CN104603456A - 具有直流电压网的风电厂 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于由风产生电能的风电厂，所述风电厂包括：至少两个用于产生电能的风能设施；和用于将产生的电能或其一部分馈送到供电网的共同的馈送设备，其中风能设施与馈送设备经由直流电压电网连接，以便将借助相应的风能设施产生的电能借助于直流电流传导给馈送设备。

Description

具有直流电压网的风电厂

技术领域

本发明涉及一种用于由风产生电能并且用于将所产生的电能馈送到供电网中的风电厂。此外，本发明涉及一种用于馈送在具有多个风能设施的风电厂中产生的电能的方法。

背景技术

通常已知的是，通过风能设施由风产生电能，其中在此“产生”用于下述意义：将风中的能量转换成电能。通常，将风电厂中的多个风能设施分组。此外，这种风电厂具有共同的馈送点以用于将电能馈送到与此连接的供电网中。因此，风电厂的所有风能设施经由所述共同的馈送点将电能馈送到供电网中。

馈送在此例如进行成，使得每个风能设施以匹配于供电网的频率、电压幅值和相位将其电功率作为交变电流提供。多个风能设施的这样提供的电流在共同的馈送点处或在之前不久叠加进而能够共同地馈送到供电网中。

由此，基本上，风电厂中的任意的风能设施能够一起运行，因为每个风能设施如下调节对应于其产生的电流的预设。因此，在任何情况下仍需要总体上提供的功率的协调。

然而，缺点是，在此在每个风能设施和实现将风能设施耦联至共同的网络馈送点的内部的电厂网络上能够出现损失，所述损失因此能够损害风电厂的总效率。

德国专利和商标局已经在本申请的优先权申请中检索到下述现有技术：DE 101 45 346 A1和DE 196 20 906 A1。

发明内容

因此，本发明基于下述目的，尽可能地减少上述缺点。尤其地，应减少风电厂中的损失功率进而提高风电厂的效率。至少应提出一个替选的解决方案。

根据本发明，提出一种根据权利要求1所述的风电厂。这种风电厂准备用于由风中产生电能并且包括至少两个用于产生电能的风能设施和用于将产生的电能馈送到所连接的供电网中的共同的馈送设备。也能够尤其暂时地提出：仅将所产生的或能产生的电能的一部分馈送到供电网中，当这例如出于支持供电网的原因和/或由于供电网的使用者的预设是必须的时如此。否则，为了基本上阐述本发明，忽略可能的损失功率。为了阐述基本理解，因此基于：所产生的电功率也能够平均地馈送到供应网络中。就此而言，关键的是损失功率，具体地提到所述损失功率。

因此，在所提出的解决方案中，风能设施与馈送设备经由直流电压电网连接，所述直流电压电网也能够称作为直流电压电厂网络。因此，当观察瞬时状态时，风能设施将其电能或其电功率作为直流电流导入到直流电压网络中并且全部相关的风能设施的所述直流电流共同地传导到馈送设备上。馈送设备现在获得风电厂的所有电功率并且能够将所述电功率馈送到供电网中。

在此，也能够涉及将直流电流馈送到直流电压电厂电网中，其中因此馈送设备从直流电压电厂电网中提取电功率。为了避免与供电网的混淆，而在此选择术语：导入到直流电压网络中。

因此提出，设有直流电压电厂网络并且所连接的风能设施也仅将具有相应的电压的直流电流导入到所述直流电压电厂网络中。因此，馈送能够为电厂进而为多个风能设施采用唯一的馈送设备。仅所述馈送设备需要产生交变电流，所述交变电流关于频率、电压幅值和相位匹配于供电网。供电网的可能的要求、包括突然改变的要求仅需要所述馈送设备来实现。检测网络状态也仅需要通过所述馈送设备来执行或仅所述馈送设备需要自发地考虑相应的所检测的数值。在此，也要注意的是，馈送设备能够直接在馈送点上或在其附近进而在供电网附近设置。因此，直接转化这样的检测到的测量数值是可能的，因为例如在馈送设备和供电网之间不出现或仅出现少量的电压损失。

因此，在馈送时也不再需要考虑从相应的风能设施到馈送点的电压损失。仅馈送设备需要使其所产生的电流信号的电压匹配于供电网的电压。由于在所述馈送设备和供电网之间的与电厂中的风能设施至供电网相比较小的距离，也能够使电压幅值必要时更好地匹配于供电网的需要。

最后，也能够节省迄今需要的在风能设施中的变频器。现在仅还需要一个馈送设备。所述馈送设备虽然必须转换风电厂的总功率进而相应地设计成较大尺寸，但是由此偶尔以较高的效率、即以较小的相对功率损失运行。

根据一个实施方式提出，直流电压网络的直流电压为1至50kV、尤其为5至10kV。这与双极拓扑中的两个线路之间的电压有关。

因此，风能设施将其已经具有相应高的电压、即具有平均电压的功率馈送到风电厂的直流电压网络中。通过风电厂的直流电压网络中的这种相应高的电压，能够减少传输损失。此外，已经具有一定的幅值的电压在共同的馈送设备中可用并且由此必要时能够节省用于对风电厂的电流网络中的电压进行升压变压的变压器。因此，在馈送设备中能够借助中压逆变器工作，或共同的馈送设备能够是中压逆变器，所述中压逆变器由于较高的电压需要较小的材料使用并且必要时中压逆变器也能够是多余的。

优选地，风电厂的至少一个风能设施、但是尤其是全部风能设施具有发电机、整流器和升压转换器。发电机与风能设施的空气动力学的转子耦联进而能够由风产生电功率，所述电功率作为交变电流提供。交变电流借助整流器整流成具有第一直流电压的第一直流电流。借助升压转换器将具有第一直流电压的所述第一直流电流升压转换成具有第二直流电压的第二直流电流并且第二直流电压因此高于第一直流电压。因此，第二直流电压优选地导入到风电厂的直流电压网络中。因此，升压转换器一方面用于升高第一直流电压、即升高到在直流电压网络中设有的电压幅值。同时，升压转换器能够满足下述功能：提供尽可能恒定的第二直流电压。因此，第一直流电压可能与风波动相关地波动并且例如在弱风的情况下与在较强风的情况下相比、尤其是与在额定风的情况下相比具有较小的值。

优选地，整流器在发电机附近、尤其是在风能设施的吊舱中设置并且所产生的第一直流电流随后通过风能设施的塔等向下传导至风能设施的塔底等，在那里设置有升压转换器。由此实现：为了将电功率从吊舱引导至塔底等能够使用直流电压传输。但是，同时能够在任何情况下避免在风电厂的直流电压网络中设置的高度的高的平均电压。

根据另一个设计方案提出，风电厂的至少一个风能设施、优选所有风能设施分别为了产生交变电流而具有同步发电机。这种同步发电机能够可靠地产生交变电流并且提供给整流器。优选地，同步发电机构成为环形发电机，即仅在靠外的三分之一或更靠外处具有其电磁有源元件。优选地，这种同步发电机能够配设有高的极数量，例如48、72、96或144个极。这能够实现无传动装置的结构形式，其中发电机的旋转体直接由空气动力学的转子驱动，即不具有在中间接入的传动装置，进而直接产生交变电流，所述交变电流被输送给整流器。优选地，同步发电机能够设有六相、即两次设有三相。这种6相的交变电流能够更容易地借助较小的高次谐波整流，或较小的滤波器能够够用。优选地，风能设施构成为是转速可变的，因此即空气动力学的转子的转速能够持续地匹配于分别占优的风速。

根据一个设计方案，馈送设备具有与直流电压网络连接的逆变器或馈送设备是逆变器。所述逆变器产生用于馈送到供电网中的交变电流。优选地，在此使用中压逆变器。

有益的是，在馈送设备和供电网之间设有用于提高由馈送设备产生的交变电压的变压器。在应用中压逆变器的情况下在此能够放弃中压变压器。根据所连接的供电网和位于其之间的拓扑，在此考虑使用高压变压器。尤其当中压逆变器已经产生具有中压、尤其是具有5至10kV的电压的交变电流时，和/或当使用产生直至50kV的尽可能高的中压的中压变压器时，考虑使用高压变压器。

根据本发明，此外提出一种根据权利要求7所述的用于将电能馈送到供电网中的方法。因此，交变电流借助于风能设施的发电机产生并且借助于整流器整流成具有第一直流电压的第一直流电流。所述第一直流电压能够在幅值方面波动。所述具有第一直流电压的第一直流电流随后借助于升压转换器升压转换成具有第二直流电压的第二直流电流。所述第二直流电压尤其在幅值方面高于第一直流电压并且匹配于在直流电压电厂网络中的、即在电厂中的共同的直流电压网络中的电压。

所述具有第二直流电压的第二直流电流相应地被导入到直流电压电厂网络中。通过所述直流电压电厂网络将所述导入的能量提供给共同的逆变器，所述逆变器也能够称作为电厂逆变器，所述逆变器将所述作为直流电流提供的能量逆变并且作为交变电流馈送到供电网中。

优选地，产生交变电流、将所述交变电流整流成第一直流电流、将第一直流电流升压转换成第二直流电流并且最后将第二直流电流导入到直流电压电厂网络中由多个风能设施分别执行。术语第一直流电流、第一直流电压和第二直流电流在此理解成系统化的术语并且第一直流电流、第一直流电压和第二直流电流能够在其幅值方面在风能设施与风能设施之间是不同的。甚至在使用相同的风能设施的情况下，值能够有所不同，例如与风电厂中的相关的风能设施的位置和/或占优的风相关。第二直流电压当然应当在所有风能设施中在任何情况下在一次近似下是相同的并且对应于直流电压电厂网络中的直流电压。

附图说明

现在，详尽地根据实施方式参考所附的附图示例性地详细阐述本发明。

图1示出要在风电厂中使用的风能设施的示意立体图。

图2示出风电厂的示意图。

具体实施方式

图1示出具有塔102和吊舱104的风能设施100。在吊舱104上设置有具有三个转子叶片108和整流罩110的空气动力学的转子106。转子106在运行中通过风置于转动运动并且由此驱动吊舱104中的发电机。

图2示出风电厂1，所述风电厂示例性地具有两个风能设施2，其中一个风能设施设有更多的细节，所述细节在另一个风能设施中由于简单性没有示出并且必要时所述细节能够是不同的。两个风能设施2分别经由直流电压线路4和直流电压汇流排6与共同的逆变器8连接。共同的逆变器8从汇流排6的直流电压或直流电流中在所述逆变器的输出端10处产生具有交变电压的交变电流并且将所述交变电流经由变压器12馈送到供电网14中，所述变压器在此构成为中压变压器。

根据一个实施方式的在任何情况下基本的功能和需要的元件基于详细示出的风能设施2阐述。风能设施2具有空气动力学的转子16，所述转子由风转动并且在此转动同步发电机18的旋转体，使得同步发电机18产生交变电流并且输送给整流器20。整流器20设置在风能设施2的吊舱22中并且在那里产生具有第一直流电压的第一直流电流。具有第一直流电压的第一直流电流借助于直流电流连接线路24从吊舱22通过塔26引导至塔底28。直流电流连接线路24因此也能够称作为直流电流塔线路。

在塔底28中，直流电流连接线路24与升压转换器30耦联。升压转换器30将具有第一交变电压的第一直流电流转换成具有第二直流电压的第二直流电流。所述具有第二直流电压的第二直流电流在升压转换器30的输出端32处输出并且经由直流电压线路4传导至汇流排6。

在直流电流连接线路24或直流电流塔线路24上进而在整流器20的输出端处出现的第一直流电流的第一直流电压大约为5kV。在至汇流排6的直流电压线路4或直流电压连接装置4上施加的直流电压优选具有5至10kV的值。相应地，所述值也在汇流排6上进而在共同的逆变器8的输入端处施加。相应地，在示出的示例中，共同的逆变器8设计成用于对为5至10kV的直流电压进行转换。共同的逆变器8因此设计成中压逆变器，所述逆变器因此基本上是馈送设备。

通过所示出的拓扑，能够节省每个风能设施2中的逆变器。所使用的共同的逆变器8尤其能够在使用如也在示出的图2中提出的中压逆变器的情况下，与对于具有较小的电压的多个单独的逆变器可能的情况下相比，以更高的效率运行。图2总计示出两个风能设施2，由此仅应表示：在风电厂1中存在多个风能设施2。优选地，然而这种风电厂具有多于两个的风能设施2，尤其地，所述风电厂具有50个风能设施或更多，所述风能设施全部经由直流电压线路4与汇流排6连接。因此，直流电压线路4的整体也能够称作为直流电压电厂网络4或简单地称作为电厂中的直流电压网络4。因此，直流电压电厂网络4不需要在各个风能设施之间建立直接的连接，但是其中能够存在间接的连接，例如在图2中示出的那样经由汇流排6。

根据风电厂1和/或供电网14的设计方案，能够放弃中压变压器12。所有由风能设施2产生的电功率在直流电压网络4中以尽可能高的电压提供进而尽可能有效地借助共同的逆变器8馈送到供电网14中。

由此，整体上尤其是通过减少损失，能够实现，提高电厂1的效率。此外，能够实现定位可能的将来的网络需要。这种网络需要例如能够是：电厂必须非常决定性地对供电网中的特定的状态做出反应，或者所述电厂必须尤其决定性地并且清楚预设地对供电网的网络运营商的要求做出反应。这种要求也能够非常突然地通过相应的信号预设。通过使用所述共同的逆变器8，风电厂1能够以风力发电厂的方式出现，所述风力发电厂由供电网仅感觉成大的发电机。电厂1中的风能设施2的可能的不同之处不作用于或本质上不作用于供电网14或者不能够由供电网14感觉到。属于此的尤其是在对供电网中的改变的状态做出响应时的不同的时间性能和/或通过供电网改变的要求。

因此，尤其提出，风电厂的所有电厂铺设线缆借助直流电压技术和在中压范围中的尤其大约为5至10kV的电压范围设置。风能设施构造成不具有逆变器。在图2中作为具有汇流排6的逆变器8示出的网络传输站的能量传输借助于直流电压进行。因此，在网络传输站上使用中压逆变器以用于馈送到交变电压网络中，即馈送到供电网14中。所述中压变压器满足所有网络要求，即通过供电网产生的要求，并且还有可能的无功功率要求，即关于要馈送的无功功率份额的要求。

因此，提出一种解决方案，所述解决方案也用于下述目标：能够尽可能成本有益地并且以尽可能高的效率构造风力发电厂。

Claims (8)

1.一种用于由风产生电能的风电厂(1)，所述风电厂包括：

-至少两个用于产生电能的风能设施(2)和

-用于将所产生的电能或其一部分馈送到供电网(14)中的共同的馈送设备(8)，

其中所述风能设施(2)与所述馈送设备(8)经由直流电压电网(4)连接，以便将借助相应的所述风能设施(2)产生的电能借助于直流电流传导给所述共同的馈送设备(8)。

2.根据权利要求1所述的风电厂(1)，

其特征在于，

所述直流电压网络(4)具有在1至50kV、尤其在5至10kV的范围中的直流电压。

3.根据权利要求1或2所述的风电厂(1)，

其特征在于，

所述风能设施(2)分别具有下述：

-用于产生交变电流的发电机(18)，

-用于将所产生的交变电流整流成具有第一直流电压的第一直流电流的整流器(20)和

-用于将具有第一直流电压的所述第一直流电流升压转换成具有第二直流电压的第二直流电流的升压转换器(30)，所述第二直流电压高于所述第一直流电压。

4.根据上述权利要求中任一项所述的风电厂(1)，

其特征在于，

所述风电厂(1)的至少一个所述风能设施(2)、优选全部风能设施(2)分别为了产生交变电流而具有同步发电机(18)。

5.根据上述权利要求中任一项所述的风电厂(1)，

其特征在于，

所述馈送设备(8)具有与所述直流电压网络(4)连接的逆变器(8)以用于产生交变电流以馈送到所述供电网(14)中。

6.根据上述权利要求中任一项所述的风电厂(1)，

其特征在于，

在所述馈送设备(8)和所述供电网(14)之间设有变压器(12)以用于提高由所述馈送设备(8)产生的交变电压。

7.一种用于将在具有多个风能设施(2)的风电厂(1)中产生的电能馈送到供电网(14)中的方法，具有下述步骤：

(a)借助于风能设施(2)的发电机(18)产生交变电流；

(b)将所述交变电流整流成具有第一直流电压的第一直流电流；

(c)将具有第一直流电压的所述第一直流电流升压转换成具有第二直流电压的第二直流电流；

(d)将所述第二直流电流导入到直流电压电厂网络(4)中，以用于提供给电厂逆变器(8)以馈送到所述供电网(14)中，和

(e)将在所述直流电压电厂网络(4)中提供的电能通过所述电厂逆变器(8)馈送到所述供电网(14)中。

8.根据权利要求7所述的方法，

其特征在于，

步骤a至d由所述风电厂(1)的多个风能设施(2)实施。