ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА И СПОСОБ ВВОДА ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ Российский патент 2016 года по МПК H02J3/26 H02H9/00 F03D9/00 

Настоящее изобретение относится к способу ввода электрической энергии, а также к устройству, в частности ветроэнергетической установке для выполнения такого ввода энергии.

В электрические сети электропитания, которые также могут далее обозначаться просто как электрические сети, в настоящее время все больше ввод энергии осуществляется посредством возобновляемых источников энергии, таких как ветроэнергетические установки или соответственно ветроэнергоцентры, которые имеют иной электрический режим по сравнению с обычными крупными электростанциями, которые для ввода энергии применяют по меньшей мере один крупный генератор. Таким образом, все больше такие крупные генераторы заменяются другими блоками ввода энергии, такими как преобразователи постоянного тока в переменный (инверторы). Это обозначается в данной области техники как замещение. Особенно в странах, таких как Германия, наблюдается сравнительно высокая степень замещения, так что сравнительно много генераторов замещаются другими блоками ввода энергии. Это может иметь важные последствия для сети электропитания. В частности, есть опасения, что возможные симметрирующие воздействия посредством прежних подводящих энергию генераторов при возрастании замещения будут потеряны или по меньшей мере ослаблены.

По этой причине, предлагаемая Европейская сетевая директива ENTSO-Е предусматривает, что сетевые операторы могут запрашивать асимметричный ввод электропитания. Понятие симметрии или соответственно асимметрии в этом случае относится к соотношению трех фаз трехфазной сети электропитания относительно друг друга. В частности, в случае асимметричного нарушения в сети электропитания, такого, как короткое замыкание между двумя фазами или короткое замыкание одной фазы на землю, предусматривается осуществлять по возможности компенсирующий ввод энергии. При этом, в частности, исходят из нарушения в том случае, если фактическое напряжение в сети в по меньшей мере одной фазе отклоняется от его заданного значения и/или от его номинального значения более чем на 10%.

В этом отношении существуют ближайшие задачи, которые, возможно, могут быть недостаточно далеко идущими. Немецкое ведомство по патентам и товарным знакам в результате поиска по приоритетной заявке указало следующие документы предшествующего уровня техники: DE 10 2006 054 870 A1; US 7 423 412 B2; ANDERSSON, G.: Elektrische Energiesysteme - Vorlesungsteil Energieübertragung, S. 127-147, EEH - Power Systems Laboratory, ETH Zürich, September 2009; Symmetrische Komponenten, in Wikipedia, Die freie Enzyklopädie, Version 23.04.2012, URL: http://de.wikipedia.org/w/index.php?title=Symmetrische_Komponenten&oldid=102361863 [найдено 29.07.2012].

В основе настоящего изобретения, таким образом, лежит задача решить по меньшей мере одну из вышеупомянутых проблем. В частности, должно быть предложено решение, которое улучшает качество сети или по меньшей мере способствует тому, что качество сети не уменьшается или не значительно уменьшается. По меньшей мере, должно быть предложено решение, альтернативное ранее известным концепциям.

В соответствии с изобретением предложен способ ввода электрической энергии в электрическую, трехфазную сеть электропитания согласно пункту 1 формулы изобретения.

В соответствии с этим электрический ток посредством блока ввода энергии в точке подключения к сети вводится в трехфазную сеть. Далее, регистрируется асимметрия сети электропитания, что может быть сделано, в частности, посредством регистрации компоненты системы обратной последовательности. В качестве реакции на это в сеть электропитания вводится асимметричная составляющая тока, чтобы тем самым по меньшей мере частично компенсировать зарегистрированную асимметрию. При этом предполагается, что ввод этой асимметричной составляющей тока осуществляется таким образом, что блок ввода энергии в диапазоне так называемой системы обратной последовательности (eng. negative sequence) ведет себя как потребитель. Целенаправленный ввод асимметричной составляющей тока, то есть целенаправленный асимметричный ввод, осуществляется при этом через соответствующее определение этого потребителя. В основе этого решения лежит идея, заключающаяся в том, что режим работы блока ввода энергии понимается как часть сети электропитания и учитывается в общем режиме работы сети электропитания.

Предпочтительно, потребитель описывается как импеданс Z ^- и определяется с помощью следующего уравнения:

Импеданс Z ^-, таким образом, описывается величиной номинального импеданса Z_n, фазовым углом φ^- регулировки и скалярным регулировочным коэффициентом k^-.

Величина номинального импеданса Z_n может быть определена с помощью следующего уравнения:

В соответствии с этим указанная величина импеданса Z_n вычисляется из сетевого напряжения V_n, которое в данном уравнении входит в квадратичной форме в числитель, и из введенной кажущейся (полной) мощности S_n, которая в данном уравнении входит в знаменатель частного. Чисто предусмотрительно отмечается то, что Z_n для лучшей наглядности здесь обозначается как величина номинального импеданса. Фактически величина импеданса Z ^- зависит также от регулировочного коэффициента k^- и фазового угла φ^- регулировки.

Через регулировочный коэффициент k^- и фазовый угол φ^- регулировки, таким образом, может устанавливаться величина отрицательного импеданса и тем самым задаваться в зависимости от потребности. Кроме того, предлагается задавать фазовый угол регулировки в зависимости от потребности. Тем самым не останавливаются на том, чтобы предусматривать, например, исключительно реактивность, и следовательно, импеданс с фазовым углом регулировки 90° или соответственно -90°, при этом дополнительно к амплитуде в зависимости от потребности устанавливается также угол.

Согласно одной форме выполнения, предлагается, что регулировочный коэффициент k^- и фазовый угол φ^- регулировки импеданса регулируются в зависимости от по меньшей мере одного сетевого свойства. Задание или соответственно установка этого импеданса ориентируется, таким образом, не только на текущие состояния в сети электропитания, которая в основном упрощенно также обозначается сетью, но также учитывает сетевые свойства, то есть свойства сети электропитания. Уровень напряжения в сети, присутствующая асимметрия или неисправность в сети являются примерами сетевых состояний. Отношение реактивного сопротивления к активному сопротивлению сети электропитания, которое также обозначается как отношение X/R, является примером сетевого свойства. Эти и другие сетевые свойства следует рассматривать, в частности, по отношению к точке подключения к сети. Тем самым такие сетевые свойства являются регулярно также зависимыми от географического расположения точки подключения к сети, по меньшей мере по отношению к рассматриваемой сети электропитания.

Поэтому предлагается, помимо рассмотрения текущих сетевых состояний, также совместно использовать сетевые свойства.

Предпочтительно, фазовый угол φ регулировки устанавливается в диапазоне 0°-90°, причем он устанавливается тем большим, чем больше в точке подключения к сети отношение реактивного сопротивления к активному сопротивлению сети электропитания, то есть, чем больше отношение X/R. При большом отношении X/R, например, в диапазоне 10-15, фазовый угол φ^- регулировки может быть установлен близким к 90°. Если это отношение меньше и имеет, например, значение около 2, только в качестве примера, то предлагается установка в диапазоне 50°-60°. В дополнение к состояниям в сети, таким образом, может совместно учитываться это сетевое свойство, которое также может быть сетевой характеристикой.

Предпочтительно, эквивалентная схема сети электропитания для точки ввода энергии создается и используется в качестве основы для регулировки потребителя, в частности импеданса. В частности, фазовый угол φ^- регулировки и/или регулировочный коэффициент k^- устанавливаются в зависимости от полученной эквивалентной схемы. Такая эквивалентная схема, которая должна отражать, в частности, соответствующие сетевые свойства, может создаваться в точке подключения к сети или по отношению к точке подключения к сети однократно или по меньшей мере редко. Эта эквивалентная схема, которая воспроизводит сетевые свойства, не подлежит, таким образом, как описанные сетевые свойства, никаким изменениям или подлежит лишь незначительным изменениям. По меньшей мере, сетевые свойства изменяются принципиально реже или медленнее, чем сетевые состояния.

Предпочтительно, асимметрия сети электропитания обнаруживается тем, что регистрируется или соответственно определяется сетевая компонента системы обратной последовательности электрического напряжения в сети электропитания. Таким образом, напряжения трех фаз регистрируются и разлагаются с помощью метода симметричных компонент на систему прямой последовательности и систему обратной последовательности. Для полноты отмечается, что систему нулевой последовательности, которая также включена в теорию метода симметричных компонент, можно на регулярной основе не учитывать. Асимметрия может, таким образом, учитываться в простой форме через рассмотрение компоненты системы обратной последовательности. Кроме того, или в дополнение, в соответствии с одной формой выполнения, предлагается, что асимметричная составляющая тока задается или вводится как компонента системы обратной последовательности. Таким образом, компонента системы обратной последовательности используется не только для измерения, но также и для конкретного ввода энергии или по меньшей мере задается для ввода энергии.

Предпочтительно в качестве блока ввода энергии используется инвертор. По меньшей мере, блок ввода энергии содержит такой инвертор и применяет его также соответственно для ввода энергии. С помощью такого блока ввода энергии обеспечивается возможность вводить электрическую энергию, выработанную регенеративным образом, в сеть электропитания с учетом сетевых требований. Посредством такого инвертора вводимый ток в принципе может динамически устанавливаться любым по величине, частоте и фазе. Это позволяет инвертору в качестве блока ввода энергии задавать желательный режим в качестве потребителя или соответственно импеданс в качестве свойства.

Предпочтительно, предложенный способ также включает в себя проверку, присутствует ли асимметричное сетевое нарушение в сети электропитания. Асимметричный ввод энергии, как он описан в по меньшей мере одной из вышеупомянутых форм выполнения, предлагается при этом для того случая, когда асимметричное сетевое нарушение не было зарегистрировано. Блок ввода энергии должен тогда вести себя как потребитель, в частности импеданс, если не имеется никакого асимметричного сетевого нарушения. Эти описанные способы, таким образом, в частности, предусмотрены, чтобы принимать во внимание, в частности улучшать качество сети в нормальном режиме работы электрической сети электропитания.

Согласно одной форме выполнения, ввод энергии осуществляется в сеть среднего напряжения, и для этого фазовый угол φ^- регулировки устанавливается на значение в диапазоне 40°-70°, в частности 50°-60°. В частности, для сетей среднего напряжения, приходится рассчитывать на сравнительно малое отношение X/R, которое может находиться, например, в диапазоне 2. Таким образом, предлагается устанавливать соответствующий импеданс, который за счет упомянутого фазового угла регулировки лучше согласован со свойством такой сети среднего напряжения, чем при применении другого фазового угла регулировки, в частности большего фазового угла регулировки.

Кроме того, предложена ветроэнергетическая установка для ввода электрической энергии, полученной из энергии ветра, которая выполнена с возможностью применения способа в соответствии с по меньшей мере одной из вышеописанных форм выполнения. В частности, такая ветроэнергетическая установка для ввода энергии содержит инвертор в качестве блока ввода энергии.

Посредством инвертора или другого блока ввода энергии осуществляется ввод компоненты тока системы обратной последовательности и тем самым задается импеданс системы обратной последовательности.

Далее изобретение поясняется в качестве примера более подробно на основе форм выполнения со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых показано:

Фиг. 1 - ветроэнергетическая установка 1 в перспективном представлении,

Фиг. 2а-2с - концепция асимметричного ввода тока,

Фиг. 3 - предложенный способ ввода энергии согласно одной форме выполнения.

На фиг. 1 показана ветроэнергетическая установка 100 с мачтой 102 и гондолой 104. На гондоле 104 размещен ротор 106 с тремя роторными лопастями 108 и вращатель 110. Ротор 106 при работе приводится ветром во вращательное движение и тем самым приводит в действие генератор в гондоле 104.

Со ссылкой на фиг. 2а, 2b и 2с поясняется следующее.

Основная частота напряжений (и токов) представляется векторами в симметричных компонентах:

и, как обычно, преобразуется:

Степень асимметрии, которая используется в качестве меры асимметрии, задается отношением амплитуды вектора системы обратной последовательности или соответственно системы нулевой последовательности к вектору системы прямой последовательности:

V_-/V₊ или V₀/V₊

Связанные с сетью инверторы могут интерпретироваться посредством типичных (зависимых от времени и от состояния) эквивалентов в отношении основной частоты и (квази-) стационарных рабочих состояний. Применимой для неизолированных рабочих состояний инвертора опцией является импедансный эквивалент (фиг. 2а). Ввиду векторной группы трансформатора в тестовой системе питания эквивалент системы нулевой последовательности для эксплуатируемого инвертора не является актуальным. Импеданс системы прямой последовательности определяется посредством стандартного уровня управления мощностью FACTS-архитектуры управления инвертором; импеданс системы обратной последовательности управляется посредством дополнительного ACI-управления (фиг. 2с).

Оба импеданса компонент систем влияют на физический режим одновременно. Они зависят от фактических выходных напряжений компонент систем и фактических амплитуд и со ссылкой на токи инвертора, которые управляются независимо друг от друга для системы прямой последовательности и системы обратной последовательности (фиг. 2b). Отрицательные действительные части импеданса показывают, что активная мощность вводится в сеть, а для реактивной мощности это показывают соответственно отрицательные мнимые части. Интерпретация этого отображения ограничена не разделенными рабочими состояниями инвертора.

Что касается амплитуды напряжений компонент систем, обмен мощностью между инвертором и сетью при нормальных рабочих состояниях абсолютно доминирует посредством системы прямой последовательности. Поэтому импеданс системы прямой последовательности во время нормального рабочего состояния может интерпретироваться, как следствие, посредством фактической общей мощности инвертора и фактического выходного напряжения системы прямой последовательности.

Определенный посредством независимых ACI-условий импеданс системы обратной последовательности реализуется через токи инвертора системы обратной последовательности в зависимости от фактического выходного напряжения системы обратной последовательности. Это создает функционально дополнительный режим ACI-режим управления, который поэтому принадлежит уровню управления мощностью архитектуры применяемого управления инвертором (фиг. 2 справа). Векторное управление регулирует входной сигнал для PWM-управления как обычно.

Аббревиатура ACI, которая является производной от английского термина "Asymmetrical Current Injection" (асимметричный ввод тока), обозначает асимметричный ввод тока. Чисто предусмотрительно отмечается, что аббревиатура FACTS обозначает как в английской, так и немецкой профессиональной терминологии понятие "Гибкая система передачи переменного тока" ("Flexible AC Transmission System").

Фиг. 2а, таким образом, иллюстрирует разделение управления инвертором 2 в соответствии с одной формой выполнения за счет того, что оно разделяется на управление и ввод составляющей 4 в системе прямой последовательности (англ. positive sequence - прямая последовательность), и управление и тем самым ввод составляющей 6 в системе обратной последовательности (англ. negative sequence - обратная последовательность). Таким образом, для системы прямой последовательности осуществляется управление импедансом Z ⁺, действительная составляющая которого отрицательна, который может быть определен посредством параметров I ⁺ V ⁺. Соответственно, система обратной последовательности применяет импеданс Z ^- и тем самым электрические параметры I ^- V ^-.

Значение этих обоих импедансов Z ⁺ и Z ^- показано на диаграмме на фиг. 2b в комплексной плоскости.

Фиг. 2с иллюстрирует на принципиальной схеме, которая показана частично в виде блок-схемы, выполнение ввода энергии в соответствии с одной формой выполнения.

В трехфазной сети 8 электропитания, фазы которой обозначены буквами а, b и с, в месте 10 измерений регистрируется напряжение v(t) всех трех фаз и подается на блок 12 разложения. Блок 12 разложения разлагает зарегистрированную таким образом трехфазную систему на компоненту системы прямой последовательности напряжения v⁺ и компоненту системы обратной последовательности напряжения v^-. Результат определяется через дополнительный вычислительный блок 14, который определяет требуемые значения, такие как реактивная мощность Q, и вместе с компонентами системы прямой и обратной последовательности напряжения передается на блок 16 задания ввода энергии. Блок 16 задания ввода энергии затем определяет подлежащие вводу составляющие системы прямой и обратной последовательности подлежащего вводу тока и определяет для этого, соответственно, d- и q-составляющую для тока системы прямой последовательности и тока системы обратной последовательности. Это также может сокращенно указываться посредством d-, q-, d+ и q+. В блок 16 задания ввода энергии может также передаваться информация о напряжении Vdc промежуточного контура. Вычислительный блок 14 и, в частности, блок 16 задания ввода энергии, таким образом, образуют блок 18 управления мощностью.

Значения, полученные из блока 18 управления мощностью, в частности, в блоке 16 задания ввода энергии, передаются в блок 20 векторного управления, который в блоке 22 системы обратной последовательности или в блоке 24 системы прямой последовательности определяет соответствующие векторы для управления соответствующей фазой, в которую должен осуществляться ввод энергии. Блок 22 системы обратной последовательности и блок 24 системы прямой последовательности также обмениваются информациями с блоком 12 разложения. Блок 26 преобразования преобразует для этого оба вектора системы прямой и обратной последовательности вводимого тока в конкретные задания вводимых токов фаз и выдает эти информации на блоки 28а, 28b или 28c. Блок 26 определяет для этого отдельные токи i_aref, i_bref или i_cref в соответствии с расчетом: i_aref=i-_aref + i+_aref+; i_bref=i-_bref + i+_bref или i_cref=i-_cref + i+_cref. Они передаются далее на блоки 30а, 30b и 30с управления диапазоном допусков в блоке 32 инвертора. Блоки 30а, 30b и 30с управления диапазоном допусков затем выполняют посредством известного управления диапазоном допусков конкретное управление инверторными мостами инвертора 34 и при этом могут учитывать фактический ток i(t).

На фиг. 3 представлена сеть 15 электропитания в качестве исходной точки для управления в соответствии с одной формой выполнения. Сеть 50 воздействует, в частности, посредством измерений, на общее управление, которое показано в виде блока 52 сетевого управления. Это общее сетевое управление для установки импеданса Z ^- может задавать значения для регулировочного коэффициента k^- или k^- _АВ и фазового угла φ^- или φ^- _АВ  регулировки. Индекс AB обозначает здесь нормальное рабочее состояние сети 50, то есть рабочее состояние, в котором нет никаких сетевых нарушений. Однако некоторые асимметрии могут также присутствовать.

На Фиг. 3 также показано, что для регулировочного коэффициента k^- или k^- _VNSR  устанавливается фиксированное значение, например значение 2, если имеет место асимметричное нарушение. В этом случае для фазового угла φ^- или φ^- _VNSR  регулировки задается абсолютное значение 90°. Индекс VNSR, который является аббревиатурой англоязычного термина "Voltage Negative Sequence Reactance" (реактивность обратной последовательности напряжения), обозначает здесь для случая нарушения, что для системы обратной последовательности напряжения задается реактивность. Для этого случая асимметричной неисправности в сети, таким образом, применяется не переменный фазовый угол φ^- регулировки, а назначается чисто реактивное сопротивление в качестве потребителя.

Блок 54 управления инвертором соответственно управляет инвертором 2. Инвертор 2 в данном случае соответствует инвертору, показанному на фиг. 2а, и также ссылочная позиция 54 для блока 54 управления инвертором применяется на фиг. 2а. Однако фиг. 2а и фиг. 3 являются схематичными представлениями, и могут иметься отличия в деталях.

Управление инвертором 2 посредством блока 54 управления инвертором, как показано на фиг. 3, содержит различные процессы управления, и в этом отношении также можно сослаться на управление, обсужденное со ссылкой на фиг. 2с. Для наглядной иллюстрации аспекта задания импеданса, фиг. 3 иллюстрирует в этом отношении только передачу или действие регулировочного коэффициента k^- и фазового угла φ^- регулировки на инвертор 2. Однако управление инвертором не ограничивается заданием этих значений.

Пунктирной стрелкой также показано возможное обратное действие инвертора 2 или соответственно имеющихся параметров на выходе 56 инвертора на блок 54 управления инвертором и, таким образом, на управление инвертором. В итоге инвертор 2 выдает на свой выход 56 инвертора подлежащий вводу в сеть трехфазный асимметричный ток и вводит его через представленный в качестве примера трансформатор 58 в сеть 50 в точке 60 подключения к сети.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для ввода электрической энергии в электрическую, трехфазную сеть. Техническим результатом является повышение качества электроэнергии сети. В ветроэнергетической установке и способе ввода электрической энергии в электрическую трехфазную сеть (8) осуществляются следующие этапы: ввод электрического тока посредством блока (2) ввода энергии в точке (60) подключения к сети, регистрация асимметрии в сети (8) электропитания, в частности, компоненты системы обратной последовательности в сети (8) электропитания, ввод в сеть (8) электропитания асимметричной составляющей тока для по меньшей мере частичной компенсации зарегистрированной асимметрии, причем ввод асимметричной составляющей тока осуществляется таким образом, что блок (2) ввода энергии для этого ведет себя как потребитель. 3 н. и 9 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Способ ввода электрической энергии в электрическую, трехфазную сеть (8), содержащий этапы:
- ввод электрического тока посредством блока (2) ввода энергии в точке (60) подключения к сети,
- регистрация асимметрии в сети (8) электропитания, в частности компоненты системы обратной последовательности в сети (8) электропитания,
- ввод в сеть (8) электропитания асимметричной составляющей тока для по меньшей мере частичной компенсации зарегистрированной асимметрии, причем ввод асимметричной составляющей тока осуществляют таким образом, что блок (2) ввода энергии для этого ведет себя как потребитель (6).

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что
потребитель в системе (6) обратной последовательности описывают как импеданс Z ^- и определяют с помощью следующего соотношения:

в котором Z_n - величина импеданса, φ^- - фазовый угол регулировки и k^- - скалярный регулировочный коэффициент.

3. Способ по п. 2, отличающийся тем, что
регулировочный коэффициент k^- и/или фазовый угол φ^- регулировки импеданса регулируют в зависимости от по меньшей мере одного сетевого свойства.

4. Способ по п. 2 или 3, отличающийся тем, что
фазовый угол φ^- регулировки устанавливают в диапазоне 0-90°, причем его устанавливают тем большим, чем больше в точке подключения к сети отношение реактивного сопротивления к активному сопротивлению (отношение X/R) сети электропитания.

5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что
создают эквивалентную схему сети (8) электропитания для точки (10) ввода энергии, и в зависимости от созданной эквивалентной схемы регулируют потребитель (6) или соответственно импеданс, который описывает потребителя (6), в частности, фазовый угол φ^- регулировки и/или регулировочный коэффициент k^- устанавливают в зависимости от полученной эквивалентной схемы.

6. Способ по п. 1, отличающийся тем, что
асимметрию регистрируют тем, что регистрируют компоненту (V^-) системы обратной последовательности электрического напряжения в сети (8) электропитания, и/или что асимметричную составляющую тока вводят как компоненту системы обратной последовательности.

7. Способ по п. 1, отличающийся тем, что
блок (2) ввода энергии представляет собой или включает в себя инвертор.

8. Способ по п. 1, отличающийся тем, что
проверяют, присутствует ли асимметричное сетевое нарушение в сети (8) электропитания, и причем асимметричный ввод затем осуществляют так, что блок (2) ввода энергии ведет себя как потребитель (6), если не зарегистрировано никакого асимметричного сетевого нарушения.

9. Способ по п. 2, отличающийся тем, что
ввод осуществляют в сеть среднего напряжения, и для этого фазовый угол φ^- регулировки устанавливают на значение в диапазоне 40-70°, в частности 50-60°, и/или что для регулировочного коэффициента k^- устанавливают значение в диапазоне от 0 до 10.

10. Ветроэнергетическая установка (100) для ввода энергии, полученной из энергии ветра, в электрическую сеть (8) электропитания, выполненная с возможностью применения способа по любому из предыдущих пунктов.

11. Ветроэнергетическая установка (100) по п. 9, отличающаяся тем, что для ввода энергии содержит инвертор (2) в качестве блока (2) ввода энергии.

12. Инвертор (2) для ввода электрической энергии в электрическую сеть (8) электропитания, выполненный с возможностью применения способа по любому из пп. 1-9 и, в частности, для эксплуатации с ветроэнергетической установкой.