același nivel ca și schema din figura 6. Funcționarea convertorului în circuitul rotorului poate fi însoțită de apariția de armonice și inter-armonice de frecvență redusă. În mare masură. Tipul de filtru din circuitul intermediary dintre cele două convertoare determină nivelul de perturbații armonice în rețeaua electrică la care este conectată instalația.

Schema cu generator sincron

Schema cu generator sincron,prezentată în figura 6.2, asigură legătura cu rețeaua electrică prin intermediul unui convertor de frecvență, se utilizează un singur arbore de viteză redusă și un generator sincron cu un număr mare de poli.

Se asigură separarea electrică a tensiunii alternative, de frecvență variabilă fs, de la bornele generatorului sincron, față de tensiunea alternative, de frecvență fixă, f=50Hz, a rețelei electrice la care este conectată instalația. În acest fel, fluctuațiile rapide de tensiune de la bornele generatorului sincron se transmit atenuat până la rețeaua electrică de alimentare. De asemenea, la o funcționare normal a invertorului nu apare nesimetrie în nodul de conectare la rețeaua electrică de medie tensiune.

Prezența convertorului de frecvență determină însă posibilitatea apariției de armonice în rețeua electrică. Prin utilizarea controlului PWM(pulse width modulation) al invertorului instalației și filtrului de la ieșirea invertorului se asigură controlul nivelului armonicelor transmise în rețeaua electrică la valori sub cele admise în rețea.Utilizarea controlului PWM pentru a comanda invertorului impune însă necesitatea analizei problemelor de compatibilitate elctromagnetică pentru fenomenele care apar la sintetizarea curbei tensiunii alternative cu frecventă de 50Hz.Schema din figura 6.2 este utilizată în soluțiile moderne utilizând generator sincron cu poli realizați din magnet permanent.

CAPITOLUL IV- Centrala electrică eoliană pentru zona Babadag

4.1 Amplasament geografic al centralei eoliene

Am ales amplasarea centralelor eoliene în zona Babadag din următoarele motive:

viteza anuală a vântului este de 6 m/s;

frecvența turbulențelor în zonă este scăzută;

zona de podiș reprezintă înălțimea optimă pentru această zonă;

este o zonă prielnică pentru turbinele eoliene deoarece nu sunt prezente cariere de piatră sau uzine care pot produce pulberi sedimentabile ce îngreunează funcționarea eficientă a centralelor;

migrația păsărilor nu este o problemă deoarece ruta acestora nu trece prin zonă;

distanța redusă până la sistemul energetic national, rezultând în scăderea costurilor de amplasare.

.

Fig 4.1 Amplasarea turbinelor eoliene și a stațiilor de conexiune

Tabelul 4.1

Fig 4.2 Amplasarea stației de conexiune principală ce face legătura dintre centralele eoliene și Sistemul Energetic Național

Tabelul 4.2

4.2 Schema bloc a centralei eoliene

Fig 4.3 Schema bloc a centralei eoliene

Schema bloc a centralei eoliene este împărțită în 3 categori:

Partea ce conține turbinele eoliene TE1.1-TE3.4.Este partea care se ocupă cu producerea energiei electrice prin intermediul turbinei eoliene.Energia electrică este transmisă mai departe prin intermediul a două cabluri conductoare.

Partea ce conține stațiile de conexiuni.Aceste stații au rolul de a colecta energia electrică produsă de turbinele eoliene și de a o transmite mai departe către stația de ÎT.

Partea ce conține stația de înaltă tensiune si plecare.Această stație are rolul de a ridica energia electrică și de a o urca în SEN.

Fig 4.4 Schema monofilara a unei centrale eoliene

4.3 Alegerea generatoarelor și a turbinelor

Fig 4.5 Schema unității generator electric și post de transformare

Fig 4.6 Turbină Eoliană

Tabelul 4.3 Turbină eoliană de 3.4 MW

Am ales turbina eoliană produsă de compania Siemens deoarece această companie a jucat un rol important în dezvoltarea centralelor eoliene.Compania este un furnizor de top în domeniu, turbinele robuste și fiabile, calitatea și eficiența produselor sale împreună cu adaptarea la nevoile clienților asiguă faptul ca Siemens este și va fi în continuare unul dintre distribuitorii de top din acest domeniu.

Turbina eoliană Siemens SWT- 3.4-101 este concepută special pentru a fi amplasată pe sol unde valorile vântului ridicate,( IEC IB/IIA),dar datorită manufacturii acesteia poate fi utilizată și pentru valori reduse ale vântului .În cadrul acestor condiții climaterice , aria de acoperire, viteza vântului, suprafața mare a rotorului și înălțimea acesteia sunt foarte eficiente.Viteza rotorului își păstreză o viteză constantă astfel rezultând un nivel redus de zgomot.Greutatea redusă a acestei turbine prezintă un avantaj deoarece transportul și montajul acesteia făcându-se cu ușurință.

Tabelul 4.4 Celula electrică de 36kv

Fig 4.7 Celula electrică de tip 8DJH 36 kV

Fig 4.8 Vedere laterală și frontală a unei celule de tip 8DJH 36 kV

Celula electrică 8DJH 36 este o celulă care vine deja asamblată din fabrică, în carcasă metalică închisă.Sunt ansambluri modulare de aparataj electric, cu simplu sistem de bare.

Acest tip de celule electrice sunt larg utilizate în sistemul electric, cât și pe partea de distribuție a energiei.Celula este închisă ermetic,este rezistentă în condiții nefavorabile de vreme cum ar fi umiditate crescută, praf, condens, aer sărat.Are protecție de tip IP 65 pentru toate părțile de înaltă tensiune.IP 2X pentru toate întreruptoarele conform IEC 60529 și VDE 0470-1.Celula fiind etanșă are o protecție ridicată împotriva accesului prafului, poluării, animalelor de dimensiuni mici sau umidității.

Tabelul 4.5 Transformator de tip uscat 40 kV

Am ales transformatorul,produs de compania ABB, de tip uscat trifazat având puterea de 40 kV deoarece au o greutate redusă, dimensiuni mici și pierderi puține.Transformatorul este neinflamabil și non-exploziv.Gradul de protecție este IP00, frecvența prezentă fiind de 50 Hz.

Fig 4.9 Transformator de tip uscat 40 kV

4.4 Schemă stație de conexiuni

Fig 4.10 Schema stației de conexiuni și conectarea la SEN

Stația proiectată conține mai multe turbine eoliene,pentru a colecta această energie produsă de turbine este necesară utilizarea stațiilor de conexiuni.Stația de conexiuni adună energia produsă de la turbine,legătura se face prin două cabluri colectoare. Pentru ca acest lucru să se desfășoare în condiții de maximă siguranță și eficiență, personalul de exploatare al turbinelor eoliene are nevoie de stații colectoare de medie tensiune.

Fig 4.11 Schema stației de conexiune SC1

Legendă

Tabelul 4.6

Tabelul 4.7 Celula electrică de 36kv

Fig 4.12 Celula electrică de tip 8DJH 36 kV

Fig 4.13 Vedere laterală și frontală a unei celule de tip 8DJH 36 kV

Tabelul 4.8 Descărcator electric

Fig 4.14 Schema stației de conexiune SC2

Legendă

Tabelul 4.9

Tabelul 4.10 Celula electrică de 36kv

Fig 4.15 Celula electrică de tip 8DJH 36 kV

Fig 4.16 Vedere laterală și frontală a unei celule de tip 8DJH 36 kV

Tabelul 4.11 Descărcator electric

Fig 4.17 Schema stației de conexiune SC3

Legendă

Tabel 4.12

Tabelul 4.13 Celula electrică de 36kv

Fig 4.18 Celula electrică de tip 8DJH 36 kV

Fig 4.19 Vedere laterală și frontală a unei celule de tip 8DJH 36 kV

Tabel 4.14 Descărcator electric

4.5 Schema stației de conectare la linia de înaltă tensiune

Conectarea la rețeaua electrică de distribuție și extinderea duratei de viață a aparatelor este mai complicată.Racordarea la SEN vine cu serie de provocări unice: supratensiuni, goluri de tensiune, distorsiuni și desigur cerințele stricte de rețea. Chiar și mici schimbări ale fluxurilor de putere pot acționa întreruptoarele circuitului, determinând suprasarcini pe liniile învecinate și provocând avarii în lanț.

În cazul centralelor eoliene condițiile de funcționare la care aceastea sunt supuse sunt dure: căldura ridicată, temperaturile scăzute în anumite perioade ale anului, nivelul de umidate ridicat, chiar și descărcările electrice produse de natură sunt câteva exemple ale fenomenelor naturii la care centralele eoliene sunt supuse pe parcursul funcționării.

Fig 4.20 Schema stației de înaltă tensiune SC0

Avem celulele,CEL0.1,CEL0.2,CEL0.3,CEL0.4 având aceeași putere de 36 kV.Se va folosi tabelul 4.15 pentru datele tehnice ale acestora,ele fiind reprezentate în fig. 4.21 și fig 4.22

Tabelul 4.15 Celula electrică de 36 kV

Fig 4.21 Celula electrică de tip 8DJH 36 kV

Fig 4.22 Vedere laterală și frontală a unei celule de tip 8DJH 36 kV

În circuit sunt utilizate celule de înaltă tensiune de tip 8DN8, produse de compania Siemens. Aceste celule sunt cele mai compacte sisteme de acest tip din lume. Celula de tip 8DN8 combină tehnica expertizei cu toate standardele și avantajele utilizate în cazul celulelor 8D, produse de Siemens. Punere în funcționare rapidă datorită punctualității de livrare și ușurința în montarea acestora. Poate fi utilizată înăuntru cât și afară. Dimensiunile reduse ale acestei celule prezintă un avataj foarte bun.

Tabelul 4.16 Celula de înaltă tensiune 145kV,CEL0.5,CEL0.6,CEL0.7

Fig 4.23 Celula electrică de înaltă tensiune de 145 kV

Transformatorul de înaltă tensine are o putere de 110 kV.Am ales transformatorul de la producatorul CTSS deoarece prețul și calitatea au un raport foarte bun.Toate produsele lor sunt certificate și testate înainte de livrare. Produsele celor de la CTSS se încadrează în toate normele IEC.

Tabelul 4.17 Transformator electric de ÎT

Fig 4.24 Transformator electric de înaltă tensiune de 110 kV