Ветроконвертер RU-DRIVE FSC 6,5 МВт

Преобразователь полной мощности (ППМ) - это силовое электронное устройство, через которое проходит 100% электроэнергии, генерируемой ветроэнергетической установкой, прежде чем попасть в электрическую сеть. Технология преобразователей полной мощности – это основа современных ветроэнергетических установок (ВЭУ) мегаваттного класса.

Основное назначение ППМ заключается в полной электрической развязке динамики генератора от динамики электрической сети. В отличие от систем прошлого поколения (например, генераторов с двойным питанием), где статор подключен к сети напрямую, ППМ позволяет:

• Обеспечить максимальную выработку электроэнергии путем адаптации частоты вращения генератора к постоянно меняющейся скорости ветра
• Обеспечить соответствие современным стандартам, включая управление активной и реактивной мощностью, а также поддержку сети при авариях.
• Использовать синхронные генераторы на постоянных магнитах (PMSG), что позволяет отказаться от тяжелых многоступенчатых редукторов и повысить надежность, особенно для морских ВЭУ.
• Гарантировать выполнение самых жестких требований современных сетевых стандартов, включая способность установки оставаться в работе и поддерживать сеть при глубоких провалах напряжения.

Дополнительные функции

• Плавный пуск с предварительной зарядкой: синхронизация с сетью без пускового тока, фликера и скачков напряжения.
• Питание вспомогательных систем турбины, когда она не подключена к сети.
• Интеллектуальное управление насосами и клапанами системы жидкостного охлаждения.
• Контроль состояния модулей и планирование сервисного обслуживания на основе диагностических данных.

Основной принцип действия преобразователя полной мощности заключается в двухэтапном преобразовании электрической энергии. Это достигается за счет использования промежуточного звена постоянного тока, разделяющего два независимых инвертора напряжения.

Обобщенно принцип работы преобразователя можно описать следующим образом:

Ветер вращает турбину, которая передает механический момент на ротор генератора. Генератор вырабатывает переменный ток нерегулярной частоты и напряжения (поскольку скорость ветра постоянно меняется).

Выпрямитель (на стороне генератора) преобразует нестабильный переменный ток в постоянный. При этом он не просто работает как выпрямитель, но и активно управляет током статора, создавая необходимый электромагнитный тормозной момент. Это позволяет непрерывно подстраивать скорость вращения турбины под текущую силу ветра.

Выпрямленная энергия поступает в звено постоянного тока. Оно сглаживает пульсации напряжения и развязывает генератор от сети. Благодаря этому, колебания и аварии из электросети не проникают в механическую часть генератора, и наоборот – резкие порывы ветра не вызывают скачков мощности в сети.

Инвертор (на стороне сети) преобразует постоянный ток обратно в переменный. Параметры этого тока формируются искусственно и строго синхронизированы с требованиями внешней электросети.

Система управления

Каждый из двух преобразователей (выпрямитель и инвертор) имеет собственный, независимый контур управления.

Контроль на стороне генератора

Главная задача этой системы – управление генератором для максимального отбора мощности у ветра.

Преобразователь получает сигнал задания требуемого электромагнитного момента от верхнего уровня управления турбиной. На основе этого управляющего сигнала контроллер преобразователя рассчитывает необходимые параметры и регулирует ток статора. Благодаря точному и быстрому управлению током, генератор создает требуемый тормозной момент, подстраивая скорость вращения турбины под текущую силу ветра.

Контроль на стороне сети

Задачи сетевого инвертора сосредоточены на стабильности внутреннего звена и поддержке внешней электросети:

Поддержание напряжения DC-Link: Инвертор должен балансировать энергию. Если выпрямитель закачивает энергию в конденсаторы, сетевой инвертор должен немедленно передать эквивалентный объем активной мощности в сеть, поддерживая напряжение звена постоянного тока на заданном уровне.

Управление реактивной мощностью: По команде от оператора сети инвертор может генерировать или потреблять реактивную мощность, тем самым помогая регулировать напряжение в точке подключения к сети.

Помощь в аварийных ситуациях: При коротких замыканиях или провалах напряжения в сети инвертор не отключается. Он продолжает оставаться на связи (синхронизированным с сетью) и генерирует реактивный ток для помощи в восстановлении сетевого напряжения.

Система охлаждения

Поскольку преобразователи прокачивают через себя мегаватты мощности, воздушного охлаждения основных компонентов часто бывает недостаточно. Для обеспечения высокой удельной мощности и надежности применяется замкнутый контур жидкостного охлаждения. Жидкость эффективно отводит тепло, гарантируя поддержание оптимального температурного режима силовых IGBT-модулей и предотвращая их перегрев даже при длительных пиковых нагрузках и работе в тяжелых климатических условиях.

Активный выпрямитель на стороне генератора

Это преобразователь напряжения на базе IGBT транзисторов. Он преобразует переменный ток от генератора в постоянный и формирует необходимые токи статора.

Фильтр на стороне генератора

Сглаживает пульсации тока статора и снижает уровень гармонических искажений, что снижает нагрев обмоток и магнитопровода генератора, а также продлевает срок службы механических его частей.

Сетевой инвертор

Преобразователь, аналогичный выпрямителю на стороне генератора, работающий в инверторном режиме. Он отвечает за передачу энергии в сеть с требуемыми параметрами и качеством.

Фильтр на стороне сети

Его задача – фильтрация высших гармоник, возникающих из-за коммутации транзисторов инвертора, чтобы в сеть поступал чистый синусоидальный ток, соответствующий стандартам.

Чоппер

Состоит из электронного ключа и мощного тормозного резистора, подключенных параллельно звену постоянного тока. Во время просадок напряжения в сети (когда сеть не может принять энергию), генератор по-прежнему вращается по инерции и вырабатывает ток. Чтобы конденсаторы DC-Link не вышли из строя от перенапряжения, чоппер активируется и рассеивает излишки энергии в виде тепла на резисторе.

Звено постоянного тока

Состоит из блока конденсаторов. Оно изолирует генераторную часть от сетевой, защищая сеть от колебаний со стороны турбины.

Модульная архитектура

Одной из ключевых особенностей преобразователя является его модульная архитектура. Данная особенность обеспечивает высокую гибкость и масштабируемость под разные классы ветротурбин. Например, базовый преобразователь мощностью 6,5 МВт (рабочее напряжение 1140 В) состоит из четырех унифицированных силовых ячеек, каждая из которых имеет мощность 1,65 МВт. Путем простого изменения количества таких ячеек можно легко и с минимальными затратами изменять общую номинальную мощность всего преобразователя под конкретные требования заказчика.

Силовая ячейка

Базовый элемент преобразователя — законченный двунаправленный инвертор на базе трёхуровневой топологии 3L-ANPC.

• IGBT-модули.
• Тонкоплёночные конденсаторы.
• Драйверы и платы управления IGBT-модулями.
• Элементы системы жидкостного охлаждения.

Гарантия и сервис

Стандартный гарантийный срок составляет 12 месяцев с даты ввода в эксплуатацию, но не более 18 месяцев с даты отгрузки с завода.

Сервисный центр обеспечивает гарантийное и постгарантийное техническое обслуживание поставленного оборудования на протяжении жизненного цикла. Диагностика и ремонт осуществляются с выездом к клиенту. При необходимости предоставляются консультации и техническая помощь.

• Гарантийное обслуживание оборудования марки RU-DRIVE.
• Постгарантийное и техническое обслуживание.
• Ремонт и замена запасных частей.
• Экстренный выезд специалистов для ремонтных работ.
• Удалённые консультации по обслуживанию, настройке и ремонту.

Перспективы развития

Преобразователи полной мощности позволяют ветроэлектростанциям поддерживать сеть при авариях (Fault Ride-Through) и участвовать в стабилизации напряжения. Полная локализация разработки и производства в Российской Федерации является стратегической целью: от проектирования аппаратной части и применения отечественных электронных компонентов до серийного выпуска.