СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ УСТРОЙСТВОМ ДЛЯ ВВОДА ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА В СЕТЬ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ
METHOD OF CONTROLLING DEVICE FOR INPUT OF ELECTRIC CURRENT INTO POWER SUPPLY NETWORK

Настоящее изобретение относится к способу управления имеющим ветроэнергетическую установку устройством ввода энергии для ввода электрической мощности или соответственно электрической энергии в электрическую сеть электроснабжения. Кроме того, настоящее изобретение относится к такому устройству ввода энергии. Кроме того, настоящее изобретение относится к ветроэнергоцентру с несколькими ветроэнергетическими установками с по меньшей мере одним устройством ввода энергии.
Ветроэнергетические установки, которые вырабатывают из энергии ветра электрический ток и вводят его в электрическую сеть электроснабжения, общеизвестны. Пример такой ветроэнергетической установки схематично представлен на фиг. 1. Такая ветроэнергетическая установка може, таким образом также толковаться как устройство ввода энергии, которое включает в себя ветроэнергетическую установку.
Обычно, по меньшей мере, но предпочтительно ветроэнергетические установки эксплуатируются или эксплуатировались в так называемом параллельном режиме работы с сетью. Под этим в общем случае понимается то, что соответствующая ветроэнергетическая установка генерирует столько электрической мощности, сколько возможно на основе преобладающего ветра, и эта электрическая мощность вводится в электрическую сеть электроснабжения. Электрическая сеть электроснабжения, которая далее также синонимично обозначается как сеть, выравнивала или соответственно улавливала результирующие колебания введенной мощности.
Такой параллельный режим работы с сетью является, однако, проблематичным для сети с возрастающей долей электрической мощности от ветроэнергетических установок в сети. Желательным является, чтобы ветроэнергетические установки также обеспечивали стабильную работу электрической сети и, в частности, могли регулироваться в зависимости от потребности в мощности электрической сети.
В этом смысле уже известны решения, в которых ветроэнергетические установки могут брать на себя функции по обеспечению стабилизации сети. Например, в US 6,984,898 описан способ, в котором ветроэнергетическая установка регулирует свою вводимую мощность в зависимости от сетевого напряжения. Из US 6,891,281 известен способ, в котором мощность регулируется в зависимости от частоты напряжения в сети. В US 7,462,946 описывается способ для ввода электрической мощности в сеть электроснабжения посредством ветроэнергетической установки, в котором может учитываться короткое замыкание в сети электроснабжения. В US 6,965,174 предложен способ, в котором ветроэнергетическая установка, вводящая энергию в сеть, устанавливает в зависимости от сетевого напряжения фазовый угол и тем самым долю реактивной мощности от вводимой мощности, чтобы тем самым обеспечивать стабилизацию сети. Учет коротких замыканий в сети предлагается также в US 7,525,208.
Все эти обстоятельства могут обеспечивать стабильную работу сети, но не могут ничего изменить в том, что ветроэнергетическая установка может генерировать не больше электрической мощности из энергии ветра, чем это допускают преобладающие ветровые условия. В этом отношении, в частности, для такого повышения мощности, как в отношении амплитуды, так и временной длительности такого повышения, устанавливаются узкие границы.
Чтобы также иметь возможность повышения вводимой мощности ветроэнергетической установки, в ЕР 2411669 предлагается для обеспечения стабильной работы сети кратковременное повышение мощности достигать за счет того, что используется мощность из центробежной массы вращающегося ротора ветроэнергетической установки. Также для такого повышения мощности установлены узкие границы, которые не в последнюю очередь получаются из максимально накопленной кинетической энергии в роторе. К тому же требуются определенные затраты, чтобы преобразовывать кинетическую энергию ротора ветроэнергетической установки в электрический ток, чтобы осуществлять желательное повышение вводимой электрической мощности.
Немецким ведомством по патентам и товарным знакам по приоритетной заявке в результате поиска выявлен следующий уровень техники: DE 10 2009 018 126 A1 и DE 10 2008 052 827 A1.
В основе настоящего изобретения лежит таким образом задача разрешить по меньшей мере одну из вышеописанных проблем. В частности, должно быть предложено решение, с помощью которого также при применении ветроэнергетической установки ввод электрической мощности может быть повышен. Это повышение электрической мощности должно осуществляться, в частности, по возможности просто, по возможности быстро и по возможности продолжительно. При этом также необходимо достичь значительного повышения мощности, в частности, по возможности, на по меньшей мере 10%, 20% или, если возможно, даже на 50% или более. По меньшей мере должно быть предложено одно альтернативное решение.
В соответствии с изобретением предложен способ согласно пункту 1 формулы изобретения. В соответствии с ним осуществляется управление устройством ввода энергии, которое содержит ветроэнергетическую установку. Управление осуществляется таким образом, что ветроэнергетическая установка генерирует электрическую мощность. Следует указать на то, что в данной заявке под генерацией электрической мощности или генерацией электрической энергии следует понимать преобразование мощности или соответственно энергии в другой форме в электрическую мощность или соответственно энергию. Таким образом, ветроэнергетическая установка генерирует электрическую мощность за счет того, что она энергию ветра преобразует в электрическую энергию.
Из этой таким образом сгенерированной электрической мощности первая часть вводится в электрическую сеть электроснабжения. Вторая часть сгенерированной ветроэнергетической установкой электрической мощности подается электрическому потребителю для потребления. Под электрическим потребителем следует понимать потребителя в электрическом смысле, который отбирает именно электрическую мощность. То, каким образом он далее применяет электрическую мощность, является нерелевантным, хотя имеются предпочтительные потребители, как ниже будет описано дополнительно.
Предпочтительным образом контролируется или наблюдается по меньшей мере одно сетевое состояние электрической сети электроснабжения и/или ветер. В данном случае учитываются различные сетевые состояния, как дополнительно описано ниже. Однако контроль сетевого состояния по меньшей мере при оценке выходит за пределы того, что и так должно учитывать устройство ввода, а именно частота, фаза и амплитуда напряжения в сети, в частности в сетевой точке ввода, в которой устройство ввода энергии вводит электрическую мощность в сеть.
Затем в зависимости от этого по меньшей мере одного контролируемого сетевого состояния и/или в зависимости от ветра полностью или частично уменьшают подачу потребителю второй части выработанной электрической мощности и добавляют к первой части электрической мощности. Первая часть электрической мощности тем самым повышается на эту уменьшенную часть и соответственно повышается электрическая мощность, которая вводится в сеть электроснабжения.
Зависимое от ветра уменьшение может также быть реализовано тем, что вводимая мощность поддерживается постоянной. Вторая часть выработанной мощности может в этом случае зависеть от колебания общей выработанной электрической мощности. Информация о ветре включается тогда в информацию о выработанной электрической мощности.
В частности, предлагается уменьшение второй части, зависимое от сетевого состояния.
Если на основе по меньшей мере одного контролируемого сетевого состояния распознается или принимается, или ожидается, что предпочтительно повысить вводимую в сеть электрическую мощность, то это может простым способом осуществляться благодаря тому, что часть подаваемой потребителю электрической мощности направляется для ввода в сеть. В числе прочего это имеет преимущество, состоящее в том, что простым способом возможно быстрое предоставление в распоряжение дополнительной электрической мощности. При известных обстоятельствах может потребоваться подготовить электрического потребителя к тому, что неожиданным образом будет предоставляться меньше мощности или вообще больше не будет предоставляться мощности. Для этого потребитель может соответственно подготавливаться или выбираться.
Вместо сетевого состояния или дополнительно к сетевому состоянию предлагается контролировать состояние ветра, в частности силу ветра. В результате предлагается вводимую электрическую мощность, то есть первую часть выработанной электрической мощности, поддерживать по возможности постоянной, даже если для определенного состояния сети необходимо или целесообразно изменять амплитуду этой вводимой электрической мощности.
Предпочтительно электрическим потребителем является устройство преобразования для преобразования электрической мощности в другую форму энергии, в частности, потребителем является устройство преобразования, которое вырабатывает газ или жидкость в качестве энергоносителя. Например, посредством электролиза может вырабатываться водород. Кроме того, или в дополнение посредством процесса превращения в метан может генерироваться метан и вводиться в газовую сеть и/или в газовый коллектор. Таким образом, имеется потребитель, который может потреблять большое количество энергии в зависимости от размеров этого устройства преобразования и мощность которого может быть без затруднений снижена. Если входная мощность такого устройства преобразования снижается, то оно вырабатывает соответственно меньше газа или при известных условиях вообще не вырабатывает газа. Это состояние может в принципе продолжаться произвольно долго.
Снижение электрической мощности, подводимой к устройству преобразования, может осуществляться в кратчайшее время, например за несколько мс. Даже если устройство преобразования требует больше времени, чтобы снизить или отключить производство газа, для этого может быть предусмотрен соответствующий промежуточный накопитель.
Согласно одному варианту выполнения предложено, что из выработанной электрической мощности ветроэнергетической установки третья часть подается к электрическому накопителю. В принципе, хотя также возможно, что в этом случае вторая часть составляет значение 0, предпочтительно электрическая мощность согласно этому варианту выполнения должна распределяться на три части, которые могут иметь различные значения. При этом первая часть вводится в сеть электроснабжения, вторая часть применяется для потребителя, в частности устройства преобразования, и третья часть применяется для зарядки электрического накопителя.
В зависимости от по меньшей мере одного контролируемого сетевого состояния, в частности, когда исходят из соответствующей потребности сети электроснабжения или когда следует ее ожидать, электрическая мощность может отбираться из электрического накопителя и водиться в электрическую сеть электроснабжения. Дополнительно или альтернативно, также третья часть, которая применяется для зарядки накопителя энергии, изменяется в зависимости от одного или нескольких зарегистрированных релевантных сетевых состояний для ввода в сеть электроснабжения. Тем самым за короткое время веденная электрическая мощность повышается на вторую и третью часть, так что за очень короткое время переключение может осуществляться таким образом, что вся электрическая мощность, выработанная ветроэнергетической установкой или несколькими ветроэнергетическими установками, вводится в сеть электроснабжения. Чтобы сверх этого еще по меньшей мере кратковременно реализовать повышение мощности при вводе, может применяться электрическая энергия, накопленная промежуточным образом в электрическом накопителе, чтобы дополнительно повышать введенную мощность выше мощности, соответственно доступной в текущий момент посредством ветроэнергетической установки или соответственно ветроэнергетических установок.
Этот случай может быть предусмотрен, в частности, для кратковременных исключительных ситуаций. Такая исключительная ситуация может следовать из измерений в сети, или такая ситуация может быть известна заранее, например когда промышленная установка в известный момент времени подключает крупного потребителя и тем самым создает кратковременные пики потребления мощности.
Ясно, что ввод третьей части выработанной мощности в электрический накопитель не может осуществляться длительно с высокой мощностью. Предпочтительным образом электрический накопитель управляется таким образом, или соответственно третья часть выработанной электрической мощности регулируется таким образом, что электрический накопитель всегда заряжен полностью, чтобы сделать доступной по возможности больше резервной мощности. Электрический накопитель может также применяться для того, чтобы свою энергию предоставлять не только в исключительных ситуациях, но и чтобы в общем учитывать колебания потребления энергии в сети или колебания ветра.
Перенаправление второй части мощности или некоторой ее доли для ввода в сеть обеспечивает возможность особенно быстрого реагирования на скачкообразную потребность в мощности или даже в случае неисправности обеспечивает возможность стабилизации режима работы сети, если такому случаю неисправности можно противодействовать вводом повышенной мощности. Возможность очень быстрого перенаправления второй части мощности, в частности, обеспечивается за счет того, что необходимая электрическая мощность уже предоставлена в качестве электрической энергии.
Одновременно перенаправление этой второй части может осуществляться переменным образом так, что достигается непрерывный ввод электрической мощности в сеть. Иными словами, может достигаться то, что в электрическую сеть, несмотря на колебания ветра, вводится постоянная мощность. Тем самым возможно обеспечить непрерывный ввод энергии. Уже такой непрерывный режим предпочтительным образом может воздействовать на стабилизацию режима работы сети, потому что ввод осуществляется равномерно и тем самым, как следствие, могут предотвращаться неожиданные колебания. Иными словами, для ветроэнергетических установок можно исключить опасения, заключающиеся в том, что возникает проблема со стабильным режимом работы сети, потому что существует теоретическая опасность, что неожиданно нескоординированным образом очень многие ветроэнергетические установки вводят одновременно меньше мощности или одновременно больше мощности, что в экстремальном случае должно привести к коллапсу в сети. Хотя эти опасения - в зависимости от применяемых ветроэнергетических установок - могут быть безосновательными или же по меньшей мере представляют собой не настолько большую проблему, как это часто представляется, предложенное обеспечение непрерывного режима может исключить данные опасения.
Применение электрического накопителя может также способствовать такому непрерывному режиму и дополнительно увеличение вводимой мощности может превышать преобладающую мощность ветра и тем самым, в принципе, также номинальную мощность используемой ветроэнергетической установки или соответственно ветроэнергетических установок.
Контроль по меньшей мере одного сетевого состояния может представлять собой или включать в себя контроль частоты в электрической сети электроснабжения. Частота в сети электроснабжения может, в частности, представлять собой индикатор для потребности в мощности в сети. Если частота повышается относительно номинальной частоты, например, 50 Гц в европейской объединенной энергосистеме или 60 Гц в сети США, то это является индикатором для превышения предложения над спросом мощности в сети. Если частота снижается, в частности, ниже номинальной частоты в сети, то это является индикатором превышения спроса над предложением электрической мощности в сети. Предпочтительно, предлагается вторую и/или третью часть мощности полностью или частично перенаправлять для ввода в зависимости от снижения частоты в сети ниже предопределенного предельного значения.
Предпочтительно или дополнительно, напряжение в электрической сети электроснабжения может контролироваться, в частности, по его амплитуде. В частности, в данном случае применяется амплитуда действующего значения напряжения или подобного характерного значения напряжения. В частности, описываемое полное или частичное перенаправление второй и/или третьей части мощности может ставиться в зависимость от того, спадает ли напряжение в электрической сети электроснабжения ниже предопределенного предельного значения напряжения.
Описанное перенаправление может также количественно зависеть от контролируемого сетевого состояния. Предпочтительно, тем больше мощности перенаправляется для ввода, чем больше частота в электрической сети электроснабжения, а именно так называемая сетевая частота, спадает ниже предопределенного предельного значения. Особенно предпочтительно, тем больше электрической мощности перенаправляется для ввода, чем больше напряжение в электрической сети электроснабжения, а именно так называемое сетевое напряжение, спадает ниже предопределенного предельного значения напряжения. Как в описанном зависимом от частоты предложении, так и в описанном зависимом от напряжения предложении, перенаправление мощности может линейно увеличиваться при далее снижающейся частоте или соответственно далее снижающемся напряжении до предельного значения.
Предпочтительно или соответственно дополнительно, сетевое состояние контролируется тем, что оценивается внешний сигнал. Такой внешний сигнал является, в частности, сигналом, который передает оператор сети электроснабжения, так называемый сетевой оператор. Тем самым могут, например, совместно учитываться другие параметры других производителей в сети. За счет этого можно, в частности, избежать того, что несколько производителей в сети, из которых устройство ввода энергии может образовать одного производителя, в отношении их регулирования работают несогласованным образом. Кроме того, с учетом сигнала сетевого оператора также можно учесть будущее событие, например планируемое подключение или отключение производителя или потребителя.
Кроме того, предпочтительно или дополнительно предлагается, что для контроля по меньшей мере одного сетевого состояния определяется текущая потребность в электрической мощности сети электроснабжения, в частности превышение спроса над предложением, то есть потребность больше, чем соответственно предоставляется в текущий момент производителями в сети электроснабжения. Как описано, это может осуществляться с помощью контроля частоты. Другие возможности состоят в том, что выполняются конкретные измерения потребления, которые полностью или частично могут проводиться самими потребителями. В частности, при этом учитывается возможность того, что в будущем потребители и производители сети могут быть интенсивнее информационно-технически объединены в сеть и соответственно смогут планировать и также сообщать о своей потребности или соответственно о своем предложении. Такие информационные данные могут оцениваться устройством ввода энергии. Но предпочтительно исходят из того, что для групп потребителей или всех потребителей осуществляется предварительная оценка, и только результат такой оценки в качестве потребности передается на устройство ввода энергии и соответственно может учитываться в качестве сетевого состояния.
Кроме того, предпочтительно предлагается, чтобы в качестве сетевого состояния контролировать изменение частоты электрической сети электроснабжения, то есть контролировать изменение сетевой частоты. В частности, быстрое или нежелательно быстрое изменение сетевой частоты может быть индикатором не только превышения спроса над предложением или предложения над спросом, но и опасного критического сетевого состояния. Например, быстро спадающая сетевая частота может быть индикатором критического повышения потребности в мощности в сети. В частности, быстрое падение сетевой частоты может вызвать необходимость быстрого перенаправления мощности для ввода. Например, посредством переключения вторая часть выработанной мощности и/или третья часть выработанной мощности может немедленно и полностью предоставляться для ввода. Тем самым в кратчайшее время предоставляется для ввода значительная доля дополнительной мощности, которая к тому же может вводиться продолжительно.
Предпочтительным образом, задается и предлагается предельное значение для изменения частоты, чтобы перенаправление второй и/или третьей части выработанной электрической мощности для ввода в сеть электроснабжения начиналось в том случае, когда отрицательное изменение частоты, то есть при снижении частоты ниже этого предельного значения, а именно когда его величина превысит величину этого предельного значения.
Предпочтительным образом, два или более из этих не исключительно названных предложений для контроля сетевых состояний могут комбинироваться. Например, предлагается, что определенное снижение частоты может еще быть допустимым, если абсолютное значение частоты является все еще высоким, в частности выше номинального значения, в частности выше номинальной частоты. Если сетевая частота составляет это номинальное значение, в частности номинальную частоту, или лежит ниже ее, то снижение частоты может привести к инициированию описанного перенаправления мощности для ввода. Также оценка сетевого напряжения и/или оценка сетевой частоты, и/или оценка изменения сетевой частоты могут привести к различным результатам для перенаправления мощности, например, в зависимости от того, уведомляет ли сетевой оператор посредством сигнала о соответствующих мерах противодействия, с помощью которых уже устраняют предполагаемую распознанную проблему. К другому результату может привести оценка, если сетевой оператор передает сигнал, который мог бы еще привести к увеличению распознанной проблемы. Также учет особенно актуального анализа потребностей потребителей может повлиять на результат оценки сетевого состояния. Если, например, известно, что крупный потребитель отключается от сети, то можно сначала воздержаться от дополнительного ввода электрической мощности.
Согласно оному из вариантов выполнения предлагается, что подаваемая потребителю вторая часть выработанной электрической мощности полностью добавляется к первой части электрической мощности, вводимой в электрическую сеть электроснабжения, в частности, так, что вторая часть выработанной электрической мощности посредством процесса переключения перенаправляется таким образом, что вместе с первой частью она предоставляется для ввода в электрическую сеть электроснабжения. Дополнительно или альтернативно, подаваемая в электрический накопитель третья часть выработанной электрической мощности может добавляться к первой части электрической мощности, вводимой в электрическую сеть электроснабжения.
Предпочтительным образом, полное или частичное перенаправление второй и/или третьей части электрической мощности осуществляется так, что мощность вводится в промежуточный контур постоянного напряжения инвертора, который по существу выполняет ввод энергии в электрическую сеть. Предпочтительным образом, устройство ввода энергии в основном выполнено таким образом, что ветроэнергетическая установка генерирует электрическую мощность, которая выпрямляется и предоставляется в качестве постоянного напряжения. Это постоянное напряжение сначала распределяется на первую, вторую и/или третью часть мощности. Первая часть мощности в этом варианте выполнения, а именно как постоянное напряжение, предоставляется в промежуточный контур постоянного напряжения, и инвертор генерирует вводимую мощность в соответствии с частотой, фазой и амплитудой.
Если теперь вторая и/или третья часть мощности перенаправляется для ввода, то это осуществляется в принципе так, что соответствующая часть от общей электрической мощности ветроэнергетической установки, предоставленной как постоянное напряжение, больше не отбирается или неполностью отбирается и таким образом непосредственно предоставляется в промежуточный контур постоянного напряжения и может вводиться в сеть. Иными словами, согласно одному из вариантов выполнения предлагается, что перенаправление второй и/или третьей части электрической мощности осуществляется просто за счет того, что эта вторая и третья часть больше не отбирается, а напротив, общая электрическая мощность, предоставленная ветроэнергетической установкой, непосредственно полностью перенаправляется в промежуточный контур постоянного напряжения и предоставляется для ввода в сеть.
Тем самым очевидно, что повышение вводимой электрической мощности может осуществляться спонтанно и просто, потому что питающий выпрямитель продолжает работать в нормальном режиме, только сразу же больше электрической мощности предоставляется для ввода. Нужно принять меры только в том отношении, что инвертор, который может также быть образован из нескольких отдельных инверторов, соединенных предпочтительно через промежуточный контур постоянного напряжения, должен быть рассчитан на ввод всей мощности, максимально вырабатываемой ветроэнергетической установкой или ветроэнергетическими установками.
Кроме того, предусмотрено устройство ввода энергии, предназначенное для ввода электрической мощности в электрическую сеть электроснабжения согласно пункту 7 формулы изобретения. Это устройство ввода энергии содержит по меньшей мере одну ветроэнергетическую установку для генерации электрической мощности, по меньшей мере одно средство ввода энергии, предназначенное для ввода по меньшей мере первой части электрической мощности, выработанной ветроэнергетической установкой, в частности инвертор, электрический потребитель для потребления по меньшей мере второй части электрической мощности, выработанной ветроэнергетической установкой, и устройство управления для управления устройством ввода энергии и, в частности, также для управления потоком мощности.
Устройство управления подготовлено для осуществления способа согласно по меньшей мере одного из вышеописанных вариантов выполнения. Такая подготовка к реализации способа управления может состоять в том, что устройство управления связано с инвертором и устройством переключения или направления. В частности, устройство управления может управлять устройством переключения или перенаправления таким образом, что по выбору вторая часть выработанной электрической мощности полностью или частично от по меньшей мере одной ветроэнергетической установки направляется к потребителю или к инвертору. Предпочтительным образом устройство управления содержит соответствующий блок оценки, который полностью или частично может являться частью общей управляющей программы и который соответственно выполняет оценку по меньшей мере одного сетевого состояния.
Предпочтительным образом электрический потребитель является устройством преобразования для преобразования электрической мощности, а именно второй подаваемой на него части электрической мощности, в другую форму энергии. В частности, в качестве такого электрического потребителя предлагается устройство преобразования, которое вырабатывает газ, например водород и/или метан, или жидкость с помощью подаваемой на него электрической мощности.
Согласно другому варианту выполнения предлагается, что устройство ввода энергии имеет электрический накопитель для накопления третьей части электрической мощности, выработанной ветроэнергетической установкой, и/или что устройство ввода энергии имеет инвертор с промежуточным контуром постоянного напряжения, который по существу выполняет ввод первой части электрической мощности и тем самым при известных обстоятельствах, общей электрической мощности, выработанной ветроэнергетической установкой, в электрическую сеть электроснабжения. Разумеется, для ввода энергии могут предусматриваться дополнительные компоненты, такие как, например, сетевые дроссели, что является очевидным для специалиста в данной области техники.
Кроме того, предложен ветроэнергоцентр, который содержит несколько ветроэнергетических установок и устройство ввода энергии согласно одному из вышеописанных примеров выполнения. Ветроэнергоцентр содержит, таким образом, несколько ветроэнергетических установок, по меньшей мере одно средство ввода энергии, такое как инвертор, и потребитель, в частности устройство преобразования. С помощью такого ветроэнергоцентра может таким образом генерироваться большое количество электрической мощности. В зависимости от количества и размеров ветроэнергетических установок ветроэнергоцентр в целом может достигать масштаба крупной электростанции. Он эксплуатируется предпочтительным образом в комбинации с соответственно крупным потребителем, в частности устройством преобразования, которое может отбирать большую долю выработанной электрической мощности, предпочтительно более 5% от номинальной мощности ветроэнергоцентра, более 10%, более 20% или предпочтительно более 50% от номинальной мощности ветроэнергоцентра, в частности, для производства газа, такого как водород или метан.
Как в связи с предложенным ветроэнергоцентром, так и в связи с только одной или несколькими ветроэнергетическими установками, следует сослаться на то, что хотя желательно, что устройство преобразования преобразует поданную вторую часть электрической мощности по возможности без потерь в другой энергоноситель, такой как водород или метан, однако основная идея изобретения не зависит от этого. При этом следует учитывать, что в настоящее время стабильная работа сети приобретает важное значение, которое оправдывает некоторые потери выработанной электрической мощности. К тому же устройство преобразования эксплуатируется в особенности тогда, когда в сети существует лишь невысокая потребность в электрической мощности, то есть, например, ночью. Такая невысокая потребность в мощности приводит, однако, как правило, также к меньшей стоимости электроэнергии, так что преобразование с низким кпд в периоды низкой стоимости электроэнергии, несмотря на это, может привести к положительному результату в целом, если обратное преобразование другой формы энергии осуществляется в периоды высокой потребности и тем самым высокой стоимости электроэнергии. Или если энергия вновь предоставляется по ценам, которые высоки, так что возможные потери из-за низкого кпд тем самым снижаются или, в оптимальном случае, не возникают.
Однако особенно важно, что в случае потребности в мощности в сети, в частности в случае быстрого или даже скачкообразного повышения потребности в мощности в сети, согласно изобретению обеспечивается возможность немедленного повышения вводимой мощности.
Изобретение поясняется далее более подробно на примерах выполнения со ссылками на приложенные чертежи, на которых показано:
Фиг. 1 - схематичное представление ветроэнергетической установки,
Фиг. 2 - схематичное представление устройства ввода энергии в упрощенном виде,
Фиг. 3 - диаграмма для наглядной иллюстрации распределения мощности.
На Фиг. 1 показана ветроэнергетическая установка 100 с башней 102 и гондолой 104. На гондоле 104 размещен ротор 106 с тремя роторными лопастями 108 и обтекателем 110. Ротор 106 в процессе работы приводится ветром во вращательное движение и тем самым приводит в действие генератор в гондоле 104.
На Фиг. 2 показано устройство 1 ввода энергии с ветроэнергетической установкой 2, средством 4 ввода энергии, электрическим потребителем 6, который на данной фиг. выполнен как устройство 6 преобразования, электрическим накопителем 8 и устройством 10 управления, которое на данной фиг. представлено как микроконтроллер 10.
В процессе работы согласно одному режиму работы, при котором имеет место достаточный ветер, ветроэнергетическая установка 2 генерирует посредством генератора 12, который приводится в действие ветром с помощью аэродинамического ротора 14, электрическое переменное напряжение. Это выработанное переменное напряжение подается на выпрямитель 16, который вырабатывает из него постоянное напряжение, которое подается в распределительный блок 18. Этот распределительный блок 18 следует понимать, в частности, как символическое представление описываемого далее распределения мощности. В практической реализации распределение мощности, которое должно быть наглядно представлено этим распределительным блоком 18, может обходиться и без физического воплощения такого распределительного блока 18.
0
0
1
2
3
0
1
2
3
1
2
3
1
2
3
Во всяком случае фиг. 2 иллюстрирует с помощью распределительного блока 18, что на него сначала подается общая выработанная ветроэнергетической установкой 2 электрическая мощность. Возможными потерями, которые могут возникать, например, в выпрямителе 16, в данном случае пренебрегают. Таким образом, на входе 20 распределения в распоряжение предоставлена общая выработанная электрическая мощность Р ветроэнергетической установки 2. Эта общая электрическая мощность Р распределяется затем на первую часть или соответственно первую частичную мощность Р, вторую часть или соответственно вторую частичную мощность Р и третью часть или соответственно третью частичную мощность Р. Соответственно, справедливо уравнение Р=Р+Р+Р. Сначала исходим из того, что первая, вторая и третья частичные мощности Р, Р и Р соответственно не равны 0, и соответственно символически показанные соотнесенные с соответствующей частичной мощностью первый, второй и третий частичные переключатели S, S и S замкнуты.
1
Таким образом, первая частичная мощность Р подается на средство 4 ввода энергии, а именно инвертор 4. Инвертор 4 генерирует при этом соответствующий переменный ток для ввода в электрическую сеть 22 электроснабжения, которая далее упрощенно также обозначается как сеть 22. В показанном примере на фиг. 2 также обозначен трансформатор 24, который может преобразовывать выработанное инвертором 4 переменное напряжение в более высокое значение напряжения, если, например, осуществляется ввод электроэнергии в сеть среднего напряжения. Этот трансформатор 24 не является в данном примере существенным, а только иллюстрирует то, что устройство 1 ввода энергии и тем самым ветроэнергетическая установка 2 могут вводить электроэнергию не только в сеть низкого напряжения, которая, как правило, является малой сетью, но и, например, в сеть среднего напряжения и тем самым в соответственно большую сеть. В принципе может рассматриваться и ввод электроэнергии в сеть высокого напряжения, в частности, в том случае, когда предусмотрен ветроэнергоцентр с высокой мощностью, а также в зависимости от заданной сетевой топологии в месте установки.
2
Вторая частичная мощность Р подается на устройство 6 преобразования, которое таким образом может вырабатывать или соответственно преобразовывать газ, который может вводиться в газовую сеть и т.п. В качестве иллюстрации этого показана газовая сеть или газопровод 26, обозначенный как GAS-L, и газовый коллектор или газовый резервуар 28, обозначенный как GAS-T. В принципе газовый коллектор или множество газовых коллекторов могут быть частью газовой сети 26.
3
3
1
2
Третья частичная мощность Р подается на электрический накопитель 8, чтобы зарядить его. Электрический накопитель 8 в данном случае символически изображен как аккумулятор батареи, который может иметь несколько наборов накопителей. Но также могут рассматриваться и другие накопители, такие как батареи конденсаторов, которые могут быть предусмотрены по меньшей мере дополнительно. Третья частичная мощность Р может также в принципе становиться отрицательной, соответственно этому энергия отбирается от электрического накопителя 8. Это иллюстрируется двойной стрелкой 30, в то время как простая стрелка 32 как для первой мощности Р, так и для второй мощности Р иллюстрирует, что мощность течет, соответственно, только к инвертору 4 или соответственно к устройству 6 преобразования, хотя устройство 6 преобразования в принципе также может быть выполнено как двунаправленное.
Инвертор 4 к тому же предпочтительно может работать в FACTS-системе и/или может выполнять задачи STATCOM. Оба эти сокращения известны в области сетевой техники и обозначают следующее:
FACTS: гибкая система передачи переменного тока
STATCOM: статический синхронный компенсатор
Таким образом, инвертор 4 предназначен для того, чтобы не только электрическую мощность вводить в электрическую сеть 22 электроснабжения, но и также оказывать качественное влияние, в частности, путем оказания влияния на фазовый угол вводимой мощности. В данной связи также следует упомянуть, что настоящее изобретение в принципе исходит из электрической сети электроснабжения, которая не является изолированной сетью. Для изолированных сетей существуют особые условия, в частности, в отношении задания частоты и индикаторов, а также возможностей воздействия на стабилизацию режима работы сети.
1
2
3
1
2
3
Для управления инвертором 4, устройством 6 преобразования, электрическим накопителем 8 и распределительным блоком 18 или его функциональностью, предусмотрено устройство 10 управления. При этом устройство 10 управления обеспечивает вышестоящее управление, которое, в частности, инвертору 4, устройству 6 преобразования и электрическому накопителю 8 задает цели регулирования или соответственно управления вышестоящего уровня, в частности, относительно распределения мощности. В частности, конкретное значение первой частичной мощности Р, второй частичной мощности Р и третьей частичной мощности Р может, соответственно, реализовываться внутренним средством управления или регулирования инвертора 4, устройства 6 преобразования и электрического накопителя 8. Распределительный блок 18 может, при необходимости, управлять положением переключения трех переключателей S, S и S.
Для этого вышестоящего управления устройство 10 управления может применять управляющие линии 34 или 36. На фиг. 2 первая управляющая линия 34 доходит до распределительного блока 18, а вторая управляющая линия 36 доходит до инвертора 4 и оттуда проходит к устройству 6 преобразования и электрическому накопителю 8. Конкретная топология управляющих линий может, в принципе, быть реализована любым образом и в остальном известным способом с применением известных топологий.
Для регистрации по меньшей мере одного сетевого состояния сети 22 электроснабжения предусмотрена линия 38 передачи сетевых данных, через которую устройство управления получает, например, информационные данные, такие как частота и напряжение для сетевого напряжения сети 22. Через линию 40 передачи входных данных на устройство 10 управления могут подаваться дополнительные данные, в частности данные от внешнего блока, например сетевого оператора или центрального блока оценки для оценивания текущей потребности потребителя. В качестве иллюстрации для такого и других внешних блоков оценки показан блок 42, обозначенный посредством EXT как соответствующий внешнему блоку.
В принципе, первая и вторая управляющие линии 34, 36, линия 38 передачи сетевых данных и линия 40 передачи входных данных передают различные сигналы и устройство 10 управления может посредством них принимать и передавать сигналы. При этом первичным направлением информационных данных первой и второй управляющих линий 34, 36 является направление от устройства 10 управления к соответственно подключенным устройствам, а именно инвертору 4, устройству 6 преобразования, электрическому накопителю 8 и распределительному блоку 18. В случае линии 38 передачи сетевых данных и линии 40 передачи данных ввода направлением информационных данных является, в частности, направление к устройству 10 управления. Но также могут информационные данные подаваться, например, от инвертора 4 к устройству 10 управления. Эти информационные данные могут представлять собой как конкретные состояния инвертора 4, так и, при необходимости, сетевые данные, если инвертор 4 сам имеет соответствующие средства измерений сетевых состояний, что здесь упоминается для полноты описания.
1
2
3
2
3
Если же устройство 10 управления устанавливает, что имеет место потребность в перенаправлении мощности, то есть в изменении распределения мощности на частичные мощности Р, Р и Р, то прежде всего существует возможность выдать эти сетевые информационные данные или соответственно соответствующие управляющие команды на соответствующие блоки, а именно инвертор 4, устройство 6 преобразования, электрический накопитель 8 и распределительный блок 18. В зависимости от этого устройство 6 преобразования может снизить свою мощность, так что вторая частичная мощность Р уменьшается при необходимости до 0. Соответственно, электрический накопитель 8 может снизить свое потребление мощности, а именно снизить отбор третьей частичной мощности Р, и при необходимости реверсировать, так что электрический накопитель отдает свою мощность.
2
2
3
1
Другой, или дополнительный, вариант состоит в том, что распределительный блок 18 размыкает второй переключатель S и затем немедленно снижает вторую частичную мощность Р до 0. Также может размыкаться третий переключатель S, чтобы мощность, которая подается на электрический накопитель 8, также немедленно снизить до 0. Понятно, что первый переключатель S при этом остается замкнутым.
3
Чтобы предоставить дополнительную энергию для ввода из электрического накопителя, третий переключатель S может быть снова замкнут. Относительно электрического накопителя следует упомянуть, что он в текущем режиме работы, в противоположность устройству 6 преобразования, в принципе не потребляет мощности или потребляет мало мощности в непрерывном режиме работы, при этом электрический накопитель, в конечном счете, может потреблять мощность лишь до тех пор, пока он не будет заряжен до своего максимума.
3
3
Электрическое устройство 6 преобразования имеет таким образом другое назначение по сравнению с электрическим накопителем 8 и поэтому предлагается соответствующее управление. В соответствии с этим способ функционирования в основном может быть описан на основе концепции, в которой сначала не учитывается электрический накопитель 8. При таком рассмотрении третий переключатель S был бы разомкнут, а третья частичная мощность Р=0.
2
0
1
0
0
1
Устройство 6 преобразования работает предпочтительно в непрерывном режиме работы, при этом оно потребляет, например, около 50% электрической мощности, выработанной ветроэнергетической установкой 2, и непрерывно вырабатывает газ или другой энергоноситель. В этом примере вторая частичная мощность Р составляет таким образом 50% от общей предоставленной электрической мощности Р. Соответственно, тогда также первая частичная мощность Р равна 50% от общей мощности Р. Если в качестве упрощения исходить - даже если это в зависимости от места установки ветроэнергетической установки 2 является редким случаем - из номинального ветра и тем самым номинальной мощности, то ветроэнергетическая установка 2 мощностью 2 МВт может, например, предоставить мощность Р, равную 2 МВт, из которой 1 МВт в качестве первой частичной мощности Р вводится инвертором 4 в сеть 22. Одновременно устройство 6 преобразования получает 1 МВт для выработки газа. С точки зрения электрической сети 22 электроснабжения, в соответствии с этим имеется ветроэнергетическая установка мощностью 1 МВт, которая вводит энергию в сеть.
Если теперь потребность в мощности в сети 22 внезапно или постепенно увеличивается, то этот источник тока мощностью 1 МВт может повысить свою мощность, а именно в данном примере вплоть до 2 МВт. На самом деле не происходит никакого повышения мощности, потому что ветроэнергетическая установка, как и прежде, вырабатывает 2 МВт, но с точки зрения сети происходит повышение мощности. Это повышение мощности может при этом осуществляться продолжительно, например в течение нескольких секунд, нескольких минут, нескольких часов, дней или недель, так как устройство 6 преобразования проектируется таким образом, что можно в любой момент отказаться от производства газа или другого продукта или его в любое время можно снизить.
Кроме того, инвертор 4 может продолжать вводить в сеть 22 упомянутую в качестве примера мощность 1 МВт, если скорость ветра снижается. В упомянутом примере скорость ветра может снизиться настолько, что ветроэнергетическая установка 2 вырабатывает только половину номинальной мощности, а именно 1 МВт. В этом случае инвертором 4 может по-прежнему вводиться в сеть 22 мощность 1 МВт, если к устройству 6 преобразования в этом случае больше не подводится мощность.
Для этого может дополнительно применяться электрический накопитель 8, который, в частности, предназначен для того, чтобы в течение сравнительно короткого временного интервала, в зависимости от размера емкости накопителя, дополнительно предоставлять электрическую мощность для ввода в сеть.
0
1
2
3
1
Описанный принцип может быть реализован особенно просто за счет того, что распределение мощности, а именно распределение общей мощности Р на первую, вторую и третью частичную мощность Р, Р и Р осуществляется на уровне постоянного напряжения и, в частности, добавляется инвертору непосредственно в его промежуточный контур постоянного напряжения. Изменение первой частичной мощности Р, которая таким образом непосредственно подается в промежуточный контур постоянного напряжения инвертора 4, можно в принципе заметить только из-за того, что ток, протекающий в промежуточном контуре постоянного напряжения, увеличивается. Напряжение промежуточного контура постоянного напряжения может оставаться по существу неизменным.
Диаграмма на фиг. 3 иллюстрирует характеристики мощности Р за время t. На данной диаграмме для примера исходят из устройства ввода энергии, которое включает в себя ветроэнергетическую установку WEA и потребитель, а именно, устройство преобразования для выработки метана. Электрический накопитель для рассматриваемого в данном примере варианта выполнения не предусмотрен или не учитывается.
WEA
WEA
Net
Meth
x
Net
Meth
Net
Net
WEA
Net
Net
В основу диаграммы положена ситуация, при которой ветроэнергетическая установка вырабатывает по существу постоянную мощность P. Из этой мощности P, прежде всего первая часть P, вводится в электрическую сеть электроснабжения, а оставшаяся вторая часть Pподается на устройство преобразования. При этом потери не учитываются. К моменту времени t неожиданно возникает повышенный спрос на вводимую в сеть мощность P и за счет этого вторая часть P снижается, в частности, в показанном примере до нуля, так что эта часть может добавляться к вводимой мощности P. P, соответственно повышается и возрастает до значения вырабатываемой мощности P. Таким образом, вводимая мощность P посредством предложенного способа может скачкообразно повыситься до этого более высокого значения. Эта повышенная мощность P может также продолжительно поддерживаться, пока имеет место достаточный ветер.