Вітроенергетична установка і спосіб введення електричної енергії

Реферат: Винахід стосується способу введення електричної енергії в електричну трифазну мережу (8), що містить етапи: введення електричного струму за допомогою блока (2) введення енергії в точці (60) підключення до мережі, реєстрація асиметрії в мережі (8) електроживлення, зокрема, компоненти системи зворотної послідовності в мережі (8) електроживлення, введення в мережу (8) електроживлення асиметричної складової струму для щонайменше часткової компенсації зареєстрованої асиметрії, причому введення асиметричної складової струму здійснюється таким чином, що блок (2) введення енергії для цього функціонує як споживач. UA 115999 C2 (12) UA 115999 C2 UA 115999 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Даний винахід стосується способу введення електричної енергії, а також пристрою, зокрема, вітроенергетичної установки для виконання такого введення енергії. У електричні мережі електроживлення, які також можуть далі позначатися просто як електричні мережі, в цей час все більше введення енергії здійснюється за допомогою відновлюваних джерел енергії, таких як вітроенергетичні установки або відповідно вітроенергоцентри, які мають інший електричний режим порівняно зі звичайними великими електростанціями, які для введення енергії застосовують щонайменше один великий генератор. Таким чином, все більше такі великі генератори замінюються іншими блоками введення енергії, такими як перетворювачі постійного струму в змінний (інвертори). Це позначається в даній галузі техніки як заміщення. Особливо в країнах, таких як Німеччина, спостерігається порівняно високий ступінь заміщення, так що порівняно багато генераторів замінюються іншими блоками введення енергії. Це може мати важливі наслідки для мережі електроживлення. Зокрема, є побоювання, що можливі симетруючі впливи за допомогою попередніх генераторів, що підводять енергію, при підвищенні заміщення будуть втрачені або щонайменше ослаблені. З цієї причини запропонована Європейська мережна директива ENTSO-Е передбачає, що мережні оператори можуть запитувати асиметричне введення електроживлення. Поняття симетрії або відповідно асиметрії в цьому випадку стосується співвідношення трьох фаз трифазної мережі електроживлення одна відносно одної. Зокрема, у випадку асиметричного порушення в мережі електроживлення, такого, як коротке замикання між двома фазами або коротке замикання однієї фази на землю, передбачається здійснювати по можливості компенсуюче введення енергії. При цьому, зокрема, виходять з порушення в тому випадку, якщо фактична напруга в мережі в щонайменше одній фазі відхиляється від її заданого значення і/або від її номінального значення більше, ніж на 10 %. У цьому відношенні існують найближчі задачі, які, можливо, можуть бути такими, що йдуть недостатньо далеко. Німецьке відомство з патентів і товарних знаках в результаті пошуку по пріоритетній заявці вказало наступні документи попереднього рівня техніки: DE 10 2006 054 870 A1; US 7 423 412 B2; ANDERSSON, G.: Elektrische Energiesysteme-Vorlesungsteil Energieubertragung, S. 127-147, EEH-Power Systems Laboratory, ETH Zurich, September 2009; Symmetrische Komponenten, in Wikipedia, Die freie Enzyklopadie, Version 23.04.2012, URL: http://de.wikipedia.org/w/index.php?title=Symmetrische_Komponenten&oldid=102361863 [знайдено 29.07.2012]. В основі даного винаходу, таким чином, лежить задача вирішити щонайменше одну з вищезазначених проблем. Зокрема, повинно бути запропоноване рішення, яке поліпшує якість мережі або щонайменше сприяє тому, що якість мережі не зменшується або не значно зменшується. Щонайменше повинно бути запропоноване рішення, альтернативне раніше відомим концепціям. Відповідно до винаходу запропонований спосіб введення електричної енергії в електричну, трифазну мережу електроживлення згідно з пунктом 1 формули винаходу. Відповідно до цього електричний струм за допомогою блока введення енергії в точці підключення до мережі вводиться в трифазну мережу. Далі, реєструється асиметрія мережі електроживлення, що може бути зроблено, зокрема, за допомогою реєстрації компоненти системи зворотної послідовності. Як реакція на це в мережу електроживлення вводиться асиметрична складова струму, щоб тим самим щонайменше частково компенсувати зареєстровану асиметрію. При цьому передбачається, що введення цієї асиметричної складової струму здійснюється таким чином, що блок введення енергії в діапазоні так званої системи зворотної послідовності (eng. negative sequence) поводиться як споживач. Цілеспрямоване введення асиметричної складової струму, тобто цілеспрямоване асиметричне введення, здійснюється при цьому через відповідне визначення цього споживача. В основі цього рішення лежить ідея, яка полягає в тому, що режим роботи блока введення енергії розуміється як частина мережі електроживлення і враховується в загальному режимі роботи мережі електроживлення. Переважно, споживач описується як імпеданс Z- і визначається за допомогою наступного рівняння: Імпеданс Z , таким чином, описується величиною номінального імпедансу Zn, фазовим кутом φ регулювання і скалярним регулювальним коефіцієнтом k . 1 UA 115999 C2 Величина номінального імпедансу Zn може бути визначена за допомогою наступного рівняння: 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Відповідно до цього вказана величина імпедансу Zn обчислюється з мережної напруги Vn, яка в даному рівнянні входить в квадратичній формі в чисельник, і з введеної уявної (повної) потужності Sn, яка в даному рівнянні входить в знаменник частки. Суто передбачливо відмічається те, що Zn для кращої наочності тут позначається як величина номінального імпедансу. Фактично величина імпедансу Z залежить також від регулювального коефіцієнта k і фазового кута φ регулювання. Через регулювальний коефіцієнт k і фазовий кут φ регулювання, таким чином, може встановлюватися величина негативного імпедансу і, тим самим, задаватися залежно від потреби. Крім того, пропонується задавати фазовий кут регулювання залежно від потреби. Тим самим, не зупиняються на тому, щоб передбачати, наприклад, виключно реактивність, і отже, імпеданс з фазовим кутом регулювання 90° або відповідно -90°, при цьому додатково до амплітуди залежно від потреби встановлюється також кут. Згідно з однією формою виконання, пропонується, що регулювальний коефіцієнт k і фазовий кут φ регулювання імпедансу регулюється залежно від щонайменше однієї мережної властивості. Задання або відповідно установка цього імпедансу орієнтується, таким чином, не тільки на поточні стани в мережі електроживлення, яка в основному спрощено також позначається мережею, але також враховує мережні властивості, тобто властивості мережі електроживлення. Рівень напруги в мережі, присутня асиметрія або несправність в мережі є прикладами мережних станів. Відношення реактивного опору до активного опору мережі електроживлення, яке також позначається як відношення X/R, є прикладом мережної властивості. Ці й інші мережні властивості потрібно розглядати, зокрема, відносно точки підключення до мережі. Тим самим такі мережні властивості є регулярно також залежними від географічного розташування точки підключення до мережі, щонайменше відносно мережі електроживлення, що розглядається. Тому пропонується, крім розгляду поточних мережних станів, також спільно використовувати мережні властивості. Переважно, фазовий кут φ регулювання встановлюється в діапазоні 0°-90°, причому він встановлюється тим більшим, що більше в точці підключення до мережі відношення реактивного опору до активного опору мережі електроживлення, тобто, що більше відношення X/R. При великому відношенні X/R, наприклад, в діапазоні 10-15, фазовий кут φ регулювання може бути встановлений близьким до 90°. Якщо це відношення менше і має, наприклад, значення близько 2, тільки як приклад, то пропонується встановлення в діапазоні 50°-60°. У доповнення до станів в мережі, таким чином, може спільно враховуватися ця мережна властивість, яка також може бути мережною характеристикою. Переважно, еквівалентна схема мережі електроживлення для точки введення енергії створюється і використовується як основа для регулювання споживача, зокрема, імпедансу. Зокрема, фазовий кут φ регулювання і/або регулювальний коефіцієнт k встановлюються залежно від одержаної еквівалентної схеми. Така еквівалентна схема, яка повинна відображати, зокрема, відповідні мережні властивості, може створюватися в точці підключення до мережі або відносно точки підключення до мережі однократно або щонайменше рідко. Ця еквівалентна схема, яка відтворює мережні властивості, не підлягає, таким чином, як описані мережні властивості, ніяким змінам або підлягає лише незначним змінам. Щонайменше мережні властивості змінюються принципово рідше або повільніше, ніж мережні стани. Переважно, асиметрія мережі електроживлення виявляється тим, що реєструється або відповідно визначається мережна компонента системи зворотної послідовності електричної напруги в мережі електроживлення. Таким чином, напруги трьох фаз реєструються і розкладаються за допомогою методу симетричних компонент на систему прямої послідовності і систему зворотної послідовності. Для повноти зазначається, що систему нульової послідовності, яка також включена в теорію методу симетричних компонент, можна на регулярній основі не враховувати. Асиметрія може, таким чином, враховуватися в простій формі через розгляд компоненти системи зворотної послідовності. Крім того, або в доповнення, відповідно до однієї форми виконання, пропонується, що асиметрична складова струму задається або вводиться як компонента системи зворотної послідовності. Таким чином, компонента системи зворотної послідовності використовується не тільки для вимірювання, а також і для конкретного введення енергії або щонайменше задається для введення енергії. 2 UA 115999 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 Переважно як блок введення енергії використовується інвертор. Щонайменше блок введення енергії містить такий інвертор і застосовує його також відповідно для введення енергії. За допомогою такого блока введення енергії забезпечується можливість вводити електричну енергію, вироблену регенеративним чином, в мережу електроживлення з урахуванням мережних вимог. За допомогою такого інвертора струм, що вводиться, в принципі може динамічно встановлюватися будь-яким за величиною, частотою і фазою. Це дозволяє інвертору як блоку введення енергії задавати бажаний режим як споживач або відповідно імпеданс як властивість. Переважно, запропонований спосіб також включає в себе перевірку чи присутнє асиметричне мережне порушення в мережі електроживлення. Асиметричне введення енергії, як воно описане в щонайменше одній з вищезазначених форм виконання, пропонується при цьому для того випадку, коли асиметричне мережне порушення не було зареєстроване. Блок введення енергії повинен тоді поводитися як споживач, зокрема, імпеданс, якщо нема ніякого асиметричного мережного порушення. Ці описані способи, таким чином, зокрема, передбачені, щоб брати до уваги, зокрема, поліпшувати якість мережі в нормальному режимі роботи електричної мережі електроживлення. Згідно з однією формою виконання, введення енергії здійснюється в мережу середньої напруги, і для цього фазовий кут φ регулювання встановлюється на значення в діапазоні 40°70°, зокрема, 50°-60°. Зокрема, для мереж середньої напруги, доводиться розраховувати на порівняно мале відношення X/R, яке може знаходитися, наприклад, в діапазоні 2. Таким чином, пропонується встановлювати відповідний імпеданс, який за рахунок згаданого фазового кута регулювання краще узгоджений з властивістю такої мережі середньої напруги, ніж при застосуванні іншого фазового кута регулювання, зокрема, більшого фазового кута регулювання. Крім того, запропонована вітроенергетична установка для введення електричної енергії, одержаної з енергії вітру, яка виконана з можливістю застосування способу згідно з щонайменше однією з вищеописаних форм виконання. Зокрема, така вітроенергетична установка для введення енергії містить інвертор як блок введення енергії. За допомогою інвертора або іншого блока введення енергії здійснюється введення компоненти струму системи зворотної послідовності і, тим самим, задається імпеданс системи зворотної послідовності. Далі винахід пояснюється як приклад детальніше на основі форм виконання з посиланням на прикладені креслення, на яких показано: Фіг. 1 - вітроенергетична установка 1 в перспективному уявленні. Фіг. 2а-2с - концепція асиметричного введення струму. Фіг. 3 - запропонований спосіб введення енергії згідно з однією формою виконання. На фіг. 1 показана вітроенергетична установка 100 зі щоглою 102 і гондолою 104. На гондолі 104 розміщений ротор 106 з трьома роторними лопатями 108 і обертач 110. Ротор 106 при роботі приводиться вітром в обертальний рух і тим самим приводить в дію генератор в гондолі 104. З посиланням на фіг. 2а, 2b і 2с пояснюється наступне. Основна частота напруг (і струмів) представляється векторами в симетричних компонентах: і, як звичайно, перетворюється: 45 Ступінь асиметрії, який використовується як ступінь асиметрії, задається відношенням амплітуди вектора системи зворотної послідовності або відповідно системи нульової послідовності до вектора системи прямої послідовності: V-/V+ або V0/V+ 3 UA 115999 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Пов'язані з мережею інвертори можуть інтерпретуватися за допомогою типових (залежних від часу і від стану) еквівалентів відносно основної частоти і (квазі-) стаціонарних робочих станів. Застосовною для неізольованих робочих станів інвертора опцією є імпедансний еквівалент (фіг. 2а). У зв'язку з векторною групою трансформатора в тестовій системі живлення еквівалент системи нульової послідовності для інвертора, що експлуатується, не є актуальним. Імпеданс системи прямої послідовності визначається за допомогою стандартного рівня керування потужністю FACTS-архітектури керування інвертором; імпеданс системи зворотної послідовності керується за допомогою додаткового ACI-керування (фіг. 2с). Обидва імпеданси компонент систем впливають на фізичний режим одночасно. Вони залежать від фактичних вихідних напруг компонент систем і фактичних амплітуд і з посиланням на струми інвертора, які керуються незалежно один від одного для системи прямої послідовності і системи зворотної послідовності (фіг. 2b). Негативні дійсні частини імпедансу показують, що активна потужність вводиться в мережу, а для реактивної потужності це показують відповідно негативні уявні частини. Інтерпретація цього відображення обмежена не розділеними робочими станами інвертора. Що стосується амплітуди напруг компонент систем, обмін потужністю між інвертором і мережею при нормальних робочих станах абсолютно домінує за допомогою системи прямої послідовності. Тому імпеданс системи прямої послідовності під час нормального робочого стану може інтерпретуватися, як наслідок, за допомогою фактичної загальної потужності інвертора і фактичної вихідної напруги системи прямої послідовності. Визначений за допомогою незалежних ACI-умов імпеданс системи зворотної послідовності реалізовується через струми інвертора системи зворотної послідовності залежно від фактичної вихідної напруги системи зворотної послідовності. Це створює функціонально додатковий режим ACI-режим керування, який тому належить до рівня керування потужністю архітектури застосовуваного керування інвертором (фіг. 2 праворуч). Векторне керування регулює вхідний сигнал для PWM-керування, як звичайно. Абревіатура ACI, яка є похідною від англійського терміна "Asymmetrical Current Injection" (асиметричне введення струму) означає асиметричне введення струму. Суто передбачливо зазначається, що абревіатура FACTS означає як в англійській, так і німецькій професійній термінології, поняття "Гнучка система передачі змінного струму" ("Flexible AC Transmission System"). Фіг. 2а, таким чином, ілюструє розділення керування інвертором 2 відповідно до однієї форми виконання за рахунок того, що воно розділяється на керування і введення складової 4 в системі прямої послідовності (англ. positive sequence - пряма послідовність) і керування і, тим самим, введення складової 6 в системі зворотної послідовності (англ. negative sequence зворотна послідовність). Таким чином, для системи прямої послідовності здійснюється + керування імпедансом Z , дійсна складова якого негативна, який може бути визначений за + + допомогою параметрів I V . Відповідно, система зворотної послідовності застосовує імпеданс Z - і, тим самим, електричні параметри I V . + Значення цих обох імпедансів Z і Z показане на діаграмі на фіг. 2b в комплексній площині. Фіг. 2с ілюструє на принциповій схемі, яка показана частково у вигляді блок-схеми, виконання введення енергії відповідно до однієї форми виконання. У трифазній мережі 8 електроживлення, фази якої позначені буквами а, b і с, в місці 10 вимірювань реєструється напруга v(t) всіх трьох фаз і подається на блок 12 розкладання. Блок 12 розкладання розкладає зареєстрованим таким чином трифазну систему на компоненту + системи прямої послідовності напруги v і компоненту системи зворотної послідовності напруги v . Результат визначається через додатковий обчислювальний блок 14, який визначає необхідні значення, такі як реактивна потужність Q, і разом з компонентами системи прямої і зворотної послідовності напруга передається на блок 16 задання введення енергії. Блок 16 задання введення енергії потім визначає складові системи прямої і зворотної послідовності, які підлягають введенню, струму, який підлягає введенню, і визначає для цього, відповідно, d- і qскладову для струму системи прямої послідовності і струму системи зворотної послідовності. Це також може скорочено вказуватися за допомогою d-, q-, d+ і q+. У блок 16 задання введення енергії може також передаватися інформація про напругу Vdc проміжного контуру. Обчислювальний блок 14 і, зокрема, блок 16 задання введення енергії, таким чином, утворюють блок 18 керування потужністю. Значення, одержані з блока 18 керування потужністю, зокрема, в блоці 16 задання введення енергії, передаються в блок 20 векторного керування, який в блоці 22 системи зворотної послідовності або в блоці 24 системи прямої послідовності визначає відповідні вектори для керування відповідною фазою, в яку повинне здійснюватися введення енергії. Блок 22 системи 4 UA 115999 C2 5 10 15 20 25 30 35 зворотної послідовності і блок 24 системи прямої послідовності також обмінюються інформаціями з блоком 12 розкладання. Блок 26 перетворення перетворює для цього обидва вектори системи прямої і зворотної послідовності струму, що вводиться, в конкретні задання ввідних струмів фаз і видає ці інформації на блоки 28а, 28b або 28c. Блок 26 визначає для цього окремі струми iaref, ibref або icref відповідно до розрахунку: iaref=i-aref+i+aref+; ibref=i-bref+i+bref або icref=icref+i+cref… Вони передаються далі на блоки 30а, 30b і 30с керування діапазоном допусків в блоці 32 інвертора. Блоки 30а, 30b і 30с керування діапазоном допусків потім виконують за допомогою відомого керування діапазоном допусків конкретне керування інверторними мостами інвертора 34 і при цьому можуть враховувати фактичний струм i(t). На фіг. 3 представлена мережа 15 електроживлення як вихідна точка для керування відповідно до однієї форми виконання. Мережа 50 впливає, зокрема, за допомогою вимірювань, на загальне керування, яке показане у вигляді блока 52 мережного керування. Це загальне мережне керування для встановлення імпедансу Z може задавати значення для регулювального коефіцієнта k або k АВ і фазового кута φ або φ АВ регулювання. Індекс AB позначає тут нормальний робочий стан мережі 50, тобто робочий стан, в якому немає ніяких мережних порушень. Однак деякі асиметрії можуть також бути присутніми. На Фіг. 3 також показане, що для регулювального коефіцієнта k або k VNSR встановлюється фіксоване значення, наприклад, значення 2, якщо має місце асиметричне порушення. У цьому випадку для фазового кута φ або φ VNSR регулювання задається абсолютне значення 90°. Індекс VNSR, який є абревіатурою англомовного терміна "Voltage Negative Sequence Reactance" (реактивність зворотної послідовності напруги), позначає тут для випадку порушення, що для системи зворотної послідовності напруги задається реактивність. Для цього випадку асиметричної несправності в мережі, таким чином, застосовується не змінний фазовий кут φ регулювання, а призначається чисто реактивний опір як споживач. Блок 54 керування інвертором відповідно керує інвертором 2. Інвертор 2 в цьому випадку відповідає інвертору, показаному на фіг. 2а, і також посилальна позиція 54 для блока 54 керування інвертором застосовується на фіг. 2а. Однак фіг. 2а і фіг. 3 є схематичними уявленнями, і можуть бути відмінності в деталях. Керування інвертором 2 за допомогою блока 54 керування інвертором, як показано на фіг. 3, містить різні процеси керування, і в цьому відношенні також можна послатися на керування, обговорене з посиланням на фіг. 2с. Для наочної ілюстрації аспекту задання імпедансу, фіг. 3 ілюструє в цьому відношенні тільки передачу або дію регулювального коефіцієнта k і фазового кута φ регулювання на інвертор 2. Однак керування інвертором не обмежується заданням цих значень. Пунктирною стрілкою також показана можлива зворотна дія інвертора 2 або відповідно параметрів, що є на виході 56 інвертора на блок 54 керування інвертором і, таким чином, на керування інвертором. У результаті, інвертор 2 видає на свій вихід 56 інвертора підлягаючий введенню в мережу трифазний асиметричний струм і вводить його через представлений як приклад трансформатор 58 в мережу 50 в точці 60 підключення до мережі. 40 ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 45 50 1. Спосіб введення електричної енергії в електричну трифазну мережу (8), що містить етапи: - введення електричного струму за допомогою блока (2) введення енергії в точці (60) підключення до мережі, - реєстрація асиметрії в мережі (8) електроживлення, зокрема компоненти системи зворотної послідовності в мережі (8) електроживлення, - введення в мережу (8) електроживлення асиметричної складової струму для щонайменше часткової компенсації зареєстрованої асиметрії, причому введення асиметричної складової струму здійснюють таким чином, що блок (2) введення енергії є інвертором і функціонує як споживач в системі (6) зворотної послідовності. 2. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що споживача в системі (6) зворотної послідовності описують як імпеданс Z  і визначають за допомогою наступного співвідношення: Z   Zn 55 e j  k , в якому Z n - величина імпедансу,   регулювальний коефіцієнт. - фазовий кут регулювання, і k  - скалярний 5 UA 115999 C2 3. Спосіб за п. 2, який відрізняється тим, що регулювальний коефіцієнт k  і/або фазовий кут   регулювання імпедансу регулюють залежно від щонайменше однієї мережної властивості. 5 10 15 20 25 30 4. Спосіб за п. 2 або 3, який відрізняється тим, що фазовий кут   регулювання встановлюють в діапазоні 0-90°, причому його встановлюють тим більшим, чим більше в точці підключення до мережі відношення реактивного опору до активного опору (відношення X/R) мережі електроживлення. 5. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що створюють еквівалентну схему мережі (8) електроживлення для точки (10) введення енергії і, залежно від створеної еквівалентної схеми, регулюють споживача (6) або відповідно імпеданс, який описує споживача (6), зокрема, фазовий кут   регулювання і/або регулювальний коефіцієнт k  встановлюють залежно від одержаної еквівалентної схеми. 6. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що асиметрію реєструють тим, що реєструють компоненту ( V  ) системи зворотної послідовності електричної напруги в мережі (8) електроживлення, і/або що асиметричну складову струму вводять як компоненту системи зворотної послідовності. 7. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що блок (2) введення енергії являє собою або включає в себе інвертор. 8. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що перевіряють, чи присутнє асиметричне мережне порушення в мережі (8) електроживлення, і причому асиметричне введення потім здійснюють так, що блок (2) введення енергії функціонує як споживач (6), якщо не зареєстровано ніякого асиметричного мережного порушення. 9. Спосіб за п. 2, який відрізняється тим, що введення здійснюють в мережу середньої напруги, і для цього фазовий кут   регулювання встановлюють на значення в діапазоні 40-70°, зокрема 50-60°, і/або що для регулювального коефіцієнта k  встановлюють значення в діапазоні від 0 до 10. 10. Вітроенергетична установка (100) для введення енергії, одержаної з енергії вітру, в електричну мережу (8) електроживлення, виконана з можливістю застосування способу за будьяким з попередніх пунктів. 11. Вітроенергетична установка (100) за п. 10, яка відрізняється тим, що для введення енергії містить інвертор (2) як блок (2) введення енергії. 12. Інвертор (2) для введення електричної енергії в електричну мережу (8) електроживлення, виконаний з можливістю застосування способу за будь-яким з пп. 1-9 і, зокрема, для експлуатації з вітроенергетичною установкою. 6 UA 115999 C2 7 UA 115999 C2 8 UA 115999 C2 9 UA 115999 C2 Комп’ютерна верстка О. Рябко Міністерство економічного розвитку і торгівлі України, вул. М. Грушевського, 12/2, м. Київ, 01008, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 10