Ветряная электростанция
Изобретение относится к ветроэнергетике, а именно к ветроэлектрическим станциям, и служит для преобразования кинетической энергии ветрового потока в электрическую энергию с помощью минимум двух ветроэнергетических установок и передачи выработанной электрической энергии в региональную сеть электропитания. Ветряная электростанция содержит по меньшей мере две ветряные турбины для выработки электроэнергии, каждая из которых содержит генератор и общее устройство подачи выработанной электроэнергии или ее части в сеть электропитания. В общее устройство подачи дополнительно введены по меньшей мере две секции шин постоянного тока, два входных модуля, два выходных модуля и модуль управления. Выход генератора переменного электрического тока каждой ветряной турбины соединен через один из входов общего устройства подачи с входом соответствующего входного модуля, выполненного в виде последовательно соединенных согласующего трансформатора, выпрямителя переменного тока, датчика постоянного тока, аппарата защиты постоянного тока. Выход каждого входного модуля соединен с секцией шин постоянного тока, а к секции шин подключен вход выходного модуля, выполненного в виде последовательно соединенных коммутатора постоянного тока, автономного сетевого инвертора, повышающего трансформатора, первого блока фазных датчиков тока и напряжения, коммутатора переменного тока, второго блока фазных датчиков тока и напряжения. Выход выходного модуля через выход общего устройства подачи и линию электропередачи соединен с сетью электропитания. Выход выпрямителя переменного тока соединен с входом датчика постоянного тока через сглаживающий фильтр. В выходном модуле повышающий трансформатор и первый блок фазных датчиков тока и напряжения соединены через фильтр электромагнитной совместимости. Техническим результатом является повышение надежности генерации, улучшение массогабаритных показателей ветряных турбин, увеличение эффективности преобразования, сохранение статической устойчивости генерации при переходных процессах и глубоких просадках напряжения сети. 9 з.п. ф-лы, 7 ил.
Изобретение относится к области ветроэнергетики, а именно к ветроэлектрическим станциям и служит для преобразования кинетической энергии ветрового потока в электрическую энергию с помощью ветроэнергетических установок, объединенных в ветряную электростанцию и передачу выработанной электрической энергии в региональную сеть электропитания.
Заявляемое изобретение направлено на создание новой структуры ветровой электростанции, основанной на принципах построения распределительных устройств электроустановок, обеспечивающей уменьшение массы ветроэнергетических установок, повышение надежности, увеличение эффективности преобразования, сохранение статической устойчивости генерации при переходных процессах и глубоких просадках напряжения сети.
Активное развитие возобновляемых источников энергии является одним из основных факторов, стимулирующих рост рынка силовой электроники, требующих непрерывного повышения эффективности преобразования, надежности и упрощенной интеграции с внешними электрическими сетями.
Современная ветроэнергетика развивается по двум основным направлениям:
- ветроэнергетические установки (ВЭУ) малой мощности, предназначенные для обеспечения автономного электроснабжения изолированных объектов, удаленных от электрических сетей;
- крупные ветропарки (ВП) и ветряные электростанции (ВЭС), с установками ВЭУ мегаваттного класса, работающие в составе объединенных энергосистем.
Ветропарки (ВП) и ветряные электростанции (ВЭС) в зависимости от установленной мощности могут занимать значительные площади с расположением отдельных ветроэнергетических установок на разном уровне по вертикали и протяженности от сотен метров до единиц километров. С учетом довольно внушительных единичных мощностей современных ВЭУ (от 1 до 15 МВт), такое положение обуславливает необходимость применения промежуточных ступеней трансформации электрической энергии для снижения уровня электрических потерь.
Для передачи генерируемой электрической энергии в сеть электропитания современные ветропарки ВП и сетевые ВЭС снабжаются собственным повышающим разделительным трансформатором, а соединение ветроэнергетических установок между собой и повышающим разделительным трансформатором осуществляется на стороне среднего напряжения в диапазоне от 6 до 35 кВ. Актуальность проблемы заключается в значительной протяженности цепей среднего напряжения (локальная распределительная сеть, коллекторная сеть), к которой подключается большое количество параллельно работающих трансформаторов среднего напряжения, первичные обмотки которых подключены к выходам генераторов или инверторов каждой ВЭУ, в зависимости от структуры объединения мощностей станции. Расстояние между электрически связанными ветроэнергетическими установками и разделительными повышающими трансформаторами может достигать нескольких километров, вследствие чего локальная распределительная сеть (коллекторная сеть) имеет значительную протяженность. Любая неисправность в локальной распределительной сети ведет к аварийному отключению ВП или ВЭС и понижает общую надежность генерации.
Кроме того, возникает сложность реализации следующих основных задач ветряных электростанций: точность и быстрота электромеханического управления скоростью вращения и моментами силы на валах электрогенераторов, все системы управления генерирующих инверторов должны одновременно и быстро формировать управляющие сигналы для независимого управления активной и реактивной мощностью, ограничивать токи короткого замыкания (КЗ), сохранять работоспособность при глубоких просадках напряжения сети (исключая случаи рассинхронизации выходных цепей), стабилизировать напряжение по величине и фазе при переходных процессах, обеспечивая статическую устойчивость, а также осуществлять максимально эффективный отбор мощности (МРРТ).
Значительное количество генерирующих инверторов, работающих через трансформаторы среднего напряжения, выходы которых соединены параллельно, через локальную распределительную сеть (коллекторную сеть) приводит к следующим проблемам: сложность управление активной и реактивной мощностью без взаимного влияния, токи короткого замыкания на ВЭУ с преобразователями находятся в пределах 1,1 – 2,5 номинала и приводят к достаточно сложно реализуемой по условиям надежности и селективности защите без вероятности ложного срабатывания. Короткое замыкание в одном из силовых электронных ключей генерирующего инвертора переходит в межфазное КЗ, при этом мощность токов локальной распределительной сети значительна и по обратной трансформации (через трансформатор среднего напряжения), приводит к полному выходу из строя инвертора, без возможности быстрого восстановления работоспособности.
Известен силовой преобразователь (пат. РФ № 2408971 С2, МПК H02P9/04, опубл. 10.01.2011, Бюлл. №1), который может использоваться для сопряжения генератора, вырабатывающего регулируемое напряжение с регулируемой частотой с сетью питания, которая должна обеспечивать номинальное фиксированное напряжение с номинальной фиксированной частотой, содержащий первый активный выпрямитель/инвертор, электрически соединенный со статором генератора и содержащий силовые полупроводниковые вентили; второй активный выпрямитель/инвертор, содержащий силовые полупроводниковые вентили; звено ПТ, включенное между первым активным выпрямителем/инвертором и вторым активным выпрямителем/инвертором; фильтр, подключенный между вторым активным выпрямителем/инвертором и сетью питания, причем фильтр содержит сетевые клеммы, первый контроллер для первого активного выпрямителя/инвертора, и второй контроллер для второго активного выпрямителя/инвертора, причем в первом контроллере используется командный сигнал регулирования напряжения на звене ПТ, определяемый необходимым напряжением на звене ПТ, для управления силовыми полупроводниковыми вентилями первого активного выпрямителя/инвертора для достижения необходимого уровня напряжения на звене ПТ.
Основным недостатком указанного силового преобразователя является значительное число генерирующих устройств, силовых преобразователей, работающих параллельно с сетью электроснабжения или отдельных силовых преобразователей, содержащих повышающие трансформаторы, которые также работают параллельно с сетью электроснабжения или с входом дополнительного повышающего трансформатора, выход которого соединен с сетью электроснабжения, что снижает надежность функционирования.
Известна ветровая электростанция с асинхронной машиной двойного питания и способ эксплуатации такой ветровой электростанции (заявка на изобретение РФ № 2010143316/07, МПК H02 P9/00, опубл. 10.05.2012 г., Бюлл. № 13), содержащая асинхронную машину двойного питания, а также преобразователь на стороне сети и преобразователь на стороне генератора, управляемые с помощью средства управления, при этом способ включает следующие операции:
- в нормальном режиме работы преобразователями управляют с помощью средства управления с использованием управляемых переменных для нормального режима работы,
- в случае сбоя в сети преобразователями управляют с помощью, по меньшей мере, одного управляющего модуля, который через управляемые переменные управляет крутящим моментом и/или активной мощностью и реактивным током и/или реактивной мощностью таким образом, что отключение асинхронной машины от сети будет произведено, только если напряжение в сети упадет ниже заданной характеристики напряжение-время, форма которой определяется множеством заранее выбираемых параметров, содержащихся, по меньшей мере, в одном управляющем модуле, при этом создают, по меньшей мере, одну первую функцию управляемой переменной, которая в случае сбоя обеспечивает получение управляемой переменной для крутящего момента и/или для активной мощности и которая включает, по меньшей мере, две базовые функции, первая из которых определяет уставку для крутящего момента и/или активной мощности после возникновении сбоя, а вторая - уставку для крутящего момента и/или активной мощности по завершении сбоя, причем создают также, по меньшей мере, одну вторую функцию управляемой переменной для реактивного тока и/или реактивной мощности, которая в случае сбоя обеспечивает получение управляемой переменной для управления, по меньшей мере, одним из преобразователей и которая включает, по меньшей мере, две базовые функции, из которых третья базовая функция определяет уставку для реактивной мощности и/или реактивного тока после возникновении сбоя, а четвертая базовая функция - уставку для реактивной мощности и/или реактивного тока по завершении сбоя.
К недостаткам данного технического решения следует отнести значительное число генерирующих асинхронных машин двойного питания ветроэнергетических установок, работающих параллельно с сетью электроснабжения, что снижает надежность генерации, а создание рассредоточенного сложного устройства управления крутящими моментами и/или активной мощностью и ее реактивным током и/или реактивной мощностью без взаимного влияния, приводит к достаточно сложно реализуемой по условиям надежности и селективности защите без вероятности ложного срабатывания, что также снижает надежность ветровой электростанции.
Известна ветроэлектрическая станция (пат. РФ № 2221165 С2, МПК F03D9/00, H02J3/38, опубл. 10.01.2004 г., Бюлл. №1), включающая по меньшей мере одну ветроэлектрическую установку, которая содержит ветротурбину, электрический генератор, приводимый в движение этой ветротурбиной, выпрямитель, и электрическую соединительную линию постоянного напряжения между выпрямителем, установленным в ветроэлектрической установке, и инвертором, который со стороны переменного тока соединен с магистральной или распределительной сетью и установлен в станции со стороны сети. Ветроэлектрическая станция содержит преобразователь постоянного тока, который со стороны низкого напряжения соединен с выпрямителем, а со стороны высокого напряжения – с инвертором, и установлен в станции со стороны ветроэлектрической установки.
Ветроэлектрическая станция содержит один общий сетевой инвертор повышенной мощности, централизующий генерацию, а также высоковольтную соединительную линию электропередачи постоянного тока (до 400 кВ).
Недостатком известной ветроэлектрической станции является наличие соединения выходов выпрямителей ветроэлектрических установок с преобразователем постоянного тока в постоянный DC/DC со стороны низкого напряжения, формирующего общую коллекторную сеть низкого напряжения постоянного тока значительной протяженности, для суммирования мощностей генераторов ветроэлектрических установок, что приводит к внутренним энергетическим потерям станции и снижает ее эффективность и общую надежность.
Недостатками являются также наличие дополнительных ступеней преобразования электрической энергии в преобразователе постоянного тока в постоянный DC/DC, включающем преобразование постоянного тока низкого напряжения в переменный с помощью инвертора, повышение его с помощью трансформатора и последующее выпрямление с помощью выпрямителя. При этом номинальная мощность преобразователя постоянного тока в постоянный DC/DC должна быть равна номинальной мощности сетевого инвертора или суммарной мощности всех ветроэлектрических установок, формирующих ветроэлектрическую станцию.
Известна ветровая электростанция с множеством ветроэнергетических установок (пат. РФ № 2459112, МПК F03D9/00, опубл. 20.08.2012, Бюлл. №23), содержащая, размещенную на башне гондолу с ротором, генератором, выпрямителем переменного тока на стороне генератора, выпрямителем переменного тока на стороне сети, и трансформатором, причем упомянутые оба выпрямителя переменного тока на стороне постоянного напряжения электрически связаны друг с другом, а выпрямитель переменного тока на стороне сети связан на стороне переменного напряжения через трансформатор с местом ввода энергии сети, принимающей энергию. Каждый фазный модуль выпрямителя переменного тока на стороне сети содержит верхнюю и нижнюю ветвь вентилей, содержащую по меньшей мере две электрически последовательно включенные двухполюсные подсистемы. Выпрямитель переменного тока на стороне генератора и выпрямитель переменного тока на стороне сети связаны друг с другом на стороне постоянного напряжения посредством кабеля постоянного тока. Таким образом формируется ветровая электростанция, состоящая из множества ветроэнергетических установок, обладающая гибкостью по постоянному току, а гондолы в каждой ветроэнергетической установке имеют меньший собственный вес.
Недостатком является низкая надежность, связанная с повышенной массой ветроэнергетических установок, так как часть оборудования, преобразующего электрическую энергию генераторов,
располагается в гондолах, а гибкая структура по постоянному току (электрический кабель) имеет значительную протяженность, т.к. ветроэнергетические установки могут быть разнесены друг от друга на несколько километров, что снижает общую надежность и эффективность.
Наиболее близкой к заявляемому изобретению, является ветряная ферма (пат. РФ № 2627230 С1, МПК F03D9/00, опубл. 04.08.2017, Бюлл. №22), принятая за прототип, содержащая по меньшей мере две ветряные турбины для выработки электроэнергии и общее устройство подачи для подачи выработанной электроэнергии или ее части в сеть электропитания, при этом ветряные турбины и устройство подачи соединены через электрическую сеть напряжения постоянного тока. Для того, чтобы подавать электроэнергию, вырабатываемую соответствующими ветряными турбинами в виде постоянного электрического тока, в общее устройство подачи, сеть постоянного тока имеет напряжение в диапазоне 5-10 кВ, и каждая ветряная турбина содержит генератор для генерирования переменного электрического тока, выпрямитель для выпрямления сгенерированного переменного электрического тока в первый постоянный ток, имеющий первое напряжение постоянного тока, и повышающий преобразователь для повышения первого постоянного напряжения постоянного тока до второго напряжения постоянного тока, которое выше, чем первое напряжение постоянного, при этом сеть напряжения постоянного тока включает в себя шину и множество соединений линий, и при этом второе напряжение постоянного тока подается в сеть напряжения постоянного тока ветряной фермы.
Недостатками прототипа являются низкая надежность и эффективность, обусловленные тем, что повышающие преобразователи ветряных турбин для повышения первого постоянного тока до второго постоянного тока, должны содержать последовательно соединенные многофазный DC/AC инвертор, повышающий трансформатор, AC/DC выпрямитель, сглаживающий фильтр. Данное обстоятельство, увеличивает число преобразований электрической энергии и соответственно повышает потери при преобразовании, а значительная протяженность сети напряжения постоянного тока, включающей в себя шину и множество соединений линий, неисправность в которых может привести к прекращению генерации ветряной фермы.
Указанные недостатки прототипа определяют решаемые заявляемым изобретением проблемы, к основной задаче изобретения относится создание ветряной электростанции, обладающей высокой надежностью, улучшенными массогабаритными показателями ветроэнергетических установок и высокой эффективностью преобразования.
Технический результат, на достижение которого направлено заявляемое изобретение, заключается в повышении надежности ветряной электростанции.
При этом достигается увеличение эффективности преобразования, сохранение статической устойчивости генерации при переходных процессах и глубоких просадках напряжения сети, уменьшение массы оборудования, размещенного в гондоле и башне ветроэнергетических установок.
Указанный технический результат достигается тем, что в ветряной электростанции, содержащей, по меньшей мере две ветряные турбины для выработки электроэнергии, каждая из которых содержит генератор для генерирования переменного электрического тока и общее устройство подачи выработанной электроэнергии или ее части в сеть электропитания, новым является то, что в общее устройство подачи дополнительно введены по меньшей мере, две секции шин постоянного тока, два входных модуля, два выходных модуля и модуль управления, при этом выход генератора переменного электрического тока каждой ветряной турбины соединен через один из входов общего устройства подачи с входом соответствующего входного модуля, выполненного в виде последовательно соединенных согласующего трансформатора, выпрямителя переменного тока, датчика постоянного тока, аппарата защиты постоянного тока, выход каждого входного модуля соединен с секцией шин постоянного тока, а к секции шин постоянного тока подключен вход выходного модуля, выполненного в виде последовательно соединенных коммутатора постоянного тока, автономного сетевого инвертора, повышающего трансформатора, первого блока фазных датчиков тока и напряжения, коммутатора переменного тока, второго блока фазных датчиков тока и напряжения, а выход выходного модуля через выход общего устройства подачи и линию электропередачи соединен с сетью электропитания.
Рационально в ветряной электростанции в входном модуле, выход выпрямителя переменного тока соединять с входом датчика постоянного тока через сглаживающий фильтр.
Целесообразно в ветряной электростанции в выходном модуле повышающий трансформатор и первый блок фазных датчиков тока и напряжения соединять через фильтр электромагнитной совместимости.
В одном из вариантов выполнения в ветряной электростанции можно применить выпрямители переменного тока, выполненные с последовательным соединением мостов.
Рационально в ветряной электростанции цепи последовательного соединения мостов выпрямителей переменного тока, объединять в общую электрически нейтральную цепь постоянного тока (М +).
Целесообразно в ветряной электростанции снабжать секции шин постоянного тока дополнительной электрически нейтральной шиной постоянного тока (М +).
Рекомендуется в ветряной электростанции к секции шин постоянного тока подключать по меньшей мере один блок конденсаторов.
В ветряной электростанции в одном из вариантов выполнения модуль управления соединен с выходом датчика постоянного тока и с входом и выходом автономного сетевого инвертора.
Целесообразно в ветряной электростанции выходы первого и второго блока фазных датчиков тока и напряжения соединять с входами автономного сетевого инвертора.
Рекомендуется в ветряной электростанции к секции шин постоянного тока подключать минимум один аккумуляторный накопитель электрической энергии мегаваттного класса, состоящий из двух последовательно соединенных накопителей.
Повышение надежности ветряной электростанции обеспечивается за счет применения гибкой структуры, в которой ветровые турбины объединены в группы, выработанная энергия которых преобразуется входным модулем, суммируется на секциях шин постоянного тока и подается выходным модулем в сеть с обеспечением резервирования и автоматического переключения при аварийных режимах.
Увеличение эффективности преобразования обеспечивается за счет осуществления автономными сетевыми инверторами максимально эффективного отбора мощности (МРРТ) от групп ветряных турбин, создание общей электрической нейтрали постоянного тока (М+), позволяет применять RB-IGBT модули с трехуровневой топологией в автономных сетевых инверторах, которые снижают потери при переключении, расширяют спектральный состав выходного напряжения, улучшают фильтрацию и качество выработанной электроэнергии.
Сохранение статической устойчивости генерации при переходных процессах и глубоких просадках напряжения сети обеспечивается за счет суммарной емкостной энергии блоков конденсаторов большой емкости, конденсаторов сглаживающих LC-фильтров ветроэнергетических установок и емкостных аккумуляторных накопителей электрической энергии мегаваттного класса, формирующих общую буферную мощность.
Уменьшение массы ветроэнергетических установок осуществляется за счет переноса основного электрооборудования ветроэнергетических установок в общее устройство подачи (комплексную электроустановку), расположенную в наземной геометрически центральной части ветряной электростанции.
Технический результат предлагаемого изобретения достигаются за счет создания новой структуры ветряной электростанции, основанной на принципах построения распределительных устройств электроустановок. Формирование основных принципов построения распределительных устройств наилучшим образом подходят для решения подобной задачи.
Компоновка и принципы построения электроустановок и комплексных распределительных устройств наиболее подходят для создания новой структуры ветряной электростанции и устраняет целый ряд недостатков у существующих ветряных электростанций (ВЭС) и ветропарков (ВП)
Очевидными достоинствами подобной схемы является полное исключение технических решений, содержащих значительное количество генерирующих инверторов или генераторов с трансформаторами среднего напряжения работающих параллельно, за счет централизации всей генерации в автономных сетевых инверторах повышенной мощности, преобразующих электрическую энергию постоянного тока в трехфазный переменный ток, который повышается посредством повышающих трансформаторов, до величины сетевого напряжения, фильтруется фильтрами электромагнитной совместимости и через коммутаторы переменного тока и линию электропередачи отдается в сеть. Большая мощность автономных сетевых инверторов централизует преобразование, обеспечивает статическую устойчивость генерации, является микропроцессорной быстродействующей защитой повышающих разделительных трансформаторов и повышает общую надежность ветряной электростанции.
Заявляемое изобретение поясняется чертежами, где:
на фиг. 1 - представлена обобщенная электрическая схема ветряной электростанции с оптимальным вариантом подключения к региональной сети электропитания,
на фиг. 2 - изображена схема управляющих связей между компонентами ветряной электростанции, где направление управляющих воздействий и направление потоков информации показаны стрелками,
на фиг. 3 - отображена электрическая схема соединения выпрямителя переменного тока с последовательным соединением мостов и сглаживающего фильтра,
на фиг. 4 - показана электрическая схема с аппаратами защиты и блоком конденсаторов,
на фиг. 5 - представлена электрическая схема соединения аккумуляторного накопителя электрической энергии мегаваттного класса с шинами секции постоянного тока,
на фиг. 6 - изображена диаграмма переключения ШИМ на основе RB-IGBT модулей с обратной запирающей способностью (технология с фиксированной нейтральной точкой и трехуровневой топологией), за один период восемь сигналов с уровнем сигнала 1/2. Результирующая выходная мощность имеет три уровня (0, 1/2 и 1 — полная мощность) и профиль, более близкий к синусоидальному, чем в двухуровневой топологии,
на фиг. 7 - представлена диаграмма переключения ШИМ на основе RB-IGBT модулей с обратной запирающей способностью (технология с фиксированной нейтральной точкой и трехуровневой топологией), за один период шестнадцать сигналов с уровнем сигнала 1/2. Результирующая выходная мощность имеет три уровня (0, 1/2 и 1 — полная мощность) и профиль, более близкий к синусоидальному, чем в двухуровневой топологии.
Ветряная электростанция содержит, четыре ветряные турбины 1, 2, 3, 4, для выработки электроэнергии, каждая из которых содержит генератор 5, 6, G, для генерирования переменного электрического тока и общее устройство подачи 7 выработанной электроэнергии или ее части в сеть электропитания. В общее устройство подачи 7 дополнительно введены по меньшей мере; две секции шин постоянного тока 10, 11, два входных модуля 12, 13, три выходных модуля 14, 15, 16 и модуль управления 17 (фиг.2). Выход генератора 5 переменного электрического тока ветряной турбины 1 соединен через один из входов 8 общего устройства подачи 7 с входом соответствующего входного модуля 12, выполненного в виде последовательно соединенных согласующего трансформатора 18, выпрямителя переменного тока 19, датчика постоянного тока 21 и аппарата защиты постоянного тока 22. Выход входного модуля 12 соединен с первой секцией шин постоянного тока 10, к которой подключен вход выходного модуля 14, выполненного в виде последовательно соединенных коммутатора постоянного тока 23, автономного сетевого инвертора 24, повышающего трансформатора 25, первого блока фазных датчиков тока и напряжения 27, коммутатора переменного тока 28 и второго блока фазных датчиков тока и напряжения 29. Выход выходного модуля 14 через выход 30 общего устройства подачи 7 и линию электропередачи 31 соединен с сетью электропитания 33.
Цепи электрического соединения 34 и 35 генераторов 5 и 6 двух ветряных турбин 1 и 4 с входами 8 и 9 общего устройства подачи 7 и всех остальных ветряных турбин ветряной электростанции могут быть выполнены, например, в виде силовых электрических кабелей с номинальным напряжением в диапазоне от 3кВ до 75 кВ, (75 кВ - это максимальное номинальное напряжение синхронных генераторов, например, ТВМ – 500), при этом общее устройство подачи расположено в геометрически центральной части ветряной электростанции. Например, ветряные турбины находящиеся ближе к общему устройству подачи 7 могут иметь номинальную величину выходного напряжения генераторов равную 3 кВ, а ветряные турбины, расположенные на значительном расстоянии, номинальную величину выходного напряжения 75 кВ, в приоритетном варианте все генераторы 5, 6 и т.д., всех ветряных турбин электростанции имеют номинальное напряжение 75 кВ, при этом за счет высокого напряжения снижаются внутренние потери ветряной электростанции.
Входные модули 12, 13 ветряных турбин 1 и 4 для упрощения схемы показаны более подробно, эти детали повторяются для всех остальных ветряных турбин 2, 3 и т.д. ветряной электростанции и имеют аналогичную последовательность электрического соединения элементов.
В предпочтительном варианте выполнения, во входных модулях 12 и 13 выходы выпрямителей переменного тока 19 и 37 соединены с входами датчиков постоянного тока 21 и 39 через сглаживающие фильтры 20 и 38.
Общее устройство подачи 7 по своей сути является электроустановкой, расположенной в геометрическом центре ветряной электростанции для отдачи генерируемой электрической энергии в сеть электропитания. Общее устройство подачи имеет в приоритетном варианте исполнения три выходных модуля 14, 15, 16, выходы которых подключены к выходам 30, 57, 48, общего устройства подачи 7.
Целесообразно в ветряной электростанции в выходных модулях 14, 15, 16, повышающие трансформаторы 25, 52, 43 и, соответственно, первые блоки фазных датчиков тока и напряжения 27, 54, 45, соединять через фильтры электромагнитной совместимости 26, 53, 44.
Выход генератора 6 переменного электрического тока ветряной турбины 4, соединен с помощью силового электрического кабеля 35 с входом 9 общего устройство подачи 7 и входом соответствующего входного модуля 13, выполненного в виде последовательно соединенных согласующего трансформатора 36, выпрямителя переменного тока 37, сглаживающего фильтра 38, датчика постоянного тока 39, аппарата защиты постоянного тока 40. Выход входного модуля 13 соединен со второй секцией шин постоянного тока 11, к которой подключен вход выходного модуля 16, выполненного в виде последовательно соединенных коммутатора постоянного тока 41, автономного сетевого инвертора 42, повышающего трансформатора 43, фильтра электромагнитной совместимости 44, первого блока фазных датчиков тока и напряжения 45, коммутатора переменного тока 46, второго блока фазных датчиков тока и напряжения 47, а выход выходного модуля 16 через выход 48 общего устройства подачи 7 и линию электропередачи 49 соединен с сетью электропитания 33.
Два выходных модуля 14 и 16 описаны выше, а третий выходной модуль 15, состоит из коммутатора постоянного тока 61, подключенного к шинам первой секции постоянного тока 10, коммутатора постоянного тока 62, подключенного к объединяющей цепи аккумуляторных накопителей электрической энергии мегаваттного класса 66, 67 и коммутатора постоянного тока 63, подключенного к шинам второй секции постоянного тока 11. Выходы коммутаторов постоянного тока 61, 62, 63, соединены с входом автономного сетевого инвертора 51, далее с последовательно соединенными повышающим трансформатором 52, фильтром электромагнитной совместимости 53, первым блоком фазных датчиков тока и напряжения 54, коммутатором переменного тока 55, вторым блоком фазных датчиков тока и напряжения 56, и через выход 57 общего устройства подачи 7 и линию электропередачи 58, третий выходной модуль 15 соединен с сетью электропитания 33.
Линии электропередачи 31, 58, 49, могут быть выполнены в виде воздушных линий с номинальным напряжением 110 кВ или 220 кВ. Коммутаторы переменного тока 32, 59, 50, соединяющие линии электропередачи 31, 58, 49, с сетью электропитания 33, расположены на стороне сети и управляются (фиг. 1, 2) сетевым оператором 68.
Данный вариант схемы электрического соединения ветряной электростанции с региональной сетью электропитания является наиболее рациональным и надежным, так как обеспечивает полноценное резервирование (фиг. 1) и упрощает вывод в ремонт и ввод в эксплуатацию оборудования ветряной электростанции.
Все ветряные турбины разделены на группы 69, 70, при этом каждая группа ветряных турбин электрически связана с одной секцией шин постоянного тока 10 и 11.
В приоритетном варианте (фиг. 1), группа 69 ветряных турбин 1 и 2 электрически связана с первой секцией шин постоянного тока 10, а группа 70 ветряных турбин 3 и 4 электрически связана со второй секцией шин постоянного тока 11.
Достоинством электрической схемы с шинами постоянного тока является разделение этих шин на две секции постоянного тока первую 10 и вторую 11. Разделение и соединение шин первой 10 и второй 11 секции постоянного тока осуществляется с помощью коммутаторов постоянного тока 60, 61, 62, 63, 64, 65, которые необходимы для обеспечения различных режимов работы ветряной электростанции и подключения к секциям шин постоянного тока аккумуляторных накопителей электрической энергии мегаваттного класса 66, 67. Также создаются возможности суммирования их емкостей, что увеличивает функциональность при различных режимах работы ветряной электростанции, обеспечивает гибкую систему управления и позволяет производить техническое обслуживание и ремонт электрооборудования, аккумуляторных накопителей электрической энергии мегаваттного класса и линий электропередач без отключения генерации ветряной электростанции, что значительно повышает ее надежность и упрощает эксплуатацию.
Коммутатор постоянного тока 65 необходим для суммирования или разделения емкостного заряда аккумуляторных накопителей электрической энергии мегаваттного класса 66 и 67 в зависимости от режима работы ветряной электростанции и осуществляет возможность заряда накопителей от шин первой 10 или второй 11 секций постоянного тока.
Коммутаторы постоянного тока 61, 63, необходимы для подключения автономного сетевого инвертора 51 к шинам первой 10 или второй 11 секции постоянного тока, а коммутатор постоянного тока 62 служит для подключения автономного сетевого инвертора 51 к объединяющей цепи аккумуляторных накопителей электрической энергии мегаваттного класса 66 и 67. Автономный сетевой инвертор 51 по существу является резервным и обеспечивает резервирование генерации при неисправности и отключении автономных сетевых инверторов 24 или 42, а также при переходных режимах работы электростанции.
Переключение коммутаторов постоянного тока 60, 61, 62, 63, 64, 65 позволяет объединять шины секции постоянного тока 10, 11 для суммирования мощностей всех работающих генераторов 5, 6, G и т.д. всех ветряных турбин 1, 2, 3, 4 электростанции, что обеспечивает возможность перераспределения этой суммарной мощности между автономными сетевыми инверторами 24, 51, 42 формируя резервирование генерации. При необходимости можно разделить мощности генераторов 5, 6, ветряных турбин 1, 2, 3, 4, на две равные группы 69 и 70, в периоды режимов нестабильной работы сети, при этом создаются две независимые гальванически развязанные схемы генерации – выходной модуль 14 с автономным сетевым инвертором 24 и выходной модуль 16 с автономным сетевым инвертором 42, а выходной модуль 15 с автономным сетевым инвертором 51 может быть подключен к шинам первой 10 или второй 11 секции постоянного тока или к объединяющей цепи аккумуляторных накопителей электрической энергии мегаваттного класса 66 и 67, что также повышает общую надежность работы ветряной электростанции.
Коммутаторы постоянного тока 23, 41, 60, 61, 62, 63, 64, 65, могут быть выполнены в приоритетном варианте в виде масляных или вакуумных выключателей.
Согласующие трансформаторы 18, 36 входных модулей 12, 13 осуществляют сдвиг линейных напряжений вторичных обмоток трансформатора на 300 электрических градусов, изменяют напряжение генераторов 5, 6 переменного тока ветряных турбин 1, 4, с различной величиной напряжения до номинального, являясь согласующими элементами электростанции, и допускают использование на одной ветряной электростанции ветряных турбин различных производителей со своими системами электромеханического управления скоростью вращения и моментами силы на валах генераторов. При этом роторы генераторов 5, 6 могут вращаться хаотично с разными скоростями. Кроме того, согласующие трансформаторы 18, 36 осуществляют гальваническую развязку между генераторами 5, 6, ветряных турбин 1, 4 и автономными сетевыми инверторами 24, 51, 42, обеспечивая статическую устойчивость генерации при неисправностях и ошибках регулирования скорости вращения роторов генераторов 5, 6, исключают отрицательное воздействие аварийных режимов при коротких замыканиях в электрической цепи ветряных турбин (генератор, силовой электрический кабель), благодаря чему повышается надежность функционирования ветряной электростанции. Выход из строя или снижение скорости вращения роторов генераторов 5, 6 любой ветряной турбины 1, 2, 3, 4 электростанции или неисправность в одном из входных модулей 12, 13 этих ветряных турбин предлагаемой ветряной электростанции ведет только к снижению выходной мощности генерации электростанции на мощность генератора этой ветряной турбины. Это способствует повышению общей надежности работы ветряной электростанции.
Выпрямители переменного тока с последовательным соединением мостов 19, 37 (фиг. 1, 3), входящие в состав входных модулей 12, 13, преобразуют переменный ток выходов 75, 76 вторичных обмоток согласующих трансформаторов 18, 36 (одна обмотка 75 соединена в «треугольник», вторая обмотка 76 соединена в «звезду»), в выпрямленное постоянное двенадцатипульсное напряжение, которое затем сглаживается с помощью сглаживающих фильтров (например, LC-фильтров) 20, 38, при этом снижаются пульсации и улучшается гармонический состав (фиг. 3) выходного напряжения и тока на выходе 77.
На фиг. 2 изображена схема управляющих связей между компонентами ветряной электростанции, где направление управляющих воздействий и направление потоков информации показаны стрелками.
С модуля управления 17 ветряной электростанции осуществляется дистанционное управление коммутаторами постоянного тока 23, 60, 61, 62, 63, 64, 65, 41 для оперативных переключений, а также осуществляется мониторинг параметров работы и управление регулирующими механизмами ветряных турбин 1, 2, 3, 4, их генераторов 5, 6, и величины выпрямленного и сглаженного постоянного тока каждого генератора ветряной турбины электростанции, поступающего на секции шин постоянного тока 10, 11, а также аккумуляторных накопителей электрической энергии мегаваттного класса 66, 67 и автономных сетевых инверторов 24, 51, 42. Информацию о значениях основных текущих параметров работы ветряной электростанции модуль управления 17 через управляющую шину 78 передает сетевому оператору 68. Сетевой оператор 68 управляет коммутаторами переменного тока 32, 59, 50, находящимися в точке подключения ветряной электростанции к региональной сети электропитания 33.
К выходам (фиг. 1, 2, 3) сглаживающих фильтров 20, 38 на плюсовом полюсе подключены датчики постоянного тока 21, 39, выходы которых подключены к входам модуля управления 17. Модуль управления 17 управляет основными элементами общего устройства подачи (электроустановки) 7 и всеми ветряными турбинами 1, 2, 3, 4, получает и передает текущие потоки информации через управляющую шину 78. Модуль управления 17 суммирует значения постоянного тока датчиков токов 21 группы 69 ветряных турбин 1, 2, питающих первую секцию шин постоянного тока 10 и через управляющую шину 78 отправляет значение суммы токов на вход автономного сетевого инвертора 24 для осуществления максимально эффективного отбора мощности (МРРТ). Аналогично модуль управления 17 суммирует значения постоянного тока датчиков токов 39 группы 70 ветряных турбин 3, 4, питающих вторую секцию шин постоянного тока 11 и через управляющую шину 78 передает значение суммы токов на вход автономного сетевого инвертора 42 для осуществления максимально эффективного отбора мощности (МРРТ), тем самым повышает общую эффективность преобразования.
Рациональным техническим решением (фиг. 1, 3), является электрическое соединение цепей последовательного соединения мостов, каждого выпрямителя переменного тока 19, 37 и объединение их в общую электрически нейтральную цепь постоянного тока (М +). Объединение всех нейтральных цепей выпрямителей переменного тока 19, 37 осуществляется через аппараты защиты постоянного тока 22, 40 на нейтральной шине (фиг. 3, 4, 5) постоянного тока (М +), входящей в состав шин первой 10 и второй 11 секций постоянного тока.
Это техническое решение позволяет в автономных сетевых инверторах 24, 51, 42 использовать новые RB-IGBT модули с обратной запирающей способностью.
В статье Даниеля Хофманна (Daniel Hofmann) «Основное отличие между стандартными IGBT и RB-IGBT — обратная запирающая способность», опубликованном в журнале Силовая Электроника, № 4’2013 сформулирована основная задача силовой электроники - обеспечение высокой эффективности преобразования энергии и снижение потерь мощности. Развитие трехуровневых инверторов, создание технологии фиксированной нейтральной точки является одним из важнейших шагов в повышении эффективности преобразования. Одной из наиболее эффективных конфигураций преобразователей мощности для устройств постоянного тока может быть выделена многоуровневая топология, а наиболее распространенным решением для повышения ее эффективности является трехуровневый преобразователь с топологией Neutral-Point-Clamped (NPC). Трехуровневая топология позволяет снизить потери на переключении, уменьшить размеры фильтра путем расширения спектрального состава выходного напряжения и увеличения частоты переключения. Благодаря тому, что только половина постоянного напряжения передается от выхода до нейтральной точки (M+), требуются кристаллы RB-IGBT с меньшим классом напряжения. Применение RBIGBT-кристаллов в режиме двунаправленного переключения приводит к снижению потерь при коммутации и повышает эффективность преобразования.
На фиг. 6 изображена диаграмма переключения ШИМ на основе RB-IGBT модулей с обратной запирающей способностью (технология с фиксированной нейтральной точкой и трехуровневой топологией) за один период восемь сигналов с уровнем сигнала 1/2. Результирующая выходная мощность имеет три уровня (0, 1/2 и 1 — полная мощность) и профиль, более близкий к синусоидальному, чем в двухуровневой топологии.
На фиг. 7 представлена диаграмма переключения ШИМ на основе RB-IGBT модулей с обратной запирающей способностью (технология с фиксированной нейтральной точкой и трехуровневой топологией) за один период шестнадцать сигналов с уровнем сигнала 1/2. Результирующая выходная мощность имеет три уровня (0, 1/2 и 1 — полная мощность) и профиль, более близкий к синусоидальному, чем в двухуровневой топологии.
Это решение снижает потери на переключение, уменьшает размеры фильтров электромагнитной совместимости 26, 53, 44, снижает потери на проводимости, улучшает качество синусоиды и повышает эффективность преобразования.
Аппараты защиты постоянного тока 22, 40 служат для защиты шин постоянного тока первой 10 и второй 11 секций при неисправности и от коротких замыканий в выпрямителях переменного тока 19, 37 (с последовательным соединением мостов) и в сглаживающих фильтрах 20, 38 и повышают надежность генерации. Аппараты защиты 22, 40 могут быть выполнены (фиг. 1, 4) в виде трехполюсных автоматических выключателей, масляных выключателей или вакуумных выключателей.
К входам автономных сетевых инверторов 24, 51, 42, соответственно подключены (фиг. 1, 2) выходы первых блоков фазных датчиков тока и напряжения 27, 54, 45, а также соответственно выходы вторых блоков фазных датчиков тока и напряжения 29, 56, 47 со стороны сети электропитания 33. Первые и вторые блоки фазных датчиков тока и напряжения 27, 54, 45 и 29, 56, 47 необходимы для синхронизации автономными сетевыми инверторами 24, 51, 42 фазного переменного напряжения по частоте и напряжению выходов повышающих трансформаторов 25, 52, 43 после фильтров электромагнитной совместимости 26, 53, 44 с переменным напряжением региональной сети электропитания 33 через соответствующие линии электропередачи 31, 58, 49 и обеспечивают измерение мгновенных значений токов каждой фазы и фазных напряжений вторичных обмоток повышающих трансформаторов 25, 52, 43, при генерации электрической энергии в сеть. Это необходимо для формирования следующих функций автономных сетевых инверторов 24, 51, 42 - управления мощностью генерации, мониторинга и защиты повышающих трансформаторов 25, 52, 43. Автономные сетевые инверторы 24, 51, 42, (фиг. 1, 2) управляют соответствующими коммутаторами переменного тока 28, 55, 46 для автоматического включения в параллельную работу при достижении синхронизации выходов фильтров электромагнитной совместимости 26, 53, 44 с региональной сетью электропитания 33, тем самым включают в параллельную работу повышающие трансформаторы 25, 52, 43 и сетевой трансформатор (на рисунке не показан) региональной сети электропитания 33.
Автономные сетевые инверторы 24, 51, 42 рационально выполнять с индивидуальным управлением каждой фазой, что позволяет передавать преобразованную энергию в наиболее нагруженную фазу сети, выравнивать электрическую нейтраль сетевого трансформатора (на рисунках не показан) и уменьшать асимметрию, тем самым повышается надежность ветряной электростанции и качество переменного тока региональной сети электропитания 33.
Кроме того, (фиг. 1, 4) параллельно к шинам постоянного тока первой 10 и второй 11 секций, через аппараты защиты постоянного тока 71, 73, например, предохранители, подключены блоки конденсаторов 72 и 74 большой емкости (преимущественно, ионисторы). В блоке каждый конденсатор 79 может подключаться через свои силовые предохранители 80, 81, что обеспечивает селективность защиты и надежность генерации и минимизирует негативные эффекты при коротком замыкании в неисправном конденсаторе. Блоки конденсаторов 72, 74, снижают содержание гармоник и уменьшают пульсацию выпрямленного напряжения вращающихся с разной скоростью роторов генераторов 5, 6 переменного тока ветряных турбин 1, 2, 3, 4. Суммарная емкость блоков конденсаторов 72, 74 и конденсаторов сглаживающих фильтров 20, 38, подключенных параллельно к первой и второй секции шин постоянного тока 10, 11, формирует буферную емкостную мощность при переходных процессах и небольших по времени (порядка нескольких секунд) просадках напряжения сети, обеспечивая статическую устойчивость генерации автономных сетевых инверторов 24, 51, 42, входящих в состав выходных модулей 14, 15, 16. Такое решение повышает надежность работы электростанции.
Рационально к первой 10 и второй 11 секциям шин постоянного тока подключать аккумуляторные накопители электрической энергии мегаваттного класса 66, 67. Это увеличивает надежность ветряной электростанции, позволяет накапливать часть преобразованной электрической энергии и отдавать ее в сеть, добавляя к текущей генерируемой мощности от ветряных турбин в пиковые периоды сетевой нагрузки. При этом формируется значительная буферная емкостная мощность при переходных процессах и глубоких просадках напряжения сети и обеспечивается дополнительная статическая устойчивость генерации автономных сетевых инверторов 24, 51, 42 выходных модулей 14, 15, 16. При этом значительно увеличивается надежность работы ветряной электростанции.
Аккумуляторные накопители электрической энергии мегаваттного класса 66, 67, значительно снижают вероятность негативных последствий разбалансировки региональной сети электропитания 33 при уменьшении скорости ветрового потока и резком прекращении генерации ветряной электростанции от ветряных турбин, приводящих к выпадению значительной генерирующей мощности. При этом энергия емкостного заряда аккумуляторных накопителей электрической энергии мегаваттного класса 66, 67, преобразованная автономными сетевыми инверторами, сохраняет устойчивую генерацию ветряной электростанции без уменьшения ее мощности на определенный период времени и дает возможность сетевому оператору 68 (фиг.2) региональной сети электропитания произвести необходимые переключения и подготовить другие источники электрической энергии для замещения выпадающей мощности, тем самым исключить аварийные отключения потребителей, приводящих к общей разбалансировке системы региональной сети электропитания 33.
Целесообразно применять (фиг. 5) аккумуляторный накопитель электрической энергии мегаваттного класса 66, состоящий из двух последовательно соединенных и равнозначных по техническим характеристикам накопителей 82 и 83. Цепь последовательно соединенных данных накопителей электрической энергии является электрической нейтралью 84 постоянного тока этого аккумуляторного накопителя электрической энергии мегаваттного класса. Это техническое решение (фиг. 1) позволяет осуществлять питание автономных сетевых инверторов 24, 51, 42 от емкостного заряда аккумуляторных накопителей электрической энергии мегаваттного класса 66, 67 для формирования автономными сетевыми инверторами 24, 51, 42 выходного сигнала ШИМ (фиг. 6, 7) с трехуровневой топологией. Результирующая выходная мощность имеет три уровня (0, 1/2 и 1 — полная мощность) и профиль, более близкий к синусоидальному, чем в двухуровневой топологии.
Предлагаемая структура ветряной электростанции снижает массу ветряных турбин и уменьшает эксплуатационные расходы за счет переноса всего электрооборудования из гондол и башен ветряных турбин в наземное здание общего устройства подачи (электроустановки), за исключением генераторов, а также исключает локальную распределительную сеть (коллекторную сеть), что повышает надежность работы станции.
Ветряная электростанция работает следующим образом.
В память модуля управления 17 ветряной электростанции заносятся параметры ветряных турбин 1, 2, 3, 4 и аккумуляторных накопителей электрической энергии мегаваттного класса 66, 67. В память блоков управления автономных сетевых инверторов 24, 51, 42 заносятся рабочие параметры повышающих трансформаторов 25, 52, 43, что с учетом защит региональной сети электроснабжения обеспечивает селективность и стабильную работу устройств региональной сети электропитания 33.
В исходном состоянии ветряной электростанции (фиг. 1, 2), включены аппараты защиты постоянного тока 22, 40 всех ветряных турбин 1, 2, 3, 4 электростанции и аппараты защиты постоянного тока 71, 73 блоков конденсаторов 72, 74.
Ветряные турбины 1, 2, 3, 4 (фиг.1) преобразуют кинетическую энергию начального ветрового потока в трехфазный переменный ток. Выходы переменного тока генераторов 5, 6 ветряных турбин, имеют номинальную величину напряжения 75 кВ, что позволяет за счет высокого напряжения уменьшить потери в силовых электрических кабелях 34, 35 и снизить внутренние электрические потери станции, тем самым повысить эффективность преобразования.
Преобразованный трехфазный переменный ток генераторов 5, 6 каждой ветряной турбины 1, 2, 3, 4 через электрические силовые кабели 34, 35, через входы 8, 9 общего устройства подачи 7 подается на входы согласующих трансформаторов 18, 36 входных модулей 12, 13, которые осуществляют сдвиг линейных напряжений вторичных обмоток трансформатора на 300 электрических градусов, понижают выходной трехфазный переменный ток генераторов с различной величиной напряжения до номинального и являются основными согласующими элементами. Согласование осуществляется на стадии проектирования путем подбора согласующих трансформаторов с расчетными коэффициентами трансформации, при этом осуществляется гальваническая развязка ветряных турбин 1, 2, 3, 4 с выпрямителями переменного тока 19, 37 и секциями шин постоянного тока 10, 11, что также способствует увеличению надежности функционирования ветряной электростанции.
Преобразованный пониженный переменный ток (фиг. 1, 3) подается на входы выпрямителей переменного тока 19, 37, выполненных, например, многоимпульсными с последовательным соединением мостов, содержащими по два 6-импульсовых мостовых выпрямителя, подключённых к вторичным обмоткам согласующих трансформаторов 18, 36. При этом одна трехфазная обмотка соединяется по схеме «треугольник», (выход 75), а другая трехфазная обмотка - по схеме «звезда», (выход 76). Вторичные обмотки трансформатора образуют две трёхфазные схемы со сдвигом фаз на 300 электрических градусов, выпрямители переменного тока с последовательным соединением мостов 19, 37 преобразуют переменный ток в постоянный пульсирующий ток, с улучшенным гармоническим составом выходного напряжения и тока. Последовательное соединение мостов формирует среднее значение выпрямленного напряжения холостого хода равное:
Ud = 4,68 E2 , где Ud - среднее значение выпрямленного напряжения, E2 – действующее значение фазного напряжения на вторичных обмотках трансформатора.
Например, для выпускаемых двенадцатипульсных выпрямителей с последовательным соединением мостов - ТПЕД-3150-3,3к–У1 (Тяговый Полупроводниковый с Естественным охлаждением на Диодах, номинальный ток нагрузки Idн = 3150 А, номинальное напряжение 3,3 кВ, климатическое исполнение для умеренного климата 1 категории), коэффициент полезного действия данного выпрямителя в номинальном режиме составляет не менее 0,996.
Выпрямленный (фиг.1, 3) пульсирующий двенадцатипульсный постоянный ток подается на вход сглаживающих фильтров 20, 38, выполненных, например, в виде LC-фильтров, которые сглаживают пульсацию выпрямленного напряжения, снижают содержание гармоник и обеспечивают защиту от скачков при краткосрочной потере мощности. Выходы 77 сглаживающих LC-фильтров 20, 38 на плюсовом полюсе снабжены датчиками постоянного тока 21, 39, показания которых (фиг. 2), через модуль управления 17 и шину управления 78, передаются на входы автономных сетевых инверторов 24, 51, 42 для мониторинга выходной мощности каждой ветряной турбины и поступающей суммарной мощности на каждую секцию шин постоянного тока 10 и 11.
Электрические цепи последовательного соединения мостов выпрямителей переменного тока 19, 37 (фиг. 1, 3), по отношению к положительному и отрицательному полюсам выходов этих выпрямителей переменного тока 19, 37 являются электрическими нейтралями постоянного тока ( + ). Сглаженный постоянный ток и цепи электрических нейтралей постоянного тока ( + ) через включенные силовые контакты аппаратов защиты постоянного тока 22, 40 коммутируется на шины первой 10 и второй 11 секций постоянного тока. Каждая секция шин (фиг. 4, 5) постоянного тока 10 и 11 содержит три шины: шину плюсового полюса (L+), шину минусового полюса (L-) и нейтральную шину постоянного тока (М+). Электрические цепи последовательного соединения мостов выпрямителей переменного тока 19, 37, а также всех ветряных турбин, через включенные аппараты защиты (фиг. 1, 4) постоянного тока 22, 40 формируют их электрическое объединение на нейтральной шине постоянного тока (М +).
Постоянный ток первой 10 и второй 11 секций шин постоянного тока, коммутируется (фиг. 1) через включенные аппараты защиты постоянного тока 71, 73 в емкостной заряд блоков конденсаторов 72, 74. Такое техническое решение ведет к дополнительным преимуществам предлагаемой ветряной электростанции, т.к. происходит суммирование энергии емкостей всех конденсаторов сглаживающих LC-фильтров 20, 38 всех ветряных турбин электростанции и емкостей блоков конденсаторов 72, 74, что уменьшает содержание гармоник, снижает пульсацию постоянного тока, допускает хаотичное (асинхронное) вращении роторов генераторов 5, 6, G ветряных турбин и формирует буферную мощность при непродолжительных просадках напряжения региональной сети, сохраняя статическую устойчивость генерации. Регулирование величины выходного постоянного тока (фиг. 2) каждой ветряной турбиной 1, 2, 3, 4 осуществляется оператором ветряной станции с помощью модуля управления 17 ветряной электростанции за счет электромеханического регулирования моментами давления ветровых потоков на ветряные турбины, что приводит к изменению скорости вращения роторов генераторов 5, 6 и соответственно, изменению величины выходного напряжения постоянного тока сглаживающих LC-фильтров 20, 38 по отношению к величине напряжения на секциях шин постоянного тока 10 и 11.
Это упрощает требования к системам электромеханического управления скоростью вращения и моментами силы на валах генераторов ветряных турбин, устраняет необходимость поддерживать синхронную работу генераторов или инверторов всех ветряных турбин и допускает исключение промежуточных редукторов (мультипликаторов), что дополнительно повышает надежность функционирования электростанции.
При возрастании скорости ветрового потока (фиг. 1), повышается величина напряжения выпрямленного постоянного тока на шинах секций постоянного тока 10 и 11, происходит заряд блоков конденсаторов 72 и 74 выше номинальной (например, выше 690 В) величины. Модуль управления 17 включает коммутаторы постоянного тока 60, 64, и воздействуя на органы управления ветряных турбин, плавно повышает напряжение на шинах первой 10 и второй 11 секций постоянного тока до величины напряжения (800 В) таким образом, чтобы величина зарядного тока аккумуляторных накопителей электрической энергии мегаваттного класса 66 и 67 не превышала расчетных значений. За счет электромеханического регулирования моментами давления ветровых потоков на ветряные турбины, ведущего к изменению скорости вращения роторов генераторов 5, 6 и в результате, к изменению величины выходного напряжения постоянного тока на шинах первой секции постоянного тока 10 от группы 69 ветряных турбин 1, 2 и на шинах второй секции постоянного тока 11 от группы 70 ветряных турбин 3, 4. Каждый аккумуляторный накопитель электрической энергии мегаваттного класса 66, 67 через свой вход/выход осуществляет регулируемый зарядный цикл до полного заряда от своей секции шин постоянного тока 10 и 11. Этот режим работы предлагаемой ветряной электростанции позволяет заряжать аккумуляторные накопители электрической энергии мегаваттного класса 66, 67, без использования зарядного контролера, упрощая конструкцию и значительно снижая стоимость самих систем хранения электрической энергии.
Возможен заряд аккумуляторных накопителей электрической энергии мегаваттного класса 66, 67 от одной из секции шин постоянного тока, для этого включается коммутатор постоянного тока 65, суммирующий емкости накопителей. А величину напряжения на шинах секции, с которой не осуществляется зарядный цикл, снижают до величины номинального напряжения (690 В).
После завершения зарядного цикла (фиг.2), по управляющим воздействиям с модуля управления 17 ветряной электростанции на ветряные турбины 1, 2, 3, 4 снижается скорость вращения роторов генераторов 5, 6, уменьшается величина напряжения постоянного тока и секций шин постоянного тока до номинальной величины (690 В). Номинальная величина напряжения секций шин постоянного тока 10, 11 соответствует величине напряжения полностью заряженных аккумуляторных накопителей электрической энергии мегаваттного класса 66, 67. Рационально при проектировании выбирать номинальное напряжение на шинах секций постоянного тока в диапазоне от 690 до 1500 В.
Сетевой оператор 68 включает (фиг. 1, 2) коммутаторы переменного тока региональной сети 32, 59, 50, подключает линии электропередач 31, 58, 49 к региональной сети электропитания 33, при этом сетевое трехфазное напряжение через линии электропередач 31, 58, 49 и вторые блоки фазных датчиков тока и напряжения 29, 56, 47 подается на выходы коммутаторов переменного тока 28, 55, 46.
Далее модуль управления 17 включает силовые коммутаторы постоянного тока 23, 61, 63, 41, объединяет шины первой 10 и второй 11 секций постоянного тока, питающие постоянным током автономные сетевые инверторы 24, 51, 42, преобразующие постоянный ток в трехфазный переменный ток, напряжение которого повышают посредствам повышающих трансформаторов 25, 52, 43. Повышающие разделительные трансформаторы 25, 52, 43 могут быть выполнены трехобмоточными, например, 0,69/35/220 кВ. Повышенное напряжение фильтруется с помощью фильтров электромагнитной совместимости 26, 53, 44, которое, соответственно, через первые блоки фазных датчиков тока и напряжения 27, 54, 45 подается на входы соответствующих коммутаторов переменного тока 28, 55, 46.
Автономные сетевые инверторы 24, 51, 42 (фиг. 1, 2), в соответствии с информацией о мгновенных значениях фазных напряжений, полученных соответственно от первых 27, 54, 44 и вторых блоков фазных датчиков тока и напряжения 29, 56, 47 со стороны сети, производят сравнение полученной информации, формируют управляющие воздействия для широтно-импульсной модуляции, синхронизируют выходы фильтров электромагнитной совместимости 26, 53, 44 с фазным напряжением региональной сети электропитания 33.
При достижении синхронизации блоки управления автономных сетевых инверторов 24, 51, 42 автоматически замыкают соответствующие коммутаторы переменного тока 28, 55, 46, включают в параллельную работу повышающие трансформаторы 25, 52, 43 через соответствующие линии электропередач 31, 58, 49, коммутаторы переменного тока 32, 59, 50 региональной сети соединяют с трансформатором (на рисунке не показан) региональной сети электропитания 33.
Затем автономные сетевые инверторы 24, 51, 42 повышают величину фазного напряжения своих выходов, тем самым увеличивают величину фазного выходного напряжения повышающих трансформаторов 25, 52, 43 и соответственно выходов фильтров электромагнитной совместимости 26, 53, 44 до уровня, превышающего сетевое напряжение, при этом образуется ток направленный в сторону сети, а преобразованная отфильтрованная электрическая энергия генераторов 5, 6, G ветряных турбин, через замкнутые контакты коммутаторов переменного тока 28, 55, 46, вторые блоки фазных датчиков тока и напряжения 29, 56, 47, выходы 30, 57, 48 общего устройства подачи 7, линии электропередач 31, 58, 49, и соответствующие коммутаторы переменного тока региональной сети 32, 59, 50, будет передаваться в региональную сеть электропитания 33.
Автономные сетевые инверторы в приоритетном варианте выполнены с индивидуальным управлением каждой фазой, что позволяет передавать преобразованную энергию в наиболее нагруженную фазу сети, выравнивая электрическую нейтраль сетевого трансформатора уменьшая асимметрию, и тем самым повысить качество переменного тока региональной сети электропитания.
При генерации (фиг. 1) электрической энергии в региональную сеть электропитания 33, повышается величина постоянного тока от ветряных турбин, определяемая датчиками постоянного тока 21, 39. Модуль управления 17 получает данные от датчиков постоянного тока 21, 39, (фиг. 2) всех ветряных турбин 1, 2, 3, 4, определяет их общую суммарную величину и параметры заряда аккумуляторных накопителей электрической энергии мегаваттного класса 66, 67. Модуль управления 17 через управляющую шину 78 перераспределят генерирующую мощность между автономными сетевыми инверторами 24, 51, 42 путем изменения значений постоянного тока для каждого инвертора в пределах суммарной величины общего постоянного тока, поступающего на секции шин постоянного тока. При этом образуется замкнутый контур регулирования мощности и формируется эффективный отбора мощности (МРРТ) от каждой группы 69 и 70 всех ветряных турбин 1, 2, 3, 4 и повышается общая эффективность преобразования ветряной электростанции.
Оптимально, чтобы автономные сетевые инверторы 24, 51, 42 были одинаковой мощности, которая должна соответствовать суммарной номинальной выходной мощности всех генераторов 5, 6, G переменного тока ветряных турбин, подключенных к шинам одной секции постоянного тока, соответственно секции шин постоянного тока 10 и 11 должны иметь равную подключаемую мощность.
Автономный сетевой инвертор 51 по своей сути является резервным и служит для автоматического резервирования генерации при аварийных отключениях сетевых инверторов 24 или 42 при коммутации емкостной электрической энергии емкостных накопителей электрической энергии мегаваттного класса 66, 67 в периоды пиковой сетевой нагрузки.
В нормальных режимах работы ветряной электростанции допускается с помощью автономного сетевого инвертора 51 выходного модуля 15 передавать преобразованную энергию только в наиболее нагруженную фазу сети, что способствует выравниванию электрической нейтрали сетевого трансформатора, уменьшению асимметрии и, в результате, повышению качества переменного тока региональной сети электропитания 33.
В периоды нестабильной работы сети (фиг.1, 2), модуль управления 17 включает коммутатор постоянного тока 65, объединяет заряд аккумуляторных накопителей электрической энергии мегаваттного класса 66, 67, замыкает коммутатор постоянного тока 62 и подключает сетевой инвертор 51 к цепи объединенных аккумуляторных накопителей электрической энергии мегаваттного класса 66, 67. Модуль управления 17, через управляющую шину 78 отправляет на вход автономного сетевого инвертора 24 значение суммы постоянного тока поступающего на первую секцию шин постоянного тока 10, а на вход автономного сетевого инвертора 42 передает значение суммы постоянного тока поступающего на вторую секцию шин постоянного тока 11 и распределяет генерирующую мощность всех ветряных турбин между двумя выходными модулями 14 и 16. Далее модуль управления 17 отключает коммутаторы постоянного тока 60, 61, 63, 64, разделяет общее соединение шин первой 10 и второй 11 секции постоянного тока и отключает аккумуляторные накопители электрической энергии мегаваттного класса 66, 67, от первой 10 и второй 11 секций шин постоянного тока. При этом создаются три параллельных независимых гальванически развязанных цепи генерации с подачей мощности в сеть за счет разделения мощностей ветряных турбин электростанции на две равные части, образуются две независимых цепи генерации, одна цепь - группа 69 всех ветряных турбин 1, 2, подключенных к первой 10 секции шин постоянного тока и автономный сетевой инвертор 24 (выходной модуль 14), вторая цепь - группа 70 всех ветряных турбин 3, 4, подключенных ко второй 11 секции шин постоянного тока и автономный сетевой инвертор 42 (выходной модуль 16), а также добавляется еще третья независимая параллельная цепь генерации с подачей мощности в сеть от заряда объединенных аккумуляторных накопителей электрической энергии мегаваттного класса 66, 67, через автономный сетевой инвертор 51 (выходной модуль 15), что обеспечивает высокую надежность работы ветряной электростанции.
Целесообразно в предлагаемой ветряной электростанции, применять аккумуляторные накопители электрической энергии мегаваттного класса 66, 67, это условие может стать обязательным для всей возобновляемой энергетики, так как повышает надежность работы электрических сетей при генерации и при отсутствии генерации, связанной с непостоянством первичной энергии возобновляемых источников энергии. Таким образом решается задача управления потоками появляющихся генерирующих мощностей или выпадающих генерирующих мощностей. Использование аккумуляторных накопителей электрической энергии мегаваттного класса, позволяет сохранять статически устойчивую генерацию и формировать сбалансированную систему снабжения электрической энергии.
Размещение аккумуляторных накопителей электрической энергии мегаваттного класса в здании общего устройства подачи (электроустановки) ветряной электростанции защищает накопители от вредных факторов окружающей среды (высокой или низкой температуры, влажности и т.д.), так как в конструкции аккумуляторных накопителей основными элементами являются аккумуляторы, работа которых основана на химических реакциях.
Кроме того, новая структура предлагаемой ветряной электростанции с интеграцией аккумуляторных накопителей электрической энергии мегаваттного класса, упрощает конструкцию самих накопителей, исключает из их конструкции мощные компоненты - зарядные контроллеры, генерирующие инверторы, фильтры, повышающие трансформаторы и т. д. Даже при наличии в конструкции зарядного контроллера значительно снижается общая стоимость аккумуляторных накопителей электрической энергии высокой мощности и соответственно себестоимость преобразованной электрической энергии от возобновляемых источников энергии.
При необходимости увеличения выходной мощности ветряной электростанции рационально при проектировании применять вариант с тремя воздушными линиями электропередачи, что обеспечивает взаимное резервирование, повышает надежность генерации и упрощает ремонт и техническое обслуживание оборудования.
Технические результаты достигаются созданием новой структуры ветряной электростанции, обеспечивающей:
- уменьшение массы ветряных турбин за счет переноса основного электрооборудования в общее устройство подачи (комплексную электроустановку), расположенную в наземной геометрически центральной части ветряной электростанции,
- увеличение эффективности преобразования за счет осуществления сетевыми инверторами максимально эффективного отбора мощности (МРРТ), от групп ветряных турбин, а также создание общей электрической нейтрали постоянного тока (М+), что позволяет применять RB-IGBT модули с трехуровневой топологией в автономных сетевых инверторах, которые расширяют спектральный состав выходного напряжения и снижают потери при переключении,
- сохранение статической устойчивости генерации при переходных процессах и глубоких просадках напряжения сети за счет суммарной емкостной энергии блоков конденсаторов большой емкости, конденсаторов сглаживающих фильтров и аккумуляторных накопителей электрической энергии мегаваттного класса, формирующих общую буферную мощность,
- повышение надежности осуществляется за счет упрощения систем управления ветряных турбин, гальванической развязки между генераторами ветряных турбин и генерирующими автономными сетевыми инверторами, статически устойчивой генерации за счет значительной буферной емкостной мощности и гибкой системы управления ветряной электростанции, а также за счет исключения из схемы ВЭС локальной распределительной сети (коллекторной сети) постоянного или переменного тока и большого количества генерирующих инверторов или генераторов с трансформаторами среднего напряжения работающих параллельно, за счет применения новой схемы объединения мощностей и централизации всей генерации в сетевых инверторах повышенной мощности.
Дополнительно в предлагаемом техническом решении присутствуют незаявленные сопутствующие преимущества - исключена функция синхронизации и параллельная работа генераторов или инверторов или трансформаторов среднего напряжения в зависимости от схемы суммирования мощности станции, включение и отключение коммутаторов постоянного и переменного тока ветряной электростанции и коммутаторов переменного тока региональной сети происходит без нагрузки, при этом повышается общий ресурс оборудования, создается возможность применения RB-IGBT модулей с трехуровневой топологией в сетевых инверторах, что ведет к уменьшению размеров фильтров электромагнитной совместимости, установленных между повышающими трансформаторами и первыми блоками фазных датчиков тока и напряжения, снижаются потери на проводимости, и улучшается качество синусоиды. При этом увеличивается число режимов работы ветряной электростанции и повышается общая функциональность, создается гибкая система управления. Значительно снижается стоимость аккумуляторных накопителей электрической энергии повышенной мощности, интегрированных в состав ветряной электростанции, исключаются из их конструкции мощные компоненты; зарядные контроллеры, генерирующие инверторы, фильтры, повышающие трансформаторы и т. д. Снижаются эксплуатационные расходы за счет централизации генерации и переноса всего электрооборудования ветряных турбин за исключением генераторов в наземное здание общего устройства подачи. Повышение качества переменного тока региональной сети электроснабжения достигается за счет того, что сетевые инверторы, выполненные с индивидуальным управлением каждой фазой, могут отдавать преобразованную энергию в наиболее нагруженную фазу сети, выравнивать электрическую нейтраль сетевого трансформатора, уменьшать его асимметрию.
Из приведенного выше описания заявляемого изобретения для каждого специалиста в данной области очевидна возможность его реализации, что позволяет считать его соответствующим условию патентоспособности и критерию "промышленная применимость".
Заявляемое изобретение способствует созданию ветряной электростанции, обеспечивающей повышение надежности генерации, улучшение массогабаритных показателей ветряных турбин, увеличение эффективности преобразования, сохранение статической устойчивости генерации при переходных процессах и глубоких просадках напряжения сети.
Перечень и наименования элементов.
1, 2, 3, 4 - Ветряные турбины
5, 6 - Генераторы
7 - Общее устройство подачи
8, 9 – Входы общего устройства подачи
10 – Первая секция шин постоянного тока
11 - Вторая секция шин постоянного тока
12, 13 – Входные модули
14, 15, 16 – Выходные модули
17 – Модуль управления
18, 36 - Согласующие трансформаторы
19, 37 - Выпрямители переменного тока
20, 38 - Сглаживающие фильтры
21, 39 - Датчики постоянного тока
22, 40, 71, 73 - Аппараты защиты постоянного тока
23, 41, 60, 61, 62, 63, 64, 65 - Коммутаторы постоянного тока
24, 42, 51 – Автономные сетевые инверторы
25, 43, 52 - Повышающие трансформаторы
26, 53, 44 - Фильтры электромагнитной совместимости
27, 54, 45 - Первые блоки фазных датчиков тока и напряжения
28, 55, 46, 32, 59, 50 - Коммутаторы переменного тока
29, 56, 47 - Вторые блоки фазных датчиков тока и напряжения
30, 57, 48 – Выходы общего устройства подачи
31, 58, 49 - Линии электропередачи
33 - Сеть электропитания
34, 35 - Электрические силовые кабели
66, 67 - Аккумуляторные накопители электрической энергии мегаваттного класса
68 – Сетевой оператор
69, 70 - Группы ветряных турбин
72, 74 - Блоки конденсаторов
75, 76 – Выходы согласующего трансформатора
77 – Выход сглаживающего фильтра
78 – Управляющая шина
79 – Конденсатор большой емкости (ионистор)
80, 81 – Предохранители
82, 83 - Накопители электрической энергии
84 – Цепь электрической нейтрали постоянного тока аккумуляторного накопителя электрической энергии мегаваттного класса
1. Ветряная электростанция, содержащая по меньшей мере две ветряные турбины для выработки электроэнергии, каждая из которых содержит генератор для генерирования переменного электрического тока и общее устройство подачи выработанной электроэнергии или ее части в сеть электропитания, отличающаяся тем, что в общее устройство подачи дополнительно введены по меньшей мере две секции шин постоянного тока, два входных модуля, два выходных модуля и модуль управления, при этом выход генератора переменного электрического тока каждой ветряной турбины соединен через один из входов общего устройства подачи с входом одного из входных модулей, выполненного в виде последовательно соединенных согласующего трансформатора, выпрямителя переменного тока, датчика постоянного тока, аппарата защиты постоянного тока, выход каждого входного модуля соединен с секцией шин постоянного тока, а к секции шин постоянного тока подключен вход выходного модуля, выполненного в виде последовательно соединенных коммутатора постоянного тока, автономного сетевого инвертора, повышающего трансформатора, первого блока фазных датчиков тока и напряжения, коммутатора переменного тока, второго блока фазных датчиков тока и напряжения, а выход выходного модуля через выход общего устройства подачи и линию электропередачи соединен с сетью электропитания.
2. Ветряная электростанция по п.1, отличающаяся тем, что во входном модуле выход выпрямителя переменного тока соединен с входом датчика постоянного тока через сглаживающий фильтр.
3. Ветряная электростанция по п.1, отличающаяся тем, что в выходном модуле повышающий трансформатор и первый блок фазных датчиков тока и напряжения соединены через фильтр электромагнитной совместимости.
4. Ветряная электростанция по п.1 или 2, отличающаяся тем, что выпрямители переменного тока выполнены с последовательным соединением мостов.
5. Ветряная электростанция по п.4, отличающаяся тем, что цепи последовательного соединения мостов выпрямителей переменного тока объединены в общую электрически нейтральную цепь постоянного тока (М +).
6. Ветряная электростанция по п.1, отличающаяся тем, что секции шин постоянного тока снабжены дополнительной электрически нейтральной шиной постоянного тока (М +).
7. Ветряная электростанция по п.1, отличающаяся тем, что к секции шин постоянного тока подключен по меньшей мере один блок конденсаторов.
8. Ветряная электростанция по п.1, отличающаяся тем, что модуль управления ветряной электростанции соединен с выходом датчика постоянного тока и входом и выходом автономного сетевого инвертора.
9. Ветряная электростанция по п.1, отличающаяся тем, что выходы первого и второго блока фазных датчиков тока и напряжения соединены с входами автономного сетевого инвертора.
10. Ветряная электростанция по п.1, отличающаяся тем, что к секции шин постоянного тока подключен по меньшей мере один аккумуляторный накопитель электрической энергии мегаваттного класса, состоящий из двух последовательно соединенных накопителей.
