ВЕТРОВАЯ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ С МНОЖЕСТВОМ ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК
WIND POWER STATION WITH MULTIPLE WIND-DRIVEN POWER PLANTS

Изобретение относится к ветроэнергетической установке и к ветровой электростанции, состоящей из этих ветроэнергетических установок.
Посредством ветроэнергетических установок ветровой электростанции электроэнергия, выработанная посредством стохастического носителя первичной энергии ветра, вводится в региональную сеть энергоснабжения.
Из DE 19620906 А1 известен принцип ветровой электростанции 2, схематично представленный на фиг.1. Этот известный принцип представляет собой децентрализованный принцип трехфазного тока, потому что энергия каждой ветроэнергетической установки 4 ветровой электростанции 2 вводится в региональную сеть 6 энергоснабжения. Так как повышение напряжения в месте 8 ввода ветроэнергетической установки региональной сети 6 энергоснабжения не может содержать более чем 4%, отсюда следует максимально возможная мощность ветровой энергии в зависимости от удаления места 8 ввода ветровой электростанции от трансформаторной подстанции этой сети 6 энергоснабжения. Представленная ветровая электростанция 2 имеет три ветроэнергетических установки 4, которые содержат, соответственно, гондолу 12 и вышку 14. Гондола 12, которая размещена с возможностью поворота на вышке 14, содержит генератор 16, фильтр 18 на стороне генератора, выпрямитель 20 переменного тока на стороне генератора, выпрямитель 22 переменного тока на стороне сети, фильтр 24 на стороне сети и трансформатор 26. Оба выпрямителя 20 и 22 переменного тока электропроводно связаны друг с другом на стороне постоянного напряжения посредством промежуточного контура напряжения. Тем самым оба эти выпрямителя 20 и 22 переменного тока и промежуточный контур напряжения образуют двухзвенный вентильный преобразователь переменного тока.
Структура подобного двухзвенного вентильного преобразователя переменного тока, размещенного в гондоле 12 ветроэнергетической установки 4, описана в публикации “A high power density converter system fort the Gamesa G10x4,5 MW Wind Turbine”, Björn Andersen, Jens Birk, опубликованной в материалах конференции EPE 2007 в Aalborg. В представленном в этой публикации двухзвенном вентильном преобразователе переменного тока оба выпрямителя 20 и 22 переменного тока выполнены как автономные выпрямители импульсного тока. Для того чтобы генерируемые выпрямителями 20 и 22 переменного тока высшие гармоники не допустить в генератор 16 или сеть 6 энергоснабжения, на стороне генератора и на стороне сети предусмотрены соответствующие фильтры 18 и 24. Посредством трансформатора 26 на стороне сети генерированное выходное напряжение вентильного преобразователя переменного тока согласуется с номинальным напряжением региональной сети энергоснабжения.
Из указанной публикации следует, что генератор 16 на стороне ротора посредством передаточного механизма или непосредственно связан с ротором ветроэнергетической установки 4. Если в качестве генератора 16 применяется синхронный генератор, то от передаточного механизма можно отказаться, так что вес гондолы 12 снижается. По причинам наглядности на фиг.1 роторы не показаны.
На фиг.2 показана вторая форма выполнения принципа трехфазного тока ветровой электростанции 2. Эта форма выполнения отличается от формы выполнения по фиг.1 тем, что электрическое оборудование ветроэнергетической установки 4 размещено не в гондоле 12, а на вышке 14. Подобная форма выполнения ветроэнергетической установки 4 известна из публикации “ABB Advanced Power Electronics - MV full power wind conversation for Multibrid M5000 turbine”, опубликованной в Интернете на сайте www.abb.com./powerelectronics. Части 18, 20, 22, 24 и 26 установки размещены в основании вышки 14 ветроэнергетической установки 4. Таким образом, в гондоле 12 каждой ветроэнергетической установки 4 ветровой электростанции 2 остается только генератор 16.
о
Из DE 19620806 A1 известна ветровая электростанция 2 с n ветроэнергетическими установками 4. В этой известной ветровой электростанции 2 каждая ветроэнергетическая установка 4 содержит ротор 28, лопасти которого регулируются, синхронный генератор 30, выпрямитель 32 переменного тока и сглаживающий дроссель 34. Синхронный генератор 30 непосредственно связан с ротором 28 и имеет две смещенные на 30 друг к другу статорные обмотки, которые соответственно электропроводно связаны с частичным выпрямителем 36 переменного тока выпрямителя 32 переменного тока. Синхронный генератор 30 может иметь постоянное возбуждение или регулируемое напряжением возбуждение. Выпрямитель 32 переменного тока выполнен многоимпульсным, например 12-импульсным. Сглаживающий дроссель 34 размещен, например, в положительной выходной линии 38. Эта положительная выходная линия 38 и отрицательная выходная линия 40 посредством силового переключателя 42 могут отделяться от положительной и отрицательной сборных шин 44 и 46. Посредством этих обеих сборных шин 44 и 46 n ветроэнергетические установки ветровой электростанции 2 включены параллельно на стороне постоянного тока.
Выпрямительная станция 48 на сетевой стороне в этом представлении решения по постоянному току ветровой электростанции 2 размещена непосредственно в трансформаторной подстанции 50 региональной сети 6 энергоснабжения. Эта выпрямительная станция 48 с сетевой стороны содержит сглаживающий дроссель 52, инвертор (преобразователь постоянного тока в переменный) 54, согласующий трансформатор 56 и фильтр 58. Преобразователь 54 постоянного тока в переменный состоит, как и выпрямитель 32 переменного тока каждой ветроэнергетической установки 4, из двух частичных преобразователей 60 постоянного тока в переменный. Пульсации преобразователя 54 постоянного тока в переменный соответствуют пульсациям выпрямителя 32 переменного тока. Каждый частичный преобразователь 60 постоянного тока в переменный на стороне переменного напряжения электрически соединен с вторичной обмоткой согласующего трансформатора 56, причем его первичная обмотка электрически соединена со сборной шиной 62 трансформаторной подстанции 50. К этой сборной шине 62 подключен также фильтр 58. Сглаживающий дроссель 52 размещен, например, в положительной входной линии 64 преобразователя 54 постоянного тока в переменный. Положительная входная линия 64 и отрицательная входная линия 66 посредством устройства 68 передачи постоянного тока электрически соединена с положительной и отрицательной сборной шиной 44 и 46 электрически параллельно включенных ветроэнергетических установок 4. Устройство 68 передачи постоянного тока может представлять собой две линии постоянного тока или кабель постоянного тока.
В качестве выпрямительных вентилей выпрямителя 32 переменного тока каждой ветроэнергетической установки 4 и преобразователей 54 постоянного тока в переменный выпрямительной станции 48 на сетевой стороне предусмотрены тиристоры. С помощью выпрямителей 32 переменного тока регулируется мощность, причем с помощью преобразователей 54 постоянного тока в переменный регулируется напряжение трехфазного тока. Эта схема включения n выпрямительных станций соответствует HGŰ-многопунктной сети.
Из публикации, озаглавленной «Offen für Offshore - HVDC Light - Baustein einer nachhaltigen elektrischen Energieversorgung», известна морская ветровая электростанция, причем вместо кабеля трехфазного тока применяется кабель переменного тока. На обоих концах этого кабеля постоянного тока предусмотрен соответствующий силовой выпрямитель переменного тока, который на стороне переменного напряжения снабжен соответствующим силовым трансформатором. В качестве силовых выпрямителей переменного тока предусмотрены IGBT-выпрямители, которые известны из двухзвенного вентильного преобразователя переменного тока для среднего напряжения. Конденсатор промежуточного контура разделен на две части и подключен электрически параллельно к соответствующим выводам постоянного напряжения IGBT-выпрямителя. Соответствующая ветроэнергетическая установка этой ветровой электростанции содержит IGBT-выпрямитель переменного тока на стороне генератора, причем ее IGBT-выпрямители переменного тока на стороне сети встроены в IGBT-выпрямитель переменного тока выпрямительной станции на стороне сети. IGBT-выпрямители переменного тока ветроэнергетической установки этой ветровой электростанции со стороны постоянного напряжения соединены посредством кабеля постоянного тока с IGBT-выпрямителем переменного тока выпрямительной станции на стороне сети. За счет этой концепции постоянного тока ветроэнергетические установки ветровой электростанции, в особенности морской ветровой электростанции, могут быть удалены от выпрямительной станции на стороне сети более чем на 140 км.
Из публикации под названием «Control method and snubber selection for a 5 MW wind turbine single active bridge DC/DC converter» авторов Lena Max и Torbjörn Thiringer, опубликованной в материалах конференции EPE 2007 в Aalborg, известна другая форма выполнения принципа постоянного напряжения ветровой электростанции. В этой форме выполнения каждая ветроэнергетическая установка содержит генератор, выпрямитель переменного тока на стороне генератора и преобразователь постоянного напряжения. Множество ветроэнергетических установок связаны посредством еще одного преобразователя постоянного напряжения с преобразователем постоянного напряжения, который посредством кабеля постоянного тока соединен с преобразователем постоянного тока в переменный со стороны сети в месте ввода ветровой электростанции региональной сети энергоснабжения. В качестве выпрямителей на стороне генератора каждой ветроэнергетической установки предусмотрен либо диодный выпрямитель переменного тока, либо автономный IGBT-выпрямитель переменного тока.
В основе изобретения лежит задача усовершенствовать ветроэнергетическую установку и ветровую электростанцию, состоящую из этих ветроэнергетических установок, таким образом, чтобы обеспечивалась экономия компонентов установок.
Эта задача в соответствии с изобретением решается отличительными признаками пункта 1 или пункта 8 формулы изобретения.
В соответствии с изобретением в качестве выпрямителей переменного тока на стороне сети ветроэнергетической установки предусмотрен выпрямитель переменного тока с распределенными накопителями энергии. Каждая ветвь вентилей подобного выпрямителя имеет по меньшей мере две двухполюсные подсистемы, которые имеют, соответственно, накопитель энергии и электрически соединены последовательно. Чтобы иметь возможность сэкономить выходной фильтр, по меньшей мере десять двухполюсных подсистем на ветвь вентилей включены электрически последовательно. В зависимости от числа двухполюсных подсистем также повышается выходное напряжение выпрямителя переменного тока. За счет этого, при обстоятельствах, можно отказаться от согласующего трансформатора.
Другое преимущество этого выпрямителя переменного тока с распределенными накопителями энергии состоит в том, что каждая ветвь вентилей этого выпрямителя переменного тока может содержать избыточные двухполюсные подсистемы. Тем самым можно, в случае отказов двухполюсных подсистем, поддерживать работу без ограничений, за счет чего улучшается работоспособность ветроэнергетической установки.
2
Так как в качестве выпрямителя переменного тока на стороне нагрузки двухзвенного вентильного преобразователя переменного тока предусмотрен выпрямитель переменного тока с распределенными накопителями энергии, промежуточный контур напряжения этого двухзвенного вентильного преобразователя переменного тока больше не содержит накопителей энергии. Тем самым не требуется этот промежуточный контур напряжения выполнять низкоиндуктивным, так что в качестве соединения на стороне постоянного напряжения выпрямителя на стороне генератора с выпрямителем на стороне сети можно применять кабель постоянного тока. Кроме того, короткое замыкание промежуточного контура, по сравнению с двухзвенным вентильным преобразователем переменного тока с накопителем энергии в промежуточном контуре напряжения весьма маловероятно, за счет чего может быть гарантирован надежный режим работы в случае отказа. Кроме того, выпрямительные вентили выпрямителя на стороне генератора двухзвенного вентильного преобразователя переменного тока ветроэнергетической установки больше не выполняются в расчете на ток короткого замыкания, вызванный низкоомным коротким замыканием промежуточного контура. Это означает, что требование по it этих выпрямительных вентилей может быть заметно снижено.
Если ветровая электростанция сооружается с множеством соответствующих изобретению ветроэнергетических установок, то выпрямители переменного тока на стороне сети объединяются с распределенными накопителями энергии каждой ветроэнергетической установки в выпрямителе переменного тока с распределенными накопителями энергии в выпрямительной станции со стороны сети, причем эта выпрямительная станция со стороны сети предпочтительным образом размещена непосредственно в месте ввода энергии ветровой электростанции. Тем самым, каждая ветроэнергетическая установка ветровой электростанции согласно изобретению содержит только один генератор с далее включенным выпрямителем переменного тока, причем предпочтительным образом этот выпрямитель переменного тока на стороне генератора размещен в основании башни каждой ветроэнергетической установки. За счет этого вес каждой гондолы ветроэнергетической установки соответствующей изобретению ветровой электростанции существенно снижается. За счет этого, кроме того, упрощается конструкция башни каждой ветроэнергетической установки такой ветровой электростанции.
В предпочтительной форме выполнения соответствующих изобретению ветроэнергетических установок в качестве выпрямителя переменного тока на стороне генератора, кроме того, предусматривается выпрямитель переменного тока с распределенными накопителями энергии. За счет применения выпрямителя переменного тока с распределенными накопителями энергии на генераторной стороне двухзвенного вентильного преобразователя переменного тока ветроэнергетической установки, причем может применяться множество двухполюсных подсистем на каждую ветвь вентилей выпрямителя переменного тока, в качестве генератора может применяться генератор с пониженными требованиями к изоляции обмоток. За счет более тонкой изоляции обмоток генератора улучшается их охлаждение.
Другие предпочтительные варианты осуществления ветроэнергетической установки представлены в зависимых пунктах 4-7 формулы изобретения, а другие предпочтительные варианты осуществления ветровой электростанции следуют из зависимых пунктов 9-14 формулы изобретения.
Для дополнительного объяснения изобретения далее даются ссылки на чертежи, на которых схематично представлено несколько форм выполнения ветроэнергетической установки ветровой электростанции.
Фиг.1 показывает форму выполнения известного принципа трехфазного тока ветроэнергетической установки,
Фиг.2 показывает вторую форму выполнения известного принципа трехфазного тока ветроэнергетической установки по фиг.1,
Фиг.3 показывает форму выполнения известного принципа ветровой электростанции,
Фиг.4 показывает форму выполнения ветроэнергетической установки согласно изобретению,
Фиг.5 показывает схему выпрямителя с распределенными накопителями энергии,
Фиг.6, 7 показывают, соответственно, форму выполнения двухполюсной подсистемы выпрямителя по фиг.5,
Фиг.8 показывает вторую форму выполнения соответствующей изобретению ветроэнергетической установки ветровой электростанции и
Фиг.9 показывает третью форму выполнения соответствующей изобретению ветроэнергетической установки ветровой электростанции.
На Фиг.4 показана первая форма выполнения ветроэнергетической установки 4 ветровой электростанции 2 согласно изобретению. В этой соответствующей изобретению ветроэнергетической установке 4, в ее гондоле 12 размещены только генератор 16 и выпрямитель 20 переменного тока на стороне генератора. В соответствующей башне 14 этой ветроэнергетической установки 4, на которой гондола 12 установлена с возможностью поворота, размещены выпрямитель 22 переменного тока на стороне сети и трансформатор 26 стороны переменного тока, который также обозначается как согласующий трансформатор. При этом обе части 22 и 26 установки размещены в основании башни 14. С помощью этого трансформатора 26 ветроэнергетическая установка 4 подключается к месту 8 ввода энергии ветровой электростанции региональной сети 6 энергоснабжения. В качестве выпрямителя 22 переменного тока на стороне сети в соответствии с изобретением предусмотрен выпрямитель 70 переменного тока с распределенными накопителями энергии. Схема подобного выпрямителя 70 переменного тока более подробно показана на фиг.5. За счет применения выпрямителя 70 переменного тока с распределенными накопителями энергии по меньшей мере как выпрямителя 22 переменного тока на стороне сети промежуточный контур напряжения двухзвенного вентильного преобразователя переменного тока, сформированного из выпрямителей 20 и 22 на стороне сети и на стороне генератора, больше не требуется никакой накопитель энергии в форме конденсаторов, в частности электролитических конденсаторов. По этой причине этот промежуточный контур напряжения не должен больше выполняться как низкоиндуктивный, так что в качестве связи на стороне постоянного напряжения этих обоих выпрямителей 20 и 22 переменного тока предусматривается кабель 72 постоянного тока. Выпрямитель 20 переменного тока на стороне генератора в простейшем случае представляет собой диодный выпрямитель. Предпочтительным образом выпрямитель переменного тока на стороне генератора выполнен как четырехквадрантный выпрямитель переменного тока.
Если в качестве выпрямителя 20 переменного тока на стороне генератора также применятся выпрямитель 70 переменного тока с распределенными накопителями энергии, то может применяться генератор 16 со сниженными требованиями к изоляции обмоток. За счет этого улучшается охлаждение обмоток этого генератора 16. Если этот выпрямитель 20 на стороне генератора в форме выполнения как выпрямитель 70 переменного тока с распределенными накопителями энергии имеет большое число распределенных накопителей энергии, например, по меньшей мере десять накопителей энергии на ветвь вентилей фазного модуля этого выпрямителя 70 переменного тока, то больше не требуется фильтр 18 на стороне генератора. Кроме того, за счет этого могут быть реализованы более высокие генераторные напряжения, благодаря чему проводники кабеля 72 постоянного тока в башне 14 каждой ветроэнергетической установки 4 могут быть рассчитаны на меньшие токи. Также этот выпрямитель 70 переменного тока на стороне генератора с распределенными накопителями энергии может иметь дополнительные избыточные накопители энергии, которые обеспечивают повышенную работоспособность ветроэнергетической установки 4.
0
0
0
0
d
0
0
На фиг.5 показана схема выпрямителя 70 переменного тока с распределенными накопителями энергии. Этот выпрямитель 70 переменного тока имеет три фазных модуля 74, которые на стороне постоянного напряжения включены электрически параллельно. Для параллельного включения этих фазных модулей 74 предусмотрены положительная и отрицательная сборные шины P и Nпостоянного напряжения. Между этими обеими сборными шинами P и Nпостоянного напряжения имеет место падение постоянного напряжения U. К этим сборным шинам P и Nпостоянного напряжения этого выпрямителя 70 переменного тока подключены оба проводника кабеля 72 постоянного тока.
0
На фиг.6 показана первая форма выполнения двухполюсной подсистемы 76. Эта двухполюсная подсистема 76 имеет два отключаемых полупроводниковых переключателя 78 и 80, два диода 82 и 84 и униполярный накопительный конденсатор 86. Оба отключаемых полупроводниковых переключателя 78 и 80 соединены электрически последовательно, причем это последовательное соединение включено электрически параллельно накопительному конденсатору 86. Каждому отключаемому полупроводниковому переключателю 78 и 80 электрически параллельно включен один из диодов 82 и 84 таким образом, что они по отношению к соответствующим отключаемым полупроводниковым переключателям 78 и 80 включены антипараллельно. Униполярный накопительный конденсатор 86 двухполюсной подсистемы 76 состоит либо из одного конденсатора, либо из конденсаторной батареи из нескольких таких конденсаторов с результирующей емкостью С. Точка соединения эмиттеров отключаемых полупроводниковых переключателей 78 и 80 и анод диода 82 образуют первую соединительную клемму Х1 подсистемы 76. Точка соединения обоих отключаемых полупроводниковых переключателей 78 и 80 и обоих диодов 82 и 84 образуют вторую соединительную клемму Х2 двухполюсной подсистемы 76.
В форме выполнения подсистемы 76 по фиг.7 эта точка соединения образует первую соединительную клемму Х1. Точка соединения стока отключаемого полупроводникового переключателя 80 и катод диода 84 образуют вторую соединительную клемму Х2 двухполюсной подсистемы 76.
X21
X21
C
Согласно публикации, озаглавленной «Modulares Stromrichterkonzept für Netzkupplungsanwendung bei hohen Spannungen» авторов Rainer Marquardt, Anton Lesnicar, Jürgen Hildinger, опубликованной в материалах конференции ETG 2002, двухполюсная подсистема 76 может принимать три состояния переключения. В состоянии переключения I отключаемый полупроводниковый переключатель 78 включен, а отключаемый полупроводниковый переключатель 80 выключен. В этом состоянии переключения I клеммное напряжение U двухполюсной подсистемы 76 равно нулю. В состоянии переключения II отключаемый полупроводниковый переключатель 78 выключен, а отключаемый полупроводниковый переключатель 80 включен. В этом состоянии переключения II клеммное напряжение U двухполюсной подсистемы 76 равно напряжению U на накопительном конденсаторе 86. В нормальном режиме работы без помех используются только эти оба состояния переключения I и II. В состоянии переключения III оба отключаемых полупроводниковых переключателя 78 и 80 отключены.
На фиг.8 более подробно представлена вторая форма выполнения соответствующей изобретению ветроэнергетической установки 4 ветровой электростанции 2. Эта форма выполнения отличается от первой формы выполнения согласно фиг.1 тем, что для всех ветроэнергетических установок 4 ветровой электростанции 2 предусмотрен выпрямитель 88 переменного тока на стороне сети с трансформатором 26 на стороне переменного напряжения, который в выпрямительной станции 48 размещен в трансформаторной подстанции 50 региональной сети 6 энергоснабжения. Это означает, что выпрямитель 22 переменного тока на сетевой стороне ветроэнергетической установки 4 ветровой электростанции 2 объединен в этом выпрямителе 88 переменного тока на стороне сети. Тем самым ветроэнергетические установки 4 ветровой электростанции 2 больше не связаны на стороне переменного напряжения с местом 8 ввода энергии ветровой электростанции, а связаны на стороне постоянного напряжения с местом 90 ввода энергии ветровой электростанции. Тем самым каждый кабель 70 постоянного тока каждой ветроэнергетической установки 4 через место 90 ввода энергии ветровой электростанции посредством еще одного кабеля 92 постоянного тока соединен с выпрямительной станцией 48 на стороне сети. Этот кабель 92 постоянного тока может иметь длину 100 км. Это означает, что сооружение ветровой электростанции 2 больше не зависит от расположения места ввода энергии в сеть. Только ветровые условия имеют решающее значение. Кроме того, посредством кабеля 92 постоянного тока морская ветровая электростанция может связываться с региональной сетью энергоснабжения на суше.
На фиг.9 более подробно представлена третья форма выполнения соответствующей изобретению ветроэнергетической установки 4 ветровой электростанции 2. Эта третья форма выполнения отличается от второй формы выполнения согласно фиг.8 тем, что выпрямитель 20 переменного тока на стороне генератора каждой ветроэнергетической установки 4 этой ветровой электростанции 2 перемещен из гондолы 12 в основание соответствующей башни 14. За счет этого гондола 12 каждой ветроэнергетической установки 4 этой ветровой электростанции 2 содержит только генератор 16 и, при необходимости, передаточный механизм, от которого также можно отказаться, если в качестве генератора 16 применяется синхронный генератор с возбуждением от постоянных магнитов. За счет этого вес гондолы 12 ветроэнергетической установки 4 снижается существенным образом. При снижении веса гондолы 12 также упрощается конструкция ее башни 14, на которой гондола 12 установлена с возможностью поворота. Тем самым снижаются затраты ветроэнергетической установки 4 и, следовательно, ветровой электростанции 2, созданной с использованием таких ветроэнергетических установок 4.
За счет применения выпрямителя 70 переменного тока с распределенными накопителями энергии соответственно в качестве выпрямителя 22 переменного тока на стороне сети каждой ветроэнергетической установки 4 или в качестве выпрямителя 20 переменного тока на стороне генератора такой ветроэнергетической установки 4, или в качестве выпрямителя 88 переменного тока на стороне сети выпрямительной станции 48 на стороне сети ветровой электростанции 2, получают решение по постоянному току, которое по сравнению с известными решениями по постоянному току имеет гибкую структуру, благодаря чему оно может быть лучше согласовано с потребностями оператора ветровой электростанции 2. Кроме того, значительно снижаются затраты на подобную ветровую электростанцию 2. Кроме того, может быть предусмотрено большее расстояние между ветровой электростанцией 2 и трансформаторной подстанцией 50 региональной сети 6 энергоснабжения, за счет чего выбор места установки ветровой электростанции 2 зависит только от стохастического распределения ветров.