CN100380767C - 风能系统以及用于运行该种风能系统的方法 - Google Patents

风能系统以及用于运行该种风能系统的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及风能系统，包含至少两个借助风扇(1)驱动的发电机(2)、用于各发电机(2)的整流单元(3)、用于各整流单元的储能回路(4)、其上并联了该储能回路的第一母线(7)、与该第一母线(7)相联接的输电系统(8)、与该输电系统(8)相联接的电网耦合装置(15)以及与该耦合装置相联接的用于耦合到交流电网上的电网变压器(16)。此外每个整流单元(3)作为具有可控功率半导体元件的有源整流单元来构造，并且每个储能回路(4)具有至少一个直流电容，且在至少一个至第一母线(7)的联接中具有至少一个半导体开关形式的第一保护开关(5)。此外还涉及运行该风能系统的方法。

Description

风能系统以及用于运行该种风能系统的方法
技术领域
本发明涉及风能系统领域。按照独立权利要求的前序部分，该发明涉及一种风能系统和一种用于运行该系统的方法。
背景技术
如今风能系统作为一种选择的能源供应由于能源的减少而大量应用，且风能系统通常建造在陆地上或海岸边的海中。在专利WO00/74198A1中已经公开了一种此类风能系统。该风能系统具有至少两个风扇，其中每个风扇与一个发电机机械联接并驱动发电机。该发电机中的每一个与一种所属的无源整流单元相联接。所有的整流单元在其直流电压侧还包含由一种储能回路，其中每个储能回路通过相应的电感来构造。然而这种电感由于其大的和耗费的构造方式而需要额外的材料耗费，并且相应需要大的空间。每个储能回路后接了一种升压调节器来与相应整流单元的直流相匹配。具有后接升压调节器的专利W000/74198A1的这种储能回路并联到一个母线上并且把电能输入到一种输电系统中，其中该输电系统通常作为两相的汇流排来实施。对于长的输电系统，为了匹配为能量低损耗传输而需要的高直流电压，在输入侧设置一种DC-DC调节器。该输电系统与一种电网耦合装置相联接，其中该电网耦合装置具有一种由直流电容构造的输入回路。此外，该输入回路用其直流电压侧与电网耦合装置的逆变装置相联接，其中该逆变装置在其交流电压侧通过一种电网变压器与常用的电网相耦合。
这种风能系统的问题在于，如果电网耦合装置的逆变装置和/或整流单元中的一个或多个失效，那么该输电系统以及因而所有其上联接的储能回路和耦合装置的输入回路短路。一种已知的解决方案是，借助其升压调节器、特别是借助相应升压调节器的一个晶体管使所有储能回路有效地短路，并且借助逆变装置使输入回路有源短路。通过同时的短路使得短路电流相同地分配到所有的整流单元上和逆变装置上。通过通常的电网功率开关来隔离交流电网以断开短路电流。在一个整流单元失效的情况下必须隔离该整流单元，以便能够使该风能系统再次运行。然而在这种隔离过程中，特别是与相应的储能回路隔离过程中，必须能够控制先前流过的短路电流直至停住所属的发电机到静止状态。在按照专利WO00/74198A1的风能系统中，不具有与储能回路相隔离的可能性，并且据此也不可能。此外必须给升压调节器和逆变装置迅速地传输信号，以便在一个或多个整流单元和/或逆变装置失效的情况下能够同时地进行前述的有效短路。但是这种信号传输具有附加元件和材料的大耗费，特别是当这种信号传输必须通过长的距离来进行的时候。总之在按照专利WO00/74198A1的风能系统中，在电网耦合装置的整流单元和/或逆变装置中的一个或多个失效的情况下，不能够使没失效的或无缺陷的元件继续运行。
发明内容
从而本发明的任务在于提供一种风能系统，其中与该风能系统的一个发电机相联接的整流单元在其失效和或有缺陷的情况下可以有选择地与该风能系统相隔离，其中该风能系统的其它部件可以实现无中断的继续运行，并且该风能系统可以尤其简单而耐用地来进行构造，并且可以用微小的电路耗费来实现。另外还提供了一种方法，借助该方法，本发明的风能系统可以尤其简单而有效地运行。该任务通过以下技术方案而得到解决。本发明还包括基于所述技术方案的有利的扩展。
根据本发明的一种风能系统，包含有：至少两个借助风扇驱动的发电机，用于各发电机的各整流单元，所述各整流单元的输入端与所述的发电机的输出端相联接，用于各整流单元的各储能回路，其中该储能回路与所属整流单元的输出相联接，一个第一母线，该储能回路并联在该第一母线上，一个输电系统，其中该输电系统与该第一母线相联接，一个电网耦合装置，该输电系统与该电网耦合装置的输入侧相联接，其中该电网耦合装置通过一个电网变压器耦合到交流供电电网上，其特征在于，每个整流单元作为具有可控功率半导体元件的有源整流单元来构造，每个储能回路具有至少一个直流电容，以及每个储能回路在与第一母线的至少一个连接中具有至少一个半导体开关形式的第一保护开关，每个储能回路在至第一母线的每个连接中都具有至少一个第一隔离装置，其中该第一隔离装置用于把储能回路与第一母线电气隔离。
根据本发明的一种用于运行风能系统的方法，其中通过至少两个借助风扇驱动的发电机产生电能来输入到交流电网中，其中该风能系统具有用于各发电机的各整流单元，在该整流单元的输入上联接了所属的发电机，并且为每个整流单元设置了与该整流单元的输出端相联接的储能回路，并且设置了一个第一母线，在该第一母线上并联联接该储能回路，还设有与第一母线相联接的输电系统，并且设置了一个电网耦合装置，输电系统与该耦合装置的输入侧相联接，其中该电网耦合装置通过一个电网变压器耦合到交流电网上，其特征在于，每个整流单元作为具有可控功率半导体元件的有源整流单元来构造，并且每个储能回路具有至少一个直流电容，并且每个储能回路在至少一个至第一母线的联接中包含有半导体开关形式的至少一个第一保护开关，并且在其中一个整流单元出现失效的情况下把所属的第一保护开关断开，每个储能回路在至第一母线的每个联接中包含有至少一个第一隔离装置，并且在断开所属的第一保护开关之后通过所属的第一隔离装置把失效的整流单元与第一母线电气隔离。
本发明的风能系统包含有至少两个借助风扇驱动的发电机，其中为各发电机设置了一种整流单元，其中该整流单元的输入与所属的发电机相联接。此外该风能系统具有用于各整流单元的一种储能回路，其中该储能回路联接到所属整流单元的输出上。另外还设置有一种第一母线，在该母线上并联了该储能回路。一种输电系统与该第一母线相联接，其中设置有一种电网耦合装置，该输电系统在输入侧与该耦合装置相联接。另外该耦合装置通过一种电网变压器耦合到交流电网上。按照本发明，每个整流单元作为具有可控功率半导体元件的有源整流单元来构造。另外每个储能回路包含有至少一个直流电容，并且在至第一母线的至少一个联接中具有至少一个半导体开关形式的第一保护开关。借助该有源整流单元和具有直流电容的储能回路，可以有利地对该储能回路的可变的、与负载无关的直流电压实施调节。由此，通过第一母线与该储能回路相联接的前述输电系统的电压可以提高，如此使得特别是在比如长距离延伸的输电系统中，电能损耗可以有利地降低。此外在一个或多个整流单元失效和/或有缺陷的情况下，可以在各储能回路中把超出最大允许电流值的电流与第一母线以期望的方式断开，和/或在第一母线中借助各个第一保护开关把电流与储能回路以期望的方式断开。通过这种断开而实现了把相应的整流单元与风能系统迅速地有选择地隔离，如此使得能够使该风能系统的其它部件有利地无中断地继续运行。该第一保护开关以半导体开关的形式而有利地避免了损坏或破坏。
另外该风能系统用最少数量的元件就足够了，特别是由于为储能回路使用了直流电容而需要很少的空间，并且可以用少量的电路耗费就可以实现。从而按照本发明，该风能系统由于构造简单和元件少而非常便于维护和修理并从而非常可靠。
在按照本发明的用于运行该风能系统的方法中，通过至少两个借助风扇驱动的发电机产生电能来输入到交流电网中。按照本发明，在整流单元中的一个出现失效和/或有缺陷的情况下，所属的第一保护开关断开。通过在一个整流单元有缺陷或失效的情况下断开所属的第一保护开关，相应的整流单元简单而迅速地与风能系统相隔离，如此使得该风能系统可以有利地无中断地继续运行。从而本发明的方法能够实现风能系统的特别有效的运行，其中对此能够达到风能系统的非常高的可用性。
附图说明
该任务和其它任务、本发明的优点和特征由本发明的优选实施例的下列详细描述并结合附图来阐明。其中，
附图1示出了本发明的风能系统的一种实施方案。
在该附图中所采用的参考符号及其含义在参考符号列表中一起列出。附图中相同的部分原则上用相同的参考符号来指示。所述的实施方案示例地基于本发明的对象并且其作用是无限制。
具体实施方式
附图1中示出了本发明的风能系统的一种实施方案。该风能系统包括至少两个借助风扇1驱动的发电机2。此外还为这些发电机2的每一个设置了一种整流单元3，在其输入上，特别在其交流电压输入上联接了相关的发电机2。每个整流单元3都具有一种储能回路4，该储能回路联接在输出上，特别是所属整流单元3的直流输出上。按照附图1，所有的储能回路4并联到第一母线7上，其中在第一母线7上还联接了输电系统8。此外，按照附图1还设置有电网耦合装置15，其中输电系统8与该耦合装置在输入侧相联接。电网耦合装置15按照附图1通过一种电网变压器16耦合到交流电网上，其中该交流电网为了层次清楚而没有示出。
按照本发明，每个整流单元作为有源整流单元而用可控功率半导体元件来构造，并且每个储能回路4此外还具有至少一个直流电容，由此借助所属的有源整流单元3有利地对各储能回路4的变化的、与负载无关的直流电压来实施调节。由此能够提高输电系统8的电压。特别是当输电系统8比如在风能系统的海面应用中进行长距离延伸时，采用这种电压提高方法可以有效地降低电气功率损耗。如现有技术所公开的，由此可以有利地放弃高压调节器。同样如现有技术所公开的，也可以有利地节省一种具有用于大电压提升的昂贵控制装置的DC-DC调节器，并且只是在距离极长的传输线路情况下才选择性地使用它。
此外按照本发明，每个储能回路4在至少一个至母线7的联接中具有至少一个第一保护开关5，其中该保护开关是半导体开关的形式。在一个或多个整流单元3有缺陷或失效的情况下，超出最大允许电流值的电流在各储能回路4中用各个第一保护开关5以期望的方式迅速与第一母线7断开，和/或在第一母线7中把电流以期望的方式迅速与储能回路4断开，从而实现了有选择地把相应的整流单元3与风能系统断开。由此有利地实现了风能系统其它部件无中断地继续运行。
按照附图1，第一保护开关5优选地作为半导体二极管来构造。由此相应地减小了电路耗费或控制耗费，原因在于该第一保护开关5不需要耗费的控制装置。
另外，按照附图1，每个储能电路4在与第一母线7的联接中都具有至少一个第一隔离装置6，其中该第一隔离装置6比如以一种机械开关的形式来用于把储能回路4与第一母线7作电气隔离。借助该第一隔离装置6，从而能够有利地实现把失效的整流单元3与风能系统，特别是与第一母线7作电气隔离。该第一隔离装置6优选地设计用来隔离接近无电流的状态并且可以用手操作，如此使得可以把电路耗费和控制耗费保持很小。
按照本发明，附图1的电网耦合装置15通过一个第二母线与该输电系统8相连。该电网耦合装置15还具有至少一个逆变装置13和用于各逆变装置13的各一个输入回路12，其中在大于或等于逆变装置数量2的情况下，输入回路12的与第二母线9并联。每个输入回路12优选地包含至少一个直流电容。大于或等于逆变装置数量2时，并联的优点在于，在失效的情况下可以实现未失效的逆变装置13的部分冗余。另外，通过大于或等于2的逆变装置数量，能够用电网变压器16的一种合适的变压器电路来实现谐波的降低。直流电容还有利地使由所属逆变装置13所产生的开关频率的电流谐波短路，并从而尽可能使其远离输电系统8。
此外按照本发明，在至少一个与第二母线9的联接中，每个输入回路12还包含有至少一个作为半导体开关形式的第二保护开关11，其中该第二保护开关11有利地为一种可控功率半导体开关。如果一个或多个逆变装置13有缺陷或失效，超过最大允许电流值的电流可以在各输入回路12中迅速地与第二母线9断开，和/或在具有各个第二保护开关11的第二母线9中迅速地与输入回路12断开，从而实现了有选择地把相应的逆变装置13与风能系统断开。由此能够有利地使风能系统的其余元件无中断地继续运行。为了检测电流的前述最大电流值的超出而安装了一种探测装置，以便能够通过一种控制装置来断开作为可控半导体开关来构造的第二保护开关11。该相应的探测装置以及单个的第二保护开关11的控制装置由于简化的原因而在此被忽略。
此外按照本发明，每个输入回路12在与第二母线9的每个联接中还包含有至少一个第二隔离装置10，其中该第二隔离装置10用于把输入回路12与第二母线9作电气隔离。借助该第二隔离装置10能够有利地把失效的逆变装置13与风能系统，特别是与第二母线9作电气隔离。该第二隔离装置10优选地设计用来隔离近似无电流的状态，并且可以用手和譬如机械来实施操作，如此使得电路耗费和控制耗费可以保持很小。
按照附图1，每个逆变装置13用其交流电压侧与电网变压器16相联接，其中在每个至电网变压器16的联接中至少设置了一个第三隔离装置14。该隔离装置14用于把逆变装置13与电网变压器16作电气隔离。从而能够有利地把失效的逆变装置13与风能系统，特别是与电网变压器16作电气隔离。此外，在风能系统的启动期间，在输入回路12的直流电容通过一种为清楚起见而没有示出的预充电装置进行预充电的情况下，电网变压器16借助该第三隔离装置14一直与逆变装置14保持隔离，直到直流电容充电结束。该第三隔离装置14与该第二隔离装置10一起可以对所属的逆变装置13无电压地进行切换以对其进行维护，而该整流装置13没有缺陷或失效，其中该风能系统可以有利地继续运行。
该第三隔离装置14优选地设计用来隔离接近无电流的状态，并且可以用手和比如机械来实施操作，如此使得如在使用第一和第二隔离装置6、10的情况下所已经表明的，在使用第三隔离装置14的情况下也可以使电路耗费和控制耗费保持很小。
在按照本发明的用于运行本发明风能系统的方法中，通过至少两个借助风扇1驱动的发电机2来产生电能输入到交流电网中。按照本发明，在整流单元3的一个出现缺陷或失效的情况下，所属的第一保护开关5断开。在相应的整流单元3有缺陷或失效的情况下，通过断开第一保护开关5来简单而迅速地与风能系统、特别是与第一母线7相断开，如此使得该风能系统可以有利地无中断地继续运行。
另外按照本发明的方法，所属的第一保护开关5断开之后，失效的整流单元3通过所属的第一隔离装置6与第一母线7电气隔离。通过借助第一隔离装置6的电气隔离，失效的整流单元3可以有利地进行安全修理或更换。
按照本发明，在逆变装置13中的一个出现失效的情况下，所属的第二保护开关11断开。在相应的逆变装置13有缺陷或失效的情况下，通过断开第二保护开关11使得该逆变装置简单而迅速地与风能系统、特别是与第二母线9隔离，如此使得该风能系统可以有利地无中断地继续运行。另外在失效逆变装置13的所属第二保护开关11断开之后，通过所属的第二隔离装置11与第二母线9电气隔离。借助第二隔离装置10的电气隔离，可以有利地对失效的逆变装置13进行安全的修理和更换。此外失效的逆变装置13优选地通过所属的第三隔离装置14与电网变压器16电气隔离，由此，当在缺陷的或需要维护的逆变装置13上实施维修或对其更换时，这提供了一种附加的可靠性。
总之本发明的风能系统描述了一种极其简单和造价合理的以及运行可靠的解决方案，原因在于特别是在元件失效和/或有缺陷的情况下可以有选择地与风能系统相隔离，其中保证了风能系统的其它元件无中断地继续运行。为此，通过本发明的方法实现了一种简单的、可靠的而且非常有效的运行，由此可以达到风能系统的特别高的可用性。
参考符号列表
1风扇
2发电机
3整流单元
4储能回路
5第一保护开关
6第一隔离装置
7第一母线
8输电系统
9第二母线
10第二隔离装置
11第二保护开关
12输入回路
13逆变装置
14第三隔离装置
15电网耦合装置
16电网变压器

Claims (13)

1.一种风能系统，包含有
至少两个借助风扇(1)驱动的发电机(2)，
用于各发电机(2)的各整流单元(3)，所述各整流单元的输入端与所属的发电机(2)的输出端相联接，
用于各整流单元(3)的各储能回路(4)，其中所述各储能回路(4)与所属的整流单元(3)的输出相联接，
一个第一母线(7)，所述各储能回路(4)并联在该第一母线上，
一个输电系统(8)，其中该输电系统与该第一母线相联接，
一个电网耦合装置(15)，该输电系统(8)与该电网耦合装置的输入侧相联接，其中该电网耦合装置(15)通过一个电网变压器(16)耦合到交流供电电网上，其特征在于，
每个整流单元(3)作为具有可控功率半导体元件的有源整流单元(3)来构造，
每个储能回路(4)具有至少一个直流电容，以及
每个储能回路(4)在与第一母线(7)的至少一个联接中具有至少一个半导体开关形式的第一保护开关(5)，
每个储能回路(4)在至第一母线(7)的每个联接中都具有至少一个第一隔离装置(6)，其中该第一隔离装置(6)用于把储能回路(4)与第一母线(7)电气隔离。
2.如权利要求1的风能系统，其特征在于，第一保护开关(5)是一种半导体二极管。
3.如权利要求1或2的风能系统，其特征在于，电网耦合装置(15)通过一个第二母线(9)与该输电系统(8)相联接。
4.如权利要求3的风能系统，其特征在于，电网耦合装置(15)具有至少一个逆变装置(13)和用于各逆变装置(13)的各输入回路(12)，
在逆变装置数量大于或等于2时，所述各输入回路(12)并联联接在所述第二母线(9)上。
5.如权利要求4的风能系统，其特征在于，各输入回路(12)包含至少一个直流电容。
6.如权利要求4的风能系统，其特征在于，各输入回路(12)在至第二母线(9)的至少一个联接中具有一种半导体开关形式的至少一个第二保护开关(11)。
7.如权利要求6的风能系统，其特征在于，该第二保护开关(11)是一种可控功率半导体开关。
8.如权利要求4的风能系统，其特征在于，每个输入回路(12)在至第二母线(9)的各联接中具有至少一个第二隔离装置(10)，其中该第二隔离装置(10)用于把该输入回路(12)与该第二母线(9)电气隔离。
9.如权利要求4的风能系统，其特征在于，每个逆变装置(13)用自身的交流电压侧与电网变压器(16)相联接，并且在至电网变压器(16)的各联接中设置了至少一个第三隔离装置(14)，其中该第三隔离装置(14)用于把该逆变装置(13)与电网变压器(16)电气隔离。
10.一种用于运行风能系统的方法，其中通过至少两个借助风扇(1)驱动的发电机(2)产生电能来输入到交流电网中，其中该风能系统具有用于各发电机(2)的各整流单元(3)，在各整流单元的输入上联接了所属的发电机(2)，并且为每个整流单元(3)设置了与各整流单元的输出端相联接的各储能回路(4)，并且设置了一个第一母线，在该第一母线上并联联接各储能回路(4)，还设有与第一母线(7)相联接的输电系统(8)，并且设置了一个电网耦合装置(15)，输电系统(8)与该电网耦合装置的输入侧相联接，其中该电网耦合装置(15)通过一个电网变压器(16)耦合到交流电网上，其特征在于，
每个整流单元(3)作为具有可控功率半导体元件的有源整流单元(3)来构造，并且每个储能回路(4)具有至少一个直流电容，并且每个储能回路(4)在至少一个至第一母线(7)的联接中包含有半导体开关形式的至少一个第一保护开关(5)，并且在其中一个整流单元(3)出现失效的情况下把所属的第一保护开关(5)断开，
每个储能回路(4)在至第一母线(7)的每个联接中包含有至少一个第一隔离装置(6)，并且在断开所属的第一保护开关(5)之后通过所属的第一隔离装置(6)把失效的整流单元(3)与第一母线(7)电气隔离。
11.如权利要求10的方法，其特征在于，该电网耦合装置(15)通过第二母线(9)与该输电系统(8)相联接，并且具有至少一个逆变装置(13)和用于各逆变装置(13)的各输入回路(12)，其中当逆变装置数量大于或等于2时，各输入回路(12)并联联接在该第二母线(9)上，并且每个输入回路(12)在至少一个至第二母线(9)的联接中具有至少一个半导体开关形式的第二保护开关(11)，并且在逆变装置(13)中的一个出现失效的情况下把所属的第二保护开关(11)断开。
12.如权利要求11的方法，其征在于，每个输入回路(12)在至第二母线(9)的每个联接中包含有至少一个第二隔离装置(10)，并且在所属的第二保护开关(11)断开之后，失效的逆变装置(13)通过所属的第二隔离装置(10)与该第二母线(9)电气隔离。
13.如权利要求11或12的方法，其特征在于，每个逆变装置(13)用自身的交流电压侧与该电网变压器(16)相联接，并且在每个至电网变压器(16)的联接中设置有至少一个第三隔离装置(14)，并且失效的逆变装置(13)通过所属的第三隔离装置(14)与电网变压器(16)电气隔离。
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