Ветропарк с несколькими ветроэнергетическими установками
Использование: в области электроэнергетики. Технический результат - повышение надежности при эксплуатации ветроэнергетической установки в сети ветропарка. Ветропарк для подачи электрической мощности в электрическую питающую сеть содержит: по меньшей мере две ветроэнергетические установки для выработки электрической мощности; сеть постоянного тока ветропарка для передачи электрической мощности от ветроэнергетических установок к точке подключения в сеть; и установленный между сетью постоянного тока ветропарка и точкой подключения в сеть инвертер, предназначенный для того, чтобы постоянное электрическое напряжение сети постоянного тока ветропарка преобразовывать в переменное напряжение для подачи электрической мощности ветроэнергетических установок в электрическую питающую сеть; по меньшей мере один преобразователь постоянного напряжения для подачи электрической мощности от по меньшей мере одной ветроэнергетической установки в сеть постоянного тока ветропарка, причем преобразователь постоянного напряжения содержит коммутационное устройство и трансформатор с первичной и вторичной сторонами, причем первичная сторона через коммутационное устройство связана с указанной по меньшей мере одной ветроэнергетической установкой, а вторичная сторона через по меньшей мере одно выпрямительное средство, в частности выпрямительное средство, содержащее несколько диодов, связана с сетью постоянного тока ветропарка, и этот преобразователь постоянного напряжения предназначен для того, чтобы с помощью коммутационного устройства прикладывать к первичной стороне трансформатора постоянное напряжение с переменной полярностью, чтобы таким образом напряжение постоянного тока указанной по меньшей мере одной ветроэнергетической установки трансформировать с первичной стороны на вторичную сторону. 2 н. и 20 з.п. ф-лы, 4 ил.
Настоящее изобретение относится к ветропарку с несколькими ветроэнергетическими установками для подачи электрической мощности в электрическую питающую сеть в точке подключения к сети. Также, настоящее изобретение относится к ветропарку с сетью напряжения постоянного тока ветропарка. Кроме того, изобретение относится к ветроэнергетической установки, которая выполнена с возможностью использования в такой сети ветропарка, вырабатывающей напряжение постоянного тока.
Общеизвестно, что обычные сети ветропарков, которые для простоты могут называться также парковыми сетями, выполняются как сети переменного напряжения с тремя фазами. Такие ветропарки обычно сооружены так, что переменный электрический ток вырабатывается в ветроэнергетической установке и с помощью электрического преобразователя передается в парковую сеть переменного напряжения. Существует также вариант, что применяется асинхронная машина двойного питания, которая использует, однако, и преобразователь.
В электрическом преобразователе используются активные силовые выключатели, например, силовые полупроводниковые приборы, которые вырабатывают напряжение парковой сети определенной частоты и определенной амплитуды. Это напряжение парковой сети вслед за этим большей частью с помощью трансформатора повышается до более высокого уровня напряжения питающей сети, и тем самым становится возможной подача мощности из сети ветропарка в питающую сеть.
В принципе желательна максимально долгая и надежная эксплуатация ветроэнергетической установки в сети ветропарка. Для этого обычным подходом является выполнение максимально возможного числа компонентов сети парка в виде пассивных конструктивных элементов. Поскольку пассивные конструктивные элементы на практике в большинстве случаев обладают большей отказобезопасностью по сравнению с активными конструктивными элементами, то, следовательно, при возрастающем применении пассивных конструктивных элементов в ветропарке повышается и отказобезопасность ветропарка, соответственно, сети парка.
Далее, должно гарантироваться, что ветроэнергетические установки внутри ветропарка при возникновении неисправности в сети ветропарка, как, например, короткого замыкания или сверхтока, за счет подходящих защитных мероприятий могут быть защищены от возможного возникновения повреждения или от разрушения. При этом желательно, чтобы могла обеспечиваться общая надежность сети парка по меньшей мере одинаковая по сравнению с парковыми сетями переменного напряжения.
Парковые сети постоянного напряжения для приливных гидроэлектростанций и ветроэнергетических установок уже раскрыты в публикации US 2011/0198847 A1 (Rolls Royce). С помощью так называемого блокирующего трансформатора (англ. – fly–back converter или buck–boost converter) напряжение постоянного тока с помощью трансформатора подается в сеть постоянного тока ветропарка. Описанный принцип преобразования напряжения постоянного тока не пригоден, однако, для того чтобы осуществлять рациональную передачу напряжения постоянного тока, так как показанный принцип блокирующего трансформатора не пригоден для передачи большой мощности.
Немецкое патентное ведомство при проведении информационного поиска по первичной заявке выявило следующие публикации, раскрывающие ближайший уровень техники: DE 198 45 903 A1, US 2013/0197704 A1, DE 10 2004 001 478 A1, DE 10 2009 028 973 A1, DE 10 2012 002 292 A1, DE 197 11 017A1.
Задача данного изобретения состоит, таким образом, в том, чтобы решить по меньшей мере одну из вышеназванных проблем. В частности, должно быть предложено решение, которое приведет к простому обеспечению повышенной надежности при эксплуатации ветроэнергетической установки в сети ветропарка, в частности, к устранению потенциальной неисправности в сети ветропарка и тем самым к повышению общей надежности сети парка. По меньшей мере должно быть предложено решение, альтернативное известным до сих пор решениям.
Согласно изобретению, предлагается, таким образом, ветропарк для подачи электрической мощности в электрическую питающую сеть в точке подключения в сеть согласно независимому пункту 1 формулы изобретения. Сообразно с этим произведенная в ветропарке электрическая мощность подается в электрическую питающую сеть через сеть постоянного тока ветропарка.
Таким образом, ветропарк имеет сеть постоянного тока ветропарка для передачи электрической мощности от ветроэнергетических установок к точке подключения к сети. Передача электрической мощности в парке осуществляется, тем самым, в форме напряжения постоянного тока, соответственно, в виде постоянного тока.
Для того, чтобы подавать мощность от сети постоянного тока ветропарка в электрическую питающую сеть, работающую как сеть переменного тока, предусмотрен преобразователь, который обозначается также как инвертер или центральный инвертер, или, соответственно, может быть выполнен таковым. Этот преобразователь для этого подключен к точке подключения к сети, через которую, тем самым, ветропарк подает энергию в электрическую питающую сеть. Таким образом, он расположен между сетью ветропарка и точкой подключения к сети.
Для передачи электрической мощности от ветроэнергетической установки в сеть постоянного тока ветропарка предусмотрен преобразователь постоянного напряжения. В частности, для каждой ветроэнергетической установки предусмотрен по меньшей мере один преобразователь постоянного напряжения. Тем самым, в частности, напряжение постоянного тока ветроэнергетической установки передается в сеть постоянного тока ветропарка. Таким образом, преобразователь постоянного напряжения трансформирует мощность с первым напряжением постоянного тока на ветроэнергетической установке во второе напряжение постоянного тока в сети постоянного тока ветропарка. Это второе напряжение постоянного тока, а именно напряжение в сети постоянного тока ветропарка, при этом предпочтительно выше, чем первое напряжение постоянного тока, т.е. напряжение на ветроэнергетической установке.
Преобразователь постоянного напряжения имеет для этого коммутационное устройство и трансформатор. Коммутационное устройство содержит, в частности, несколько выключателей. Эти выключатели подключены таким образом, что на первичной стороне трансформатора устанавливается напряжение с переменной полярностью. Для этого используется, например, такая схема, при которой положительное напряжение постоянного тока ветроэнергетической установки попеременно подается на первый и на второй разъемы первичной стороны, а отрицательное напряжение постоянного тока ветроэнергетической установки, в противоположность этому, прикладывается к второму и к первому разъемам первичной стороны трансформатора. В таком случае соответственно через эту первичную сторону течет ток с постоянно меняющимся направлением и соответственно создает ток на вторичной стороне.
За счет этого мощность передается с первичной стороны на вторичную сторону. Выпрямительное средство на вторичной стороне, в частности, соответственно включенные диоды обеспечивают выпрямление и, тем самым, создают постоянный ток и напряжение постоянного тока в сети постоянного тока ветропарка.
Благодаря этому благоприятным образом обеспечивается гальваническая развязка между ветроэнергетической установкой и сетью ветропарка. Может быть обеспечено также, что активные конструктивные элементы коммутационного средства будут находиться только со стороны установки на первичной стороне трансформатора, т.е. обращены к ветроэнергетической установке. Предлагаемое изобретением решение является при этом особенно эффективным, поскольку одновременно за счет положительных и отрицательных токов в трансформаторе обеспечивается высокая передача энергии.
Особенно эффективной является также реализация переменной полярности с почти прямоугольной формой изменения напряжения. Для этого предлагается, в частности, высокочастотный трансформатор. Было установлено, что применение сравнительно дорогостоящего трансформатора все–таки в результате приводит к экономичному в целом решению, т.к. здесь могут передаваться положительные и отрицательные импульсы, что с лихвой окупает использование дорогостоящего высокочастотного трансформатора.
Таким образом, с помощью трансформатора обеспечивается гальваническая развязка между ветроэнергетической установкой и сетью ветропарка. Далее, в сети напряжения постоянного тока ветропарка используются исключительно пассивные конструктивные элементы. Активные конструктивные элементы, согласно изобретению, используются только на стороне переменного тока, т.е. со стороны установки в цепи низкого напряжения ветроэнергетической установки, а также со стороны сети после центрального инвертера и поэтому защищены посредством указанной гальванической развязки от высоких напряжений в сети постоянного тока ветропарка. Благодаря этому может быть повышена отказобезопасность сети парка, и со стороны установки могут использоваться сравнительно экономичные полупроводниковые выключатели, которые рассчитаны для диапазона небольших напряжений.
Здесь благоприятным образом используется основной принцип преобразования постоянного напряжения, который базируется на принципе преобразования с прямой передачей энергии или резонансного преобразования.
Резонансное преобразование при этом основывается на принципе подключения дополнительных емкостей и индуктивностей таким образом, что передающий мощность участок, включая трансформатор, образует колебательный контур и, тем самым, может эксплуатироваться в области так называемой точки своего резонанса. Примером основной схемы для осуществления резонансного преобразования могло бы стать, например, подключение дополнительной индуктивности и емкости последовательно с первичной обмоткой трансформатора.
Осуществление преобразования постоянного напряжения с помощью резонансного трансформатора обладает тем преимуществом, что может минимизироваться мощность потерь при коммутационных процессах. При этом резонансное преобразование дает возможность переключения при переходе через нуль напряжения или тока. Этот принцип может также в общем называться мягким переключением.
Далее, за счет предлагаемой изобретением структуры ветропарка может реализоваться очень компактная и экономичная конструкция, а также одноступенчатое, свободно регулируемое в большом диапазоне повышение напряжения от ветроэнергетической установки до сети ветропарка. Напряжение парковой сети, таким образом, хорошо регулируется через коэффициент трансформации ü трансформатора.
К тому же, сеть постоянного тока ветропарка имеет лишь две основных соединительных линии для передачи мощности, а именно одну для положительного напряжения и одну для отрицательного напряжения. Благодаря такой архитектуре сети постоянного тока ветропарка может быть сэкономлена по меньшей мере одна соединительная линия по сравнению с обычной архитектурой сети переменного напряжения. Таким образом, при сооружении нового ветропарка могут быть снижены затраты на прокладку кабелей ветропарка.
Кроме того, при эксплуатации сети постоянного тока ветропарка важно осуществлять селективную защиту сети с прерываниями тока короткого замыкания в сети постоянного тока. При неисправности, возникающей в сети постоянного тока ветропарка, должно быть возможно отключение ветроэнергетической установки с помощью быстродействующих размыкателей цепи во время краткосрочного отключения сети. При этом селективная защита сети означает, что возможно независимое реагирование на различные неисправности, которые могут возникать в различных местах в сети ветропарка или же в установке, соответственно, прямо на установке, с помощью отключения поврежденного участка или с помощью иных мер защиты. При этом селективная защита сети выполняется многоступенчатой, так что, например, на неисправности в ветроэнергетических установках реакция иная, чем при повреждениях, которые возникают в сети ветропарка; должны учитываться также неисправности, которые из питающей сети могут переноситься в сеть ветропарка. В частности, локально ограниченные отключения при локально возникающих неисправностях тоже подпадают под селективную защиту сети.
Согласно изобретению, было установлено, что в сетях постоянного напряжения ветропарков предпочтительно использовать специальный преобразователь постоянного напряжения, который может обеспечить подходящую передачу мощности, а также активную защиту установки. Благодаря применению принципа преобразования постоянного тока, который, например, базируется на преобразовании с прямой передачей энергии или на резонансном преобразовании, может обеспечиваться не только передача более высокой мощности, но также можно осуществить полное отделение трансформатора от ветроэнергетической установки. Если все коммутационные средства со стороны установки на первичной стороне трансформатора разомкнуты, то ветроэнергетическая установка гальванически или по меньшей мере электрически отделена от сети ветропарка.
Далее, при эксплуатации ветропарка необходимо использовать подходящую архитектуру сети. Подходящая архитектура сети характеризуется тем, что при возникновении неисправности в ветропарке не вся сеть ветропарка должна отключаться, а в отдельных областях она может продолжать эксплуатироваться. Например, сеть ветропарка может быть построена как кольцевая сеть или петлевая сеть, или как их комбинация. Если возникает неисправность в одной отдельной области этой сети парка, то используются так называемые размыкатели сети, которые во время короткого прерывания сетевого напряжения отключают дефектный участок, чтобы отделить область, в которой возникла неисправность, от остальной, не имеющей неисправностей сети ветропарка. Та отдельная область, в которой не возникает никакой неисправности, может продолжать эксплуатироваться, и электрическая мощность, вырабатываемая в этой отдельной области, может подаваться в электрическую питающую сеть.
Согласно изобретению, по меньшей мере согласно одному варианту выполнения, достигается, тем самым, существенно более высокий КПД при передаче мощности благодаря применению подходящего коммутационного устройства с трансформатором, а также предлагается принципиально новая концепция защиты для сети постоянного тока ветропарка.
Предпочтительно ветроэнергетическая установка предоставляет коммутационному устройству напряжение постоянного тока на выходе напряжения постоянного тока, которое с помощью этого коммутационного устройства может трансформироваться с первичной стороны на вторичную сторону.
Предоставленное напряжение постоянного тока может при этом поступать, например, из промежуточного контура преобразователя ветроэнергетической установки. Для этого, например, у ветроэнергетической установки с синхронным генератором может быть предусмотрен выпрямитель, который может предоставлять напряжение постоянного тока для преобразователя постоянного напряжения путем выпрямления производимого генератором переменного тока.
Имеющееся на выходе напряжения постоянного тока постоянное напряжение при этом может быть описано как низкое напряжение и имеет типичные для промежуточного контура значения напряжения <1000 В.
Предпочтительно коммутационное устройство содержит по меньшей мере два силовых выключателя и/или по меньшей мере четыре силовых выключателя, которые предназначены для того, чтобы напряжение постоянного тока преобразовывать в напряжение переменной полярности на первичной стороне.
Таким образом, подключение силовых выключателей может осуществляться по полумостовой или полной мостовой схеме, например, по так называемой мостовой схеме управления (H–Brücke).
В качестве силовых выключателей могут применяться, например, распространенные силовые выключатели, соответственно, силовые транзисторы, например IGBTs, тиристоры, MOSFETs или биполярные транзисторы.
Силовые выключатели при этом управляются так, что при первом положении выключателя положительное напряжение промежуточного контура постоянного тока через первый силовой выключатель прикладывается к первому выводу первичной обмотки, а отрицательное напряжение промежуточного контура постоянного тока через второй силовой выключатель прикладывается к второму выводу первичной обмотки, так что ток течет по первичной обмотке в первом направлении.
Во втором положении выключателя положительное напряжение промежуточного контура постоянного тока через первый силовой выключатель прикладывается к второму выводу первичной обмотки, а отрицательное напряжение промежуточного контура постоянного тока через второй силовой выключатель прикладывается к первому выводу первичной обмотки, так что ток течет по этой первичной обмотке во втором направлении. Затем происходит смена обоих эти положений выключателя, так что направление тока соответственно постоянно меняется.
Это может обеспечиваться и посредством четырех силовых выключателей. Таким образом, путем применения по меньшей мере двух или, соответственно, четырех силовых выключателей можно генерировать переменную полярность на первичной стороне трансформатора и вырабатывать переменный ток в первичной обмотке, который вызывает переменный ток во вторичной обмотке. Благодаря этому мощность, соответственно, энергия передается с первичной стороны на вторичную сторону трансформатора.
Предпочтительно трансформатор преобразователя постоянного напряжения выполнен как высокочастотный трансформатор. Вследствие переключения порой возникают высокие частоты гармонической составляющей, которые, таким образом, могут передаваться. Эти высокие частоты гармонической составляющей могут возникать, в частности, из–за больших частот переключений и/или крутых запускающих фронтов импульсов. Благодаря применению высокочастотного трансформатора обеспечивается передача с меньшими потерями. Типичные большие частоты переключений, начиная с которых стоит применять высокочастотный трансформатор из соображений рентабельности, лежат в диапазоне 20 кГц – 200 кГц. Согласно одному варианту выполнения предлагается использовать высокочастотный трансформатор с частотами переключений из этого диапазона.
Благодаря применению высокочастотного трансформатора можно, таким образом, в частности, передавать напряжение с очень низкими потерями и высоким КПД. К тому же, применение высокочастотного трансформатора делает возможным использование силовых выключателей, которые, в частности, обладают высокой скоростью коммутации, соответственно, крутыми запускающими фронтами импульсов. Например, современные силовые транзисторы, такие как IGBTs или SiC–MOSFETs имеют большие, соответственно, крутые запускающие фронты импульсов, равные нескольким кВ/мкс.
Далее, с высокочастотным трансформатором могут быть реализованы существенно более высокие частоты переключений силовых выключателей в коммутационном устройстве по сравнению с обычными трансформаторами. В целом с применением высокочастотного трансформатора повышается КПД при передаче напряжения постоянного тока.
Предпочтительно трансформатор преобразователя постоянного напряжения выполнен как повышающий трансформатор, чтобы более низкое напряжение на первичной стороне трансформировать в более высокое напряжение на вторичной стороне.
Согласно изобретению, напряжение на первичной стороне ниже, чем напряжение на вторичной стороне, соответственно, чем напряжение парковой сети. Напряжение парковой сети при этом соответствует лишь выпрямленному напряжению на вторичной стороне трансформатора.
Таким образом, предоставляемое ветроэнергетической установкой напряжение постоянного тока на выходе напряжения постоянного тока можно повышать в большем диапазоне напряжений. Далее, можно трансформировать напряжение первичной стороны до напряжения на вторичной стороне на задаваемый коэффициент трансформации ü.
Предпочтительно трансформатор преобразователя постоянного напряжения выполнен в виде гальванической разделительной ступени, чтобы осуществлять гальваническую развязку между ветроэнергетической установкой и сетью постоянного тока ветропарка. Трансформатор выполнен таким образом, что соединение с первичной стороны на вторичную сторону и наоборот возникает исключительно посредством электромагнитной связи. Никакого гальванического соединения не происходит.
Применение гальванически отделенного трансформатора в качестве защитного разделения повышает безопасность при эксплуатации ветроэнергетической установки в сети постоянного тока ветропарка. В частности, можно избежать опасности повреждения ветроэнергетической установки из–за повышенного напряжения в сети постоянного тока ветропарка.
Посредством указанной гальванической развязки никакие токи короткого замыкания не могут переноситься в цепь низкого напряжения и, тем самым, предотвращается возможность разряда всей имеющейся в сети ветропарка энергии не через трансформатор. Кроме того, также за счет пассивного выполнения трансформатора повышается надежность сети парка.
Предпочтительно трансформатор преобразователя постоянного напряжения выполнен как высоковольтный трансформатор, чтобы обеспечить надежную гальваническую развязку между ветроэнергетической установкой и сетью постоянного тока ветропарка также и для высоких напряжений. Также и здесь коэффициент трансформации ü между первичной и вторичной сторонами высоковольтного трансформатора может выбираться, по существу, произвольно.
В качестве коэффициента трансформации ü для трансформатора, который действителен в принципе для любого из вышеописанных или описываемых ниже трансформаторов, предлагается значение по меньшей мере 5, предпочтительно по меньшей мере 20, в частности, по меньшей мере 50. Предпочтительное напряжение сети постоянного тока ветропарка в нормальном режиме составляет при этом по меньшей мере 6 кВ, предпочтительно по меньшей мере 14 кВ, в частности, по меньшей мере 20 кВ.
В общем этот коэффициент трансформации ü трансформатора описывается соотношением Usekundär/Uprimär=nsekundär/nprimär, причем Uprimär и Usekundär это напряжения, а nsekundär и nprimär это соответствующее число витков первичной стороны и вторичной стороны.
Таким образом, при большой разности напряжений между первичной стороной и вторичной стороной можно эксплуатировать трансформатор в высоковольтной сети постоянного тока, и соотношение напряжений можно устанавливать любым.
Предпочтительно сеть постоянного тока ветропарка для передачи большой мощности имеет напряжение свыше 6 кВ.
Напряжение парковой сети свыше 6 кВ позволяет, тем самым, создать достаточно большой поток мощности, чтобы произведенную ветроэнергетическими установками мощность подавать в электрическую питающую сеть. При этом напряжение выше 14 кВ позволяет осуществлять эксплуатацию инвертера, установленного со стороны сети, без трансформатора, так как напряжение промежуточного контура достаточно велико.
Предпочтительно вторичная сторона имеет по меньшей мере два выпрямительных средства, причем эти выпрямительные средства предназначены для того, чтобы преобразованное напряжение с первичной стороны на вторичную сторону выпрямлять в постоянное напряжение сети постоянного тока ветропарка с помощью двухполупериодного выпрямителя.
При этом под двухполупериодным выпрямителем в общем понимается выпрямительное устройство, в частности, диодное устройство с по меньшей мере двумя выпрямительными средствами, соответственно, диодами, которые применяются для того, чтобы выпрямлять как положительные, так и отрицательные напряжения. При этом как отрицательные, так и положительные составляющие электрического напряжения могут выпрямляться в униполярное напряжение постоянного тока. Другими немецкими терминами для двухполупериодного выпрямления являются также Doppelweggleichrichtung или Vollwellengleichrichtung.
Согласно изобретению, напряжение с переменной полярностью, которое передается с помощью трансформатора, может таким образом выпрямляться в напряжение сети постоянного тока ветропарка.
Предпочтительно двухполупериодный выпрямитель выполнен как двухполупериодная схема выпрямления со средней точкой и/или как мостовая схема выпрямления.
Предпочтительно выпрямительное средство выполнено как высоковольтный диод.
Таким образом, согласно изобретению, преобразованное напряжение на вторичной стороне можно выпрямить в высокие классы напряжения.
Предпочтительно трансформатор имеет отвод от средней точки, чтобы осуществлять двухполупериодное выпрямление со средней точкой.
Преимущество отвода от средней точки заключается в том, что за счет такого конструктивного построения схемы только половина переданного напряжения падает к выводу средней точки, и по сравнению с полномостовым конвертером с четырьмя диодами требуется лишь два диода.
Было установлено также, что при эксплуатации ветропарка неисправности могут возникать в различных местах, как, например, в ветроэнергетической установке, в сети ветропарка или в других компонентах, относящихся к общей системе ветропарка. Поскольку такие сбои в общем являются непредвиденными, здесь для надежной эксплуатации предлагается предусмотреть в структуре сети парка многоступенчатую концепцию защиты, которая позволяет отделять друг от друга ветроэнергетические установки и сеть ветропарка, и отключать от напряжения. Точно так же должно гарантироваться, что сеть ветропарка может отделяться от питающей сети и отключаться от напряжения.
Согласно одному варианту выполнения предлагается, что инвертер со стороны сети ветропарка имеет разрядное или заземляющее устройство для обеспечения отключенного состояния во всей сеть постоянного тока ветропарка и/или в отдельной области сети постоянного тока ветропарка, причем это разрядное или заземляющее устройство предпочтительно содержит прерыватель (Chopper) и/или разрядное сопротивление. В частности, в сети постоянного тока ветропарка после отключения может и дальше сохраняться электрическое напряжение в сети постоянного тока ветропарка, по меньшей мере остаточное напряжение, поскольку, например, имеющиеся в сети постоянного тока ветропарка конденсаторы еще пропускают остаточное напряжение. Чтобы снять напряжение, соответственно, остаточное напряжение, предлагается такое разрядное или заземляющее устройство. Например, остаточное напряжение может с помощью прерывателя импульсно отводиться в землю. Возможно также электрическое соединение обоих потенциалов напряжения сети постоянного тока ветропарка посредством разрядного сопротивления. Разрядное сопротивление может применяться также для отвода напряжения в землю. Такое разрядное сопротивление может также использоваться вместе с прерывателем, причем прерыватель импульсно отводит напряжение через это разрядное сопротивление.
В основу данного изобретения положена идея, что подходящими защитными мерами в общем являются либо защитные выключатели, которые устанавливаются в сети постоянного тока ветропарка, либо подходящая архитектура сети, которая может обеспечивать селективное отключение сети. Недостатком защитных выключателей для высоких классов постоянного напряжения является высокая стоимость. Поэтому предлагается выбор подходящей архитектуры сети постоянного тока ветропарка, чтобы можно было реализовать надежную защиту сети.
В частности, подходящая защита может быть предпринята с помощью развязки между ветроэнергетической установкой и сетью ветропарка путем гальванической развязки в форме трансформатора и подходящего преобразования постоянного напряжения. Такая конструкция делает возможным отделение ветроэнергетической установки от сети ветропарка с низковольтной стороны.
Далее, предлагается использовать коммутационные средства и размыкатели сети в сети ветропарка таким образом, чтобы они обеспечивали автоматическое повторное включение, соответственно, АПВ или быстрое отключение места сбоя в зависимости от места этого сбоя. Таким образом, автоматические повторные включения и быстрые отключения места сбоя с помощью размыкателей сети в сети ветропарка представляют собой дополнительные возможные защитные мероприятия для реагирования на сбой в высоковольтной цепи сети парка, без необходимости отключения всего ветропарка.
Кроме того, следует обратить внимание на то, что термины «автоматическое повторное включение» – известное также как АПВ - а также «отключение» - известны из области защиты сетей и из электроэнергетики.
Еще один вариант выполнения предусматривает, что в сети ветропарка размещен по меньшей мере один электрический потребитель и/или аккумулятор энергии для того, чтобы при разъединении питающей сети и сети ветропарка мощность могла потребляться внутри сети парка. Если вследствие сбоя в питающей сети или в результате задания эксплуатантом сети ветропарк должен быть отделен от питающей электросети, то таким образом можно также потреблять мощность или подавать эту мощность в предусмотренный для этого аккумулятор энергии. Это может оказаться предпочтительным в том случае, если сбой имеет место лишь на короткое время, и ветроэнергетические установки не требуется срочно отключать из–за отсутствия нагрузки.
Недостатком может быть отсутствие концепции многоступенчатой защиты, соответственно, отсутствие селективной защиты сети. В упомянутой выше публикации US 2011/0198847 A1, в частности, не раскрыто активное разъединение ветроэнергетической установки с помощью подходящего коммутационного устройства или автоматическое повторное включение с помощью размыкателей сети в сети ветропарка. Раскрытое там техническое решение из–за неподходящего трансформатора могло бы иметь, кроме того, в частности, большую индуктивность рассеяния, в результате чего снизился бы КПД при передаче мощности. Согласно данному изобретению, предлагается более подходящее решение.
Согласно изобретению, предлагается также способ управления ветропарком для подачи электрической мощности в электрическую питающую сеть в точке подключения в сеть, причем этот ветропарк содержит
– по меньшей мере две ветроэнергетические установки для выработки электрической мощности;
– сеть постоянного тока ветропарка для передачи электрической мощности от ветроэнергетических установок к точке подключения в сеть; и
– установленный между сетью постоянного тока ветропарка и точкой подключения в сеть инвертер, причем этот инвертер постоянное электрическое напряжение сети постоянного тока ветропарка преобразует в переменное напряжение, чтобы подавать электрическую мощность ветроэнергетических установок в электрическую питающую сеть; причем
– предусмотрен по меньшей мере один преобразователь постоянного напряжения, и электрическая мощность от по меньшей мере ветроэнергетической установки подается в сеть постоянного тока ветропарка, причем
– преобразователь постоянного напряжения имеет коммутационное устройство и трансформатор с первичной и вторичной сторонами,
– первичная сторона через коммутационное устройство связана с указанной по меньшей мере одной ветроэнергетической установкой,
– вторичная сторона через по меньшей мере одно выпрямительное средство, в частности, выпрямительное средство, содержащее несколько диодов, связано с сетью постоянного тока ветропарка, и
– преобразователь постоянного напряжения с помощью коммутационного устройства к первичной стороне трансформатора прикладывает напряжение постоянного тока с переменной полярностью, причем за счет этого напряжение постоянного тока указанной по меньшей мере одной ветроэнергетической установки преобразуется с напряжения первичной стороны в напряжение вторичной стороны.
Предпочтительно этот способ работает таким образом, как это было разъяснено выше или будет описано ниже в связи с ветропарком. Предпочтительно этот способ используется для такого ветропарка.
Данное изобретение в качестве примера разъясняется ниже более подробно на примерах осуществления со ссылкой на прилагаемые чертежи. На чертежах показано следующее.
Фиг. 1 – схематичный вид ветроэнергетической установки согласно одному варианту выполнения;
Фиг. 2 – схематичный вид ветропарка согласно одному варианту выполнения;
Фиг. 3 – схематично, структура предлагаемого изобретением ветропарка с сетью постоянного тока ветропарка согласно другому варианту выполнения;
Фиг. 4 – схематично, структура предлагаемого изобретением ветропарка с сетью постоянного тока ветропарка согласно следующему варианту выполнения, причем реализована селективная защита сети.
На Фиг. 1 показана ветроэнергетическая установка 100 с башней 102 и гондолой 104. На гондоле 104 установлен ротор 106 с тремя роторными лопастями 108 и кожухом 110 обтекателя. Ротор 106 при работе приводится ветром во вращательное движение и тем самым приводит в действие генератор на гондоле 104.
На Фиг. 2 показан ветропарк 212, например, с тремя ветроэнергетическими установками 200, которые могут быть одинаковыми или разными. Эти три ветроэнергетические установки 200, таким образом, являются репрезентативными, в сущности, для любого числа ветроэнергетических установок одного ветропарка 212. Ветроэнергетические установки 200 предоставляют свою мощность, в частности, произведенный ток через электрическую сеть 214 постоянного тока ветропарка. При этом токи или, соответственно, мощности, произведенные отдельными ветроэнергетическими установками 200, суммируются, и зачастую здесь предусмотрен центральный инвертер 216, который преобразует постоянное напряжение в парке в переменное напряжение, чтобы затем в точке 218 подачи питающего напряжения, которая обобщенно обозначается как ППН, подавать его в питающую сеть 219. На Фиг. 2 показано упрощенное представление ветропарка 212, где, например, отсутствует система управления, хотя такая система управления, естественно, имеется.
На Фиг. 3 показан детальный вариант осуществления предлагаемого изобретением ветропарка 312. Каждая ветроэнергетическая установка 300 с помощью вращающегося ротора 306 посредством генератора 320 преобразует механическую энергию в электрическую мощность. Этот генератор 320 вырабатывает при этом шестифазное переменное напряжение, которое с помощью выпрямителя 322 преобразуется в напряжение постоянного тока. Выпрямитель 322 может при этом на стороне постоянного напряжения иметь также конденсатор 323 в качестве аккумулятора энергии. Этот выпрямитель 322 при этом электрически соединен с коммутационным устройством 324, так что выпрямленное постоянное напряжение с выпрямителя может предоставляться коммутационному устройству 324.
Коммутационное устройство 324 при этом всего имеет четыре силовых выключателя S1, S2, S3 и S4, причем эти четыре силовых выключателя соединены в полномостовую схему, которая может называться также мостовой схемой или управляющим мостиком. Соединенные последовательно выключатели S1 и S2 образуют при этом первое плечо моста, а соединенные тоже последовательно выключатели S3 и S4 образуют второе плечо моста. Кроме того, первичная сторона 350 трансформатора 326 электрически подключается к обоим плечам моста коммутационного устройства 324, а именно между выключателями S1 и S2 с первым разъемом, а также между выключателями S3 и S4.
За счет диагонального включения выключателей S1 и S4, причем эти выключатели S2 и S3 разомкнуты, может вырабатываться положительное напряжение на первичной стороне 350 трансформатора 326. И, наоборот, точно так же напряжение с отрицательным знаком может прикладываться к первичной стороне 350 трансформатора 326, когда выключатели S2 и S3 находятся в проводящем состоянии, а выключатели S1 и S4 в непроводящем состоянии.
Соответственно и полярность напряжения меняет знак протекания тока через первичную сторону 350 трансформатора 326. Таким образом, коммутационное устройство 324 генерирует напряжение с переменной полярностью на первичной стороне 350 трансформатора 326.
Напряжение с переменной полярностью передается к вторичной стороне 352 трансформатора 326 с коэффициентом трансформации ü. При этом трансформатор 326 имеет разделение на две части отводом 354 от средней точки. Этот отвод 354 от средней точки позволяет двухполупериодное выпрямление с помощью выпрямительных средств 328. При этом отвод 354 от средней точки электрически соединен с первой основной соединительной линией сети 314 парка, а выпрямительные средства 328 через общий вывод соединены с второй электрической основной соединительной линией.
В соответствии с этим преобразованное постоянное напряжение на вторичной стороне 352 трансформатора 326 посредством указанных выпрямительных средств 328, согласно изобретению, преобразуется в напряжение парковой сети. К указанным двум основным соединительным линиям сети 314 парка электрически подключен центральный инвертер 316. Центральный инвертер 316 – который тоже может иметь конденсатор 323 в качестве аккумулятора – вслед за этим подает в точке 318 подключения в сеть произведенную мощность из сети ветропарка в трехфазную электрическую питающую сеть 319.
На Фиг. 4 показан следующий детальный вариант осуществления предлагаемого изобретением ветропарка 312 и иллюстрируется концепция многоступенчатой и селективной защиты сети согласно одному варианту выполнения. Для лучшей наглядности подобные, но не обязательно идентичные элементы на Фиг. 3 и Фиг. 4 снабжены одинаковыми ссылочными позициями. В показанном варианте выполнения выключатели S11, S21, S31 и S41 коммутационного устройства 324 разомкнуты. При разомкнутом положении выключателя первичная сторона 350 трансформатора 326 электрически развязана от ветроэнергетической установки и, тем самым, отключена.
Точно так же вторичная сторона 352 для каждой ветроэнергетической установки может быть через размыкатели 356, 357 сети электрически, в частности, гальванически отделена от сети 314 ветропарка. В показанном на Фиг. 4 варианте выполнения в качестве примера представлено, как ветроэнергетическая установка 300 электрически отделена от сети 314 ветропарка, а размыкатели 356 сети разомкнуты, причем ветроэнергетическая установка 301 еще соединена с сетью ветропарка через размыкатели 357 сети. Таким образом, например, на ветроэнергетической установке 300 могут производиться работы по техническому обслуживанию, и одновременно ветроэнергетическая установка 301 еще активно подает энергию в питающую сеть 319.
Кроме того, размыкатели 356, 357, 358, 359 сети могут быть установлены в сети 314 ветропарка любым образом. Если, например, возникает сбой в другой отдельной области – на Фиг. 4 больше не показана – ветропарка 312, то через показанный размыкатель сети 358 может быть отделена другая отдельная область этой сети парка.
Точно так же на Фиг. 4 показано заземляющее устройство 360, которое может также называться разрядным устройством, и которое имеет нагрузочный резистор 362 и еще одно коммутационное средство 364. Коммутационное средство 364 может работать как прерыватель и серией импульсов проводить ток через нагрузочный резистор 362, который работает, тем самым, как разрядное сопротивление, поскольку показанный в качестве примера конденсатор 323 промежуточного контура может благодаря этому разряжаться. Это заземляющее устройство 360 может тем самым, например, иметь прерыватель и помимо этого или альтернативно – разрядное сопротивление, соответственно, разрядный пассивный компонент схемы (Entladungsimpedanz). Таким образом, задача заземляющего устройства состоит в том, чтобы можно было разряжать сеть 314 ветропарка, и оно может также использоваться для того, чтобы разряжать конденсатор 323 промежуточного контура инвертера 316. Таким образом можно отключать сеть 314 ветропарка от напряжения, что, в частности, может быть важным в целях проведения техобслуживания, чтобы защитить обслуживающий персонал.
1. Ветропарк для подачи электрической мощности в электрическую питающую сеть в точке подключения к сети, содержащий:
– по меньшей мере две ветроэнергетические установки для выработки электрической мощности;
– сеть постоянного тока ветропарка для передачи электрической мощности от ветроэнергетических установок к точке подключения к сети; и
– установленный между сетью постоянного тока ветропарка и точкой подключения к сети инвертер, который предназначен для того, чтобы преобразовывать постоянное электрическое напряжение сети постоянного тока парка в переменное напряжение для подачи электрической мощности от ветроэнергетических установок в электрическую питающую сеть;
– по меньшей мере один преобразователь постоянного напряжения для подачи электрической мощности от по меньшей мере одной ветроэнергетической установки в сеть постоянного тока ветропарка, причем
– преобразователь постоянного напряжения имеет коммутационное устройство и трансформатор с первичной и вторичной сторонами, причем
– первичная сторона через коммутационное устройство связана с указанной по меньшей мере одной ветроэнергетической установкой,
– вторичная сторона через по меньшей мере одно выпрямительное средство, в частности через выпрямительное средство, имеющее несколько диодов, связана с сетью постоянного тока ветропарка, и
– преобразователь постоянного напряжения предназначен для того, чтобы с помощью коммутационного устройства прикладывать к первичной стороне трансформатора постоянное напряжение с переменной полярностью, чтобы тем самым трансформировать постоянное напряжение от по меньшей мере одной ветроэнергетической установки с первичной стороны на вторичную сторону.
2. Ветропарк по п. 1, отличающийся тем, что ветроэнергетическая установка предоставляет коммутационному устройству постоянное напряжение на выходе напряжения постоянного тока, подготовленное для трансформирования с помощью коммутационного устройства с первичной стороны на вторичную сторону.
3. Ветропарк по п. 1 или 2, отличающийся тем, что коммутационное устройство имеет два силовых выключателя и/или по меньшей мере четыре силовых выключателя, которые предназначены для перевода напряжения постоянного тока в напряжение переменной полярности на первичной стороне.
4. Ветропарк по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что трансформатор преобразователя постоянного напряжения выполнен как высокочастотный трансформатор, чтобы при больших частотах переключений и/или больших запускающих фронтах импульсов создавалось меньше электрических потерь при трансформации напряжения первичной стороны на вторичную сторону.
5. Ветропарк по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что трансформатор преобразователя постоянного напряжения выполнен как повышающий трансформатор для преобразования более низкого напряжения на первичной стороне в более высокое напряжение на вторичной стороне.
6. Ветропарк по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что трансформатор преобразователя постоянного напряжения выполнен как гальваническая разделительная ступень для обеспечения гальванической развязки между ветроэнергетической установкой и сетью постоянного тока ветропарка.
7. Ветропарк по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что трансформатор преобразователя постоянного напряжения выполнен как высоковольтный трансформатор для обеспечения гальванической развязки между ветроэнергетической установкой и сетью постоянного тока ветропарка, причем трансформатор имеет, в частности, заданный коэффициент трансформации ü высоковольтного трансформатора.
8. Ветропарк по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что сеть постоянного тока ветропарка имеет напряжение для передачи больших мощностей, которое выше 6 кВ, в частности выше 14 кВ.
9. Ветропарк по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что вторичная сторона имеет по меньшей мере два выпрямительных средства, причем эти выпрямительные средства предназначены для того, чтобы напряжение, трансформированное с первичной стороны на вторичную сторону, выпрямлять в постоянное напряжение сети постоянного тока ветропарка посредством двухполупериодного выпрямления.
10. Ветропарк по п. 9, отличающийся тем, что двухполупериодное выпрямление реализовано как двухполупериодная схема выпрямления со средней точкой и/или как мостовая схема выпрямления.
11. Ветропарк по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что выпрямительные средства выполнены в виде высоковольтных диодов.
12. Ветропарк по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что трансформатор имеет отвод от средней точки для обеспечения двухполупериодного выпрямления со средней точкой.
13. Ветропарк по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что постоянное напряжение, трансформированное с первичной стороны на вторичную сторону, имеет, по существу, прямоугольную характеристику.
14. Ветропарк по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что инвертер со стороны сети ветропарка имеет разрядное или заземляющее устройство для обеспечения отключенного состояния во всей сети постоянного тока ветропарка и/или в отдельной области сети постоянного тока ветропарка, причем это разрядное или заземляющее устройство предпочтительно имеет прерыватель и/или разрядное сопротивление.
15. Ветропарк по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что сеть постоянного тока ветропарка имеет по меньшей мере один размыкатель для отключение места сбоя в отдельной области сети постоянного тока ветропарка, причем размыкатели сети могут соединять друг с другом и/или отделять друг от друга отдельные области сети парка для обеспечения возможности селективного отключения сети постоянного тока ветропарка.
16. Ветропарк по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что сеть ветропарка выполнена как кольцевая сеть или петлевая сеть.
17. Ветропарк по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что первичная сторона трансформатора через коммутационное устройство может быть отделена электрически, в частности гальванически, причем электрическая развязка предпочтительно происходит путем размыкания коммутационных средств, расположенных в коммутационном устройстве, для реализации полной электрической, соответственно гальванической, развязки между ветроэнергетической установкой и сетью постоянного тока ветропарка.
18. Ветропарк по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что преобразователь постоянного напряжения выполнен как преобразователь с прямой передачей энергии и/или как резонансный трансформатор.
19. Ветропарк по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что в сети ветропарка размещен по меньшей мере один электрический потребитель и/или аккумулятор энергии, предназначенный для того, чтобы при разъединении питающей сети и сети ветропарка мощность могла электрически потребляться внутри сети парка.
20. Ветропарк по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что в нем используется по меньшей мере одно коммутационное средство и/или один размыкатель сети для осуществления автоматического повторного включения, соответственно, АПВ и/или для отключения места сбоя.
21. Способ управления ветропарком для подачи электрической мощности в электрическую питающую сеть в точке подключения в сеть, причем ветропарк содержит
– по меньшей мере две ветроэнергетические установки для выработки электрической мощности;
– сеть постоянного тока ветропарка для передачи электрической мощности от ветроэнергетических установок к точке подключения в сеть; и
– расположенный между сетью постоянного тока ветропарка и точкой подключения в сеть инвертер, причем
– инвертер преобразует постоянное электрическое напряжение сети постоянного тока ветропарка в переменное напряжение для обеспечения подачи электрической мощности ветроэнергетических установок в электрическую питающую сеть; причем
– предусмотрен по меньшей мере один преобразователь постоянного напряжения, и электрическая мощность от по меньшей мере одной ветроэнергетической установки подается в сеть постоянного тока ветропарка, причем
– преобразователь постоянного напряжения имеет коммутационное устройство и трансформатор с первичной и вторичной сторонами,
– первичная сторона через коммутационное устройство связана с указанной по меньшей мере одной ветроэнергетической установкой,
– вторичная сторона через по меньшей мере одно выпрямительное средство, в частности выпрямительное средство, содержащее несколько диодов, связано с сетью постоянного тока ветропарка, и
– преобразователь постоянного напряжения с помощью коммутационного устройства прикладывает к первичной стороне трансформатора напряжение постоянного тока с переменной полярностью, причем за счет этого постоянное напряжение указанной по меньшей мере одной ветроэнергетической установки трансформируется с первичной стороны на вторичную сторону.
22. Способ по п. 21, отличающийся тем, что способ осуществляют в ветропарке по любому из пп. 1–20 или, соответственно, реализуется с таким ветропарком.
