Способ управления ветроэнергетическими установками

Использование: в области электротехники. Технический результат – повышение устойчивости работы сети. Согласно способу подачи электрической энергии в сеть электроснабжения (14) посредством ветроэнергетической установки (1) или ветрового парка (112) преобразуют кинетическую энергию ветра с переменной скоростью ветра в электрическую энергию посредством ветроэнергетической установки (1) или ветрового парка (112); подготавливают ветроэнергетическую установку (1) или ветровой парк (112) для подачи активной мощности (P) и реактивной мощности (Q) путем установки питающего устройства для подачи питания, при этом подаваемую реактивную мощность (Q) регулируют на основе скорости (V_W) ветра, причем увеличивают реактивную мощность (Q), если скорость (V_W) ветра превышает скорость (V_SA) ветра в начале шторма, представляющую собой скорость ветра, при которой ветроэнергетическую установку (1) или ветровой парк (112) дросселируют для их собственной защиты. 3 н. и 7 з.п. ф-лы, 4 ил.

 

Данное изобретение относится к способу подачи электрической энергии в сеть электроснабжения посредством ветроэнергетической установки или ветрового парка. Кроме того, данное изобретение относится к ветроэнергетической установке для подачи электрической энергии в сеть электроснабжения, и данное изобретение относится к ветровому парку для подачи электрической энергии в сеть электроснабжения.

Общеизвестно, что подача электрической энергии в сеть электроснабжения возможна посредством ветроэнергетической установки или посредством ветрового парка, содержащего несколько ветроэнергетических установок. Также известно, что ветроэнергетическая установка или ветровой парк ответственны не только за подачу энергии, но и за поддержание сети. Поэтому то, что принимается в данной заявке за сеть переменного тока, - это обычная сеть электроснабжения.

В качестве ранее опубликованного документа, в котором описано поддержание сети посредством ветроэнергетических установок, можно упомянуть, например, патент США № 6965174. В этом документе, между прочим, описано регулирование угла фазы при подаче энергии посредством ветроэнергетической установки. В более поздних документах, таких как патент США № 7638893, также описаны способы для ветрового парка.

Такие способы предусматривают оперативный контроль сети и - при необходимости - реагирование на изменения в сети. В настоящее время, доля ветровой энергии в сети существенно увеличилась, по меньшей мере, в некоторых государствах или регионах, так что подача энергии, а значит - и устойчивость сети, может все больше и больше зависеть от преобладающей ветровой обстановки. Эту проблему можно решить путем временного аккумулирования энергии. Однако такие системы временного аккумулирования могут оказаться дорогостоящими, а их количество зачастую недостаточно либо их нет вообще.

Поэтому в основу данного изобретения положена задача по решению, по меньшей мере, одной из вышеупомянутых проблем. В частности, предложено решение, которое улучшит поддержание (работы) сети еще больше посредством ветроэнергетических установок. Предложено и, по меньшей мере, одно альтернативное решение.

При проведении поиска по приоритетной заявке к данной PCT-заявке, Ведомство по патентам и товарным знакам Германии выявило следующие решения уровня техники: DE 10 2010 006 142 A1, US 6965174 B2, US 7638893 B2 и US 2011/014 114 A1.

В соответствии с изобретением, предложен способ по п.1 формулы изобретения.

Соответственно ему, электрическую энергию подают в сеть электроснабжения посредством ветроэнергетической установки или ветрового парка. Ветроэнергетическая установка или ветровой парк преобразует кинетическую энергию ветра в электрическую энергии. В данном случае предполагается, что ветер имеет переменную скорость ветра.

Учет скорости ветра основан на известных средних значениях, таких как среднее значение за 10 секунд, за 1 минуту или за 10 минут.

В отношении ветроэнергетической установки или ветрового парка также полагается, что она подготовлена для подачи активной мощности P и для подачи реактивной мощности Q.

В этом контексте, теперь предлагается регулировать реактивную мощность на основе скорости ветра. Это предложение основано на обнаружении того, что всякий раз, когда подаваемая энергия ветра доминирует в сети или на участке сети, условия сети могут зависеть от скорости ветра через такие параметры, как частота или амплитуда напряжения. Вместе с тем, ветроэнергетическая установка может влиять, по меньшей мере, на амплитуду напряжения посредством подачи реактивной мощности, и такая реактивная мощность, которую надлежит подать, зависит от скорости ветра, по меньшей мере, в гораздо меньшей степени, нежели активная мощность, которую можно подать. Если ветроэнергетическая установка работает в том числе и в так называемом «STATCOM-режиме», то она может подавать реактивную мощность независимо от скорости ветра, т.е. даже при безветрии.

Поэтому в соответствии с изобретением предлагается уже прогнозировать такие влияния на сеть и подавать реактивную мощность в зависимости от скорости ветра, чтобы таким образом непосредственно противодействовать подаче активной мощности в зависимости от скорости ветра или эффектам, являющимся ее следствием.

Реактивную мощность предпочтительно увеличивают, если упомянутая скорость ветра превышает скорость ветра в начале шторма. Такая скорость ветра в начале шторма представляет собой скорость ветра, при которой ветроэнергетическая установка или ветровой парк дросселируется для защиты ее самой. Если ветроэнергетических установок много, то их даже отключают в присутствии такой скорости ветра в начале шторма.

Это основано на известности того, что влияние скорости ветра на снабжение сети электроснабжения может оказаться громадным, особенно при сильном ветре, достигающем скорости штормовых ветров. Это значит, что влияние на условия в сети электроснабжения может оказаться сильнее, чем в случае ветров с малыми скоростями, при которых турбина или турбины эксплуатируются в диапазоне частичной нагрузки, т.е. при которых из-за слабого ветра подается мощность меньше номинальной. Это также основано на известности того, что скорость ветра может изменяться гораздо значительнее, чем при слабых ветрах. Соответственно, в таких штормовых ситуациях можно также ожидать больших изменений питающей мощности.

Конкретная проблема возникает, если ветроэнергетическая установка или ветровой парк либо соседствующие ветроэнергетические установки или ветровые парки отключают или если их, по меньшей мере, переключают в режим работы без подачи активной мощности, когда достигаются скорости штормовых ветров, поскольку в этом случае существует риск внезапного прекращения получения питающей мощности. Хотя прекращения получения подаваемой активной мощности обычно будет приводить главным образом к падению частоты, в частности тогда, когда дефицит мощности вызывает превышения спроса над предложением в сети, это может приводить и к падению напряжения. Его надлежит компенсировать путем подачи реактивной мощности. Это упреждающее увеличение реактивной мощности в случае шторма предотвращает вышеописанный эффект в сети.

Реактивную мощность в предпочтительном варианте дополнительно увеличивают при дальнейшем увеличении скорости ветра сразу же после достижения скорости ветра в начале шторма. Помимо этого, предложены аспекты, которые можно комбинировать, уменьшая реактивную мощность с падением скорости ветра при условии, что скорость ветра все еще выше скорости ветра в начале шторма. Эффекты, обуславливаемые изменениями в подаче активной мощности, связанными со штормом, можно учесть заранее, в частности, если подача активной мощности противодействует подаче реактивной мощности.

Для штормового диапазона предпочтительно задают непрерывный процесс подачи реактивной мощности. Штормовой диапазон - это диапазон, в котором скорость ветра находится между скоростью ветра в начале шторма и скоростью ветра в конце шторма. Скорость ветра в конце шторма - это скорость ветра, при которой ветроэнергетическая установка или ветровой парк прекращает подачу активной мощности в сеть электроснабжения, при этом поведение ветроэнергетической установки или ветрового парка полагается таким, которое приводит к дросселированию ветроэнергетической установки или ветрового парка в случае превышения скорости ветра в начале шторма, а не к ее немедленному отключению.

Поэтому предложено непрерывно увеличивать этот штормовой диапазон, или наоборот, непрерывно уменьшать реактивную мощность при изменении от скорости ветра в начале шторма до скорости ветра в конце шторма.

Тогда возникает ситуация, в которой реактивная мощность достигает, в частности, значения, являющегося максимальным, которое ветроэнергетическая установка или ветровой парк может подвести в качестве реактивной мощности, при скорости ветра в конце шторма. Упомянутое максимальное значение можно установить посредством подающих блоков, таких как инверторы ветроэнергетической установки или ветроэнергетических установок ветрового парка, и/или посредством максимальных токов, связанных с поперечными сечениями кабелей.

В соответствии с еще одним вариантом осуществления, в случае скоростей ветра, превышающих скорость ветра в начале шторма, в частности - в случае скоростей ветра, превышающих среднюю скорость штормового ветра, предложено выбирать реактивную мощность, которая по своему значению выше, чем номинальная мощность. За основу при этом берется номинальная активная мощность ветроэнергетической установки или ветрового парка, представляющая собой характеристический признак ветроэнергетической установки или ветрового парка. Cредняя скорость штормового ветра в данном случае - это скорость ветра, находящаяся в диапазоне между скоростью ветра в начале шторма и скоростью ветра в конце шторма и принимаемая, например, за среднее арифметическое значение этих двух скоростей ветра. В соответствии с этим вариантом осуществления, реактивная мощность при любых обстоятельствах должна быть выше, чем номинальная активная мощность, сразу же после того, как скорость ветра в конце шторма достигнута или, по меньшей мере, почти достигнута.

За основу при этом берется или - скорее - в качестве основы предлагается ветроэнергетическая установка, которая предназначена для подачи тока, который больше, чем питающий ток, достигаемый при подаче номинальной активной мощности. Такая конструкция также обеспечивает возможность подачи реактивной мощности в дополнение к номинальной активной мощности. В этом случае подают фиксированную мощность, которая превышает номинальную активную мощность. Этот вариант осуществления основан на известности того, что тогда, когда подается мало активной мощности или когда активная мощность не подается, конструкцию ветроэнергетической установки или ветрового парка можно использовать полностью для подачи реактивной мощности. Это обеспечивает возможность подачи реактивной мощности при большем значении, чем имевшее место при когда-либо осуществлявшейся подаче активной мощности.

Функцию реактивной мощности предпочтительно задают для подаваемой реактивной мощности для диапазона скорости ветра между скоростью ветра в начале шторма и скоростью ветра в конце шторма, и эта функция определяет связь между реактивной мощностью и скоростью ветра. Такую функцию реактивной мощности предпочтительно задают как полиномиальную функцию первого или второго порядка, т.е. как прямолинейную или параболическую функцию скорости ветра. В дополнительном или альтернативном варианте, ее можно предусмотреть как гистерезисную функцию, так что эта функция определяет, по меньшей мере - частично, другие значения реактивной мощности для таких же значений скоростей ветра в условиях усиливающегося ветра, как в условиях затихающего ветра. Полиномиальная функция как таковая гистерезисной функцией быть не может, но гистерезисную функцию можно определить, например, посредством двух полиномиальных функций второго порядка с разной параметризацией. Такие функции предпочтительно и используются, но возможно также использование других функций, например, таких как полиномиальные функции более высоких порядков, тригонометрические функции, такие как участки гармонической функции, или сплайн-функции, описывающие функциональную связь, которая описывается посредством нескольких опорных точек.

Помимо этого, в соответствии с изобретением предложена ветроэнергетическая установка для подачи электрической энергии в сеть электроснабжения, подготовленная для осуществления способа, соответствующего одному из описанных вариантов осуществления.

Упомянутая ветроэнергетическая установка предпочтительно содержит генератор, который предназначен для генерирования номинальной мощности генератора, и содержит питающее устройство, которое предусмотрено для осуществления процесса подачи. Упомянутое питающее устройство предназначено для подачи максимального питающего тока, а упомянутый максимальный питающий ток больше, чем питающий ток для подачи номинальной мощности генератора. Таким образом, упомянутая ветроэнергетическая установка подготовлена для подачи дополнительной реактивной мощности даже если номинальная мощность генератора уже подается.

Ветроэнергетическая установка предпочтительно содержит несколько питающих блоков, выполненных, в частности, как силовые шкафы. Количество питающих блоков, в частности, когда они имеют одинаковые размеры, или количество силовых шкафов, определяет мощность, которая может быть подана. Количество необходимых питающих блоков или количество силовых шкафов зависит от активной мощности, которую надлежит подать и которая ограничивается генератором. Теперь предлагается предусматривать больше питающих блоков или больше силовых шкафов, чем необходимо для подачи упомянутой номинальной мощности генератора. В частности, предложен, по меньшей мере, один другой питающий блок, в частности, по меньшей мере, два других питающих блока. Использование питающих блоков в количестве, превышающем необходимое, облегчает вышеописанную подачу дополнительной реактивной мощности.

Помимо этого, в соответствии с изобретением предложен ветровой парк, который объединяет несколько ветроэнергетических установок. В этом отношении, ветровой парк отличается тем, что объединенные в нем ветроэнергетические установки осуществляют подачу в сеть электроснабжения через одну и ту же точку подключения к сети. Упомянутый предлагаемый ветровой парк также подготовлен к использованию способа, соответствующего одному из описанных вариантов осуществления, в целях подачи.

Ветровой парк предпочтительно содержит центральный блок управления, предназначенный для управления ветровым парком, а этапы способа, предусматриваемые для осуществления способа подачи, воплощаются в упомянутом центральном блоке управления. В соответствии конкретно с этим вариантом осуществления, задание реактивной мощности, подлежащей подаче, воплощается в центральном блоке управления. При необходимости, упомянутый центральный блок управления может дополнительно обеспечивать направление такой расчетной или установленной реактивной мощности, выражаемой целевыми значениями в процентах или абсолютными целевыми значениями, в отдельные ветроэнергетические установки ветрового парка.

ветровой парк предпочтительно предназначен для подачи тока, большего, чем ток, требуемый для подачи максимальной активной мощности, на которую рассчитан ветровой парк. Поэтому в данной заявке предлагается также увеличить размеры питающих блоков. Применительно к ветровому парку, это можно сделать, предусматривая адекватное количество питающих блоков.

В соответствии, по меньшей мере, с одним вариантом осуществления, некоторые или все ветроэнергетические установки ветрового парка предпочтительно являются ветроэнергетическими установками вышеописанного типа.

Ниже изобретение будет описано более подробно на основе вариантов осуществления со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых показано следующее:

фиг.1 - схематическое перспективное изображение ветроэнергетической установки;

фиг.2 - схематический вид ветрового парка;

фиг.3 - схематический вид диаграммы, которая демонстрирует взаимозависимости между подаваемой реактивной мощностью Q и подаваемой активной мощностью P и скоростью ветра в соответствии с одним вариантом осуществления;

фиг.4 - схематический вид конструкции ветроэнергетической установки с несколькими питающими блоками.

На фиг.1 показана ветроэнергетическая установка 100 с мачтой 102 и гондолой 104. На гондоле 104 расположены ротор 106 с тремя лопастями 108 ротора и обтекатель 110. Во время работы ротор 106 приводится во вращение ветром и поэтому приводит в действие генератор в гондоле 104.

На фиг.2 показан ветровой парк 112, например, с тремя ветроэнергетическими установками 100, которые могут быть одинаковыми или разными. Таким образом, эти ветроэнергетические установки 100 оказываются представительными для являющегося в основном произвольным количества ветроэнергетических установок ветрового парка 112. Ветроэнергетические установки 100 выдают свою мощность, в частности генерируемое электричество, через сеть 114 ветрового парка. Токи или - соответственно - мощности, генерируемые отдельными ветроэнергетическими установками 100, суммируются. Чаще всего будет предусматриваться трансформатор 116, который преобразует напряжение, имеющееся на ветровом парке, для последующей подачи его в сеть электроснабжения 120 в точке 118 подачи, которую в общем случае также именуют РPC. Фиг.2 представляет собой лишь упрощенную иллюстрацию ветрового парка 112, на которой не показано, например, средство управления, хотя средство управления, конечно же есть. Сеть 114 ветрового парка также может иметь другую структуру, включающую в себя, например, - лишь в качестве другого варианта осуществления, - трансформатор на выходе каждой ветроэнергетической установки 100.

На графике согласно фиг.3 по абсциссе отложена скорость ветра V_W, при этом график начинается со скорости V_SA ветра в начале шторма. В данном случае, диапазоны более слабых ветров не играют особой роли для нижеследующих пояснений.

Реактивная мощность Q и активная мощность P отложены по оси Y. Ось проходит от 0 до номинальной активной мощности P_N. В этом отношении, масштаб для реактивной мощности Q и активной мощности P один и тот же, и это значит, что 1 ватт (Вт) равен одному вольт-амперу реактивному (ВА_р).

График показывает, что активная мощность P имеет номинальную мощность P_N при скорости V_SA ветра в начале шторма. С увеличением скорости ветра упомянутая активная мощность непрерывно падает до 0, пока не достигается скорость V_SE ветра в конце шторма.

С другой стороны, реактивная мощность Q непрерывно увеличивается с изменением от скорости V_SA ветра в начале шторма до скорости V_SE ветра в конце шторма. В этом примере она достигает максимальной реактивной мощности Q_max, которая может быть подана. В предпочтительном варианте, такое значение можно поддерживать несмотря на увеличивающиеся скорости ветра.

Линия, проведенная пунктиром, демонстрирует альтернативную зависимость реактивной мощности Q’ от скорости V_W ветра, причем реактивная мощность Q’ при скорости V_SA ветра в начале шторма уже больше 0. Этот пунктир также показывает, что реактивная мощность Q’ достигла значения P_N номинальной мощности уже при средней скорости V_SM штормового ветра. В этом случае, реактивная мощность Q’ может иметь показанное установившееся значение, например, в условиях скорости ветра, несколько меньшей, чем скорость V_SA ветра в начале шторма, которая - возможно - установилась из-за состояния сети.

В этой связи отметим, что на фиг.3 показаны два варианта обеспечения реактивной мощности на основе скорости ветра - для реактивной мощности Q или Q’. Обозначение Q’ было использовано лишь для того, чтобы проиллюстрировать вариант. Помимо этого, упомянутое обозначение Q’ - как и Q - задает подлежащую подаче реактивную мощность для соответственно описанного варианта осуществления.

На фиг.4 показан схематический вид ветроэнергетической установки 1, содержащей генератор 2. Упомянутый генератор 2 рассчитан, например, на номинальную мощность 2 МВт. В показанном варианте осуществления предусмотрен выпрямитель 4, который выпрямляет всю мощность генератора 2 и направляет ее к распределительным шкафам или питающим блокам 8 через сборную шину 6.

Поэтому к упомянутой сборной шине 6 подсоединены все питающие блоки 8, а каждый из этих питающих блоков генерирует трехфазный переменный ток, который подается в выходную линию 10. Подача из выходной линии 10 в схематически показанную сеть 14 электроснабжения происходит через трансформатор 12.

Каждый питающий блок или каждый распределительный шкаф 8 предназначен для подачи трехфазного переменного тока, который должен быть равен току, который достигался бы при подаче активной мощности, не превышающей 1 МВт. Предусмотрены три распределительных шкафа на 1 МВт, которые поэтому имеют увеличенный размер просто для того, чтобы подавать активную мощность для генератора 2 мощностью 2 МВт. При наличии этих комплектных распределительных устройств 8 можно подавать полную активную мощность 2 МВт и, кроме того, дополнительно подавать реактивную мощность. Более того, возможна подача реактивной мощности Q более 2 МВАр, если только подаваемая активная мощность соответственно мала. При наличии этих трех распределительных шкафов 8 теоретически возможна подача до трех МВАр, если активная мощность не подается.

1. Способ подачи электрической энергии в сеть (14) электроснабжения посредством ветроэнергетической установки (1) или ветрового парка (112), в котором:

- преобразуют кинетическую энергию ветра с переменной скоростью ветра в электрическую энергию посредством ветроэнергетической установки (1) или ветрового парка (112);

- подготавливают ветроэнергетическую установку (1) или ветровой парк (112) для подачи активной мощности (P) и реактивной мощности (Q) путем установки питающего устройства для подачи питания,

при этом

- подаваемую реактивную мощность (Q) регулируют на основе скорости (V_W) ветра,

причем увеличивают реактивную мощность (Q), если скорость (V_W) ветра превышает скорость (V_SA) ветра в начале шторма, представляющую собой скорость ветра, при которой ветроэнергетическую установку (1) или ветровой парк (112) дросселируют для их собственной защиты.

2. Способ по п.1,

отличающийся тем, что

- дополнительно увеличивают реактивную мощность (Q) при дальнейшем увеличении скорости (V_W) ветра и/или

- уменьшают реактивную мощность (Q) при падении скорости (V_W) ветра,

если скорость (V_W) ветра превышает некоторую или упомянутую скорость(V_SA) ветра в начале шторма.

3. Способ по п. 1,

отличающийся тем, что

- непрерывно увеличивают реактивную мощность (Q) при увеличении скорости (V_W) ветра, пока скорость (V_W) ветра не достигнет скорости (V_SE) ветра в конце шторма, при которой ветроэнергетическая установка (1) или ветровой парк (112) больше не подает активную мощность в сеть электроснабжения (14), и/или

- непрерывно уменьшают реактивную мощность (Q) при падении скорости (V_W) ветра, которая становится ниже скорости (V_SE) ветра в конце шторма, пока скорость (V_W) ветра не достигнет некоторой или упомянутой скорости (V_SA) ветра в начале шторма,

если скорость ветра превышает некоторую или упомянутую скорость (V_SA) ветра в начале шторма.

4. Способ по п. 1,

отличающийся тем, что

- ветроэнергетическая установка (1) или ветровой парк (112) предназначены для подачи номинальной активной мощности (P_N) и

- тем, что при скоростях (V_W) ветра, превышающих скорость (V_SA) ветра в начале шторма, подаваемая реактивная мощность (Q) по своему значению выше, чем номинальная активная мощность (P_N).

5. Способ по п.1,

отличающийся тем, что

- между некоторой или упомянутой скоростью (V_SA) ветра в начале шторма и некоторой или упомянутой скоростью (V_SE) ветра в конце шторма

- реактивную мощность (Q) задают посредством функции реактивной мощности, которая определяет связь между реактивной мощностью (Q) и скоростью (V_W) ветра, при этом функция реактивной мощности

- представляет собой полиномиальную функцию первого или второго порядка и/или

- гистерезисную функцию.

6. Ветроэнергетическая установка (1),

содержащая:

- генератор (2), выполненный для генерирования номинальной мощности генератора; и

- питающее устройство для подачи питания,

причем ветроэнергетическая установка (1) выполнена с возможностью осуществления способа подачи электрической энергии в сеть (14) электроснабжения по одному из предыдущих пунктов.

7. Ветроэнергетическая установка (1) по п.6,

отличающаяся тем, что

питающее устройство выполнено с возможностью подачи максимального питающего тока, который больше, чем питающий ток для подачи номинальной мощности генератора.

8. Ветроэнергетическая установка (1) по п.6 или 7,

отличающаяся тем, что

питающее устройство содержит несколько питающих блоков (8),

причем предусмотрено больше питающих блоков (8) или силовых шкафов (8), чем необходимо для подачи мощности, генерируемой ветроэнергетической установкой (1).

9. Ветровой парк (112),

причем ветровой парк (112) содержит:

- по меньшей мере одну ветроэнергетическую установку (1) по одному из пп.6-8,

- центральный блок управления, предназначенный для управления ветровым парком (112), причем в центральном блоке управления осуществляются этапы способа подачи электрической энергии в сеть электроснабжения (14) по одному из пп.1-5.

10. Ветровой парк (112) по п.9,

отличающийся тем, что

ветровой парк (112) выполнен для подачи тока, большего, чем ток, требуемый для подачи максимальной активной мощности, на которую рассчитан ветровой парк (112).