Porównanie efektywności (produkcji energii) w MEW
z generatorem indukcyjnym oraz synchronicznym
z magnesami trwałymi (PMSG)

Maszyny indukcyjne klatkowe z uwagi na niską cenę i dużą bezawaryjność zyskały na popularności w układach generacji energii elektrycznej w MEW. Powszechnie znanymi wadami tego typu generatorów jest konieczność kompensacji mocy biernej oraz używania przekładni mechanicznych. Bardzo ważnym parametrem generatora jest jego sprawność, która istotnie wpływa na sprawność a więc i produkcję energii całej elektrowni wodnej. Obecnie na rynku są dostępne powszechnie maszyny klatkowe klasy IE3, które zapewniają relatywnie wysoką sprawność np. dla mocy między 45 a 110 kW sprawność wynosi między 94 a 95.5%. Należy jednak zaznaczyć, że podawane przez producentów parametry generatorów dotyczą znamionowych warunków pracy (dla charakterystyki pracy silnikowej). Jak wiadomo MEW - zwłaszcza przepływowe, charakteryzują się dużymi zmianami generowanej mocy w zależności od warunków hydrologicznych. Wobec tego ilość wygenerowanej energii elektrycznej w ciągu roku będzie zależeć od sprawności generatora dla różnych wartości mocy. Niestety, generatory indukcyjne charakteryzują się niską sprawnością dla małych mocy.
Alternatywnym rozwiązaniem jest generator synchroniczny z magnesami trwałymi. Jego największymi zaletami jest bardzo wysoka sprawność sięgająca 97%, niewielkie zmiany sprawności w zależności od generowanej mocy oraz brak konieczności stosowania przekładni mechanicznej. Generator taki jest atrakcyjnym rozwiązaniem ponieważ pomimo wyższej ceny może znacząco zwiększyć ilość wyprodukowanej energii.

Wykorzystanie generatora synchronicznego z magnesami trwałymi dla MEW jest szczególnie atrakcyjne z falownikiem, który zapewnia możliwość dostosowania prędkości obrotowej do warunków hydrologicznych. Zysk energii wynikający z wykorzystania tego typu generatora zależeć będzie od parametrów lokalizacji, typu zastosowanej turbiny czy zmienności przepływu rzeki.

Często występującym czynnikiem negatywnie oddziaływującym na sprawność w MEW niskospadowych pracujących ze stałą prędkością obrotową jest zmienność spadu. Nawet niewielka zmiana spadu np. o 20% może spowodować utratę sprawności, która nawet dla wysokosprawnych turbin Kaplana może sięgać 2-3%. Możliwość zamiany prędkości w układzie z falownikiem eliminuje ten problem. Warto dodać, że dla przepływu nadmiarowego, możliwa jest stabilna praca generatora synchronicznego nawet do 130 % prędkości znamionowej, co dodatkowo wpływa na zwiększenie ilości produkowanej energii.

Przykładowe porównanie sprawności generatora klatkowego (IE3, 1000 obr/min*)  sprzęgniętego przekładnia mechaniczną pasową z generatorem synchronicznym (z magnesami trwałymi) z falownikiem dla mocy ok. 90 kW zostało przedstawione        na wykresie 1.

Generator synchroniczny z falownikiem wykazuje większą sprawność. Na wykresie widoczna jest istotna różnica sprawności tych dwóch rozwiązań sięgającą od 2% dla pracy przy mocach bliskich wartościom znamionowym do 8% dla niskiej mocy generatora. Można więc wywnioskować, że zysk produkcji będzie widoczny głównie przy niskich przepływach MEW.

Biorąc pod uwagę przykładowy roczny przebieg wartości przepływu rzeki oraz charakterystyki uniwersalne turbin można oszacować różnicę produkcji przy wykorzystaniu tych dwóch analizowanych generatorów. W przypadku turbiny Kaplana zysk sprawności będzie wynosił 2-8%, natomiast dla turbin śmigłowych 5-20%. Jednocześnie należy zwrócić uwagę, że eliminacja przekładni mechanicznej poza oczywistym zwiększeniem uzysku energetycznego, obniża koszty eksploatacji hydrozespołu.

Obecnie obowiązujące regulacje prawne dotyczące przyłączania jednostek generacyjnych do systemu elektroenergetycznego (Rozporządzenie Komisji (UE) 2016/631 z dnia 14 kwietnia 2016 r. zwane powszechnie jako NC RfG) wymuszają konieczność stosowania skomplikowanych układów regulacji w nowo powstałych lub modernizowanych elektrowniach. Użycie falownika znacząco ułatwia spełnienie tych wymagań, a więc zmniejsza koszty wyposażenia elektrowni.

Autorzy:

dr hab. inż. Dariusz Borkowski – Politechnika Krakowska, Wydział Inżynierii Elektrycznej i Komputerowej

inż. Andrzej Polniak – AQUA-Tech

_____________

* charakterystyka silnikowa podawana przez producenta maszyny indukcyjnej

Badania modelowego generatora PMSG10 (10kVA)

W ramach realizowanego projektu badawczo-rozwojowego POIR.01.02.00-0-251/16 przeprowadzono badanie generatora modelowego pod względem spełnienia wymogów  i warunków normy PN-E-04700:1998 „Urządzenia i układy elektryczne w obiektach elektroenergetycznych. Wytyczne przeprowadzania pomontażowych badań odbiorczych” oraz PN-EN 50160:2010/A2:2019-11 „Parametry napięcia zasilającego w publicznych sieciach elektroenergetycznych”. 
Wielkość współczynnika absorbcji DAR oraz wartość zmierzonej rezystancji izolacji dla zastosowania hydrotechnicznego była właściwa. 
Na podstawie przeprowadzonych pomiarów diagnostycznych z wykorzystaniem współczynnika polaryzacji PI nie dało się w jednoznaczny sposób określić stanu izolacji tą metodą. Ze względu na pozytywny rezultat pomiaru współczynnika absorbcji DAR nie istnieją przesłanki do stwierdzenia nieprawidłowości i stan izolacji należy uznać za poprawny dla tego rozwiązania. 
Z uwagi na zastosowanie generatora w hydroenergetyce zwrócono szczególną uwagę na badania dotyczące przepędzenia generatora oraz stanu izolacji elektrycznej. Badany generator przeznaczony jest do napędzania przez turbinę wodną, która może sporadycznie osiągać prędkości rozbiegowe rzędu dwukrotności prędkości znamionowej. Środowisko pracy generatora obarczone jest dużymi zmianami temperatury oraz wysoką wilgotnością, wobec tego wstępna, a następnie okresowa kontrola stanu izolacji elektrycznej jest szczególnie istotna. 
W ramach badań przeprowadzony został pomiar sprawności generatora dla różnych wartości momentu obciążenia i prędkości obrotowych tzw. mapa sprawności. Generator obciążony był prostownikiem diodowym sześciopulsowym współpracującym z przekształtnikiem energoelektronicznym oddającym energię do sieci elektroenergetycznej. Wykonane zostały 54 pomiary w zakresie 0.1 do 1.3 prędkości obrotowej oraz 0.2 do 1.4 momentu obciążenia w odniesieniu do wartości znamionowych prędkości i momentu.
Wyniki zostały zaprezentowane na rysunku w postaci dwuwymiarowego układu współrzędnych (prędkość, moment) w jednostkach względnych z naniesionymi izoliniami sprawności (linie łączące sprawności o tej samej wartości). Średni błąd aproksymacji wyniósł 1.5% co odpowiada niepewności sprawności. Z wykresu można odczytać znamionową sprawność wynoszącą 94%, natomiast maksymalna sprawność dla prędkości znamionowej zarejestrowana została dla momentu
80%TN i wynosi 94.5%.
Można również zauważyć, że globalna maksymalna sprawność wyniosła 96% i została uzyskana dla prędkości 130% i momentu 70% względem wartości znamionowych; szczególnie istotny jest fakt osiągnięcia przez generator 86% sprawności przy 12 % prędkości znamionowej generatora, charakteryzującej przepływy niskie dla hydrozespołu.
Przedstawione badania wykazują że generator modelowy cechuje się wysoką sprawnością w szerokim zakresie prędkości obrotowej co zapewnia efektywne wykorzystanie zasobów hydrotechnicznych siłowni wodnej.
Na podstawie wszystkich przeprowadzonych prób i badań można stwierdzić, że badany generator modelowy znakomicie nadaje się do eksploatacji w hydroenergetyce.

Źródło: projekt badawczo rozwojowy POIR.01.02.00-00-251/16 
Raport szczegółowy z realizacji usługi badawczo-rozwojowej wykonywanej przez Intech PK

Badanie modelowego generatora PMSG-10kVA

Wykres: Mapa sprawności generatora synchronicznego w funkcji jego momentu i prędkości

Badanie modelowego generatora PMSG-10kVA

Wykres: Przebieg napięcia na zaciskach generatora