Способ управления генератором силовой электроустановки (варианты) и силовая электроустановка Российский патент 2020 года по МПК H02P9/04 F03D9/25 

Область техники

[0001] Настоящее изобретение в целом относится к воздушным турбинам, а более конкретно - к устройствам и способам управления индукционным генератором двойного питания (DFIG, doubly fed induction generator) ветротурбины.

Предпосылки создания изобретения

[0002] Энергию ветра считают одним из самых чистых и безвредных для окружающей среды источников энергии, доступных в настоящее время, и поэтому ветротурбинам уделяется повышенное внимание. Современная ветротурбина как правило содержит башню, генератор, коробку передач, гондолу и одну или несколько роторных лопастей. Роторные лопасти захватывают кинетическую энергию ветра с использованием известных базовых принципов. Например, роторные лопасти, как правило, имеют такой профиль поперечного сечения, что во время работы воздух обтекает лопасть, создавая перепад давлений между ее сторонами. Следовательно, на лопасть действует подъемная сила, которая направлена от стороны повышенного давления к стороне пониженного давления. Подъемная сила создает вращательный момент на вале главного ротора, который соединен с генератором для производства электроэнергии.

[0003] Во время работы ветер воздействует на роторные лопасти, и эти лопасти преобразуют энергию ветра в механический вращательный момент, который приводит во вращение низкоскоростной вал. Низкоскоростной вал предназначен для приведения в движение коробки передач, которая повышает низкую скорость вращения низкоскоростного вала и приводит во вращение высокоскоростной вал с большей скоростью вращения. Высокоскоростной вал в общем случае соединен с генератором для приведения во вращения ротора генератора. Во многих ветротурбинах генератор может быть трехфазным (асинхронным) генератором двойного питания (DFIG) с фазным ротором, который содержит статор генератора, связанный магнитным полем с ротором генератора. При этом вращающееся магнитное поле может быть индуцировано ротором генератора, а напряжение может быть индуцировано в пределах статора генератора, который связан магнитным полем с ротором генератора. Соответствующая электроэнергия может подаваться в главный трансформатор, который как правило связан с электрической сетью посредством сетевого выключателя. Главный трансформатор повышает диапазон электрического напряжения так, что преобразованную электроэнергию можно подавать дальше в электросеть.

[0004] Напряжение на роторе DFIG-генератора приблизительно пропорционально напряжению, поданному на статор, частоте скольжения и коэффициенту трансформации DFIG. Кроме того, напряжение на роторе также в большой степени обусловлено реактивной мощностью. Балансировка коэффициента трансформации и токонесущей способности цепи ротора является важным фактором при конструировании генератора. Например, высокий коэффициент трансформации уменьшает ток, но увеличивает напряжение в цепи ротора, которое имеет скольжение. Для создания экономичной турбины с малым преобразователем мощности коэффициент трансформации ротора выбирают так, чтобы только обеспечить определенный диапазон скоростей, минимизирующий величину тока, который должен использоваться для производства номинальной мощности.

[0005] С учетом обычных параметров DFIG-машин, типичный коэффициент трансформации ветротурбины производит номинальное напряжение на роторе на синхронной скорости +/-1/3 синхронной скорости. Например, в машине на 60 герц (Гц) синхронная скорость вращения составляет 1200 оборотов в минуту (об/мин). При скольжении 1/3 (то есть скольжении 400 об/мин, ротор производит номинальное напряжение, которое соответствует 800 об/мин и 1600 об/мин при нулевом напряжении на 1200 об/мин для машины на 60 Гц. Для машины на 50 Гц синхронная частота вращения составляет приблизительно 1500 об/мин. При скольжении 1/3 (то есть скольжении 500 об/мин), ротор производит номинальное напряжение, которое соответствует 1000 об/мин и 2000 об/мин с нулевым напряжением при 1500 об/мин для машины на 50 Гц.

[0006] Однако вследствие такого выбора при нулевой скорости напряжение на роторе в три раза превышает номинальное значение напряжения (например, 2070 В для преобразователя мощности на 690 В). Такое высокое напряжение на роторе может серьезно повредить электрическую систему турбины. Кроме того, для DFIG-машины обязательно, чтобы напряжение на статоре генератора было снято, когда она выходит за пределы нормального рабочего диапазона.

[0007] Соответственно, предпочтительно разработать улучшенное устройство и способ для управления DFIG-генератором ветротурбины, которое управляет работой статора генератора при пониженном напряжении (потоке), для увеличения диапазона скоростей, обеспечивая больше захвата энергии на низкой скорости.

Краткое описание изобретения

[0008] Аспекты и преимущества изобретения частично сформулированы в последующем описании, или могут быть очевидными из описания, или могут быть изучены посредством практического использования изобретения.

[0009] В одном своем аспекте настоящее изобретение относится к способу управления генератором силовой электроустановки. Генератор содержит статор генератора, связанный посредством магнитного поля с ротором генератора. Способ включает работу статора генератора на первом уровне напряжения. Следующий шаг включает контроль посредством одного или большего количества датчиков по меньшей мере одно из следующего: скорости вращения ротора или напряжения на роторе генератора. Способ также включает уменьшение первого уровня напряжения на статоре генератора на заранее заданную долю, когда скорость вращения ротора находится в пределах нижнего диапазона скоростей или напряжение ротора превышает заранее заданный порог, для увеличения рабочего диапазона скоростей вращения ротора. При этом увеличение рабочего диапазона скоростей вращения ротора увеличивает выработку электроэнергии силовой электроустановкой в нижнем диапазоне скоростей.

[0010] В еще одном варианте выполнения настоящего изобретения шаг уменьшения первого уровня напряжения статора генератора может дополнительно включать электрическое отключение статора генератора от его нормального источника полного напряжения и подключение к статору генератора источника пониженного напряжения. Более конкретно, в некоторых вариантах выполнения настоящего изобретения источник пониженного напряжения может содержать низковольтный отвод, понижающий трансформатор, автотрансформатор, вспомогательный трансформатор и т.п.

[0011] Таким образом, в некоторых вариантах выполнения настоящего изобретения способ может включать электрическое соединение низковольтного отвода с главным трансформатором силовой электроустановки. Альтернативно, способ может включать электрическое включение вспомогательного трансформатора между главным трансформатором и статором генератора. В дополнительных вариантах выполнения настоящего изобретения способ может дополнительно включать электрическое соединение по меньшей мере одного из вспомогательных контакторов, одного или большего количества предохранителей или по меньшей мере одного выключателя последовательно с источником пониженного напряжения.

[0012] В дополнительных вариантах выполнения настоящего изобретения первый уровень напряжения может соответствовать максимальному номинальному напряжению. В другом варианте выполнения настоящего изобретения нижний диапазон скоростей может включать диапазон скоростей меньше, чем приблизительно 1000 об/мин, для приложений на 50 Гц или диапазон меньше, чем приблизительно 800 об/мин, для приложений на 60 Гц. В дополнительных вариантах выполнения настоящего изобретения заранее заданная доля может включать любое напряжение, меньшее, чем первый уровень напряжения, приблизительно до одной трети (1/3) от первого уровня напряжения. Более конкретно, в некоторых вариантах выполнения настоящего изобретения с коэффициентом трансформации 3:1 уровень напряжения ниже одной трети (1/3) от первого уровня напряжения не дает дополнительного нижнего диапазона скоростей, поскольку напряжение будет ниже номинального напряжения.

[0013] В еще одном варианте выполнения настоящего изобретения датчик (датчики) может содержать датчики электрического тока или напряжения, предназначенные для генерации одного или большего количества сигналов обратной связи для схемы выработки электроэнергии. В дополнительных вариантах выполнения настоящего изобретения схема выработки электроэнергии может быть частью силовой электроустановки ветротурбины.

[0014] В еще одном своем аспекте настоящее изобретение относится к силовой электроустановке. Силовая электроустановка содержит генератор, имеющий статор генератора, связанный посредством магнитного поля с ротором генератора, один или большее количество датчиков для контроля скорости вращения ротора генератора, источник пониженного напряжения, электрически связанный со статором генератора, и контроллер, соединенный с генератором, датчиком (датчиками) и/или источником пониженного напряжения. Кроме того, контроллер предназначен для выполнения одной или большего количества операций, включая, но этим не ограничиваясь, работу статора генератора на первом уровне напряжений и понижение первого уровня напряжения на заранее заданную долю, когда скорость вращения ротора находится в пределах нижнего диапазона скоростей, с целью увеличения рабочего диапазона скоростей вращения ротора. При этом увеличение рабочего диапазона скоростей вращения ротора увеличивает выработку электроэнергии силовой электроустановкой в нижнем диапазоне скоростей.

[0015] В еще одном своем аспекте настоящее изобретение относится к способу управления генератором силовой электроустановки. Этот генератор содержит статор генератора, связанный посредством магнитного поля с ротором генератора. Кроме того, статор генератора электрически соединен с главным трансформатором через главный переключатель. Способ включает размыкание главного переключателя и электрическое соединение источника пониженного напряжения со статором генератора. Следующий шаг включает электрическое включение вспомогательного контактора последовательно с источником пониженного напряжения. Во время работы ротора генератора на первой скорости вращения ротора способ также включает размыкание вспомогательного контактора и включение главного синхронизирующего переключателя для подачи максимального номинального уровня напряжения на статор генератора. Во время работы ротора генератора на второй скорости вращения ротора способ включает размыкание главного синхронизирующего переключателя и включение вспомогательного контактора для подачи пониженного напряжения на статор. При этом первая скорость вращения ротора больше, чем вторая скорость вращения ротора.

[0016] Эти и другие признаки, аспекты и преимущества настоящего изобретения станут понятнее из последующего описания и сопровождающих чертежей. Сопровождающие чертежи, которые включены в настоящее описание и составляют его часть, поясняют варианты выполнения настоящего изобретения и совместно с описанием используются для пояснения принципов изобретения.

Краткое описание чертежей

[0017] Полное и достаточное описание настоящего изобретения, включая наилучший способ его реализации, адресованное специалистам в данной области техники, изложено ниже и показано сопровождающих чертежах, где:

[0018] на фиг. 1 показан вид в перспективе части одного варианта выполнения ветротурбины согласно настоящему изобретению;

[0019] на фиг. 2 показана блок-схема варианта электрической системы управления, подходящей для использования с ветротурбиной, показанной на фиг. 1;

[0020] на фиг. 3 показана блок-схема одного варианта выполнения контроллера, подходящего для использования с ветротурбиной, показанной на фиг. 1;

[0021] на фиг. 4 показана последовательность операций варианта выполнения способа управления статором генератора силовой электроустановки согласно настоящему изобретению;

[0022] на фиг. 5 показана схема варианта выполнения устройства для управления статором генератора силовой электроустановки согласно настоящему изобретению;

[0023] на фиг. 6 показана схема другого варианта устройства для управления статором генератора силовой электроустановки согласно настоящему изобретению;

[0024] на фиг. 7 показана схема еще одного варианта устройства для управления статором генератора силовой электроустановки согласно настоящему изобретению;

[0025] на фиг. 8 показана схема еще одного варианта устройства для управления статором генератора силовой электроустановки согласно настоящему изобретению;

[0026] на фиг. 9 показан график скорости генератора (ось X) в зависимости от напряжения на роторе (ось Y) и график тока ротора (ось Y) согласно настоящему изобретению; и

[0027] на фиг. 10 показана последовательность операций для другого варианта выполнения способа управления статором генератора силовой электроустановки согласно настоящему изобретению.

Подробное описание изобретения

[0028] Ниже подробно рассмотрены варианты выполнения настоящего изобретения, примеры которых показаны на чертежах. Каждый пример приведен для пояснения, но не ограничивает изобретения. Фактически, специалистам будет очевидно, что в настоящее изобретение можно внести различные модификации и вариации без отхода от объема изобретения. Например, функции, показанные или описанные как часть одного варианта выполнения настоящего изобретения, могут быть использованы в другом варианте выполнения настоящего изобретения, что может привести к еще одному варианту выполнения настоящего изобретения. Таким образом, предполагается, что данное изобретение охватывает такие модификации и вариации, как изложено в пунктах формулы изобретения и их эквивалентах.

[0029] В целом настоящее изобретение относится к устройству и способу для управления статором генератора силовой электроустановки с целью большего захвата энергии устройством на низких скоростях. Таким образом, способ включает управление статором генератора на первом уровне напряжения и контроль по меньшей мере одного из скорости вращения ротора или напряжения на роторе генератора. Способ также включает уменьшение первого уровня напряжения статора генератора на заранее заданную долю, когда скорость вращения ротора находится в пределах нижнего диапазона скоростей или напряжение на роторе превышает заранее заданный порог, с целью увеличения рабочего диапазона скоростей вращения ротора. При этом увеличение рабочего диапазона скоростей вращения ротора увеличивает выработку электроэнергии силовой электроустановкой в нижнем диапазоне скоростей.

[0030] Более конкретно, с увеличением размеров лопастей ротора на ветротурбине увеличивается желание захватить больше энергии при более низких скоростях ветра и желание, чтобы машина работала на меньших скоростях. Требования к мощности ветротурбины приводят к тому, что производство электроэнергии согласно аэродинамической кривой характеризуется резким увеличением мощности при возрастании скорости ветра. Для производства оптимальной мощности скорость лопастей ротора (и генератора при фиксированном передаточном числе) также должна расти. Поскольку низкая скорость и низкая мощность имеют место одновременно, работа при пониженном напряжении возможна даже при доле тока, который обычно производился бы при номинальной скорости и номинальной мощности.

[0031] Как пример (но конкретные цифры не являются ограничением), напряжение статора может быть уменьшено до 50%, когда такое напряжение в противном случае превысило бы номинальное напряжение. Новый рабочий диапазон машины соответствует производству полного номинального напряжения на роторе со скольжением 2/3. В ранее описанном примере для 60 Гц этого не произошло бы до скольжения 800 об/мин, которое приводит к увеличенному диапазону частот вращения от 400 об/мин до 2000 об/мин для полного номинального напряжения ротора. Применение такой схемы позволило бы расширить диапазон частот вращения без проблем, связанных с выходом за нормальный рабочий диапазон.

[0032] Таким образом, настоящее изобретение обеспечивает множество преимуществ, не имеющихся в известных технических решениях. Например, настоящее изобретение рассчитано на работу стандартных DFIG-машин на более низких скоростях без увеличения потерь машины при номинальной скорости или размеров машины и/или добавления проводов в башню или коммутационные цепи на вершине башни около машины. Кроме того, устройство согласно настоящему изобретению может быть легко установлено, в особенности при установке низковольтных отводов на трансформаторе, что легче выполнить, чем отводы высокого напряжения на статоре (что требует большего количества статарных витков). Кроме того, настоящее изобретение может улучшить эффективность при уменьшении магнитных потерь в DFIG-машине в нижнем диапазоне скоростей.

[0033] На фиг. 1 показан вид в перспективе части представленной в качестве примера ветротурбины 100 согласно настоящему изобретению, которая подходит для осуществления способа и устройства, описанных здесь. Ветротурбина 100 содержит гондолу 102, которая как правило содержит генератор (не показан). Гондола 102 укреплена на башне 104, имеющей любую подходящую высоту, которая обеспечивает работу ветротурбины 100, описанной здесь. Кроме того, ветротурбина 100 содержит ротор 106, который содержит три лопасти 108, соединенные с вращающейся ступицей 110. Альтернативно, ветротурбина 100 может содержать любое количество лопастей 108, которое обеспечивает работу ветротурбины 100, описанной здесь.

[0034] На фиг. 2 показан пример электрической системы 200 управления, которая может использоваться с ветротурбиной 100. Во время работы ветер падает на лопасти 108, и лопасти 108 преобразуют энергию ветра в механический вращательный момент, который приводит в движение низкоскоростной вал 112 через ступицу 110. Низкоскоростной вал 112 вращает коробку 114 передач, которая повышает низкую частоту вращения низкоскоростного вала 112, чтобы привести в движение высокоскоростной вал 116 с большей частотой вращения. Высокоскоростной вал 116 в общем случае соединен с возможностью передачи вращения с генератором 118 для вращения ротора 122 генератора. В одном варианте выполнения настоящего изобретения генератор 118 может быть генератором с фазным ротором, трехфазным (асинхронным) двойного питания (DFIG), который содержит статор 120 генератора, связанный магнитным полем с ротором 122. Кроме того, вращающееся магнитное поле может быть индуцировано ротором 122 генератора, а напряжение может быть индуцировано в пределах статора 120 генератора, который магнитным полем связан с ротором 122 генератора. В еще одном варианте выполнения настоящего изобретения генератор 118 преобразует вращательную механическую энергию в синусоидальный трехфазный электрический сигнал переменного тока (АС) в статоре 120 генератора. Соответствующая электроэнергия может быть подана в главный трансформатор 234 через шину 208 статора, синхронизирующий переключатель 206 статора, системную шину 216, выключатель 214 главного трансформатора и шину 236 генератора. Главный трансформатор 234 повышает амплитуду электрического напряжения так, чтобы преобразованную электроэнергию можно было направить дальше в сеть через шину 240 выключателя, схему 238 сетевого выключателя и сетевую шину 242.

[0035] Кроме того, электрическая система 200 управления может содержать контроллер 202 ветротурбины, предназначенный для управления любым из компонентов ветротурбины 100. Например, как показано на фиг. З, контроллер 202 может содержать один или большее количество процессоров 204 и ассоциированное запоминающее устройство (устройства) 207, предназначенное для выполнения множества осуществляемых компьютером функций (например, для выполнения способов, шагов, расчетов и т.п. и хранения соответствующих данных, как раскрыто здесь). Кроме того, контроллер 202 может также содержать модуль 209 связи для связи между контроллером 202 и различными компонентами ветротурбины 100, например с любым из компонентов на фиг. 2. Кроме того, модуль 209 связи может содержать интерфейс 211 датчика (например, один или большее количество аналого-цифровых преобразователей) для передачи сигналов, посылаемых из одного или большего количества датчиков и преобразуемых в сигналы, который может быть восприняты и обработаны процессорами 204. Следует отметить, что датчики (например, датчики 252, 254, 256, 258) могут быть связаны с модулем 209 связи с использованием любых подходящих средств. Например, как показано на фиг. 3, датчики 252, 254, 256, 258 могут быть соединены с интерфейсом 211 датчика посредством проводного соединения. Однако в других вариантах выполнения настоящего изобретения датчики 252, 254, 256, 258 могут быть соединены с интерфейсом 211 датчика посредством беспроводного соединения, например с использованием любого подходящего известного протокола беспроводной связи. Кроме того, процессор 204 может принимать один или большее количество сигналов из датчиков.

[0036] В контексте настоящего описания термин «процессор» относится не только к интегральным схемам, известным в данной области техники и входящим в компьютер, но также и относится к контроллеру, микроконтроллеру, микрокомпьютеру, контроллеру с программируемой логикой (PLC), проблемно-ориентированной интегральной микросхеме и другим программируемым схемам. Кроме того, процессор 204 производит вычисления с использованием передовых алгоритмов управления и осуществляет связь на основе протокола Ethernet или протоколов последовательного соединения (Modbus, ОРС, CAN и т.д.). Кроме того, запоминающее устройство (устройства) 207 в общем случае может содержать запоминающий элемент (элементы) включая, но этим не ограничиваясь, считываемый компьютером носитель (например, память с произвольным доступом (RAM)), считываемый компьютером энергонезависимый носитель (например, флэш-память), дискету, постоянную память на компакт диске (CD-ROM), магнитооптический диск (MOD), многоцелевой компакт-диск (DVD) и/или другие подходящие запоминающие элементы. Такое запоминающее устройство (устройства) 207 способны накапливать соответствующие считываемые компьютером инструкции, которые при выполнении их процессором (процессорами) 204 заставляют контроллер 202 выполнять различные функции, описанные здесь.

[0037] Если вновь обратиться к фиг. 2, статор 120 генератора может быть электрически соединен с синхронизирующим переключателем 206 статора через шину 208 статора. В еще одном варианте выполнения настоящего изобретения для упрощения DFIG-конфигурации ротор 122 генератора электрически соединен с узлом 210 двунаправленного преобразователя мощности или преобразователем мощности через шину 212 ротора. Альтернативно, ротор 122 генератора может быть электрически соединен с шиной 212 ротора через любое другое устройство, которое обеспечивает работу электрической системы 200 управления, описанной здесь. В еще одном варианте выполнения настоящего изобретения синхронизирующий переключатель 206 статора может быть электрически соединен с выключателем 214 главного трансформатора через системную шину 216.

[0038] Узел 210 преобразователя мощности может содержать фильтр 218 ротора, который электрически соединен с ротором 122 генератора через шину 212 ротора. Шина 219 фильтра ротора электрически соединяет фильтр 218 ротора с преобразователем 220 мощности со стороны ротора. Кроме того, преобразователь 220 мощности со стороны ротора может быть электрически соединен с преобразователем мощности 222 со стороны линии через одну линию 244 постоянного тока (DC). Альтернативно, преобразователь 220 мощности со стороны ротора и преобразователь 222 мощности со стороны линии могут быть электрически соединены через индивидуальную и отдельную линию DC. Кроме того, как показано на чертеже, линия 244 DC может содержать положительную шину 246, отрицательную шину 248 и по меньшей мере один конденсатор 250, включенный между ними.

[0039] Кроме того, шина 223 преобразователя мощности со стороны линии может электрически соединять преобразователь 222 мощности со стороны линии с линейным фильтром 224. Кроме того, шина 225 линии может электрически соединять линейный фильтр 224 с контактором 226 линии. Кроме того контактор 226 линии может быть электрически соединен с выключателем 228 схемы преобразователя через шину 230 выключателя схемы преобразователя. Кроме того, выключатель 228 схемы преобразователя может быть электрически соединен с выключателем 214 главного трансформатора через системную шину 216 и соединительную шину 232. Выключатель 214 главного трансформатора может быть электрически соединен с главным силовым трансформатором 234 через шину 236 со стороны генератора. Главный трансформатор 234 может быть электрически соединен с выключателем 238 сетевой схемы через шину 240 со стороны выключателя. Выключатель 238 сетевой схемы может быть связан с силовой передающей и распределяющей сетью через сетевую шину 242.

[0040] В процессе работы мощность переменного тока (АС), генерируемая в статоре 120 генератора при вращении ротора 106, подается по двойному тракту в сетевую шину 242. Двойной тракт определяется шиной 208 статора и шиной 212 ротора. На стороне шины 212 ротора синусоидальная многофазная (например, трехфазная) мощность переменного тока подается в узел 210 преобразователя мощности. Преобразователь 220 мощности со стороны генератора преобразует мощность переменного тока, поступающую из шины 212 ротора, в мощность постоянного тока и подает эту мощностью постоянного тока в линию 244 постоянного тока. Переключающие элементы (например, биполярные транзисторы с изолированным затвором), используемые в мостовых схемах преобразователя 220 мощности со стороны ротора, могут модулироваться для преобразования мощности переменного тока, подаваемой из шины 212 ротора, в мощность постоянного тока, подходящую для линии 244 постоянного тока.

[0041] Преобразователь 222 со стороны линии преобразует мощность постоянного тока на линии 244 постоянного тока в выходную мощность переменного тока, пригодную для шины 242 электросети. В частности, переключающие элементы (например, биполярные транзисторы с изолированным затвором), используемые в мостовых схемах преобразователя 222 мощности со стороны линии могут управляться так, чтобы преобразовывать мощность постоянного тока на линии 244 постоянного тока в мощность переменного тока на шине 225 со стороны линии. Мощность переменного тока из узла 210 преобразователя мощности может быть объединена с мощностью из статора 120 с формированием многофазной мощности (например, трехфазной мощности), имеющей частоту, по существу равную частоте шины 242 электросети (например, на 50 Гц/60 Гц). Следует понимать, что преобразователь 220 мощности со стороны ротора и преобразователь 222 мощности со стороны линии могут иметь любую конфигурацию и использовать любые переключающие устройства, которые обеспечивают работу электрической системы 200 управления, описанной здесь.

[0042] Далее, узел 210 преобразователя мощности может быть соединен с возможностью передачи данных с контроллером 202 турбины и/или отдельным или интегрированным контроллером 262 преобразователя для управления работой преобразователя 220 мощности со стороны ротора и преобразователя 222 мощности со стороны линии. Например, во время работы контроллер 202 может принимать один или большее количество сигналов измерения напряжения и/или электрического тока из первого набора датчиков 252 напряжения и электрического тока. Таким образом контроллер 202 может осуществлять контроль и управлять по меньшей мере некоторыми из эксплуатационных параметров, ассоциированных с ветротурбиной 100, посредством датчиков 252. В иллюстрируемом варианте выполнения настоящего изобретения каждый из датчиков 252 может быть электрически связан с каждой из трех фаз шины 242 электросети. Альтернативно, датчики 252 могут быть электрически связаны с любой частью электрической системы 200 управления, что обеспечивает работу электрической системы 200 управления, описанной здесь. В дополнение к датчикам, описанным выше, эти датчики могут также содержать второй набор датчиков 254 напряжения и электрического тока, третий набор датчиков 256 напряжения и электрического тока, четвертый набор датчиков 258 напряжения и электрического тока (все показаны на фиг. 2) и/или любые другие подходящие датчики.

[0043] Очевидно также, что в пределах ветротурбины 100 и в любом месте можно использовать любое количество или тип датчиков напряжения и/или электрического тока. Например, эти датчики могут быть трансформаторами тока, шунтирующими датчиками, катушками Роговского, холловскими датчиками тока, микрогиростабилизаторами (MIMU) или аналогичными устройствами и/или любыми другими подходящими датчиками напряжения или электрического тока, известными в настоящее время или разработанными в будущем.

[0044] Таким образом, контроллер 262 преобразователя принимает один или большее количество сигналов обратной связи по напряжению, электрическому току и/или скорости от датчиков 252, 254, 256, 258. Более конкретно, в некоторых вариантах выполнения настоящего изобретения сигналы обратной связи по напряжению или току могут содержать по меньшей мере один из сигналов обратной связи по току в линии, сигналов обратной связи преобразователя со стороны линии, сигналов обратной связи преобразователя со стороны ротора, сигналов обратной связи по току статора, сигналов обратной связи по напряжению в роторе, или сигналов обратной связи по напряжению в статоре. Например, как показано в иллюстрируемом варианте выполнения настоящего изобретения, контроллер 262 преобразователя принимает сигналы измерения напряжения и электрического тока из второго набора датчиков 254 напряжения и электрического тока, электрически связанных с возможностью передачи данных с шиной 208 статора. Контроллер 262 преобразователя может также принимать сигналы из третьего и четвертого набора напряжения и электрического тока из третьего и четвертого набора датчиков 256, 258 напряжения и электрического тока. Кроме того, контроллер 262 преобразователя может выполнять любые функции, описанные выше в отношении главного контроллера 202. Кроме того, контроллер 262 преобразователя может быть отдельным или интегрированным с главным контроллером 202. При этом контроллер 262 преобразователя осуществляет различные шаги описанного здесь способа и может иметь конфигурацию, подобную контроллеру 202 турбины.

[0045] На фиг. 4 показана последовательность операций для одного из вариантов способа 350 управления генератором энергосистемы (например, генератора 118 энергосистемы ветротурбины 200, показанной на фиг. 2). Аналогично на фиг. 5 и фиг. 6 показаны блок-схемы различных компонентов устройства 300 для управления генератором 118 энергосистемы 200 ветротурбины, показанной на фиг. 2. Как показано позицией 352 на фиг. 4, способ 350 включает работу статора 120 генератора 118 на первом уровне напряжения. Например, в некоторых вариантах выполнения настоящего изобретения первый уровень напряжения может соответствовать максимальному номинальному напряжению.

[0046] Как показано позицией 354, способ 350 включает контроль скорости вращения ротора или напряжения (или любого другого параметра, зависящего от скорости ротора) на роторе 122 генератора. Более конкретно, скорость вращения ротора и/или напряжение на роторе можно контролировать с использованием датчиков 252, 254, 256, 258, описанных выше. В дополнительных вариантах выполнения настоящего изобретения скорость вращения ротора можно также измерять тахометром, механически соединенным с ротором 122 генератора и электрически связанным с системой управления. В дополнительных вариантах выполнения настоящего изобретения способ 350 может включать учет гистерезиса для точки переключения.

[0047] Как показано позицией 356, способ 350 также включает уменьшение первого уровня напряжения на статоре 120 генератора на заранее заданную долю, когда скорость вращения ротора находится в пределах нижнего диапазона скоростей или напряжение ротора превышает заранее заданный порог, с целью увеличения рабочего диапазона скоростей вращения ротора. Например, в некоторых вариантах выполнения настоящего изобретения, эта заранее заданная доля может включать любое напряжение, меньшее, чем первое напряжение, до приблизительно одной трети первого уровня напряжения, например, приблизительно от 30% до менее 100% от первого уровня напряжения. В дополнительных вариантах выполнения настоящего изобретения указанная заранее заданная доля может быть меньше, чем одна треть от первого уровня напряжения. Кроме того, в еще одном варианте выполнения настоящего изобретения нижний диапазон скоростей может включать диапазон меньше, чем приблизительно 800 оборотов в минуту. При этом повышение рабочего диапазона скоростей вращения ротора увеличивает выработку электроэнергии силовой электроустановкой 200 в нижнем диапазоне скоростей.

[0048] На фиг. 5-8, первый уровень напряжения статора 120 генератора можно уменьшить путем электрического соединения источника 302 пониженного напряжения со статором 120 генератора. Более конкретно, как показано на фиг. 5, источник 302 пониженного напряжения может содержать низковольтный отвод 304, электрически соединенный со статором 120 генератора. Кроме того, как показано, RV1, RV2, и RV3 представляют собой отводы пониженного напряжения вторичной обмотки главного трансформатора 234. Кроме того, V1, V2, и V3 представляют собой нормальные выходные напряжения главного трансформатора 234 (например, шины 236 на фиг. 2). В контексте настоящего описания и вообще данной области техники, низковольтный отвод в общем случае относится к выбору точки контакта вдоль обмотки силового трансформатора, что позволяет дискретно варьировать выбор количества витков, формируя, таким образом, трансформатор с переменным коэффициентом трансформации, который обеспечивает ступенчатую регулировку выходного напряжения. Кроме того, выбор отвода может быть выполнен посредством автоматического или физического механизма переключения отводов или может быть фиксированным отводом. Таким образом, как показано на фиг. 5, способ 350 может включать электрическое соединение низковольтного отвода 304 главного трансформаторе 234 силовой электроустановки 200. Таким образом, как показано на чертеже, способ 350 может включать электрическое соединение низковольтного отвода 304 главного трансформатора 234 и статора 120 генератора.

[0049] Альтернативно, как показано на фиг. 6, источник 302 пониженного напряжения может содержать понижающий трансформатор 306. В контексте настоящего изобретения под понижающим трансформатором имеется в виду трансформатор, используемый для изменения напряжения, подаваемого на оборудование переменного тока. Далее, как показано на фиг. 6, RV1, RV2, и RV3 представляют собой отводы пониженного напряжения понижающего трансформатора 306. Кроме того, V1, V2, и V3 представляют собой отводы полного напряжения понижающего трансформатора 306, питаемые от шины 216 через защитное устройство 305.

[0050] Кроме того, как показано на фиг. 7, источник 302 пониженного напряжения может содержать автотрансформатор 309. В контексте настоящего изобретения и данной области техники термин автотрансформатор в общем случае относится к электрическому трансформатору, имеющему только одну обмотку. Далее, как показано на фиг. 7, RV1, RV2 и RV3 представляют собой отводы пониженного напряжения обмотки 309 автотрансформатора. Кроме того, V1, V2 и V3 представляют собой отводы полного напряжения автотрансформатора 309, питаемые от шины 216 через защитное устройство 305.

[0051] В еще одном варианте выполнения настоящего изобретения, как показано на фиг. 8, источник 302 пониженного напряжения может содержать вспомогательный или отдельный трансформатор 307. Как показано на чертеже, вспомогательный трансформатор 307 питается полным напряжением (соединения с первичной обмоткой не показаны). В некоторых вариантах выполнения настоящего изобретения первичная обмотка может быть соединена треугольником; однако трансформатор может также иметь конфигурацию звезды или другую конфигурацию обмоток. Далее, как показано на фиг. 8, RV1, RV2 и RV3 представляют собой отводы пониженного напряжения обмотки 307 вспомогательного трансформатора. Кроме того, V1, V2, и V3 представляют собой отводы полного напряжения вспомогательного трансформатора 307, питаемые от шины 216 через защитное устройство 305.

[0052] Вернемся к фиг. 5-8. Способ 350 может дополнительно включать электрическое соединение вспомогательного контактора 308 и защитного устройства 305 (например, одного или большего количество плавких предохранителей и/или выключателей) последовательно с источником 302 пониженного напряжения. Таким образом, в некоторых вариантах выполнения настоящего изобретения вспомогательный контактор 308 подключает источник 302 пониженного напряжения электрически параллельно полному напряжению и главному/статорному синхронизирующему переключателю 206. Далее, в некоторых вариантах выполнения настоящего изобретения, как показано на фиг. 8, RV1, RV2 и RV3 представляют собой отводы пониженного напряжения обмотки 307 вспомогательного трансформатора. Кроме того V1, V2 и V3 представляют собой отводы полного напряжения вспомогательного трансформатора 307, питаемые от шины 216 через защитное устройство 305.

[0053] Кроме того, как показано на чертеже, устройство 300 может также содержать контроллер 310, связанный по меньшей мере с одним из генератора 118, датчика (датчиков) и/или источника 302 пониженного напряжения. Так, контроллер 310 управляет работой статора 120 генератора на первом уровне напряжения и уменьшает первый уровень напряжения на заранее заданную долю, когда скорость вращения ротора находится в пределах нижнего диапазона скоростей или напряжение на роторе превышает заранее заданный порог, для увеличения рабочего диапазона скоростей вращения ротора. При этом увеличение рабочего диапазона скоростей вращения ротора увеличивает выработку электроэнергии силовой электроустановкой в нижнем диапазоне скоростей.

[0054] Более конкретно, при работе на большой скорости контроллер 310 замыкает синхронизирующий переключатель 206 статора, который подает полное напряжение в обмотки статора, в результате чего достигается оптимальная конфигурация для выработки большой мощности. Однако подача полного напряжения на статор 120 может привести к высокому сетевому напряжению на роторе на низкой скорости (высокая частота скольжения), что потребует, чтобы статор 120 генератора был отключен во избежание повреждения компонентов схемы ротора. Таким образом, контроллер 310 согласно настоящему изобретению позволяет генератору 118 захватывать больше энергии на низкой скорости. Более конкретно, при работе на низкой скорости контроллер 310 размыкает синхронизирующий переключатель 206 статора и замыкает вспомогательный контактор 308, таким образом, подавая пониженное напряжение на статор 120. Это пониженное напряжение уменьшает поток в статоре, что приводит к понижению напряжения на роторе в зависимости от частоты скольжения. При этом генератор 118 может работать на более низкой скорости без повреждения схемы ротора. Следует помнить, что контроллер 310 может быть интегрирован в контроллер 202 турбины или контроллер 262 преобразователя. Альтернативно, контроллер 310 может иметь конфигурацию, подобную контроллеру турбины на фиг. З. Кроме того, контроллер 310 может быть отдельным или интегрированным в контроллер 202.

[0055] На фиг. 9, показан график скорости генератора (ось X) в зависимости от напряжения на роторе (ось Y) и график тока ротора (ось Y). На графике показаны различные кривые, включая ток 312 ротора при уменьшенном напряжении на статоре, напряжение 314 на роторе при нормальном напряжении статора, напряжение 316 на роторе при уменьшенном напряжении на статоре и ток 318 ротора при нормальном напряжении на статоре. Далее, кривые 320 и 322 иллюстрируют уменьшение порога 320 моста ротора и максимальный порог 322 моста ротора соответственно. При этом график иллюстрирует в качестве примера влияние изменения напряжения на роторе, которое произойдет при уменьшении 2:1 напряжения на статоре, что показано точкой 324 переключения. В этом варианте выполнения настоящего изобретения минимальная скорость уменьшается приблизительно от 1035 об/мин приблизительно до 800 об/мин

[0056] На фиг. 10 показана последовательность операций для другого варианта выполнения способа 350 управления генератором силовой электроустановки (например, генератором 118 энергосистемы 200 ветротурбины, показанной на фиг. 2). Как показано позицией 402, способ 400 включает электрическое соединение источника 302 пониженного напряжения (например, низковольтного отвода 302 или вспомогательного трансформатора 307) со статором 120 генератора. Как показано позицией 404, способ 400 включает электрическое соединение вспомогательного контактора 308 и защитного устройства 305 (например, плавкого предохранителя или блокиратора) последовательно с источником 302 пониженного напряжения. Как показано позицией 406, способ 400 включает замыкание главного синхронизирующего переключателя 206 и размыкание вспомогательного контактора 308 во время работы ротора 122 генератора на первой, более высокой, скорости вращения ротора для подачи максимального номинального уровня напряжения на статор 120 генератора. Как показано позицией 408, способ 400 включает размыкание главного синхронизирующего переключателя 206 и замыкание вспомогательного контактора 308 во время работы ротора 122 генератора на второй, более низкой, скорости вращения ротора, для подачи пониженного напряжения на статор 120.

[0057] Более конкретно, в некоторых вариантах выполнения настоящего изобретения, при первом запуске турбины 100 скорость турбины увеличивают от нуля до скорости включения. Если скорость ниже точки переключения, вспомогательный контактор 308 может быть замкнут при разомкнутом главном синхронизирующем переключателе 206, когда турбина 100 синхронизирована (запущена). Впоследствии, когда скорость увеличивается, вспомогательный контактор 308 может быть разомкнут, а главный синхронизирующий переключатель 206 может быть замкнут.При этом операция может выполняться в обоих направлениях: переключение с пониженного напряжения на низкой скорости на полное напряжение при более высокой скорости или переключение от полного напряжения при более высокой скорости к пониженному напряжению при более низкой скорости.

[0058] В данном описании использованы примеры, позволяющие раскрыть изобретение, включая предпочтительный вариант его использования, чтобы позволить любому специалисту в данной области техники использовать изобретение на практике, включая создание и использование любых устройств или систем и выполнения любых включенных в них способов. Объем изобретения определен пунктами формулы изобретения и может включать другие примеры, которые очевидны специалистам. Предполагается, что все подобные примеры находятся в рамках формулы изобретения, если они содержат конструктивные элементы, которые не отличаются от буквального языка формулы изобретения или если они содержат эквивалентные конструктивные элементы с несущественными отличиями от буквального языка формулы изобретения.

Изобретение относится к способу управления генератором силовой электроустановки. Технический результат – повышение эффективности работы при низких скоростях. Генератор содержит статор генератора, связанный посредством магнитного поля с ротором генератора. Способ включает работу статора генератора на первом уровне напряжения. Следующий шаг включает контроль с помощью одного или более датчиков по меньшей мере одного из следующего: скорости вращения ротора или напряжения на роторе генератора. Затем осуществляют электрическое подключение источника пониженного напряжения к статору генератора для уменьшения первого уровня напряжения на статоре генератора на заранее заданную долю, когда скорость вращения ротора находится в пределах нижнего диапазона скоростей или напряжение ротора превышает заранее заданный порог, для увеличения рабочего диапазона скоростей вращения ротора. При этом нижний диапазон скоростей включает диапазон меньше, чем 1000 оборотов в минуту (об/мин). Увеличение рабочего диапазона скоростей вращения ротора увеличивает выработку электроэнергии силовой электроустановкой в нижнем диапазоне скоростей. 3 н. и 15 з.п. ф-лы, 10 ил.

1. Способ управления генератором силовой электроустановки, который содержит статор генератора, связанный посредством магнитного поля с ротором генератора, при этом способ включает:

работу статора генератора на первом уровне напряжения;

контроль посредством одного или большего количества датчиков по меньшей мере одного из следующего: скорости вращения ротора или напряжения на роторе генератора; и

электрическое подключение источника пониженного напряжения к статору генератора для уменьшения первого уровня напряжения на статоре генератора на заранее заданную долю, когда скорость вращения ротора находится в пределах нижнего диапазона скоростей или напряжение ротора превышает заранее заданный порог, для увеличения рабочего диапазона скоростей вращения ротора, причем нижний диапазон скоростей включает диапазон меньше, чем 1000 оборотов в минуту (об/мин);

при этом увеличение рабочего диапазона скоростей вращения ротора увеличивает выработку электроэнергии силовой электроустановкой в нижнем диапазоне скоростей.

2. Способ по п.1, в котором источник пониженного напряжения содержит по меньшей мере одно из низковольтного отвода, понижающего трансформатора, автотрансформатора или вспомогательного трансформатора.

3. Способ по п.2, дополнительно включающий электрическое соединение низковольтного отвода с главным трансформатором силовой электроустановки.

4. Способ по п.2, дополнительно включающий электрическое включение источника пониженного напряжения между главным трансформатором и статором генератора.

5. Способ по п.1, дополнительно включающий электрическое включение вспомогательного контактора и защитного устройства последовательно с источником пониженного напряжения.

6. Способ по п.1, в котором указанный первый уровень напряжения соответствует максимальному номинальному напряжению.

7. Способ по п.1, в котором нижний диапазон скоростей включает диапазон меньше, чем 800 оборотов в минуту (об/мин), для устройства с рабочей частотой 60 Гц или диапазон меньше, чем 1000 об/мин, для устройства с рабочей частотой 50 Гц.

8. Способ по п.1, в котором указанная заранее заданная доля составляет от менее 100% до 30% от первого уровня напряжения.

9. Способ по п.1, в котором указанные один или большее количество датчиков содержат по меньшей мере одно из следующего: датчик электрического тока, или напряжения, или тахометр, предназначенный для генерации одного или большего количества сигналов обратной связи для схемы выработки электроэнергии.

10. Способ по п.1, в котором схема выработки электроэнергии представляет собой часть силовой электроустановки ветротурбины.

11. Силовая электроустановка, содержащая:

генератор, содержащий статор генератора, связанный посредством магнитного поля с ротором генератора;

один или большее количество датчиков для контроля скорости вращения ротора генератора;

источник пониженного напряжения, связанный со статором генератора; и

контроллер, соединенный с генератором, одним или большим количеством датчиков и источником пониженного напряжения, при этом указанный контроллер конфигурирован для выполнения одной или более операций, включающих:

работу статора генератора на первом уровне напряжения; и

электрическое включение источника пониженного напряжения между главным трансформатором и статором генератора для уменьшения указанного первого уровня напряжения на заранее заданную долю, когда скорость вращения ротора находится в пределах нижнего диапазона скоростей, для увеличения рабочего диапазона скоростей вращения ротора, причем нижний диапазон скоростей включает диапазон меньше, чем 1000 оборотов в минуту (об/мин);

при этом увеличение рабочего диапазона скоростей вращения ротора увеличивает выработку электроэнергии силовой электроустановкой в нижнем диапазоне скоростей.

12. Силовая электроустановка по п.11, в которой источник пониженного напряжения содержит по меньшей мере одно из низковольтного отвода, понижающего трансформатора, автотрансформатора или вспомогательного трансформатора.

13. Силовая электроустановка по п.12, в которой низковольтный отвод электрически связан с главным трансформатором силовой электроустановки.

14. Силовая электроустановка по п.11, дополнительно содержащая электрическое соединение вспомогательного контактора и защитного устройства последовательно с источником пониженного напряжения.

15. Силовая электроустановка по п.11, в которой указанный первый уровень напряжения соответствует максимальному номинальному напряжению.

16. Силовая электроустановка по п.11, в которой нижний диапазон скоростей включает диапазон меньше, чем 800 оборотов в минуту (об/мин), для устройства с рабочей частотой 60 Гц, или диапазон меньше, чем 1000 об/мин, для устройства с рабочей частотой 50 Гц.

17. Силовая электроустановка по п.11, в которой указанная заранее заданная доля составляет от менее 100% до 30% от первого уровня напряжения.

18. Способ управления генератором силовой электроустановки, содержащим статор генератора, связанный посредством магнитного поля с ротором генератора, при этом статор генератора электрически связан с главным трансформатором через главный синхронизирующий переключатель, при этом способ включает:

электрическое соединение источника пониженного напряжения со статором генератора;

электрическое включение вспомогательного контактора и защитного устройства последовательно с источником пониженного напряжения;

во время работы ротора генератора на первой скорости вращения ротора размыкание вспомогательного контактора и замыкание главного синхронизирующего переключателя для подачи максимального номинального напряжения на статор генератора; и,

во время работы ротора генератора на второй скорости вращения ротора размыкание главного синхронизирующего переключателя и замыкание вспомогательного контактора для подачи пониженного напряжения на статор, при этом первая скорость вращения ротора больше, чем вторая скорость вращения ротора.