ВОЗМОЖНОСТЬ ПОДДЕРЖАНИЯ НЕПРЕРЫВНОСТИ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ ДЛЯ ВЕТРЯНОЙ ТУРБИНЫ Российский патент 2019 года по МПК H02J3/12 H02J3/38 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Изобретение относится, в общем, к области изменяемых источников энергии, основанных на инверторе, и, более конкретно, к функциональной возможности поддержания непрерывности электропитания системы генератора ветряной турбины, соединенной с электрической сетью посредством преобразователя переменного тока (АС-АС) в условиях низкого напряжения в сети, когда никакая мощность не генерируется генератором ветряной турбины.

ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Во время нормальной работы ветряной турбины, энергия подается на ротор ветром, который вращает генератор либо через редуктор в редукторных машинах, либо непосредственно в безредукторных (с прямым приводом) машинах. Выход генератора выпрямляется в DC (постоянный ток) с помощью преобразователя на стороне генератора и временно сохраняется в DC шине в емкостном электрическом поле. Энергия DC шины подается на преобразователь стороны линии, который преобразует DC энергию в АС (переменный ток) на частоте электрической сети. Здесь ʺэлектрическая сетьʺ или ʺсетьʺ означает систему распределения электрической мощности, соединенную с выходом преобразователя стороны линии. Это включает, например, коллекторную систему в парке ветряных турбин (ветроэнергоцентре), которая собирает энергию от множества ветряных турбин и может считаться локальной сетью. Преобразователь стороны линии вырабатывает как активную мощность, измеряемую в мегаваттах (МВт), так и реактивную мощность, измеряемую в мегавольт-амперах реактивных (MVAR). Активная мощность должна подаваться от генератора, но реактивная мощность может вырабатываться преобразователем стороны линии без действия генератора. Когда преобразователь стороны линии не вырабатывает активную мощность, но предоставляет реактивную мощность в сеть или поглощает реактивную мощность из сети, он работает как локальный регулятор напряжения. Предоставляя реактивную мощность в сеть, он повышает локальное напряжение сети, а поглощая реактивную мощность из сети, он снижает напряжение сети. Когда турбина работает в этом режиме, она описывается как действующая в ʺсинхронном конденсаторном режимеʺ или ʺSTATCOMʺ. В течение этого времени генератор и преобразователь стороны генератора остаются работоспособными, но переводятся в режим ожидания, так как они не выполняют никакой функции, и активны только DC шина и преобразователь стороны линии.

Во время состояния низкого напряжения в сети, реактивный ток может предоставляться инвертором стороны линии для поддержки напряжения сети. Хотя чисто реактивный ток не передает никакой чистой активной или действительной мощности, невозможно обеспечить реактивный ток без создания некоторых потерь активной мощности, поскольку все несверхпроводящие электрические компоненты имеют последовательные активные сопротивления. Они истощают напряжение на DC шине до тех пор, пока не будет достигнуто заданное значение низкого напряжения DC шины, и генератор отключится, что может потребовать несколько минут для повторного запуска для диагностики, которая должна выполняться, чтобы не возникло никаких повреждений для турбины, ассоциированной с отключением. Реальная энергия в DC шине описывается выражением E=½CV², где E - энергия, C - емкость DC шины и V - напряжение DC шины. Эта энергия рассеивается потерями в системе, поэтому ее необходимо пополнять. Когда ветряная турбина вырабатывает мощность, получаемую из ветра, эта энергия получается из энергии ветра. Однако в периоды слабого ветра (ниже скорости включения (начала работы) ветряной турбины) или при сильном ветре (выше скорости отключения) или по требованию системного оператора, иногда желательно, чтобы ветряные турбины работали в качестве регуляторов напряжения системы без выработки активной мощности. Когда это происходит, энергия DC шины должна подаваться системой питания. Если в локальной энергосистеме имеется 3-фазная ошибка, напряжение в системе падает до нуля, так что мощность не может передаваться. Энергия DC шины потребляется в процессе, и напряжение DC шины падает. В этой ситуации преобразователь стороны генератора не может пополнять DC шину для поддержания реальных потерь, и существует риск того, что напряжение DC шины упадет до неприемлемо низких уровней или до нуля, что приведет к отключению турбины.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Изобретение поясняется в нижеследующем описании со ссылками на чертежи, на которых показано следующее:

Фиг. 1 является схематичным видом источника энергии ветряной турбины, иллюстрирующего аспект варианта осуществления изобретения.

Фиг. 2 показывает аспекты двух вариантов предшествующего уровня техники и двух настоящих вариантов осуществления для отклика реактивного тока на низкое напряжение сети, когда мощность генератора недоступна.

Фиг. 3 показывает напряжение DC шины во времени для соответствующих вариантов согласно фиг. 2.

Фиг. 4 показывает аспекты двух дополнительных вариантов осуществления изобретения для отклика реактивного тока на низкое напряжение сети, когда мощность генератора недоступна.

Фиг. 5 показывает напряжение DC шины во времени для соответствующих вариантов согласно фиг. 4.

Фиг. 6 является схематичным видом системы источника энергии ветряной турбины, содержащего асинхронный генератор с двойным электропитанием, иллюстрирующего аспект варианта осуществления изобретения.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

На фиг. 1 показан источник 20 энергии ветряной турбины, содержащий аэродинамический ротор 22, который приводит в действие генератор 24 посредством прямого привода или через редуктор 26. АС-АС преобразователь 28 имеет АС-DC преобразователь 30 стороны генератора, который принимает мощность 32 от генератора и преобразует ее в DC мощность в DC шине 34, которая может включать в себя конденсатор 36 для сглаживания. DC-AC преобразователь 38 (инвертор) стороны линии преобразует DC напряжение в АС на частоте сети. Это напряжение повышается трансформатором 40 для передачи в сеть. Коллектор 42 может собирать мощность от одной или нескольких ветряных турбин и может рассматриваться как часть сети для настоящего описания. DC-AC преобразователь стороны линии соединен с сетью через автоматический выключатель (прерыватель) 44, который отсоединяет выход от сети в определенных состояниях неисправности. Процессор 46 управляет АС-АС преобразователем и контролирует уровень Vb напряжения DC шины и уровень Vt напряжения на выводах турбины. Здесь ʺпроцессорʺ означает один или несколько цифровых и/или аналоговых компонентов, которые включают и исполняют логику управления, которая управляет работой других компонентов. Как используется здесь, напряжение на выводах турбины (или напряжение на выводах) является напряжением на стороне низкого напряжения трансформатора 40 и непосредственно связано с напряжением коллекторной системы или напряжением сети на стороне высокого напряжения трансформатора 40, так что эти термины могут иногда использоваться взаимозаменяемым образом, как понятно специалисту в данной области техники. Как более подробно описано ниже, устройство 48 накопления энергии, такое как батарея или другое устройство, может быть соединено с DC шиной для поддержки напряжения на DC шине в течение предопределенной длительности или поддержания непрерывности электропитания во время состояния низкого напряжения в сети, когда мощность генератора 24 недоступна, и устройство работает в режиме STATCOM. Это может произойти, когда возникает неисправность в сети, такая как электрическое короткое замыкание, когда генератор 24 не работает из-за того, что ветер находится ниже скорости включения или выше скорости отключения, когда находящийся выше по потоку (предвключенный) компонент, такой как генератор или преобразователь на стороне генератора, выводится из эксплуатации для осуществления обслуживания или иным образом управляется системным оператором.

На фиг. 2 и 3 показаны аспекты двух соответствующих предшествующему уровню техники вариантов отклика на неисправность по сравнению с первым и вторым примерными вариантами осуществления изобретения для управления выходом реактивного тока преобразователя 38 стороны линии во время неисправности в сети в режиме STATCOM. На этих чертежах, ссылочные позиции, начинающиеся с 52 и 54, относятся к примерам согласно предшествующему уровню техники, а ссылочные позиции, начинающиеся с 58 и 60, относятся к вариантам осуществления изобретения. На фиг. 3 показано напряжение Vb DC шины во времени для соответствующих вариантов тока согласно фиг. 2. Первый вариант согласно предшествующему уровню техники уменьшает реактивный ток 52C до нуля как можно скорее (с учетом ограничений системы управления) после возникновения неисправности 50. Это сохраняет напряжение 52V на DC шине 34. Второй вариант согласно предшествующему уровню техники предоставляет реактивный ток 54С в сеть до тех пор, пока напряжение 54V на DC шине не истощится до заданного значения 56 отключения по низкому напряжению. Это приводит к тому, что источник 20 энергии отключается и переходит в автономный режим. Авторы настоящего изобретения выявили, что ни один из этих вариантов не является желательным, поскольку либо нет поддержки для сетевого напряжения, либо требуется повторная синхронизация источника 20 энергии ветряной турбины с сетью.

Первый вариант осуществления изобретения предоставляет реактивный ток 58C в сеть, но только в течение ограниченного времени, в течение которого напряжение 58V DC шины остается выше заданного значения 56 отключения. Преобразователь 38 стороны линии управляется процессором 46, чтобы прекращать подачу реактивной мощности в сеть, когда напряжение DC шины достигает предопределенного порога 59 выше заданного значения 56 отключения по низкому напряжению DC шины.

Второй вариант осуществления изобретения предоставляет реактивный ток 6°C в сеть и может использовать устройство 48 накопления энергии (фиг. 1), которое поддерживает напряжение 60V на DC шине выше заданного значения 56 отключения для указанной длительности поддержания непрерывности электропитания, такой например, как по меньшей мере 150 мс. Устройство накопления энергии может быть аккумуляторной батареей или каким-либо другим устройством. Относительно небольшой конденсатор 36 в DC шине обеспечивает мгновенную поддержку напряжения, а аккумуляторная батарея обеспечивает более длительную поддержку. Мощность может дополнительно предоставляться в шину вспомогательным генератором мощности любого подходящего типа для более долгой поддержки сети. Конденсаторы являются более дорогостоящими, но более быстродействующими, чем батареи, так что эта ступенчатая энергетическая поддержка имеет синергический эффект. Этот вариант осуществления особенно полезен для слабых сетей и в энергосистемах с условиями или требованиями поддержания непрерывности электропитания.

На фиг. 4 и 5 показаны аспекты третьего и четвертого вариантов осуществления изобретения для управления выходом реактивного тока преобразователя линейной стороны во время неисправности низкого напряжения в сети в режиме STATCOM.

Вариант осуществления 3 изобретения уменьшает реактивный ток 62C от первого запрограммированного значения A до второго запрограммированного значения B, которое меньше, чем первое запрограммированное значение, когда напряжение 62V DC шины падает до первого предопределенного порога 66. Выход 62C реактивного тока затем падает до нуля, когда напряжение DC шины падает до второго предопределенного порогового значения 59, которое меньше, чем первое предопределенное пороговое значение 66, и больше, чем заданное значение отключения по напряжению DC шины. Это обеспечивает относительно высокую поддержку для сети в течение первой части длительности неисправности и более низкую поддержку в течение второй части длительности неисправности, при поддержании DC шины выше заданного значения 56 отключения. Это обеспечивает более длительное поддержание непрерывности электропитания для данного размера батареи, чем вариант 60 на фиг. 2 и 3.

Вариант осуществления 4 уменьшает реактивный ток 64C, предоставляемый в сеть, плавно от первого запрограммированного значения A до второго запрограммированного значения B, которое меньше, чем первое запрограммированное значение, когда напряжение 64V DC шины падает до предопределенного порогового значения 59, которое выше заданного значения 56 отключения по низкому напряжению DC шины. Реактивный ток падает до нуля, когда напряжение DC шины достигает предопределенного порогового значения 59. Вариант осуществления 4 поддерживает сеть дифференцированным образом для поддержания непрерывности электропитания при неисправности, поддерживая DC шину выше заданного значения отключения. Он обеспечивает более длительное поддержание непрерывности электропитания для заданного размера батареи, чем вариант 60 согласно фиг. 2 и 3.

Со ссылкой на фиг. 1, в пятом варианте осуществления, процессор 46 может выполнять этапы программы и управлять преобразователем 38 на стороне линии, так что когда напряжение Vt на выводах турбины падает ниже предопределенного минимума Vm (не показано), преобразователь 38 стороны линии предоставляет реактивный ток в сеть в обратном соотношении с напряжением сети. Примерная форма программы имеет вид:

Если Vt<Vm, то Ir=K(1-(Vt/Vn))pu,

где Ir представляет собой единичное управляющее значение (pu), отправляемое процессором в преобразователь 38 стороны линии, для выработки соответствующего уровня реактивного тока, Vn - номинальное напряжение на выводах турбины, и K - постоянная. В другом примере, программа может увеличить выход реактивного тока на заданный процент для каждого инкрементного (например, 1%) снижения напряжения на выводах турбины ниже Vm до тех пор, пока напряжение Vb на шине турбины не упадет до предопределенного порога 59 отсутствия отключения, тогда выход реактивного тока устанавливается в нуль. Примерная форма программы имеет вид:

Если Vt<Vm, то Ir=(K*(Vm-Vt))/Vn

Например, если Vn=690 В, Vm=621 В, Vt=586,5 В (85% от номинала) и K=2, то Ir=0,10 pu или 10%. Инвертор генерирует реактивный ток на 2% выше его номинального значения на каждый 1% падения напряжения Vt на выводах турбины ниже минимального напряжения на выводах турбины 621 В относительно номинального напряжения Vn на выводах турбины. В этом конкретном примере обеспечивается 10% реактивного тока. Регулировка реактивного тока может быть обеспечена на верхнем пределе, например, в 1,1 раза больше номинального значения. Этот вариант осуществления обеспечивает прогрессивную поддержку для напряжения сети, где устройство 48 накопления энергии является достаточным для такой поддержки в течение заданной длительности поддержания непрерывности электропитания при неисправности. Следует отметить, что описанное здесь управление основано на напряжении на выводах турбины, но оно может применяться на основе напряжения сети или коллекторной системы при осуществлении обмена данными между сетью и турбиной(ами).

На фиг. 6 показан источник 70 энергии ветровой турбины, включающий в себя аэродинамический ротор 22, который приводит в действие асинхронный генератор 72 с двойным электропитанием посредством прямого привода или через редуктор 26. АС-АС преобразователь 28 имеет АС-DC преобразователь 30 стороны генератора, который принимает мощность 32 от генератора и преобразует ее в DC мощность в DC шине 34, которая может включать в себя конденсатор 36. DC-AC преобразователь 38 стороны линии преобразует DC напряжение в АС на частоте сети. Часть выхода 74 инвертора возбуждает фазный ротор генератора с двойным электропитанием. Остальная часть повышается трансформатором 40 для передачи в сеть. Коллектор 42 может собирать мощность от одной или нескольких ветряных турбин. DC-AC преобразователь стороны линии соединен с сетью через автоматический выключатель (прерыватель) 44, который отсоединяет систему ветряной турбины от сети в определенных состояниях неисправности. Процессор 46 управляет АС-АС преобразователем. В одном варианте осуществления изобретения, устройство 48 накопления энергии, такое как аккумуляторная батарея, соединено с DC шиной для сохранения напряжения на DC шине в течение предопределенной длительности поддержания непрерывности электропитания во время состояния низкого напряжения в сети, когда мощность генератора недоступна. Аспекты изобретения, как описано выше, действуют одинаковым образом для данного типа системы.

Каждый из настоящих вариантов осуществления может действовать в режиме синхронного конденсатора, когда никакая нагрузка на сеть не подается источником энергии ветряной турбины во время неисправности в сети. В этом режиме, устройство накопления энергии обеспечивает ток короткого замыкания для покрытия реальных потерь из-за активного сопротивления в цепях, чтобы поддерживать напряжение DC шины в отсутствие ветровой энергии.

Хотя различные варианты осуществления настоящего изобретения были показаны и описаны в настоящем документе, должно быть очевидным, что такие варианты осуществления представлены только в качестве примера. Многочисленные вариации, изменения и замены могут быть сделаны без отклонения от настоящего изобретения. Соответственно, предполагается, что изобретение ограничивается только сущностью и объемом прилагаемой формулы изобретения.

Изобретение относится к области электротехники. Технический результат заключается в возможности поддержания непрерывности электропитания системы генератора ветряной турбины, соединенной с электрической сетью посредством преобразователя переменного тока (АС-АС) в условиях низкого напряжения в сети, когда никакая мощность не генерируется генератором ветряной турбины. Согласно изобретению система (20, 70) ветряной турбины соединена с электрической сетью (42) посредством инвертора (38), который обеспечивает поддержку напряжения (Vt) на выводах турбины к сети во время неисправности низкого напряжения сети, которая является одновременной с отсутствием выработки действительной мощности от генератора (30), путем предоставления реактивной мощности в сеть. Процессор (46) управляет инвертором для сохранения минимального напряжения на локальной DC шине (34) путем остановки вывода реактивной мощности, когда напряжение DC шины падает до порогового значения (59), которое выше заданного значения (56) отключения по низкому напряжению шины. 3 н. и 14 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Способ, осуществляемый в системе генерации мощности, содержащей источник энергии ветряной турбины, соединенный с электросетью, содержащий:

поддержание напряжения в сети путем подачи реактивного тока в сеть от инвертора источника энергии ветряной турбины в течение периода, когда источник энергии ветряной турбины не предоставляет активную мощность в сеть;

контроль напряжения DC шины источника энергии ветряной турбины в течение этапа поддержания напряжения; и

уменьшение количества реактивного тока, подаваемого в сеть, когда контролируемое напряжение DC шины падает до предопределенного порогового значения выше заданного значения отключения по низкому напряжению в DC шине источника энергии ветряной турбины.

2. Способ по п. 1, дополнительно содержащий уменьшение величины реактивного тока, подаваемого в сеть, до нуля, когда напряжение DC шины падает до предопределенного порогового значения.

3. Способ по п. 1, дополнительно содержащий:

уменьшение величины реактивного тока, подаваемого в сеть, от первого запрограммированного значения до второго запрограммированного значения, меньшего, чем первое запрограммированное значение, когда напряжение DC шины падает до первого предопределенного порогового значения; и

уменьшение количества реактивного тока, подаваемого в сеть, до нуля, когда напряжение DC шины падает до второго предопределенного порогового значения, меньшего, чем первое предопределенное пороговое значение, и большего, чем заданное значение отключения по низкому напряжению в DC шине.

4. Способ по п. 1, дополнительно содержащий предоставление мощности в DC шину для поддержки напряжения DC шины во время этапа поддержания напряжения.

5. Способ по п. 1, дополнительно содержащий предоставление мощности в DC шину от устройства накопления энергии для поддержки напряжения DC шины во время этапа поддержания напряжения.

6. Способ по п. 5, дополнительно содержащий предоставление устройства накопления энергии достаточной емкости для поддержания напряжения DC шины выше предопределенного порогового значения по меньшей мере в течение предопределенного периода времени во время предопределенного состояния неисправности.

7. Способ по п. 6, в котором предопределенный период времени равен по меньшей мере 150 мс.

8. Способ по п. 1, дополнительно содержащий выполнение в процессоре источника энергии этапов:

контроля напряжения Vt на выводах турбины, и если оно падает ниже предопределенного уровня Vm, управление инвертором для предоставления реактивного тока в сеть в соответствии с формулой Ir=K(1-(Vt/Vn))pu, где Ir - единичное управляющее значение, отправляемое процессором на инвертор для выработки соответствующего уровня реактивного тока, Vn - номинальное напряжение на выводах турбины и K - постоянная; и

уменьшения реактивного тока до нуля, когда напряжение DC шины падает до предопределенного порогового значения.

9. Способ по п. 1, дополнительно содержащий выполнение в процессоре источника энергии этапов:

контроля напряжения Vt на выводах турбины, и если оно падает ниже предопределенного минимального уровня напряжения Vm, управление инвертором для предоставления реактивного тока в сеть в соответствии с формулой Ir=(K*(Vm-Vt)/Vn)pu, где Ir - единичное управляющее значение, отправляемое процессором на инвертор для выработки соответствующего уровня реактивного тока, Vn - номинальное напряжение на выводах турбины и K - постоянная; и

уменьшения реактивного тока до нуля, когда напряжение DC шины падает до предопределенного порогового значения.

10. Способ по одному из пп. 1-7, дополнительно содержащий выполнение в процессоре ветряного источника энергии этапов:

приема сообщения, реагирующего на напряжение сети или коллекторной системы;

контроля напряжения сети или коллекторной системы, и если оно падает ниже предопределенного уровня, управления инвертором для предоставления реактивного тока в сеть в ответ на контролируемое напряжение сети или коллекторной системы; и

уменьшение реактивного тока до нуля, когда напряжение DC шины падает до предопределенного порогового значения.

11. Источник энергии ветряной турбины, содержащий:

управляющую логику, работающую в процессоре для управления инвертором источника энергии ветряной турбины для предоставления реактивной мощности в электрическую сеть, соединенную с источником энергии ветряной турбины, в режиме синхронного конденсатора, когда источник энергии ветряной турбины не вырабатывает активную мощность;

датчик напряжения DC шины, обеспечивающий сигнал, реагирующий на напряжение DC шины источника энергии ветряной турбины; и

управляющую логику, запрограммированную для уменьшения величины реактивной мощности, подаваемой в сеть инвертором, когда напряжение DC шины падает ниже предопределенного порогового значения, превышающего заданное значение отключения по низкому напряжению DC шины.

12. Источник энергии ветряной турбины по п. 11, дополнительно содержащий аккумуляторную батарею, соединенную с DC шиной, которая обеспечивает ток, достаточный для поддержания напряжения DC шины выше предопределенного порогового значения в течение по меньшей мере 150 мс во время предопределенного состояния неисправности сети.

13. Реализуемый компьютером способ для защиты системы передачи энергии во время состояния неисправности, содержащий выполнение в процессоре этапов:

приема электронных сообщений, которые одновременно содержат

a) указание состояния низкого напряжения в сети, питаемой инвертором системы генератора ветряной турбины; и

b) указание, что система генератора ветряной турбины не вырабатывает активную мощность;

обеспечения регулирования напряжения сети во время состояния низкого напряжения путем управления инвертором для предоставления реактивного тока в сеть или поглощения реактивного тока из сети в ответ на электрические состояния сети;

измерения напряжения на DC шине, соединенной с инвертором; и

если напряжение на DC шине падает ниже предопределенного порогового значения, остановки этапа обеспечения регулирования напряжения для сохранения остающегося напряжения на DC шине выше заданного значения отключения по низкому напряжению DC шины системы генератора ветряной турбины.

14. Реализуемый компьютером способ по п. 13, дополнительно содержащий:

предоставление устройства накопления энергии, соединенного с DC шиной; и

предоставление энергии в DC шину от устройства накопления энергии на этапе обеспечения регулирования напряжения.

15. Реализуемый компьютером способ по п. 14, дополнительно содержащий:

обеспечение устройства накопления энергии в качестве аккумуляторной батареи с емкостью, которая поддерживает напряжение DC шины выше предопределенного порогового значения при обеспечении регулирования напряжения сети инвертором в течение по меньшей мере 150 мс во время состояния низкого напряжения.

16. Реализуемый компьютером способ по п. 15, в котором состояние низкого напряжения содержит состояние отсутствия нагрузки в сети.

17. Реализуемый компьютером способ по п. 15, в котором состояние низкого напряжения содержит электрическое короткое замыкание в сети.