Способ эксплуатации ветроэнергетической установки - RU2644405C2

Чертежи

Описание

Настоящее изобретение касается способа эксплуатации по меньшей мере одной ветроэнергетической установки. Кроме того, настоящее изобретение касается ветроэнергетической установки, и оно касается также ветрового парка, включающего в себя несколько ветроэнергетических установок.

Ветроэнергетические установки общеизвестны. Они генерируют электрическую энергию из ветра и запитывают ее в сеть электроснабжения. Кроме того, уже много лет назад было предложено, чтобы ветроэнергетические установки осуществляли запитывание в сеть электроснабжения так, чтобы они также, помимо чистого предоставления энергии, поддерживали сеть электроснабжения.

Например, в US 6784564 описан способ, в котором запитываемая активная мощность снижается в зависимости от сетевого напряжения. Способ, который касается зависимого от сетевой частоты регулирования мощности, содержится в US 6891281. Настройку фазового угла в зависимости от сетевого напряжения описывает US 6695174.

Такие меры важны и могут, в частности в децентрализованных сетях, способствовать улучшению качества сети и даже обеспечить возможность или длительно гарантировать стабильную эксплуатацию сети электроснабжения или по меньшей мере ее участка. Но на сегодняшний день по меньшей мере в Федеративной Республике Германии, за которой наверняка последуют еще многие страны, увеличивается доля ветроэнергетических установок в сети. Таким образом, на ветроэнергетические установки в будущем ляжет также большая, все больше увеличивающаяся ответственность за стабилизацию сетей электроснабжения. Поэтому должна расширяться и по возможности также дополнительно улучшаться их способность к поддержанию сети.

Поэтому в основе настоящего изобретения лежит задача решить по меньшей мере одну из вышеупомянутых проблем. В частности, должно быть предложено решение, которое поможет еще больше улучшить поддержание сети электроснабжения ветроэнергетическими установками. По меньшей мере, должно быть предложено одно решение, альтернативное известным способам или системам.

По приоритетной заявке к настоящей заявке PCT Немецкое ведомство по патентам и торговым маркам выявило следующие документы уровня техники: DE 102005041927 B4, DE 102005049426 B4, DE 102008037449 B4, DE 102011007037 A1 и WO 2003/058 063 A1.

В соответствии с изобретением предлагается способ по п.1 формулы изобретения. Он осуществляет управление по меньшей мере одной ветроэнергетической установкой, которая подготовлена к запитыванию электрической мощности в сеть электроснабжения. Насколько это технически целесообразно, пояснения в связи с одной отдельной ветроэнергетической установкой касаются также нескольких ветроэнергетических установок, а также ветрового парка, включающего в себя несколько ветроэнергетических установок, также без упоминания этого соответственно в связи с каждым отдельным признаком и в каждом отдельном преимуществе. Это относится, в частности, к тому случаю, когда из поясненного следует, что это находит применение также для ветроэнергетических установок или соответственно ветрового парка.

Таким образом, предлагается, чтобы упомянутая по меньшей мере одна ветроэнергетическая установка в зависимости от предложения мощности в сети электроснабжения запитывала электрическую активную мощность в сеть электроснабжения или отбирала электрическую активную мощность из сети электроснабжения. В частности, в «нормальном режиме» электрическая активная мощность запитывается в сеть электроснабжения, но в случае избыточного предложения мощности в сети электрическая активная мощность отбирается из сети указанной по меньшей мере одной ветроэнергетической установкой. Эта отбираемая активная мощность затем подается по меньшей мере одному электрическому потребителю, который имеется в указанной по меньшей мере одной ветроэнергетической установке или ветровом парке. Этот потребитель не обязательно должен быть расположен пространственно в ветроэнергетической установке, хотя это часто имеет место. В частности, здесь предлагается использовать имеющиеся потребители.

Кроме того, в зависимости от другого параметра состояния сети электроснабжения, такого как, например, сетевая частота или сетевое напряжение сети электроснабжения, электрическая реактивная мощность запитывается в сеть электроснабжения или отбирается из нее.

Таким образом, предлагается так называемый «4-квадрантный режим эксплуатации», в соответствии с которым, в частности как запитываемая активная мощность, так и запитываемая реактивная мощность независимо друг от друга могут быть положительными или отрицательными. Предложенный способ включает в себя, таким образом, также те два квадранта, в которых электрическая активная мощность отбирается из сети электроснабжения и запитывается реактивная мощность, что представляет собой один квадрант, и в которых электрическая активная мощность отбирается из сети электроснабжения и реактивная мощность тоже отбирается, что представляет собой другой квадрант.

Предпочтительно по меньшей мере один из электрических потребителей не имеет магазинов электрических сопротивлений. То есть предпочтительно используется по меньшей мере один потребитель, который предусмотрен не только в качестве магазина сопротивлений или тому подобного для поглощения электрической энергии, то есть в технически корректном выражении, исключительно для преобразования электрической энергии в тепловую энергию без другой цели. В отличие от этого, предлагается использовать потребители, которые уже предусмотрены в ветроэнергетической установке или ветровом парке. Таким образом, положительный результат может достигаться уже с помощью одного только предложенного способа эксплуатации по меньшей мере одной ветроэнергетической установки, без необходимости предусматривать дополнительные приборы.

Этот или соответственно эти используемые электрические потребители для приема электрической мощности, которая в одном из случаев отбирается из сети электроснабжения, могут, например, включать в себя устройство обогрева лопасти для обогрева лопасти ротора. Также может применяться устройство обогрева генератора для обогрева генератора. В качестве другого примера названо устройство обогрева гондолы, которое может обогревать внутреннюю часть гондолы ветроэнергетической установки. Кроме того, рассматривается устройство обогрева башни для обогрева башни ветроэнергетической установки. В частности, использование имеющихся устройств обогрева или обогревательных приборов позволяет преобразовывать количество электрической энергии, которым нельзя пренебречь, в тепловую энергию, которая может излучаться в окружающую среду.

Однако, рассматриваются и другие потребители, такие как, например, генератор данной ветроэнергетической установки, который может эксплуатироваться в режиме двигателя. При этом часть энергии могла бы превращаться в движение воздуха. При этом, в принципе, рассматривается также режим эксплуатации генератора таким образом, чтобы он нагревался и при этом использовался в качестве дополнительного потребителя для преобразования электрической энергии в тепловую энергию. Однако при этом следует действовать соответственно осторожно, чтобы не повредить генератор.

В частности, предлагается, чтобы эти потребители эксплуатировались тогда, когда имеется необходимость снижения мощности. Названные потребители, которые также должны использоваться здесь, предусмотрены каждый для выполнения определенной функции, то есть функции потребителя, которая предусмотрена для каждого из них. У устройства обогрева лопасти это функция обогрева лопасти. У устройства обогрева генератора это функция обогрева генератора и при необходимости также сушки его при этом. Каждая из этих функций потребителя обычно выполняется только в определенных случаях, то есть устройство обогрева лопасти эксплуатируется, в частности, тогда, когда было обнаружено обледенение и надо растопить лед. Но здесь предлагается эксплуатировать соответствующий потребитель независимо от потребности в такой функции потребителя, то есть, например, задействовать устройство обогрева лопастей даже в разгар лета.

Соответственно также по одному из вариантов осуществления предлагается, чтобы отбираемая из сети электроснабжения электрическая мощность использовалась для эксплуатации по меньшей мере одного устройства для устранения обледенения, в частности устройства обогрева лопастей, независимо от того, существует ли потребность в устранении обледенения. В частности, независимо от того, имеется ли, может ли ожидаться или вообще возможно ли обледенение. То есть устройство для устранения обледенения эксплуатируется даже в разгар лета. Предпочтительно ветроэнергетические установки оснащаются устройством для устранения обледенения также в местах размещения, где, по существу, нельзя когда-либо ожидать обледенения.

Кроме того, или альтернативно предлагается эксплуатировать за счет отбираемой мощности или ее части по меньшей мере одно сушильное устройство для сушки генератора или для сушки другого функционального узла ветроэнергетической установки, независимо от того, существует ли потребность в сушке. При этом уже имеющееся устройство обогрева генератора или другое устройство для сушки может в этом случае использоваться для отбора мощности из сети электроснабжения в качестве потребителя.

Предложение мощности в сети электроснабжения может рассматриваться как параметр состояния сети электроснабжения. Предпочтительно другие параметры состояния, в зависимости от которых запитывается или отбирается реактивная мощность, включают в себя сетевую частоту сети электроснабжения и/или сетевое напряжение сети электроснабжения. То есть, по этим вариантам осуществления запитывание или отбор электрической активной мощности устанавливается в зависимости от предложения мощности, а запитывание или отбор реактивной мощности производится в зависимости от сетевой частоты и/или сетевого напряжения. При этом зависящее от сетевой частоты и/или зависящее от сетевого напряжения запитывание или отбор реактивной мощности может зависеть от названных параметров состояния как качественно, так и количественно. То есть зависеть может как величина реактивной мощности, так и динамический подъем или падение названных параметров состояния сети.

Также в качестве критерия может учитываться величина и/или характер параметров состояния сети.

Предпочтительно этот способ использует частотный преобразователь для запитывания в сеть электроснабжения или соответственно отбора из нее активной мощности, а также реактивной мощности. Благодаря этому можно полностью отделить этот режим запитывания или соответственно отбора от режима работы ветроэнергетической установки, в частности генератора. Любое управление установки при согласованных данных ввода сначала может продолжать работать без изменения. Конечно, затем это управление при необходимости согласует режим работы ветроэнергетической установки, когда требуется меньшая мощность или мощность даже становится отрицательной. Но мгновенное реагирование при запитывании или отборе активной мощности и/или реактивной мощности может сначала выполняться независимо от частотного преобразователя.

Предпочтительно ветроэнергетическая установка или соответственно все задействованные ветроэнергетические установки эксплуатируются в т.н. режиме полного преобразователя. При этом режиме полного преобразователя, чтобы пояснить это для нормального режима выработки, вся энергия генератора, которую он отобрал у ветра, выпрямляется и передается в соответствующий промежуточный контур постоянного напряжения. Из этого промежуточного контура постоянного напряжения частотный преобразователь или соответственно несколько соответственно взаимодействующих частотных преобразователей получают запитываемую мощность, то есть запитываемый ток по частоте, фазе и амплитуде.

В режиме отбора мощности этот частотный преобразователь, который упрощенно также называется просто преобразователем, может вводить мощность или соответственно энергию из сети электроснабжения в промежуточный контур постоянного напряжения. Из этого промежуточного контура постоянного напряжения соответствующая энергия может затем отбираться соответствующими потребителями. Хотя предпочтительно для отбора такой мощности соответствующим потребителям с центрального пункта в ветроэнергетической установке или даже в ветровом парке подается командный сигнал, но последующее преобразование данный потребитель производит самостоятельно. Наконец, соответствующий потребитель работает самостоятельно и в остальном, когда он, в частности, используется не для расхода мощности, а для надлежащей эксплуатации его функции потребителя.

Предпочтительно при предложенном способе используются несколько ветроэнергетических установок, которые образуют ветровой парк и при этом осуществляют запитывание в сеть электроснабжения через одну общую точку подключения к сети. Благодаря этому названные эффекты и названные свойства могут комбинироваться. При этом такой ветровой парк, который осуществляет запитывание в одной общей точке подключения к сети, по сравнению с одной отдельной ветроэнергетической установкой обладает также, как правило, значительным объемом в отношении количества запитываемой, а также отбираемой мощности, как реактивной мощности, так и активной мощности. Предпочтительно при этом такой ветровой парк эксплуатируется в описанном 4-квадрантном режиме и поэтому, с позиции сети электроснабжения, представляет собой значительный объем не только по предоставлению энергии, но и по потенциалу регулируемости. Он может в значительной мере обеспечивать предложение мощности, включая обычный спрос на мощность. Поэтому, в частности, он может также благоприятно влиять на ситуации, при которых в прошлом в определенных случаях приходилось даже платить за отъем мощности.

Предпочтительно предлагается ветроэнергетическая установка, которая подготовлена к применению способа по меньшей мере по одному из описанных выше вариантов осуществления.

Также предпочтительно предлагается ветровой парк, который использует несколько ветроэнергетических установок и подготовлен к применению способа по меньшей мере по одному из описанных выше вариантов осуществления.

Предпочтительно такой ветровой парк имеет центральное управление для управления ветроэнергетическими установками, которое также управляет описанным 4-квадрантным режимом, так что этот ветровой парк может действовать в точке подключения к сети в качестве эффективного узла запитывания и регулирования.

Ниже изобретение поясняется подробнее на вариантах осуществления в качестве примера со ссылкой на сопроводительные чертежи.

Фиг. 1 схематично изображает ветроэнергетическую установку на виде в перспективе.

Фиг. 2 схематично изображает ветровой парк.

Фиг. 3 наглядно поясняет предложенный 4-квадрантный режим с помощью символической диаграммы.

Фиг. 1 изображает ветроэнергетическую установку 100, имеющую башню 102 и гондолу 104. На гондоле 104 установлен ротор 106, имеющий три лопасти 108 ротора и кок 110. Ротор 106 при эксплуатации приводится во вращательное движение ветром и при этом осуществляет привод генератора в гондоле 104.

Фиг. 2 изображает ветровой парк 112, имеющий в качестве примера три ветроэнергетические установки 100, которые могут быть одинаковыми или разными. Эти три ветроэнергетические установки 100 представляют таким образом произвольное количество ветроэнергетических установок ветрового парка 112. Ветроэнергетические установки 100 предоставляют свою мощность, то есть, в частности, вырабатываемый ток, через электрическую сеть 114 парка. При этом соответственно вырабатываемые токи или соответственно мощности отдельных ветроэнергетических установок 100 суммируются, и чаще всего предусмотрен трансформатор 116, который повышает напряжение в парке трансформированием, чтобы затем в точке 118 запитывания, которая также вообще называется общей точкой подключения к сети или коротко PCC (англ. point of common coupling, точка общего присоединения), осуществлять запитывание в сеть 120 снабжения. Фиг. 2 представляет собой лишь упрощенное изображение ветрового парка 112, на котором, например, не показано управление, хотя, конечно, управление имеется. Также, например, сеть 114 парка может быть выполнена иначе, когда, например, также имеется трансформатор на выходе каждой ветроэнергетической установки 100, чтобы назвать только один отличающийся пример осуществления.

Фиг. 3 наглядно поясняет предложенный 4-квадрантный режим в соответствии с вариантом представления на диаграмме в комплексной плоскости, которая, в частности, в направлении оси абсцисс представляет активную мощность, а в направлении оси ординат представляет реактивную мощность Q. Таким образом, на этой диаграмме нанесен также угол φ, который представляет собой при этом фазовый угол между запитываемым током и напряжением. Здесь с помощью этой диаграммы комплексной плоскости для наглядного пояснения графически отдельно показаны четыре области, которые изображают соответственно по одному квадранту, при этом в области системы координат имеется промежуток. Таким образом, эта диаграмма изображает четыре квадранта, которые обозначены QI-QIV. В данной связи таким образом обозначаются эти четыре квадранта, при этом в иных случаях Q обозначает реактивную мощность.

Первый квадрант QI в соответствии с фиг. 3 изображает тот случай, в котором запитываются активная мощность и реактивная мощность. Запитываемая активная мощность обозначается Pg (генерируемая мощность), а реактивная мощность обозначается Qig (генерируемая, индуктивная реактивная мощность). Из запитываемой активной мощности Pg и запитываемой индуктивной реактивной мощности Qig получается полная мощность

Этот первый квадрант может также изображать нормальный случай запитывания. Чтобы еще раз пояснить, что запитывается индуктивная реактивная мощность, что конкретно приводит к векторной диаграмме Pg, Qig и

Во втором квадранте QII активная мощность отбирается из сети электроснабжения, то есть расходуется, а не генерируется, что указывается символом Pc (мощность потребленная (англ. «consumed»)). Компонент Qcc реактивной мощности изображен положительным. Но так как активная мощность отбирается, здесь также реактивная мощность обозначается как отбираемая («consumed»), однако как емкостная реактивная мощность, поэтому используется обозначение Qcc. Ток в данном случае опережает напряжение, что называется «опережением» (анг. «lead») и поясняется символом емкости (конденсатора) во втором квадранте QII.

Отбираемая емкостная реактивная мощность Qcc могла бы по меньшей мере теоретически также называться вырабатываемой индуктивной реактивной мощностью Qig, что, однако, с технической точки зрения было бы непонятно, по меньшей мере в соответствии с выбранным изображением, потому что опережающий ток и соответственно показанный угол φ обозначает емкостную реактивную мощность.

Кроме того, параллельно оси абсцисс на чертеже показаны два сопротивления, которые символизируют при этом действительную ось этого комплексного изображения.

В третьем квадранте QIII тоже отбирается, то есть потребляется активная мощность Pc. Но доля реактивной мощности Qic здесь является отрицательной. При этом расходуется индуктивная реактивная мощность, и ток отстает от напряжения (запаздывание), поэтому и здесь снова используется символика показанной на чертеже индуктивности.

Наконец, четвертый квадрант QIV изображает тот случай, когда запитывается активная мощность Pg и отбирается (индуктивная) реактивная мощность Qcg, что соответствует запитыванию (генерированию) емкостной реактивной мощности Qcg, так что выбирается обозначение Qcg, потому что здесь ток снова опережает напряжение. Здесь это также поясняется с помощью емкости.

Таким образом создается решение, которое предлагает 4-квадрантный режим эксплуатации ветроэнергетической установки или ветрового парка и этот режим поясняется с помощью фиг. 3.

В основе этого лежит то основание, что в использовании альтернативных источников энергии в Германии энергия ветра является одним из основных столпов, если даже не основным столпом. По техническому содержанию эти предложения, конечно, не ограничены Германией. В представленном здесь решении учитываются также такие темы, как прямой маркетинг, резерв регулирования и минутные резервы, которые образуют составные части для сооружения так называемых экологически чистых электростанций. Предлагается, чтобы предоставляемая энергия организовывалась так, чтобы могли быть выведены из эксплуатации традиционные электростанции, в частности атомные электростанции. Однако возможность создания и эксплуатации стабильной сети должна обеспечиваться и без этих больших и частично ведущих и стабилизирующих сеть электростанций. Было обнаружено, что существенным пунктом при этом является контроль потока нагрузки в распределительной сети, а также на более высоком уровне в сети передачи, которые образуют две части сети электроснабжения. Этот контроль потока нагрузки является параметром стабильности сети электроснабжения.

Традиционная электростанция, как правило, спроектирована для поставки энергии. Системные услуги такой традиционной электростанции ограничиваются только предоставлением необходимой энергии, поставкой реактивной мощности для поддержания напряжения и управления потоком нагрузки в сети электроснабжения. Такая электростанция предоставляет эту услугу только в режиме вырабатывания (называемом также «режимом генерирования»), то есть при отдаче энергии.

Особенностью предложенной 4-квадрантной электростанции, то есть ветроэнергетической установки или ветрового парка, который может эксплуатироваться в 4-квадрантном режиме, является возможность предоставления системных услуг также в потребляющем режиме («режиме потребления»), то есть при получении энергии из сети электроснабжения. Для этого предлагается возможность управления потоком нагрузки посредством расхода энергии.

Дополнительно к снижению запитывания до 0 может также отбираться мощность из сети электроснабжения.

В качестве одного из примеров, ссылаемся на то, что на севере Германии дует сильный ветер и поэтому имеется много энергии ветра для запитывания в сеть электроснабжения, то есть, вместе с тем, в результате даже в Европейскую объединенную сеть. Возникающее при этом избыточное предложение значительно увеличило бы поток нагрузки с севера в южную Германию, что могло бы привести к проблемам в объединенной сети. Чтобы управлять потоком нагрузки в объединенной сети так, чтобы не возникало проблем, в многочисленных распределенных ветроэнергетических установках в Германии регулируемым образом подключаются многочисленные крупные потребители (например, тепловые потребители). Эти потребители могли бы представлять собой устройства обогрева генераторов, устройства обогрева лопастей, а также эксплуатируемые в режиме двигателя генераторы. Наряду с регулируемой получаемой мощностью для контроля потока нагрузки могут также вводиться услуги, такие как реактивная мощность. Хотя этот способ может иметь недостатки в отношении глобального баланса энергии, но он имеет преимущество в многочисленных широко распространенных исполнительных звеньях, то есть ветроэнергетических установках, которые могут относительно краткосрочно активироваться и деактивироваться. Таким образом, возможно быстрое реагирование на процессы в сети, причем настоящее изобретение предлагает это также для описанной 4-квадрантной эксплуатации.

В качестве другого примера для наглядного пояснения ссылаемся на то, что энергия продается на спотовом рынке. Бывают периоды, когда цена электроэнергии может падать до минус 3000 евро/МВтч. Это региональное избыточное предложение энергии и результирующая из него отрицательная цена теперь может регулироваться, при этом избыточная энергия, которая ответственна за такой описанный характер цен, уменьшается или даже полностью поглощается при включении крупных потребителей, в частности тепловых потребителей, в региональных ветроэнергетических установках.

Реферат

Использование: в области электротехники и электроэнергетики. Технический результат – повышение стабильности сети электроснабжения. Изобретение касается способа управления по меньшей мере одной ветроэнергетической установкой (100), в котором упомянутая по меньшей мере одна ветроэнергетическая установка (100) выполнена с возможностью запитывания электрической мощности в сеть (120) электроснабжения, и в зависимости от предложения мощности в сети (120) электроснабжения электрическая активная мощность запитывается в сеть (120) электроснабжения или электрическая активная мощность отбирается из сети (120) электроснабжения и подается по меньшей мере одному электрическому потребителю упомянутой по меньшей мере одной ветроэнергетической установки (100), и в зависимости от дополнительного параметра состояния сети (120) электроснабжения электрическая реактивная мощность запитывается в сеть (120) электроснабжения или электрическая реактивная мощность отбирается из сети (120) электроснабжения. 3 н. и 7 з.п. ф-лы, 3 ил.

Формула