ВЕТРЯНАЯ ФЕРМА Российский патент 2017 года по МПК H02J3/38 

Настоящее изобретение относится к ветряной ферме для выработки электроэнергии из ветра и для выдачи выработанной электроэнергии в сеть электропитания. Настоящее изобретение относится также к способу выдачи электроэнергии, вырабатываемой на ветряной ферме посредством множество ветряных турбин.

Общеизвестно, что электроэнергию вырабатывают посредством ветряных турбин из ветра, при этом термин «вырабатывать» используется для описания того, что энергию ветра преобразуют в электроэнергию. Часто множество ветряных турбин объединяют вместе с одной ветряной ферме. Поэтому такая ветряная ферма содержит общую точку выдачи для выдачи электроэнергии в сеть электропитания, подключенную к ней. Таким образом, все ветряные турбины в ветряной ферме выдают электроэнергию в сеть электропитания через данную общую точку выдачи.

Например, выдача осуществляется таким образом, что каждая ветряная турбина выдает свою электроэнергию в сеть электропитания в виде переменного электрического тока с соответствующей частотой, амплитудой напряжения и фазой. Токи, выдаваемые таким образом из множества ветряных турбин, накладываются в или непосредственно перед общей точкой выдачи и таким образом могут быть совместно выданы в сеть электропитания.

Таким образом, любые ветряные турбины в ветряной ферме могут эксплуатироваться совместно, поскольку каждая ветряная турбина формирует электрический ток, который она выдает, в соответствии с надлежащими величинами. В этом случае может требоваться приведение в соответствие всей выдаваемой электроэнергии.

Однако недостатком в данном случае является то, что в каждой ветряной турбине и во внутренней сети ветряной фермы, которая образует связь между ветряными турбинами и общей точкой выдачи сети, могут возникать потери, которые в результате могут снижать общий кпд ветряной фермы.

Германское управление по патентам и торговым маркам провело анализ известного уровня техники в приоритетной заявке для данной заявки: DE 10145346 А1 и DE 19620906 А1.

Таким образом, целью настоящего изобретения является уменьшение вышеупомянутых недостатков, насколько это возможно. В частности, необходимо уменьшить снижение эксплуатационных характеристик внутри ветряной фермы и повысить кпд ветряной фермы. Необходимо предложить по меньшей мере одно альтернативное решение.

В соответствии с изобретением предлагается ветряная ферма по п. 1 формулы изобретения. Такая ветряная ферма приспособлена для выработки электроэнергии из ветра и включает в себя по меньшей мере две ветряные турбины для выработки электроэнергии и одно общее устройство выдачи для выдачи выработанной электроэнергии в подсоединенную сеть электропитания. Может быть также необходимо, в частности временно, чтобы только часть электроэнергии, которая выработана или может быть выработана, выдавалась в сеть электропитания, если, например, это требуется для поддержки сети электропитания и/или на основе технических требований от оператора сети электропитания. В других случаях любые потери электроэнергии исключены из подробного описания изобретения. В целях общего понимания предполагается, что электроэнергия, вырабатываемая в середине, может быть также выдана в сеть электропитания. Если и когда имеется потеря эксплуатационных характеристик, это будет специально оговорено.

В предложенном решении ветряные турбины соединены с устройством выдачи через сеть напряжения постоянного тока, которая может также называться сетью напряжения постоянного тока ветряной фермы. Таким образом, ветряные турбины выдают свою электроэнергию или свою электрическую мощность, если рассматривать любое мгновенное состояние, в виде постоянного электрического тока в сеть напряжения постоянного тока, и данное напряжение постоянного тока, или такие объединенные напряжения постоянного тока от всех подключенных ветряных турбин, выдается/выдаются в устройство выдачи. Тогда устройство выдачи принимает из ветряной фермы суммарную выходную электроэнергию и может выдавать ее в сеть электропитания.

Это может также относиться к выдаче электрического напряжения постоянного тока в электрическую сеть напряжения постоянного тока фермы так, что устройство выдачи забирает электрическую мощность из электрической сети напряжения постоянного тока ветряной фермы. Для того чтобы избежать путаницы с сетью электропитания, в данном документе будет использован термин «подача в сеть напряжения постоянного тока».

Таким образом, предполагается, что должна быть предусмотрена сеть напряжения постоянного тока ветряной фермы и что ветряные турбины, подсоединенные к ней, также подают только постоянный ток и напряжение постоянного тока в данную сеть напряжения постоянного тока ветряной фермы. Таким образом, управление выдачей для ветряной фермы и соответственно для множества ветряных турбин может осуществляться посредством одного-единственного устройства выдачи. Этот единственный элемент, необходимый для выработки переменного тока, приспособлен для сети электропитания по своей частоте, амплитуде напряжения и фазе. Любые требования, включая требования, которые внезапно изменились в сети электропитания, должны быть обеспечены только посредством данного устройства выдачи. Это то самое единственное устройство выдачи, которое должно определять состояние сети, т.е. только данное устройство выдачи должно мгновенно обеспечивать надлежащие величины. Необходимо также отметить, что должна быть предусмотрена возможность размещения устройства выдачи непосредственно около или в непосредственной близости от точки выдачи, т.е. в непосредственной близости от сети электропитания. Это обеспечивает более непосредственное применение любых измеренных величин, поскольку, например, отсутствуют или возникают лишь небольшие потери напряжения между устройством выдачи и сетью электропитания.

Таким образом, при выдаче уже не нужно учитывать любые потери напряжения между соответствующими ветряными турбинами и точкой выдачи. Устройство выдачи должно только регулировать напряжение токового сигнала, который оно генерирует, в соответствии с напряжением сети электропитания. Благодаря более коротким расстояниям между данным устройством подачи и сетью электропитания, по сравнению с расстоянием между ветряной турбиной в ветряной ферме и сетью электропитания, амплитуды напряжения могут быть также лучше приспособлены к требованиям сети электропитания.

Наконец, инверторы частоты, которые раньше требовались в ветряных турбинах, больше уже не нужны. Теперь требуется только одно устройство выдачи. Данное единственное устройство выдачи должно фактически преобразовывать всю выходную электроэнергию из ветряной фермы и поэтому должно быть соответственно большим по размеру. Однако это означает, что оно может быть более эффективным и, следовательно, работать с меньшими относительными потерями электроэнергии.

В соответствии с вариантом осуществления предлагается, что напряжение постоянного тока в сети напряжения постоянного тока изменяется в пределах от 1 до 50 кВ и конкретно от 5 до 10 кВ. Это относится к напряжению между двумя кабелями в одной биполярной топологии.

Таким образом, ветряные турбины выдают свою мощность при соответственно высоком напряжении, а именно среднем напряжении, в сеть напряжения постоянного тока ветряной фермы. Потери при передаче могут быть уменьшены посредством такого соответственно высокого напряжения в сети напряжения постоянного тока ветряной фермы. Кроме того, в общем устройстве выдачи уже имеется напряжение с определенной амплитудой, и поэтому можно не использовать трансформатор для повышения электрического напряжения в электрической сети ветряной фермы. Поэтому в устройстве выдачи может быть использован инвертор среднего напряжения, т.е. общее устройство выдачи может представлять собой инвертор среднего напряжения, который требует меньше материалов и может также сделать использование трансформатора среднего напряжения лишним.

Предпочтительно по меньшей мере одна из ветряных турбин и, в частности, все ветряные турбины в ветряной ферме будут содержать генератор, выпрямитель и повышающий преобразователь. Генератор соединен с аэродинамическим ротором на ветряной турбине и соответственно способен вырабатывать из ветра электрическую мощность, которую он выдает в виде переменного электрического тока. Переменный электрический ток выпрямляют посредством выпрямителя в начальный постоянный ток с начальным напряжением постоянного тока. Повышающий преобразователь повышает начальный постоянный ток и начальное напряжение постоянного тока до второго постоянного тока и второго напряжения постоянного тока, и второе напряжение постоянного тока соответственно выше, чем начальное напряжение постоянного тока. Затем второе напряжение постоянного тока предпочтительно выдают в сеть напряжения постоянного тока ветряной фермы. Повышающий преобразователь соответственно используют для повышения начального постоянного тока, конкретно до амплитуды напряжения, требующейся в сети напряжения постоянного тока. Одновременно повышающий преобразователь способен выполнять функцию выдачи второго напряжения постоянного тока, которое является по возможности стабильным. Начальное напряжение постоянного тока, конечно, может изменяться в зависимости от колебаний ветра, и при низкой скорости ветра оно может давать меньшую величину, чем при более высокой скорости ветра, или более конкретно при номинальной скорости ветра.

Выпрямитель предпочтительно расположен в непосредственной близости от генератора, конкретно внутри гондолы ветряной турбины, и вырабатываемый начальный постоянный ток будет затем передаваться вниз через башню ветряной турбины или подобное устройство в основание башни или подобное устройство, где расположен повышающий преобразователь. Это означает, что электрический выход из гондолы в основание башни или подобное устройство может осуществляться с использованием передачи напряжения постоянного тока. Одновременно могут быть устранены высокие средние напряжения, предусмотренные во всяком случае на высоте, где они предполагаются в сети напряжения постоянного тока ветряной фермы.

В соответствии с другим исполнением предлагается, что по меньшей мере одна из ветряных турбин и предпочтительно все ветряные турбины в ветряной ферме содержат синхронный генератор для генерирования какого-либо или определенного переменного электрического тока. Синхронный генератор данного типа выполнен с возможностью надежного генерирования переменного электрического тока и снабжения выпрямителя. Синхронный генератор будет предпочтительно выполнен в виде кольцевого генератора, и электромагнитно активные элементы будут соответственно расположены только на внешней трети или даже еще дальше. Предпочтительно такой синхронный генератор может содержать большое количество полюсов, например 48, 72, 96 или 144 полюса. Это обеспечивает конструкцию без зубчатой передачи, в которой рабочее колесо в генераторе может приводиться в движение непосредственно аэродинамическим ротором, т.е. без соединенных между собой зубчатых колес, и можно непосредственно генерировать переменный ток, который передается в выпрямитель. Предпочтительно также синхронный генератор будет представлять собой синхронный генератор с шестью фазами, т.е. с двумя группами из трех фаз. Такой шестифазный переменный ток может быть выпрямлен более легко с более узкими гармониками, т.е. можно использовать меньшее количество фильтров. Предпочтительно ветряные турбины будут представлять собой турбины с переменной скоростью, так что скорость вращения аэродинамических роторов может непрерывно приспосабливаться к скорости преобладающего ветра.

В соответствии с одним исполнением устройство выдачи содержит инвертор, соединенный с сетью напряжения постоянного тока, т.е. устройство выдачи представляет собой инвертор. Данный инвертор генерирует переменный электрический ток, выдаваемый в сеть электропитания. Предпочтительно в данном случае будет использован инвертор среднего напряжения.

Предпочтительно между устройством выдачи и сетью электропитания использовать трансформатор для повышения напряжения переменного тока, генерируемого посредством устройства выдачи. Если использовать инвертор среднего напряжения, то трансформатор среднего напряжения не требуется. В зависимости от подсоединенной сети электропитания и топологии между ними в данном случае может быть полезно использовать трансформатор высокого напряжения. Трансформатор высокого напряжения особенно полезен, когда инвертор среднего напряжения уже генерирует переменный ток со средним напряжением, конкретно с напряжением от 5 до 10 кВ, и/или если используется трансформатор среднего напряжения, который генерирует максимально возможное среднее напряжение до 50 кВ.

В соответствии с изобретением предлагается также способ выдачи электроэнергии в сеть электропитания по п. 5 формулы изобретения. В соответствии с данным способом переменный электрический ток генерируют с использованием генератора в ветряной турбине и выпрямляют посредством выпрямителя в начальный постоянный ток и начальное напряжение постоянного тока. Данное начальное напряжение постоянного тока может изменяться по амплитуде. Поэтому данный начальный постоянный ток и начальное напряжение постоянного тока повышают до второго постоянного тока и второго напряжения постоянного тока посредством повышающего преобразователя. Данное второе напряжение постоянного тока, в частности, имеет более высокую амплитуду, чем первое напряжение постоянного тока, и приспособлено к напряжению в сети напряжения постоянного тока ветряной фермы, т.е. общей сети напряжения постоянного тока в ветряной ферме.

Данный второй постоянный ток и второе напряжение постоянного тока соответственно подают в сеть напряжения постоянного тока ветряной фермы. Данная сеть напряжения постоянного тока ветряной фермы подает данную выдаваемую энергию в общий инвертор, который может также называться инвертором ветряной фермы, который преобразует данную энергию, подаваемую в виде постоянного тока, и выдает ее в сеть электропитания в виде переменного тока.

Предпочтительно множество ветряных турбин будут генерировать переменный электрический ток, преобразовывать его в начальный постоянный ток, повышать начальный постоянный ток до второго постоянного тока и, наконец, подавать второй постоянный ток в сеть напряжения постоянного тока ветряной фермы. Необходимо понимать, что термины «начальный постоянный ток», «начальное напряжение постоянного тока» и «второй постоянный ток» являются систематическими терминами в данном контексте, и амплитуды начального постоянного тока, начального напряжения постоянного тока и второго постоянного тока могут отличаться от одной ветряной турбины к другой. Даже при использовании одинаковых ветряных турбин величины могут отличаться, например, в зависимости от преобладающего ветра и/или расположения ветряной турбины в пределах ветряной фермы. Однако второе напряжение постоянного тока будет в любом случае одинаковым для всех ветряных турбин в первом приближении и будет соответствовать напряжению постоянного тока в сети напряжения постоянного тока ветряной фермы.

Изобретение будет описано ниже более подробно с использованием вариантов осуществления и со ссылкой на прилагаемые чертежи в качестве примеров.

Фиг. 1 показывает ветряную турбину, используемую в ветряной ферме, в перспективном виде.

Фиг. 2 показывает ветряную ферму.

Фиг. 1 показывает ветряную турбину 100 с башней 102 и гондолой 104. На гондоле 104 расположен аэродинамический ротор 106 с тремя лопастями 108 ротора и обтекатель 104. Во время эксплуатации ротор 106 устанавливается против ветра при вращательном перемещении и тем самым приводит в действие генератор в гондоле 104.

Фиг. 2 показывает ветряную ферму 1, которая содержит, например, две ветряные турбины 2, одна из которых описана более подробно. Эти детали не повторяются для другой турбины для упрощения, а также потому, что ее детали могут быть другими. Обе ветряные турбины 2 соединены посредством линии 4 напряжения постоянного тока и шины 6 напряжения постоянного тока с общим инвертором 8. Общий инвертор 8 генерирует переменный ток с напряжением переменного тока из напряжения постоянного тока или постоянного тока из шины 6 на его выходе и выдает его в сеть 14 электропитания через трансформатор 12, который в данном случае выполнен в виде трансформатора среднего напряжения.

Основные функции и необходимые элементы в любом случае описаны в соответствии с вариантом осуществления на основе показанной подробно описанной ветряной турбины 2. Ветряная турбина 2 содержит аэродинамический ротор 16, который поворачивается ветром и таким образом вращает рабочее колесо в синхронном генераторе 18 так, что синхронный генератор 18 генерирует переменный ток и подает его в выпрямитель 20. Выпрямитель 20 расположен в гондоле 22 ветряной турбины 2 и там он генерирует начальный постоянный ток и начальное напряжение постоянного тока. Начальный постоянный ток и начальное напряжение постоянного тока подают через соединительный кабель 24 постоянного тока из гондолы 22 через башню 26 в основание 28 башни. Таким образом, соединительный кабель 24 постоянного тока может также называться башенным кабелем постоянного тока.

В основании 28 башни соединительный кабель 24 постоянного тока соединен с повышающим преобразователем 30. Повышающий преобразователь 30 преобразует начальный постоянный ток и начальное напряжение постоянного тока во второй постоянный ток и второе напряжение постоянного тока. Данный второй постоянный ток и второе напряжение постоянного тока генерируются на выходе 32 повышающего преобразователя 30 и подаются через один кабель 4 напряжения постоянного тока в шину 6.

Начальное напряжение постоянного тока начального постоянного тока, которое возникает в соединительном кабеле 24 постоянного тока, т.е. башенном кабеле 24 постоянного тока, и соответственно на выходе инвертора 20, равно приблизительно 5 кВ. Напряжение постоянного тока, приложенное к кабелю 4 напряжения постоянного тока, т.е. соединению 4 напряжения постоянного тока, в шине 6 предпочтительно будет находиться в пределах 5-10 кВ. Данная величина соответственно также приложена к шине 6 и соответственно к входу в общий инвертор 8. Таким образом, данный пример показывает общий инвертор 8 для преобразования напряжения постоянного тока с 5 на 10 кВ. Общий инвертор 8, который представляет собой, по существу, устройство выдачи, показан как инвертор среднего напряжения.

Благодаря использованию показанной топологии может быть устранен один инвертор в каждой ветряной турбине 2. Используемый общий инвертор 8 способен работать, в частности, при использовании инвертора среднего напряжения, как показано также на фиг. 2, с более высокой эффективностью по сравнению множеством отдельных инверторов с более низкими напряжениями. Фиг. 2 показывает всего две ветряные турбины 2, только чтобы пояснить, что в ветряной ферме 1 содержится множество ветряных турбин 2. Однако такая ветряная ферма будет предпочтительно содержать больше двух ветряных турбин 2, конкретно 50 или более ветряных турбин, которые соединены посредством кабеля 4 напряжения постоянного тока с шиной 6. Таким образом, весь кабель 4 напряжения постоянного тока может называться сетью 4 напряжения постоянного тока ветряной фермы или просто сетью 4 напряжения постоянного тока в ветряной ферме. Сеть 4 напряжения постоянного тока ветряной фермы не нужна для образования любого прямого соединения между отдельными ветряными турбинами, что означает, однако, что может быть и непрямое соединение, такое как показанное посредством шины 6 на фиг. 2.

В зависимости от исполнения ветряной фермы 1 и/или сети 14 электропитания трансформатор 12 среднего напряжения может быть устранен. Вся электрическая мощность, вырабатываемая ветряными турбинами 2, подается в сеть 4 напряжения постоянного тока при максимальном возможном напряжении и таким образом выдается в сеть 14 электропитания с максимальной возможной эффективностью с использованием общего инвертора 8.

Это означает возможность повышения кпд ветряной фермы 1, в частности, посредством уменьшения потерь. Кроме того, можно удовлетворить некоторые будущие требования сети. Такие требования сети могут заключаться, например, в том, что ветряная ферма должна реагировать на конкретные условия в сети электропитания самым определенным образом или что она должна реагировать на требования от оператора сети электропитания сугубо определенным и понятным образом. Такие требования могут быть также установлены очень неожиданно посредством соответствующих сигналов. Благодаря использованию данного общего инвертора 8 ветряная ферма 1 может быть описана как генерирующая установка ветряной фермы, которая воспринимается сетью электропитания только как основной электрогенератор. Любые отличия в ветряных турбинах 2 в ветряной ферме 1 не влияют на или не являются существенными для сети 14 электропитания, или не могут ощущаться сетью 14 электропитания. Данные отличия, в частности, включают в себя разные временные характеристики при реагировании на разные состояния сети электропитания и/или разные требования от сети 14 электропитания.

Таким образом, предлагается конкретно, что вся кабельная сеть ветряной фермы будет использовать технологию напряжения постоянного тока и диапазон напряжения в диапазоне среднего напряжения, конкретно в пределах приблизительно 5-10 кВ. Ветряные турбины не будут оборудованы инверторами. Передача энергии в передающую установку сети, показанную на фиг. 2 в виде инвертора 8 и шины 6, будет осуществляться с использованием напряжения постоянного тока. Таким образом, инвертор среднего напряжения для выдачи в сеть напряжения переменного тока, а именно сеть 14 электропитания, будет использован в передающей станции сети. Данный инвертор среднего напряжения отвечает всем требованиям сети, т.е. требованиям сети электропитания, а также любым требованиям реактивной мощности, т.е. требованиям, основанным на пропорции реактивной мощности, которая должна быть выдана.

Таким образом, предложено решение, которое также отвечает целям создания ветроэнергетических станций максимально рентабельным способом и с самым высоким уровнем эффективности.

Использование: в области электротехники. Технический результат – повышение эксплуатационных характеристик внутри ветряной фермы и повышение КПД ее работы. Ветряная ферма (1) для выработки электроэнергии из ветра содержтит: по меньшей мере две ветряные турбины (2) для выработки электроэнергии и общее устройство (8) подачи для подачи выработанной электроэнергии или ее части в сеть (14) электропитания, при этом ветряные турбины (2) и устройство (8) подачи соединены через электрическую сеть (4) напряжения постоянного тока, для того чтобы подавать электроэнергию, вырабатываемую соответствующими ветряными турбинами (2) в виде постоянного электрического тока, в общее устройство (8) подачи, при этом сеть (4) напряжения постоянного тока имеет напряжение постоянного электрического тока в диапазоне 5-10 кВ, и каждая ветряная турбина (2) содержит следующие элементы: генератор (18) для генерирования переменного электрического тока, выпрямитель (20) для выпрямления сгенерированного переменного электрического тока в первый постоянный ток, имеющий первое напряжение постоянного тока, и повышающий преобразователь (30) для повышения первого постоянного тока и первого напряжения постоянного тока до второго постоянного тока и второго напряжения постоянного тока, которое выше, чем первое напряжение постоянного тока, при этом сеть напряжения постоянного тока включает в себя шину (6) и множество соединений линий, и при этом второе напряжение постоянного тока подается в сеть напряжения постоянного тока ветряной фермы. 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Ветряная ферма (1) для выработки электроэнергии из ветра, содержащая:

- по меньшей мере две ветряные турбины (2) для выработки электроэнергии и

- общее устройство (8) подачи для подачи выработанной электроэнергии или ее части в сеть (14) электропитания,

при этом ветряные турбины (2) и устройство (8) подачи соединены через электрическую сеть (4) напряжения постоянного тока, для того чтобы подавать электроэнергию, вырабатываемую соответствующими ветряными турбинами (2) в виде постоянного электрического тока, в общее устройство (8) подачи, при этом сеть (4) напряжения постоянного тока имеет напряжение постоянного электрического тока в диапазоне 5-10 кВ, и каждая ветряная турбина (2) содержит следующие элементы:

- генератор (18) для генерирования переменного электрического тока,

- выпрямитель (20) для выпрямления сгенерированного переменного электрического тока в первый постоянный ток, имеющий первое напряжение постоянного тока, и

- повышающий преобразователь (30) для повышения первого постоянного тока и первого напряжения постоянного тока до второго постоянного тока и второго напряжения постоянного тока, которое выше, чем первое напряжение постоянного тока,

при этом сеть напряжения постоянного тока включает в себя шину (6) и множество соединений линий, и

при этом второе напряжение постоянного тока подается в сеть напряжения постоянного тока ветряной фермы.

2. Ветряная ферма (1) по п. 1, отличающаяся тем, что по меньшей мере одна из ветряных турбин (2), предпочтительно все ветряные турбины (2) в ветряной ферме (1) содержат синхронный генератор (18) для генерирования какого-либо или определенного переменного электрического тока.

3. Ветряная ферма (1) по п. 1 или 2, отличающаяся тем, что устройство (8) выдачи содержит инвертор (8), соединенный с сетью (4) напряжения постоянного тока, для генерирования переменного электрического тока для выдачи в сеть (14) электропитания.

4. Ветряная ферма (1) по п. 1 или 2, отличающаяся тем, что между устройством (8) выдачи и сетью (14) электропитания предусмотрен трансформатор (12) для повышения переменного тока, генерируемого посредством устройства (8) выдачи.

5. Способ выдачи электроэнергии, вырабатываемой в ветряной ферме (1) с использованием множества ветряных турбин (2), в сеть (14) электропитания, включающий этапы:

(a) генерирования переменного электрического тока с использованием генератора (18) в ветряной турбине (2),

(b) преобразования переменного электрического тока в начальный постоянный ток и начальное напряжение постоянного тока,

(c) повышения начального постоянного тока и начального напряжения постоянного тока до второго постоянного тока со вторым напряжением постоянного тока, при этом второе напряжение постоянного тока имеет электрическое напряжение постоянного тока в диапазоне 5-10 кВ, а для повышения первого постоянного тока используется повышающий преобразователь,

(d) подачи второго постоянного тока в сеть (4) напряжения постоянного тока ветряной фермы, включающую в себя шину (6) и множество соединений линий, для снабжения инвертора (8) ветряной фермы для выдачи в сеть (14) электропитания и

(е) выдачи электроэнергии, подаваемой в сеть (4) напряжения постоянного тока ветряной фермы, в сеть (14) электропитания через инвертор (8) ветряной фермы.

6. Способ по п. 5, отличающийся тем, что этапы (a)-(d) осуществляют посредством множества ветряных турбин (2) в ветряной ферме (1).