ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА И СПОСОБ ЭКСПЛУАТАЦИИ ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ
WIND POWER PLANT AND METHOD OF WIND POWER PLANT OPERATION

Настоящее изобретение относится к ветроэнергетической установке, а также к способу эксплуатации ветроэнергетической установки.
Ветроэнергетические установки содержат вращаемый ротор, который приводится во вращение под воздействием силы ветра. Ротор либо соединен непосредственно, либо посредством передачи с электрогенератором, который преобразует вращательное движение ротора в электрическую мощность. Генерируемую электрическую мощность подают в питающую сеть. Питающая сеть содержит множество блоков, генерирующих энергию (ветряная энергия; угольные электростанции; солнечная энергия, и т.д.) и множество потребителей. Питающая сеть обладает такими параметрами, как, например, частотой сети, напряжением сети и т.д. Одной из задач оператора питающей сети является поддержание работы питающей сети в таком режиме, чтобы параметры питающей сети (напряжение сети и частоты сети) не превышали или не опускались ниже определенных пороговых значений.
В случае определенных неисправностей в питающей сети, другими словами, если один из параметров превысил или опустился ниже порогового значения, то на работу ветроэнергетической установки оказывают воздействие, выражающееся в том, что вращение ветроэнергетической установки замедляют, другими словами, скорость вращения ротора ветроэнергетической установки уменьшают и, если это необходимо, то ротор останавливают, в результате чего электрическая мощность больше не генерируется, и ее не подают в питающую сеть. Из-за большой массы ротора ветроэнергетической установки, ротор ветроэнергетической установки не может быть остановлен мгновенно. Другими словами, если происходит неисправность в питающей сети, то скорость вращения ротора ветроэнергетической установки уменьшают, например, посредством изменения шага лопастей ротора (посредством изменения шагового угла). С этой целью можно изменять шаговый угол лопастей ротора или соответственно поворачивать лопасти ротора таким образом, чтобы была обеспечена минимальная поверхность контакта лопастей с ветром. Так как ротор ветроэнергетической установки продолжает вращаться даже после того, как произошла неисправность в питающей сети, электрическая мощность продолжает генерироваться, хотя и в меньшем количестве, ветроэнергетической установкой, и упомянутая электрическая мощность поступает в питающую сеть.
В ведомстве по патентам и товарным знакам Германии были найдены следующие документы: DE 10 2005 049 426 B4; US 2007/0100506 A1; US 4,511,807; EP 2 075 890 A1; WO 99/50945 A1; US 2003/0193933 A1 и EP 2 621 070 A1.
Одной из задач настоящего изобретения является создание ветроэнергетической установки и способа эксплуатации ветроэнергетической установки, при использовании которых можно лучше реагировать на неисправность в питающей сети, к которой подключена ветроэнергетическая установка.
Эта задача решена посредством ветроэнергетической установки по п. 1 формулы изобретения, а также посредством способа по п. 4 формулы изобретения.
Таким образом, создана ветроэнергетическая установка, содержащая ротор, содержащий: по меньшей мере, две лопасти ротора; электрогенератор, непосредственно или опосредованно соединенный с ротором ветроэнергетической установки, причем упомянутый электрогенератор генерирует электрическую мощность при вращении ротора; и блок управления для управления работой ветроэнергетической установки. Блок управления активирует первый режим работы при неисправности, если параметры питающей сети превысили или опустились ниже порогового значения. В первом режиме работы при неисправности блок управления выполнен с возможностью снижения скорости вращения ротора до ноля и активирования прерывателя для потребления, посредством прерывателя, электрической мощности, генерируемой электрогенератором, в режиме работы при неисправности.
Изобретение также относится к ветроэнергетической установке, содержащей ротор, содержащий: по меньшей мере, две лопасти ротора; электрогенератор, непосредственно или опосредованно соединенный с ротором ветроэнергетической установки, причем упомянутый электрогенератор генерирует электрическую мощность при вращении ротора; и блок управления для управления работой ветроэнергетической установки. Блок управления выполнен с возможностью активирования второго режима работы при неисправности, если параметры питающей сети превышают или опустились ниже порогового значения. При втором режиме работы при неисправности блок управления выполнен с возможностью управления ветроэнергетической установкой таким образом, чтобы упомянутый блок управления отбирал мощность из питающей сети и потреблял упомянутую мощность с помощью прерывателя.
В основу изобретения положена идея создания ветроэнергетической установки, содержащей силовой шкаф, содержащий силовую электронику, например инвертер. Кроме того, в силовом шкафу расположен прерыватель, и упомянутый прерыватель также соединен с нагрузочным резистором. Ветроэнергетическая установка содержит блок управления, с помощью которого снижают скорость вращения ротора ветроэнергетической установки посредством изменения шагового угла лопастей ротора, если обнаружена неисправность, например повышенная частота питающей сети. Скорость вращения ротора в результате этого снижается под воздействием блока управления. Однако невозможно сразу мгновенно остановить ротор из-за большой массы ротора ветроэнергетической установки. Напротив, требуется, например, несколько секунд для полного останова ротора ветроэнергетической установки. В это время электрогенератор, соединенный с ротором, продолжает генерировать электрическую мощность, которая поступает в питающую сеть.
Согласно изобретению блок управления может быть переключен в режим работы при неисправности, если произошло неисправность в питающей сети (параметр питающей сети превысил или опустился ниже порогового значения). В режиме работы при неисправности управляющее устройство активирует прерыватель для преобразования мощности, генерируемой электрогенератором, в тепло посредством прерывателя и, по меньшей мере, одного нагрузочного резистора. Электрическую мощность, генерируемую электрогенератором, после обнаружения неисправности в питающей сети ветроэнергетической установки во время снижения скорости вращения ротора, преобразуют посредством прерывателя в тепло. Вследствие этого, может быть достигнуто то, что после обнаружения неисправности в питающей сети (другими словами: быстро), ветроэнергетическая установка больше не подает мощность в питающую сеть.
Это, в частности, является целесообразным, если неисправность заключается в повышенной частоте сети, показывающей, что слишком большое количество мощности подается в питающую сеть или соответственно, что недостаточное количество мощности потребляется. Для снижения повышенной частоты необходимо либо подавать меньшую мощность в питающую сеть, либо потреблять большую мощность из питающей сети. В результате активирования прерывателя согласно изобретению для преобразования энергии ветроэнергетической установки, генерируемой в режиме работы при неисправности, можно очень быстро, другими словами, практически мгновенно, после обнаружения неисправности в питающей сети, прекратить подачу энергии от ветроэнергетической установки в питающую сеть таким образом, чтобы ветроэнергетическая установка могла очень быстро реагировать на неисправность в питающей сети, в частности, в случае повышенной частоты и, как следствие этого, упомянутая ветроэнергетическая установка может быть введена в действие таким образом, чтобы поддерживать работу сети. Согласно изобретению мощность, генерируемая ветроэнергетической установкой, более может не подаваться непосредственно и мгновенно в питающую сеть.
Согласно одному аспекту настоящего изобретения, например, в случае недостаточной силы ветра и в случае неисправности в питающей сети (например, повышенной частоте), ветроэнергетическую установку можно использовать для отбора энергии из питающей сети и преобразования упомянутой энергии в тепло посредством прерывателя и нагрузочного резистора, соединенного с упомянутым прерывателем таким образом, чтобы ветроэнергетическая установка оказывалась соединенной с питающей сетью в качестве потребителя электрической мощности. Вследствие этого электрическую мощность можно отбирать очень быстро из питающей сети с помощью ветроэнергетической установки.
Согласно дополнительному аспекту настоящего изобретения энергоснабжающая компания может оказывать влияние на работу ветроэнергетической установки. Это может происходить, в частности, в случае неисправности в питающей сети. Согласно изобретению ветроэнергетическая установка может быть выключена по требованию энергоснабжающей компании, например, в случае неисправности в питающей сети, а энергия, генерируемая во время процесса отключения, может быть преобразована в тепло согласно изобретению посредством прерывателя. Таким образом, может быть достигнуто то, что ветроэнергетическая установка может быть быстро отключена от сети и при этом мощность не подается в питающую сеть.
Способ эксплуатации ветроэнергетической установки согласно изобретению можно также использовать при обнаружении повышенного напряжения сети.
Согласно дополнительному аспекту настоящего изобретения изменение частоты сети может быть обнаружено, и ветроэнергетическая установка может быть выключена, например, в случае изменения частоты, превышающей пороговое значение, а мощность, генерируемую в этом случае, можно преобразовывать в тепло посредством прерывателя и нагрузочного резистора. Подачу мощности можно, таким образом, снизить до ноля, например, в случае аварийной ситуации.
Дополнительные варианты осуществления изобретения являются предметом зависимых пунктов формулы изобретения.
Преимущества и приведенные в качестве примеров варианты осуществления изобретения дополнительно пояснены ниже со ссылками на чертежи, на которых показано:
фиг. 1A - схематический вид ветроэнергетической установки согласно изобретению;
фиг. 1В - схематический вид ветряной электростанции согласно изобретению;
фиг. 2 - диаграмма для пояснения способа согласно первому, приведенному в качестве примера, варианту осуществления;
фиг. 3 - диаграмма для пояснения способа согласно второму, приведенному в качестве примера, варианту осуществления изобретения; и
фиг. 4 - диаграмма для пояснения способа согласно изобретению.
На фиг. 1 показан схематически вид ветроэнергетической установки согласно изобретению. Ветроэнергетическая установка 100 содержит башню 102 и гондолу 104. На гондоле 104 предусмотрены ротор 106, содержащий три лопасти 108 ротора и обтекатель 110. Ротор 106 приводится во вращение под воздействием силы ветра во время работы и обеспечен электрогенератором 200, расположенным в гондоле 104. Шаг лопастей ротора 108 можно изменять с помощью двигателей для изменения шага, расположенных на основании соответствующей лопасти 108 ротора.
Кроме того, ветроэнергетическая установка 100 содержит блок управления 120 для управления работой ветроэнергетической установки и потребитель энергии, например, в виде прерывателя 400. Потребитель энергии 400 используют с целью потребления энергии, генерируемой ветроэнергетической установкой, которая не может быть отдана в питающую сеть, и, в частности, с целью преобразования упомянутой энергии в тепло.
На фиг. 1B показан схематический вид ветряной электростанции, содержащей множеств ветроэнергетических установок. На фиг. 1B показана, в частности, ветряная электростанция 112, содержащая три ветроэнергетических установки 100, которые могут быть одинаковыми или различными. Три ветроэнергетических установки 100 представляют по существу любое количество ветроэнергетических установок 100 ветряной электростанции 112. Ветроэнергетические установки 100 предоставляют мощность, а именно, в частности, генерируемый ток, посредством сети 114 станции. Соответствующие генерируемые токи или соответственно мощности отдельных ветроэнергетических установок 100 складываются, и опционально может быть обеспечен трансформатор 116 для повышения напряжения сети станции для последующей подачи энергии к точке 118 подвода питания, которая также, в общем, обозначается как (точка общего присоединения Point of Common Coupling – PCC) в питающей сети 130. На фиг. 1В показан только упрощенный вид ветряной электростанции 112, на которой, например, не показан процесс управления, хотя естественно процесс управления может иметь место. Опционально может быть предусмотрен трансформатор на выходе каждой ветроэнергетической установки 100.
Согласно изобретению, по меньшей мере, одна ветроэнергетическая установка 100 может быть обеспечена согласно, приведенному в качестве примера, варианту осуществления изобретения, другими словами, не обязательно должна быть создана ветряная электростанция. Изобретение, однако, также применимо к ветряной электростанции, содержащей множество ветроэнергетических установок.
Опционально измерительный блок 140 может быть соединен с питающей сетью 130 для определения частоты сети, напряжения сети и/или изменения частоты сети или напряжения сети.
Согласно изобретению обеспечен потребитель 400 для преобразования электрической мощности, например, в тепло. Потребитель может быть, например, выполнен в виде прерывателя 400. Опционально потребитель может содержать управляющий контур для управления работой потребителя.
Электропотребитель 400 может быть обеспечен в ветроэнергетической установке. Опционально электропотребитель 400 может также быть обеспечен централизовано в ветряной электростанции.
Опционально может быть обеспечен центральный блок управления ветряной электростанции (блок управления электростанции FCU), посредством которого можно управлять работой ветряной электростанции и работой соответствующих ветроэнергетических установок. Согласно изобретению с помощью центрального блока управления ветряной электростанции (FCU) можно активировать первый и/или второй режим работы каждой ветроэнергетической установки. Опционально центральный блок управления ветряной электростанции может содержать устройство 300 для ввода данных, с помощью которого энергоснабжающая компания может управлять центральным блоком управления ветряной электростанции (БУЭС) таким образом, чтобы активировались первый и/или второй режим работы при неисправности.
На фиг. 2 показаны диаграммы для пояснения способа согласно первому, приведенному в качестве примера, варианту осуществления. На фиг. 2 показаны изменение электрической мощности P, отдаваемой ветроэнергетической установкой, во времени, а также частота f в сети во времени. Ветроэнергетическая установка согласно второму, приведенному в качестве примера, варианту осуществления может быть представлена ветроэнергетической установкой, показанной на фиг. 1. Неисправность в питающей сети происходит в точке t1 (время t1). Частота сети повышается выше значения 50 Гц. После точки t1 мощность, отдаваемая от ветроэнергетической установкой, обычно понижается до ноля.
Ветроэнергетическая установка содержит блок управления 120 для управления работой ветроэнергетической установки. В блок управления 120 ветроэнергетической установки поступают актуальные параметры питающей сети либо непрерывно, либо через регулярные интервалы времени. Эти параметры могут, например, представлять напряжение сети и частоту сети. Блок управления 120 выполнен с возможностью сравнения этих параметров с сохраненными пороговыми значениями. Если определенные параметры превышают или оказываются ниже сохраненных пороговых значений, то блок управления 120 может переключить ветроэнергетическую установку в режим работы при неисправности.
В режиме работы при неисправности ветроэнергетической установкой управляют таким образом, чтобы она больше не отдавала электрическую мощность в питающую сеть. С этой целью обычно шаговые углы лопастей ротора изменяют таким образом, чтобы лопасти ротора были перемещены во флюгерное положение (минимальная поверхность контакта с ветром). Скорость вращения ротора ветроэнергетической установки, таким образом, понижают до ноля. За время, пока скорость вращения ротора снижается до ноля, ветроэнергетическая установка генерирует электрическую мощность (показана в виде заштрихованной площади на фиг. 2), вырабатываемую благодаря непосредственному или опосредованному соединению ротора с электрогенератором 200 ветроэнергетической установки, и упомянутая электрическая мощность отдается в питающую сеть.
Согласно изобретению блок управления 120 выполнен с возможностью активирования также, по меньшей мере, одного потребителя 400 (например, прерывателя и нагрузочного резистора, например, расположенных в силовом шкафу ветроэнергетической установки), если активирован режим работы при неисправности. Силовой шкаф ветроэнергетической установки содержит помимо прерывателя 400, например, инвертер ветроэнергетической установки. Если прерыватель 400 активирован в силовом шкафу ветроэнергетической установки в случае активирования режима работы при неисправности (другими словами, в случае обнаружения неисправности в питающей сети), то мощность от электрогенератора 200, которую он все еще генерирует при уменьшении скорости вращения ротора, может быть преобразована, например, в тепло посредством потребителя (прерывателя и нагрузочного резистора). Таким образом может быть достигнуто то, что ветроэнергетическая установка больше не отдает мощность в питающую сеть, как только активирован режим работы при неисправности (другими словами, как только обнаружена неисправность в питающей сети).
Одним примером неисправности в питающей сети является повышенная частота (другими словами, частота питающей сети стала выше предела частоты). В таком случае слишком большая мощность поступает в питающую сеть и слишком маленькая мощность отбирается из питающей сети. Для снижения повышенной частоты необходимо как можно быстрее уменьшить мощность, отдаваемую в питающую сеть. Это может быть достигнуто согласно изобретению посредством активирования режима работы при неисправности. После активирования режима работы при неисправности ветроэнергетическая установка больше не отдает мощности в питающую сеть. Мощность, генерируемую ветроэнергетической установкой после активирования режима работы при неисправности, преобразуют в тепло согласно изобретению посредством использования потребителя (прерывателя и нагрузочного резистора). В результате этого может быть согласно изобретению достигнуто, что отдача мощности, генерируемой ветроэнергетической установкой, в питающую сеть резко понижается до ноля. Вследствие этого становится возможным быстрое уменьшение мощности, отдаваемой ветроэнергетической установкой в питающую сеть.
Дополнительным примером неисправности является внутренняя неисправность ветроэнергетической установки, которая ведет к необходимости осуществления аварийного выключения; другими словами, - к немедленному выключению.
На фиг. 3 показаны диаграммы для пояснения способа управления ветроэнергетической установкой согласно второму, приведенному в качестве примера, варианту осуществления. В этом, приведенном в качестве примера, варианте осуществления ветроэнергетическая установка функционирует как потребитель в питающей сети и, вследствие этого, может отбирать энергию из питающей сети, и может преобразовывать упомянутую энергию в тепло посредством прерывателя.
Согласно второму, приведенному в качестве примера, варианту осуществления ветроэнергетическая установка может действовать в режиме потребления мощности, как и в первом, приведенном в качестве примера, варианте осуществления. В этом режиме работы ветроэнергетическая установка может быть соединена с питающей сетью как потребитель и может отбирать энергию из питающей сети. Эта мощность может быть преобразована в тепло посредством потребителя 400 (прерывателя и нагрузочного резистора).
Режим работы с потреблением мощности может быть, например, активирован посредством блока управления, если имеет место недостаточная сила ветра (другими словами, ветроэнергетическая установка не отдает мощность в питающую сеть), и в питающей сети возникает неисправность (например, повышенная частота). Как описано выше, в таком случае необходимо либо уменьшить мощность, отдаваемую в питающую сеть, либо увеличить мощность, отбираемую из питающей сети. Согласно второму, приведенному в качестве примера, варианту осуществления может быть принят второй альтернативный вариант, и ветроэнергетическая установка можетфункционировать как электропотребитель, и может отбирать электрическую мощность из питающей сети, а упомянутая электрическая мощность может быть преобразована в тепло посредством прерывателя.
Согласно третьему, приведенному в качестве примера, варианту осуществления можно активировать режим работы с потреблением мощности согласно второму, приведенному в качестве примера, варианту осуществления посредством блока управления после понижения до ноля мощности, отдаваемой ветроэнергетической установкой, согласно первому, приведенному в качестве примера, варианту осуществления в режиме работы при неисправности. Другими словами, как только мощность, отдаваемая ветроэнергетической установкой в питающую сеть, понизилась до ноля, блок управления ветроэнергетической установки может переключить ее в режим работы с потреблением мощности и может отбирать электрическую мощность из питающей сети, и преобразовывать упомянутую электрическую мощность в тепло посредством потребителя (прерывателя).
Возможность ветроэнергетической установки преобразовывать энергию, генерируемую ветроэнергетической установкой, в тепло посредством прерывателя определяется или скорее ограничена в режиме работы при неисправности в зависимости от мощности потребителя (прерывателей), а также от количества используемых прерывателей, а также от нагрузочных сопротивлений. Количество энергии, которое должно быть потреблено за определенный период времени посредством прерывателя, особенно важно в этом случае. Если меньшее количество мощности должно быть потреблено посредством прерывателя или прерывателей, то это возможно в течение более продолжительного периода времени. Однако, если необходимо преобразовать большое количество мощности, например, в тепло, посредством прерывателя, то это может быть осуществлено за более короткий период времени.
На фиг. 4 показана диаграмма для пояснения соотношения мощности, генерируемой ветроэнергетической установкой, и частоты сети. Если частота находится в допустимом диапазоне относительно пороговых значений, то в питающую сеть поступает максимально возможное количество энергии P от ветроэнергетической установки.
Если частота ниже порогового значения, то в питающую сеть должно поступать большее количество мощности. Если частота выше первого порогового значения, то энергию, поступающую от ветроэнергетической установки в сеть, ступенчато уменьшают. Если частота сети превышает второе пороговое значение, то работу ветроэнергетической установки замедляют, и согласно первому, приведенному в качестве примера, варианту осуществления, электрическую мощность, генерируемую во время замедления работы ветроэнергетической установки, потребляют посредством потребителя (прерывателя и нагрузочного резистора) и, таким образом, упомянутую электрическую мощность не подают в питающую сеть. Вследствие этого, после достижения второго порогового значения, мощность больше не подают в питающую сеть.
Согласно дополнительному, приведенному в качестве примера, варианту осуществления ветроэнергетическая установка согласно изобретению может содержать устройство 300 (ввода данных), посредством которого энергоснабжающая компания может оказывать влияние на работу или соответственно на управление ветроэнергетической установкой. В этом случае ветроэнергетической установкой можно управлять в ответ на требования энергоснабжающей компании таким образом, чтобы от ветроэнергетической установки больше не поступала энергия в питающую сеть. Это может происходить согласно первому, приведенному в качестве примера, варианту осуществления с той разницей, что не обнаруживается неисправность в питающей сети, а активируется энергоснабжающей компанией режим работы при неисправности.
Режим работы с потреблением мощности может быть аналогичным образом активирован энергопоставщиком.
Согласно дополнительному аспекту настоящего изобретения может осуществляться мониторинг за изменением частоты сети, и если изменение частоты превышает пороговое значение, то может быть активирован режим работы при неисправности согласно первому, приведенному в качестве примера, варианту осуществления. Вследствие этого ветроэнергетическая установка может реагировать на аварийную ситуацию, например, на значительное изменение частоты сети.
Согласно дополнительному, приведенному в качестве примера, варианту осуществления изобретения ветряная электростанция обеспечена множеством ветроэнергетических установок и центральным блоком управления ветряной электростанцией. Центральный блок управления ветряной электростанцией может быть соединен с ветроэнергетическими установками посредством шины данных и может оказывать влияние на процесс управления ветроэнергетическими установками. Например, с помощью центрального блока управления ветряной электростанцией (БУЭС) можно, таким образом, инициировать активирование режима работы при неисправности согласно первому, приведенному в качестве примера, варианту осуществления.
Режим работы при неисправности может быть, таким образом, активирован согласно первому, приведенному в качестве примера, варианту осуществления посредством блока управления ветроэнергетической установки, посредством центрального блока управления электростанции или посредством энергоснабжающей компании.